岩石力学讲义讲稿-岩石的强度.ppt

第3章岩石的强度水利水电工程中，存在着与岩石强度密切相关的问题，如岩基的承载力，岩坡稳定性，地下洞室开挖洞周围岩石(围岩)的应力分布及其稳定等。岩体是一个复杂的地质体，它的强度不仅与组成岩体的岩石性质有关，而且与岩体内的软弱结构面(节理、裂隙、层理、断层等)有关，此外还与岩体所受应力状态有关。软弱结构面常常是岩体最薄弱的地方，几组软弱结构面可以将岩体分割成各种形状和大小不同的岩块。岩体的强度决定于这些岩块的强度和结构面的强度。当然，岩块本身也有一些微结构面(细微裂隙)，但这些微结构面甚小(肉眼不易觉察)，一般对试件强度影响甚微。岩块内微结构面的作用将直接反映到岩石试件的力学性质上。通常所讲的岩石强度，一般是指岩石试件的强度，它实际上代表岩体内岩块的强度。1）脆性破坏：大多数坚硬岩石在一定的条件下都表现出脆性破坏的性质。也就是说，这些岩石在荷载作用下没有显著觉察的变形就突然破坏。产生这种破坏的原因可能是岩石中裂隙的发生和发展的结果。例如，在地下洞室开挖后，由于洞室周围的应力显著增大，洞室围岩可能产生许多裂隙，尤其是洞室顶部的张裂隙，这些都是脆性破坏的结果。2）塑性破坏：在两向或三向受力情况下，岩石在破坏之前的变形较大，没有明显的破坏荷载，表现出显著的塑性变形、流动或挤出，这种破坏即为塑性破坏。塑性变形是岩石内结晶晶格错位的结果。在一些软弱岩石中这种破坏较为明显。有些洞室的底部岩石隆起、两侧围岩向洞内鼓胀都是塑性破坏的例子。3）弱面剪切破坏：由于岩层中存在节理、裂隙、层理、软弱夹层等软弱结构面，岩层的整体性受到破坏。在荷载作用下，这些软弱结构面上的剪应力大于该面上的强度时，岩体就产生沿着弱面的剪切破坏，从而使整个岩体滑动。图3-1为几种破坏形式的简图。岩石的抗压强度就是岩石试件在单轴压力下达到破坏的极限值，它在数值上等于破坏时的最大压应力，见图3-2。岩石的抗压强度一般在实验室内用压力机进行加压试验测定的。试件通常用圆柱形(钻探岩心)或立方柱状(用岩块加工)。试件的断面尺寸，圆柱形试件采用直径D=5cm，也有采用D=7cm的；立方柱状试件，采用5×5cm或7×7cm。试件的高度h应当满足下列条件：圆柱形试件：h=(2~2.5)D立方柱形试件：h=(2~2.5)这里D为试件的横断面直径，A为试件的横断面积试验结果按下式计算抗压强度：表3-1岩石的单轴抗压强度和抗拉强度(1)结晶程度和颗粒大小：岩石的结晶程度和颗粒大小对其抗压强度的影响是显著的。一般来说，结晶岩石比非结晶岩石强度高，细粒结晶的岩石比粗粒结晶的岩石强度高。如以粗晶方解石组成的大理岩强度为80~120MPa，而晶粒为千分之几毫米组成的致密石灰岩的强度能达到260MPa。细晶花岗岩的强度能达到260MPa，而粗晶花岗岩的强度就会降低到120MPa。（2）胶结情况：对沉积岩来说，胶结情况和胶结物对强度的影响很大。石灰质胶结的岩石强度较低，如石灰质胶结的砂岩的强度在20～100MPa之间。而硅质胶结的具有很高的强度，例如致密的砂岩和胶结物为硅质的砂岩的强度都很高，有时可达200MPa。泥质胶结的岩石强度最低，软弱岩石往往属于这类。以粘土颗粒而论，由硅质胶结的泥板岩的强度可达200MPa，而由泥质胶结的泥质页岩的强度最高也不会超过100MPa。（3）矿物成分：不同矿物组成的岩石，具有不同的抗压强度，这是由于矿物本身的特点，不同的矿物有着不同的强度。但即使相同矿物组成的岩石，也因受到颗粒大小、连结胶结情况、生成条件等影响，它们的抗压强度也可相差很大。例如，石英是已知造岩矿物中强度较高的矿物，如果石英的颗粒在岩石中互相连结成骨架，则随着石英的含量的增加岩石的强度也增加。（4）生成条件：岩石的生成条件直接影响着岩石的强度。在岩浆岩结构中，形成具有非结晶物质，则就要大大地降低岩石的强度。（5）水的作用：水对岩石的抗压强度起着明显的影响。当水侵入岩石时，水就顺着裂隙孔隙进入润湿岩石全部自由面上的每个矿物颗粒。由于水分子的侵入改变了岩石物理状态，削弱了粒间联系，使强度降低。其降低程度取决于孔隙和裂隙的状况、组成岩石的矿物成分的亲水性和水分含量、水的物理化学性质等。（6）块体密度的影响：块体密度也常常是反映强度的因素，如石灰岩的块体密度从1500kg/m3增加到2700kg/m3，其抗压强度就由5MPa增加到180MPa。（7）风化作用：风化作用对岩石的强度有重要影响。例如，未风化的花岗岩的抗压强度一般超过100MPa，而强风化的花岗岩的抗压强度可降至4MPa。(8)试验方法：主要影响因素有试件形状、尺寸、岩样加工程度、压力机的加压板和岩样的加压面之间的接触情况、加荷速率等等。。一般试件尺寸大，试验所获得的岩石强度值也高，同时，试件宽高比相对大的试件其测得的值也大。9）加荷速率对岩石强度也有影