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岩石强度

归档日期:10-15       文本归类:粗玄岩      文章编辑:爱尚语录

  岩石受各种力作用时抵抗破坏的能力, 亦即岩石破坏时的应力极限值。按抵抗外力破坏的性质, 岩石强度有抗压强度、抗拉强度、抗剪强度等。破坏是指岩石在应力作用下分裂为两个以上的部分的现象。岩石破坏的形式可分为两种: 一种是脆性破坏, 如图1a所示。对岩石增加荷载时, 当变形很小(不呈现永久变形)就出现的破坏称为脆性破坏。另一种是韧性破坏。同样的岩石, 只要在其周围加以一定的限制压力之后, 从轴向施加荷载, 达到屈服后应力应变曲线就开始变缓以致达到相当程度才破坏, 这种破坏称为韧性破坏 (见图1b)。从工程意义上来说, 屈服或发生显著变形也算是一种破坏, 图2表示岩石按破坏前产生的应变量从脆性破坏到韧性破坏的情况。岩石是属于脆性破坏还是属于韧性破坏, 除了应力之外, 还受温度和应变速率的影响。人们根据对材料在复杂应力状态下破坏现象的分析提出了各种各样的假设, 认为材料的某一类型的破坏是由某种因素所引起的,这种假设,通常称为强度理论。它是研究岩石强度的一个重要方面。研究岩石强度还应当区别岩块强度与岩体强度。这里叙述的均属岩块强度。天然岩体内往往有多组不同方向的断裂面, 这些面使岩石强度减弱, 故现场岩体强度比室内岩块强度低得多, 且往往表现出各向异性。所以应当重视岩体强度研究(见岩体现场试验)。

  岩石抗压强度(Rc) 也称单轴抗压强度,就是岩石试样在单轴压力下抵抗破坏的能力, 在数值上等于破坏时的最大压应力, 在室内压力机上进行加压试验测定, 见图3。试样用圆柱形或棱柱形, 岩石的软化系数是饱水岩石的抗压强度R′c与干岩石的抗压强度Rc之比, 即R′c/Rc, 以说明岩石受水浸润的影响。影响岩石抗压强度的因素有矿物成分、颗粒大小、颗粒联结及胶结情况、容重、层理和裂隙的特性和方向、风化程度、含水情况等。此外,还与试样的形状和尺寸有关。圆柱形岩样的强度高于棱柱形试样的强度 (因后者在棱角部位有应力集中),而在棱柱形试样中,截面为六角形的强度高于四角形的,而四角形的又高于三角形的,这种影响称为形状效应。岩样的尺寸愈大。测出的强度愈低;反之愈高。这一现象称为尺寸效应。这是由于试样内分布着从微观到宏观的细微裂隙,它们是岩石破坏的基础,试样尺寸愈大,细微裂隙愈多,发生破坏的概率加大,因此强度降低。某些岩石的抗压强度见表。

  岩石抗拉强度(Rt)指岩石试样在单轴拉伸情况下抵抗破坏的能力,它在数值上等于破坏时的最大拉应力。抗拉强度可用直接抗拉试验和间接抗拉试验确定。直接抗拉试验采用圆柱形试样在室内拉力机上进行,施加轴向拉力直至破坏。间接抗拉试验方法繁多,有劈裂法、弯曲试验法、离心机法等, 以劈裂法用得最多。劈裂法中试样为圆柱体,沿着圆柱体直径方向施加集中荷载P。试样受力后可能沿受力的直径裂开, 见图4。接下式计算抗拉强

  式中 Pmax为破裂时的最大荷载,D为试样直径, l为试样长度。该法简单易行,但受力情况与纯拉伸还有出入,有时得不到满意结果。岩石的抗拉强度远小于抗压强度。表中列有某些岩石的抗拉强度值。

  岩石抗剪强度 也称抗剪断强度,是岩石抵抗剪切滑动的能力。抗剪强度的指标为凝聚力c和内摩擦角,可通过室内和现场剪切试验测定(见岩体现场试验)。室内剪切试验常用直剪仪、楔形剪切仪和三轴仪。直剪仪如图5所示,试样放在可动和不可动两部分组成的盒中,上下盒的接触面即为剪切面,先在剪切面上施加垂直应力σ,再逐渐施加水平剪应力τ,并测水平位移直至试样破坏,破坏时的剪应力即为该σ下的抗剪强度τf,用相同试样、不同σ作多次试验,求得不同σ下的τf,绘成τf-σ曲线。将该线近似看作直线,它在τf轴上的截距即为凝聚力c,与水平线的夹角即为内摩擦角,楔形剪切仪如图7所示,试样放入上下盒之间,借压力机逐渐施加垂直压力。试样剪切面上的正应力σ和剪应力增大,直至沿AB面剪坏求得最大剪应力(强度)τf。用相同试样不同倾角α做多次试验,绘出τf-σ曲线求出c和。岩石三轴试验装置如图8所示。试样为9厘米×20厘米的圆柱体,在施加侧压力σ3以后逐渐施加垂直应力σ1,直至破坏,得一组破坏时的大、小主应力σ1、σ3。用相同试样不同σ3做多次试验,得多组破坏时的σ1、σ3, 绘多个破坏时的莫尔应力圆以及它们的包络线,从而求出c和。岩石的c和与岩石种类、矿物成分、结构、细微裂隙和孔隙数量等有关。某些岩石的C和值见附表。按剪切变形过程中岩石强度的表现有: 峰值强度和残余强度。峰值强度是随着剪切变形出现的最大强度值, 残余强度是不断变形后的最终的最小值, 其原因主要是剪切面上凝聚力破坏和粒间咬合力减弱, 可资用的强度在二者之间, 目前多数用残余强度, 它约为峰值强度的0.8~0.85倍。

  1.压力机施加垂直压力; 2.侧压力液体出口处;3.侧压力液体进口处; 4.密封设备; 5.压力室; 6.侧压力; 7.球状底座; 8.岩样

  岩石强度理论 用于岩石的强度理论有: 最大正应力理论、最大正应变理论、最大剪应力理论、八面体剪应力理论、莫尔强度理论、格里菲思理论和修正格里菲思理论等。以莫尔强度理论用得最广, 格里菲思理论也正被重视和推广中。

  莫尔强度理论由德国莫尔(Christian OttoMohr 1835—1918)在1900年提出。该理论假设,材料内某一点的破坏主要决定于大主应力σ1和小主应力σ3, 而与中主应力σ2无关。这样就可研究平面应力状态。根据用不同的大、小主应力比例求得的材料强度试验(危险状态) 资料,例如单轴压缩、单轴拉伸、纯剪以及三轴试验, 在τ~σ平面内绘制一系列极限应力圆, 作这

  些圆的包络线,称莫尔包络线, 它代表材料的破坏条件或强度条件, 反映材料破坏时的剪应力 (即抗剪强度)τf与正应力σ之关系, 即

  它称为库伦方程式, 由法国库伦lomb )在1773年提出,后为莫尔用新的理论解释,故也称莫尔一库伦强度条件。这个强度条件的另一表达形式为:

  格里菲思理论由英国格里菲思(A.A.Griffith )在1921年提出。该理论认为, 材料内部存在许多细微裂缝,材料受力后,这些裂缝周围产生应力集中。假如岩石内的主应力为拉应力,且垂直于裂缝, 如图10的σt所示, 则在缝端可产生一个几倍于该主应力的拉应力。假如主应力是图中的压应力σc, 则在缝边A点也可引起拉伸。当这种应力集中达到材料的抗拉强度时, 裂缝就会扩展。当与原拉应力垂直的裂缝长度增加时,应力集中就变得更大,故一旦裂缝开始扩展,将必然导致材料的破坏。格氏假设裂缝为任意方位的椭圆形, 得出下列强度条件:

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