隧道力学 教学课件 作者 李文江 第2讲 .ppt

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1、岩石的基本力学性质岩石的流变特性岩石的强度理论岩体的基本力学性质第二章围岩的基本力学性质第二节岩石的基本力学性质一、两个基本工程问题最大承载力问题：强度特性最大允许变形：变形特性二、岩石的变形特性1、单轴压缩状态下的应力—应变曲线应力—应变曲线反映了岩石在外荷载作用下的变形特征，它是建立力学模型的依据。(a)弹性曲线(b)弹—塑性曲线(c)塑—弹性曲线(d)塑—弹—塑性曲线(e)弹—塑—弹性曲线(f)弹—塑性曲线图2-2-1岩石在单轴压缩状态下的应力—应变曲线2、岩石的全应力—应变关系刚性试验机五个阶段：压密变形阶

2、段（OA段），岩石试件内部原始裂隙逐渐被压密，试件与压板之间的间隙调整弹性变形阶段（AB段），在此阶段，卸载将不会产生残余应变为塑性变形阶段（BC段），新的裂隙逐渐增多并扩展，以至于相互贯穿，卸载后有残余应变应变软化阶段（CD段），已贯穿的裂隙进一步扩展，卸载后有较大残余应变残余强度阶段（DE段），说明应力不再增大而变形却持续增大。在该阶段，裂隙张开或错动，使岩石解体。3、岩石在三轴压缩状态下的应力—应变关系两种方式：三轴试验和普通三轴试验图2-2-3不同围压下大理岩的应力-应变曲线图2-2-4不同围压下花岗岩的应

3、力-应变曲线围压对岩石变形的影响:①随着围压的增大，岩石的抗压强度显著增加；②随着国压的增大，岩石的变形显著增大；③随着围压的增大，岩石由弹脆性→弹塑性→应变硬化。三、岩石的强度特性强度：材料受力时抵抗破坏的能力。强度单向抗压强度单向抗拉强度剪切强度三轴压缩强度真三轴假三轴1、单轴抗压强度岩石在单轴压缩荷载作用下达到破坏前所能承受的最大压应力称为岩石的单轴抗压强度，或称为非限制性抗压强度。(1)试验方法设备：带有上、下块承压板的试验机内加载速率：按每秒0.5~1.0MPa试件尺寸：直径或边长为4.8~5.4cm，高

4、度为直径的2.0~2.5倍试件加工精度：两端面的不平整度不得大于0.05mm，直径或边长的误差不得大于0.3mm，两端面应垂直于试件轴线，最大偏差不得大于0.25°。(2)试件的破坏形态(a)圆锥形破坏(b)柱状劈裂破坏图2-2-5单轴压缩破坏形态图图2-2-6在两个金属板之间压缩圆柱体样品的应力—应变分布特征(3)单轴抗压强度的影响因素承压板的影响：刚度大小岩石试件尺寸及形状的影响岩石试件的形状：圆柱形和方形岩石试件的尺寸：直径大于最大矿物颗粒直径的10倍岩石试件的高径比：高径比取2～3加载速率的影响：最好在同一

5、个应变速率下进行试验环境的影响含水率的影响温度的影响2、岩石的抗拉强度岩石的抗拉强度是指岩石试件在受到轴向拉应力后其试件发生破坏时的单位面积所能承受的拉力。(1)直接拉伸法要求：一是岩石试件与夹具间必须有足够的粘结力或者摩擦力；二是所施加的拉力必须与岩石试件同轴心。(2)抗弯法——梁的三点或四点加载力法基本假设：①梁的截面严格保持为平面；②材料是均质的，服从虎克定律；③弯曲发生在梁的对称平面内；④拉伸和压缩的应力—应变特性相同。对于岩石而言，第④个假设与岩石的特性存在着较大的差别。(3)劈裂法（巴西法）我国工程岩体

6、试验方法标准规定：试件的直径宜为4.8～5.4cm、其厚度宜为直径的0.5～1.0倍。图2-2-11劈裂法试验示意图1—承压板；2—试件；3—钢丝式中Rt——即为抗拉强度；P——试件破坏时的极限压力D——试件的直径；t——试件的厚度。(3)点荷载试验法式中P——试验时所施加的极限荷载；De——试验时两个加载点之间的距离。其中，，称为点荷载强度指数。由于试验结果离散性较大，因此通常进行15个试件的试验。最终按其平均值求得其强度指数并推算出岩石的抗拉强度。3、岩石的抗剪强度岩石的抗剪强度是指岩石在一定的应力条件下（主要

7、指压应力）所能抵抗的最大剪应力，通常用τ表示。(1)剪切强度的试验方法图2-2-12岩石的三种受剪方式示意图(1)抗剪断试验图2-2-13岩石抗剪断试验作用在剪切面上的正应力：式中P——试验机所施加的极限荷载；f——滚珠排与上下压板的摩擦系数；A——剪切破坏面的面积；——夹具的倾斜角。岩石的抗剪断强度图2-2-14岩石的抗剪断曲线抗剪强度函数式:常用莫尔—库伦公式：4、岩石在三向压缩应力作用下的强度三向压缩应力作用下的强度是指在不同的三向压缩应力作用下岩石抵抗外荷载的最大应力。(1)岩石的三向压缩强度表达式或(2)

8、三向压缩试验的破坏类型图2-2-15岩石三向压力试验基本原理图1-密封装置；2-侧压力；3-球型底座；4-出油口：5-岩石试样；6-乳胶隔离膜；7-进油口表2-2-2假三轴试验岩石破坏类型(3)岩石三向压缩强度的影响因素侧向压力的影响：随围压的增大极限最大主应力也变大试件尺寸与加载速率的影响低围压与中等围压下：试件尺寸的影响同单轴压缩试验在高围压下：试件中微