【文章內(nèi)容簡介】 力；二是所施加的拉力必須與巖石試件同軸心。否則，就會出現(xiàn)巖石試件與夾具脫落、或者由于偏心荷載，使試件的破壞斷面不垂直于巖石試件的軸心等現(xiàn)象，致使試驗失敗。 2 抗彎法 抗彎法是利用結構試驗中梁的三點或四點加載的方法，使梁的下沿產(chǎn)生純拉應力，使 巖石試件產(chǎn)生斷裂破壞的原理，間接地求出巖石的抗拉強度值。此時，其抗拉強度值可按下式求得： 公式 (15117)的成立是建立在以下四個基本假設基礎之上： ① 梁的截面嚴格保持為平面。 ② 材料是均質(zhì)的，服從虎克定律。 ③ 彎曲發(fā)生在梁的對稱面內(nèi)。 ④ 拉伸和壓縮的應力 — 應變特性相同。對于巖石而言，第 4 個假 設與巖石的特性存在著較大的差別。因此，利用抗彎法求得的抗拉強度也存在著一定的偏差。且試件的加工也遠比直接拉伸法麻煩。故此方法應用要比直接拉伸法相對少些。 3 劈裂法 (巴西法 ) 劈裂法也稱作徑向壓裂法，因為是由南美巴西人杭德羅斯 (Hondros)提出的試驗方法，故被人稱作為巴西法。這種試驗方法是：用一個實心圓柱形試件，使它承受徑向壓縮線荷載直至破壞，求出巖石的抗拉強度。按我國巖石力學試驗方法標準規(guī)定：試件的直徑應為 5cm、其厚度為直徑的一倍。根據(jù)布辛奈斯克 (Bousinesq)半無限體上作用著集中力的解析解， 求得試件破壞時作用在試件中心的最大拉應力為 根據(jù)解析解分析的結果，要求試驗時所施加的線荷載必須通過試件的直徑，并在破壞寸其破裂面亦通過該試件的直徑。否則，試驗結果將帶來較大的誤差。 4 點荷載試驗法 點荷載試驗法是一種簡便的現(xiàn)場試驗方法。該試驗方法最大的特點是可利用現(xiàn)場取得的任何形狀的巖塊， 可以是 5cm 的鉆孔巖芯，也可以是開挖后掉落下的不規(guī)則巖塊，不作任何巖樣加工直接進行試驗。該試驗裝置是一個極為小巧的設備，其加載原理類于劈裂法，不同的是劈裂法所施加的是線荷載，而點荷載法是施加的點荷載，點荷載強度指數(shù) I可按下式求得： I=P／ D2 (MPa) (15118) 經(jīng)過大量試驗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，提出了表示點荷載強度指數(shù)與巖石抗拉強度之間的近似的關系式，其式如下： Rt==／ D2 (15l19) 由于點荷載試驗的結果離散性較大。 因此要求每組試驗必須達到一定的數(shù)量，通常進行15 個試件的試驗，最終按其平均值求得其強度指數(shù)并推算出巖石的抗拉強度。最近，由于許多巖體工程分類中都采用了荷載強度指數(shù)作為一個定量的指標。因此有人建議采用直徑為 5cm 的鉆孔巖芯作為標準試樣進行試驗，使點荷載試驗的結果更趨合理，且具有較強的可比性。 【例題 16】利用點荷載試驗可以求得巖石的 ( )。 A. 抗壓強度 B. 抗拉強度 C. 抗剪強度 D. 三向壓縮強度答案： B 【例題 17】某巖石試件經(jīng)點荷載試驗測得其強度指數(shù) I= Mpa ，則其抗拉強度為( )。 A. Mpa B. Mpa C. Mpa D. Mpa 答案： B 【例題 18】當利用點荷載試驗確定巖石的抗拉強度時，由于點荷載試驗的結果離散性較大，通常進行 15 個試件的試驗，最終按其 ( )求得其強度指數(shù)并推算出巖石的抗拉強度。 A. 平均值 B. 標準值 C. 最小平均值 D. 最大平均值 答案： A (三 )巖石的抗剪強度 巖石的剪切強度是指巖石在一定 的應力條件下 (主要指壓應力 )所能抵抗的最大剪應力，通常用 表示。 巖石的剪切 強度有三種：抗剪斷強度、抗切強度和弱面抗剪強度 (包括摩擦試驗 )。這三種強度試驗的受力條件不同，其示意圖見圖 15l11。 室內(nèi)的巖石剪切強度測定，最常用的是測定巖石的抗剪斷強度。一般用楔形剪切儀，其主要裝置如圖 l12 所示。 把巖石試件置于楔形剪切儀中，并放在壓力機上進行加壓試驗，則作用于 剪切平面上的法向壓力 N 與切向力 Q 可按下式計算： 試件剪切面積 F 除上式，即可得到受剪面上的法向應力 和剪應力 (試件受剪破壞時，即為巖石的抗剪斷強度 )： 一般采用 角度為 30176。 ～ 70176。( 以采用較大的角度為好 )，分別按上式求出相應的 及 值，就可以在 坐標紙上作出它們的關系曲線，如圖 l13(a)所示。巖石的抗剪斷強度關系曲線是一條弧形曲線，一般把它簡化為直線形式 (見圖 l13(b))。這樣，巖石的抗剪斷強度 與壓應力 之間 【例題 19】 下列各項中不屬于巖石的剪切強度的是 ( )。 A. 抗剪斷強度 B. 抗切強度 C. 弱面抗剪強度 D. 抗拉強度 答案： D (四 )巖石在三向壓縮應力作用下的強度 地層中的巖石絕大多數(shù)都處在三向壓縮應力的作用下，因此，從某種意義上來說巖石在三向壓縮應力作用下的強度特性是巖石本性的反映，由此而顯得更為重要。 三向壓縮應力作用下的強度是指在不同的側壓力作用下的三向壓縮強度。由于三向應力狀態(tài)由許多不同的應力組合而成，因此，巖石的三向壓縮強度通常用一個函數(shù)式表示，其通式為： 其中， 為最大主應力，而 分別為中間主應力和最小主應力。從公式 (15l23)可知，巖石的三向壓縮應力的強度可用兩種不同的表達式。兩種不同的表達式是等價的。由于巖石三向壓縮強度是根據(jù)試驗的結果而建立，從目前的研究成果來說，很難用一個具體的顯式函數(shù)形式給予精確的描述。此外，由試驗的結果可知，隨著所施加的圍壓的增大，其相應的極限最大主應力也將隨之增大。因此，從總體上來說，它是一個單調(diào)函數(shù)。 1 三向壓縮試驗方法簡介 三向壓縮應力試驗根據(jù)施加側向壓 力的不同，可分成真三軸試驗 假三軸試驗 二者的區(qū)別在于側壓的不同。前者兩個水平方向施加的壓力不等，而后者相等。由于真三軸試驗對試驗機的特殊要求，使這試驗要花費很大的人力、物力和財力。而假三軸試驗要比真三軸試驗容易得多，成為巖石力學中最常用的試驗方法之一。圖 15114 是假三軸試驗機施加三向壓力的裝置示意圖，圍壓是通過液體施加在試件上。通常假三軸試驗先施加按一 定要求設定的圍壓值，并保持不變，隨后施加豎向荷載直至破壞。而真三軸試驗卻要求能夠分別施加三個方向上的大小不同的荷載。 2 三向壓縮試驗的破壞類型 表 1513例示了假三軸試驗在不同圍壓作用下的破壞類型。巖石試件在低圍壓作用下 (表中情況 l， 2)，其破壞形式主要表現(xiàn)為劈裂破壞。這一破壞形式與單軸壓縮破壞很接近，說明圍壓對其破壞形態(tài)影響并非很大。當在中等圍壓的作用下，試件主要表現(xiàn)為斜面剪切破壞。其剪切破壞角與最大應力的夾角通常約為 45176。 為巖石的內(nèi)摩擦角 )。而當在高圍壓作用下，試件則會出現(xiàn)塑性流動破壞，試件不出現(xiàn)宏觀上的破壞斷裂面而呈腰鼓形。由此可見，圍壓的增大改變了巖石試件在三向壓縮應力作用下的破壞形態(tài)。若從變形特性的角度分析，圍壓的增大使試件從脆性破壞向塑性流動過渡。 3 巖石三向壓縮強度的影響因素 巖石在三向壓縮應力作用下的影響因素，除了類似于前節(jié)所敘述的單軸強度的影響因素包括尺寸、加載 速率等因素 )以外，還有如下所說的，其特有的影響因素。 1)側向壓力的影響 圖 15115顯示了側向壓力對三軸強度的影響規(guī)律。從圖中可見，大理巖隨著側向壓力 (亦稱圍壓 )的增大，其最大主應力也將隨之增大。且顯示出增大應力的變化率隨圍壓的增大而減小的變化規(guī)律。若用莫爾極限應力圓的包絡線來描述的話，則這包絡線的斜率具有前陡后緩的特性。當然，對不同的巖性來說，這一特性并不是完全一致的，但是隨圍壓的增大而最大主應力也變大，這一特性則是一個普遍的規(guī)律。 2)加荷途徑對巖石三向壓縮強度的影響 三向壓縮試驗可以有三種不同的加壓途徑，即如圖 15116 中 A， B， C 三條虛線所示。根據(jù)大量的試驗結果 可知，三種不同的加載途徑對巖石的三向壓縮強度影響并不大。圖15116 例示了花崗巖的試驗結果，無論用哪種加載途徑，其最終的破壞應力都很接近描述三向壓縮強度的破壞應力包絡線。 3)孔隙壓力對巖石三向壓縮強度的影響 對于一些具有較大孔隙的巖石來說，孔隙水壓力將對巖石的強度給予很大的影響。這一影響可用 “ 有效應力 ” 的原理給予解釋。由于巖石中存在著孔隙水壓力，而使得真正作用在巖石上的圍壓值減少了，因而降低了與其相對應的極限應力值 (峰值應力 )。若用莫爾極限應力圓來表示的話，由于孔隙壓力的存在使應力圓向左側移動，即向強 度包絡線方向平移，因此降低了巖石的極限應力。 【例題 25】對于假三軸試驗，圍壓的增大改變了巖石試件在三向壓縮應力作用下的破壞形態(tài)。若從變形特性的角度分析，圍壓的增大使試件從 ( )向 ( )過渡。 A. 脆性破壞；塑性流動 B. 塑性流動；脆性破壞 C. 斜面剪切；塑性流動 D. 斜面剪切；脆性破壞 答案： A 【例題 26】由于巖石當中孔隙水壓力的存在，對巖石極限應力的影響為 ( )。 A. 降低了巖石的極限應力 B. 提高了巖石的極限應力 C. 對巖石的極限應力無影響 D. 以上三種均有可能產(chǎn)生 答案： A 【例題 27】對于三軸試驗，當圍壓增大時，主應力將作何變化 ( )。 A. 增大 B. 減小 C. 不變 D. 以上三種均有可能產(chǎn)生 答案： A 第三講 巖 體的初始應力狀態(tài) 一、 內(nèi)容提要： 本講主要講述巖體初始應力的基本概念、量