【文章內(nèi)容簡介】 拉伸 （ 劈裂 ） 破壞 ——— 脆硬型巖石多發(fā)生 ， 為泊松效應(yīng)引起 。 單軸壓縮試驗(yàn)機(jī) 單軸壓縮巖石試件破壞形態(tài) 數(shù)據(jù)處理： 測巖石強(qiáng)度時(shí) ， 需對(duì)同一巖樣的多個(gè)試塊進(jìn)行測試 （ 數(shù)量多少依據(jù)精度 ， 經(jīng)濟(jì)確定 ） ， 用統(tǒng)計(jì)方法 ， 求得平均抗壓強(qiáng)度 ， 作為該種巖石的強(qiáng)度指標(biāo) 。 單一試件： 平均值： 各試件偏差：單一測值與平均值的差值 標(biāo)準(zhǔn)方差： 反映正負(fù)偏差的絕對(duì)大小 離散系數(shù)： 反映平均值的可靠程度 （ 單一強(qiáng)度偏離平均強(qiáng)度的程度 ） ， 要求小于 15—20% iici APR ???? nicic RnR11ccii RRe ??neSnii??? 12%100??cRS?（三）巖石單向抗拉強(qiáng)度： 抗拉強(qiáng)度 —— 在單軸拉伸載荷作用下，破壞時(shí)所能承受的最大拉應(yīng)力。 試驗(yàn)設(shè)備： 直接拉伸 —— 萬能材料試驗(yàn)機(jī)（試件的夾固、軸力共線困難，少用） 間接拉伸 —— 巴西試驗(yàn)裝置（劈裂法） 試件破壞形式： 拉斷、劈裂 抗拉強(qiáng)度： （ 巴西法 ） 式中： ——— 試件破壞時(shí)最大壓力 ， N —— 分別為試件的直徑與厚度 ， m dtPRc?2?Ptd/巴西法 σy σx 巖石的抗拉強(qiáng)度最小，約為抗壓強(qiáng)度的 3— 30% （ 四 ） 抗剪切強(qiáng)度： 抗剪強(qiáng)度 —— 巖石在剪切載荷作用下 ， 破壞時(shí)所能承受的最大剪應(yīng)力 。 試驗(yàn)裝置： 非限制性剪切 （ 單 、 雙面 、 沖剪 、 扭剪 ） （ 無正應(yīng)力 ） 限制性剪切 （ 直剪儀 、 角摸壓剪試驗(yàn)儀 ） 試件破壞形式： 沿剪切面剪斷 抗剪強(qiáng)度： 純剪強(qiáng)度 （抗切） —— 剪切面上無法向應(yīng)力時(shí)； 純剪強(qiáng)度 ==內(nèi)聚力 C 壓剪強(qiáng)度 （抗剪） —— 剪切面受法向壓應(yīng)力作用時(shí)； 抗剪強(qiáng)度 ==內(nèi)聚力 +內(nèi)摩擦力 重剪強(qiáng)度 （摩擦） —— 已有裂面受法向壓力，再剪切時(shí)； 摩擦強(qiáng)度 ==內(nèi)摩擦力 一般情況下，巖石抵抗剪切的能力由兩部分組成： 抗剪能力 =內(nèi)聚力 +內(nèi)摩擦力 （ C、 φ為巖石固有） 顯然： 抗剪強(qiáng)度是一個(gè)變化量 ???? tgCfC n ??????)(?? f?抗剪強(qiáng)度測試： 傾斜壓模法 — — 用兩個(gè)鋼制的變角剪切夾具改變剪切面的方向，強(qiáng)制剪斷，得到該面上的正應(yīng)力、剪應(yīng)力，描點(diǎn)得到抗剪強(qiáng)度曲線。 依據(jù)強(qiáng)制剪切面上的全應(yīng)力、及剪切面傾角也可得到抗剪強(qiáng)度曲線。 （ 五 ） 三軸抗壓強(qiáng)度： 三軸抗壓強(qiáng)度 —— 三向壓縮作用下 ， 破壞時(shí)所能承受的最大壓應(yīng)力 。 試驗(yàn)設(shè)備 ：真三軸試驗(yàn)機(jī)： 偽三軸試驗(yàn)機(jī)： 試件破壞形式： 壓剪破壞 —— 隨側(cè)壓力增大 ， 可表現(xiàn)為明顯的塑性變形 。 強(qiáng)度計(jì)算： MPa 強(qiáng)度指標(biāo)： 經(jīng)測試：三向抗壓強(qiáng)度隨圍壓的增加而增大 ， 是一個(gè)變量 。 一系列實(shí)驗(yàn)可得巖石的三向抗壓曲線 321 ??? ??321 ??? ??103 ?? APR C）（ 31 ?? f?）（ 31 ?? f?常規(guī)（偽）三軸實(shí)驗(yàn)裝置 六 、 影響巖石強(qiáng)度的因素： 巖石的性質(zhì) —— 組織結(jié)構(gòu) 、 礦物類別 、 顆粒大小 、 分布狀態(tài) 、 膠結(jié) 物； 巖石的生成條件 — 深部巖石強(qiáng)度大 、 淺部巖石強(qiáng)度低 巖石構(gòu)造特征 —— 延展規(guī)模 、 裂隙性質(zhì) 、 壁面強(qiáng)度 、 充填物； 試件尺寸 —— 尺寸增大 ， 強(qiáng)度降低； 風(fēng)化 、 水 、 溫度作用 —— 含水量大 ， 強(qiáng)度低；溫度高 ， 強(qiáng)度低 加載速率及次數(shù) — 加載速率增加 ， 強(qiáng)度加大 （ 變形不充分 ） ； 受載狀態(tài) —— 三軸等壓抗壓＞三軸不等壓抗壓＞雙軸抗壓＞單軸抗壓＞抗剪＞抗彎＞單軸抗拉 ?脆性破壞 ——圍壓小 、 溫度較低 、 巖石堅(jiān)硬的情況下發(fā)生的 ， 特點(diǎn)是破壞前變形小 ， 當(dāng)繼續(xù)加載時(shí)巖石突然破壞 ， 巖石碎塊強(qiáng)烈彈出 。 通常把在外力作用下破壞總應(yīng)變小于 3％ 的巖石稱為脆性巖石 。 ?塑性破壞 ——又稱延性破壞、韌性破壞，多發(fā)生 圍壓大、溫度高、巖石軟的情況下發(fā)生的，特點(diǎn)是破壞前變形大，表現(xiàn)出明顯的塑性變形。通常把在外力作用下破壞總應(yīng)變大于 5％的巖石稱為塑性巖石。 只有兩種基本類型： 拉壞和剪壞 第三節(jié) 巖石的破壞機(jī)理和強(qiáng)度理論 一、巖石的破壞機(jī)理 （一）一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài) yxzox?x?y?y?z?z?zx?zx?yx?yx?yz?yz?zy?zy?xy?xy?xz?xz?ab 應(yīng)力符號(hào)規(guī)定 （ 1） 正應(yīng)力以壓應(yīng)力為正 ， 拉應(yīng)力為負(fù) ； （ 2） 剪應(yīng)力以使物體產(chǎn)生逆時(shí)針轉(zhuǎn)為正 ， 反之為負(fù)； （ 3） 角度以 x軸正向沿逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)所形成的夾角為正 ，反之為負(fù) 。 一點(diǎn)應(yīng)力狀態(tài) 6個(gè)應(yīng)力分量： σ x,σ y,σ z, τ xy,τ yz,τ zx 二、巖石的強(qiáng)度理論 平面問題的簡化 在實(shí)際工程中 ， 可根據(jù)不同的受力狀態(tài) ， 將三維問題簡化為平面問題 。 （ 1） 平面應(yīng)力問題 ； （ 2） 平面應(yīng)變問題 。 基本應(yīng)力公式 以平面應(yīng)力問題為例，如圖，任意角度 α 截面的應(yīng)力計(jì)算公式如下： ???????? 2s i n2c o s22 xyyxyxn ??????????? 2c o s2s i n2 xyyxn ??? 最大最小主應(yīng)力： 最大主應(yīng)力與 x軸的夾角 θ 可按下式求得： yxxytg???????222231 )2(2 xyyxyx ??????? ?????任一斜面上的正應(yīng)力和剪應(yīng)力用主應(yīng)力表示為： ?????? 2c o s22 3131 ????n???? 2s i n2 31 ??n莫爾應(yīng)力圓的方程： 2312231 )2()2(?????? ?????nn（二）最大拉應(yīng)變理論 該理論認(rèn)為，無論在什么應(yīng)力狀態(tài)下，只要巖石的最大拉伸應(yīng)變 ε 達(dá)到一定的極限應(yīng)變 ε t時(shí)，巖石就會(huì) 發(fā)生拉伸斷裂破壞，其強(qiáng)度條件為： Ett??? ??式中： ε t —— 單軸拉伸破壞時(shí)的極限應(yīng)變； E —— 巖石的彈性模量； σ t—— 單軸抗拉強(qiáng)度 。 討論： 在單軸拉伸條件下：巖石 發(fā)生 拉伸斷裂破壞，其強(qiáng)度條件為： Ett??? ?? 在單軸壓縮條件下：巖石 發(fā)生縱向 拉伸斷裂破壞，其強(qiáng)度條件為： EEtct????? ???? 即： tc ??? ?? 在三軸壓縮條件下： σ 3方向的應(yīng)變?yōu)? ? ?)(1 2133 ????? ??? E 如果 σ 3μ (σ 1 +σ 2),則為拉應(yīng)變，其強(qiáng)度條件為 而： Ett?? ?? ? tE ?????? ???? )(1 2133 故，強(qiáng)度條件又可表示為： t????? ??? )( 213 在常規(guī)三軸條件下（ σ 3 ＝ σ 2） 強(qiáng)度條件為： t????? ??? 13 )1(（三）庫倫（ Coulomb)準(zhǔn)則 1773年庫倫提出了一個(gè)重要的準(zhǔn)則（ “ 摩擦 ” 準(zhǔn)則）。庫倫認(rèn)為，材料的破壞主要是 剪切破壞 ，當(dāng)材料某一斜面上的剪應(yīng)力達(dá)到或超過該破壞面上的粘結(jié)力和摩擦阻力之和，便會(huì)造成材料沿該斜面產(chǎn)生剪切滑移破壞。 ??? tgcf ?? 式中： τ f —— 材料剪切面上的抗剪強(qiáng)度； c—— 材料的粘結(jié)力； σ —— 剪切面上的正應(yīng)力。 （四 ）莫爾強(qiáng)度理論 莫爾強(qiáng)度理論的基本思想 ： 莫爾強(qiáng)度理論是建立在試驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析基礎(chǔ)之上的。 1910年莫爾提出材料的破壞是剪切破壞，材料在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下，某一斜面上的剪應(yīng)力達(dá)到一極限值，造成材料沿該斜面產(chǎn)生剪切滑移破壞，且破壞面平行于中間主應(yīng)力 σ 2作用方向（即 σ 2不影響材料的剪切破壞），破壞面上的剪應(yīng)力 τ f 是該面上法向應(yīng)力 σ 的函數(shù) ,即： τf ＝ f (σ) 莫爾強(qiáng)度包絡(luò)線： 指各極限應(yīng)力圓的破壞點(diǎn)所組成的軌跡線。 τ f ＝f(σ ) 在 τ f ～ σ 坐標(biāo)中是一條曲線，稱為莫爾包絡(luò)線，表示材料受到不同應(yīng)力作用達(dá)到極限狀態(tài)時(shí)，滑動(dòng)面上的法向應(yīng)力 σ 與剪應(yīng)力 τ f 的關(guān)系。極限應(yīng)力圓上的某點(diǎn)與強(qiáng)度包絡(luò)線相切，即表示在該應(yīng)力狀態(tài)下材料發(fā)生破壞。 用極限應(yīng)力表示的莫爾圓稱為極限莫爾應(yīng)力圓（簡稱極限應(yīng)力圓）。 莫爾強(qiáng)度包絡(luò)線的意義： 包絡(luò)線上任意一點(diǎn)的坐標(biāo)都代表巖石沿某一剪切面剪切破壞所需的剪應(yīng)力和正應(yīng)力，即任意一點(diǎn)都對(duì)應(yīng)了一個(gè)與之相切的極限應(yīng)力圓。 莫爾強(qiáng)度包絡(luò)線的應(yīng)用： 運(yùn)用強(qiáng)度曲線可以直接判斷巖石能否破壞。將應(yīng)力圓與強(qiáng)度曲線放在同一個(gè)坐標(biāo)系中，若莫爾應(yīng)力圓在包絡(luò)線之內(nèi)，則巖石不破壞；若莫爾應(yīng)力圓與強(qiáng)度曲線相切，則巖石處于極限平衡狀態(tài)；若莫爾應(yīng)力圓與強(qiáng)度曲線相交，則巖石肯定破壞。 )(?? f???o 莫爾強(qiáng)度包絡(luò)線與應(yīng)力圓 莫爾－庫侖強(qiáng)度理論 τ f = f(σ )所表達(dá)的是一條曲線，該曲線的型式有：直線型、拋物線型、雙曲線型、擺線型。而直線型與庫倫準(zhǔn)則表達(dá)式相同，因此，也稱為庫倫－莫爾 強(qiáng)度理論。 由庫侖公式表示莫爾包絡(luò)線的強(qiáng)度理論，稱為莫爾－庫侖強(qiáng)度理論。 ??? tgcf ??用主應(yīng)力表示： ??????s i n1c os2s i n1s i n131 ????? c 上式也稱為極限平衡方程。 莫爾－庫侖強(qiáng)度理論不適合剪切面上正應(yīng)力為拉應(yīng)力的情況。 如圖的幾何關(guān)系，有： ???s i n1c o s2??ct???s i n1c os2??cc??????s i n1c os2s i n1s i n131 ????? cccc k ??? ?? 31??s in1s in1???k 其中： （五）格里菲斯強(qiáng)度理論（ Griffith的脆性斷裂理論） 1921年格里菲斯在研究脆性材料的基礎(chǔ)上，提出了評(píng)價(jià)脆性材料的強(qiáng)度理論。該理論大約在上世紀(jì) 70年代末 80年代初引入到巖石力學(xué)研究領(lǐng)域。 （ 1）在脆性材料內(nèi)部存在著許多雜亂無章的扁平微小張開裂紋。 在外力作用下，這些裂紋尖端 附近 產(chǎn)生很大的拉應(yīng)力集中，導(dǎo)致新裂紋產(chǎn)生，原有裂紋擴(kuò)展、貫通，從而使材料產(chǎn)生宏觀破壞。 格里菲斯強(qiáng)度理論的基本思想： （