2讲 岩石的基本物理力学性质及其试验方法之一下Word格式.docx
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3岩石单轴抗压强度的影响因素
1)承压板给予单轴抗压强度的影响
除了上述试件端面与承压板之间的摩擦力影响试件的破坏形态以外,还有承压板的刚度也将影响试件端面的应力分布状态。
由研究可知,当承压板刚度很大时,其接触面的应力分布很不均匀,呈山字形,如图15-1-4所示。
显然,这将影响整个试件的受力状态。
因此,有人建议试验机的承压板(或者垫块)尽可能采用与岩石刚度相接近的材料,避免由于刚度的不同而引起变形不协调造成应力分布不均匀的现象,减少对强度的影响。
2)试件尺寸及形状对单向轴抗压强度的影响
岩石力学试验最早采用边长为5cm的立方体试件。
经研究发现,试件的尺寸、形状、高径比都将影响岩石的强度值。
(1)岩石试件的形状
众所周知,方形试件的四个边角会产生很明显的应力集中现象。
这将影响整个试件在受力后的应力分布状态。
此外,从另外一个角度来说方柱体的试件加工要比圆柱形试件困难得多,不易达到有关加工精度的要求。
因此,目前,绝大多数的国家都采用圆柱形的岩石试件。
(2)岩石试件的尺寸
试件的强度通常随其尺寸的增大而减小。
这就是岩石力学中被称之为尺寸效应。
据研究发现,试件的尺寸对其强度的影响在很大程度上取决于组成岩石的矿物颗粒的大小。
研究结果表明,岩石试件的直径为4~6cm,且满足试件直径大于其最大矿物颗粒直径的10倍以上的岩石试件,强度值较为稳定。
因此,目前采取直径为4.8~5.4cm且直径大于最大矿物颗粒直径的10倍以上的岩石试件,作为标准尺寸。
(3)岩石试件的高径比
在图15-1-7中,可以看到由于高径比h/d的不同,对岩石强度产生不同的影响。
从曲线的特征中,明显地看出了高径比在2~3时,岩石单轴抗压强度值已趋势稳定的特性。
可见取高径比为2~3时,对其强度来说是比较合理的。
据此,目前世界上几乎所有国家都采用直径为4.8~5.4cm、高度为直径的2.0~2.5倍的圆柱形试件进行岩石室内力学试验。
这不仅考虑了不同尺寸、形态、高径比对其强度的影响,同时还考虑了岩石力学试验结果的可比性。
3)加载速率对单轴抗压强度的影响
岩石的单轴抗压强度通常随加载速率的提高而增大,如图15-1-6所示。
在很高的加载速率下,如冲撞等试验所求得的单轴抗压强度甚至可数倍于缓慢加载的试验结果。
经微观分析发现,由于矿物在高速率加载时未充分变形而提高了它的抗外荷载的能力。
因此,选择适当的加载速率对其试验结果来说是比较重要的。
我国有关岩石力学试验标准中规定,其加载速率应控制在0.5~10MPa/s之间,且按岩石的软硬不同可取其不同的加载速率,这一加载速率与国外的许多试验标准中所提出的要求是一致的。
4)环境对岩石单轴抗压强度的影响
(1)
岩石的软化系数
在完全烘干状态下与饱和状态下所求得的单轴抗压强度值有着一定的差别,这一差别在软岩中表现得更为突出。
即前者的值往往要比后者大得多。
岩石的软化系数就是表示岩石中的不同含水率影响单轴抗压强度的一个具体的反映。
通常将软化系数小于等于零点七五的岩石称为可软化岩石。
见公式(15-l-16)。
由于孔隙中的水对岩石中的矿物的风化、软化、膨胀以及溶蚀作用,使得在饱和状态下岩石单轴抗压强度有所降低。
对于泥岩、粘土岩、页岩等软弱的岩石,二者的差值甚至可达2~3倍。
而对于致密坚硬的岩石,二者的差别甚小。
表15-1-2列出了各种不同岩性的软化系数。
某些岩石的干湿单向压缩强度及软化系数
表15-1-2
岩
石
名
称
抗
压
强
度
(MPa)
干抗压强度Rcd
饱和抗压强度Rcs
软化系数
花岗岩
40.0~220.0
25.0~205.0
0.75~0.97
闪长岩
97.7~232.0
68.8~159.7
0.60~0.74
辉绿岩
118.1~272.5
58.0~245.8
0.44~0.90
玄武岩
102.7~290.5
102.0~192.4
0.71~0.92
石灰岩
13.4~206.7
7.8~189.2
0.58~0.94
砂
岩
17.5~250.8
5.7~245.5
0.44~0.97
页
57.0~136.0
13.7~75.1
0.24~0.55
粘土岩
20.7~59.0
2.4~31.8
0.08~0.87
凝灰岩
61.7~178.5
32.5~153.7
0.52~0.86
石英岩
145.1~200.0
50.0~176.8
0.96
片
59.6~218.9
29.5~174.1
0.49~0.80
千枚岩
30.1~49.4
28.1~33.3
0.69~0.96
板
123.9~199.6
72.0~149.6
0.52~0.82
Rcd—干燥状态下岩石的单轴抗压强度(MPa)。
(2)温度对岩石单轴抗压强度的影响
岩石力学试验一般是在室温的条件下进行的。
温度对岩石强度的影响并不是很明显。
然而,若对岩石试件进行加温,则岩石轴向压缩强度将产生明显的变化。
地热的利用以及在核电工程中核废料处置等具体问题中,温度对岩石力学力学性质的影响成为非常重要的、急于解决的研究课题之一。
近年来,人们很重视温度对岩石的力学特性的影响的研究。
据最新的研究报导,温度对岩石强度的影响主要表现为两个方面:
一是由于温度的升高使岩石内的化学成分、结晶水等产生变化,进而影响了岩石的强度。
由试验结果可知,当温度加至180℃左右时,岩石中矿物周围的部分结晶水会消失,使强度降低。
当加温高达380℃左右时,石英等矿物会发生晶变而使强度急剧下降。
二是由于温度的提高,岩石内将储存着一定的热应力,进而使岩石的抵抗外荷载的能力降低。
温度对岩石强度的影响是一个很复杂的问题,从总体上来说,温度的增加会使岩石强度降低。
但也有人提出,在180℃左右时,对强度影响不大的说法。
因此,这还是一个有待于进—步深入研究的课题。
除了以上的影响因素以外,还有岩石矿物成分、颗粒尺寸、孔隙率等都将影响岩石的强度。
但是,这些因素可作为强度的间接影响因素,所以,不在此一一介绍。
【例题12】在下列各项中,对岩石的单轴抗压强度无影响的是(
A.承压板
B.试件的尺寸和形状
C.加载速度
D.荷载大小
答案:
D
【例题13】总体而言,温度的增加会使岩石强度(
A.增加
B.降低
C.不变
D.无法判断
【例题14】为获得合理的岩石单轴抗压强度,岩石试件的高径比h/d宜取为(
A.1/4~3/4
B.1~2
C.2~3
D.3~4
【例题15】当岩石的软化系数等于或小于(
)时,该岩石应判定为软化岩石。
A.1
B.0.85
C.0.75
D.0.55
(二)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。
由于岩石是一种具有许多微裂隙的介质。
在进行抗拉强度试验时,岩石试件的加工和试验环境的易变性,使得人们不得不对其试验方法进行了大量的研究,提出了多种求抗拉强度值的方法。
以下就目前常用的四种方法作一介绍。
1直接拉伸法
这是利用岩石试件与试验机夹具之间的粘结力或摩擦力,对岩石试件直接施加拉力,测试岩石抗拉强度的一种方法。
通过试验可按下式求得其抗拉强度值:
Rt=P/A(MPa)
(15-1-16b)
进行直接拉伸法试验的关键在于:
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。
否则,就会出现岩石试件与夹具脱落、或者由于偏心荷载,使试件的破坏断面不垂直于岩石试件的轴心等现象,致使试验失败。
2抗弯法
抗弯法是利用结构试验中梁的三点或四点加载的方法,使梁的下沿产生纯拉应力,使岩石试件产生断裂破坏的原理,间接地求出岩石的抗拉强度值。
此时,其抗拉强度值可按下式求得:
公式(15-1-17)的成立是建立在以下四个基本假设基础之上:
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。
因此,利用抗弯法求得的抗拉强度也存在着一定的偏差。
且试件的加工也远比直接拉伸法麻烦。
故此方法应用要比直接拉伸法相对少些。
3劈裂法(巴西法)
劈裂法也称作径向压裂法,因为是由南美巴西人杭德罗斯(Hondros)提出的试验方法,故被人称作为巴西法。
这种试验方法是:
用一个实心圆柱形试件,使它承受径向压缩线荷载直至破坏,求出岩石的抗拉强度。
按我国岩石力学试验方法标准规定:
试件的直径应为5cm、其厚度为直径的一倍。
根据布辛奈斯克(Bousinesq)半无限体上作用着集中力的解析解,求得试件破坏时作用在试件中心的最大拉应力为
根据解析解分析的结果,要求试验时所施加的线荷载必须通过试件的直径,并在破坏寸其破裂面亦通过该试件的直径。
否则,试验结果将带来较大的误差。
4点荷载试验法
点荷载试验法是一种简便的现场试验方法。
该试验方法最大的特点是可利用现场取得的任何形状的岩块,可以是5cm的钻孔岩芯,也可以是开挖后掉落下的不规则岩块,不作任何岩样加工直接进行试验。
该试验装置是一个极为小巧的设备,其加载原理类于劈裂法,不同的是劈裂法所施加的是线荷载,而点荷载法是施加的点荷载,点荷载强度指数I可按下式求得:
I=P/D2
(MPa)
(15-1-18)
经过大量试验数据的统计分析,提出了表示点荷载强度指数与岩石抗拉强度之间的近似的关系式,其式如下:
Rt=0.96I=0.96P/D2
(15-l-19)
由于点荷载试验的结果离散性较大。
因此要求每组试验必须达到一定的数量,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。
最近,由于许多岩体工程分类中都采用了荷载强度指数作为一个定量的指标。
因此有人建议采用直径为5cm的钻孔岩芯作为标准试样进行试验,使点荷载试验的结果更趋合理,且具有较强的可比性。
【例题16】利用点荷载试验可以求得岩石的(
A.抗压强度
B.抗拉强度
C.抗剪强度
D.三向压缩强度
【例题17】某岩石试件经点荷载试验测得其强度指数I=0.5Mpa,则其抗拉强度为(
A.0.5Mpa
B.0.48Mpa
C.0.45Mpa
D.0.35Mpa
【例题18】当利用点荷载试验确定岩石的抗拉强度时,由于点荷载试验的结果离散性较大,通常进行15个试件的试验,最终按其(
)求得其强度指数并推算出岩石的抗拉强度。
A.平均值
B.标准值
C.最小平均值
D.最大平均值
(三)岩石的抗剪强度
岩石的剪切强度是指岩石在一定的应力条件下(主要指压应力)所能抵抗的最大剪应力,
岩石的剪切强度有三种:
抗剪断强度、抗切强度和弱面抗剪强度(包括摩擦试验)。
这三种强度试验的受力条件不同,其示意图见图15-l-11。
室内的岩石剪切强度测定,最常用的是测定岩石的抗剪断强度。
一般用楔形剪切仪,其主要装置如图l-12所示。
者的区别在于侧压的不同。
前者两个水平方向施加的压力不等,而后者相等。
由于真三轴试验对试验机的特殊要求,使这试验要花费很大的人力、物力和财力。
而假三轴试验要比真三轴试验容易得多,成为岩石力学中最常用的试验方法之一。
图15-1-14是假三轴试验机施加三向压力的装置示意图,围压是通过液体施加在试件上。
通常假三轴试验先施加按一定要求设定的围压值,并保持不变,随后施加竖向荷载直至破坏。
而真三轴试验却要求能够分别施加三个方向上的大小不同的荷载。
2三向压缩试验的破坏类型
1)侧向压力的影响
图15-1-15显示了侧向压力对三轴强度的影响规律。
从图中可见,大理岩随着侧向压力(亦称围压)的增大,其最大主应力也将随之增大。
且显示出增大应力的变化率随围压的增大而减小的变化规律。
若用莫尔极限应力圆的包络线来描述的话,则这包络线的斜率具有前陡后缓的特性。
当然,对不同的岩性来说,这一特性并不是完全一致的,但是随围压的增大而最大主应力也变大,这一特性则是一个普遍的规律。
2)加荷途径对岩石三向压缩强度的影响
三向压缩试验可以有三种不同的加压途径,即如图15-1-16中A,B,C三条虚线所示。
根据大量的试验结果可知,三种不同的加载途径对岩石的三向压缩强度影响并不大。
图15-1-16例示了花岗岩的试验结果,无论用哪种加载途径,其最终的破坏应力都很接近描述三向压缩强度的破坏应力包络线。
3)孔隙压力对岩石三向压缩强度的影响
对于一些具有较大孔隙的岩石来说,孔隙水压力将对岩石的强度给予很大的影响。
这一影响可用“有效应力”的原理给予解释。
由于岩石中存在着孔隙水压力,而使得真正作用在岩石上的围压值减少了,因而降低了与其相对应的极限应力值(峰值应力)。
若用莫尔极限应力圆来表示的话,由于孔隙压力的存在使应力圆向左侧移动,即向强度包络线方向平移,因此降低了岩石的极限应力。
试卷名称:
基础知识(三)精讲班第2讲作业卷
开始时间:
2009-3-2614:
48:
9
结束时间:
50:
4
答题时间:
150分钟
考生耗时:
00:
01:
55
试卷总分:
150
通过分数:
75
考生姓名:
考生成绩:
标准题得分:
手工题得分:
评分方式:
自动
通过考试:
通过
考试评语:
详细情况
窗体顶端
一、单选题:
1、
已知某岩石饱水状态与干燥状态的抗压强度之比为0.72,则该岩石(
A.软化性强,工程地质性质不良
B.软化性强,工程地质性质较差
C.软化性弱,工程地质性质较好
D.软化性弱,工程地质性质不良
A
B
C
D
你的答案:
b 标准答案:
b
本题分数:
30.00分,你答题的情况为正确所以你的得分为30.00分
解 析:
2、
在岩石的含水率试验中,试件烘干时应将温度控制在(
A.95—105℃
B.100—105℃
C.100—110℃
D.105—110℃
d 标准答案:
d
3、
关于岩石的耐崩解性,下列叙述正确的是(
A.
岩石的耐崩解性是表示粘土类岩石和风化岩石抗冻能力的一个指标
B.
岩石的耐崩解性是表示粘土类岩石抗风化、抗冻能力的一个指标
C.
岩石的耐崩解性是表示粘土类岩石和风化岩石抗风化能力的一个指标
D.
岩石的耐崩解性是表示风化岩石抗风化能力的一个指标
c 标准答案:
c
4、
岩石的强度指标不包括(
B.抗剪强度
C.抗拉强度
D.软化性
5、
某岩石试件在三向压缩试验时其破坏类型表现为塑性流动破坏,据此可以判断试验时所施加的围压为(
A.低围压
B.中等围压
C.高围压
D.以上三种均可
岩石试件在低围压作用下,其破坏形式主要表现为劈裂破坏。
这一破坏形式与单轴压缩破坏很接近,说明围压对其破坏形态影响并非很大。
当在中等围压的作用下,试件主要表现为斜面剪切破坏。
而当在高围压作用下,试件则会出现塑性流动破坏,试件不出现宏观上的破坏断裂面而呈腰鼓形。
故答案为C。
窗体底端
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