岩石强度的抗剪强度

如题所述

岩石在外力作用下达到破坏时的极限剪应力。抗剪强度试验方法包括室内试验和现场试验两类。 室内抗剪强度试验常用的方法有直接剪力试验、 扭转试验和三轴试验三种。
①直接剪力试验:这种试验特别适用于岩石结构面和软弱夹层抗剪强度的测定,装置如图2a。取一组试件分别在不同的正应力下进行试验,试验结果如图2b。图中C称为岩石的凝聚力,ф 称为岩石的内摩擦角
②扭转试验:将圆柱状试件或两端为方形的柱状试件夹紧在扭转试验机上,施加扭力,最大剪应力发生在试件最外圈。
③三轴试验:天然岩体是处于三向应力状态下。在三向应力状态下的岩石强度,对于岩基承载力的计算、地下建筑物和坝工设计、褶皱和断层机理研究以及深孔钻探研究都很重要。三轴试验方法包括轴对称应力状态的普通三轴试验(σ1>σ2=σ3),真三轴试验(σ1厵σ2厵σ3),空心圆筒的压缩或扭转三轴试验。试验受力状态如图3所示。 图中粗箭头表示通过物体各个端面的压力或扭力;细箭头表示液压的压力。三轴试验需要一套专用加载装置、三轴压力室、稳压装置和变形测量设备。为了测定岩石应力达到峰值以后的应力与应变关系,必须采用伺服控制刚性压力机。现代岩石力学已逐步向地学领域发展。地壳岩石常处于高温高压状态,因而发展出高温高压三轴试验。目前国际上进行的高温高压三轴试验,侧压可达数万巴(1巴=105帕),温度高达1000℃。实验证明,随着围压的增大,岩石的强度增加并由脆性向韧性转化。图4为高压三轴试验结果(曲线上的数字为围压)。 图5为花岗岩在加载期间相对体积变化和平均压力的关系(曲线上的数字为围压)。在地壳下,温度随深度而增加,而温度对岩石强度也有很大影响。 图6是地壳中最常见的花岗岩和玄武岩的强度和温度的关系,所有曲线都是在相同的围压条件下获得的。可以看出,随着温度的增高,岩石强度下降,并由脆性向韧性转化。地壳的应变速率极低,约为10-14~1020秒-1。应变速率对岩石强度也有较大影响。 图7为岩盐在300℃、 2000巴围压下强度与应变速率的关系曲线。从图上可以看出,在高的应变速率下有明显的硬化阶段,且强度较高。随着应变速率的降低,岩石逐渐向韧性转化,强度也降低。
a 普通三轴试验 b 三个实心活塞加压 c 空心圆筒的压缩或扭转 d 双轴实心活塞和侧限液压组成的三轴试验 这个准则假定对破坏面起作用的法向应力会增加材料的抗剪强度,其增加量与法向应力的大小成正比。 就二向情况而论(图8),若σ和τ是作用在破坏面上的法向应力和剪应力,则根据这个准则,作用在这个面上的剪应力达到下列数值时将发生破坏:
|τθ|=τt+μσθ,
式中τt为材料的抗剪强度;σθ为破坏面上的法向应力。μσθ类似斜面上的摩擦力,故μ可称为内摩擦系数。在三轴或双轴试验中,这个准则用法向应力和剪应力来表示则为:
用岩石材料的抗压强度σc和抗拉强度σ1来表示则为:
此即图9中AB线的关系式。材料不发生破坏的σ1、σ3值必定在AB和AC两线之间的范围内。在AB和AB两线范围以外的σ1、σ3值,将使材料发生破坏。岩石的μ 值的变化范围为1.0~2.5。据此,岩石的抗剪强度约为抗压强度的0.1~0.2倍。 这个准则是以岩石材料中存在细微裂纹为前提的。当材料受到应力时,裂纹尖端产生拉应力集中;当尖端或其附近的拉应力达到某一临界值时,裂纹开始扩张,最后导致破坏。这个理论首先为对玻璃的试验所证实。格里菲思准则可以用下述抛物线形的莫尔包线来表示:
虽然某些沉积岩具有非线性的莫尔包线,但就更多的脆性岩石来说,在压缩时普遍具有线性的莫尔包线。此外,格里菲思裂纹周围的应力集中是根据弹性理论计算出来的,因此破坏机理与时间无关,没考虑强度随应力速率或应变速率而变化的因素。F.A.麦克林托克、J.B.沃尔什和W.F.布雷斯遂加以修改,称为修正的格里菲思理论,使适用于压应力很高的双轴条件,其压应力足以使裂纹闭合,因此在裂纹表面上有摩擦力的作用。经过修改的格里菲思准则包括两个临界值:以抗拉强度表示的裂纹尖端处的临界应力;裂纹表面之间的摩擦系数。这个准则的表达式为:
式中μ为裂纹表面的摩擦系数;σcr 为垂直于裂纹并使裂纹闭合所需的应力。库仑-纳维和莫尔准则规定了破坏时作用的应力之间的相互关系,并可通过各类岩石试验来检验这种关系。但这两个准则并没有假定任何导致破坏的内在机理,因而不能使最终破坏同它的物理数据联系起来。格里菲思准则指出了内在机理并提出数学模型。但对岩石来说,因为这些数据难以测量,所以须采取经验方法,即根据抗压和抗拉强度以及裂纹面上的摩擦系数来评价这个准则。
应补充胡克-布朗准则

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