第3章岩石的强度 华北水利水电学院岩土工程系 岩石力学课程组
第3章 岩石的强度 华北水利水电学院岩土工程系 岩石力学课程组
3.1概述 概述 水利水电工程中,存在着与岩石强度密切相关的问题,如岩基的承载力,岩 坡稳定性,地下洞室开挖洞周围岩石(围岩)的应力分布及其稳定等 岩体是一个复杂的地质体,它的强度不仅与组成岩体的岩石性质有关,而且 与岩体内的软弱结构面(节理、裂隙、层理、断层等)有关,此外还与岩体所受 应力状态有关 软弱结构面常常是岩体最薄弱的地方,几组软弱结构面可以将岩体分割成各 种形状和大小不同的岩块。岩体的强度决定于这些岩块的强度和结构面的强度 当然,岩块本身也有一些微结构面(细微裂隙),但这些微结构面甚小(肉眼不易 觉察),一般对试件强度影响甚微。岩块内微结构面的作用将直接反映到岩石试 件的力学性质上。通常所讲的岩石强度,一般是指岩石试件的强度,它实际上 代表岩体内岩块的强度
▪ 水利水电工程中，存在着与岩石强度密切相关的问题，如岩基的承载力，岩 坡稳定性，地下洞室开挖洞周围岩石(围岩)的应力分布及其稳定等。 ▪ 岩体是一个复杂的地质体，它的强度不仅与组成岩体的岩石性质有关，而且 与岩体内的软弱结构面(节理、裂隙、层理、断层等)有关，此外还与岩体所受 应力状态有关。 ▪ 软弱结构面常常是岩体最薄弱的地方，几组软弱结构面可以将岩体分割成各 种形状和大小不同的岩块。岩体的强度决定于这些岩块的强度和结构面的强度。 当然，岩块本身也有一些微结构面(细微裂隙)，但这些微结构面甚小(肉眼不易 觉察)，一般对试件强度影响甚微。岩块内微结构面的作用将直接反映到岩石试 件的力学性质上。通常所讲的岩石强度，一般是指岩石试件的强度，它实际上 代表岩体内岩块的强度。 ➢ 概述 3.1 概述
3.1概述 岩石的破坏形式: 1)脆性破坏:大多数坚硬岩石在一定的条件下都表现出脆性破坏的性质 也就是说,这些岩石在荷载作用下没有显著觉察的变形就突然破坏。产生这 种破坏的原因可能是岩石中裂隙的发生和发展的结果。 例如,在地下洞室开挖后,由于洞室周围的应力显著增大,洞室围岩可能产生许 多裂隙,尤其是洞室顶部的张裂隙,这些都是脆性破坏的结果。 2)塑性破坏:在两向或三向受力情况下,岩石在破坏之前的变形较大, 没有明显的破坏荷载,表现出显著的塑性变形、流动或挤出,这种破坏即为 塑性破坏。塑性变形是岩石内结晶晶格错位的结果。 在一些软弱岩石中这种破坏较为明显。有些洞室的底部岩石隆起、两侧围岩向洞 内鼓胀都是塑性破坏的例子
▪1）脆性破坏： 大多数坚硬岩石在一定的条件下都表现出脆性破坏的性质。 也就是说，这些岩石在荷载作用下没有显著觉察的变形就突然破坏。产生这 种破坏的原因可能是岩石中裂隙的发生和发展的结果。 ▪例如，在地下洞室开挖后，由于洞室周围的应力显著增大，洞室围岩可能产生许 多裂隙，尤其是洞室顶部的张裂隙，这些都是脆性破坏的结果。 ▪2）塑性破坏： 在两向或三向受力情况下，岩石在破坏之前的变形较大， 没有明显的破坏荷载，表现出显著的塑性变形、流动或挤出，这种破坏即为 塑性破坏。塑性变形是岩石内结晶晶格错位的结果。 ▪在一些软弱岩石中这种破坏较为明显。有些洞室的底部岩石隆起、两侧围岩向洞 内鼓胀都是塑性破坏的例子。 ➢ 岩石的破坏形式： 3.1 概述
3.1概述 岩石的破坏形式: 3)弱面剪切破坏:由于岩层中存在节理、裂隙、层理、软弱夹层等软弱 结构面,岩层的整体性受到破坏。在荷载作用下,这些软弱结构面上的剪应 力大于该面上的强度时,岩体就产生沿着弱面的剪切破坏,从而使整个岩体 滑动。图3-1为几种破坏形式的简图。 图3-1岩石的破坏形式 a)、(b)脆性断裂破坏;(c)脆性剪切破坏;(d)延性破坏;(e)弱面剪切破坏
▪3）弱面剪切破坏： 由于岩层中存在节理、裂隙、层理、软弱夹层等软弱 结构面，岩层的整体性受到破坏。在荷载作用下，这些软弱结构面上的剪应 力大于该面上的强度时，岩体就产生沿着弱面的剪切破坏，从而使整个岩体 滑动。图3-1为几种破坏形式的简图。 ➢ 岩石的破坏形式： 3.1 概述 图3-1 岩石的破坏形式 （a）、（b）脆性断裂破坏；（c）脆性剪切破坏；（d）延性破坏；（e）弱面剪切破坏
3.2岩石的强度性质 3.2.1岩石的抗压强度 岩石的抗压强度就是岩石试件在单轴压力下达到破坏的极限值,它在数值上 等于破坏时的最大压应力,见图3-2。岩石的抗压强度一般在实验室内用压力 机进行加压试验测定的 试件通常用圆柱形(钻探岩心)或立方柱状(用岩块加工)。试件的断面尺寸, 圆柱形试件采用直径D=5cm,也有采用D=7cm的;立方柱状试件,采用5×5cm 或7×7cm。试件的高度h应当满足下列条件 圆柱形试件: h=(22.5)D 立方柱形试件 h=(22.5 这里D为试件的横断面直径,A为试件的横断面积
▪岩石的抗压强度就是岩石试件在单轴压力下达到破坏的极限值，它在数值上 等于破坏时的最大压应力，见图3-2。岩石的抗压强度一般在实验室内用压力 机进行加压试验测定的。 ▪试件通常用圆柱形(钻探岩心)或立方柱状(用岩块加工)。试件的断面尺寸， 圆柱形试件采用直径D=5cm，也有采用D=7cm的；立方柱状试件，采用5×5cm 或7×7cm。试件的高度h应当满足下列条件： ▪圆柱形试件： h=(2~2.5)D ▪立方柱形试件 ： h=(2~2.5) 这里D为试件的横断面直径，A为试件的横断面积 ➢ 3.2.1 岩石的抗压强度： 3.2 岩石的强度性质
3.2岩石的强度性质 3.2.1岩石的抗压强度 试验结果按下式计算抗压强度 R 图3-2抗压试验 图3-3岩石试件在单轴压缩时的破坏
▪试验结果按下式计算抗压强度： ➢ 3.2.1 岩石的抗压强度： 3.2 岩石的强度性质 A P Rc = β 图3-2 抗压试验 图3-3 岩石试件在单轴压缩时的破坏
3.2岩石的强度性质 3.2.1岩石的抗压强度 表3-1 岩石的单轴抗压强度和抗拉强度 岩石名称 抗压强度 抗拉强度 抗压强度 抗拉强度 (MP (MPa) 岩石名称 (MPa) (MPa) 花岗岩 100~250 7~25 石灰岩 30-250 闪长岩 180~300 白云岩 80-250 粗玄岩 200~350 煤 玄武岩 150~300 10~30 片麻岩 50~200 5~20 砂岩 20~170 大理岩 7~20 页岩 10~100 100~200 7~20
▪表3-1 岩石的单轴抗压强度和抗拉强度 ➢ 3.2.1 岩石的抗压强度： 3.2 岩石的强度性质 Rct 岩石名称 抗压强度 (MPa) 抗拉强度 (MPa) 岩石名称 抗压强度 (MPa) 抗拉强度 (MPa) 花 岗 岩 100~250 7~25 石灰岩 30~250 5~25 闪 长 岩 180~300 15~30 白云岩 80~250 15~25 粗 玄 岩 200~350 15~35 煤 5~50 2~5 玄 武 岩 150~300 10~30 片麻岩 50~200 5~20 砂 岩 20~170 4~25 大理岩 100~250 7~20 页 岩 10~100 2~10 板 岩 100~200 7~20
3.2岩石的强度性质 3.2.1岩石的抗压强度—影响因素 (1)结晶程度和颗粒大小:岩石的结晶程度和颗粒大小对其抗压强度的影响 是显著的。 一般来说,结晶岩石比非结晶岩石强度高,细粒结晶的岩石比粗粒结晶的岩石强 度高。如以粗晶方解石组成的大理岩强度为80~120MPa,而晶粒为千分之几毫米 组成的致密石灰岩的强度能达到260MPa。细晶花岗岩的强度能达到260MPa,而粗 晶花岗岩的强度就会降低到120MPa (2)胶结情况:对沉积岩来说,胶结情况和胶结物对强度的影响很大。 石灰质胶结的岩石强度较低,如石灰质胶结的砂岩的强度在20~100MPa之间。而 硅质胶结的具有很高的强度,例如致密的砂岩和胶结物为硅质的砂岩的强度都很 高,有时可达200MPa。泥质胶结的岩石强度最低,软弱岩石往往属于这类。以粘 土颗粒而论,由硅质胶结的泥板岩的强度可达200MPa,而由泥质胶结的泥质页岩 的强度最高也不会超过100MPa
▪(1) 结晶程度和颗粒大小：岩石的结晶程度和颗粒大小对其抗压强度的影响 是显著的。 ▪一般来说，结晶岩石比非结晶岩石强度高，细粒结晶的岩石比粗粒结晶的岩石强 度高。如以粗晶方解石组成的大理岩强度为80~120MPa，而晶粒为千分之几毫米 组成的致密石灰岩的强度能达到260MPa。细晶花岗岩的强度能达到260MPa，而粗 晶花岗岩的强度就会降低到120MPa。 ▪（2）胶结情况：对沉积岩来说，胶结情况和胶结物对强度的影响很大。 ▪石灰质胶结的岩石强度较低，如石灰质胶结的砂岩的强度在20～100MPa之间。而 硅质胶结的具有很高的强度，例如致密的砂岩和胶结物为硅质的砂岩的强度都很 高，有时可达200MPa。泥质胶结的岩石强度最低，软弱岩石往往属于这类。以粘 土颗粒而论，由硅质胶结的泥板岩的强度可达200MPa，而由泥质胶结的泥质页岩 的强度最高也不会超过100MPa。 ➢ 3.2.1 岩石的抗压强度——影响因素 3.2 岩石的强度性质
3.2岩石的强度性质 3.2.1岩石的抗压强度—影响因素 3)矿物成分:不同矿物组成的岩石,具有不同的抗压强度,这是由于矿 物本身的特点,不同的矿物有着不同的强度 但即使相同矿物组成的岩石,也因受到颗粒大小、连结胶结情况、生成条件等影 响,它们的抗压强度也可相差很大 例如,石英是已知造岩矿物中强度较高的矿物,如果石英的颗粒在岩石中互相连 结成骨架,则随着石英的含量的增加岩石的强度也增加。 (4)生成条件:岩石的生成条件直接影响着岩石的强度。在岩浆岩结构中, 形成具有非结晶物质,则就要大大地降低岩石的强度
▪（3）矿物成分：不同矿物组成的岩石，具有不同的抗压强度，这是由于矿 物本身的特点，不同的矿物有着不同的强度。 ▪但即使相同矿物组成的岩石，也因受到颗粒大小、连结胶结情况、生成条件等影 响，它们的抗压强度也可相差很大。 ▪例如，石英是已知造岩矿物中强度较高的矿物，如果石英的颗粒在岩石中互相连 结成骨架，则随着石英的含量的增加岩石的强度也增加。 ▪（4）生成条件：岩石的生成条件直接影响着岩石的强度。在岩浆岩结构中， 形成具有非结晶物质，则就要大大地降低岩石的强度。 ➢ 3.2.1 岩石的抗压强度——影响因素 3.2 岩石的强度性质
3.2岩石的强度性质 3.2.1岩石的抗压强度—影响因素 5)水的作用:水对岩石的抗压强度起着明显的影响。当水侵入岩石时, 水就顺着裂隙孔隙进入润湿岩石全部自由面上的每个矿物颗粒。由于水分子 的侵入改变了岩石物理状态,削弱了粒间联系,使强度降低。其降低程度取 决于孔隙和裂隙的状况、组成岩石的矿物成分的亲水性和水分含量、水的物 理化学性质等。 (6)块体密度的影响:块体密度也常常是反映强度的因素,如石灰岩的块 体密度从1500kgm3增加到2700kg/m3,其抗压强度就由5MPa增加到180MPa
▪（5）水的作用：水对岩石的抗压强度起着明显的影响。当水侵入岩石时， 水就顺着裂隙孔隙进入润湿岩石全部自由面上的每个矿物颗粒。由于水分子 的侵入改变了岩石物理状态，削弱了粒间联系，使强度降低。其降低程度取 决于孔隙和裂隙的状况、组成岩石的矿物成分的亲水性和水分含量、水的物 理化学性质等。 ▪（6）块体密度的影响：块体密度也常常是反映强度的因素，如石灰岩的块 体密度从1500kg/m3增加到2700kg/m3，其抗压强度就由5 MPa增加到180MPa。 ➢ 3.2.1 岩石的抗压强度——影响因素 3.2 岩石的强度性质