岩石的强度特性
三、岩石的强度特性
岩石的强度分成单轴抗压强度、抗拉强度、抗剪强度以及三向压缩强度等。下面主要介绍岩石在这些不同荷载作用下的强度特性。 (一)岩石单轴抗压强度
岩石单轴抗压强度是指岩石试件在无侧限条件下，受轴向力作用破坏时，单位面积上所施加的荷载。其值可按下式求得
1 岩石单轴抗压强度的试验方法
按照国家“工程岩体试验方法标准”中的要求，岩石试件的加工应满足前面所叙述的标准试件的要求，并其放在试验机中心，以每秒0.5～1.0MPa的加载速度直至破坏。同时要求在试验前对试件作详细的描述，内容包括岩性和岩石中所包含的节理之间的关系、含水状态等项目，并记录下试件破坏后的形态。 2 岩石在单轴抗压试验破坏后的形态特征
在外荷载作用下岩石试件破坏后的形态是表现岩3石破坏机理的重要特征，它不仅表现出岩石受力过程中的应力分而状况，还反映了不同试验条件中对它的影响。岩石在单轴抗压强度试验中出现的破坏形态大约可分成两种：
1)圆锥形破坏(见图15-1-2a)：这类破坏形态的试件，由于中间的岩石被剥离使得岩石破坏后呈两个尖顶的圆锥体。经分析可知，产生这种破坏形态的主要原因是上、下压板在施加荷载时，与岩石试件端面之间产生了较大的摩擦力，促使岩石端部产生了一个相当于箍的约束作用。此时，岩石试件内的应力分布如图15-1-3所示。由于拉应力的作用使得这部分岩石被剥离而形成圆锥体。因此从某种意义上来说圆锥体的破坏形态并没有真正反映其破坏特征，而是带有试验系统所给予的影响。
2)柱状劈裂破坏(见图15-1-2b)：在发现圆锥形破坏的真正原因之后有人在上下压板与试件端面之间，涂上了一层薄薄的凡士林以减小接触面之间的摩擦力，最终岩石试件由于产生平行于所施加的轴向力的裂缝而破坏。对于不同的岩石所含的矿物成份和所含裂隙的不同，局部还会出现些较小的斜向裂缝。应该说柱状劈裂破坏是真正反映岩石单轴压缩破坏的形态。
【例题9】下列不属于岩石在单轴抗压强度试验中出现的破坏形态的是( )。 A. 圆锥形破坏 B. 柱状劈裂破坏 C. 三角形破坏 答案：C
【例题10】能够真正反映岩石单轴压缩破坏的形态是( )。 A. 圆锥形破坏 B. 柱状劈裂破坏 C. 三角形破坏 答案：B
【例题11】在作岩石单轴抗压强度试验时，如果增加上下压板与试块之间的摩擦力，则岩石的破坏形态呈( )。 A. 圆锥形破坏 B. 柱状劈裂破坏 C. 三角形破坏 答案：A
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
抗 压 强 度 (MPa) 岩 石 名 称 干抗压强度Rcd 花岗岩 闪长岩 辉绿岩 玄武岩 石灰岩 砂 岩 页 岩 粘土岩 凝灰岩 石英岩 片 岩 千枚岩 板 岩 40.0～220.0 97.7～232.0 118.1～272.5 102.7～290.5 13.4～206.7 17.5～250.8 57.0～136.0 20.7～59.0 61.7～178.5 145.1～200.0 59.6～218.9 30.1～49.4 123.9～199.6 饱和抗压强度Rcs 25.0～205.0 68.8～159.7 58.0～245.8 102.0～192.4 7.8～189.2 5.7～245.5 13.7～75.1 2.4～31.8 32.5～153.7 50.0～176.8 29.5～174.1 28.1～33.3 72.0～149.6 软化系数 0.75～0.97 0.60～0.74 0.44～0.90 0.71～0.92 0.58～0.94 0.44～0.97 0.24～0.55 0.08～0.87 0.52～0.86 0.96 0.49～0.80 0.69～0.96 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