第三章 岩石的强度
第一节 概 述
高坝等水工建筑物造在岩基上,岩基受到很大荷载,岩基是否能承受这么大的荷载呢?高边坡陡峻矗立,它会不会发生坍滑呢?在岩体内开挖地下洞室,例如开挖水工隧洞、修建地下电站,洞周围岩石(围岩)的应力增大,围岩会不会破坏呢?这一系列问题都与岩石的强度有密切关系.因此,研究岩石的破坏形式以及岩石抵抗外力破坏的能力——岩石的强度,具有重要意义.
从广义而言,岩石包括岩块和岩体,所以在研究岩石的强度时,应当分清岩块的强度和岩体的强度.或者说,分清完整岩石的强度和多节理岩体的强度.
图3—1表示由岩块(完整岩石)转化为多节理岩体的过渡,突出表明了决定岩体强度的难度.显然,岩体的强度不仅与组成岩体的岩石的性质有关,而且与岩体内的结构面(节理、裂隙、层理、断层等)有关；此外,还与其所受的应力状态有关.众所周知,结构面特别是软弱结构面是岩体最薄弱的地方,几组软弱结构面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,但这些微结构面甚小,肉眼不易觉察,一般不影响供室内外试验用的完整岩石的试件.岩块内微结构面的影响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,一般是指岩石试件实验所得出的,它实际上是代表岩体内岩块的强度.
对于岩性坚硬、新鲜的未风化岩体来说,其特点是岩体内岩块的强度很高,而软弱结构
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面的强度显得非常低,这种岩体的强度主要由软弱结构面的强度和产状特征所决定.对于岩性软弱的(风化的、破碎的)岩体来说,其岩石(岩块)的强度很低,软弱结构面的作用就显得不那么突出.因此,这种岩体的强度既决定于岩石,也决定于软弱结构面.当软弱岩体的岩石强度与软弱结构面强度差别很小时,则岩体的强度主要巾岩石强度决定了.
第二节 岩石的破坏形式
根据大量的试验和观察证明,岩石的破坏常常表现为下列各种形式：
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,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,尤其是洞顶的张裂隙,这些都是脆性破坏的结果.
2．延性破坏 岩石的破坏之前的变形很大,且没有明显的破坏荷载,表现出显著的塑性变形、流动或挤出,这种破坏称为延性破坏或韧性破坏.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属延性破坏的例子.坚硬岩石一般属脆性破坏,但在两向或三向受力较大的情况下,或者在高温的影响下,也可能延性破坏(或称塑性破坏).
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,岩体就发生沿着弱面的剪切破坏.岩基和岩坡沿着裂隙和软弱层的滑动以及小块试件沿着潜在破坏面的滑动,都属于这种破坏的例子.
在图3—2上示有这几种破坏形式的简图.
第三节 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(无围压而轴向加压力)抵抗破坏的极限能力,或极限强度,它在数值上等于破坏时的最大压应力,见图3—3.岩石的抗压强度一般在实验室内是在压力机上进行加压试验测定的.试件用圆柱形或立方柱状.试件的断面尺寸,圆柱形试件采用直径D；5cm,也有采用D二7Lm；立方柱状试件,采用5cmx
包括抗压、抗拉、抗剪（断）强度及岩石破坏、断裂的机理和强度准则.室内用压力机、直剪仪、扭转仪及三轴仪,现场做直剪试验和三轴试验,以确定强度参数（凝聚力和内摩擦角）.强度准则大多采用库伦－纳维准则.这个准则假定对破坏面起作用的正应力会增加岩石的抗剪强度,其增加量与正（压）应力的大小成正比.其次采用莫尔准则,也可采用格里菲思准则和修正的格里菲思准则.