常见岩石抗压强度、抗拉强度、凝聚力和内摩擦角

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本文摘要：（由ai生成）

本文讨论了岩石力学中关键的强度测试方法：无侧限压缩强度试验、抗拉强度测试（巴西试验）和剪切强度测试。这些方法有助于评估岩石和土壤的力学性能，为工程设计提供依据。无侧限压缩强度试验测定岩石无侧限压缩强度；巴西试验间接测定岩石抗拉强度；剪切强度测试则确定岩石或土壤的抗剪强度。这些测试方法在岩土工程设计和研究中具有重要应用价值。

【抗压强度】

岩石无侧限抗压强度试验

本测试方法规定了测定完整岩芯试样无侧限抗压强度的仪器、仪器和程序。本程序与ASTM D 2938相同，不同之处是岩心在切割后进行测试，不需要研磨，并且在试样端使用氯丁橡胶帽。

无侧限抗压强度试验程序

1. 在每次测试前，检查球形阀座在其套筒内的自由旋转能力。

2. 将下压板置于装料装置的底座或致动杆上。将上、下压板和试件的轴承面擦拭干净，将试件放置在下压板上。将上压板放在标本上，并正确对齐。一个小的轴向载荷，大约25磅(100牛)，可以通过加载装置施加到样品上，以正确地安装设备的轴承部件。

3. 连续地施加轴向载荷，不受冲击，直到载荷变为常数，减小，或达到预定的应变量。施加载荷时，应使应力率或应变率在整个试验过程中尽可能保持恒定。在任何给定的时间内，不允许应力率或应变率偏离所选值超过10%。所选择的应力率或应变率应是在2 - 15分钟的测试时间内产生失效的应力率或应变率。对于给定类型的选定的应力率或应变率，在给定的一系列调查中的所有试验中都应遵守。记录试样所承受的最大载荷。

https://www.911metallurgist.com/blog/unconfined-compressive-strength-test-rock?nowprocket=1

单轴抗压强度

在长径比为2.5的新鲜岩样上进行了UCS试验。试验采用负载能力为300 t的伺服控制试验机，应力速率为0.75 MPa/s。平均UCS值(下表)由每种岩石类型的5个岩心样品的强度值平均值得到。

http://www.scielo.org.za/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S2225-62532015000300005

【抗拉强度】

岩石的抗拉强度主要由两个测试程序得出:

直接抗拉强度试验

巴西测试

直接抗拉强度试验被认为是导出试件抗拉能力的最合适的方法。然而，由于试样制备具有挑战性，并且试样的破坏通常是无效的(试样应通过其中间部分破坏，这样试验才可靠)，因此这种方法并未得到广泛应用。

因此，巴西法被广泛应用于样品制备，其检测程序也大大提高了效率。

劈裂抗拉强度试验(巴西)

巴西试验是岩石力学中间接测定岩石抗拉强度的实验室试验。

岩石材料的抗拉强度明显低于岩石的抗压强度，是岩土工程设计中的一个重要参数。这种现象也出现在混凝土中，这一事实导致了钢筋的利用，以增加材料的抗拉能力。研究还表明，在压缩过程中，微裂纹尖端的抗拉强度被超过，微裂纹倾向于扩展到整个试件而导致破坏。

样品制备

巴西的测试是在圆盘标本上进行的，这些标本被切割和平滑，使其表面的任何不规则情况都小于0.25毫米。两个表面也必须平行于0.25°的精度。

样品的选择必须能代表所检测的岩石材料。选择时可以通过对矿物和颗粒的目视观察，避免出现裂纹、孔洞等缺陷。

样品的直径不得小于54毫米，而其厚度必须在其直径的0.2 - 0.75倍之间，最好约等于直径的一半。直径和厚度必须通过至少三次测量得到最接近的0.25毫米。

为巴西试验准备的典型样品的几何特征如图1所示。

含水量对巴西测试结果略有影响;因此，建议根据现场含水率对样品进行保存和检测。

巴西测试单元

圆柱形样品被放置在一个特殊设计的单元中，单元由两个组装在一起的钢部件组成，以便它们在相反的两端与样品接触。上爪包含一个球面开口，其中放置一个圆形半球轴承。巴西测试配置的示意图如图2所示。

测试过程

将样品放入电池中，用遮蔽胶带(0.2-0.4mm的胶纸)包裹其表面。然后将系统置于加载装置中，加载装置必须能够施加恒定的加载速率，使试件在15-30秒内失效。记录最大负载。

为巴西试验设计的典型加载设备的最大加载能力为100kN。然而，用于单轴压缩试验的加载装置也可以使用，只要它们能够应用上述速率。

试样必须沿其直径破坏，这样试验才被认为是有效的。

计算

为求出单个试样的抗拉强度，应用如下公式:

σt:试样的抗拉强度

P:记录的负载

D:试样的直径

t:标本的宽度

利用各向同性介质的弹性理论推导了方程1，考虑了巴西试验中的加载和边界条件。当施加的载荷为P且其矢量垂直于加载直径时，失效应力(抗拉强度)在圆盘中心确定。

试件沿加载轴向的应力分布如图3所示。试样端部受压时，其余加载直径受拉应力，其最大值出现在试样中部。

要获得岩石抗拉强度的可靠结果，必须进行至少10次巴西试验。但是，如果结果没有显著变化(变异系数必须小于5%)，则可以使用较小的样本数量。

计算实例

假设准备了10个圆盘标本用于巴西试验。样品的直径和厚度是为了确保它们符合上述规定。然后将样品放置到单元中，并将系统放置到加载装置中。选择加载速率，使样品在15-30秒内失效，并记录最大加载。如果之前推导出材料的抗拉强度，就可以计算出加载速率。否则，就可以根据测试材料的特性和信息作出合乎逻辑的假设。

巴西测试示例的结果见表1。

表1:10个磁盘试样的巴西试验结果示例

考虑到每一次破坏都是有效的，所选择的加载速率是合适的(因为所有试样的破坏都在期望的时间范围内)，岩石的抗拉强度计算为10次试验的平均值。

https://www.geoengineer.org/education/laboratory-testing/splitting-tensile-strength-test-brazilian

【凝聚力和内摩擦角】

剪切破坏

摩擦强度

岩石的抗剪强度取决于岩石的内聚强度和岩石的内摩擦强度。摩擦强度取决于摩擦力，其中将一个物体移动到表面所需的力FT取决于摩擦系数mu和施加的法向力FN，因此FT =mu*FN。因此，摩擦力FT与法向力FN的值成线性增加。

同样，未胶结的沉积物可以通过施加有效的“围压”应力来抵抗剪切应力。未胶结砂中的最大剪应力tau通过“内部”摩擦系数mui与法向有效应力sigman成正比。当剪切线tau =mui*sigman与莫尔圆表示的应力状态相交时，砂土处于剪切破坏状态。

莫尔圆表示所有可能的应力状态，这取决于您测量sigman和tau的平面。注意，在所有这些可能的应力状态中，只有一种应力状态与线tau = mui *sigman相交。这个平面就是剪切裂缝形成的平面。如果sigman = 0则tau = 0，那么在没有有效压应力的情况下，砂土没有任何强度。摩擦系数mui通常表示为摩擦角varphi，其中tan (phi) =mui。mui的典型值从0.4到1.0不等。例如，如果mui=0.5，则phi~30°。

无侧限抗压强度

胶结岩石可以在零有效侧向应力sigmar = 0的情况下承受剪切应力(sigmar为圆柱形样品的径向有效应力)。图中显示了一个无约束圆柱形岩石(在顶面上)加载到破坏，压缩有效应力sigmaa。我们称UCS(无侧限抗压强度)为岩石在无侧限条件下所能承受的最大压缩应力(施加于轴向)。轴对称试验要求岩石样品的长度应该是直径的两倍左右，以最小化剪切端效应(如短样品)和屈曲不稳定性(如长样品)。

受限强度:三轴试验

现在让我们应用一个有效的压缩“限制”应力sigmar≠0。实测峰值应力高于无围应力时的峰值应力。峰值应力的增量是岩石内摩擦强度的函数。因此，根据库仑破坏准则，最大剪应力tau将是岩石内聚力S0和施加的法向有效压应力sigman的函数，表达式如下:

https://dnicolasespinoza.github.io/node26.html

直剪试验

直剪试验是在岩土工程实践和研究中进行的一种试验程序，其目的是确定土体的抗剪强度。剪切强度被定义为材料在受到剪切时所能承受的最大阻力。

一般来说，直接剪切试验被认为是最常见和最简单的测试，以获得土壤的强度，可以在未扰动或重塑的样品上进行。

在土力学中，用Mohr-Coulomb (M-C)破坏准则来评估抗剪强度。M-C准则假定抗剪强度取决于三个因素:

法向有效应力(σn)

材料摩擦角(φ)

材料的内聚力(c)

通常，沙质土壤被认为是无粘性的。相反，粘性土在过度固结时具有粘性。图1a和图1b显示了砂土和过固结粘土的典型破坏范围。

测试设备和程序

土标本被放置在一个称为剪切盒的装置中，该装置由两块金属板、两块多孔石、两颗螺钉、一个夹持盘和施加法向应力的加载帽组成。剪切盒可以是圆形或方形的，它限制了试件的水平应变，但允许在两个金属板相遇的水平面上进行剪切。实验配置的示意图如图2所示。

然后将剪切盒放置在剪切装置中。最初，使用杠杆重量或通过气动系统在样品顶部施加直接法向压力。此阶段称为整合阶段，与典型的整合测试类似，它以递增的方式进行。在这一阶段，金属板拧在一起。

在剪切阶段开始之前，一个金属板被轻微抬起，以确保仪器的两半分离，并确保正常和剪切载荷仅通过试件传递。

然后，沿预先确定的水平面施加剪应力，直至试件破坏。剪切装置采用恒定的位移速率，精度公差为5%。这个速率取决于土壤的特性，应该相对较小，以防止孔隙压力的形成，从而提供足够的排水。Ιt由伺服电机装置和齿轮箱组件控制。

垂直和水平变形通过刻度计计算。

剪切装置在试验过程中没有安装测量孔隙压力的传感器。因此，在剪切开始之前，样品必须饱和并完成固结过程，这是至关重要的。否则，如果在试验过程中孔隙水压力增大，则会低估试样的抗剪强度。

在直剪试验中常见的错误包括在试验前干扰试样，不让其充分固结或选择的剪切速率过高。

扰动通常会影响样品的结构，降低其强度。因此，试验结果不能代表实际土壤的特性。

与固结过程失败类似，较大的剪切速率会导致孔隙水压力增大，有效剪应力减小，导致强度降低。

测试过程可以总结为以下几个阶段:

称一下土壤的初始质量

测量剪盒的高度和直径

将剪切盒置于剪切装置内

用2颗螺钉固定剪盒底部

组装剪切盒(将多孔石和夹持盘放在一起)

把样品放进盒子里，在上面放一张滤纸、一块多孔的石头和装样帽

称量剩余土壤的质量以得出样品的质量

剪切力为零

零初始刻度表(水平，垂直)

放置垂直载荷

测量由于固结引起的垂直位移

在剪切装置上设置选定的速率

开始剪羊毛阶段

根据剪切速率经常采取读数措施，直到剪切应力达到峰值和下降，或直到水平变形达到初始直径的10-15%。

直剪机的配置如图3所示。

数据分析与结果

首先，土样的密度由其质量除以体积(体积对应于剪切箱内测得的土样的体积)得到:

试件破坏在一个预先确定的水平面上，这取决于剪切盒的尺寸。因此，它的初始面积是已知的。随着剪切的进行，剪切面发生变化，对应于剪切盒底部与顶部的交点。试验过程中任意给定点上圆形试件的试件面积可以用以下公式计算(Bareither et al.， 2008):

其中Ac为校正面积，Ai为初始面积，δh为水平位移，D为剪切盒直径。

施加的法向应力和剪应力计算如下:

其中FV是施加的垂直力，FH是施加的水平应力，Ac是截面的表面。

土壤材料的抗剪强度定义为水平应力记录较高的点。

对于每个试验，水平剪应力与剪切位移的关系被绘制出来。根据土体密度的不同，其抗剪强度-抗剪应变表现出不同的特性。致密的砂土或过度固结的粘土样品往往获得最大剪应力，随后下降，达到一个固定值称为残余强度。当松散砂土或正常固结的黏土试样进行直剪试验时，其峰值强度与上述残余强度一致。图4给出了致密/松散砂粒响应的一个例子。