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常见岩石抗压强度、抗拉强度、凝聚力和内摩擦角

现代石油人

3月前浏览203

【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。

垂直应变(对应于体应变)中，致密试样经历压缩(初始剪切阶段)到膨胀的过渡，而疏松试样则持续处于压缩阶段，如图5所示。

在不同的法向应力下进行至少3次试验后，每一次试验得到的最大剪应力与法向应力之间的曲线关系，最佳拟合线确定了最佳莫尔-库仑破坏包络线。推导了黏聚力和摩擦角分量。图6显示了一个示例。

https://www.geoengineer.org/education/laboratory-testing/direct-shear-test

内摩擦角|抗剪角

内摩擦角是粒状土的一个重要参数，被认为是典型的特性。岩石或土体承受剪切应力的能力可以用内摩擦角(也称为抗剪角)来衡量。当由于剪切应力(T)而发生破坏时，法向力(o)和合力(R)之间的夹角(w)称为内摩擦角。滑动摩擦系数为其正切(T/o)。在剪切强度试验后，任何土的内摩擦角都可以在莫尔圆图上直观地看到。

采用实验分析如三轴试验来确定内摩擦角的值。在参与基础、挡土墙、边坡稳定性和挡土结构的分析和设计过程之前，必须确定抗剪强度参数。土材料的物理特性，或其抗剪强度的线性表示的斜率，是内摩擦角。土体在任何内部平面上单位面积承受破坏所能提供的内阻称为抗剪强度。当超过这个阻力时，就会发生故障。在屈服之前，土壤基质内产生的剪应力的最大值或极限值被称为土壤的抗剪强度。土基质中相邻颗粒之间的内聚力和摩擦力决定了结构的抗剪强度。结果表明，土体抗剪强度对表面有一定的依赖性。任何阻止或促进土粒联锁或焊接的行为都不可避免地会影响土的抗剪强度。剪切强度通常包括:(a)内摩擦或由于颗粒互锁而产生的阻力，用角d表示;(b)内聚力或阻力，由于倾向于将颗粒聚集在一起形成固体质量的力。土壤的凝聚力一般用字母“c”来表示。

库仑最早提出了土的剪切破坏规律，其表达式为:T = c + ơtano—(1)，其中法向力为0，抗剪强度为T。工程师和地质学家通常将松散和未胶结的土材料称为土，地质学家将这类材料称为沉积物。各种大小(毫米到米)，从非常细到非常粗的矿物或岩石碎片构成了土壤(粘土、淤泥、沙子、砾石、鹅卵石和巨石大小)。大量在化学和机械上彼此不同的颗粒可以相对容易地开采出来，并且被移除的材料可以以圆锥形状堆积起来，其坡度称为休止角(图2)。休止角是内摩擦角的描述，但它通常由颗粒形式控制，导致天然土壤中松散干燥颗粒堆的坡度通常在28°到34°之间。

内摩擦角定义为物体开始运动时，法向反作用力与摩擦力和法向反作用力的合力之间的夹角，而休止角定义为使物体沿斜面向下滑动的最小斜面夹角。从理论上讲，内摩擦角和休止角似乎是同一个意思。然而，在测试过程中确定的内摩擦角用于岩土工程设计。除密度外，粒度分布、角度和颗粒互锁是影响土壤摩擦角的主要变量。正如你所预料的，细粒和圆润的沙子比角砂和粗砂的摩擦角更小。

p = 45°选择颗粒状土壤。坡度p，如果土壤压实，可能更大。p = 30°土壤好。土壤可能未压实，或者可能潮湿。p = 15°土壤贫瘠贫瘠的土壤可能含有很高比例的细粒，并且可能潮湿。Q = 0°泥浆土体为液体，无坡角，不同类型土体的内摩擦角，不同类型土体的内摩擦角可通过现场岩土工程试验估算。其中部分如表1所示;

不同土类的内摩擦角如表2所示;

https://structville.com/angle-of-internal-friction

土壤基本力学

应力和应变分析

强度

刚度

材料的行为

来自地基和墙壁的荷载对地面施加应力。定居点是由地应力引起的。为了分析材料在载荷作用下的内部条件，我们必须考虑应力-应变行为。应变和应力之间的关系称为刚度。所能承受的最大应力值称为强度。

特殊的应力和应变状态

莫尔圈构造

应力和应变参数

应力和应变发生在各个方向，为了进行沉降和稳定性分析，通常需要将某一方向的应力与其他方向的应力联系起来。

注意，压应力和应变为正，逆时针方向的剪应力和应变为正，这些是总应力(见有效应力)。

特殊的应力和应变状态

一般来说，三维的应力和应变都是不同的。

在地面工程中有三种特殊情况很重要:

轴对称或三轴状态

两个方向上的应力和应变相等。

适用于附近条件比较小的基础、桩、锚等集中荷载。

平面应变:

单向应变= 0

适用于长地基、堤防、挡土墙及其他长构筑物附近的条件。

一维压缩:

两个方向的应变= 0

适用于宽地基或相对较薄的可压缩土层以下的条件。

单轴压缩

这是一种人为的情况，只有在孔隙水压力为负的情况下才有可能发生。

莫尔圈构造

正应力和剪应力的值必须与土壤元素内的特定平面有关。一般来说，另一个平面上的应力是不同的。

为了可视化所有可能平面上的应力，通过在每个可能角度上绘制一个平面的(法向应力，剪切应力)点来绘制一个称为莫尔圆的图。

存在剪应力为零的特殊平面(即圆穿过法向应力轴)，应力状态(即圆)可以用作用在这些平面上的法向应力来描述;这些被称为主应力s'1和s'3。

应力和应变参数

在普通土壤试验中，使用圆柱形试样，其中轴向和径向应力和应变为主应力和应变。为了分析试验数据和发展土力学理论，通常将它们合并为影响体积变化的平均(或正常)分量和影响形状变化的偏差(或剪切)分量。

在莫尔圆构造中，t'是圆的半径，s'定义圆的中心。

注:总应力和有效应力均与孔隙压力u有关;

P ' = P - u

S ' = S - u

Q ' = Q

T ' = T

强度

破坏类型

强度标准

抗剪强度的典型值

材料的抗剪强度最简单地描述为它所能承受的最大剪切应力:当剪切应力t增大时，剪切应变g增大;存在一个极限条件，在这个极限条件下，剪切应变变得非常大，材料失效;剪切应力tf就是材料的抗剪强度。这里所示的简单类型的破坏与延性或塑性材料有关。如果材料是脆性的(像一块粉笔)，破坏可能是突然的和灾难性的，破坏后强度损失。