《岩石力学》课件(完整版)

第一章绪论岩石：由矿物或岩屑在地质作用下按一定规律聚集而形成的自然物体。这是影响岩石力学性质和物理性质的三个重要因素。构造:组成成分的空间分布及其相互间排列关系岩石力学（RockMechanics）：研究岩体在各种不同受力状态下产生变形和破坏规律的学科。第一节岩石与岩体矿物：存在地壳中的具有一定化学成分和物理性质的自然元素和化合物。结构：组成岩石的物质成分、颗粒大小和形状以及其相互结合的情况。岩石分类岩体=岩块+结构面变质岩：不稳定与变质程度和原岩性质有关岩浆岩：强度高、均质性好沉积岩：强度不稳定，各向异性岩体结构面岩块不连续面：包括节理、裂隙、孔隙、断面、孔洞、层面1.2岩体力学的研究任务与内容①不连续；②各向异性；③不均匀性；④岩块单元的可移动性；⑤地质因子特性（水、气、热、初应力）。（1）岩体的力学特征（2）任务①基本原理方面（建模与参数辨别）；②试验方面（试验方法）仪器、信息处理、室内、外、动、静；③现场测试；④实际应用•城市化：我国1989年不到20%，2000年为35.7%，2010达45%，为减少占用地面土地，发展地下空间。•人口密度：拥人极限2万/km2，而上海达4万/km2(局部16万/km2)，北京达2.7万/km2。•绿化指标：1990年全国城市绿化面积3.9m2/人，上海0.9m2/人（国家要求2m2/人）。联合国建议：40m2/人（莫斯科44m2/人；伦敦22.8m2/人；巴黎25m2/人）。•交通方面：北京道路面积4.4m2/人；东京11.3m2/人；伦敦21.3m2/人。(4)相关任务1.3岩体力学的研究方法研究方法：实验、理论分析与工程应用相结合实验室内野外岩块（拉、压、剪…）模拟位移应力压力收敛（表面位移）应变绝对位移、相对位移（内部）理论连介非连介数值方法有限元离散元DDA地质调查工程地质分区岩体结构划分岩石岩体力学性质试验岩体赋存条件分析初始应力结构面几何特征介质的模型化物理数学计算经典解析法数值计算法正反分析分类确定岩体的质量等级模拟试验物理模拟相似材料经验判据岩体工程设计加固措施施工长期监测反馈分析图1-1岩石力学研究步骤的框图1.4岩体力学在其它学科中的地位（1）1925年泰沙基（Terzaghi）《建筑土力学》（2）地质力学的岩石力学学派（奥地利学派（萨尔茨堡学派）缪勒L.Miiller）否认小岩块试件的力学试验。（3）工程岩石力学学派，法国塔洛布尔（J.Talober）1951年《岩石力学》——最早的代表作。1963年意大利瓦依昂水库岩坡滑动1966年在里斯召开第一届国际岩石力学大会（一届/4年）全国岩石力学与工程学术会，2000年开第6届，1届/1年。全美,全欧。总之三个阶段：材料力学、连介力学、构造力学。力学（固体力学分支）、地质学、岩土工程1.5岩石力学的发展简史返回第二章岩石的基本物理力学性质岩石的基本物理力学性质是岩体最基本、最重要的性质之一，也是岩石力学学科中研究最早、最完善的内容之一。第一节基本物理性质一、岩石的质量指标（一）密度和比重1、岩石的密度：单位体积内岩石的质量。岩石含：固相、液相、气相。三相比例不同而密度不同。（2）饱和密度：岩石中的孔隙被水充填时的单位体积质量（水中浸48小时）（1）天然密度：自然状态下，单位体积质量VG/)/(31mKNVVGWVdG——岩石总质量；V——总体积。VV——孔隙体积（3）干密度：岩块中的孔隙水全部蒸发后的单位体积质量（108℃烘24h）VGc/12、岩石的比重：岩石固体质量（G1）与同体积水在4℃时的质量比VC——固体积；——水的比重)/(1WCVGWG1——岩石固体的质量。（KN/m3）CVVVe/VVnV/WcVVCVCVGnnnVVVVVVVVVVVe/11//二、岩石的孔隙性：反映裂隙发育程度的指标（一）孔隙比VV——孔隙体积（水银充填法求出）（二）孔隙率V=VC+VVe~n关系cd/)(天然状态下饱和状态下三、岩石的水理性质（一）含水性1、含水量：岩石孔隙中含水量GW与固体质量之比的百分数W=GW/G1（%）2、吸水率：岩石吸入水的质量与固体质量之比Wd=（%）吸水率是一个间接反映岩石内孔隙多少的指标Adxdhkqxdxdh（二）渗透性在一定的水压作用下，水穿透岩石的能力。反映了岩石中裂隙向相互连通的程度，大多渗透性可用达西（Darcy）定律描述：（m3/s）——水头变化率；qx——沿x方向水的流量；h——水头高度；A——垂直x方向的截面面积；k——渗透系数。•••••四、岩石的抗风化指标（3类）(1)软化系数（表示抗风化能力的指标）Rcc——干燥单轴抗压强度、Rcd——饱和单轴抗压强度；（）越小，表示岩石受水的影响越大。cdccRR/1耐崩解性指数是通过对岩石试件进行烘干，浸水循环试验所得的指标。试验时，将烘干的试块，约500g，分成10份，放入带有筛孔的圆筒内，使圆筒在水槽中以20r／s速度连续转10分钟，然后将留在圆筒内的石块取出烘干称重。如此反复进行两次，按下式计算耐崩解性指数：(2)岩石耐崩解性指数试验前的试件烘干质量；残留在筒内的试件烘干质量rmsm%/2srdmmI1、自由膨胀率：无约束条件下，浸水后胀变形与原尺寸之比轴向自由膨胀（%）H——试件高度径向自由膨胀（%）D——直径HHVH/DDVD/返回（三）岩石的膨胀性评价膨胀性岩体工程的稳定。第三章岩石动力学基础1.定义：所谓波，就是某种扰动或某种运动参数或状态参数（例如应力、变形、震动、温度、电磁场强度等）的变化在介质中的传播。应力波就是应力在固体介质中的传播。2.分类：(4类）•弹性波:在应力应变关系服从虎克定律的介质中传播的波。第一节岩石的波动特性一、固体中应力波的种类•粘弹性波在非线性弹性体中传播的波，这种波，除弹性变形产生的弹性应力外，还产生又摩擦应力或粘滞应力。•塑性波应力超过弹性极限的波。•冲击波如果固体介质的变形性质能使大扰动的传播速度远比小扰动的传播速度大，在介质中就会形成波头陡峭的、以超声波传播的冲击波。岩石在受到扰动时在岩体中主要传播的是弹性波，塑性波和冲击波只有在振源才可以看到。•3.在固体中可传播的弹性波可分为两类•（1）体波：由岩体内部传播的波(2类）•（a）纵波（又称：初至波、Primary波）•质点振动的方向和传播方向一致的波•它产生压缩或拉伸变形。•（b）横波（又称次到波、Second波)•质点振动方向和传播方向垂直的波•产生剪切变形。•（2）面波：仅在岩石表面传播。•质点运动的轨迹为一椭圆，其长轴垂直•于表面，这样的面波又称为瑞利波。•面波速度小于体波，但传播距离大。•按波面形状，应力波又区分为平面波、球面波和和柱面波。•波面上介质的质点具有相同的速度、加速度、位移、应力和变形。•最前方的波面称为波前、波头和波阵面。二、弹性波在固体中的传播拉梅运动方程(不计体力)222222222)()()(tuwGzGtuvGyGtuuGxGddd由上方程导出纵波在各向同性岩体中的传播速度：横波在各向同性岩体中的传播速度：将，代入上两式，得：21)(dsGV21)2(dpGVC)21)(1(ddddEddEG121])21)(1()1([ddddpEV21])1([ddsEV若已知，侧可根据上两式推出求动弹性模量和动泊松比，即：spVV,,dEd)/()2(21)/()43(222222222spspdspspsdVVVVVVVVVE注：若分辨不清，则可用（一般可用静泊松比代替）求，则•若＝0.25时，＝1.73•经过各方面试验验证，一般在1.6～1.7之间。sV,,pVdE21]21)1(2[/spVVspVV/spVV/三、岩体弹性波速得测定（一）岩块声波传播速度室内测定测定时，把声源和接收器放在岩块试件得两端，通常用超声波，其频率为1000Hz－2MHz。（示波见图3－1）声波仪岩石试件l发射传感器耦合济接收传感器SSPPtlVtlV//测出SPtt注：由于纵波比横波较后到达，因此横波易受干扰，难于分辨，所以准确得测出横波时很重要的。中国科学院岩土力学研究所建议用下述方法：（1）用激发横向振动的PZT型压电晶片作横波换能器（图3－2a）（2）利用固体与固体的自由边表面产生反射横波（图3－2b）（3）利用水浸法量测试件的横波（图3－2c）（二）岩体声波传播速度的现场测定岩体声波的传播速度可以在巷道帮面或平坦的岩面上测定。现场量测弹性波速度的方法如图（3-3）所示。•量出声源与接收器之间的距离如图3－3中的D1或D2•测出P波和S波传播的时间SPtt•计算弹性波速度Vp和Vs（三）岩体弹性波测定结果岩体中弹性波速经过室内外测定与归纳，得结果间表3－1。由表可见，岩体纵波波速变化范围较大，受各种因素影响。一般来说，•岩块波速要大于岩体波速；•新鲜完整得岩体波速大；•裂隙越发育和风化破碎岩体的波速越小。根据实验结果整理的岩体动弹性模量见表（3－2）动弹性模量与静弹性模量的比值•一般来说，岩体越坚硬越完整，则差值越小，否则，差值就越大。•根据对比资料的统计，动弹性模量比静弹性模量高百分之几至几十倍，如图3－4所示。•从动弹性模量的数字来看，多集中在之间。MPa3310501015图3-4返回第二节影响岩体波速的因素（5方面因素）一、岩体弹性波速与岩体种类、岩石密度和生成年代有关1.岩石的密度和完整性越高，波速越大2.岩石密度越大，弹性波的速度也相应增加表3－1表示了各类岩石的弹性波速与岩石种类之间的关系。图3－5从实例统计的角度，表示了各类岩石的弹性波速及密度之间的关系。88.135.0PV二、岩体波速与岩体中裂隙或夹层的关系弹性波在岩体中传播时，遇到裂隙，则视充填物而异。若裂隙中充填物为空气，则弹性波不能通过，而是绕过裂隙断点传播。在裂隙充水的情况下，声能有5％可以通过，若充填物为其他液体或固体物质，则弹性波可部分或完全通过。弹性波跨越裂隙宽度的能力与弹性波的频率和振幅有关.1.频率越低，跨越裂隙宽度俞大，反之俞小图3-72.裂隙数目越多，则纵波速度愈小3.岩体的风化程度愈高弹性波的速度亦小4.夹层厚度愈大弹性波纵波速度愈三、岩体波速与岩体的有效孔隙率n及吸水率有关一些岩浆岩，沉积岩和变质岩的纵波速度与有效孔隙率n之间的关系见图3－9所示。fW从图中可以看出：1.随着有效孔隙率的增加，纵波波速则急剧下降图3－10表示了纵波波速与吸水率之间的关系。从图中可以看出：2.随着吸水率的增加，纵波波速急剧的下降四、岩体波速与各向异性性质有关岩体因成岩条件、结构面和地应力等原因而具有各向异性，因而弹性波在岩体中的传播、岩体动弹性模量等也具有各向异性。表3－6看出：1.平行层面纵波波速大于垂直层面波速平行层面波速/垂直岩层波速＝各向异性系数CC=1.08-2.28；多数：C=1.67相当一部分：c=1.10表3－62.平行岩层面的动弹模大于垂直岩层的动弹模各向异性系数数值在1.01－2.72之间；绝大部分小于1.303.压力愈大，纵波波速各向异性系数愈小由表可见，所有系数均大于1；其最大系数在0.1MPa五、岩体受压应力对弹性波传播的影响（一）室内测试的结果岩石在压应力作用下，对弹性波的波速和动弹性模量有一定的影响，受力状态可分静水压缩、三向压缩和单向压缩，量测方式可分为平行或垂直于最大应力。1.加载方式对声波波速的影响在单向压缩且垂直应力方向测试岩石的波速时，所测波速有较明显的影响；其它加载方法对所测波速的影响比较小，见图3－11，12均匀压缩单向压缩环向压缩2.压应力愈大波速愈大从图中可以看出，随着压力的增大，纵波的波速亦随之增大。纵波增加的波速，在开始阶段较快，然后逐渐变小，最后可能不增加。3.对于层面发育的沉积岩石，当垂直于层面加载时，在低应力