岩石力学教案

岩石力学(rockmechenics)备课讲稿绪论一岩石力学的研究对象:岩体中由于地质构造，重力地热等作用而形成的内应力（地应力）由于岩石工程的开挖而以变形位移等方式重新分布，从而引起岩石工程发生变形，失稳及破坏，对这一过程进行研究，构成岩石力学的研究对象。二岩石力学的发展状况:（1）初始阶段（19世纪末-----20世纪初）三向应力相等，皆为γH。（2）经验理论阶段（20世纪初----20世纪30年代）自然平衡理论，并开始利用材料力学和结构力学方法分析支护结构。（3）经典理论阶段（20世纪30年代——20世纪60年代）弹力和塑性力学初步引入岩石力学，认为围岩和支护共同形成稳定机制，并开始考虑机构面对岩体力学稳定的影响，形成两大学派：连续介质理论和地质力学理论。（4）现代发展阶段（20世纪60年代——现在）流变力学，断裂力学，模糊数学，计算机技术，人工智能等现代数学力学理论引入岩石力学。三岩石力学的基本研究内容和研究方法1研究内容：岩石和岩体；岩石物质组成和结构特征，岩石的物理、水理、热力学性质，岩石的基本力学性质；岩体的力学性质及现场测试技术；原岩应力的分布规律及测量技术；岩体机构面的力学性质；岩体的工程分类；岩体的稳定性的研究。2理论，实验及工程经验总结相结合的方法①工程地质研究方法②室内实验和现场实验的方法③数学力学分析方法④综合系统分析方法四岩石力学研究的主要问题按工程分类①水利水电工程②采矿工程③交通工程（公路和铁路）④土木建筑工程⑤石油，海洋勘探，地震预报第一章岩石物理力学性质1.1岩石的主要物质成分及对岩石抗风化性能的影响（见P13表）1.2岩石的主要结构类型。结晶结构：主要发生在火成岩，变质岩及部分沉积岩中，强度较大，一般晶粒愈细，愈均匀，则强度愈高。胶结结构：主要发生于部分沉积岩中，像灰岩，粘土岩等。1.3岩石的容重（γ）一般而言，容重愈大，强度愈高，质量愈好。1.4岩石的孔隙率（n）vvnp1.5岩石的含水率(w)w=烘干后的质量水的质量1.6岩石的吸水率（aW）aW=烘干后的质量吸入水的质量1.7岩石的透水性：用透水系数定量衡量，见P29表。1.8岩石的强度（1）岩石单轴抗压强度，岩石单轴抗拉强度，岩石抗剪强度，岩石三轴抗压强度，点载荷强度指标。（2）影响岩石强度的因素：试件尺寸，形状，加载速度，湿度，宽高比；试件形状一般为圆形，D50mmL:D2.5~3,取样试件要完整，不含节理和裂隙。（3）单轴抗压强度及破坏形式P33c=AP破坏形式:、拉伸破坏、单斜面剪切破坏、共扼斜面剪切破坏321（4）单轴抗压强度试验装置（P34,图1-5）及试验注意事项：试件与加压板之间应保持润滑油以减少端面磨擦力（5）三轴抗压强度：1.真三轴抗压强度：对实验设备要求高，且6个面均有摩擦力，很少做。2.伪三轴抗压强度：圆形，D25~150mmL:D=2~3,施压方式见P35~36莫尔强度曲线：内聚力c和内摩擦角Φ（将莫尔曲线近似看直线）（6）点载荷强度指标（Is）：用简单便携的设备施压试件破坏后，Is=p/y2y的含义见P39图（为施压压力头之间的距离）Is与c的关系：c=24Is(50)50为50mm的圆柱体径向点荷载试验。（7）单轴抗拉强度t=Pt/A由于抗拉试验难度较大，常通过间接的劈裂试验（P42）获得：t=2P/dt（8）抗剪强度(So)：常通过P44的4种非限制剪切强度和4种限制性剪切试验之一获得。单面剪切试验：So=cF/A双面剪切试验：So=cF/2A冲击剪切试验：So=cF/2ra扭转剪切试验：So=16Mc/3D(9)残余强度：1.9岩石的变形性质①岩石变形的种类:弹性变形(包括线弹性和非线弹性),塑性变形,粘性变形②单轴压缩条件下岩石变形特征:O—A空隙压密阶段，A--B弹性变形阶段，B--C微破裂稳定发展阶段，C--D非稳定，D--破裂后阶段上述应力应变曲线只是一般性概括,随着岩石种类的不同,其应力应变曲线有明显特点,大体可有6种类型,见P54图③循环荷载作用下的岩石变形特征:疲劳强度④三轴压缩条件下的岩石变形特征:见P58图a.随着б2=б3(围压)的增加,岩石抗压强度显箸增加b.随着б2=б3(围压)的增加,岩石的变形显箸增加c.随着б2=б3(围压)的增加,岩石的弹性极限显箸增加d.随着б2=б3(围压)的增加,岩石的性质由弹脆性向弹塑性转变⑤岩石的变形指标:定量描叙变形特征的参数.弹性摸量（Et）,变形摸量（Es）泊松比(γ)γ=yx纵向横向在弹性变形范围内，γ通常是一常数屈服点１.１０岩石的扩容：指岩石在荷载作用下体积出现增大的性质．１.１１岩石的各向异性：指岩石的力学性质随方向的不同而不同的性质．产生的原因有两点：非均质，不连续．１.１２影响岩石力学性质的主要因素：水，围压，风化．a.水对岩石力学性质的影响：使岩石的强度降低，见Ｐ69表．b.围压对岩石力学性质的影响：使岩石的强度提高．c.风化对岩石力学性质的影响：降低岩石的强度．d.加载速度对岩石力学性质的影响：速度大，测得的强度大．第二章岩体力学性质２.１概述：岩体的概念：由岩石组成的含有结构面的大三维尺寸地质体．结构面（弱面）：由于物质成分不同或不连续面的存在而产生的地质界面，有一定方向和延展性，厚度较小，如层理，节理，片理，褶皱，断层．裂隙等．岩体力学性质：指抗外力作用的能力，包括强度特征与变形特征．影响岩体力学性质的主要因素：岩石的力学性质，结构面的力学性质，地下水的作用，地应力的作用，岩体结构力学效应．２.２岩体结构的基本类型（６大类）Ｐ78表，按结构体的形状特点与结构面的特点进行分类．２.３结构面的分类及其充填特征．分类：按成因分：Ｐ84－85原生构造结构面，次生构造结构面（由于风化，爆破，地下水作用）；按延展规模分：Ｐ87充填特征：Ｐ84－85表．２.４结构面的力学性质：包括法向变形，剪切变形，抗剪强度．（１）法向变形：结构面受法向载荷(Бn)作用而产生的法向闭合量(Ｓn)．Бn--Ｓn的关系见Ｐ90２－６式（２）剪切变形：在一定法向应力作用下，结构面受剪切应力()而产生的切向变形(t)。—t之间的关系见P92图。（３）抗剪强度：=C+ntg(c,Φ分别为结构面粘结力与摩擦角，tg为结构面之间的摩擦系数)2.5岩体的变形特征：a．变形具有方向性。b．围压增加，变形模量增加，变形减小。c．破坏机制随岩体内结构面的方向不同而不同。2.6岩体的强度特征：岩体抵抗外力而不破坏的能力，有抗压强度，抗拉强度，抗剪强度三种。（1）岩体单轴抗压强度的测定：见P10211311131111（2）岩体抗剪强度的测定：P103（3）岩体三轴抗压强度的测定；P1042.7结构面的强度；见P105图及式2sincos1)(2331tgtgcc,,分别为结构面的粘结力，内摩擦角，与1方向的夹角。结构面的强度理论多采用库仑准则=c+tg2.8岩体强度的估算；K=211)(cmVV定量（1）准岩体强度：用龟裂系数（岩体完整系数）描述岩体的完整性。1mV,1cV分别为声波纵波在岩体与岩石中的传播速度。K为龟裂系数，mc=kcmt=kt(2)(floak—brown)经验方程三轴抗压2331ccsm单轴抗压cmcs单轴抗拉)4(212smmcmt抗剪强度BcmtcTA)(其中m,s,A，B,t为常数，可以从P111表2—6中查得。2.9岩体质量评价及其分类：由于岩体组成成分的多样及结构面的发育性质十分复杂，因此岩体的力学性质也十分复杂，为了从工程设计与施工的角度评价岩石稳定性的好坏，人们进行了大量研究，总结出数十种岩体分类的方法，其中使用较广，影响范围大的几种如下：（1）按岩石质量指标（RQD）分类：据粘贴时岩芯的好坏程度分类：RQD=钻孔总长以上岩芯总长cm10100%按RQD的大小，将岩体分为5类，见P119表。（2）按岩体结构类型分类：可分为4类，见P120（由中国推出）（3）按岩体基本质量指标分类：可分为5类，见P122（由国际岩石力学学会推出）BQ=90+3cw+250k（BQ）=BQ-100（K1+K2+K3）K-岩体完整系数（龟裂系数）小于Q1，（岩体声波速/岩石声波速）2cw--岩石饱和单轴抗压强度（4）按岩体地质情况和力学性质分类（CSIR分类）：可分为5类，见P124-125（由南非推出）（5）巴顿岩体质量（Q）分类（由挪威提出）：按Q值可分为9类，见P126Q=SRFJJJJEQDwarnnJ---单位长度上节理数rJ---节理粗糙系数aJ---节理蚀变系数wJ---节理水折减系数SRF---应力折减系数第三章地应力及测量3．1概述3.1.1地应力测量的必要性①地应力是引起各类岩石工程发生变形和破坏的主要因数②是对岩石工程进行稳定性分析，进行设计和施工必须了解的基本情况之一。③由于地应力分布的复杂性，成因的复杂性，使对其理论推导计算变的十分困难，因此需要实测地应力。3.1.2地应力的成因力场、地幔热对流引起的引、重力引起的引力场场、构造运动引起的引力cba主要因素d、地温梯度引起的应力场；=3。c/100me、岩浆侵入，地表剥蚀引起的应力场；3.1.3地应力分布的基本规律a．地应力是时间和空间的函数b．实测垂直应力基本等于上覆岩层重量；c．水平应力普遍大于垂直应力，maxh：v=0.5--5.5hav：v=0.5--5d．vhav随深度增加而减少，逐渐趋向1。e．maxh和minh随深度增加而线形增加；maxh=6.7+0.0444H（mpa）H单位：米minh=0.8+0.0329Hf．minh/maxh=0.2--0.8g．地应力分布受地形和断层的影响较大；３.1.4地应力测量的特点（基本原理）和方法：原理：a．欲测的某一地区的地应力，先要测的该地区若干点的地应力，当测点的数量足够多时，借助各种数学分析方法推测出该地区的应力场。b．各测点涉及的岩石尺度从几cm³至数千m³，取决于测量方法的不同，不管岩石的尺度多大，仍被视为一点的应力状态。c．一点的应力状态由一定坐标系的6个应力分量的大小和方向唯一确定。d．为便于人和设备进入测点，常需开挖山洞和巷道，因此原始的应力状态受到扰动，因此测得应力状态与原始应力状态有误差，这种误差随测量方法的不同而明显不同。方法：直接测量法（直接测量地应力）：水压致裂法，声发射法，扁千斤顶法，应力计法。间接测量法（测量与应力有关的物理量：变形，应变，密度，电阻，电容，波速，再根据此推算应力量）：套几应力解除法，局部应力解除法，松弛应变测量法，地球物理摆测法。各种方法的应用程度依序。3.2直接测量法3.2.1扁千斤顶法P1391测量步骤2特点a：简单易行，成本低b：只能测出垂直压力枕枕面方向一个应力分量c：因为只能在巷道或洞室爆露面上的岩体中进行测量所以测出的应力不是原始应力，而是次生应力，与原始应力有误差d：认为岩体是线弹性的，即不同的加载卸载的情况下的应力应变关系是相同的3.2.2刚性岩体计法1.测量步骤：P1402.测量原理：无限体中的刚性体周围的应力变化与刚性体周围的岩体中的应力变化有P140式3—1关系（可从弹力推出）：)43)(1()1(2)21)(1(11)1(2EEEEE/E大于5E,,,E分别为岩体弹性模量，刚体弹模，岩体泊松比，刚体泊松比。3.特点：a灵敏度低b适用于应力的长期监测c只能则出应力变化不能测出原岩应力3.2.3水压致裂法1.测量系统示意图P143：2.测量原理：据弹性力学可知，当一个位于无限体中的孔受到无穷远处的二维应力场作用时（是上图），离开钻孔端一定距离的部位处于平面应变的状态，该部位钻孔周边的应力：2)(22121COS0r