《岩石力学》课件

岩石力学目录第一章岩石基本物理力学性质试验与分析第二章岩层的力学性状第三章原岩应力第四章岩层巷道稳定性分析B.H.G.BradyandE.T.Brown(2006)相关资料岩石力学：岩石材料力学+岩石工程结构力学的统称。岩石力学属固体力学范畴。研究内容：岩石材料及岩石工程结构的物性、结构、载荷、可靠度。研究固体力学的方法适用于岩石力学研究。在某种意义上，岩石力学是一门试验力学。岩石物理性质、力学性质、工程性质，都要通过相应的试验来确定。如：密度、视密度；变形模量、抗压强度、抗拉强度、强度准则等。引言岩石试样制备及试验标准岩石试样尺寸：抗压强度：φ50×100圆柱体；50×50×50立方体；抗拉强度：φ50×25圆柱体加工精度：GB/T23561.13—2010《煤岩物理力学性质测定方法》岩石的基本物理性质指标岩石视密度：沉积岩ρ视=2500~2700(kg/m3)，通常为2600(kg/m3)；煤层ρ视=1200~1400(kg/m3)，通常为1300(kg/m3)。单轴压缩下岩石的变形性质岩石的模量eEεreEεε式中：E—岩石的弹性模量，GPa；Eε—岩石的变形模量，GPa；εe—瞬时弹性应变；εr—后效弹性应变；εp—塑性应变。preEεεεεPP岩石的载荷—位移全程曲线PPTennessee大理石峰后卸载、加载时，载荷—位移关系曲线(岩石全程曲线)（据Wawersik和Fairhurst，1970）PPσ—ε1：岩石轴向应力—轴向应变曲线；σ—ε3：岩石轴向应力—侧向应变曲线；σ—ΔV/V0：岩石轴向应力—体积应变曲线。岩石的变形特征0.4岩石单轴抗压强度式中：σc——岩石单轴抗压强度，MPa；P——试件压缩破坏载荷，kN；A——试件横截面积，cm2。试件尺寸：φ50×100圆柱体10APc岩石坚固性系数(普氏系数)f：10cfPP裂纹扩展示意图1—端面有摩擦；2—端面有插入物；3—端面有润滑。PP大理石粗砂岩试件尺寸对完整岩石强度的影响PP试件相对含水率对岩石抗压强度的影响石英质页岩石英质砂岩PP直接拉伸法岩石抗拉强度式中：σt——岩石抗拉强度，MPa；P——试件拉伸破坏载荷，kN；A——试件横截面积，cm2。10APtPP1—半球座；2—上压模；3—下压模；4—导杆；5—导杆孔。间接拉伸法（Brazil法）102DtPt式中：σt——岩石抗拉强度，MPa；P——试件破坏载荷，kN；D——试件直径，；t——试件厚度，cm。试件尺寸：φ50×25圆柱体1—半球座；2—上压模；3—下压模；4—导杆；5—导杆孔。P对心加压圆盘应力分布情况岩石抗弯强度试验装置223bhPlmσm—岩石抗弯强度（抗拉强度）。岩石的点载荷试验测定岩石强度的捣碎仪和体积仪试样直径—20~40mm；试件数量：5个；测定组数：3~5组；重锤质量：2.4kg。lnf20f—岩石强度指数；n—锤击次数；l—岩粉高度，mm。岩石变角剪试验10cosAPAN10sinAPAT式中：σ——剪切面上的正应力，MPa；τ——剪切面上的剪应力，MPa；N——剪切面上的正压力，kN；T——剪切面上的剪切力，kN；A——试件剪切面面积，cm2；P——试件破坏时的最大载荷，kN；α——剪切面与水平面间夹角，(°)。tanC式中：σ——剪切面上的正应力，MPa；τ——剪切面上的剪应力，MPa；C——岩石内聚力（应力单位），MPa；——岩石内摩擦角，(°)。岩石抗剪强度试验1——正压力；2——测力计；3——粘接剂；4——球形接头；5——剪力岩石试件三轴压力室结构图vonKarman曲线，1911Tennessee大理石三轴试验的应力应变曲线1:σ3=34.5MPa;2:σ3=34.5MPa；3:σ3=34.5MPa;μ=6.9MPa。μ=20.7MPa。μ=34.5MPa。砂岩孔隙压力试验花岗岩孔隙压力试验1:σ3=34.5MPa;2:σ3=34.5MPa；3:σ3=34.5MPa;μ=6.9MPa。μ=20.7MPa。μ=34.5MPa。332211μ—孔隙压力有效应力定律：PP岩石力学性质的各向异性特征斜截面上的应力单元体的应力状态和Mohr应力圆2sin212cos2121yxyxyx2sin212sin2cos21212cosyxyxyxCDCDOC平面应力及其Mohr应力圆点面对应，先找基准；转向相同，夹角两倍。三轴应力Mohr圆CharlesAugustindeCoulomb(1736-1806)1774年当选为法国科学院院士tanCsin1cos2sin1si131CnCoulomb强度准则tCtttt－321232121211c211c211tantCoulomb强度准则（线性方程）（线性方程）WilliamJohnMaquornRankine(1820-1872)英国科学家，在热力学、流体力学及土力学等领域均有杰出的贡献Rankine强度准则（1857）式中：——被动土压力（竖向应力）；——主动土压力（水平应力）；C——土体内聚力；——土体内摩擦角；——被动土压力系数；——主动土压力系数。)24tan(2)24(tan231C)24tan(2)24(tan213C13)24tan()24tan(锚索+土钉墙深基坑锚固Mohr强度准则——试验准则；Mohr包络线——Mohr强度曲线。Mohr强度准则ttf－331231318,tt42128t：：：：Cc03310331Griffith强度理论（抛物线方程）（线性方程）（抛物线方程）N.Barton准则（峰值抗剪强度准则）（1973）式中：τ—最大剪应力；σ—正应力；JRC—岩层结构面粗糙度系数；JCS—岩层结构面表面抗压强度；Φb—基础摩擦角。注：当JRC=0时，转化为平滑节理的Coulomb准则。στbJCSJRClgtan小结强度准则：有关材料破坏机理的某种假说或理论，是材料或工程结构可靠度的判据。如：最大正应力强度理论；最大剪应力强度理论；莫尔(Mohr)强度理论；库仑强度准则；郎肯强度准则；巴顿强度准则。岩石的5个强度指标：单轴抗压强度：σc；岩石坚固性系数：f；抗拉强度：σt；内聚力（抗剪强度）C；内摩擦角：φ。σc：C：σt=8：2：1层理、节理对岩体力学性质的影响围压对岩体力学性质的影响层理产状对岩体力学性质的影响煤柱原位试验煤的试样尺寸对强度的影响（据Z.T.Bieniawski，1982）褶皱岩层中的节理岩层产状岩层粗糙度测定岩层结构面张开度标准粗糙度断面图岩体结构的描述（a）块状；（b）不规则状；（c）板状；（d）柱状岩石结构面抗剪切试验岩层结构面抗剪切试验石英岩光滑结构面抗剪切试验σn=0.1MPaφw=35°石墨表面节理直剪试验结果1—剪胀曲线；2—剪力曲线峰值、残余抗剪强度包络线N=28.9kN表面粗糙度模型i—粗糙度角板岩抗剪强度试验结果直剪试验的两种约束模式（a）、（c）自由剪胀模式；（b）、（d）抑制剪胀模式uvτσ剪胀锚固理论的动态平衡力学机制——R.E.Goodman曲线【咀嚼原理】结构面厚度与初始应力结构面的σ—υ双曲线模型σ—法向压应力；υ—结构面闭合量；Vmc—最大闭合量。三轴压缩下单结构面岩石的强度特征（σ2=σ3）理论解单结构面板岩试验结果（σc=224.94MPa）三轴压缩下双结构面岩石的强度特征（σ2=σ3）N.Barton准则（峰值抗剪强度准则）（1973）式中：τ—最大剪应力；σ—正应力；JRC—岩层结构面粗糙度系数；JCS—岩层结构面表面抗压强度；Φb—基础摩擦角。注：当JRC=0时，转化为平滑节理的Coulomb准则。στbJCSJRClgtan节理岩层（岩体）的工程分类1号箱：RQD=80.06%闪长岩（9#煤顶板，—2.0m水平）岩芯照片（０～7.17ｍ）原岩应力原岩应力=自重应力+构造应力地应力及地质构造巷道围岩应力场分布)1(22rapr)1(22rap双向等压圆形巷道的弹性应力分析①σr、σθ皆为主应力，径向、切向均为主平面，σr与σθ之和为常量2p。②应力值的大小与物性常数E、μ无关。③周边r=a上，σr=0，σθ=2p(最大值)，且与巷道半径无关。④应力集中系数——次生应力与原岩应力的比值。⑤当取σr=1.04p，σθ=0.96p和σr=1.10p，σθ=0.90p时，影响半径r=5a和r≈3a。工程应用中，r=5a与r=∞等价。通常巷道影响圈的厚度为2a~4a。巷道顶板岩层层面应力分布规律式中：τ—顶板岩层剪应力；r—距离；σ—顶板岩层法向应力；a—巷道半径。α—转角；2cos12cos212122raprr2sin2sin2122rapr顶板各岩层层面上τ/σ分布状况012345678910ABCEDa=2.502.53.54.55.56.57.5h/md/m近似直线双曲线双向不等压圆形巷道的弹性应力分析双向等压圆形巷道的弹塑性应力分析2sinsin1')(]cot)sin1)(cot()[sincos(raCpCppCprcot)(cotsin1sin2'CarCprpcot)(sin1sin1cotsin1sin2'CarCppsin2sin1']cot)sin1)(cot([CpCpaRpcot)(sin1cotsin1sin2'CRaCppppRrpsin2sin1']cot)sin1)(cot([CpCpaRpa2sinsin1')(]cot)sin1)(cot()[sincos(raCpCppCprcot)(sin1sin1cotsin1sin2'CarCppcot)(cotsin1sin2'CarCprpcot)(sin1cotsin1sin2'CRaCppp'p24tan0aerpRra巷道破裂带内破裂面（滑移线）巷道围岩的支护与加固巷道锚固锚固巷道失稳煤层巷道锚固岩层巷道锚固托板玻璃钢锚杆锚索及锚（锁）具7股高强度钢绞线技术参数公称直径（mm）强度等级（MPa）抗拉力（kN）公称截面积（mm）15.242000280.0140.0017.802000382.0190.0021.6017701860504.0530.0285.00综采液压支架综采支架失稳地下工程支护设计物性结构载荷围岩的物理力学性质围岩的工程结构围岩作用于支护系统上的载荷岩石力学研究的三大主题地下工程支护设计问题西医中医西医中医土木工程地下工程若把土木工程结构可靠度设计问题在理论意义上比做西医的话，那么地下工程问题更类似于中医。若把工程结构设计的关键归结于可靠度的确定，那么地下工程支护设计中的核心问题是支护系统须承担的载荷量值的确定。支架载荷=？