岩体力学教案.doc

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1、 0 岩体力学讲义 张宝安 1 岩体力学 1. 课程性质 岩体力学是 专业基础课 ，是采矿专业、安全专业必修课程之一。 该课程是学习 井巷工程、矿山压力及其控制 、煤矿地下开采方法等 课 程先期必修课，是学习上述课程的基础。 2. 修课方式、考核方式 修课方式：必修课； 考核方式：考试 +平时成绩（考试占总成绩的 80%，平时成绩占20%）； 课程 学时 ：总学时： 50 学时，其中：授课 40 学时，实验课 10 学时； 教材：岩体力学，沈明荣、陈建峰编著，同济大学出版社。 3.课程内容及学时分配 本课程共十章，课程内容和学时分 配如下： 第一章： 绪论 第一节：概述 第二节：岩体力学的研究

2、任务与内容 第三节：岩体力学的研究方法 第四节：岩体力学在其它学科的地位 第五节：岩体力学的发展史 第二章：岩石的基本物理力学性质 2 第一节：概述 第二节：岩石的 基本物理性质 第三节：岩石的强度特性 第四节：岩石的变形特性 第五节：岩石的强度理论 第三章：岩石的动力学性质 第一节：概述 第二节：岩石中应力波类型及传播 第三节：影响岩体弹性波速度的因素 第四章：岩体的基本力学性质 第一节：概述 第二节：岩体结构面分析 第三节：结构面的变形特性 第四节 ：结构面的剪切强度特性 第五节：结构面的力学效应 第六节：碎块岩体的破坏 第七节：岩体的应力 -应变分析 第八节：岩体力学性质的现场测试 第五

3、章：工程岩体分类 第一节：概述 第二节：岩体分类的目的和原则 第三节：工程岩体代表性分类简介 3 第四节：我国岩体工程分类标准 第六章：岩体的初始应力状态 第一节：概述 第二节：岩体初始应力场及其影响因素 第三节：岩体初始应力场的分布规律 第四节：岩体初始应力场的量测方法 第五节： 高应力地区主要岩体力学问题 第七章：岩体力学在硐室工程中的应用 第一节：概述 第二节：深埋圆形 硐室弹性分布的二次应力状态 第三节：深埋圆形硐室弹塑性分布的二次应力状态 第四节：节理岩体中深埋圆形硐室的剪裂区及应力计算 第五节：围岩压力 第六节：围岩松动压力的计算 第七节：围岩塑性形变压力的计算 第八节：新奥法简介

4、 第八章：岩体力学在边坡工程中的应用 第一节：概述 第二节：边坡岩体中应力分布特征 第三节：边坡岩体的变形与破坏 第四节：边坡稳定性分析 第五节：岩质边坡的加固措施 4 第九章：岩体力学在岩基工程中的应用 第一节：概述 第二节：岩基上的基础形式 第三节：岩基上基础的沉降 第四节：岩基的承载力 第 五节：岩基的抗滑稳定性 第六节：岩基的加固措施 第十章：岩体力学的研究方法 第一节： 第二节 5 第一章：绪 论 1. 岩体力学定义： 岩石力学 （ Rock Mechanics）：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。 2. 岩体力学研究的 本构关系 ：应力 -应变的关系 （ -）；

5、 3. 岩体力学名字的演变：由岩石力学岩体力学岩石力学或岩体力学；现在所说的岩石力学是广义意义层面上的。 4. 岩体力学研究对象：岩石和岩体介质； 岩石或岩体是复杂介质 弹塑性介质 研究的局限性和复杂性。 5. 研究学习 过程：由岩石岩体岩体工程的稳定性控制； 第一节 岩石与岩体 地球表面为地壳，其基本构成物质是岩石。 1.岩石 定义 ：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 。 1）、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。 2）、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。 3）、构造 : 组成成分的空间分布及其相互间排列关系 这是

6、影响岩石力学性质和物理性质的三个重要因素。 6 3. 岩石按成因分类： 地球成岩之初是均质的，由于漫长的地质构造运动，岩石产生各种类别，按照 岩石的成因将岩石分三类 ： 1）、岩浆岩：强度高，均质性好； 2）、沉积岩：强度不稳定，各项异性； 3）、变质岩：不稳定与变质程度和原岩性质有关； 4.岩体 =岩块 （结构体） +结构面，岩石 =岩块 由此可见，岩石与岩体既有区别又有联系。 岩体定义 ：在岩体力学中，通常将在 一定工程范围内的自然地质体成为岩体。 结构体和结构面是构成岩体的基本结构单元。岩体的强度由结构体和结构面得综合强度而定， 往往受结构面强度的制约。 结构面越发育，岩体强度越低； 岩

7、 体 结构面 岩块 不连续面：包括节理、裂隙、孔隙、断面、孔洞、层面 7 结构面 定义 ： 是指具有极低或没有抗拉强度的不连续面，包括物质的不连续面和物质的分异面； 结构体 定义：被结构面切割成的岩块称为结构体。 结构面的存在使岩体具有不连续性，也使岩体往往呈现出明显的各项异性。 岩体结构： 是指结构面的发育程度及其组合关系，或者是指机构提的规模、形态及其排列形式所表现的空间形态。 岩体结构分类：六大类 1）、块状结构（节理少、曾厚）； 2）、镶嵌结构（架构面较多，有斜交结构面）； 3）、碎裂结构（碎块状）； 4）、层状结构（板状）； 5）、层状碎裂结构（小碎块体）； 6）、散体结构（颗粒状，

8、碎屑状） ； 第二节 岩体力学的研究任务 （ 1）岩体的力学特征 ： 不连续；各向异性；不均匀性； 赋存 地质因子特性（水、气、热、初应力）。 （ 2）研究任务： 包括 4 个方面 基本原理方面（地质力学本构模型和本构规律、不连续8 和连续介质力学原理、 岩石及岩体的破坏、断裂、蠕变、损伤机理 等 ）； 试验方面 ； （试验方法）仪器、信息处理、室内、外、动、静； 现场测试 ； 实际应用 ； （ 3）岩体力学的研究内容 岩体的地质力学模型及其特征； 岩石与岩体的物理力学性质；其是评价工程稳定性最重要的依据； 岩体力学在各类工程中的应用：如：水库坝基、地铁、边坡等； 岩体力学在岩体工程中的应用方

9、面： 1）、地下硐室围岩稳定性研究； 2）、岩基的稳定性研究； 3）、岩坡的稳定性研究； 4）、岩体力学的新理论新方法研究； 第三节 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 。 1）、实验：室内室外； 9 室内：岩块的强度测定等； 野外：位移、应力压力测定等； 2）、理论：连续介质理论，非连续介质理论，数值方法（有限元、离散元等）。 研究步骤： 地质调查 工程地质分区 岩体结构划分 岩石、岩体 岩体赋存条件分析 介质的模型化 力学性质试验 计算：经典解析法、数值解析法 分类、确定岩体的质量、等级 模拟试验：物理模拟、相似模拟 经验判据 岩体工程设计 加固措施 施工 长期监

10、测 第四节 岩体力学在其它学科中的地位 岩体力学是一门边缘学科，涉及到地质学科、力学（固体力学）和土力学。 第五节 岩石力学的发展简史 （ 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10 ）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：

11、材料力学、连介力学、构造力学。 第一章习题 一、选择题 1、岩石与岩体的关系是（ ）。 （ A）岩石就是岩体 （ B）岩体是由岩石和结构面组成的 （ C）岩体代表的范围大于岩石 （ D）岩石是岩体的主要组成部分 2、大部分岩体属于（ ）。 （ A）均质连续材料 （ B）非均质材料 （ C）非连续材料 （ D）非均质、非连接、各 向异性材料 二、 答案 1、 B 2、 D 11 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。 描述岩石物理力学性质的参数有： 质量指标、水理性质指标、抗风化能力 指标、单轴抗压强度

12、抗拉强度 、剪切强度、三轴压缩强度及其变形参数（弹性模量、泊松比等）。 研究岩石的力学特性，主要是研究岩石的本构关系，即应力 -应变的关系。 岩石介质的复杂性和特殊性，只能采用简单的方法描述其本构关系。 第一节 岩石的基本物理性质 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。 岩石含三相：固相、液相、气相。 三相比例不同而密度不同。 有以下几种密度。 1） 天然密度：自然状态下，单位体积质量。 Vm(g/cm3) 式中： m 岩石试件的总质量； V 岩石试件的总体积； 12 2）、饱和密度：岩石试件中的孔隙都被水充填时单位体积的质量。 V WvssaVm (g/

13、cm3) 式中： ms 岩石中固体的质量； VV 孔隙的体积； w 水的密度； 3）、干密度：岩石孔隙中的液体全部被蒸发，试件中仅有固体及气体的状态下，其单位体积的质量。 Vmsd (g/cm3) 式中： ms 岩石中固体的质量； V 岩石试件的总体积； 4）、重力密度 ：单位体积中岩石的重量，简称为重度。单位： KN/m3。 5）、岩石的颗粒密度：岩石固体物质的质量与固体的体积之比值。 Vmsss （ g/cm3） 式中： ms 岩石中固体的质量； Vs 岩石固体体积； 岩石的颗粒密度测定方法：比重瓶法。 二、岩石的孔隙性 岩石的孔隙性反映岩石孔隙裂隙发育程度的指标。可用13 孔隙比和孔隙率

14、来描述。 1）、孔隙比（ e）：岩石孔隙体积与岩石固体体积之比。 e=VVsV2）、 孔隙率 (n):岩石孔隙体积与试件总体积的比值。 n= 100VVV(%) 孔隙率、孔隙比存在如下的关系： e=nn1n=1-sd 三、岩石的水理性质 1、岩石的含水性质 1）、岩石的含水率：岩石空隙中含水的质量与固体质量之比。 100mm sW（ %） 根据含水状态不同，岩石的含水率分为 ： 天然含水率和饱和含水率 ； 粘土类矿物与水 软化膨胀 ，故含水率对软岩来说是个重要的参数。 2）、岩石的吸水率：岩石吸入水的质量与试件固体的质量之比。 根据实验方法岩石的吸水率分为 ： 自 然 吸水率和饱和吸水率。 1

15、4 自然吸水率实验方法是浸水法，饱和吸水率采用抽真空法或煮沸法求得。 吸水率亦反映岩石孔隙的发育情况，也是软岩一个重要的指标。 2、岩石的渗透性 定义：岩石的渗透性是指岩石在一定的水力梯度作用下，水穿透岩石的能力。其间接的反映岩石中孔隙间的贯通程度。 渗透性用达西定律来描述： qx=AKdxdh（ m3/s） 式中： qx 方向水的流量； h 水头的高度； A 垂直于 X 方向的截面面积； K 岩石沿 X 方向的渗透系数； 四、岩石的抗风化指标 岩石片状剥落、水化、崩解、溶解、氯化、磨蚀对岩石性质有影响。抗风化特性有三个指标： 1）、软化系数：是指岩石饱和单轴抗压强度与干燥状态下的单轴抗压强度

16、的比值。 RRcdcc软化系数是一个小于等于 1 的系数，系数越小，岩石受水的影响越大。 2）、岩石的耐崩解指数：其反映岩石在浸水和温度变化的环15 境下抵抗风化作用的能力。 3）、岩石的膨胀性： 粘土类矿物与水后体积增大，膨胀现象。 a）、自由膨胀率：岩石试件在无任何约束条 件下浸水后所产生膨胀变形与原试件尺寸的比值。分为径向自由膨胀率和轴向自由膨胀率。 b）、侧向约束膨胀率：将具有侧向约束的试件浸水后，使岩石试件仅产生轴向膨胀而求得的膨胀率。 c)、膨胀压力：岩石试件浸水后，使试件保持原有体积所施加的最大压力。 五、岩石的其他特性 抗冻性、可钻性、热传导性等； 第二节 岩石的强度特性 强度

17、 定义：是指材料在载荷的作用下，所能承受最大的单位面积上的力。 载荷作用形式不同，岩石的强度有： 单轴 抗压强度、 单向 抗拉强度、剪切强度 、 三轴压缩 （ 真三轴、假三轴 ） ； 一、 岩石的单轴抗压强度 1、 定义： 是指岩石试件在无侧限条件下，受轴向 压 力作用破坏时单位面积上所承受的载荷。 16 Rc=AP式中： Rc 单轴抗压强度； P 在无侧限的条件下，轴向的破坏荷载； A 试件与轴向载荷垂直的截面面积； 2、实验方法： 按照工程岩体试验方法标准（ GB/T50266-99）要求。 圆柱形试件： 4.8 5.2cm ，高 H=（ 2 2.5) 长方体试件：边长 L= 4.8 5.

18、2cm , 高 H=（ 2 2.5)L 试件两端不平度 0.5mm；尺寸误差 0.3mm; 两端面垂直于轴线 0.25o 3、单轴压缩条件下试件破坏形态 破坏形态 是 表现岩石的破坏机理 的重要特征 。 主要影响因素： 应力状态 试验条件 破坏形态有两类： （ 1）圆锥形破坏 原因：压板两端存在摩擦力，箍作用（又称 端部效应 ），在工程中也会出现。 （ 2）柱状劈裂破坏 张拉破坏（ 岩石的抗拉强度远小于抗压强度 ） ， 是岩石单向压缩破坏的真实反映（消除了端部效应） 。 消除试件端部约束的方法 ： 润滑试件端部（如垫云母片；涂黄油在端部） ， 加长试件 ； 17 4.影响单轴抗压强度的主要因素

19、 （ 1）承压板端部的摩擦力及其刚度（加垫块的依据） （ 2）试件的形状和尺寸 18 形状：圆形试件不易产生应力集中，好加工； 尺寸：大于矿物颗粒的 10倍； 50的依据； 高径比：研究表明； h/d (2 3)较合理； （ 3）加载速度 加载速度越大，表现强度越高 ； 我国规定加载速度为 0.5 1.0MPa/s （ 4） 环境 含水量：含水量越大强度越低；岩石越软越明显，对泥岩、粘土等软弱岩体，干燥强度是饱和强度的 2 3 倍。 温度： 180以下不明显：大于 180，温度越高强度越小。 二、岩石的抗拉强度 1. 定义 ：岩石试件在受到轴向拉应力后其试件发生破坏时19 的单位面积上所受的拉

20、力。 由于试件不易加工，除研究直接的拉伸的夹具外，研究了大量的间接试验方法。 2. 直接拉伸法 抗拉强度： 关键技术： 试件和夹具之间的连接； 加力 P与试件同轴心； 3. 间接方 法 （ 1） 抗弯法 （梁的三点弯曲试验） 抗拉强度： 三点弯曲梁内的最大拉应力；梁发生破坏时 的 就是 ； M 作用在试件上的最大弯矩 C 梁边缘到中性轴的距离 I 梁截面绕中性轴的惯性矩 适用条件： 岩石是各向同性的线弹性材料 满足平面假设的对称面内弯曲 （ 2）劈裂法（巴西法），对称径向压裂法，由巴西人 Hondros提出 试件：实心圆柱 50mm； 25mm 试验：径向压缩破坏（张开） 计算公式：由弹性 力

21、学 Boursinesq 公式 APRt /IMCt /tt tR20 t 试验中心的最大拉应力，即 Rt ; p 试验中破坏时的压力 ; D 试件的直径 ; t 试件的厚度 ; 要求：荷载沿轴向均匀分布 破坏面必须通过试件的直径 （ 3）点荷载试验法 是上世纪发展起来的一种简便的现场试验方法。 试件： 任何形状，尺寸大致 5cm，不做任何加工。 试验： 在直接带到现场的点荷载仪上，加载 劈裂破坏。 Dtpt /221 点载荷强度指数： 式中： P 试件破坏时的极限 荷载； D 加载点试件的厚度 ； 点载荷指数与抗拉强度关系： 统计公式： 建议： 用 5cm的钻孔岩芯为试件。 三 岩石的抗剪强

22、度 1. 定义： 指一定的应力条件下（主要指压应力），所能抵抗的最大剪应力常用 表示。 2. 类型 ： a.抗剪断试验； b.抗切断试验 c.弱面抗剪试验 2/ DPI IRt 96.022 3. 室内试验（抗切断试验） 试验 楔形剪切仪，加载装置 计算公式： 式中： p 压力机的总压力 试件倾角 f 圆柱形滚子与上下压板的摩擦系数 剪切破坏面上的正应力和剪应力为： 岩石的抗剪断曲线（强度曲线） 改变夹具倾角；在 30 度到 70 度之间 ， 做一组（大于 5 次）不同的试验，记录所得的 ，值；由该组值作曲线近似直线得方程 co ss ins inco sfPQfPN co ss ins in

23、co sfPQfPN c o ss ins inc o sfFPFQfFPFN23 式中： tan岩石抗 剪切内摩擦系数 c 岩石的粘结力（内聚力） 四、岩石在三向压缩应力作用下的强度 1. 定义 指在不同三向压缩应力作用下岩石抵抗外荷载的最大应力。 其中： 1 最大主应力； 2 中间主应力； 3 最小主应力； 2. 三向压缩试验简介 （ 1）真三轴 ； （ 2）假三轴 ； c tan ff 321 ,321 321 24 3.三轴压缩试验的破坏类型 4.岩石三向压缩强度的影响因素 （ 1）侧压力的影响 围压越大，轴向压力越大； 低围压条件下，试件破坏主要形式是劈裂破坏，与单轴相似； 中等围压

24、时，斜面剪切破坏，剪切面与最大主应力作用面夹角为： 45。 +2（ 为岩石的内摩擦角）； 高围压时，试件出现塑性流动破坏； 25 （ 2）试件尺寸与加载速度的影响 低围压时，试件尺寸与单轴压缩试验基本一致；高围压时，加载速度增加，强度有所增高。 （ 3）加载途径对岩石三向压缩强度影响 A、 B、 C三条虚线是三个不同的加载途径，加载途径对岩石的最终三向压缩强度影响不大。 （ 4）孔隙水压力对岩石三向压缩强度的影响 孔隙水压力使有效应力（围压）减小，强度降低。 第三节 岩石的变形特性 岩石的变形特性是岩石的重要力学特性。掌握岩石的变形特性对于评价岩石 的稳定具有重要意义。 一、岩石在单轴压缩应力

25、作用下的变形特性 26 （一）普通试验机下的变形特性 应力、应变曲线形状与岩性有关 1、典型的岩石应力、应变曲线 （ -） a.分三个阶段 （ 1）原生微裂隙压密阶段（ OA级） 特点： -曲线上凹 ，应变率随应力增加而减小； 塑性变形（变形不可恢复） 原因：微裂隙闭合（压密） （ 2）弹性变形阶段（ AB段） 特点： - 曲线是直线； 弹性模量， E为常数（变形可恢复） 原因 ：岩石固体部分变形， B点开始屈服， B点对应的应力 B为屈服极限。 （ 3）塑性变形阶段（ BC） 特点 ： -曲线下凹，软化现象； 塑性变形，变形不可恢复； 应变速率不断增大。 27 原因：新裂纹产生，原生裂隙扩展

26、。 岩石越硬， BC段越短，脆性性质越显著。 脆性 ：应力超出屈服应力后，并不表现出明显的塑性变形的特性，而破坏，即为脆性破坏。 b.弹性常数与强度的确定 弹性模量国际岩石力学学会（ ISRH）建议三种方法 初始模量： 割线模量： 切线模量： 极限强度： 2、反复循环加载曲线 特点： 卸载应力越大，塑性滞 后 越大（原因：由裂隙的扩大，能量的消耗）； 卸载线，相互平行； 反复加、卸载 ， 曲线总趋势保持不变（有 “ 记忆功 能 ” ）。 00 ddE 5050 / E 50/ ddE t c28 3、岩石应力 -应变曲线形态的类型 （ 1）直线型：弹性、脆性 石英英、玄武岩、坚硬砂岩。 （ 2

27、）下凹型：弹 塑性 石灰岩、粉砂岩；软化效应。 （ 3）上凹型：塑 弹性 硬化效应，原生裂隙压密，实体部分坚硬的岩石。例如：片麻岩。 （ 4） S 型：塑 弹 塑型 多孔隙，实体部分较软的岩石：沉积岩（页岩） 29 （二）刚性试验机下的单向压缩的变形特性 普通试验机得到峰值应力前的变形特性，多数岩石在峰值后工作。 注： C点不是破坏的开始（开始点 B），也不是破坏的终。 说明：崩溃原因：（加压柄积聚谈性能等） Salamon1970 年提出了刚性试验机下的曲线 -全应力应变曲线。 1）刚性 伺服 试验机工作简介 压力机加压（贮存弹性应能）岩石试件达峰点强度（释放应变能）导致试件崩溃。 普通机释放的能（ 贮存的能） 导致峰值点后曲线无法得到。 刚性伺服试验机，由于加压柄刚度大，积存能量少，加之电脑控制加载，最终获得全应力 -应变曲线。 （ 2）应力、应变全过程曲线形态 在刚性机下，峰值前后的全部应力、应变曲线分四个阶段： 1-3阶段同普通试验机得到的曲线同， 4阶段应变软化阶段。 OA段 压密阶段； AB 弹性阶段； BC 塑性阶段； CD 应变软化阶段；