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1、 安徽理工大学 矿山岩石力学矿山岩石力学 教教 案案 编编 写写: 杨科杨科 能源与安全学院采矿工程系能源与安全学院采矿工程系 二二 O O 七七 年年 十一十一 月月 1 安 徽 理 工 大 学 学学 期期 授授 课课 计计 划划 教师姓名 高明中、杨科、赵光明 2007/2008 学年第 二 学期 课程名称 矿山岩石力学 系别 能源与安全学院 专业及班级 采矿 05-1/2/3/4 周 数 8 讲 课 32 学时 习题课 学时 实 验 6 学时 总 计 38 学时 月 份 周 次 章 节 和 内 容 摘 要 讲课 时数 习题 时数 实验 时数 课外作业及 测 验 题 目 备 注 11 10
2、 11 一、岩石的物理力学性质 岩石的物理性质;岩石的力学性质;岩石的扩容;岩石 的流变性质;岩石的各向异性;岩石的强度理论。 6 6 11 11 12 二、结构面的力学性质 结构面的类型及特征;结构面的变形特征;结构面的抗 剪强度;结构面的力学效应。 3 11 12 13 三、岩体的力学性质及分类 岩体的强度;岩体的变形;岩体的分类。 4 11 12 13 14 四、原岩应力及测量 自重应力;构造应力;原岩应力变化规律;影响原岩应 力分布的因素;原岩应力的测量。 5 12 14 16 五、巷道围岩应力分布及稳定性分析 巷道围岩弹性区的次生应力;巷道围岩塑性区次生应力; 巷道围岩位移。 8 1
3、2 16 17 六、井巷地压 地压的概念;变形地压计算;水平巷道松动地压计算。 4 12 17 七、井巷维护原则与锚喷支护 井巷维护原则;锚喷支护原理。 2 P60 3、4、5、9 P83 1、2、5、8 P104105 3、5、9、13 P130 3、5、10、 14、18 P152 1、 4、 8、 11、 12 P183 2、3、6、7、 8 P206 2、3、4、5、 6 教学参考 书籍 1. 矿山岩体力学(主要教材) 高延法,张庆松主编.徐州:中国矿业大学出版社,2000 2. 矿山岩石力学(主要教材、作业) 李通林等编著 重庆大学出版社 1991 年 1 月第 1 版 3. 岩石力
4、学基础 耶格、库克 高教出版社 4. 矿山岩体力学 郑永学编著 冶金工业出版社 1988 年 10 月第 1 版 5. 岩体力学,王文星编著 中南大学出版社 2004 年 10 月第 1 版 6. 岩石力学与工程 蔡美峰主编 科学出版社 2004 年 8 月第 1 版 7. 岩体力学 沈明荣主编 同济大学出版社 1999 年 3 月第 1 版 8. 矿山岩体力学 高磊等编著 冶金工业出版社 1979 年 7 月第 1 版 9. 矿山岩石力学 华安增编著 煤炭工业出版社 1980 年 5 月第 1 版 2 一、一、 课程的性质和目的课程的性质和目的 矿山岩石力学是高等学校采矿工程专业本科学生的一
5、门必修的专业技术基础课程,它是应用必要 的力学知识研究岩体的力学特性以及工程岩体的变形和稳定性问题,其基本知识、基本理论和基本技术是 从事岩石工程施工、设计和研究的工程技术人员所必修掌握的。 通过本课程的学习,应使学生熟练掌握岩石的基本物理力学性质、岩石的强度理论;掌握结构面的力 学特性、岩体的力学性质、地下工程围岩应力分布规律、矿井、隧道地压和位移的计算以及稳定性分析、 岩体力学试验方法等基本知识;了解冲击地压、岩体的各向异性等概念、了解原岩应力测定方法和设备; 具有解决岩体工程(包括地下工程、岩质边坡工程、地基工程)实践问题的基本技能,并了解岩石力学学 科发展的当前动态。 二、本课程的教学
6、重点二、本课程的教学重点 1、理解岩石和岩体是不可分割的,又是有区别的,岩体是岩石和结构面的地质统一体,处于不同 岩石类型和不同地质结构的工程岩体的力学特性也是不相同的。 2、 掌握岩石的基本物理力学性质及其测试方法,岩体力学特性及其测定方法。 3、 掌握岩石的强度理论,正确分析岩石的变形和破坏机理,正确运用强度理论进行工程岩体稳 定性分析。 4、 地下岩体与其它固体介质的重要区别之一就是在岩体中存在初始应力(原岩应力) ,岩体工程 是在初始应力场中开挖和建造,要进行可靠的设计和稳定性分析,必须首先测定原岩应力。因此,应 掌握原岩应力分布状态及测试手段。 5、 岩体结构构造特征对岩体力学效应和
7、岩体工程稳定性的影响是非常重要的影响因素。在不同 的岩体结构和构造条件下,其力学分析方法有所不同。因此,应掌握结构面的力学效应、正确进行岩 体结构分类和岩体工程分类。 6、 掌握地下工程围岩应力分布规律,矿井、采场地压和位移的计算以及稳定性分析方法。 三、本课程教学中应注意的问题三、本课程教学中应注意的问题 岩石力学是一门理论性和应用性较强的专业技术基础课程,为帮助学生掌握好课堂教学内容、训 练他们对岩石力学问题的思维方式、计算分析和解决岩石力学中的一些实际问题的能力,在教学活动过程 中,应重视让学生课后完成一定的作业量,并阅读一定量的文献 ,培养学生自主学习的能力。 四、本课程的教学目的四、
8、本课程的教学目的 通过本课程的所有教学环节,应使学生: 1、掌握获取岩石的基本物理性质和力学性质以及工程岩体的力学性质的知识和能力,具有正确分析 岩石的变形和破坏机理的能力。 2、具有利用岩石力学知识建立岩体工程问题的力学模型,分析和解决岩体工程实际问题的能力。 五、教学方法五、教学方法 主要是课堂讲授与实验室试验相结合的方法。 六、成绩评定六、成绩评定 平时作业和课堂表现(迟到、早退、缺课、上课状态)占总成绩的 20,实验占 20,期末考试占 60,考试方式为闭卷考试。 七、先修课程七、先修课程 工程力学 、 弹性力学 。 八、课程的内容、要求和课时安排八、课程的内容、要求和课时安排 3 第
9、一章 绪论 1 学时 本章的重点: 1、岩石与岩体的界定; 2、岩体力学的研究任务与内容,岩体力学的研究方法。 关键术语:岩石;结构体;岩体;力学特性;岩体工程;稳定性。 要求: 1、必须掌握本课程重点难点内容; 2、了解岩体力学的发展简史以及岩体力学在其他学科中的地位。 课程内容: 1-1 岩石和岩体 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。 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 。 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。 构造: 组成成分的空间分布及其相互间排列关系。 结构:组成岩石
10、的物质成分、颗粒大小和形状以及其相互结合的情况。 这是影响岩石力学性质和物理性质的三个重要因素。 岩石分类: 岩浆岩:强度高、均质性好:花岗岩、玄武岩等。 沉积岩:强度不稳定,各向异性:灰岩、砂岩、页岩等。 变质岩:不稳定与变质程度和原岩性质有关:大理岩、片麻岩、板岩等。 1-节理;2-层理;3-断层;4-断层破碎带 (a)整体结构;(b)块状结构;(c)层状结构;(d)薄层状结构;(e)镶嵌结构;(f)层状破坏结构; (g)破裂结构;(h)散粒结构 1-2 岩体力学的研究对象 岩体力学研究的主要对象是岩体,研究岩体在力场作用下,所发生的运动、变形、破坏规律的理论 及其实际应用的科学,是一门应
11、用型基础学科。 矿山岩石力学:在自然和采动影响造成的矿山应力场中,有关矿山岩体、矿山工程对象和结构物强 度、稳定性和变形的科学。 岩石、岩体、岩体工程(岩基、边坡、地下坑硐) 岩体的地质特征 岩块、结构面的力学性质 岩体的力学性质 岩体中天然应力 岩体中重分布应力 4 地下硐室围岩稳定性计算与评价 工程处理与加固 1-3 岩体的特征 岩体=岩块+结构面 岩体是非均质各向异性的材料。 岩体内存在着原始应力场:主要包括重力和地质构造力,重力场是以铅垂应力为主,构造应力场 通常是以水平应力为主。 岩体内存在着一个裂隙系统。 岩体既是断裂的又是连续的,岩体是断裂与连续的统一体,可称之为裂隙介质或准连续
12、介质。岩体 既不是理想的弹性体,也不是典型的塑性体,既不是连续介质,又不是松散介质,而是一种特殊的复杂的 地质体,这就造成了研究它的困难性和复杂性。因此,只用一般的固体力学理论尚不能完善解决岩体工程 中的所有问题。 1-4 岩体力学的产生及其发展 四阶段:初始、经验理论、经典理论、近代发展 发展史: 1951 年,在奥地利创建了地质力学研究组,并形成了独具一格的奥地利学派。同年,国际 大坝会议设立了岩石力学分会。 1956 年,美国召开了第一次岩石力学讨论会。 1957 年,第一本岩石力学专著出版。 1959 年,法国马尔帕塞坝溃决,引起岩体力学工作者的关注和研究。 1962 年,成立国际岩石
13、力学学会(ISRM)。 1966 年,第一届国际岩石力学大会在葡萄牙的里斯本召开。 1-5 岩体力学需要解决以下基础理论问题 岩体力学发展动态: 岩体结构与结构面的仿真模拟、力学表述及其力学 机理问题 裂隙化岩体的强度、破坏机理及破坏判据问题 岩体与工程结构的相互作用与稳定性评价问题 软岩的力学特性及其岩体力学问题 水-岩-应力耦合作用及岩体工程稳定性问题 高地应力岩体力学问题 岩体结构整体综合仿真反馈系统与优化技术 岩体动力学、水力学与热力学问题 岩体流变与长期强度问题 岩体工程计算机辅助设计与图像自动生成处理。 1-6 岩体力学的研究方法 工程地质研究法 研究岩块和岩体的地质与结构特征,为
14、岩体力学的进一步研究提供地质模型和地 质资料。 试验法 为岩体变形和稳定性分析计算提供必要的物理力学参数。 数学力学分析法 通过建立岩体力学模型和利用适当的分析方法,预测岩体在各种力场作用下的变 形与稳定性,为设计和施工提供定量依据。 综合分析法 采用多种方法考虑各种因素(包括工程的、地质的及施工的等)进行综合分析和综合评 价,得出符合实际情况的正确结论。 5 1-7 岩体力学与其他学科的关系 采矿特点: 1、采矿工程结构多处于地下较深处,而其它地下工程多在距地表较近(几十米)的范围内; 2、对矿山构筑物,只要求在开采期间不破坏,在采后能维持平衡状态不影响地表安全即可。因此, 其计算精度、安全
15、系数及加固等方面均低于国防、水利工程的标准; 3、矿山地质条件复杂,又受矿床赋存条件的限制,因此,采矿工程结构物的位置选择性不大,同时, 采掘工作面不断变化,因而,采矿工程岩石力学具有复杂性的特点。 关系: 1、岩体力学与材料力学、弹塑性力学和流变力学等有着纵向联系。人们运用这些理论使岩体力学得 到发展。 2、岩体工程的围岩赋存在一定的地质环境之中。因此,岩体力学与工程地质学、构造地质学和地质 力学有着十分密切的联系。 3、 岩体力学是为解决岩体工程中的力学问题服务的, 这些工程学科包括: 采矿和其它地下空间工程、 交通工程、水电工程和基础工程等。因此,岩体力学是各种岩体工程学科的专业理论基础
16、。 分类: 工程岩体力学为各类建筑工程及采矿工程等服务的岩体力学,重点是研究工程活动引起的岩体 重分布应力以及在这种应力场作用下工程岩体(如边坡岩体、 地基岩体和地下洞室围岩等)的变形和稳定性。 构造岩体力学为构造地质学、找矿及地震预报等服务的岩体力学,重点是探索地壳深部岩体的 变形与断裂机理,为此需研究高温高压下岩石的变形与破坏规律以及与时间效应有关的流变特征。 破碎岩石力学为掘进、钻井及爆破工程服务的岩体力学,主要是研究岩石的切割和破碎理论以 及岩体动力学特性。 需求: 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
17、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 3.9 人/ m2,上海 0.9 人/ m2(国家要求 2 人/ m2) 。联合国建议: 40 人/ m2(莫斯科 44 人/ m2;伦敦 22.8 人/ m2;巴黎 25 人/ m2) 。 交通方面 :北京道路面积 4.4 人/ m2;东京 11.3 人/ m2;伦敦 21.3 人/ m2。 6 第二章 岩石的物理力学性质5 学时 本章的重点: 1、岩石的基本物理性质; 2、岩石的单轴压缩变形特性,应力应变全过程曲线的工程意义;
18、 3、岩石的抗压强度、抗拉强度、抗剪强度及其实验室测定方法; 4、岩石在三轴压缩条件下的力学特性; 5、莫尔强度理论、格里菲斯断裂强度理论及判据; 6、岩体强度的各向异性; 7、岩石的流变性。 难点: 1、岩石的流变性。 关键术语:密度;重度;岩石的孔隙性;孔隙率;孔隙比;岩石的水理性;吸水率;饱水率;饱水 系数;岩石的透水性;渗透系数;岩石的碎胀性;碎胀系数;岩石的软化性;软化系数;岩石的流变性; 蠕变;松弛;弹性后效;扩容;岩石的强度;抗压强度;抗拉强度;抗剪强度;峰值强度;长期强度;残 余强度;岩石的变形;全应力应变曲线;刚性压力机;强度理论。 要求: 1、须掌握本课程重点难点内容; 2
19、、了解岩石的扩容; 3、了解影响岩石力学性质的因素; 4、理解岩石流变本构模型。 课程内容: 21 岩石的基本物理性质 22 岩石的力学性质 23 岩石的扩容 24 岩石的流变性(时效性、粘性) 25 岩石的各向异性 26 影响岩石力学性质的因素 27 岩石的强度理论 作业: P60:3、4、5、6、9、10、13、14、19、20、21、22 7 2-1 岩石的基本物理性质 重力特性(天然密度、饱和密度、干密度、视密度、比重) 、空隙性(空隙率、空隙比) 、水理性(含 水量、含水率、渗透性、渗透率) 、抗风化指标(软化系数、耐崩解性指数、碎胀系数) 。 2-2 岩石的力学性质(强度、变形特性
20、) 2.2.1 强度特性 (1)屈服:岩石受荷载作用后,随着荷载的增大,由弹性状态过渡到塑性状态,这种过渡称为屈服。 (2)破坏:把材料进入无限塑性增大时称为破坏。 (3)岩石的强度:是指岩石抵抗破坏的能力。岩石在外力作用下,当应力达到某一极限值时便发生 破坏,这个极限值就是岩石的强度。 抗压强度、抗拉强度、抗剪强度(;= c+tg) 、三轴抗压强度 围压效应 confining pressure effect 假三轴12=3真三轴123 随着围压提高: (1)弹性阶段斜率变化不大,即 E,与单轴压缩时近似相等; (2)脆性与塑性的 相应变化; (3)强度极限提高,随之变形增大(如大围压作用下
21、岩石发生大变形后才破坏) (4)残余强度 提高,随之增大(如锚喷支护,控制煤柱稳定性) 破坏机理:拉破坏、剪切破坏、塑性流动破坏 破坏形式:脆性破坏、塑性破坏 破坏形态: 岩石的强度性质: 1、内在因素:如岩石矿物成分,结构与构造,水与温度 T,T 增加 R 下降 2、外在条件 (1)受力状态 三向等压三向不等压双向受压单向受压剪切抗弯抗拉( 一般认为 1/10) 8 (2)比尺效应 H/D=2(标准)R(H/D=2) (3)加载速度 一般 0.490.98Mpa/秒,加载时间 510 分钟,特快,R 增加,瞬时强度,特慢,R接近于长时强 度 3、外在因素:加载速度、受力条件、风化 2.2.2
22、 岩石的变形特性 弹性:指物体在外力作用下发生变形,当外力撤出后变形能够恢复的性质。 塑性:指物体在外力作用下发生变形,当外力撤出后变形不能恢复的性质。 脆性:物体在外力作用下变形很小时就发生破坏的性质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。 延性:物体能够承受较大的塑性变形而不丧失其承载能力的性质。 粘性(流变性) :物体受力后变形不能在瞬间完成,且应变速度(d/dt)随应力大小而变化的性质。 1 岩石应力应变曲线() (1)五阶段特征 OA压密阶段 AB弹性变形阶段 e弹性极限 elastic limit BC弹塑性过渡(屈服)阶段 c-屈服极限 yiel
23、d limit CD塑性变形阶段裂隙发展阶段(破坏阶段) Rc强度极限 ultimate strength DE破环后阶段 d残余强度 residual strength (由碎块之间摩擦力而产生) 分四阶段 1)原生微裂隙压密阶段(OA 段) 特点:曲线,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) 9 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 点对应的应力为屈服极限 。 3)塑性变形阶段(BC) 特点:曲线,软化现象;塑性变形,变形不可恢复;应变速率不断增大。 原因:新裂纹产
24、生,原生裂隙扩展。 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。 4)应变软化阶段(CD) 特点: 岩石的原生和新生裂隙贯穿,到达 E 点,靠碎块间的摩擦力承载,故d 称为残余应力。 承载力随着应变增加而减少,有明显的软化现象。 近似对称性 B 点后卸载有残余应变, 重复加载沿另一曲线上升形成滞环(hysteresis) , 加载曲线不过原卸载点, 但邻近和原曲线光滑衔接。 C 点后有残余应变,重复加载滞环变大,反复加卸载随着变形的增加,塑性滞环的斜率降低,总 的趋势不变。 C 点后,可能会出现压应力下的体积增大现象,
25、称此为扩容(dilatancy)现象。一般岩的 =0.15-0.35, 当 0.5 时,就是扩容. 工程意义 岩石具有残余强度特性,对于合理利用围岩自承能力具有重要意义;能量 (2)刚性压力机与全应力应变曲线及破坏后的性态 (3)真三轴试验条件下的变形特性 (a)3常数,极限应力1 随2 增大而增大,但破坏前的塑性变形量却减小;破坏形式从延性 向脆性变化; (b)2常数,极限应力1 随3 增大而增大,破坏前的塑性变形量增大,但屈服极限未变。破 坏形式从脆性向延性变化。 2、岩石变形指标 弹性模量 elastic modulus (线弹性类、非线弹性类初始模量、割线模量、切线模量、工程模量) :
26、 初始模量反映了岩石中微裂隙的多少;切线模量反映了岩石的弹性变形特征;割线模量反映了岩石的总体 10 变形特征。 具有粘性的弹性岩石:加载弹模、卸载弹模 弹塑性类:E=/e 或是E=/(e+r) 变形模量 deformation modulus E=/(p+e+r)弹性模量和塑性模量 泊松比 Poissons ratio:岩石在单轴压缩条件下横向应变与纵向应变之比。 = -x/y 一般 0.1-0.4 通常 0.25-0.3 岩石的横向变形 lateral strain = -3/1 严格地,仅在弹性范围适用,而对于塑性部分是不适用的。越大,各向异性 Anisotropy 越明显 2-3 岩石
27、的扩容 一、岩石的扩容现象 岩石的扩容现象是岩石具有的一种普遍性质,是岩石在荷载作用下,其破坏之前产生的一种明显的 非弹性体积变形。 扩容-所谓扩容,是指岩石受外力作用后,发生非弹性的体积膨胀。 多数岩石在破坏前都要产生扩容,扩容的快慢和大小与岩石本身的性质、种类及其它因素有关。 二、岩石的体积应变 体积应变单位体积的改变,称为体积应变,简称体应变。 取一微小矩形岩石试件,边长为 dx,dy,dz, 变形前的体积为: v=dxdydz; 变形后的体积为:v=(dx +xdx)(dy +ydy)(dz +zdz) 胡克定律: 体积应力 为体积模量 三、岩石的体积应变曲线 在 E、为常数的情况下,
28、岩石的体积应变曲线可分为三个阶段: 1、体积变形阶段(OE) : 弹性变形阶段,曲线呈线性变化。 在 E 点后,曲线向左弯曲,开始偏离直线段,开始出现扩容,表示岩体内部开始产生微裂隙。E 点 应力称为初始扩容应力。 2、体积不变阶段(EF) 随应力增加,岩石体积虽有变形,但体积应变增量近于 0,体积大小几乎无变化,且有 11 321 +=+= F 点为突变点。 3、扩容阶段(FG) : 随应力增加,岩石体积不是减小而是增大,最终导致试件破坏。此时,已不是常数。 321 +0(体积扩容或增胀); (3)转折点在 1/2RC 处 注:特别地,理想塑性条件下=0.25, ev=0,即体积不变化;=0
29、.5,扩容 2-4 岩石的流变性(时效性、粘性) 一、流变的概念 岩石的流变性是指岩石应力应变关系随时间而变化的性质。 蠕变现象当应力保持恒定时,应变随时间增长而增大。 松弛现象当应变保持恒定时,应力随时间增长而逐渐减小的现象。 弹性后效加载或卸载时,弹性应变滞后于应力的现象。 岩石的流变性质分为: (1)蠕变 creep :应力不变条件下,应变随时间延长而增加的现象。它与塑性变形不同,塑性变形 通常任应力超过弹性极限之后才出现,而蠕变只要应力的作用时间相当长,它在应力小于弹性极限时也能 出现。 (2)松弛 Relaxation :应变一定时,应力随时间延长而减小的现象。 (3) 弹性后效 e
30、lastic aftereffect : 加载(或卸载)后经过一段时间应变才增加(或减小)到定数值的现象。 (4)粘性流动 viscous flow :岩石在蠕变发生一段时间以后卸载,部分变形永久不能恢复的现象。 二、岩石的蠕变性能 蠕变类型: 类型 1: 稳定蠕变 。 曲线包含瞬时弹性变形、 瞬态蠕变和稳定蠕变 3 个阶段 (压应力 10MPa, 12.5MPa) 类型 2:典型蠕变 。曲线包含 4 个阶段(压应力 15MPa,18.1MPa) 类型 3:加速蠕变 。曲线几乎无稳定蠕变阶段,应变率很高(压应力 20.5MPa,25MPa) 12 (1)稳定蠕变:岩石在较小的恒定力作用下,变形
31、随时间增加到一定程度后就趋于稳定,不再随时 间增加而变化,应变保持为一个常数。稳定蠕变一般不会导致岩体整体失稳。 (2)非稳定蠕变:岩石承受的恒定荷载较大,当岩石应力超过某一临界值时,变形随时间增加而增 大,其变形速率逐渐增大,最终导致岩体整体失稳破坏。 (3)岩石的长期强度:岩石的蠕变形式取决于岩石应力大小,当应力小于某一临界值时,岩石产生 稳定蠕变;当应力大于该值时,岩石产生非稳定蠕变。则将该临界应力称为岩石的长期强度。 蠕变稳定与否关键取决于临界荷载值;长期强度的概念 三、岩石蠕变理论 岩石的流变本构模型 :用于描述岩石应力应变关系随时间变化的规律。它是通过试验理论应 用证实而得到的。
32、本构模型分类: 1、经验公式模型:根据不同试验条件及不同岩石种类求得的数学表达式,这种表达式通常采用幂函 数、指数函数、对数函数的形式表达。 2、积分模型:是在考虑施加的应力不是一个常数时的更一般的情况下,采用积分的形式表示应力 应变时间关系的本构方程。 3、组合模型:将岩石抽象成一系列简单元件(弹簧、阻尼器、摩擦块) ,将其组合来模拟岩石的流 13 变特性而建立的本构方程。 (一)经验公式模型 1、幂函数型 : )10()(0),可求得粘性系数 : 0 0 = = t 瞬变 蠕变 松弛 弹性后效 粘性流动 Maxwell H-N + + + - + Kelvin HN - + - + - B
33、ingham NSat - + - - + 2-5 岩石的各向异性(略) 2-6 影响岩石力学性质的因素(略讲) 一、矿物成分对岩石力学性质的影响 1、矿物硬度的影响 矿物硬度大,岩石的弹性越明显,强度越高。 如岩浆岩,橄榄石等矿物含量的增多,弹性越明显,强度越高; 沉积岩中,砂岩的弹性及强度随石英含量的增加而增高;石灰岩的弹性和强度随硅质物含量的增加而 增高。 变质岩中,含硬度低的矿物(如云母、滑石、蒙脱石、伊利石、高岭石等)越多,强度越低。 2、不稳定矿物的影响 化学性质不稳定的矿物,如黄铁矿、霞石以及易溶于水的盐类,如石膏、滑石、钾盐等,具有易变性 和溶解性。含有这些矿物的岩石其力学性质
34、随时间而变化。 3、粘土矿物的影响 含有粘土矿物(蒙脱石、伊利石、高岭石等)的岩石,遇水时发生膨胀和软化,强度降低很大。 二、岩石的结构构造对岩石力学性质的影响 1、岩石结构的影响 岩石的结构指岩石中晶粒或岩石颗粒的大小、形状以及结合方式。 岩浆岩:粒状结构、斑状结构、玻璃质结构; 沉积岩:粒状结构、片架结构、斑基结构; 变质岩:板理结构、片理结构、片麻理结构。 岩石的结构对岩石力学性质的影响主要表现在结构的差异上。例如:粒状结构中,等粒结构比非等粒 18 结构强度高;在等粒结构中,细粒结构比粗粒结构强度高。 2、岩石构造的影响 岩石的构造指岩石中不同矿物集合体之间或矿物集合体与其他组成部分之
35、间的排列方式及充 填方式。 岩浆岩:颗粒排列无一定的方向,形成块状构造; 沉积岩:层理构造、页片状构造; 变质岩:板状构造、片理构造、片麻理构造。 层理、片理、板理和流面构造等统称为层状构造。 宏观上,块状构造的岩石多具有各向同性特征,而层状构造岩石具有各向异性特征。 三、水对岩石力学性能的影响 岩石中的水:结合水(连结、润滑、水楔作用) ;重力水(自由水) (孔隙压力、溶蚀及潜蚀作用) 。 水对岩石力学性质的影响与岩石的孔隙性和水理性(吸水性、软化性、崩解性、膨胀性、抗冻性)有 关。 水对岩石力学性质的影响主要体现在 5 个方面:连结作用、润滑作用、水楔作用、孔隙压力作用、溶 蚀及潜蚀作用。
36、 1、连结作用:束缚在矿物表面的水分子通过其吸引力将矿物颗粒拉近,起连结作用。这种作用相对 于矿物颗粒间的连结强度非常微弱,故对岩石力学性质影响很小,但对于被土充填的结构面的力学性质影 响很明显。 2、润滑作用:由可溶盐、胶体矿物连结的岩石,当水浸入时,可溶盐溶解,胶体水解,导致矿物颗 粒间的连结力减弱,摩擦力降低,水起到润滑作用。 3、水楔作用:当两个矿物颗粒靠得很近,有水分子补充到矿物表面时,矿物颗粒利用其表面吸引力 将水分子拉到自己周围,在颗粒接触处由于吸引力作用使水分子向两个矿物颗粒之间的缝隙内挤入,这种 现象称为水楔作用。 水楔作用的两种结果:一是岩石体积膨胀,产生膨胀压力;二是水胶
37、连结代替胶体及可溶盐连结,产 生润滑作用,岩石强度降低。 4、孔隙水压力作用:对于孔隙或裂隙中含有自由水的岩石,当其突然受荷载作用水来不及排出时, 会产生很高的孔隙水压力,减小了颗粒之间的压应力,从而降低了岩石的抗剪强度。 5、溶蚀潜蚀作用:水在岩石中渗透的过程中,可将可溶物质溶解带走(溶蚀) ,有时将岩石中的小 颗粒冲走(潜蚀) ,从而使岩石强度大为降低,变形增大。 水对岩石强度的影响通常用软化系数表示。 四、 温度对岩石力学性能的影响 1、不同温度下岩石的变形特征和强度 一般而言,随着温度的增高,岩石的延性加大,屈服点降低,强度也降低。 2、高温高压下岩石的破坏机理 岩石在高温高压下产生微
38、裂隙。 例如花岗岩: (1)微破碎带; (2)粒间微透镜带; (3)短程破裂; (4)扭折带边界破裂; (5) 晶内破裂; (6)颗粒边界破裂。 五、 加载速度对岩石力学性能的影响 加载速度对岩石的变形性质和强度指标有明显的影响:加载 速度越快,测得的弹性模量越大,强度指标越高。 国际岩石力学学会(ISRM)建议加载速度为 0.51MPa/s,一般从开始试验直至岩石试件破坏的时间 为 510 分钟。 六、 受力状态对岩石力学性能的影响 岩石的脆性和塑性并非岩石固有的性质,而与岩石的受力状态有关,随着受力状态的变化,其脆性和 塑性时可以相互转化的。 例如坚硬的花岗岩在很高的地应力条件下,表现出明
39、显的塑性变形。这与试验结果吻合。 七、 风化对岩石力学性能的影响 19 风化程度不同,对岩石力学性质的影响程度也不同: 1、降低岩体结构面的粗糙程度并产生新的裂隙,使岩体分裂成更小的碎块,进一步破坏岩体的完整 性。 2、岩石在化学风化过程中,矿物成分发生变化,原生矿物受水解、水化、氧化等作用,逐渐为次生 矿物所代替,特别是产生粘土矿物,并随着风化程度的加深,这类矿物逐渐增多。 3、由于岩石和岩体的成分结构和构造的变化,岩体的物理力学性质也随之变化。一般:抗水性降低, 亲水性增高(如膨胀性、崩解性、软化性增强) ,强度降低,压缩性加大,孔隙性增加,透水性增强(但 当风化剧烈,粘土矿物较多时,透水
40、性又趋于降) 。 总之,岩体在风化营力作用下,岩体的力学性质大大恶化。 2-7 岩石的强度理论 强度理论研究岩体破坏原因和破坏条件的理论。 强度准则在外荷载作用下岩石发生破坏时,其应力(应变)所必须满足的条件。强度准则也称破 坏准则或破坏判据。 一、一点的应力状态 1、应力符号规定 (1)正应力以压应力为正,拉应力为负; (2)剪应力以使物体产生逆时针转为正,反之为负; (3)角度以 x 轴正向沿逆时针方向转动所形成的夹角为正,反之为负。 2、一点应力状态 6 个应力分量: x,y,z, xy,yz,zx 3、平面问题的简化 在实际工程中,可根据不同的受力状态,将三维问题简化为平面问题。 (1
41、)平面应力问题; (2)平面应变问题。 4、基本应力公式 以平面应力问题为例,如图,任意角度截面的应力计算 公式如下: 2sin2cos 22 xy yxyx n + + = + + = 20 2cos2sin 2 xy yx n + =+ = 最大最小主应力: 22 3 1 ) 2 ( 2 xy yxyx + + =+ + = 最大主应力与 x作用面的夹角 可按下式求得: yx xy tg = = 2 2 用主应力表示为 2cos 22 3131 + + =+ + = n 2sin 2 31 = = n 莫尔应力圆的方程: 2312231 ) 2 () 2 ( =+ + =+ + nn 二、
42、最大拉应变理论 该理论认为, 当岩石的最大拉伸应变 达到一定的极限应变 t 时, 岩石发生拉伸断裂, 其强度条件为: E t t = 式中:t 单轴拉伸破坏时的极限应变; E岩石的弹性模量; t单轴抗拉强度。 讨论: 1、在单轴拉伸条件下:岩石发生拉伸断裂破坏,其强度条件为: E t t = 2、在单轴压缩条件下:岩石发生纵向拉伸断裂破坏,其强度条件为: 21 EE tc t = 即: tc = 3、在三轴压缩条件下:3方向的应变为 )( 1 2133 +=+= E 如果 3Rc,随 3R3C 确定单向应力状态下的压、拉比 Rc/Rt=tg2(45+/2)= sin1 sin1 + 确定抗剪强
43、度值 =)1 ( 2 tc tc tc RR RRRR + + 7、评价 实质:剪切破坏理论,属压剪破坏,适用于脆性、塑性材料 应用:较全面反映岩石强度特征;较广泛解释岩石破坏现象 不足:不适于拉断破坏,主要破坏面出现之前,产生裂隙。 忽略 1影响与实际有偏差(随 1,R,弹性极限) 一般认为,3大,1影响小,3小,1影响大,在 10-15%以内,忽略中间主应力,一般不认为 是强度准则致命缺陷) 补充材料: (一)莫尔强度理论(Mohors Hypothesis 1900) 1、莫尔强度理论的基本思想 :莫尔强度理论是建立在试验数据的统计分析基础之上的。 1910 年莫 尔提出材料的破坏是剪切
44、破坏,材料在复杂应力状态下,某一斜面上的剪应力达到一极限值,造成材料沿 该斜面产生剪切滑移破坏,且破坏面平行于中间主应力2 作用方向(即2 不影响材料的剪切破坏) ,破 坏面上的剪应力f 是该面上法向应力的函数,即: f f () 由此可知,莫尔强度理论可表述为三部分: (1) 表示材料上一点应力状态的莫尔应力圆; (2) 强度曲线; (3) 将莫尔应力圆和强度曲线联系起来建立莫尔强度准则。 2、莫尔强度包络线: 指各极限应力圆的破坏点所组成的轨迹线。f f() 在f 坐标中是一 条曲线,称为莫尔包络线,表示材料受到不同应力作用达到极限状态时,滑动面上的法向应力与剪应力 f 的关系。极限应力圆
45、上的某点与强度包络线相切,即表示在该应力状态下材料发生破坏。 用极限应力表示的莫尔圆称为极限莫尔应力圆(简称极限应力圆) 。 莫尔强度包络线的意义:包络线上任意一点的坐标都代表岩石沿某一剪切面剪切破坏所需的剪应力和 正应力,即任意一点都对应了一个与之相切的极限应力圆。 莫尔强度包络线的应用:运用强度曲线可以直接判断岩石能否破坏。将应力圆与强度曲线放在同一个 坐标系中,若莫尔应力圆在包络线之内,则岩石不破坏;若莫尔应力圆与强度曲线相切,则岩石处于极限 平衡状态;若莫尔应力圆与强度曲线相交,则岩石肯定破坏。 (二)莫尔库仑强度理论 mohr-coulomb strength criterion 2
46、4 f = f()所表达的是一条曲线,该曲线的型式有:直线型、抛物线型、双曲线型、摆线型。而直 线型与库伦准则表达式相同, 因此, 也称为库伦莫尔强度理论。 由库仑公式表示莫尔包络线的强度理论, 称为莫尔库仑强度理论。 用主应力表示(极限平衡方程) : 关系: 剪切破坏角的大小 2=90+ =45+/2 X 型破坏角平分线即为最大主应力方向。 确定三轴应力抗压强度 极限平衡条件 确定单向应力状态下的压、拉比 Rc/Rt=tg2(45+/2) 确定抗剪强度值 评价: 实质:剪切破坏理论,属压剪破坏,适用于脆性、塑性材料 应用:较全面反映岩石强度特征;较广泛解释岩石破坏现象 不足:不适于拉断破坏,
47、主要破坏面出现之前,产生裂隙。 忽略1 影响与实际有偏差(随1,R,弹性极限) 一般认为,3 大,1 影响小,3 小,1 影响大,在 10-15%以内,忽略中间主应力,一般不认 为是强度准则致命缺陷) 五、格里菲斯强度理论(Griffith的脆性断裂理论) 1921 年格里菲斯在研究脆性材料的基础上,提出了评价脆性材料的强度理论。该理论大约在上世纪 70 年代末 80 年代初引入到岩石力学研究领域。 1、格里菲斯强度理论的基本思想: (1)在脆性材料内部存在着许多杂乱无章的扁平微小裂纹。 在外力作用下,这些裂纹尖端产生很大 的拉应力集中,导致裂纹扩展、贯通,从而使材料产生宏观破坏。 (2)裂纹将沿着与最大拉应力作用方向相垂直的方向扩展。 2tgtg = = 式中:新裂纹长轴与原裂纹长轴的夹角; 原裂纹长轴与最大主应力的夹角。 2、格里菲斯强度判据 f ctg=+ 13 1 sin2 cos 1 sin1 sin c + =+ 2 cos 1 sin t c = + 2 cos
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