岩体力学课程总结.ppt

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1、岩体力学课程总结,第一章 绪论第二章 岩石的基本物理力学性质第三章 岩体的动力学性质第四章 岩体的基本力学性质第五章 工程岩体分类第六章 岩体的初始应力状态第七章 岩体力学在洞室工程中的应用,2023/6/28,山东科技大学,1,第一章 绪论,1.岩体力学定义研究岩体在各种不同受力状态下产生变形和破坏的规律的科学（一种定义），和岩石力学定义一样。2.岩石结构组成岩石的物质成分、颗粒大小、形状及其相互结合的情况。3.岩石的构造岩石的组成部分之间分布及排列关系。4.岩体相对工程而言一定范围内的自然地质体。,2023/6/28,山东科技大学,2,3,5.结构面岩体中各种各样的不连续面，具有较低的抗拉

2、强度或没有抗拉强度。6.岩体的力学特性不连续性，各向异性，不均匀性，赋存地质因素的特性。,2023/6/28,山东科技大学,4,第二章 岩石的基本物理力学性质,第二节 物理性质（一）密度1.岩石的密度试件的质量与试件的体积之比，即单位体积质量。岩石由3相物质（固相、液相和汽相）组成。天然密度、饱和密度、干密度、重力密度，单位gcm-3。2.岩石的颗粒密度岩石固体物质的质量与固体体积之比值。（二）孔隙,2023/6/28,山东科技大学,5,1.岩石的孔隙比岩石中孔隙的体积与固体体积之比。2.岩石的孔隙率岩石中孔隙的体积与试件总体积的比值。（三）水理1.岩石的含水率岩石孔隙中含水的质量与固体质量之

3、比。该指标对软岩重要。2.岩石的吸水率岩石吸入水的质量与试件固体质量之比。浸水48h。,2023/6/28,山东科技大学,3.岩石的渗透性岩石在一定的水力梯度作用下，水穿透岩石的能力。反映岩石中裂隙间相互连通的程度，用渗透系数K表述，用达西定律表示：试中，qx x方向的流量（m3/s）；h 水头高度；A 垂直x方向横截面积；K 岩石渗透系数。,2023/6/28,山东科技大学,6,7,（四）风化1.岩石的软化系数（）岩石饱和单轴抗压强度与干燥状态下的单轴抗压强度比值：。2.岩石耐崩解性指数（Id）对岩石试件进行烘干，浸水循环试验后所得的质量比指数。%,2023/6/28,山东科技大学,8,式中

4、，Id2经2次循环试验所求得的耐崩解性指数，0100%。ms2次循环试验后，残留试件的烘干质量。m试验前试块烘干的质量。3.岩石的膨胀性含有粘土矿物的岩石，遇水会膨胀，因为粘土矿物遇水促使其颗粒间的水膜增多。1）岩石的自由膨胀率岩石试件在无任何约束条件下浸水试验后所产生的膨胀变形与试件原尺寸的比值。,2023/6/28,山东科技大学,9,式中，、浸水质岩石试件轴向、径向膨胀变形量。H、D岩石试件试验前高度、直径。2）膨胀压力岩石浸水试验后，使试件保持原有体积所施加约束。第三节 岩石强度特性（一）材料强度材料在载荷作用下能承受的最大应力。受力不同，强度形式也不同。,2023/6/28,山东科技大

5、学,2023/6/28,山东科技大学,10,（二）岩石单轴抗压强度（Rc）1.定义：RC=P/A，单位pa。式中，p轴向破坏载荷，N；A与轴向载荷垂直的截面积，m2。2.试验方法，有国家标准：0.51.0MPa/s加载，直径D（边长）50mm；高度H=2D。3.试件破坏形态 1）圆锥形破坏（端面有摩擦力）。2）柱状劈裂破坏。,11,4影响强度因素1）承压板。2）试件形状尺寸尺寸效应，试件直径大于其最大影响颗粒直径的10倍以上，强度值相对稳定。3）高径比高径比23时，强度较稳定。4）加载速率强度随加载速率的提高而加大。（如下图2-5）（三）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

6、生破坏时，单位面积承受的拉力，pa。,2023/6/28,山东科技大学,2023/6/28,山东科技大学,12,13,2.抗拉强度试验方法 1）直接拉伸法：Rt=P/A。2）抗弯法 试件下部承受纯拉。3）劈裂法（巴西法）如图2-7。Rt=2P/Dt 式中，p试件破坏时极限压力，N；D 试件直径,mm；t试件厚度,mm。4）点载荷法简便的现场试验方法。,2023/6/28,山东科技大学,14,2023/6/28,山东科技大学,15,=P/De2 式中，点载荷强度指数；p 试验时所施加的极限载荷；De试验时两个加载点之间的距离。大量试验揭示：（四）岩石的抗剪强度1.定义岩石在一定的应力条件下所能抵

7、抗的最大剪应力。由于应力条件不同，是一个函数：,2023/6/28,山东科技大学,16,=f（）根据岩石剪切试验结果，通常用摩尔库伦准则描述岩石的抗剪强度：。式中，作用破坏面上的正应力；岩石的内摩擦角；c 岩石的内聚力。2.抗剪强度试验方法3种 1）抗剪断（有正压力）。2）抗切（无正压力）。,2023/6/28,山东科技大学,17,3）弱面剪切。3.岩石抗剪试验仪器（图2-9）角变化，抗剪切 曲线：,2023/6/28,山东科技大学,18,2023/6/28,山东科技大学,19,（五）岩石三向压缩应力作用下的强度 1.定义岩石试件在不同的三向压应力作用下，岩石试件抵抗外载荷的最大应力（能力）。

8、2.强度表达式式中，最大主应力；中间主应力；最小主应力。,2023/6/28,山东科技大学,20,3.、的关系一条正交曲线。4.试验类别 直三轴：，常规三轴：。5.试件的破坏类型1）低围压劈裂破坏。2）中高围压斜面剪切破坏。角度破坏。3）高围压塑性流动破坏，试件不出现宏观上的破坏断裂面，呈腰鼓形。围压增大，试件从脆性破坏向塑性变形过渡。,2023/6/28,山东科技大学,21,（六）岩石的变形特征变形某种程度上比强度更重要，变形量一般能描述岩石稳定性，而且现场测量均是变形。1.2种变形单轴和三轴变形。2.普通试验机和刚性试验机 1）普通试验机岩石的刚度比试验机刚度大。2）刚性试验机试验机的刚度

9、比岩石的刚度大。3.普通压力试验机中进行单轴压缩试验时变形特性 1）典型曲线（图2-14）,2023/6/28,山东科技大学,22,2023/6/28,山东科技大学,23,OA、AB、BC三段。C后没有。OA：压密段；AB：弹性段；BC：塑性段。2）反复加载出现塑性滞环（如图2-15）。4.弹性段的弹性常数1）弹性模量应力应变曲线中直线段的应力与应变的比值，即直线段的斜率，用E表示，单位MPa。,2023/6/28,山东科技大学,2023/6/28,山东科技大学,24,25,2）岩石弹性种类3种（见下图）线弹性 上下一个直线路径（a图）。完全弹性 上下一个曲线路径（b图）。滞弹性上下2条线，回

10、到原点（c图）。,2023/6/28,山东科技大学,3）3种弹模（见下图）初始弹模 切线弹模割线弹模,2023/6/28,山东科技大学,26,27,2023/6/28,山东科技大学,28,4）弹模的量级 岩石一般2050GPa。5）岩石的脆性 岩石脆性是指应力超出屈服应力，而不表现出明显的塑性变形特征（变形很小）。6）岩石的塑性变形 岩石应变不能完全恢复的变形。5.刚性试验机上进行单轴压缩时变形特征 1）典型曲线（同图2-14）,2023/6/28,山东科技大学,29,1970年，沙拉蒙（Salamon）首先论述了由于试验机刚度不同对岩石变形特性的影响，提出了用刚度较大的试验机来减少作用在岩石

11、上的附加应力，进而求得峰值应力后的应力-应变曲线。2）刚性试验机原理能量法解释如下图所示，T是一个塑性极限点（峰值应力点），A是T点之后一个受力平衡点。B点存在，则峰值曲线存在。AC：刚度小 曲线斜率绝对值小 面积为能量 SACA2A1 SABA2A1AB:正常岩石 曲线斜率绝对值中间 面积为能量 SACA2A1=SABA2A1 AD:刚度大 曲线斜率绝对值大 面积为能量 SADA2A1SABA2A1,2023/6/28,山东科技大学,30,2023/6/28,山东科技大学,31,AC曲线情况下，机器从A至B释放能量大于岩石平静破坏能量，不能平静破坏，击溃试件。AD曲线情况下，机器释放能量不够

12、岩石平静破坏能量，能继续加载。因此，刚性试验机（AD情况）能得到应力-应变全程曲线。3）刚性试验机原理力法解释 同样如上图，A点处于力的平衡状态，给定一个小位移，岩石沿AB下降至B点。如果机器沿AC下降至C点，此时，机器的力大于岩石力，击溃岩石，不能,2023/6/28,山东科技大学,32,平衡破坏，此时机器刚度AC段斜率小于岩石刚度AB段斜率。反之，则平静破坏。4）全应力-应变曲线分段（如图2-18）OA 压密阶段。AB 弹性段，B为屈服点。BC 塑性段，C为塑性极限。CD 应变软化段，峰值后有承载能力。D后 摩擦段。,2023/6/28,山东科技大学,33,2023/6/28,山东科技大学

13、,34,2023/6/28,山东科技大学,6.岩石在三轴压缩应力作用下的变形特性由于围压不同，变形也有一定的差异。1）=，岩石变形围压增大，屈服应力提高。围压增大，弹性模量变化不大。围压增大，峰值应力对应的应变有所增大。有低围压的脆性向高围压下的塑性变形转变的规律。2）岩石变形,35,7.岩石的体积应变（图2-20）式中，、v体积的增量和原体积；最大、中间和最小主应力。当外载较小时，体积 表现线性变化（增大、增大，体积减小，呈压缩状态）。外载超一定值后，曲线反转，增大，产生扩容。产生扩容的原因：试件在不断的加载过程中，由于试件,2023/6/28,山东科技大学,36,中微裂纹的张开、扩展、贯通

14、等现象的出现，使岩石内的孔隙不断增大，促使其在宏观上表现为体积增大。8.岩石的流变 讨论与时间有关的变形特征，也称作岩石时效特性。1）流变特性与内容蠕变岩石在持续恒等外力作用下，应变随着时间的增大而减小的特性。应力松弛岩石在应变保持不变情况下，应力随时间增长而减小的特性。,2023/6/28,山东科技大学,2023/6/28,山东科技大学,37,38,长时强度长期载荷作用下岩石强度。弹性后效 加（卸）载后经一定时间，应变增加（减小）到一定数值后的现象（弹性滞后出现）。粘性流动 蠕变一段时间后卸载，部分永久变形恢复。2）典型的蠕变曲线（见下图）AB瞬态蠕变阶段；BC稳定蠕变阶段，C点后非稳态蠕变

15、。9.岩石介质力学模型,2023/6/28,山东科技大学,39,2023/6/28,山东科技大学,40,用物理模型来描述岩石具有不同的变形特性 1）基本的力学介质模型弹性介质模型（图2-30）物理模型：用一定刚度的弹簧来表示。本构方程：。曲线：线性。力学特性：应变在应力卸载后可恢复。理想塑性介质模型（图2-31）物理模型：滑块在平面上滑动圣文南体。本构方程：,2023/6/28,山东科技大学,41,力学特性：作用在滑块上的力超出屈服应力时，滑块产生滑动，滑动量为塑性变形量。曲线：实线1。硬化特性的塑性介质 同上，变形曲线为虚线2。粘性介质模型（图2-32）描述与时间有关的变形特征。物理模型：粘

16、壶（粘缸），带有圆孔活塞的封闭器皿。,2023/6/28,山东科技大学,42,2023/6/28,山东科技大学,2023/6/28,山东科技大学,43,本构方程：曲线：斜线。力学特性:瞬时不变形（t=0，=0），之后，随时间流逝呈正比关系。2）常用的岩石介质模型 34种基本模型的组合，可以建立描述岩石各种不同变形特征的力学模型。弹塑性介质模型（图2-33）无塑性硬化：，；,，持续增长。有塑性硬化作用时：粘弹性介质模型（图2-34）马克斯韦尔模型 弹簧和粘壶串联 推导五个力学特征，M体的时间效应。流变特征（蠕变、松弛、弹性后效、粘性流动、顺变特性）凯尔文模型 弹簧和粘壶并联,2023/6/28,

17、山东科技大学,44,2023/6/28,山东科技大学,45,46,2023/6/28,山东科技大学,47,同样推导五个变形与时间的关系式。（七）岩石的强度理论 1.强度理论岩石在某应力条件下产生破坏的判据。2.库伦准则也叫摩尔-库伦准则。1）用直线公式表示强度包络线：式中，正应力作用下极限剪应力；C 岩石内聚力；岩石内摩擦角。,2023/6/28,山东科技大学,48,2）应用 代入公式法，图解法。（外力表示）上式中，材料单轴强度公式。破坏强度，为破坏面与最大主应力所在平面的夹角。变 变成 和 关系。,2023/6/28,山东科技大学,第三章 岩体动力学性质1.动静态区分根据应变来区分荷载状态。

18、蠕变:10-5 1/s 动态:=101042.应力波应力在固体介质中的传播。3.应力波分类：弹性波、粘弹性波、塑性波、冲击波。4.纵波速度与横波速度,2023/6/28,山东科技大学,49,5.岩块弹性波速 Vp=2007500m/s6.影响岩体弹性波速的因素 1）种类、密度和生成年代。2）裂隙或夹层。3）有效孔隙率、吸水率。4）各向异性。5）应力。,2023/6/28,山东科技大学,50,第四章 岩体的基本力学性质（一）岩体结构面1.结构面8个描述参数 产状、间距、延展性、粗糙度和起伏度、面壁强度、开度 与充填物、渗透性、组数和尺寸。2.结构面分类 1）成因分：原生、构造、次生。2）绝对分类

19、：结构面长度。3）相对分类。4）力学分类：破坏带、面。,2023/6/28,山东科技大学,51,3.岩体破碎程度分类 1）裂隙度K 线长方向参数 节理间距 节理走向垂距 2）切割度Xe 面积比，分成5类：完整的，弱、中等、强、完全节理化。（二）结构面变形特征 1.法向弹性变形,2023/6/28,山东科技大学,52,2023/6/28,山东科技大学,53,有计算公式：2.法向闭合变形 公式：v=0.0037+0.001810（vmc=0.0119）v=-0.003+0.007910（vmc=0.0387）3.结构面的剪切位移特性（三）结构面剪切强度特性1.结构面面摩擦效应,结构面正压力N与剪力

20、T，合力R，以及合力R与N夹角，确定结构面上下是否产生滑动。稳定 极限 破坏 结构面的摩擦角。2.结构面的楔摩擦效应 1）规则齿形结构面的楔效应摩擦强度。将起伏不平的结构面表面形态简化成具有相同角度的规则齿形。珀顿结构面强度，角的规则齿形结构面。,2023/6/28,山东科技大学,54,强度：T 时，=tan（+）（爬坡效应）T 时，=cj+tan（切齿效应）式中，T 为2条强度线的交点，表示区别爬坡效应和切齿效应的正应力值。（四）结构面的力学效应 1.单节理的力学效应（如图4-19）节理，（粗的）,2023/6/28,山东科技大学,55,2023/6/28,山东科技大学,56,57,细的结论

21、：当 在 角度之间时，存在对节理岩体的强度有影响，否则没有。2.受到 和 作用时节理岩体强度公式：,2023/6/28,山东科技大学,58,式中，、为节理面的参数。C=0时，,2023/6/28,山东科技大学,第五章 工程岩体分类,1.分类的原则 1）目的：评价岩体好坏，为设计和施工提供参数。2）原则：工程对象、定量、级数合适、步骤明了、因素独立。2.独立性分类因素 材料质量-强度、完整性、水、地应力、某些综合因素。3.代表性分类法和国标分类,2023/6/28,山东科技大学,59,第六章 岩体初始应力状态,1.初始应力定义 原岩应力，天然环境下地壳中某一点的应力状态（6个应力），也叫初始地应

22、力。2.围岩地下开挖后影响开挖范围稳定性的岩体。3.次生应力（采动应力）受开采影响，原岩应力平衡状态打破后形成的新的平衡应力状态。4.岩体自重应力场4种假设 1）海姆静水压力假说,2023/6/28,山东科技大学,60,2）金尼克假说3）麦克库钦理论,2023/6/28,山东科技大学,61,4）松散地层压力，。,2023/6/28,山东科技大学,62,5.影响岩体初始应力状态的因素 地形、地质构造、岩体力学性质、水、温度。6.初始应力场分布规律 1）是时间和空间函数。2）实测垂直应力大于覆岩重量。3）水平应力普遍大于垂直应力。4）水平应力与垂直应力比值随深度增加而减小。5）水平主应力随深度呈线

23、性增长。6）两个水平主应力一般相差较大。,2023/6/28,山东科技大学,63,7.地应力测量原理8.应力测量方法 应力接触法、水压致裂法、应力恢复法。,2023/6/28,山东科技大学,64,第七章 岩体力学在洞室工程中应用,1.围岩二次应力状态的分布特征 1）弹性分布 2）弹塑性分布2.深埋圆形洞室弹性分布的二次应力状态 1）（侧压系数）洞室的二次应力分布特征。2）时，深埋圆形洞室的二次应力分布特征。,2023/6/28,山东科技大学,65,2023/6/28,山东科技大学,66,式中，K围岩总应力集中系数；、垂直和水平应力集中系数。K是 角以及侧压系数 的函数。3.围岩压力及分布4.深埋洞室的松散体围岩压力计算 普氏理论的基本假设,2023/6/28,山东科技大学,67,