岩石力学课程总复习.ppt

岩石力学,复习指导,1,课程主要内容,2,第一章 岩石的物理性质,岩石的工程性质 岩石的物理性质,3,第一章 岩石的物理性质,1）岩浆岩的性质 岩浆岩具有较高的力学强度，可作为各种建筑物良好的地基及天然建筑石料。但各类岩石的工程性质差异很大。 深成岩具结晶联结，晶粒粗大均匀，孔隙度小、裂隙较不发育，岩块大、整体稳定性好，但值得注意的是这类岩石往往由多种矿物结晶组成，抗风化能力较差，特别是含铁镁质较多的基性岩，则更易风化破碎，故应注意对其风化程度和深度的调查研究。 浅成岩中细晶质和隐晶质结构的岩石透水性小、抗风化性能较深成岩强，但斑状结构岩石的透水性和力学强度变化较大，特别是脉岩类，岩体小。 喷出岩常具有气孔构造、流纹构造和原生裂隙，透水性较大。此外，喷出岩多呈岩流状产出，岩体厚度小，岩相变化大，对地基的均一性和整体稳定性影响较大。 /,岩石的工程性质,4,第一章 岩石的物理性质,2）沉积岩的性质 碎屑岩的工程地质性质一般较好，但其胶结物的成分和胶结类型影响显著。此外，碎屑的成分、粒度、级配对工程性质也有一定的影响。 粘土岩和页岩的性质相近，抗压强度和抗剪强度低，受力后变形量大，浸水后易软化和泥化。若含蒙脱石成分，还具有较大的膨胀性。这两种岩石对水工建筑物地基和建筑场地边坡的稳定都极为不利，但其透水性小，可作为隔水层和防渗层。 化学岩和生物化学岩抗水性弱，常具不同程度的可溶性。硅质成分化学岩的强度较高，但性脆易裂，整体性差。碳酸盐类岩石如石灰岩、白云岩等具中等强度，一般能满足水工设计要求，但存在于其中的各种不同形态的喀斯特，往往成为集中渗漏的通道。易溶的石膏、岩盐等化学岩，往往以夹层或透镜体存在于其他沉积岩中，质软，浸水易溶解，常常导致地基和边坡的失稳。,5,第一章 岩石的物理性质,3）变质岩的性质 变质岩的工程性质与原岩密切相关，往往与原岩的性质相似或相近。一般情况下，由于原岩矿物成分在高温高压下重结晶的结果，岩石的力学强度较变质前相对增高。 变质岩的片理构造(包括板状、千枚状、片状及片麻状构造)会使岩石具有各向异性特征，水工建筑中应注意研究其在垂直及平行于片理构造方向上工程性质的变化。,6,第一章 岩石的物理性质,岩石的物理性质,强度,其组成矿物的强度越大，岩石的强度就越大。,岩石的密度,孔隙度,岩石的孔隙度是岩石孔隙的总体积与岩石总体积之比，常用百分数表示。,渗透性,在压力作用下，岩石允许流体通过的性质,膨胀性、崩解性及软化性,水理性,7,第二章 岩石的力学性质,岩石的强度：岩石抵抗外力作用的能力，岩石破坏时能够承受的最大应力。 a.单向抗压强度 b.单向抗拉强度 c.剪切强度 d.三轴抗压强度 岩石的变形：岩石在外力作用下发生形态（形状、体积）变化。 a.单向压缩变形 b.反复加载变形 c.三轴压缩变形 d.剪切变形,8,1)实验方法 a.试件标准 立方体505050mm或 707070mm 圆柱体，但使用最广泛的是圆柱体。圆柱体直径D一般不小于50mm。 L/D=2.53.0（国际岩石力学委员会ISRM建议的 尺寸） 要求：两端不平度0.5mm；尺寸误差0.3mm；两端面垂直于轴线误差0.25度。 加载速率：0.50.8Pa/s,第二章 岩石的力学性质,9,拉伸破坏试验分直接试验和间接试验（巴西试验法）两类。,b.相应的实验类型,剪切强度试验分为非限制性剪切强度试验和限制性剪切强度试验二类,a.单面剪切试验， b.冲击剪切试验, c.双面剪切试验，d.扭转剪切试验，,a.直剪仪（剪切盒）压剪试验（单面剪）b.立方体试件单面剪试验c.试件端部受压双面剪试验d.角模压剪试验（变角剪切试验）,第二章 岩石的力学性质,10,第二章 岩石的力学性质,三轴试验是限制性抗压强度试验,真三轴加载:试件为立方体，应力状态：12 3,假三轴试验:，试件为圆柱体，应力状态： 12=3,11,2) 岩石变形性质的几个基本概念 a）弹性： 物体在受外力作用的瞬间即产生全部变形，而去除外力(卸载)后又能立即恢复其原有形状和尺寸的性质称为弹性。 弹性体按其应力应变关系又可分为： 线弹性体：应力应变呈直线关系。 非线性弹性体：应力应变呈非直线的关系。,b)塑性：物体受力后产生变形，在外力去除（卸载）后变形不能完全恢复的性质，称为塑性。,c）黏性 :物体受力后变形不能在瞬时完成，且应变速率随应力增加而增加的性质，称为粘性。,= d/dt,第二章 岩石的力学性质,12,d）脆性: 物体受力后，变形很小时就发生破裂的性质。工程上一般以5为标准进行划分，总应变大于5者为塑性材料，反之为脆性材料。,e）延性 : 物体能承受较大塑性变形而不丧失其承载力的性质，称为延性。,第二章 岩石的力学性质,13,3)全应力应变曲线的工程意义,a）全应力应变曲线的特征 刚性试验机获得的全应力应变曲线, 岩石变形分为下列四个阶段:, 孔隙裂隙压密阶段（OA段）：即试件中原有张开性结构面或微裂隙逐渐闭合，岩石被压密，呈上凹型。在此阶段试件横向膨胀较小，试件体积随载荷增大而减小。 弹性变形至微弹性裂隙稳定发展阶段（AC段：该阶段的应力应变曲线成近似直线型。其中，AB段为弹性变形阶段，BC段为微破裂稳定发展阶段。,非稳定破裂发展阶段，或称累进性破裂阶段（CD段）：C点是岩石从弹性变为塑性的转折点，称为屈服点。相应于该点的应力为屈服极限，其值约为峰值强度的2/3。,破裂后阶段（D点以后段）：岩块承载力达到峰值强度后，其内部结构遭到破坏，但试件基本保持整体状。,第二章 岩石的力学性质,14,b）工程意义,揭示岩石试件破裂后，仍具有一定的承载能力。,预测岩爆。若AB，会产生岩爆;若BA，不产生岩爆。,预测蠕变破坏。 当应力水平在H点以下时保持应力恒定， 岩石试件不会发生蠕变。应力水平在G H点 之间保持恒定。蠕变应变发展会和蠕变终止轨 迹相交，蠕变将停止，岩石试件不会破坏。若 应力水平在G点及以上保持恒定，则蠕变应变 发展就和全应力应变曲线的右半部，试件将 发生破坏。,预测循环加载条件下岩石的破坏。 在高应力水平下循环加载，岩石在很短时间内就破坏。 在低应力水平下循环加载，岩石可以经历相对较长一 段时间，岩石工程才会发生破坏。,第二章 岩石的力学性质,15,第三章 岩体与结构面的力学性质,1）岩石与岩体的基本概念 （岩石、结构面、岩体含义与区别）,2） 结构面的成因类型,16,3）岩体的结构特征 a.结构体特征（含义、规模与形态对岩体力学性质的影响） b.岩体结构类型划分（表2-7，划分成哪几类）,4) 岩体结构面的力学性质,法向变形与法向刚度,剪切变形与剪切刚度,5）岩体强度的测定现场原位试验,6）单节理面的力学效应,第三章 岩体与结构面的力学性质,17,结构面应力状态：,强度条件：,应力带入强度准则，经整理可得：,令 则 当 （节理的存在不影响岩体的强度） 当 （节理的存在不影响岩体的强度）,第三章 岩体与结构面的力学性质,18,岩石节理同时破坏，岩体强度等于岩块强度,岩块先破坏，岩体强度等于岩块强度,或,节理先破坏，岩体强度小于岩块强度,或,第三章 岩体与结构面的力学性质,19,（1）分析、评价工程岩体稳定性的需要。 （2）为岩石工程建设的勘察、设计、施工和编制定额和概预算提供必要的基本依据。 （3）便于设计、施工方法的总结,交流,推广。 （4）为便于行业内技术改革和管理。,7)岩体分类理论 a)、岩体分类的意义与原则 “多因素、综合特征值”,第三章 岩体与结构面的力学性质,20,7)岩体分类理论 b)、典型的岩体分类方法 1）.按岩石的单轴抗压强度c分类 2）.按岩体完整性分类： RQD 分类；弹性波（纵波）速度分类 3）.按岩体综合指标分类, 岩体的地质力学分类（CSIR分类), 巴顿岩体质量分类（Q分类), 我国工程岩体分级标准 （GB50218-1994）,第三章 岩体与结构面的力学性质,21,第四章 地应力及其测量,1）地应力的概念 地应力：是存在于地层中的未受工程扰动的天然应力，也称岩体初始应力、绝对应力或原岩应力。,2 ）地应力测量的必要性及意义及成因 a)它是引起各种地下或露天岩石开挖工程变形和破坏的根本作 用力。 区别于结构力学、材料力学其他力学。 b)传统的岩石工程的开挖设计和施工的经验类比法有局限性。 c) 是岩石工程数值分析方法计算分析的必要前提条件。 d)地应力应用领域广泛。对地震预报、区域地壳稳定性评价、油田油井的稳定性、核废料储存、岩爆、煤和瓦斯突出的研究以及地球动力学的研究等也具有重要意义。 成因：1）地幔热对流2）板块边界受压3）岩浆侵入4）岩体自重应力场5)地质构造应力6）地形、地表剥蚀对地应力影响7）水压力、热应力,22,3）. 方法分类,第四章 地应力及其测量,23,P0,Pb,Ps,Ps0,P0,Pb0,Ps,图 压裂过程泵压变化及特征压力,Pi,Ps,Ps,Ps0,Pr,P0,4）水压致裂法,第四章 地应力及其测量,24,水压致裂法评价,优点： 1、能测量深部岩体应（5000m）； 2、可以使用各种尺寸的勘探钻孔，在勘探阶段便可测定； 3、不须对钻孔进行应力解除，不须精密的仪器； 4、不需要岩体弹性参数。 缺点 1、假定钻孔方向为主应力方法，因此，实测的三维主应力是近似的。 2、设备笨重，钻孔封隔加压技术较复杂；,第四章 地应力及其测量,25,钻孔的深度必须超过开挖 影响区，才能测到岩体内的原始应力，否则测出的是二次应力。,5)应力解除法,第四章 地应力及其测量,26,测量步骤：,(1)在测试地点打大孔,(2)从大孔底打同心小孔,(3)在小孔中央位置安装测量探头,(4)用薄壁钻头延伸大孔，使小孔周围岩芯实现应力解除,（5）将岩芯与探头一并取回，进行围压率定和温度标定试验。,（6）数据修正和处理，计算地应力值,第四章 地应力及其测量,27,第五章 岩石本构关系与强度理论,1）岩体力学问题求解过程：,力的平衡关系（平衡方程） 位移和应变的关系（几何方程） 应力和应变的关系（物理方程或本构方程）,应力场 位移场,边界条件,+,=,2）岩石（岩体）本构关系:指岩石（岩体）在外力作用下应力或应力速率与其应变或应变速率的关系。,本构关系分类： 弹性本构关系：线性弹性、非线性弹性本构关系。 弹塑性本构关系：各向同性、各向异性本构关系。 流变本构关系：岩石产生流变时的本构关系。流变性是指如果外界条件不变，应变或应力随时间而变化的性质。,28,3） 岩石流变,流变：指材料的应力-应变关系与时间因素有关的性质，材料变形过程中具有时间效应的现象称为流变现象。 蠕变：当应力不变时，变形随时间增加而增长的现象。 松弛：当应变不变时，应力随时间增加而减小的现象。 弹性后效：加载或卸载时，弹性应变滞后于应力的现象。,1、初始蠕变阶段（瞬变蠕变阶段）AB。 特点： 有瞬时应变 （OA）； 应变率随时间增长而减小；卸载后，有瞬时恢复变形，后弹性后效，弹性后效，变形经过一段时间后，逐渐恢复的现象。,2、稳定(等速)蠕变阶段（BC）（较长） 特点：应变率 为常量；卸载：有瞬弹性恢复，弹后，粘流，粘性流动，不可恢复的永变形。,3、非稳定(加速)蠕变阶段（蠕变破坏阶段） 特点： 剧烈增加；上凹曲线；一般此阶段比较短暂。,第五章 岩石本构关系与强度理论,29,岩石的长期强度:由于流变作用，岩石强度随外载作用时间的延长而降低，通常把作用时间 的强度（最低值）称为长期强度。,一）库仑强度准则 、二）莫尔强度理论、三） 格里菲斯强度理论 、四） 德鲁克一普拉格准则,4）强度理论,第五章 岩石本构关系与强度理论,30,若取 ，则极限应力 为岩石单轴抗压强度 ，即有：,5） 库仑强度准则,第五章 岩石本构关系与强度理论,31,例：一组两块岩石圆柱体试件，直径都为50mm，高度为50mm，进行三轴压缩试验。围压分别为5、10MPa，对应的抗压强度分别为30.32、47.32 MPa。 试求：1）岩石的C、值。2）岩石单轴抗压强度。,第五章 岩石本构关系与强度理论,32,2）弹性理论计算洞室围岩应力及位移 应力集中，侧压系数，圆形，椭圆形等轴比，,1）地下工程稳定条件 ：,位移,第六章 岩石地下工程,33,3）弹塑性理论计算洞室围岩应力及位移,弹性区位移,塑性区位移,第六章 岩石地下工程,34,5）围岩压力计算,块体极限平衡理论,普氏平衡拱理论,太沙基理论,4）弹塑性区围岩应力分布状态： 1松动区： 岩体被切割、强度明显降低、应力低于原岩应力；2塑性强化区：岩体呈塑性状态、处于塑性强化阶段，应力高于原岩应力；3弹性承载区：岩体处于弹性性变形阶段，应力高于原岩应力；4原岩应力区：未受开挖影响、处于原岩状态。,第六章 岩石地下工程,35,在完整性良好的花岗岩中掘进一圆形巷道，其半径为4m , 埋深220 m ，岩体重度=27kN/m3, 单轴抗压强度c=10.2Mpa，侧压力系数1，问该巷道围岩是否稳定？,解：在220 m深处原岩应力为p ：,巷道围岩应力为：,在巷道壁，,1，3 r = 0,莫尔库伦破坏判据为：,可见巷道围岩不稳定。,例题,36,第七章 岩石边坡工程,边坡破坏的基本类型,1）边坡破坏的基本类型,37,a、岩性 决定岩体边坡稳定性的物质基础。 b、