岩石的1 岩石的力学性质

岩石的岩石的 1 岩石的力学性质 岩石的变形岩石的力学性质 岩石的变形 岩石的强度 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 岩石的变形 岩石的变形 岩石在外力作用下发生形态 形状 体积 变化 岩石在荷载作用下 首先发生的物理力学现象是变形 随着荷载的不断增加 或在恒定载 荷作用下 随时间的增长 岩石变形逐渐增大 最终导致岩石破坏 岩石变形过程中表现出弹性 塑性 粘性 脆性和延性等性质 1 5 岩石变形性质的几个基本概念岩石变形性质的几个基本概念 1 弹性 弹性 elasticity 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 应变关系又可分为两种类型 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 2 塑性 塑性 plasticity 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 不能恢复的那部分变形称为塑性变形 或称永久变形 残余变形 在外力作用下只发生塑性变形的物体 称为理想塑性体 理想塑性体 当应力低于屈服极限时 材料没有变形 应力达到后 变形不断增大 而应力不变 应力 应变曲线呈水平直线 3 黏性 黏性 viscosity 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 应变速率与时间有关 黏性与时间有关 其应力 应变速率关系为过坐标原点的直线的物质称为理想粘性体 如牛顿流体 4 脆性 脆性 brittle 物体受力后 变形很小时就发生破裂的性质 5 延性 延性 ductile 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 1 7 岩石变形指标及其确定岩石变形指标及其确定 岩石的变形特性通常用弹性模量 变形模量和泊松比等指标表示 3 全应力 应变曲线的工程意义 全应力 应变曲线的工程意义 揭示岩石试件破裂后 仍具有一定的承载能力 揭示岩石试件破裂后 仍具有一定的承载能力 预测岩爆 预测岩爆 若 A B 会产生岩爆 若 B A 不会产生岩爆 预测蠕变破坏 预测蠕变破坏 当应力水平在当应力水平在 H 点以下时保持应力恒定 岩石试件不会发生蠕变 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 将停止 岩石试件不会破坏 若应力水平在若应力水平在 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 应变曲线的右应变曲线的右 半部 试件将发生破坏 半部 试件将发生破坏 预测循环加载条件下岩石的破坏 预测循环加载条件下岩石的破坏 循环荷载 爆破 而且是动荷载 循环荷载 爆破 而且是动荷载 在高应力水平下循环加载 岩石在很短时间内就破坏 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 坏 所以 根据岩石受力水平 循环荷载的大小 周期 全应力所以 根据岩石受力水平 循环荷载的大小 周期 全应力 应变曲线来预测循环应变曲线来预测循环 加载条件下岩石破坏时间 加载条件下岩石破坏时间 围压对岩石变形的影响得出如下结论 围压对岩石变形的影响得出如下结论 随着围压的增大 岩石的抗压强度显著增加 随着围压的增大 岩石的抗压强度显著增加 随着围压的增大 岩石的变形显著增大 随着围压的增大 岩石的变形显著增大 随着围压的增大 岩石的弹性极限显著增大 随着围压的增大 岩石的弹性极限显著增大 随着围压的增大 岩石的应力随着围压的增大 岩石的应力 应变曲线形态发生明显改变 岩石的性质发生了应变曲线形态发生明显改变 岩石的性质发生了 变化 由弹脆性变化 由弹脆性 弹塑性弹塑性 应变硬化 应变硬化 围压对岩石变形的影响得出如下结论 围压对岩石变形的影响得出如下结论 随着围压的增大 岩石的抗压强度显著增加 随着围压的增大 岩石的抗压强度显著增加 随着围压的增大 岩石的变形显著增大 随着围压的增大 岩石的变形显著增大 随着围压的增大 岩石的弹性极限显著增大 随着围压的增大 岩石的弹性极限显著增大 随着围压的增大 岩石的应力随着围压的增大 岩石的应力 应变曲线形态发生明显改变 岩石的性质发生了应变曲线形态发生明显改变 岩石的性质发生了 变化 由弹脆性变化 由弹脆性 弹塑性弹塑性 应变硬化 应变硬化 1 11 岩石的扩容岩石的扩容 扩容 当外力继续增加 岩石试件的体积不是减小 而是大幅度增加 且增长速率扩容 当外力继续增加 岩石试件的体积不是减小 而是大幅度增加 且增长速率 越来越大 最终将导致岩石试件的破坏 这种体积明显扩大的现象称为扩容越来越大 最终将导致岩石试件的破坏 这种体积明显扩大的现象称为扩容 实验表明 体积应变曲线可以分为三个阶段 实验表明 体积应变曲线可以分为三个阶段 体积变形阶段体积变形阶段 体积应变在弹性阶段内随应力增加而呈线性变化 体积减小 体积应变在弹性阶段内随应力增加而呈线性变化 体积减小 在此阶段内 轴向压缩应变大于侧向膨胀 称为体积变形阶段 在此阶段后期 随在此阶段内 轴向压缩应变大于侧向膨胀 称为体积变形阶段 在此阶段后期 随 应力增加 岩石的体积变形曲线向左转弯 开始偏离直线段 出现扩容 应力增加 岩石的体积变形曲线向左转弯 开始偏离直线段 出现扩容 在一般情况下 岩石开始出现扩容时的应力约为其抗压强度的在一般情况下 岩石开始出现扩容时的应力约为其抗压强度的 1 3 1 2 左右 左右 体积不变阶段体积不变阶段 在这一阶段内 随着应力的增加 岩石虽有变形 但体积应变在这一阶段内 随着应力的增加 岩石虽有变形 但体积应变 增量近于零 即岩石体积大小几乎没有变化 增量近于零 即岩石体积大小几乎没有变化 在此阶段内可认为轴向压缩应变等于侧向膨胀 因此称为体积不变阶段 在此阶段内可认为轴向压缩应变等于侧向膨胀 因此称为体积不变阶段 扩容阶段扩容阶段 当外力继续增加 岩石试件的体积不是减小 而是大幅度增加 且当外力继续增加 岩石试件的体积不是减小 而是大幅度增加 且 增长速率越来越大 最终将导致岩石试件的破坏 这种体积明显扩大的现象称为扩增长速率越来越大 最终将导致岩石试件的破坏 这种体积明显扩大的现象称为扩 容 此阶段称为扩容阶段 容 此阶段称为扩容阶段 在此阶段内 当试件临近破坏时 两侧向膨胀变形之和超过最大主应力方向上的压在此阶段内 当试件临近破坏时 两侧向膨胀变形之和超过最大主应力方向上的压 缩变形值 缩变形值 这时 岩石试件的泊松比已经不是一个常量 这时 岩石试件的泊松比已经不是一个常量 影响岩石力学性质的主要因素影响岩石力学性质的主要因素 水对岩石力学性质的影响水对岩石力学性质的影响 结合水 产生三种作用 连结作用 润滑作用 水楔作用 结合水 产生三种作用 连结作用 润滑作用 水楔作用 连结作用 将矿物颗粒拉近 接紧 起连结作用 连结作用 将矿物颗粒拉近 接紧 起连结作用 润滑作用 可溶盐溶解 胶体水解 使原有的连结变成水胶连结 导致矿物颗粒间润滑作用 可溶盐溶解 胶体水解 使原有的连结变成水胶连结 导致矿物颗粒间 连结力减弱 摩擦力减低 水起到润滑剂的作用 连结力减弱 摩擦力减低 水起到润滑剂的作用 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 其表面吸着力将水分子拉到自己周围 在两个颗粒接触处由于吸着力作用使水分子其表面吸着力将水分子拉到自己周围 在两个颗粒接触处由于吸着力作用使水分子 向两个矿物颗粒之间的缝隙内挤入 向两个矿物颗粒之间的缝隙内挤入 3 加载速率对岩石力学性质的影响加载速率对岩石力学性质的影响 加载速率愈大 弹性模量愈大 加载速率愈大 弹性模量愈大 加荷速率愈小 弹性模量愈小 加荷速率愈小 弹性模量愈小 加载速率越大 获得的强度指标值越高 加载速率越大 获得的强度指标值越高 国际岩石力学学会 国际岩石力学学会 ISRM 建议 建议 加载速率为加载速率为 0 5 1MPa 秒 一般从开始试验直至试件破坏的时间为秒 一般从开始试验直至试件破坏的时间为 5 10 分钟分钟 风化对岩石力学性质的影响风化对岩石力学性质的影响 风化作用 是一种表生的自然营力和人类作用的共同产物 是一种很复杂的地质作风化作用 是一种表生的自然营力和人类作用的共同产物 是一种很复杂的地质作 用 将涉及到气温 大气 水分 生物 原岩的成因 原岩的矿物成分 原岩的结用 将涉及到气温 大气 水分 生物 原岩的成因 原岩的矿物成分 原岩的结 构和构造等诸因素的综合作用 构和构造等诸因素的综合作用 风化作用降低岩体的物理力学性质 风化作用降低岩体的物理力学性质 降低岩体结构面的粗糙程度降低岩体结构面的粗糙程度 产生新的裂隙 破坏岩体的完整性 岩石结构连结产生新的裂隙 破坏岩体的完整性 岩石结构连结 被削弱被削弱 坚硬岩石变为半坚硬岩石 疏松土 坚硬岩石变为半坚硬岩石 疏松土 在化学风化过程中 矿物成分发生变化 原生矿物经受水解 水化 氧化等作用 在化学风化过程中 矿物成分发生变化 原生矿物经受水解 水化 氧化等作用 逐渐为次生矿物 特别是产生粘土矿物 如蒙脱石 高岭石等 逐渐为次生矿物 特别是产生粘土矿物 如蒙脱石 高岭石等 成分结构和构造的变化成分结构和构造的变化 导致抗水性降低 亲水性增高 如膨胀性 崩解性 软导致抗水性降低 亲水性增高 如膨胀性 崩解性 软 化性增强 化性增强 力学强度降低 压缩性加大 力学强度降低 压缩性加大 三个概念 弹性变形三个概念 弹性变形 塑性变形塑性变形 粘性流动粘性流动 流变现象 材料应力流变现象 材料应力 应变关系与时间因素有关的性质 称应变关系与时间因素有关的性质 称 为流变性 材料变形过程中具有时间效应的现为流变性 材料变形过程中具有时间效应的现 象 称为流变现象 象 称为流变现象 流变的种类 蠕变 应力不变 应变随时间增加而增长流变的种类 蠕变 应力不变 应变随时间增加而增长 松弛 松弛 应变不变 应力随时间增加而减小应变不变 应力随时间增加而减小 弹性后效 弹性后效 加载或卸载时 弹性应变滞后于应力的现象加载或卸载时 弹性应变滞后于应力的现象 蠕变的两种类型蠕变的两种类型 a 稳定蠕变 低应力状态下发生的蠕变 图中稳定蠕变 低应力状态下发生的蠕变 图中 sC b 不稳定蠕变 较高应力状态下发生的蠕变 图中不稳定蠕变 较高应力状态下发生的蠕变 图中 sA sB 典型蠕变三个阶段典型蠕变三个阶段 第一阶段 a b 减速蠕变阶段 应变速率随时间增加而减小 第二阶段 b c 等速蠕变阶段 应变速率保持不变 第三阶段 c d 加速蠕变阶段 应变速率随时间增加而增加 2 1 3 描述流变性质的三个基本元件 1 弹性元件 力学模型 材料性质 物体在荷载作用下 其变形完全符合虎克 Hooke 定律 称其为虎克体 是理想的 线性弹性体 本构方程 s ke 应力应变曲线 见右图 模型符号 H 虎克体的性能 a 瞬变性 b 无弹性后效 c 无应力松弛 d 无蠕变流动 2 塑性元件 材料性质 物体受应力达到屈服极限 s0 时便开始产生 塑性变形 即使应力不再增加 变形仍不 断增长 其变形符合库仑摩擦定律 称其 为库仑 Coulomb 体 是理想的塑性体 力学模型 本构方程 0 当 s s0 时 当 s s0 时 3 粘性元件 材料性质 物体在外力作用下 应力与应变速率成 正比 符合牛顿 Newton 流动定律 称 其为牛顿流体 是理想的粘性体 第三章第三章 弹性与塑性应力应变关系弹性与塑性应力应变关系 弹性状态弹性状态 一维 胡克定律一维 胡克定律 三维 广义胡克定律三维 广义胡克定律 一 塑性力学的基本概念一 塑性力学的基本概念 塑性力学的研究内容塑性力学的研究内容 研究材料塑性变形和作用力之间关系 本构关系 研究材料塑性变形和作用力之间关系 本构关系 研究在塑性变形后物体内部应力分布规律 研究在塑性变形后物体内部应力分布规律 2 塑性力学的特点塑性力学的特点 应力与应变的关系是非线性的 应力与应变的关系是非线性的 与材料有关 与材料有关 应力与应变之间没有一一对应的关系 应力与应变之间没有一一对应的关系 与加载历史有关 与加载历史有关 在变形体中有弹性变形区和塑性变形区 在变形体中有弹性变形区和塑性变形区 分界线 分界线 区分加载和卸载过程 区分加载和卸载过程 加载使用塑性应力应变关系 卸载使用广义胡克定律 加载使用塑性应力应变关系 卸载使用广义胡克定律 地应力测量概述地应力测量概述 水压致裂法水压致裂法 水压致裂法的特点 水压致裂法的特点 设备简单设备简单 操作方便操作方便 测值直观测值直观 适应性强适应性强 受到重视和推广受到重视和推广 缺陷 主应力方向不准 应力解除法应力解除法 空心包体应变计测量地应力 主要特点 主要特点 测量有操作简便 2 测量技术和计算理论比 较成熟 3 精度相对较高的地应力 4 目前使用最为广泛 国际岩石力学学会推荐使用的地应力测量方法 6 岩体地下工程岩体地下工程 6 1 岩体二次应力状态的基本概念岩体二次应力状态的基本概念 围岩 围岩 由于人工开挖使岩体的应力状态发生了变化 应力状态被改变了的岩体叫围 岩 二次应力状态 二次应力状态 开挖后 无支护时 调整后的应力状态 原始应力 又称一次应力 状态 求二次应力状态求二次应力状态时 要给出的基本条件 原始应力 本构关系 岩体性质参数 二次应力状态主要特征状态二次应力状态主要特征状态 二次应力为弹性分布 岩体坚硬 原岩应力小 不要支护 二次应力为弹塑分布 围岩分两部 弹性区 塑性区 结构面的处理方法结构面的处理方法 大结构面单独处理 小密集结构面用包容方法处理 地下工程稳定地下工程稳定 稳定定义稳定定义 地下工程工作期限内 安全和 所需最小断面得以保证 称为稳定 稳定条件稳定条件 地下工程稳定性可分为两类地下工程稳定性可分为两类 自稳自稳 不需要支护围岩自身能保持长期稳定 人工稳定 人工稳定 需要支护才能保持围岩稳定 地下工程自身影响达不到地表的 称为深埋深埋 反之浅埋浅埋 1 可视为无限体中的孔洞问题 孔洞各方向无穷远处 仍为原岩应力 2 当埋深等于或大于巷道半径 R0 或其宽 高之半的 20 倍以上时 巷道影 响范围 3 5 R0 以内的岩体自重可以忽略不计 原岩水平应力可以简化为均匀 分布 通常误差不大 10 以下 P0 3 深埋的水平巷道长度较大时 可作为平面应变问题处理 其它类型巷道 或作为空间问题 3 最佳轴比 谐洞 最佳轴比 谐洞 最有利于巷道围岩稳定的巷道断面尺寸 可用它的高跨 比 表征 轴比 称为最佳轴比或诣洞 最佳轴比应满足如下三个条件 最佳轴比应满足如下三个条件 巷道周边应力 均匀分布 巷道周边不出现拉应力 最大应力值是各种截面中的最小值 maxmax UU 围岩压力与控制围岩压力与控制 地下洞室围岩在二次应力作用下产生过量的塑性变形或松动破坏 进而引起施加于地下洞室围岩在二次应力作用下产生过量的塑性变形或松动破坏 进而引起施加于 支护衬砌上的压力 称为围岩压力 支护衬砌上的压力 称为围岩压力 围岩压力是围岩与支护间的相互作用力 它与围岩应力不是同一个概念 围围岩压力是围岩与支护间的相互作用力 它与围岩应力不是同一个概念 围 岩应力是岩体中的内力 而围岩压力则是针对支护结构来说的 是作用于支护衬砌岩应力是岩体中的内力 而围岩压力则是针对支护结构来说的 是作用于支护衬砌 上的外力 上的外力 按围岩压力的形成机理 可将其划分为变形围岩压力 松动围岩压力和冲击按围岩压力的形成机理 可将其划分为变形围岩压力 松动围岩压力和冲击 围岩压力 围岩压力 狭义地压 围岩因变形移动和冒落岩块作用在支架上的压力称 广义地压 岩体内部原岩作用于围岩和支架上的压力 支架与围岩共同作用原理 围岩压力 围岩对支护结构的作用力 围岩压力与支护抗力相等 岩体作为支护结构的组成部分 与支架构成共同存载体 它们之间互相依存 互相 制约 协调变形 共同承担全部围岩压力 支架与围岩共同作用原理 为了充分发挥围岩的自支承能力 在不使围岩松脱的前提下 尽量采用柔性支架 并及早进行支护 四 四 压力拱理论计算围岩压力压力拱理论计算围岩压力 一 普氏平衡拱理论 一 普氏平衡拱理论 1 自然平衡拱 压力拱 的概念 自然平衡拱 压力拱 的概念 2 在松散体中形成压力拱的条件 在松散体中形成压力拱的条件 坑道埋深坑道埋深 Z 2 2 5 b b 为压力拱高度 为压力拱高度 普氏理论假设条件普氏理论假设条件 1 将岩体视为具有一定粘结力的松散体 2 洞顶岩体能够形成压力拱 3 沿拱切线方向只作用有压应力 而不能承受拉应力 4 采用坚固性系数采用坚固性系数 f 普氏系数 普氏系数 来表征岩体的强度 来表征岩体的强度 可见 松脱压力是有一定限度的 不是无限增大 采用传统支护方法时 要尽量使 支护与围岩紧密接触 使支护更好地发挥作用 有效控制围岩破坏 普氏平衡拱理论适用于深埋洞室 某矩形巷道 宽度为某矩形巷道 宽度为 4 m 高度为高度为 3m 布置在泥质页岩中 岩石 布置在泥质页岩中 岩石的换算内摩擦角的换算内摩擦角 k 710 岩石重度岩石重度 20 kN m3 按普氏地压理论试求 按普氏地压理论试求 1 拱的跨度和高度 拱的跨度和高度 2 自然平衡拱的方程式 自然平衡拱的方程式 3 支架 支架所受的顶所受的顶压等于多少压等于多少 解 解 2a 4 m f tg710 2 9 20 kN m3 1 压力拱跨度压力拱跨度 2 a 4 m 压力拱高度压力拱高度 b a f 2 2 9 0 69 m 2 压力拱方程式 压力拱方程式 y x2 b a2 0 172 x2 3 总顶压力总顶压力 维护岩石维护岩石 地地 下下 工工 程程 稳稳 定定 的的 基基 本本 原原 则则 合理利用和充分发挥岩体强度合理利用和充分发挥岩体强度 1 避免岩石强度的损坏 避免岩石强度的损坏 2 尽量把工程位置设计在岩性好的岩层中 尽量把工程位置设计在岩性好的岩层中 3 充分发挥岩体的承载能力充分发挥岩体的承载能力 善围岩的应力条件善围岩的应力条件 1 选择合理的隧 巷 道断面形状和尺寸 选择合理的隧 巷 道断面形状和尺寸 2 选择合理的位置和方向 选择合理的位置和方向 3 卸压卸压 方法方法 合理支护合理支护 合理的支护包括支护的形式 支护刚度 支护时间 支护受力情况的合理性以及支合理的支护包括支护的形式 支护刚度 支护时间 支护受力情况的合理性以及支 护的经济性 护的经济性 应采取有效措施 如注浆 充填应采取有效措施 如注浆 充填 等 实现支护与围岩间的密实接触 从而实现围等 实现支护与围岩间的密实接触 从而实现围 岩压力均匀传递 岩压力均匀传递 4 强调监测和信息反馈强调监测和信息反馈 岩体作为支护结构的组成部分 与支护结构组成共同存载体 它们之间互相依存 岩体作为支护结构的组成部分 与支护结构组成共同存载体 它们之间互相依存 互相制约 协调变形 共同承担全部围岩压力互相制约 协调变形 共同承担全部围岩压力 二 喷锚支护的力学作用二 喷锚支护的力学作用 特点 喷锚支护是喷射混凝土支护与锚杆支护的联合支护 其特点是通过加固围岩 特点 喷锚支护是喷射混凝土支护与锚杆支护的联合支护 其特点是通过加固围岩 提高围岩的自承能力达到维护坑道的目的 提高围岩的自承能力达到维护坑道的目的 喷射混凝土的力学作用 1 加固围岩 2 改善围岩的应力状态 2 锚杆群的力学作用 A 悬吊作用 B 组合作用 C 挤压加固作用 注注 浆加固支护浆加固支护 岩土注浆主要有抗渗和加固两个功能岩土注浆主要有抗渗和加固两个功能 注浆加固方法适合于裂隙岩体或被破碎的岩体注浆加固方法适合于裂隙岩体或被破碎的岩体 岩石地下工程的监测监测特点岩石地下工程的监测监测特点 1 时效性 时效性 2 环境复杂 环境复杂 3 监测信息的时空要求 监测信息的时空要求 4 空间的制约 空间的制约 地下工程周边各点趋向中心的变形称为收敛 边坡分类 地下工程周边各点趋向中心的变形称为收敛 边坡分类 一般边坡 土坡 岩石边坡一般边坡 土坡 岩石边坡 高边坡 土坡 高于高边坡 土坡 高于 15 米 米 岩石边坡 高于岩石边坡 高于 30 米 米 成因 自然边坡 人工边坡成因 自然边坡 人工边坡 二 影响边坡应力分布的因素二 影响边坡应力分布的因素 1 天然应力天然应力 水平天然应力使坡体应力重分布作用加剧 水平天然应力使坡体应力重分布作用加剧 2 坡形 坡高 坡角及坡底宽度坡形 坡高 坡角及坡底宽度 3 岩体性质及结构特征岩体性质及结构特征 4 结构面结构面 一 边坡变形的基本类型 1 卸荷回弹 卸荷回弹 在成坡过程中 由于荷重不断减少 边坡岩体在减荷方向