精品课程《岩石力学》ppt课件(全)

岩石力学（电子课件）,主要内容第1章绪论第2章岩石的物理力学性质第3章岩体的力学特性第4章岩体地应力及其测量方法第5章岩石地下工程,第一章绪论,引言岩石力学学科的形成及定义岩石力学理论的发展简史岩石力学中的基本概念岩石力学的基本研究内容(what)岩石力学中的研究方法(how)岩石力学的应用范围(why),一、引言,人类活动与岩石工程（RockEngineering）,远古石器，穴居,约4700年前金字塔（146.5m),公元1600年火药采矿,19世纪铁路隧道技术,20世纪大型水电工程,岩石圈是人类赖以生存的主要载体，人类的大部分活动都是在岩石圈上进行的：,岩基、边坡，地下洞室，隧道工程等,南水北调，西气东输，三峡大坝工程,“高峡出平湖，当惊世界殊”,经典的岩石工程与事故灾害(Catastrophe),2.1经典岩石工程（金字塔，三峡工程，见上）:2.2.事故灾害:,Malpasset坝，坝高66m，于1954年末建成并蓄水。1959年12月2日，坝基突然失稳导致大坝溃决，仅右岸基础部分有些残坝。洪水冲出峡谷流速达20km/h，下游Frejus城镇部分被毁，死亡421人，财产损失达300亿法郎。,（1）20世纪50年代末法国Malpasset拱坝的失事,（2）60年代初意大利Vajont大坝水库高边坡的崩溃,意大利Vajont拱坝，坝高262m，于1959年建成，是当时世界上最高的拱坝。1963年10月9日夜，由于大坝上游山体突然滑坡，约2.5亿立方的山体瞬时涌入水库，涌浪摧毁上游及下游一个小镇与邻近几个村庄，造成约2500人死亡，整个灾害的持续时间仅仅5分钟。,这两次事件促成了国际岩石力学学会（ISRM,InternationalSocietyforRockMechanics）在1963年于奥地利萨尔茨堡成立。(1985年，中国岩石力学与工程学会正式成立)。,二、岩石力学学科的形成及定义,1951年，J.Stini和L.Mller等在Salzburg发起和举行了以岩体力学为主题的第一次国际岩石力学讨论会，为把工程地质与力学相结合、为建立岩石力学这门边缘学科跨出了重要的一步，并创办了GeologieundBauwesen，1962年改名为RockMechanics25mm,换图蔡,拉伸破坏,研究热点：平台加载加载速度,t:试件中心的最大拉应力，即RtD:试件的直径t:试件的厚度,试验要求:沿平行于轴线的一条边缘线均匀加载破坏面必须通过试件直径,2020/5/4,66,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（优点），尺寸大致50mm，不做任何加工。试验：直接放到现场的点荷载仪上，加载劈裂破坏。,计算：,I点荷载强度指标P试件破坏时的极限荷载y加载点试件的厚度,统计公式：,要求:由于离散性大，每组15个，取均值,建议：用50mm的钻孔岩芯为试件。,返回,67,2020/5/4,第三节岩石的变形特性,弹性：物体受外力作用瞬间即产生全部变形，卸载后立即恢复原有形状和尺寸的性质,塑性：物体受力后产生变形，在卸载后变形不能完全恢复的性质,粘性：物体受力后变形不能瞬时完成，且应变速率随应力增加而增加的性质，又称为流变性（蠕变，松弛，弹性后效）。,屈服极限,1.基本概念：,：粘性系数,2020/5/4,68,2.基本力学模型：,1、弹性模型2、理想塑性3、粘性模型粘性系数（poise；poise=0.1NS/m2）,变形与时间无关,卸载后是否有残余变形,变形与时间有关,无,有,变形特性,(0：屈服应力),2020/5/4,69,3.基本元件,2020/5/4,70,2020/5/4,71,牛顿粘性系数；单位:泊。1posie=0.1Ns/m2,返回,2020/5/4,72,一、岩石在单轴压应力作用下的变形特性,1、典型的岩石应力-应变曲线,（一）普通试验机下的变形特性,a.分三个阶段:1）原生微裂隙压密阶段（OA）,特点：11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B应力为屈服极限，超过B点卸载有塑性变形。,2）弹性变形阶段（AB）,3）弹塑性（非线性）变形阶段（BC）,注意：半程压缩曲线,2020/5/4,73,1.直线或近似直线（弹性体）2.曲线向下弯曲（弹塑性体）3.初向上弯曲后直线（塑-弹性体）4.曲线似S型（塑-弹-塑性体）5.初小段直线后进入非弹性的曲线部分（弹-粘性体）,b.实际应力-应变曲线可分成五类:,2020/5/4,74,c.弹性常数的确定弹性模量国际岩石力学学会（ISRM）建议三种方法切线模量()割线模量()变形模量(),2020/5/4,75,2、岩石加、卸载特性,2020/5/4,76,3、循环加卸载曲线,特点：多次反复加、卸载，变形曲线与单调加载曲线上升总趋势保持一致（岩石的“变形记忆功能”）。卸载应力(超过屈服点）越大，塑性滞回环越大（原因：裂隙的扩大，能量的消耗）；,2020/5/4,77,等荷载循环加、卸载时的应力-应变曲线,特点：,随着循环次数增多，塑性滞回环愈来愈窄，直到没有塑性变形为止。当循环应力峰值低于某一临界应力时，多次循环不会导致试件破坏；当超过临界应力时，会发生疲劳破坏。（疲劳强度）,返回,78,2020/5/4,1）刚性试验机工作原理压力机加压（贮存弹性能）岩石试件达峰值强度（释放应变能）导致试件崩溃。AAO2O1面积峰值点后，岩块产生微小位移所需的能。ABO2O1峰值点后，普通机释放的能（贮存的能）。ACO2O1面积峰值点后，刚体机释放的能（贮存的能）。,（二）刚性试验机下岩石单向压缩变形特性,普通试验机得到峰值前的变形特性，多数岩石在峰值后工作。,79,2020/5/4,2）应力应变全过程曲线形态分四个阶段：前3阶段同普通试验机，第4阶段为应变软化阶段,第4阶段特点：CD段：破裂岩块相互咬合成整体状而承载，原生和新生裂隙相互交叉、联合形成宏观断裂面，承载力随应变增加而减少（软化现象）。到达D点以后，靠碎块间的摩擦力承载，称为残余应力。,全程压缩曲线,2020/5/4,80,C点后有残余应变，反复加卸载时，随变形增加，塑性滞环的斜率降低。C点后，可能会出现压应力下的体积增大现象，称此为扩容现象.,2020/5/4,81,岩石的体积应变特性,在压力作用下，岩石发生非线性体积变形可分为三个阶段：1体积减小阶段：弹性阶段内，体积变形呈线性变化。2体积不变阶段：岩石体积虽有变形，但应变增量接近于零，即岩石体积大小几乎没变化。3扩容阶段：在塑性段及峰后区，主要是由于裂隙产生、贯穿、滑移、错动、甚至张开造成。,一般岩石：=0.15-0.35，当0.5时，就是扩容。,2020/5/4,82,获取全程试验曲线的处理方法,增加试验机刚度,使用刚性试验机，就没有大量的应变能贮存在试验机内，岩石在超过峰值强度破坏后就不会产生突发性破坏，这样就能获得峰后的变形、强度特征,为了减少在试验过程中软性(soft)试验机的弹性变形及贮存在其中的变形能，就必须增加试验机（钢构件、液压柱）的刚度，为此出现了刚性试验机(stifftestingmachine),2020/5/4,83,采用液压伺服系统,伺服系统能根据岩石破坏和变形情况控制变形速度，使变形速度保持为恒定值。,伺服系统有一个反馈信号系统：检查当前施加的荷载是否保持事先确定的变形速度，否则会自动地调整施加的荷载，以保持变形速度的恒定。,反馈信号响应的时间为2-3s,这个速度远大于裂隙传播速度，因而即使出现过量荷载，裂隙还未来得及传播，荷载就被减小了，岩石破坏得到有效控制。,注意：对于特别坚硬的岩石，除采用带有伺服系统的刚性试验机外，施加一定的围压是必要的，可以使破坏后的岩石变形得到有效控制。,2020/5/4,84,（1）岩石的屈服应力、抗压强度、峰值时的极限应变量、残余强度值显著增大；（2）随围压增大，岩石的力学性质发生转变：弹脆性弹塑性应变硬化（见下页）；,二、岩石在三向压应力下的变形特性,常规三轴压缩试验表明：有围压作用时，岩石的变形性质与单轴压缩时不尽相同。,在三轴压缩下，随着围压的提高：,2020/5/4,85,1）围压为零或较低：脆性状态2）围压50MPa：塑性状态3)围压68.5MPa塑性流动4）围压165MPa应变硬化现象,实例,2020/5/4,86,三、岩石的流变特性,蠕变：应力恒定，岩石应变随时间增大所发生的变形（又称为流变）。松驰：应变恒定，岩石中的应力随时间减少，这种现象称“松驰”。弹性后效：卸载时弹性应变滞后于应力的现象。,岩石变形,蠕变松弛,弹性（可恢复）,塑性（不可恢复）,与时间无关,与时间有关流变,2020/5/4,87,特点：应变率为常量；卸载：有瞬时弹性恢复，弹后，有不可恢复的永久变形。,特点：剧烈增加；曲线；一般此阶段比较短暂。,、初始蠕变阶段（AB减速蠕变阶段）,、稳定蠕变阶段（BC等速蠕变阶段）,、非稳定蠕变阶段（蠕变破坏阶段）,特点：有瞬时应变（OA）；，随时间增长而减小；卸载后，有部分瞬时弹性变形（PQ）恢复，接着产生弹性后效，变形逐渐恢复。,（一）岩石的蠕变性质,1、典型的蠕变曲线（分三阶段）,2020/5/4,88,2、长期强度的的确定方法,(,t),方法二,方法一,岩石强度随外荷载作用时间延长而降低(相对于瞬时强度)，通常把作用时间t的强度称为岩石的长期强度,长期强度的确定方法由破坏-t关系曲线的水平渐近线获t的强度由蠕变试验作等时(-)曲线获t的强度,长时恒载蠕变破坏试验曲线,2020/5/4,89,(1)立即松弛变形保持恒定后，应力立即消失到零，这时松弛曲线与轴重合，如曲线6。(2)完全松弛变形保持恒定后，应力逐渐消失，直到应力为零，如曲线5、4。(3)不完全松弛变形保持恒定后，应力逐渐松弛，但最终不能完全消失，而趋于某一定值，如曲线3、2。(4)此外，还有一种极端情况：变形保持恒定后应力始终不变，即不松弛，松弛曲线平行于t轴，如曲线1。,（二）岩石的松弛性质,松弛特性可划分为三种类型：,返回,2020/5/4,90,第四节岩石的强度理论,一、莫尔强度理论（Mohr1900年提出，莫尔强度准则）,（一）基本思想,以脆性材料（铸铁）试验数据（单、三）统计分析为基础,由于剪应力达到f（取决于正应力和材料特性）使岩石产生剪切破坏,莫尔极限应力圆包络线,（二）强度曲线莫尔包络线,表达式：,1,3,2020/5/4,91,材料破坏判别,用莫尔包络线判别材料的破坏,2020/5/4,92,莫尔包络线向应力增大的方向开放，说明三向等压应力状态下岩石不破坏；受拉区闭合，说明受三向等拉应力时岩石破坏；单向抗拉区小于单向抗压区；,特点,莫尔包络线（多种形式）,没有考虑中间主应力2对岩石强度的影响；,2020/5/4,93,（2）破坏机理：（基本思想不一样）材料属于压剪破坏，剪切破坏力的一部分用来克服与正应力无关的粘聚力，使材料颗粒间脱离联系；另一部分剪切破坏力用来克服与正应力成正比的摩擦力，使面内错动而最终破坏。,（3）数学表达式：,内摩擦系数,（1）实验基础：岩土材料压剪或三轴试验。,c粘聚力,（三）库伦莫尔强度理论（CACoulomb准则,1773年）,库仑莫尔强度条件,是莫尔准则的一特例（拟合成直线）简洁、应用简便,intrinsic,2020/5/4,94,破坏方向角,破坏判定：,1,1n,力的分解,2,2020/5/4,95,（4）主应力表示,（2-42）,由式（2-42）推出：,（2-43）,令,称为塑性指数；,当,时，,；,（5）缺点：忽略了中间主应力的影响（中主应力对强度影响在15%左右）,所以,则,2020/5/4,96,三、格里菲斯准则（Griffth1921）,断裂力学21年提出，70年代应用于岩石力学领域,（1）实验基础：玻璃材料中的微裂纹张拉扩展，连接，贯通，最后导致材料破坏试验。,（2）基本思想：在脆性材料的内部存在许多随机分布的裂纹，在外力作用下，裂纹周围、特别是裂纹尖端会产生应力集中现象，其中有一个方向最有利于裂纹扩展，当超过材料的抗拉强度时，裂纹首先在该方向产生张拉扩展。,2020/5/4,97,两个关键点：1.最大应力集中点（危险点）；2.最容易破坏的裂隙方向。,在压应力条件下裂隙开裂及扩展方向,带椭圆孔薄板的孔边应力集中问题,示意图,2020/5/4,98,数学式,Griffth准则几何表示,最有利破裂的方向角,（3）Griffth（张拉）准则,在坐标下当时，即压拉强度比为8。,2020/5/4,99,Griffh准则是针对玻璃等脆性材料提出来的，材料的破坏机理是拉伸破坏，因而只适用于脆性岩石的破坏，对于一般岩石材料，莫尔库仑准则更适用。另外，在岩石力学中，还会遇到Drucker-Prager准则、Hoek-Brown准则和Mises准则。,返回,2020/5/4,100,【作业】：,1.测得某岩石中一点的最大主应力1=61.2MPa，最小主应力3=-9.1MPa，并且已知岩体的单轴抗拉强度为t=-8.7MPa，内聚力c50MPa，内摩擦角57，试分别基于莫尔强度和格里菲斯强度准则判断岩体破坏与否？,2020/5/4,101,1、在岩石单向抗压强度试验中，岩石试件高与直径的比值h/d和试件端面与承压板之间的磨擦力在下列哪种组合下，最容易使试件呈现锥形破裂。（）（A）h/d较大，磨擦力很小（B）h/d较小，磨擦力很大（C）h/d的值和磨擦力的值都较大（D）h/d的值和磨擦力的值都较小,选择题,2020/5/4,102,2、岩石的弹性模量一般指（）。（A）弹性变形曲线的斜率（B）割线模量（C）切线模量（D）割线模量、切线模量及平均模量中的任一种3、岩石的割线模量和切线模量计算时的应力水平为（）。（A）(B)（C）(D）,2020/5/4,103,4、由于岩石的抗压强度远大于它的抗拉强度，所以岩石属于（）。（A）脆性材料（B）延性材料（C）坚硬材料（D）脆性材料，但围压较大时，会呈现延性特征5、剪胀（或扩容）表示（）。（A）岩石体积不断减少的现象（B）裂隙逐渐闭合的一种现象（C）裂隙逐渐涨开的一种现象（D）岩石的体积随压应力的增大逐渐增大的现象,2020/5/4,104,6、剪胀（或扩容）发生的原因是由于（）（A）岩石内部裂隙闭合引起的（B）压应力过大引起的（C）岩石的强度大小引起的（D）岩石内部裂隙逐渐张开的贯通引起的7、岩石的抗压强度随着围岩的增大（）。（A）而增大（B）而减小（C）保持不变（D）会发生突变8、劈裂试验得出的岩石强度表示岩石的（）。（A）抗压强度（B）抗拉强度（C）单轴抗拉强度（D）剪切强度,2020/5/4,105,9、格里菲斯强度准则不能作为岩石的宏观破坏准则的原因是（）。（A）它不是针对岩石材料的破坏准则（B）它认为材料的破坏是由于拉应力所致（C）它没有考虑岩石的非均质特征（D）它没有考虑岩石中的大量伸长裂隙及其相互作用10、岩石的吸水率是指（）。（A）岩石试件吸入水的重量和岩石天然重量之比（B）岩石试件吸入水的重量和岩石干重量之比（C）岩石试件吸入水的重量和岩石饱和重量之比（D）岩石试件天然重量和岩石饱和重量之比,2020/5/4,106,12、当岩石处于三向应力状态且比较大的时候，一般应将岩石考虑为（）。（A）弹性体（B）塑性体（C）弹塑性体（D）完全弹性体13、在岩石抗压强度试验中，若加荷速率增大，则岩石的抗压强度（）。（A）增大（B）减小（C）不变（D）无法判断,2020/5/4,107,14、按照库仑莫尔强度理论，若岩石强度曲线是一条直线，则岩石破坏时破裂面与最大主应力作用方向的夹角为（）。（A）45（B）（C）（D）6015、在岩石的含水率试验中，试件烘干时应将温度控制在（）。（A）95105（B）100105（C）100110（D）10511016、按照格理菲斯强度理论，脆性岩体破坏主要原因是（）。（A）受拉破坏（B）受压破坏（C）弯曲破坏（D）剪切破坏,2020/5/4,108,17、在缺乏试验资料时，一般取岩石抗拉强度为抗压强度的（）（A）1/21/5（B）1/101/50（C）25倍（D）1050倍18、某岩石试件相对密度ds=2.60，孔隙比e=0.05，则该岩石的干密度d为（）（A）2.45（B）2.46（C）2.47（D）2.4819、下列研究岩石弹性、塑性和粘性等力学性质的理想力学模型中，哪一种被称为凯尔文模型？（）,2020/5/4,109,（A）弹簧模型（B）缓冲模型（C）弹簧与缓冲器并联（D）弹簧与缓冲器串联20、格里菲斯准则认为岩石的破坏是由于（）。（A）拉应力引起的拉裂破坏（B）压应力引起的剪切破坏（C）压应力引起的拉裂破坏（D）剪应力引起的剪切破坏,2020/5/4,110,参考答案,1、B2、D3、B4、D5、D6、D7、A8、B9、D10、B11、A12、B13、A14、C15、D16、A17、B18、D19、C20、A,返回,第三章岩体的力学特性,本章内容3.1概述3.2岩体结构基本类型；3.3岩体的结构面及其自然特征；3.4结构面的力学性质3.5岩体的变形性质3.6岩体的强度特性3.7岩体的水力学性质3.8岩体质量评价及其分类基本要求了解岩体结构的基本类型，理解岩体结构面特征；掌握结构面的力学性质及岩体的变形性质；理解岩体的强度特性，了解岩体的水力学性质；掌握岩体质量评价及其分类方法；,第三章岩体的力学性质,第一节概述第二节岩体结构的基本类型第三节岩体的结构面及其自然特征第四节结构面的力学性质第五节岩体的变形性质第六节岩体的强度特性第七节岩体的水力学性质第八节岩体质量评价及其分类,主要内容,岩体=结构面（弱面）+结构体（岩石块体）结构面：断层、褶皱、节理统称,影响岩体力学性质的基本因素：结构体(岩石)力学性质、结构面力学性质、岩体结构力学效应和环境因素(特别是水和地应力的作用),3.1概述,3.2岩体结构的基本类型（地质学、复习、了解）,3.3岩体中的结构面及自然特征,次生结构面,3.3.1结构面类型（自学、了解、提问）,火成结构面沉积结构面变质结构面,成因及类型,原生结构面,构造结构面,断层节理劈理,3.3.2结构面的自然特征,1.充填胶结特征,几何形态特征,有充填,无充填,薄膜充填（2mm以下）断续充填连续充填厚层充填（数十厘米至数米）,平直型波浪型锯齿型台阶型,凹凸度（量化指标）,起伏度（起伏角i)粗糙度(五级）,2.,3.空间分布特征,产状（即方位）及其变化,延展性密集程度组合关系,结构面的产状及其变化：结构面的走向与倾向及其变化,结构面的延展性：结构面在某一方向上的连续性或结构面连续段长短的程度。分为非贯通性的、半贯通性及贯通性的结构面,结构面的密集程度,设取样线长度为l，在l上出现的节理条数为n，则节理之间的平均间距为,裂隙度K切割度Xe,20m,实例：k=4/20=0.2/md=1/k=5m,a.单组节理(具有同一走向）,（1）裂隙度K:同一组结构面沿法线方向单位长度上的节理数量,d180cm整体结构d=30180块状结构d30破裂结构d1，平均水平应力系数多为0.81.5，深部趋近1。,地应力主要成分,4.3地应力的分布规律,1地应力是一个具有相对稳定性的非稳定应力场，它是时间和空间的函数。2实测垂直应力基本等于上覆岩层的重量。3水平应力普遍大于垂直应力。4平均水平应力与垂直应力的比值随深度增加而减小，但在不同地区，变化的速度很不相同。5最大水平主应力和最小水平主应力随深度呈线性增长关系（实测）。6最大水平主应力和最小水平主应力之值一般相差较大，显示出很强的方向性。7.地应力的上述分布规律还会受到地形、地表剥蚀、风化、岩体结构特征、岩体力学性质、温度、地下水等因素的影响，特别是地形和断层的扰动影响最大。,4.4地应力的测量方法,直接测量法间接测量法,直接测量法：由测量仪器直接测量和记录各种应力量，如补偿应力、恢复应力、平衡应力，并由这些应力量和原岩应力的相互关系，通过计算获得原岩应力值。扁千斤顶法、水压致裂法、刚性包体应力计法和声发射法均属直接测量法。,间接测量法：借助某些传感元件或某些介质，测量和记录岩体中某些与应力有关的间接物理量的变化，然后通过已知的换算公式计算岩体中的应力值。因此，在计算应力时，必须首先确定岩体的某些物理力学性质以及所测物理量和应力的相互关系。套孔应力解除法和其他的应力或应变解除方法以及地球物理方法等都是常用的间接测量法，其中套孔应力解除法应用最为普遍且发展较为成熟。,1水压致裂法,（1）测量原理,由弹性力学可知：无限体中的一个圆形钻孔受到无穷远处二维应力场(1，2)，其钻孔周边的切向应力和径向应力r为：,周边一点与1轴的夹角,当0时，取得极小值，321,当水压达到,孔壁发生初始开裂,当继续注水使裂隙深度扩展至3倍钻孔直径时，此处已接近原岩应力状态,停止加压，保持压力恒定，记此时压力为Ps,(A),无限体圆形钻孔平面应变受力状态,假设钻孔中存在压力P0的裂隙水时，则初始开裂压力Pi,在初始裂隙产生后，将水压卸除，使裂隙闭合，然后重新注水加压，使裂隙重新打开，记裂隙重开的压力为Pr,(B),(2)测量步骤,1）打钻孔到准备测量应力的部位，用封闭器封闭待加压段。2）向封闭段注水加压，记录初始开裂压力Pi；继续加压注水，使裂隙扩张至3倍钻孔直径，关闭高压系统，保持水压恒定，记录此时关闭压力Ps；最后卸压，使裂隙闭合。3）重新向封闭段注水加压，记录裂隙重新打开的压力Pr和随后的恒定关闭压力PS；重复此加压卸压的过程23次。4）完全卸压，取出全部设备。5）采用印模器等设备测量水压致裂裂隙的位置、方向和大小。,点评（直接法）,优点：(1)设备简单。只需用普通钻探方法打钻孔，用双止水装置密封，用液压泵通过压裂装置压裂岩体，不需要复杂的电磁测量设备。(2)操作方便只通过液压泵向钻孔内注液以压裂岩体，观测压裂过程中泵压、液量即可。(3)测值直观。它可根据压裂时泵压(初始开裂泵压、稳定开裂泵压、关闭压力、开启压力)计算出地应力值，不需要复杂的换算及辅助测试，同时还可求得岩体抗拉强度。(4)测值代表性大。所测得的地应力值及岩体抗拉强度是代表较大范围内的平均值，有较好的代表性。(5)适应性强。这一方法不需要电磁测量元件，不怕潮湿，可在干孔及孔中有水条件下作试验，不怕电磁干扰，不怕震动。因此，这一方法越来越受到重视和推广。缺点：(1)准确的说，是一个二维地应力测量方法，它是假定钻孔方向是一个主应力方向，因为一般垂直地应力是一个主应力，所以可以测另两个（原岩）主应力；(2)主应力方向定得不准，适用于完整脆性岩体二维地应力测量（P145蔡）,（3）水压致裂法的优缺点,2声发射法,（1）测试原理,材料在受到外荷载作用发生破坏时，其内部贮存的应变能快速释放产生弹性波，从而发出声响，称为。1950年，德国人凯泽(JKaiser)发现多晶金属的应力从其历史最高水平释放后，再重新加载，当应力未达到先前最大应力值时，很少有声发射产生，而当应力达到和超过历史最高水平后，则大量产生声发射，这一现象叫做。从很少产生声发射到大量产生声发射的转折点称为，该点对应的应力即为材料先前受到的最大应力。后来国外许多学者证实了在岩石压缩试验中也存在凯泽效应，许多岩石如花岗岩、大理岩、石英岩、砂岩、辉长岩、闪长岩、片麻岩、辉绿岩、灰岩、砾岩等也具有显著的凯泽效应，从而为应用这一技术测定岩体初始应力奠定了基础。,凯泽效应为测量岩石应力提供了一个途径，即如果从原岩中取回定向的岩石试件，通过进行加载声发射试验，即可找出每个试件以前所受的最大应力，并进而求出取样点的原始(历史)三维应力状态。,声发射,凯泽效应,凯泽点,加工不同方向的岩石试件,测定凯泽点,(2)测试步骤,1）试样制备现场钻孔提取岩样，岩样在原环境中的方向必须确定。将岩样加工成圆柱体试件，高径比为2：1-3：1。沿测点的六个不同方向制备试件。为了获得测试数据的统计规律，每个方向的试件为15-25块。为了消除由于试件端部与压力试验机上、下压头之间摩擦所产生的噪声和试件端部应力集中，试件两端可浇铸由环氧树脂或其他复合材料制成的端帽。,2)声发射测试加压试件并同时监测产生的声发射现象。附图421,(3)计算地应力由每次试验得到的凯泽点可以确定该试件轴线方向先前受到的最大应力值。1525个试件获得一个方向的统计结果，六个方向的应力值即可确定取样点的历史最大三维应力大小和方向。,注意：高强度的脆性岩石具有较明显的声发射凯泽效应，而多孔隙低强度及塑性岩体的凯泽效应不明显，不能用声发射法测定比较软弱疏松岩体中的应力。,基本原理：人为地将需要测定岩体地应力状态处的岩体单元与周围岩体分离，此时岩体单元上所受的应力被解除，将产生弹性恢复。应用一定的仪器测定弹性恢复的应变值或变形值，根据连续、均质和各向同性的线弹性理论的解答来计算岩体单元所受的应力状态。,3应力解除法,岩体应力测量中应用较广的方法,适用条件：各种岩体条件，包括较为破碎的岩体。其测量和计算都较复杂。（略）,(一）孔底应力解除法（自学，P109图4-13）,(1)测量原理:进行岩体中某点应力量测时，先向该点钻进一定深度的超前小孔，在此小钻孔中埋设钻孔传感器，再通过钻取一段同心的管状岩芯而使应力解除，根据恢复应变及岩石的弹性常数，即可求得该点的应力状态。,（二）套孔应力解除法,发展时间最长，技术比较成熟；在适用性和可靠性方面，目前还没哪种方法可以和应力解除法相比。,(2)测量步骤：附图3-12P149蔡,1）打大孔：从岩体表面打大孔至岩体应力测量部位，磨平孔底，清洗钻孔；大孔直径一般为130150mm，大孔深度为巷道跨度的2.5倍以上，一定的同心度；2）打小孔并放水冲洗钻孔：小孔直径由选用探头直径决定，一般为3638mm，小孔深度一般为孔径的10倍左右。3）安装测量探头至小孔中央部位：4）岩石打孔，实现应力解除：通过量测系统（测量探头等）测得的小孔变形或应变，根据有关计算公式求出小孔周围原岩应力。,(3)适用范围：,因为该方法要求取出足够长的完整岩芯，一方面是保障直径变化测量的可靠性，确保处于弹性状态，弹性理论才是适用的；另一方面要用它测定岩石的弹性模量。,该方法要求在取得完整岩芯的岩体中进行，一般至少要能取出达到大孔直径2倍长度的岩芯，因此在破碎和弱面多的岩体中，或在极高的原岩应力区岩芯发生“饼状”断裂的情况下不宜使用。,1）刚性测量探头不适于应力接触测量，因为它对应力解除过程种的小孔变形或应变有限制或约束，影响套孔岩芯种的应力释放。2）要得到岩体全应力的六个独立的应力分量，需要有三个不用方向的钻孔进行测量。,(4)注意：,4应力恢复法（直接法，与应力解除法区别）,(1)适用范围：仅用于岩体表层，当已知某岩体中的主应力方向时，采用本方法较为方便。,(2)基本原理：在与所测应力1垂直方向上开应力解除槽，槽上下附近周围应力得到部分解除，重新分布。若把槽看作一条缝，根据H.N穆斯海里什维理论，则槽中垂线OA上的应力状态为：,1x,1y：OA线上某点B的应力分量：B点离槽中心O距离的倒数。,在槽中埋设压力枕，通过压力枕对槽加压，如施加压力为p，则在OA直线上某点B的应力分量为：,x=1x+2x=2y=1y+2y=1,当压力枕所施加的力p=1时，这时B点的总应力分量为：,(3)测试步骤：,2)记录量测元件应变计的初始读数。3)开凿解除槽，记录应变计读数。4)埋设压力枕，并用水泥砂浆充填空隙。5)达到一定强度以后，连接油泵，施压。随着加压p的增加，岩体变形逐步恢复。逐点记录压力p与恢复变形(应变)的关系。6)假设岩体为理想弹性体，当应变计恢复到初始读数时，此时施加的压力p即为所求岩体的主应力。,1)选定试验点，在预开解除槽（宽B,深B2)的中垂线上安装测量元件（B3）。测量元件可以是千分表、钢弦应变计或电阻应变片等。,掌握次生应力的概念了解深埋圆形洞室二次应力状态的弹性分布了解椭圆形及矩形巷道周边应力状态了解古典和现代地压理论掌握围岩与支护共同作用原理掌握维护地下工程稳定的基本原则了解地下工程的监测,第五章岩石地下工程,本章主要内容及要求：,具有一定断面和尺寸，在地应力条件下构筑的洞室；地下工程结构载荷不确定性；受开挖影响，原岩应力重新分布（次生应力场）；地下工程周围岩体(围岩)的稳定性决定着地下工程的安全和正常使用。,5.1概述,1地下工程定义：,岩石地下工程是指在地下岩石中开挖并临时或永久修建的各种工程，（如地下井巷、隧道、地下仓库，地下发电厂，地下飞机等）。,2地下工程特点：（P117，表5-1),与地面工程所处环境条件截然不同,围岩：应力重分布影响范围的岩石,稳定：在服务年限内，安全所需最小断面得以保证,地下工程自身影响达不到地表的，称为深埋。反之浅埋,当埋深大于或等于巷道半径R0(或其宽、高)的20倍以上时，巷道影响范围（35R0）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）；,深埋地下工程的特点为：,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；,3地下工程分类,3.1按地下工程影响范围分类,深埋的水平巷道长度较大时，可作为平面应变问题处理。,3.2地下工程稳定性分类,自稳：不需要支护围岩自身能保持长期稳定,人工稳定：需要支护才能保持围岩稳定,稳定问题,4地下工程的实质：,在巷道侧帮，愈接近自由表面，径向应力越小，至洞壁处变为零；切向应力愈大，至洞壁处达最高值，即产生所谓压应力集中。在巷道顶部，愈接近自由表面，切向应力愈低，有时甚至于在洞壁附近出现拉应力，产生所谓拉应力集中。,理论与实验表明：地下洞室开挖，洞壁处的应力集中现象最明显；地下工程围岩应力重分布特点主要取决于地下工程的形状和岩体的初始应力状态。,围岩应力重分布主要特征(圆形巷道）：,=0.25,=0.25,在应用解析方法时，对于不同的物理状态应选用不同的物理关系式：,对于地下工程围岩能够自稳，围岩状态一般处于全应力应变曲线的峰前段，可采用变形体力学方法。,(当岩体的应力不超过弹性范围时，最适宜用弹性力学方法；否则宜采用弹塑性力学或损伤力学方法。),当围岩应力进入峰后段，岩体可能发生刚体滑移或者张裂状态，变形体方法不适宜，宜采用块体力学或一些初等力学方法。,5.3地下工程围岩应力分析,1弹性应力分析2弹塑性应力分析（轴对称圆巷）,5.3地下工程围岩应力分析,轴对称圆形巷道问题一般圆巷道弹性应力分析椭圆巷道弹性应力分析矩形和其它形状巷道周边弹性应力,1弹性应力分析,轴对称圆形巷道问题基本假设1)轴对称条件：圆形巷道，地应力呈静水压力分布2)线弹性平面问题条件均质各向同性、线弹性岩体长巷道（平面应变）3)无限体问题条件(深埋,Z20R0),弹性力学：轴对称平面应变圆孔问题,1)通解：r/=AB/r22)边界条件：,基本方法：弹性力学问题通解+定值(边界)条件,基本方程：,平衡方程：,几何方程：,本构方程（平面应变）：,待求：,r，r=p0;r=R0,r=0,3)解析解：,1)次生应力场也是轴对称场(与无关)；2）巷道周边处于单轴受压(r=0)状态，并有最大应力集中(=2p0，即应力集中系数k=2)，且与巷道半径大小无关；3)如岩石是弹脆性材料，当=Sc（单轴抗压强度）时巷道周边岩石将发生破坏；4)新应力场分布和弹性常数E，无关，与相对半径的平方(R0/r)2相关；巷道影响范围为(35)R0。,讨论：,应力重分布结果,次生应力场,计算模型,I轴对称,II,基本方法：弹性力学迭加原理,Z20R0,一般圆巷弹性应力分析,讨论：1)当=1时，公式和轴对称情况一致；,基尔希(G.Kisrch)解析解公式（1898）：,(公式5-3，p.125),2)周边应力（r=R0）：径向应力r=0,剪应力r=0切向应力与有关，不再轴对称分布。当1时，坐标轴转动900后，讨论同上；可见，值对洞室周边切向应力分布起着决定性作用(见下页图示),椭圆巷道弹性应力分析讨论椭圆巷道的意义：维护巷道椭圆巷道周边弹性应力公式：（p.128,公式5-14）,k为椭圆轴比，k=b/a;为洞室周边某一计算点和椭圆中心连线与垂直轴的夹角。,显然，与P，k，有关。,2）当不能满足最佳轴比，若能找到满足不出现拉应力的轴比，即零应力（无拉应力）轴比也是很不错的。方法：通常使巷道顶点和两帮中点要害处切向应力为0。结论：当1时，横轴顶端最危险，k2/(-1)。,讨论：,1）如果巷道周边切向应力处处相等，即与无关，对地下工程稳定无疑是有利的（均匀受力，不产生应力集中）。,方法：对公式5-14求导，得：k=1/进而得极值：=p0+p0（与无关，处处相等）当周边切向应力均匀分布时的椭圆长短轴之比称为等应力轴比。则k=1/就为等应力轴比，也称为最佳轴比，此时，椭圆长轴与最大地应力方向一致(巷道维护）。,基本方法：弹性力学复变函数方法一般特点：周边应力大小与弹性常数E，无关,与巷道断面的绝对尺寸无关。直线段容易出现拉应力；拐角处容易有应力集中。应用方法：查表(P318蔡表6-1)计算(数值方法),矩形和其它形状巷道周边弹性应力,III,2弹塑性应力分析,弹性区方程：,塑性区方程：,塑性指数,基本假设：轴对称问题，理想弹塑性围岩围岩状态分布：原岩应力区(I)-弹性高应力区(II)-塑性区(III),基本方程：,边界条件：r=R0r=0；r，=p0弹塑性边界r=Rp：re=rp、e=p结论：弹性区：塑性区：塑性半径：,有支护时：,通解特解解答,两个方程两个未知数,讨论：1)塑性区内应力分布情况和p0无关，且各点应力圆和强度曲线相切；2)RP和p0成为正变关系，和R0成正比关系；3)P1=0时，RP有最大值4)RP和岩石性质有关。,概述岩石会破碎，围岩可能出现两种极限情况：1)支护及时作用，围岩变形受到支护作用而平衡2)支护不及时，围岩破碎冒落；共同作用原理（P130,贺）概念：支护所受压力和所产生的变形来自破裂岩体对支护的作用，反过来，支护以自己的刚度和强度抑制岩体变形和破碎的进一步发展。这种相互耦合或相互影响的情况称为“围岩支护共同作用”。,5.3围岩压力与控制,1围岩支护共同作用原理,围岩-支护共同作用原理,围岩既是生产支护荷载的主体，又是承受岩层荷载的结构，支护-围岩作为整体相互作用，共同承担围岩压力。摒弃了过去岩体作为对支护结构的荷载采用厚衬砌的传统做法。围岩压力是变形压力和松动压力的组合，大部分压力(特别是变形压力)由围岩自身承担，只有少部分转移到支护结构上；支护荷载既取决于围岩的性质，又取决于支护结构的刚度和支护时间；围岩的松动区和围岩内的二次应力状态又与支护结构的性质和支护时间有关。,支护压力是支护结构与围岩之间相互作用、共同变形的产物。支护压力的大小不仅与围岩性质及变形有关，还与支护时机及支护结构的刚度有关。支护越早、支护刚度越大，越能有效抑制岩体变形，但支护压力较大；适当延后支护，或降低支护结构的刚度，允许岩体剪胀变形得到一定程度的发展，支护压力将较小，对支护材料的要求降低。,围岩特性曲线,支护-围岩共同作用原理图,广义地压与狭义地压的含义与区别（围岩支护共同作用原理）,2地压计算,普氏地压学说基本假设：岩石“变成”砂；围岩塌落成拱形。普氏系数(似内摩擦系数)代替强度含义普氏系数：f=tan/=c/10c为岩石单轴抗压强度(MPa),古