岩石力学复习资料终极版

1、岩石力学复习总纲Y冬极版岩石力学的定义：岩石力学是研究岩石的力学性状的一门理论科学，同时也是应用科学，他 是力学的一个分支，研究岩石对于各种无力环境的立场所产生的效应。第一章岩块变形与强度*岩石的比重与容重：容重：是指单位体积（包括孔体积）岩石的重量。比重：是岩石试件内固体部分实体积（不包括孔隙体积）的重量与同体积水重量的比重。岩石的密度：岩石试件的质量与试件的体积之比，即单位体积包括岩石中孔朗体积）内岩石 的质量。孔隙率n：是指孔隙的体积匕与试件总体积V的比值.以百分率表示。n = K x 100%VV岩石的孔隙比：是指孔隙的体积匕八与固体体积匕之比，e =苻S*岩石孔隙性：指岩石中孔隙与裂

2、隙发育程度，常用空隙度表示。空隙度：指岩石中各种孔隙、裂隙体积的总和与岩石总体积之比。空隙度对岩石性质的影响：*空隙度增大，岩石的容重与强度降低；*塑性与渗透性增加。*岩石的吸水性：是指遇水不崩解的岩石,在一定的实验条件下,（规定的试样尺寸和试验压 力）吸入水分的能力.自然吸水率:试件在大气压力作用下，吸入水分的重量与试件的烘干重量之比户Gw/Gd*100%影响因素分析:取决于岩石所含孔隙、裂隙数量、大小及其张开度，吸水率试验方法和时间因素。*岩石的透水性：指岩石被水穿过的性能；影响因素:地下水水头、应力状态、裂隙度、 孔隙大小及其连通程度。*水对岩石的作用力学作用：静水压作用，改变了岩体的受

3、力状况,使岩体有效应力减小，降低了抗剪强度=（-u）tg + C动水压作用表现在冲刷与管涌.物理化学作用：软化、泥化、膨胀、溶蚀作用。软化系数：=Raw/Rc岩石的软化：岩石浸水饱和后强度降低的性质，称为软化性，用软化系数KR）表示。KR 定义为岩石试件的饱和抗压强度（Rcw）与干压强度的比值岩石的抗冻性：岩石抵抗冻融破坏的能力岩石的膨胀性：是指岩石浸水后体积增大的性质岩石的强度岩石的破坏形式：脆性破坏延性破坏弱面剪切破坏。强度的概念 是指载荷作用之下岩石抵抗破坏的能力试验方法及计算P22 24 25*岩石的全应力应变曲线：反映单轴压缩岩石试件在破坏前后全过程的应力应变关系的曲线。*特性：各阶

4、段见P7图和表格*岩石的抗拉抗压强度试验：间接拉伸（劈裂法）弹性模量泊松比P8 9泊松比岩石的横向应变 x与纵向应变 y之比称为泊松比岩石的三维变形特性P12单向与三维状态的区别：在三维状态下应力应变有哪些变化：岩石强度理论：研究岩石在复杂应力状态下的破坏原因规律及强度条件的理论*岩石强度准则*应力强度准则:b1=f（b2,b3,岩石强度参数）或F（b1 ,b2,b3,岩石强度参数）=0应变强度准则:1=f（s2, 3,岩石强度参数）或F（1,2, 3,岩石强度参数）=0*）库仑-莫尔强度准则（Coulomb-Mohrs）基本假设：岩石的剪切破裂发生是某一平面剪应力超过了岩石的内聚力和法向应力

5、引 起的摩擦力之抵抗.库仑准则：=C + n tg莫尔准则：=f（）图见书上P28基本假设的讨论:破坏形式是剪切破坏;与中间主应力无关;沿一平面剪坏，该平面通过中间主应力方向.以主应力形式表达的库仑-莫尔强度准则b = 2Ccos 甲 b 1+sin甲 O SUTO 1+sinp B +Q tHU以1 1-sin p 3 1-sin p 13 1-sinpc 3库仑-莫尔强度理论的应用I）判断岩石是否发生破坏，屈服函数F=F（o）0破坏II）预测破坏面的方向剪切破坏面与最大主应力平面夹角为a=45o+p/2,与最小主应力平面成a=45O-p/2剪切破裂面是对称共轭的一对.即X型节理.III）确

6、定岩石单轴抗压强度，抗拉强度，抗剪强度及其相互关系S 2/1 + si p 2Ccos pCA/ 1-si p 1-si p画摩尔圆摩尔准则的扩展：2）Drucker-Prager准则,1925 本质上是库仑-莫尔准则与Mises准则的扩展和推广，它考虑了中间主应力的影响和岩石材 料在静水压力下也能屈服的现象.*岩石的破坏形式有三种类型：a、脆性破坏b、延性破坏c、弱面剪切破坏脆性断裂破坏：大多数坚硬岩石在一定条件下都表现出脆性破坏的性质。也就是说，这些岩石在荷载 作用下没有显著觉察的变形就突然破坏。产生这种破坏的原因可能是岩石中裂隙发生 和发展的结果延性破坏：岩石在破坏之前变形很大，且没有明

7、显的破坏荷载，表现出显著的塑性变形，流动或 挤出，这种破坏称为延性或韧性破坏。塑性变形是岩石内结晶晶格结位的结果。在一些软弱 岩石中这种破坏较为明显。有些洞室的底部岩石隆起，两侧围岩向洞内膨胀都属延性破坏的 例子。坚硬岩石一般属于脆性破坏，但在两向或三向受力较大的情况下，或者在高温的影响 下，也可能延性破坏。弱面剪切破坏：岩体中存在着许多软弱结构面，细微裂隙等弱面，在荷载作用下，弱面上的剪应力一 旦超过弱面的抗剪强度时，岩体将弱面剪切破坏，致使岩体产生滑移二岩石的时间效应与流变性质*蠕变：研究在恒定载荷作用下，随着时间的延续，岩石的变形情况.=const, =(t)*松弛:在恒定变形条件下,岩

8、石的应力随时间的变化, =const, b = b(t)弹性后效:指加卸载后经一段时间应变才增加(或减少)到应有的数值的现象.*构件模型：牛顿体：弹簧体：*蠕变的三个水平及三个阶段：图见P38稳定蠕变：在一定的应力水平下，蠕变变形逐渐减小，最终达到一极限值，称做稳定蠕变.不稳定蠕变：当载荷较大时，蠕变不能趋于一稳定极限值,而是无限增长，直至破坏.临界应力：维持稳定蠕变的最大应力，也称此为长期强度.模型类型经验公式、组合模型、积分形式、微分模型(1)经验公式：幂函数型 (t) = Atn对数型 (t) 二 + Blogt + Dt指数型 (t) = A1- exp(f(t)岩石蠕变本构模型见教材

9、软岩：在高地应力、地下水和强风化作用下，具有显著渗流、膨胀、或崩解性的软弱、破 碎、风化和节理化围岩，简称为不稳定围岩岩体。*弱面：岩石内部的微裂隙、节理、断层等结构上的缺陷*张开度：同一弱面的两个岩壁面之间的垂直距离。*岩石与岩体的差异：结构方面：岩块-含岩石材料及微小节理；岩体-含岩块及多组较大的节理。力学性质方面：岩体比岩块：弹模小、峰值强度低、残值强度低；变形（蠕变）大、泊 松比大。P69*弱面强度：主要指垂直于节理的抗压及顺节理的抗剪强度。六原岩应力*原岩应力：指地壳岩体内某一点未被工程扰动的当前天然应力或原始应。次生应力：受地下工程扰动后，岩体内原岩应力状态被破坏，将发生应力重分布

10、，进而形成 的应力称为次生应力或叫诱发应力。*自重应力：形成：地球引力作用特点：1）垂直与水平应力均为压应力，水平应力由垂直应力诱导产生，无剪应力；2）自重应力场是稳定应力场，不是时间的函数.*自重应力场的特点：1）自重应力场中，铅垂应力随深度呈线性增加；2）在线弹性岩体中的自重应力场中，岩体的侧压系数随深度增加而增加，深度小于300m时，水平应力仅为垂直应力的10-20%,在2000M,二者相等.为静水压应力场.3）在粘弹性或粘性岩体中，不论深度如何,侧压系数均为1.自重应力场均为静水应力场.*原岩应力场的一般规律：P891）地壳中主应力为压应力，方向基本上是铅直和水平的.2）垂直应力随深度

11、呈线性增长.3）水平应力分布特a）绝大部分最大水平应力大于垂直应力bh/ bZ=0.5-5.5,大部分在0.9-1.2之间b）第一水平主应力接近水平，它与水平面的夹角小于30度.C）两水平应力不相等,具有明显的方向性.bhmax/ bHmin=1.4-3.34）原岩应力分布是不均匀的，构造应力是造成原岩应力不均匀分布的主要因素#原岩应力的测试方法P90应力解除法：孔径变形法、孔底应变法、孔壁应变法、空心包体应变法 应力恢复法：主要测定表明应力，有钻孔壁面恢复法、切槽壁面恢复法（千斤顶法） 水压致裂法：声发射法反分析法#水压致裂法水压致裂法是二十世纪七十年代初期从石油钻井探采用新技术借用而来的测

12、定深部岩 体应力的一种方法。它借助于两个可膨胀的橡胶塞，在需要测定应力的深度上封闭隔离一段 钻孔，并用水压方法对被隔离段孔壁施加压力，直至孔壁岩石受拉破裂，最后根据破裂压力、 封井压力以及橡胶塞套上压痕的方位，确定岩体天然主应力的大小和方位。（1）钻孔（地质勘测）、选段（完整）、分割（气或液）钻孔直径：36、51、76、110、130（2）加液压将孔壁压裂与重张P0一孔隙水压力或地下水压力；Pb一注入钻孔内液压将孔壁压裂的初始压裂压力；Ps一液体进入岩体内连续的将岩体劈裂的液压，称为稳定开裂压力；Ps0-关泵后压力表上保持的压力，称为关闭压力，如围岩渗透性大，该压力降逐渐衰减； Pb0一停泵后

13、重新开泵将裂缝压开的压力，称为开启压力。（3）卸压、提设备、测定开裂方位然后根据测得的压裂过程中泵压表的读数，计算地应力恐Ps，Pb代表含义图压裂过彩泉压变化及特征压力七解析方法应力集中系数P106 k=开巷后应力I开巷前应力=次生应力I原岩应力*围岩与支护共同作用稳定围岩受力产生变形和破坏可能失去稳定，要满足工程需要必须进行支护才能达到稳定， 即破裂岩体加支护的共同体。破裂岩体作用支护体，导致支护体所产生的力和变形。支护体以自身的刚度和强度抑制岩体 的变形和破裂的发展，使破裂的岩体达到新的稳定，这种耦合作用称围岩与支护共同作用 *支护的作用：阻止进入峰后区的破坏岩体不垮落或滑落到地下工程的空

14、间。共同作用的原理P137*地压学说普式地压学说* 普氏岩石坚固性系数ff Ss 岩石的单轴抗压强度（MPa10c修正的普氏岩石坚固性系数ff =头 + S 30 k 3另一种定义：f = tan中中似内摩擦角；tan中似内摩擦系数f = tan 甲S 1 c =10 102C cos 甲1 一 sin 甲挡土墙主动压力-用到巷道周围P137*两帮稳定时普氏顶压计算公式P138*两帮不稳定时的定压的计算P139*岩爆（冲击地压）：采掘扰动，引起围岩应力高度集中，远远超过其缓慢变形破坏的能 量，从而造成围岩体突然破坏，并伴随抛掷、声响、震动、热能、气浪或瓦斯涌出。*岩震（矿震）：处于岩体内部较深

15、位置的大的节理、断层、废弃的采场或煤柱，由于应 力的变化而突然失稳破坏。相对于岩爆来说，其影响范围大，类似与地震。*煤与瓦斯突出发生的原理与岩爆类似，不同的是还增加了瓦斯的能量，突出抛掷的是 煤体，除了地应力集中外还有瓦斯的压力，共同作用造成煤与瓦斯突出地压计算*RQD：影响井巷稳定性的主要因素P195*井巷维护原则（一）、合理利用和充分发挥岩体强度1在充分比较施工和维护稳定两方面经济合理性的基础上，尽量将工程位置设计在岩性好的 岩层中2、避免岩石的损伤3、充分发挥岩体的承载能力4、加固岩体（二）、改善围岩的应力条件1、选择合理的隧道断面形状和尺寸2、选择合现的位置和方向3、”卸压”方法（三）、合理支护（四）、强调监测和信息反馈锚杆作用机理锚杆对围岩的作用，本质上属于三维应力问题，作用机理比较复杂，可以说至今还不 能很好解释锚杆这种良好的效果。一般认为锚杆支护的作用机现主要有悬吊作用、减跨作用、 组合梁作用、组合拱作用和加