1、精選優質文檔-傾情為你奉上巖石力學(rock mechenics)備課講稿緒論一 巖石力學的研究對象:巖體中由于地質構造，重力地熱等作用而形成的內應力（地應力）由于巖石工程的開挖而以變形位移等方式重新分布，從而引起巖石工程發生變形，失穩及破壞，對這一過程進行研究，構成巖石力學的研究對象。二 巖石力學的發展狀況:（1）初始階段（19世紀末-20世紀初）三向應力相等，皆為H。（2）經驗理論階段（20世紀初-20世紀30年代）自然平衡理論，并開始利用材料力學和結構力學方法分析支護結構。（3）經典理論階段（20世紀30年代20世紀60年代）彈力和塑性力學初步引入巖石力學，認為圍巖和支護共同形成穩定機制

2、，并開始考慮機構面對巖體力學穩定的影響，形成兩大學派：連續介質理論和地質力學理論。（4）現代發展階段（20世紀60年代現在）流變力學，斷裂力學，模糊數學，計算機技術，人工智能等現代數學力學理論引入巖石力學。三 巖石力學的基本研究內容和研究方法1 研究內容：巖石和巖體；巖石物質組成和結構特征，巖石的物理、水理、熱力學性質，巖石的基本力學性質；巖體的力學性質及現場測試技術；原巖應力的分布規律及測量技術； 巖體機構面的力學性質；巖體的工程分類；巖體的穩定性的研究。2 理論，實驗及工程經驗總結相結合的方法 工程地質研究方法室內實驗和現場實驗的方法數學力學分析方法綜合系統分析方法四 巖石力學研究的主要問

3、題按工程分類水利水電工程采礦工程交通工程（公路和鐵路）土木建筑工程石油，海洋勘探，地震預報第一章 巖石物理力學性質1.1 巖石的主要物質成分及對巖石抗風化性能的影響（見P13表）1.2 巖石的主要結構類型。結晶結構：主要發生在火成巖，變質巖及部分沉積巖中，強度較大，一般晶粒愈細，愈均勻，則強度愈高。膠結結構：主要發生于部分沉積巖中，像灰巖，粘土巖等。1.3 巖石的容重（） 一般而言，容重愈大，強度愈高，質量愈好。1.4 巖石的孔隙率（n） 1.5 巖石的含水率 (w) w= 1.6 巖石的吸水率（） = 1.7 巖石的透水性：用透水系數定量衡量，見P29表。1.8 巖石的強度（1） 巖石單軸抗

4、壓強度，巖石單軸抗拉強度，巖石抗剪強度，巖石三軸抗壓強度，點載荷強度指標。（2） 影響巖石強度的因素：試件尺寸，形狀，加載速度，濕度，寬高比；試件形狀一般為圓形，D50mm L:D2.53,取樣試件要完整，不含節理和裂隙。（3） 單軸抗壓強度及破壞形式P33= 破壞形式:（4） 單軸抗壓強度試驗裝置（P34,圖1-5）及試驗注意事項：試件與加壓板之間應保持潤滑油以減少端面磨擦力（5） 三軸抗壓強度： 1. 真三軸抗壓強度：對實驗設備要求高，且6個面均有摩擦力，很少做。 2. 偽三軸抗壓強度：圓形，D25150mm L:D=23,施壓方式見P3536 莫爾強度曲線：內聚力c和內摩擦角（將莫爾曲線

5、近似看直線）（6） 點載荷強度指標（Is）：用簡單便攜的設備施壓試件破壞后，Is=p/y2y 的含義見P39圖（為施壓壓力頭之間的距離）Is與的關系：=24Is(50) 50為50mm的圓柱體徑向點荷載試驗。（7） 單軸抗拉強度=Pt/A由于抗拉試驗難度較大，常通過間接的劈裂試驗（P42）獲得：=2P/dt（8） 抗剪強度(So)：常通過P44的4種非限制剪切強度和4種限制性剪切試驗之一獲得。單面剪切試驗：So=/A 雙面剪切試驗：So= /2A 沖擊剪切試驗：So= /2ra扭轉剪切試驗：So=16Mc/ (9)殘余強度：1.9巖石的變形性質 巖石變形的種類:彈性變形(包括線彈性和非線彈性)

6、,塑性變形,粘性變形 單軸壓縮條件下巖石變形特征:OA 空隙壓密階段，A-B彈性變形階段，B-C微破裂穩定發展階段，C-D非穩定，D- 破裂后階段上述應力應變曲線只是一般性概括,隨著巖石種類的不同,其應力應變曲線有明顯特點,大體可有6種類型,見P54圖循環荷載作用下的巖石變形特征:疲勞強度三軸壓縮條件下的巖石變形特征:見P58圖a. 隨著2=3(圍壓)的增加,巖石抗壓強度顯箸增加b. 隨著2=3(圍壓)的增加,巖石的變形顯箸增加c. 隨著2=3(圍壓)的增加, 巖石的彈性極限顯箸增加d. 隨著2=3(圍壓)的增加,巖石的性質由彈脆性向彈塑性轉變巖石的變形指標:定量描敘變形特征的參數.彈性摸量（

7、Et）,變形摸量（Es）泊松比()= 在彈性變形范圍內，通常是一常數 屈服點. 巖石的擴容：指巖石在荷載作用下體積出現增大的性質. 巖石的各向異性：指巖石的力學性質隨方向的不同而不同的性質產生的原因有兩點：非均質，不連續. 影響巖石力學性質的主要因素：水，圍壓，風化a. 水對巖石力學性質的影響：使巖石的強度降低，見69表b. 圍壓對巖石力學性質的影響：使巖石的強度提高c. 風化對巖石力學性質的影響：降低巖石的強度d. 加載速度對巖石力學性質的影響：速度大，測得的強度大第二章 巖體力學性質.概述：巖體的概念：由巖石組成的含有結構面的大三維尺寸地質體結構面（弱面）：由于物質成分不同或不連續面的存在

8、而產生的地質界面，有一定方向和延展性，厚度較小，如層理，節理，片理，褶皺，斷層裂隙等巖體力學性質：指抗外力作用的能力，包括強度特征與變形特征影響巖體力學性質的主要因素：巖石的力學性質，結構面的力學性質，地下水的作用，地應力的作用，巖體結構力學效應.巖體結構的基本類型（大類）78表，按結構體的形狀特點與結構面的特點進行分類.結構面的分類及其充填特征分類：按成因分：8485原生構造結構面，次生構造結構面（由于風化，爆破，地下水作用）；按延展規模分：87充填特征：8485表.結構面的力學性質：包括法向變形，剪切變形，抗剪強度（） 法向變形：結構面受法向載荷(n)作用而產生的法向閉合量(n)n-n的

9、關系見90式（） 剪切變形：在一定法向應力作用下，結構面受剪切應力()而產生的切向變形()。之間的關系見P92圖。（） 抗剪強度： = C+ ( c, 分別為結構面粘結力與摩擦角，為結構面之間的摩擦系數)2.5 巖體的變形特征：a 變形具有方向性。b 圍壓增加，變形模量增加，變形減小。c 破壞機制隨巖體內結構面的方向不同而不同。2.6 巖體的強度特征：巖體抵抗外力而不破壞的能力，有抗壓強度，抗拉強度，抗剪強度三種。（1）巖體單軸抗壓強度的測定：見P102（2）巖體抗剪強度的測定：P103（3）巖體三軸抗壓強度的測定；P1042.7 結構面的強度；見P105圖及式 , , 分別為結構面的粘結力，

10、內摩擦角，與方向的夾角。結構面的強度理論多采用庫侖準則= + 2.8 巖體強度的估算；（1）準巖體強度：用龜裂系數（巖體完整系數）K=定量描述巖體的完整性。, 分別為聲波縱波在巖體與巖石中的傳播速度。K為龜裂系數，=k=k(2) (floakbrown)經驗方程三軸抗壓 單軸抗壓 單軸抗拉 抗剪強度 其中m, s, A，B, t為常數，可以從P111表26中查得。2.9 巖體質量評價及其分類：由于巖體組成成分的多樣及結構面的發育性質十分復雜，因此巖體的力學性質也十分復雜，為了從工程設計與施工的角度評價巖石穩定性的好壞，人們進行了大量研究，總結出數十種巖體分類的方法，其中使用較廣，影響范圍大的幾

11、種如下：（1） 按巖石質量指標（RQD）分類：據粘貼時巖芯的好壞程度分類：RQD=100% 按RQD的大小，將巖體分為5類，見P119表。（2） 按巖體結構類型分類：可分為4類，見P120（由中國推出）（3） 按巖體基本質量指標分類：可分為5類，見P122（由國際巖石力學學會推出）BQ=90+3+250k （BQ）=BQ-100（K1+K2+K3）K-巖體完整系數（龜裂系數）小于Q1，（巖體聲波速/巖石聲波速）2-巖石飽和單軸抗壓強度（4） 按巖體地質情況和力學性質分類（CSIR分類）：可分為5類，見P124-125（由南非推出）（5） 巴頓巖體質量（Q）分類（由挪威提出）：按Q值可分為9類，

12、見P126Q= -單位長度上節理數-節理粗糙系數- 節理蝕變系數 -節理水折減系數 SRF-應力折減系數 第三章 地應力及測量31 概述3.1.1 地應力測量的必要性 地應力是引起各類巖石工程發生變形和破壞的主要因數 是對巖石工程進行穩定性分析，進行設計和施工必須了解的基本情況之一。由于地應力分布的復雜性，成因的復雜性，使對其理論推導計算變的十分困難，因此需要實測地應力。 3.1.2地應力的成因 主要因素d、地溫梯度引起的應力場；=3。c/100me、巖漿侵入，地表剝蝕引起的應力場；3.1.3地應力分布的基本規律 a地應力是時間和空間的函數 b實測垂直應力基本等于上覆巖層重量； c水平應力普遍

13、大于垂直應力，：=0.5-5.5：=0.5-5 d隨深度增加而減少，逐漸趨向1。 e和隨深度增加而線形增加； =6.7+0.0444H（mpa） H單位：米=0.8+0.0329H f/=0.2-0.8g地應力分布受地形和斷層的影響較大；.1.4 地應力測量的特點（基本原理）和方法：原理：a 欲測的某一地區的地應力，先要測的該地區若干點的地應力，當測點的數量足夠多時，借助各種數學分析方法推測出該地區的應力場。b 各測點涉及的巖石尺度從幾cm³至數千m³，取決于測量方法的不同，不管巖石的尺度多大，仍被視為一點的應力狀態。c 一點的應力狀態由一定坐標系的6個應力分量的大小和方向

14、唯一確定。d 為便于人和設備進入測點，常需開挖山洞和巷道，因此原始的應力狀態受到擾動，因此測得應力狀態與原始應力狀態有誤差，這種誤差隨測量方法的不同而明顯不同。方法：直接測量法（直接測量地應力）：水壓致裂法，聲發射法，扁千斤頂法，應力計法。 間接測量法（測量與應力有關的物理量：變形，應變，密度，電阻，電容，波速，再根據此推算應力量）：套幾應力解除法，局部應力解除法，松弛應變測量法，地球物理擺測法。 各種方法的應用程度依序。3.2直接測量法3.2.1扁千斤頂法P1391 測量步驟2 特點a：簡單易行，成本低b：只能測出垂直壓力枕枕面方向一個應力分量c：因為只能在巷道或洞室爆露面上的巖體中進行測量

15、所以測出的應力不是原始應力，而是次生應力，與原始應力有誤差d：認為巖體是線彈性的，即不同的加載卸載的情況下的應力應變關系是相同的3.2.2剛性巖體計法1.測量步驟：P1402.測量原理：無限體中的剛性體周圍的應力變化與剛性體周圍的巖體中的應力變化有P140式31關系（可從彈力推出）：E/大于5E,分別為巖體彈性模量，剛體彈模，巖體泊松比，剛體泊松比。3.特點：a 靈敏度低b適用于應力的長期監測c只能則出應力變化不能測出原巖應力3.2.3水壓致裂法1.測量系統示意圖P143：2.測量原理：據彈性力學可知，當一個位于無限體中的孔受到無窮遠處的二維應力場作用時（是上圖），離開鉆孔端一定距離的部位處于

16、平面應變的狀態，該部位鉆孔周邊的應力： 當=0時，=3s2-s1為最小值當向孔中施加水壓，使得孔周邊發生開裂時，開裂方向即為s1方向，這時的水壓pi=3s2-s1+T.然后繼續施加水壓，使裂隙擴展深度達3倍鉆孔直徑時，這時裂隙端部的應力狀態接近原巖應力狀態，且這時水壓=s2-(1),然后卸除水壓，使裂隙閉合，然后再施水壓使裂隙重新打開，此時水壓為Pr=3s2-s1-（2）聯解（1）（2）式即可得原巖應力s1 和s2，再根據裂隙的開裂方向確定s1和s2的方向。3.測量步驟：P144（共5個步驟） 4.特點： a只能確定垂直鉆孔平面的最大主應力和最小主應力。 b.能測量較深地層中的應力，這是其它方

17、法作不到的。 c測試成本較低； d適用于較為完整的脆性巖石中。3.2.4聲發射法：1.測試原理：各種材料（包括巖體）受到載荷作用時會發出聲響，稱為聲發射法。當對材料卸載后再重新加載，當材料中應力達到并超過最大應力時，會產生大量聲發射，在此之前聲發射數量較少，這種情況稱為凱澤效應。利用凱澤效應，可從原巖上取回不同方向的巖樣試件，在室內加壓尋找其產生大量聲發射的應力，從而求出原巖歷史上的最大三向應力狀態。2.測試步驟： a.試件制備：沿6個方向取6組巖樣，每組巖樣加工出1525塊試件。試件形狀為圓柱體，徑高比為1：21：3，試件加工完畢后在兩端澆鑄環氧樹脂以減少實驗時試件端部與壓力機壓頭之間摩擦產

18、生的噪聲。b.聲發射測試：P146-P147圖。c.計算地應力：由應力-聲發射事件數-時間曲線（P147），即可確定每次試驗的凱澤點，每個方向一組1525個試件可獲得一個方向的平均先前最大應力值，據6個方向的平均先前最大應力值即可確定取樣點處先前最大應力狀態。3.特點：a.只能測出先前最大應力狀態，不能確定目前應力狀態。b.由于高硬度脆性巖石的聲發射現象較明顯，而較軟弱塑性大的巖石聲發射現象不明顯，因此適用于堅硬脆性巖石。3.3間接測量法3.3.1應力解除法（套孔應力解除法）1測量步驟：見P149圖a打大孔：孔徑f=130150mm，>2.5倍開挖空間跨度。孔底應磨平并打出錐形定位孔。b

19、.打小孔：孔徑f=3638mm，由探頭直徑決定。L=10倍小孔孔徑，以待證小孔中失部位處于平面應變狀態。孔需沖洗干凈。c.用一套專用裝置將測量探頭（孔徑變形計，孔底應變計，孔壁應變計）安裝到小孔中央部位固定好。d.用和第一步直徑相同的薄壁鉆頭繼續延伸大孔，使小孔周圍巖石中的應力解除釋放掉。由于應力解除引起的小孔變形或應變可由與探頭相連的記錄儀器上記錄下來，再通過有關公式即可求出小孔周圍的原巖應力狀態。3.3.2孔徑變形法：1.孔徑變形計：見P1592.計算原理：a.孔徑變形和三維應力分量之間的關系：P160式，其中 d為小孔直徑。b.垂直于孔軸線平面內的應力狀態求解式：見P161 c、測點巖石

20、彈模和泊松比的計算： E= V= v-平均徑向變形3.3.3孔底應變法1.孔底應變計：見P1832.計算原理：a.孔底應變和孔底平面上次生應力狀態之間的關系：P164式b.由次生應力狀態推出原巖應力狀態的公式P164-165c. E g可由鉆孔巖芯室內測試獲得3.3.4孔壁應變法1 孔壁應變計：見P165圖2 計算原理：a . 無限體中鉆孔受無窮遠處的三維應力場作用時，孔邊應力分布公式為P166b. 孔壁應變和三維應力分量之間的關系：P167c. 將三維應力分量轉變為原巖應力分量：P167-P168d.對套孔巖芯施加圍壓后按P168，求得E和E= R, r 分別為大孔半徑和小孔半徑 P0: 圍

21、壓V= , :平均周向應變和軸向應變。3.3.5空心包體應變法（改良的孔壁應變法）1 空心包體應變計：見P169圖2 計算原理： a空心包體應變和三維應力分量之間的關系：P169-170，又指孔壁應變法中的4個式子分別因K1-K4進行了修正。bK1-K4的計算見P170式。 c對套孔巖芯施加圍壓后按P171 式求出E和E=K1 V= 3.3.6實心包體應變法：1實心包體應變計。見P172圖1計算原理：a據實例的10個方向的應變值求出實心包體的6個應變分量，見P172-173式b再根據實心包體的6個應變分量求出原巖的6個應變分量。見P173-174。3.3.7套孔應力解除法的特點：1可測出三維的

22、原巖應力。2測試成本高于直接測量法。3需要計算E和且它和的計算都是建立在巖體為彈性，均質，連續的基礎上，與實際情況有程度不同的出入。4應變法的溫度敏感性很大，有時導致測出應變與實際應變有很大的誤差。 第四章 巖體本構關系與強度理論4.1.1平面問題的平衡方程：（從P181圖中可得）從 得 xy= yx 4.1.2平面問題的幾何方程：（從P182圖推導） 4.2巖石彈性本構關系（應力應變關系）4.2.1平面應力和平面應變問題：平面應力：受力體為等厚薄板，所受載荷與 z軸垂直且沿z軸不變化，在z軸方向不受力。 僅是 x,y的函數平面應變：受力體為無限長柱體，兩端受光滑平面的約束，所受載荷與z軸垂直

23、且沿z軸不變化，在 z軸方向沒有位移。 W=0 僅是x,y的函數。4.2.2平面彈性本構關系（本構方程），據虎克定律. E，G分別為彈性模量和剪切彈性模量。在平面應變問題中 因為且，代入上式得平面應變本構方程為： 在平面應變問題中，因為=0，代入上式方程得平面應力本構方程為： 上述三組方程包含8個未知函數（ u v）且獨立方程也為8個 。若邊界條件已知（位移邊界條件，應力邊界條件）。則可求解。4.2.3平面問題的求解：三種基本方法：1.按應力求解：將方程變換為僅含有應力分量的函數。 2.按位移求解：求出應力分量后，代入本構方程求變形分量，再代入幾何方程求出位移分量。 3.混合求解：下面按應力求

24、解平面問題：幾何方程： 將 ，分別對y,x求二階導數，然后相加得-（1）相容方程對于平面應力問題，將其本構方程（P186）代入（1）得-（2）由平衡方程得：將上述兩式分別對x及y求導，然后等式兩邊相加得-（3）將（3）式代入（2）化簡后得：-（4）同理，對平面應變問題可得-（5）當體力為常量（如重力）時，（4）（5）式可簡化為當體力為重力時，即X=0 ， 平面問題的解歸結為求下列三個微分方程的解，并使其滿足邊界條件，即：平衡方程： 相容方程：式為非齊次微分方程，其解是相應齊次方程組的通解與非齊次微分方程的特解之和。其特解為再再求方程組: 的通解若取 ，是任意函數，則可滿足方程組第一式。若取，是任意函數.則可