巖體力學性質巖體力學性質是巖石材料在各種外力作用下的力學響應特征。它包括巖石的強度、變形、滲透性和穩定性等方面。課程內容大綱巖體力學概述巖體力學研究巖石及巖體在力學作用下的變形、強度和破壞規律。課程內容包括巖體的結構特征、巖石的力學性質、巖體力學參數的測定等。巖體變形性質分析介紹巖體的彈性、塑性、蠕變等變形性質。重點分析巖石的斷裂韌性和含裂隙巖體的力學行為。巖體力學數值分析方法重點介紹有限元法、有限差分法和離散元法等數值分析方法。這些方法可以用來模擬巖體在各種載荷條件下的行為。課程總結總結課程的重點內容、難點和學習方法。幫助學生鞏固知識、提高理解和應用能力。巖體力學概述巖石與工程巖體力學是研究巖石的力學性質、巖體的力學行為以及巖體工程的學科。工程安全它主要研究巖石和巖體在各種荷載作用下的力學特性，為巖體工程的勘察、設計和施工提供理論依據和技術方法。應用領域巖體力學在許多工程領域中都有廣泛的應用，例如地下工程、水利工程、道路工程、礦山工程等。巖體的結構特征節理節理是巖體中常見的結構面，是由巖石發生斷裂而形成的。節理面通常比較光滑，并可能含有充填物。節理的分布和性質對巖體的力學性質有顯著影響。裂隙裂隙是巖體中另一種常見的結構面，它是由巖石發生拉伸或剪切而形成的。裂隙面通常比較粗糙，并可能含有充填物。裂隙的分布和性質對巖體的力學性質有顯著影響。層理層理是沉積巖中常見的結構特征，是由沉積物在沉積過程中形成的。層理面通常比較平整，并可能含有不同的巖性。巖脈巖脈是由巖漿侵入到巖石中而形成的。巖脈的分布和性質對巖體的力學性質有顯著影響。巖石的力學性質強度巖石抵抗破壞的能力，主要取決于巖石的組成礦物、結構和構造等因素。變形巖石在荷載作用下產生的形變，反映了巖石抵抗變形的能力。耐久性巖石抵抗風化、腐蝕和侵蝕等破壞因素的能力，與巖石的礦物成分、結構和環境條件有關。滲透性巖石的孔隙度和連通性決定了巖石的滲透性，影響巖石的含水量和地下水流動。巖石的強度特征11.抗壓強度巖石抵抗單軸壓縮破壞的能力，反映巖石抵抗壓力的能力。22.抗拉強度巖石抵抗單軸拉伸破壞的能力，反映巖石抵抗拉力的能力。33.抗剪強度巖石抵抗剪切破壞的能力，反映巖石抵抗剪切力的能力。44.抗彎強度巖石抵抗彎曲破壞的能力，反映巖石抵抗彎曲力的能力。巖體的變形性質彈性變形巖石在荷載作用下產生變形，卸載后能夠恢復原狀。這與巖石的內部結構有關，礦物顆粒之間存在彈性連接。塑性變形巖石在荷載作用下產生永久變形，卸載后不能完全恢復原狀。塑性變形與巖石內部微裂隙的擴展和閉合有關。巖體力學參數的測定現場測試直接在巖體上進行測試，可以獲得真實的巖體參數，例如，聲波測試，地質雷達測試，重力測試等。實驗室測試從巖體中取樣，在實驗室中進行測試，可以獲得巖石的力學參數，例如，單軸壓縮試驗，三軸壓縮試驗等。數值模擬利用數值模擬方法，根據已知的巖體力學參數，模擬巖體的力學行為，可以獲得巖體力學參數的分布規律。巖石強度測試的方法1現場測試快速了解巖體整體強度，包括鉆孔、聲波測試等2實驗室測試更精確測定巖石物理力學性質，包括單軸、三軸壓縮實驗等3數值模擬通過計算機模擬巖石強度，輔助理解巖石力學行為不同的巖石強度測試方法適用于不同的應用場景。現場測試可快速評估巖體整體強度，實驗室測試可更精確地測定巖石的力學性質，而數值模擬則能夠通過計算機模擬來理解巖石的力學行為。單軸壓縮試驗1試樣準備選擇標準尺寸，確保無缺陷。2加載過程施加軸向壓力，記錄應力應變數據。3數據分析確定巖石強度，繪制應力-應變曲線。4結果評估分析巖石破壞模式，評估材料性能。單軸壓縮試驗是巖體力學中常用的方法。它通過對巖樣施加單向壓力，測量其強度和變形性質。三軸壓縮試驗1試驗原理模擬巖體在地下受圍壓和軸向壓力的狀態，進行三軸壓縮試驗。試驗過程中，記錄巖樣的應力應變關系，得到巖體的強度和變形參數。2試驗步驟巖樣制備加載圍壓加載軸向壓力記錄數據3試驗結果通過三軸壓縮試驗獲得的強度參數，如抗壓強度、抗剪強度等，可用于巖體力學分析和工程設計。巴西試驗1巴西試驗目的主要用于確定巖石抗拉強度，評估巖體抗拉能力。2巴西試驗方法使用一對鋼制壓板在圓形巖石試件的直徑方向施加壓力。3試驗過程當加載到最大壓力時，巖石試件會在最薄弱處發生斷裂，根據最大載荷和試件尺寸計算抗拉強度。巖石斷裂強度判斷準則11.確定巖石的破壞模式巖石斷裂通常發生在拉伸、剪切或彎曲載荷下，確定巖石的破壞模式是判斷其強度的關鍵。22.選擇合適的強度準則常用的強度準則包括Coulomb準則、Mohr-Coulomb準則和Hoek-Brown準則，選擇合適的準則取決于巖石類型、應力狀態等因素。33.確定巖石的強度參數根據選定的強度準則，需要確定巖石的抗拉強度、抗剪強度、內摩擦角等參數，這些參數可通過實驗室試驗或現場測試獲得。44.應用強度準則根據巖石的強度參數和應力狀態，應用選擇的強度準則可以預測巖石的斷裂強度，為工程設計提供依據。Coulomb斷裂準則基本假設該準則假設巖石為理想彈性脆性材料，在單軸壓縮狀態下達到極限強度時發生斷裂。剪切強度巖石的剪切強度與正應力成線性關系，與材料的內摩擦角和粘聚力有關。表達式Coulomb斷裂準則用數學表達式表示為：τ=c+σtanφ。應用場景該準則廣泛應用于工程實踐中，如巖體穩定性分析、隧道開挖、邊坡穩定性評估等。Mohr-Coulomb準則摩擦角巖石的抗剪強度與正應力成線性關系。通過試驗測得的巖石抗剪強度和正應力的關系曲線，可得到巖石的內摩擦角。粘聚力巖石內部固有的抗剪強度，表示巖石在沒有任何正應力作用下，所能承受的抗剪強度。應力狀態巖石內部的應力狀態是影響其強度和變形行為的重要因素。通過分析巖石的應力狀態，可以預測其破壞模式。Hoek-Brown準則巖石強度Hoek-Brown準則可以用于預測巖石的抗拉強度和抗壓強度。剪切強度該準則可以考慮巖石的結構特征、應力狀態和裂隙的影響。經驗參數它需要根據巖石的特性進行標定，并應用于巖體力學分析。巖體變形性質分析1線彈性理論巖體受到外力作用變形與外力成正比2彈塑性理論巖石應力達到屈服極限產生塑性變形3蠕變性質巖石在長時間荷載緩慢持續變形巖體變形性質分析了解巖石力學行為基礎理論研究線彈性理論應力與應變關系線彈性理論描述了巖石在彈性范圍內應力和應變之間的線性關系。胡克定律巖石的應力與應變成正比，比例系數為彈性模量。泊松比泊松比反映了巖石在單軸受壓時橫向變形與縱向變形的比例。彈塑性理論應力-應變關系巖石在受載荷時，首先表現為彈性變形，然后進入塑性階段，最終發生破壞。塑性變形特征塑性變形是非線性，不可逆，并且伴隨能量耗散。破壞準則彈塑性理論需要考慮巖石的屈服強度和破壞強度，并根據不同的破壞準則進行判斷。巖石的蠕變性質蠕變現象巖石在長時間的持續荷載作用下，其應變會隨時間逐漸增長的現象，稱為蠕變。蠕變現象在巖體工程中十分常見，例如，地下洞室、邊坡等。蠕變類型瞬時蠕變穩定蠕變加速蠕變不同類型的蠕變，其應變隨時間變化的規律不同。巖石的斷裂韌性斷裂韌性定義巖石在受力發生裂紋擴展時的抵抗能力。測試方法利用標準試件，測量裂紋擴展所需的能量。影響因素巖石類型、裂紋形狀、溫度、加載速度等。含裂隙巖體力學11.裂隙分布裂隙分布特征，如裂隙密度、長度、方向和間距，直接影響巖體的力學行為。22.裂隙性質裂隙的開度、粗糙度、充填物性質，影響巖石的強度、變形和滲透性。33.巖體結構裂隙相互作用形成巖塊和巖橋，控制著巖體的整體力學特性。44.巖體力學模型多種模型，如離散裂隙網絡模型、連續介質模型和離散元模型，用于模擬裂隙巖體。離散裂隙網絡定義離散裂隙網絡模型是一種模擬巖體中裂隙分布和特征的數值方法。將巖體中的裂隙視為一系列離散的幾何實體，例如平面、線段或曲面。特點可以模擬巖體中裂隙的幾何形狀、方向、間距和相互關系。可以模擬裂隙對巖體力學性質的影響，如強度、變形和滲透性。連續介質模型簡化巖石將巖體看作連續均勻的介質，忽略巖石內部微觀結構。簡化了計算，但忽略了實際情況的復雜性。忽略裂隙假設巖體內部不存在裂隙、孔隙等不連續性，并將其視為具有連續性的材料。這一假設簡化了分析，但也帶來了局限性。連續介質理論應用連續介質理論來描述巖體受力后的應力、應變和變形行為。該理論基于數學模型，可以模擬巖體的力學行為。應用范圍廣泛用于工程實踐中，例如隧道、地下工程等，可以有效地評估巖體強度和穩定性。離散元模型離散單元巖石被分解為多個離散單元，每個單元具有獨立的物理特性。單元交互單元之間通過接觸力相互作用，模擬巖石的力學行為。變形和斷裂通過單元之間的接觸力和運動模擬巖石的變形和斷裂過程。數值計算采用數值計算方法模擬巖石的力學響應，并分析其變形和破壞過程。巖體力學數值分析方法1有限元法將巖體離散成有限個單元通過求解單元之間的關系模擬巖體的力學行為2有限差分法將巖體離散成網格通過差分方程求解模擬巖體的力學行為3離散元法將巖體離散成多個顆粒通過顆粒之間相互作用模擬巖體的力學行為有限元法離散化將連續的巖體結構分解成許多小的單元，每個單元都具有特定的物理性質。數值計算利用數值方法，例如矩陣運算，來求解每個單元的應力、應變和位移等參數。巖體力學問題廣泛應用于分析巖體的穩定性、變形、斷裂、滲流等各種問題。三維模擬能夠更精確地模擬復雜的巖體結構和力學行為，提供更可靠的分析結果。有限差分法11.空間離散化將連續的巖體模型離散化為有限個節點和單元。22.微分方程近似使用差分方程近似巖體控制方程，用節點上的數值表示。33.求解方程組建立線性方程組，求解節點上的未知量，例如位移或應力。離散元法巖體離散化將巖體視為由許多獨立的單元組成，每個單元之間通過接觸力相互作用。接觸力模型使用不同的接觸力模型來模擬單元之間的相互作用，例如彈簧阻尼模型、接觸法模型等。數值計算使用數值方法求解單元的運動和力學響應，例如顯式時間積分法、隱式時間積分法等。巖體模擬可以模擬巖體的斷裂、變形、破壞等復雜的力學行為。課程總結本課程介紹了巖體力學的基本理論和方法，涵蓋巖體的結構特征、巖石力學性質、巖體變形性質、巖體力學參數的測定、巖石強度測試方法、巖體力學數值分析方法等內容。