安全工程 岩石力学总复习 wrod版.docx

1、安全工程 岩石力学总复习 wrod版一岩体及其赋存环境对安全的基本认识：安全定义：安全意味着可以 容忍 的风险程度。岩石力学是一门认识和控制岩石系统的力学行为和工程功能的科学。1.对岩石力学的初步认识A.复杂的研究对象天然地质体:非均质、各向异性、非连续复杂的赋存环境:地应力、地下水、地温地应力：影响岩体的承载能力、变形破坏机制和应力传播法则等地下水：影响岩体的变形破坏及其稳定性等地 温：影响岩体的承载能力和变形破坏机制等B.岩石力学及其发展历史岩石力学的定义:岩石力学是岩石力学性态的理论和应用的科学，它是与岩石性态对物理环境的力场反应有关的力学分支。四个发展阶段:初始、经验、经典、现代2.岩

2、体及其分类A.岩石与岩体的定义地质体:占据地球上一定空间的实体岩体:作为工程作用或力学作用对象考虑矿体:作为矿产资源开发利用岩石(结构体):由一种或几种矿物组成的集合体(岩石块体)结构面:各种不同成因和不同特性的地质界面矿物:具有一定化学成分及结构的化合物B.岩石(体)的形成过程与地质成因分类建造过程:组成岩体的物质的形成过程 岩体可分为沉积岩、岩浆岩和变质岩改造过程:经过内外营力综合作用的改造过程 改造作用有风化作用、构造作用和卸荷作用地质成因:分类沉积岩、岩浆岩和变质岩物质成分与结构:造岩矿物及抗风化稳定性、结构类型与微结构面C.岩体结构及其基本类型分类依据:结构面类型、结构面切割程度及结

3、构体类型、原生结构 软弱结构面 I级岩体结构（有充填物） 坚硬结构面 II级岩体结构（无充填物）分类方案：2个级、5个序和2亚类 各类岩体结构的地质特征: P67相对性和唯一性:地质条件与工程规模和尺寸D.岩石质量评价与分类必要性与分类方法单一因素分类法:RQD、岩体结构类型多因素综合分类法:BQ(和差法)、CSIR(和差法)、NGI(乘积法)岩体质量评价的发展趋势： 3.岩体赋存环境A.地应力定义:地应力是存在于地层中的未受工程扰动的天然应力基本组成:自重应力、构造应力与热应力等成因:大陆板块、地幔、地心引力、岩浆侵入、地温梯度、地表剥蚀分布规律:时空、垂直、水平、垂与水、水与水、影响: 6

4、+1点测量方法:直接方法(水压致裂法等)、间接方法(全应力解除法等)B.地下水岩体渗流与土体渗流(了解)岩体空隙的结构类型(了解)岩体渗流问题(了解)地下水渗流对岩体力学性质的影响：物理、化学和力学C地温物理化学作用(了解)热应力作用(了解)二岩石物理性质与结构面性态1.岩石的物理性质 (定义、指标与测定、影响因素，取值等)A.重量指标容重：岩石单位体积的重量，分 干 、 天然 和 饱和容重密度：岩石单位体积的质量，分 干 、 天然 和 饱和密度比重：岩石固体部分（不包括孔隙体积）的干质量（或干重量）与同体积4纯水的质量（或重量）之比值B.孔隙性： 岩石中发育有大量裂隙、孔隙的性质； 孔隙率

5、、 孔隙比C.水理性：岩石与水相互作用所表现的性质天然含水率：吸水性： 吸水率、饱和吸水率、饱水系数透水性： 渗透率软化性： 软化系数抗冻性： 抗冻系数D.碎胀性： 碎胀系数、永久碎胀系数2.结构面性态A.结构面的类型及分级： 成因 、 力学B.产状： 指结构面的 走向 、 倾向 和 倾角，反映了结构面的空间位置，对岩体是否沿某一结构面滑移起控制作用。，反映了结构面的空间位置，对岩体是否沿某一结构面滑移起控制作用。C.形态： 起伏度 、 粗糙度D.延展尺度：E.贯通性： 非贯通性、半贯通性与贯通性F.密集程度： 裂隙度 、 切割度 、实际切割度G.充填物： 成分、厚度三岩石与结构面的基本力学性

6、质1.岩石的力学特性A. 强度特征B. 变形特性C. 流变性D. 影响因素控制岩石强度的基本因素： 岩石试件：岩性、尺寸、形状、三维（长宽高）尺寸比例 实验条件：载荷条件、加载速率或变形速率、加载路径 实验环境：温度、湿度试件加工精度： 符合ISRM（国际岩石力学学会）标准 试件形状与尺寸 试件个数 端面平行度 端面与侧面平整度 端面处理 静态加载速率或应变速率 实验环境条件温度与湿度A.强度特征强度的定义： 岩石在外荷载作用下达到失稳破坏时所能承受的最大应力。真三轴抗压强度： 真三轴压缩荷载，强度曲面常规三轴抗压强度： 三轴压缩荷载作用，莫尔包络线单轴抗压强度： 单轴压缩荷载作用点荷载强度：

7、有公式单轴抗拉强度： 单轴拉伸荷载作用抗剪强度： 剪切荷载作用岩石的端面约束效应 (以单轴荷载作用为例) ：材料的泊松效应岩石端面与钢压板间的摩擦岩石端面的复杂应力状态分析改善端面约束效应的几种主要方法B.变形特性定义与表述方法基本特征：变形曲线的四个阶段变形曲线的六种类型循环载荷条件下的变形特性三轴压缩荷载条件下的变形特性（转换应力）扩容现象：体积应变基本指标： 变形模量、泊松比C.流变性岩石的流变性蠕变、松弛与弹性后效蠕变曲线稳定蠕变和不稳定蠕变长期强度及其确定方法D.影响岩石力学性质的主要因素水： 结合水(束缚水)：连接、润滑、水楔 自由水(重力水)：孔隙水压、溶蚀及潜蚀围压、温度、加载

8、速率等试验条件：风化程度： 产生新的裂隙 矿物成分发生变化 结构和构造发生变化2.结构面的力学特性A.法向变形B.切向变形C.抗剪强度结构面法向变形曲线：Goodman 法向应力与结构面闭合量间的关系式：Bandis 法向应力与结构面法向变形间的关系式结构面切向变形曲线：结构面剪切变形曲线的分区:弹性区：峰值应力上升区剪应力峰值区：塑性区：峰后应力降低区或恒应力区结构面剪切凸台力学模型：剪胀现象、凸台剪断或拉断结构面抗剪强度:剪力与法向力的关系曲线Barton结构面的抗剪强度公式结构面抗剪强度的尺寸效应结构面抗剪强度与其变形历史相关充填物厚度与成分对结构面抗剪强度的影响四岩体的力学性质1.变形

9、特性A. 压缩变形曲线B. 剪切变形曲线C. 各向异性变形曲线2.强度特征A.岩体强度的现场测定单轴抗压强度三轴抗压强度抗剪强度B.岩体强度的估算准岩体强度： 龟裂（完整性）系数、准岩体强抗压强度、准岩体强抗拉强度Hoek-Brown经验方程： 单轴抗压强度、三轴抗压强度、单轴抗拉强度、抗剪强度3.结构面强度效应A.单一结构面强度效应岩体产生破坏的两种可能性： 结构面破坏 岩石材料自身破坏岩体破坏的条件岩体强度与结构面倾角的关系B.多结构面强度效应五岩石力学理论体系1.岩石力学中的习惯符号规定压正拉负的原则力和位移正应力和正应变剪应力和剪应变2.岩石流变本构理论A.流变三元件及其基本属性B.流

10、变三元件的组合原则与基本方程C.典型流变本构模型A.流变三元件及其基本属性弹性元件（虎克体H）: 塑性元件（圣维南体Y）:粘性元件（牛顿体N）:B.流变三元件的组合原则与基本方程组合方式 串联与并联 串并联与并串联基本方程 本构方程 蠕变方程（蠕变） 松弛方程（松弛） 卸载方程（弹性后效）C. 典型流变本构模型 圣维南体 马克斯威尔体 开尔文体 广义开尔文体 饱依丁汤姆逊体 理想粘塑性体 伯格斯体 西原体 宾汉姆体3.岩石强度理论A.基本术语B.莫尔强度理论C.库仑准则D.德鲁克-普拉格准则A.基本术语强度理论： 破坏原因和破坏条件强度准则（破坏条件）强度曲面（强度曲线）B.莫尔强度理论岩石的

11、破坏是剪切破坏，到极限状态时，其剪切滑动平面上的剪应力达到一个取决于正应力与材料性质的最大值，并可用下列函数关系表示：莫尔强度曲线形式有斜直线型、二次抛物线型、双曲线型等。其中斜直线型与库仑准则一致，所以库仑准则是莫尔强度理论的一个特例。二次抛物线型准则：岩性较坚硬至较弱的岩石，如泥灰岩、砂岩、泥页岩等岩石的强度包络线近似于二次抛物线，其表达式为：式中， t 为岩石的单轴抗拉强度；m为待定系数。双曲线型准则：据研究，砂岩、灰岩、花岗岩等坚硬、较坚硬岩石的强度包络线近似于双曲线，其表达式为：式中， 1 为包络线渐近线：C.库仑准则基本观点：岩石的破坏主要是剪切破坏，岩石的强度，即抗摩擦强度等于岩

12、石本身抗剪切摩擦的粘结力和剪切面上法向力产生的摩擦力，亦即平面中的剪切强度准则为：用主应力表述的库仑准则： 表达式： 完整强度曲线：对莫尔强度理论与库伦准则的综合评价：莫尔强度理论实质上一种 剪应力强度理论。优点：比较全面地反映了岩石的强度特征，它既适用于塑性岩石也适用于脆性岩石的剪切破坏。同时也反映了岩石抗拉强度远小于抗压强度这一特性，并能解释岩石在三向等拉时会破坏，而在三向等压时不会破坏(曲线在受压区不闭合)的特点。缺点：忽略了中间主应力2的影响，与试验结果有一定的出入，另外，该理论只适用于剪破坏，受拉区的适用性还值得进一步探讨，并且不适用于膨胀或蠕变破坏。D.德鲁克-普拉格准则4 岩石断

13、裂理论- 格里菲斯断裂理论岩石断裂破坏的起因是分布在材料中的微小裂纹尖端有拉应力集中所致。在不考虑摩擦对压缩下闭合裂纹的影响和假定椭圆裂纹将从最大拉应力集中点开始扩展的情况下，获得了双向压缩下裂纹扩展准则：补充岩石变形的一般特征：岩石一般不遵从虎克定律，在加载过程中也无明显的屈服极限点，其应力应变曲线也非严格的直线；岩石一旦在外力作用下产生了变形，不论该变形有多小，卸载后都或多或少地残留有一定数量的永久变形（亦称塑性变形），且该永久变形的大小将随外力的增加而增大，该现象在结构疏散或软岩中更为突出；在反复加、卸载过程中，每对加、卸载曲线都不互相重合，其间呈现所谓“塑性滞环”现象，这表明岩石在反复

14、加、卸载过程中，其应力应变曲线具有明显的非单值性。但若将加、卸载值固定，并反复进行，则相应的“塑性滞环”的面积将可能随加、卸载循环次数的递增而减少，且其卸载至零时的永久变形量也随循环次数的递增而降低；对于节理、裂隙较多的岩石，在受载初期，一般都显示出具有一个节理、裂隙闭合的过程，即在应力应变曲线上表现为弹塑性，而对于结构致密坚硬的岩石，则在应力应变曲线上表现为弹脆性；在描述岩石的变形特性时，所采用的“线性”、“可逆”等等术语，都是简化近似的概念，而像“弹性极限”、“弹性模量”、“泊松比”等材料参数也都是在一定条件下的近似值或平均值。地应力分布的基本规律 （归纳） 第三章地应力是一个具有相对稳定

15、的非稳定应力场，它是时间和空间的函数实测垂直应力基本等于上覆岩层的重量最大水平应力和最小水平应力也随深度呈线性增长关系最大水平应力和最小水平应力之值一般相差较大，显示出很强的方向性水平应力普遍大于垂直应力平均水平应力与垂直应力的比值 随深度增加而减 小，但不同地区变化的速度不同地应力分布受地形、地表剥蚀、风化、岩体结构特征、岩体力学性质、温度和地下水等因素的影响地应力测量方法直接测量法：水压致裂法：基本原理：对测试段钻孔用特制 封隔器密封起来，然后对密封段加 高压水直至孔壁岩石产生张裂隙。根据 裂隙的方向 及 泵压的大小分析确定原岩的应力状态。间接测量法：全应力解除法定义：使测点岩体完全脱离地

16、应力作用的方法。基本原理：当需要测定岩体中某点的应力状态时，人为的将该处岩体单元和周围的岩体分离，此时，岩体单元上所受的地应力将被 解除。同时，该单元体的几何尺寸也将产生 弹性恢复。若应用一定的仪器， 测定弹性恢复的应变值或变形值，并且认为岩体是连续、均质和各向同性的弹性体，于是就可以借助弹性理论的解答 计算岩体单元所受的 应力状态。流程要点：切断联系、解除应力、应变恢复、测试应变、计算应力稳定蠕变与不稳定蠕变、长期强度： 第4章稳定蠕变：当岩石在较小的恒定载荷作用下，变形随时间增加到一定程度后将逐渐趋于稳定，不再随时间增大而保持为一个常数。稳定蠕变一般不会导致岩体整体失稳。非稳定蠕变：当岩石

17、承受的恒定荷载较大，当超过某一临界值时，变形随时间增加而增大，其变形速率逐渐增大，最终导致岩体整体失稳破坏。长期强度：岩石的蠕变形式取决于所承受的恒定载荷的大小，当恒定载荷小于某一临界值时，岩石产生稳定蠕变；当恒定载荷大于该值时，岩石产生非稳定蠕变。该临界值就被称为岩石的长期强度。强度准则：在外荷载作用下岩石发生破坏时，其应力(应变)状态所必须满足的条件(即表征岩石在极限应力状态下的应力状态和岩石强度参数之间的关系 )，亦称为破坏准则或破坏判据。强度曲线( 面) ：即在外荷载作用下岩石发生破坏时，在主平面(主应力空间)中表征其临界应力(应变)状态的曲线(曲面)。A. 结构面产状即指结构面的走向

18、、倾向和倾角，反映了结构面的空间位置，对岩体是否沿某一结构面滑移起控制作用： 走 向： 结构面与水平面的交线方向，用方位角表示倾 向： 结构面的倾斜方向，用方位角表示倾 角： 结构面的倾斜角度B. 结构面形态结构面形态反映了结构面的外貌，决定着结构面抗滑力的大小，当结构面的起伏程度大，粗糙度高时，其抗滑力就大。衡量结构面形态的指标有粗糙度和起伏度：粗糙度： 即结构面表面的粗糙程度。起伏度： 包括起伏波的 幅度 和 长度。起伏波的幅度是指相邻两波峰连线与其下波槽的最大距离a，起伏波的长度是指相邻两波峰之距离。E. 结构面的密集程度所谓结构面的密集程度指岩体中结构面的发育程度，衡量结构面密集程度的指标有：裂隙度K切割度X e 实际切割度X r岩体破坏的条件：岩石块体自身破坏的条件：沿结构面产生滑移失稳的条件：岩体强度与结构面倾角的关系莫尔圆在结构面抗剪强度曲线之下：稳定莫尔圆与结构面抗剪强度曲线相切：沿某特殊方向的结构面破坏莫尔圆介于岩石材料抗剪强度曲线与结构面抗剪强度曲线之间：沿某方向范围结构面破坏莫尔圆与岩石材料抗剪强度曲线相切：沿某方向范围结构面破坏或岩石材料破坏