吉林建筑大学精品课程《岩石力学》PPT课件.pptx
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- 岩石力学 吉林 建筑 大学 精品课程 岩石 力学 PPT 课件
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1、四、岩石力学中的几个基本概念四、岩石力学中的几个基本概念1.岩石岩石(Rock)定义:岩石是组成地壳的基本物质,它是由矿定义:岩石是组成地壳的基本物质,它是由矿物或岩屑在地质作用下按一定规律凝聚而成的天物或岩屑在地质作用下按一定规律凝聚而成的天然地质体。然地质体。岩石按照其成因可分为三类:岩浆岩,沉积岩岩石按照其成因可分为三类:岩浆岩,沉积岩和变质岩,不同成因类型的岩石和变质岩,不同成因类型的岩石具有不同的物理具有不同的物理力学性质(自学、了解)力学性质(自学、了解)。2.岩块岩块 自然地质体的小块岩石称为岩块。我们平时所称的岩自然地质体的小块岩石称为岩块。我们平时所称的岩石,在一定程度上都是
2、指岩块。石,在一定程度上都是指岩块。实验室通常用的岩石试件是由钻孔获取岩芯或在工程实验室通常用的岩石试件是由钻孔获取岩芯或在工程范围内用爆破或其他方法获得的岩石碎块加工而成。范围内用爆破或其他方法获得的岩石碎块加工而成。岩石试件通常是不包含有显著弱面的、较均质的岩石岩石试件通常是不包含有显著弱面的、较均质的岩石块体,可看作连续介质及均质体。块体,可看作连续介质及均质体。3.岩体岩体 (Rock Mass)岩体是指在一定地质条件下,含有诸如节理、断层、裂隙、层理、劈理等不连续结构面的复杂地质体。岩石和岩体的重要区别就是岩体包含若干不连续面。由于不连续面的存在,岩体的强度远低于岩石的强度。断层断层
3、(Fault)褶皱褶皱 (Drape)层理层理 (Lamina)4.岩体结构岩体结构岩体结构:包括结构面和结构体两个基本要素。结构面:岩体内具有一定方向、延展较大、厚度较小的面状地质界面,包括物质的分界面和不连续面。结构体:被结构面所包围的完整岩石或隐蔽裂隙的岩石,由不同产状的结构面组合切割而形成的岩石块体。结构面对岩体结构类型的划分常起着主导作用。在研究结构面时,一方面要注意结构面的强度、密度及其延展性,另一方面还需注意结构面的规模大小和它们之间的组合关系。中国科学院地质研究所从岩体结构角度提出了岩体结构分类(P3,表1-1)。我国还有不少专门为工程目的的岩体分类。例如为建造地下隧道和洞室的
4、围岩分类(铁路隧道规范分类、岩石地下建筑技术措施分类等),都是以岩体结构分类为基础。岩体结构:由结构面的发育程度和组合关系或结构体的规模及排列形式决定的。岩体结构类型的划分反映出岩体的不连续性和不均一性特征。五、岩石力学的基本研究内容五、岩石力学的基本研究内容 基本理论基本理论 岩体地应力岩体地应力 材料实验材料实验 三大部分三大部分 岩体的强度岩体的强度 工程应用工程应用 岩体的变形岩体的变形 裂隙水力学裂隙水力学 工程应用:水电中的三大应用:边坡工程(天然、工程应用:水电中的三大应用:边坡工程(天然、工程开挖)、地下洞室、坝基稳定。工程开挖)、地下洞室、坝基稳定。(1)(1)岩石、岩体的地
5、质特征岩石、岩体的地质特征 物质组成和结构特征物质组成和结构特征 结构面特征及其对岩体力学性质的影响结构面特征及其对岩体力学性质的影响 岩体结构及其力学特性岩体结构及其力学特性 岩体工程分类岩体工程分类(2)(2)岩石的物理、水理与热力学性质岩石的物理、水理与热力学性质(3)(3)岩石的基本力学性质岩石的基本力学性质 变形、强度特征及力学指标参数变形、强度特征及力学指标参数 主要影响因素,包括加载条件、温度、湿度等主要影响因素,包括加载条件、温度、湿度等 变形破坏机理及其破坏判据变形破坏机理及其破坏判据 (4)(4)结构面力学性质结构面力学性质(5)(5)岩体力学性质岩体力学性质 岩体的变形、
6、强度特征及其原位测试技术岩体的变形、强度特征及其原位测试技术 岩体力学参数的弱化处理与经验估计岩体力学参数的弱化处理与经验估计 主要因素影响主要因素影响 岩体中地下水赋存、运移规律及岩体的水力学特征岩体中地下水赋存、运移规律及岩体的水力学特征(6)(6)原岩应力分布规律及其测量理论与方法原岩应力分布规律及其测量理论与方法 结构面在法向压应力及剪应力作用结构面在法向压应力及剪应力作用 下的变形特征及参数确定下的变形特征及参数确定 结构面剪切强度特征及其测试技术和方法结构面剪切强度特征及其测试技术和方法(7)(7)工程岩体的稳定性工程岩体的稳定性(8)(8)岩石工程稳定性维护技术岩石工程稳定性维护
7、技术 包括岩体性质的改善与加固技术等包括岩体性质的改善与加固技术等(9)(9)新技术、新方法和新理论在岩石力学中的应用新技术、新方法和新理论在岩石力学中的应用(10)(10)工程岩体的模型、模拟试验及原位监测技术工程岩体的模型、模拟试验及原位监测技术 数值模型模拟数值模型模拟 物理模型模拟物理模型模拟 原位监测可检验岩体变形与稳定性分析成果的正确性原位监测可检验岩体变形与稳定性分析成果的正确性在开挖作用下的应力和位移分布特在开挖作用下的应力和位移分布特 征、变形破坏特征、稳定性分析与评价征、变形破坏特征、稳定性分析与评价七、岩石力学的研究方法 物理模拟物理模拟岩石物理力学性质常规实验,岩石物理
8、力学性质常规实验,地质力学模型试验地质力学模型试验 数学模型数学模型如有限元等数值模拟如有限元等数值模拟 理论分析理论分析用新的力学分支,理论研究用新的力学分支,理论研究岩石力学问题岩石力学问题(1)(1)工程地质研究方法工程地质研究方法 岩矿鉴定方法岩矿鉴定方法 构造地质学及工程勘察方法构造地质学及工程勘察方法 水文地质学方法水文地质学方法(2)(2)科学实验方法科学实验方法(科学实验是岩石力学发展的基础)(科学实验是岩石力学发展的基础)实验室岩石力学参数测试、模型试验、现场岩体原位实验室岩石力学参数测试、模型试验、现场岩体原位试验及监测技术、地应力的测量和岩体构造的测定等试验及监测技术、地
9、应力的测量和岩体构造的测定等地质构造的勘测、大地层的力学测定地质构造的勘测、大地层的力学测定 新实验技术:遥感技术、激光散斑和切层扫描技术、新实验技术:遥感技术、激光散斑和切层扫描技术、三维地震勘测成象和三维三维地震勘测成象和三维CT成象技术、微震技术等成象技术、微震技术等(3 3)数学力学分析方法)数学力学分析方法 力学模型:刚体、弹性、塑性、流变、细观、损力学模型:刚体、弹性、塑性、流变、细观、损伤、断裂、块体力学伤、断裂、块体力学 数值分析:有限差分法、有限元法、边界元法、数值分析:有限差分法、有限元法、边界元法、离散元法、无单元法、流形元法、不连续变形分析、离散元法、无单元法、流形元法
10、、不连续变形分析、和反演分析法等和反演分析法等 模糊聚类和概率分析:随机分析、可靠度分析、模糊聚类和概率分析:随机分析、可靠度分析、灵敏度分析、趋势分析、时间序列分析和灰色系统灵敏度分析、趋势分析、时间序列分析和灰色系统分析等分析等 模拟分析:光弹应力分析、相似材料模型试验、模拟分析:光弹应力分析、相似材料模型试验、离心模型试验离心模型试验(4)(4)整体综合分析方法整体综合分析方法 将实验、理论和工程监测以及经验相结合,利用将实验、理论和工程监测以及经验相结合,利用信息、系统科学理论进行计算机科学决策信息、系统科学理论进行计算机科学决策六、岩石力学的应用范围六、岩石力学的应用范围(1)(1)
11、水利水电工程水利水电工程 坝基及坝肩稳定性、防渗加固理论和技术坝基及坝肩稳定性、防渗加固理论和技术 有压和无压引水隧道设计、施工及加固理论技术有压和无压引水隧道设计、施工及加固理论技术 大跨度高边墙地下厂房的围岩稳定及加固技术大跨度高边墙地下厂房的围岩稳定及加固技术 高速水流冲刷的岩石力学问题高速水流冲刷的岩石力学问题 水库诱发地震的预报问题水库诱发地震的预报问题 库岸稳定及加固方法库岸稳定及加固方法(2)(2)采矿工程采矿工程 露天采矿边坡设计及稳定加固技术露天采矿边坡设计及稳定加固技术 井下开采中巷道和采场围岩稳定性问题,井下开采中巷道和采场围岩稳定性问题,特别是软岩巷道和深部开采地压控制
12、问题特别是软岩巷道和深部开采地压控制问题 矿柱稳定性及开采优化设计问题矿柱稳定性及开采优化设计问题(采场结构、采场结构、开采顺序、开挖步骤等开采顺序、开挖步骤等)设计问题设计问题 矿井突水预测、预报及预处理理论和技术矿井突水预测、预报及预处理理论和技术 岩爆、煤与瓦斯突出及预处理理论和技术岩爆、煤与瓦斯突出及预处理理论和技术 采空区处理及地面沉降问题采空区处理及地面沉降问题 岩石破碎问题岩石破碎问题(3)(3)铁道和公路建设工程铁道和公路建设工程 线路边坡稳定性分析线路边坡稳定性分析 隧道设计和施工技术隧道设计和施工技术 隧道施工中的地质超前预报及处理隧道施工中的地质超前预报及处理 隧道入口施
13、工技术及洞脸边坡角的确定和加固措施隧道入口施工技术及洞脸边坡角的确定和加固措施 地铁及过江隧道施工技术地铁及过江隧道施工技术(4)(4)土木建筑工程土木建筑工程 高层建筑地基处理与加固技术高层建筑地基处理与加固技术 大型地下硐室与建筑空间设计、施工与加固大型地下硐室与建筑空间设计、施工与加固 地面建筑物沉降、倾斜和纠偏技术地面建筑物沉降、倾斜和纠偏技术 山坡及临坡建筑物基础滑坡监测预报与防治技术山坡及临坡建筑物基础滑坡监测预报与防治技术(5)(5)石油工程石油工程(6)(6)海洋勘探与开发工程海洋勘探与开发工程(7)(7)核电站建设中核废料处理技术核电站建设中核废料处理技术(8)(8)地层热能
14、资源开发技术问题地层热能资源开发技术问题(9)(9)地震预报中的岩石力学问题地震预报中的岩石力学问题(10)(10)地下军事工程及防护问题地下军事工程及防护问题岩石应力与渗透性及采油技术岩石应力与渗透性及采油技术石油、天然气运输与储存工程对环境的影响石油、天然气运输与储存工程对环境的影响岩石力学与地球物理勘探综合研究岩石力学与地球物理勘探综合研究钻探技术与井壁稳定性钻探技术与井壁稳定性2022-8-1117第二章 岩石的基本物理力学性质 本章内容 岩石的基本物理性质;岩石的强度特性;岩石的变形特性;岩石的强度理论。基本要求 掌握岩石的基本物理性质,理解岩石的变形性质;掌握岩石的强度特性;掌握莫
15、尔强度理论、库伦莫尔强度理论;了解格里菲斯理论;2022-8-1118第二章第二章 岩石的基本物理力学性质岩石的基本物理力学性质 第一节 基本物理性质 第二节 岩石的强度特性 第三节 岩石的变形特性 第四节 岩石的强度理论主要内容2022-8-1119 基本物理性质 一一、岩石的孔隙性 二二、岩石的水理性 三三、岩石的抗冻性 四四、岩石的质量指标返回返回岩石含:固相、液相、气相(孔隙)。三相比例不同,物理性质指标也有所不同。联系2022-8-1120 岩石的强度性质 一一、岩石的单轴抗压强度 二二、岩石的三轴抗压强度 三三、岩石的抗剪强度 四四、岩石的抗拉强度返回返回岩石强度:岩石材料受力破坏
16、时所能承受的最大荷载应力本节讨论问题工程师对材料提出两个问题 1.最大承载力许用应力?2.最大允许变形 许用应变?试验方法2022-8-1121 岩石的变形特性(弹,塑,粘)一一、岩石在单轴压缩作用下的变形特性 (1)普通试验机下的变形特性普通试验机下的变形特性 (2)刚性试验机下的单向压缩的变形特性刚性试验机下的单向压缩的变形特性 二 岩石在三轴压应力下的变形特性 三三、岩石的流变特性返回返回2022-8-1122VVnV/一、岩石的孔隙性一、岩石的孔隙性:(一)孔隙比VV孔隙体积孔隙体积(m(m3 3)Vs 岩石固体的体积岩石固体的体积(m(m3 3)(二)孔隙率V=VV+Vs返回返回sV
17、VVe/反映孔隙发育程度的指标V包含孔隙在内的岩石体积包含孔隙在内的岩石体积(m(m3 3)2022-8-1123二、岩石的水理性质二、岩石的水理性质(一)含水性(一)含水性1、含水量:岩石孔隙中含水量(WW)与岩石烘干重量(Ws)比值的百分率w=Ww/Ws1002、吸水率:干燥岩石试样在一个大气压和室温条件下吸入水的重量与岩石烘干重量之比吸水率是一个间接反映岩石内孔隙多少的指标WW0 0烘干岩样浸水烘干岩样浸水48h48h后的湿重后的湿重(kN)(kN)含水性 膨胀性 软化性渗透性 耐崩解性%1000SSSWaWWWWWWsWs:在:在105-110105-110C温度下烘干温度下烘干242
18、4小时的重量小时的重量(kN)(kN)2022-8-1124(二)(二)渗透性渗透性渗透性:在一定的水压作用下,岩石的孔隙和裂隙透过 水的能力,可用渗透系数来衡量。渗透系数是介质对某种特定流体的渗透能力,取决于岩体物理特性和结构特征,如孔隙和裂隙大小,开闭程度以及连通情况等大多渗透性可用达西(Darcy)定律描述:Adxdhkqxdxdh水头变化率;水头变化率;qx沿沿x x方向水的流量方向水的流量,m3/s;h水头高度,水头高度,m m;A垂直垂直x x方向的截面面积,方向的截面面积,m m2 2;k渗透系数,渗透系数,m/sm/s。2022-8-1125(四四)软化系数软化系数Rcw饱和单
19、轴抗压强度;Rc干燥单轴抗压强度;(1)越小,表示岩石受水的影响越大(见表2-2)。ccwRR/轴向自由膨胀轴向自由膨胀 (%)HH试件高度试件高度 径向自由膨胀径向自由膨胀 (%)D D直径直径 HHVH/DDVD/(三)岩石的膨胀性(三)岩石的膨胀性自由膨胀率自由膨胀率:无约束条件下,浸水后膨胀变形与原尺寸之比2022-8-1126272022-8-11(五五)耐崩解性耐崩解性 试验时,将烘干的试块,约500g,分成10份,放入带有筛孔(2mm)的圆筒内,使圆筒在水槽中以20rmin速度连续转10分钟,然后将留在圆筒内的石块取出烘干称重。如此反复进行两次,按下式计算耐崩解性指数:残留在筒内
20、的试件烘干质量残留在筒内的试件烘干质量m mR R试验前的试件烘干质量试验前的试件烘干质量(m mS S)(%)/2SRdmmI耐崩解性指数是通过对岩石试件进行烘干,浸水循环试验所得的指标。返回返回282022-8-11三、岩石的抗冻性三、岩石的抗冻性抗冻性:岩石抵抗冻(胀)融破坏的性能,通常用抗冻系数表示。返回返回岩石的抗冻系数是指岩样在岩石的抗冻系数是指岩样在2525的温度区间内,反复降温、的温度区间内,反复降温、冻结、升温、融解,其抗压强度有所下降,岩样抗压强度的冻结、升温、融解,其抗压强度有所下降,岩样抗压强度的下降值与冻融前的抗压强度之比:下降值与冻融前的抗压强度之比:%100ccf
21、cfRRRcC Cf f岩石的抗冻系数;岩石的抗冻系数;R Rcf cf岩石冻融后的抗压强度岩石冻融后的抗压强度(kPa)(kPa)2022-8-1129密度密度比重比重1、岩石的密度:单位体积内岩石的质量。四、岩石的质量指标四、岩石的质量指标(1 1)天然密度:自然状态下,单位体积质量)天然密度:自然状态下,单位体积质量 VM/MM岩石总质量,岩石总质量,kgkg;V V总体积,总体积,m m3 3。(2 2)干密度:岩块中的孔隙水全部蒸发后的单位体积)干密度:岩块中的孔隙水全部蒸发后的单位体积质量(质量(108108烘烘2424h h)VMsd/MMs s岩石烘干后的质量,岩石烘干后的质量
22、,kgkg。2022-8-11302、岩石的比重:岩石固体烘干重量(、岩石的比重:岩石固体烘干重量(W WS S)与与44时时同体积纯水的重量比同体积纯水的重量比 VC岩石实体部分(不包含孔隙)的体积;一个大气压下44时时水的重度)/(WCVWSW返回返回(3 3)饱和密度:岩石中的孔隙被水充填时的单)饱和密度:岩石中的孔隙被水充填时的单 位体积质量(水中浸位体积质量(水中浸4848小时)小时)VVMWVssatVV孔隙体积孔隙体积 W:一个大气压下一个大气压下44时水的密度时水的密度(kg/m(kg/m3 3)测定方法及适用条件:量积法、水中称重法、蜡封法。测定方法及适用条件:量积法、水中称
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