大连理工大学岩石力学开卷资料

初始应力包括重力和地质构造力，重力场是以铅垂应力为主，构造应力场通常是以水平应力为主。围岩：重分布应力影响范围内的岩体支护：地下硐室开挖后的稳定及施工安全，而采取的支持，加强或被覆围岩的构件或其他措施的简称结晶连接胶结连接、硅质强度高。软化系数指岩石试样在饱水状态下的抗压强度与在干燥状态下的抗压强度之比变形：弹性变形、塑性变形。p剪缩型（稳定破坏）与剪胀性（非稳定破坏）。p弹性岩石：加载曲线和卸载曲线重合。弹塑性岩石：不重合。p常规三轴实验σ3增加，岩石强度与塑性变形增大。p真三轴试验条件下的岩石变形特性：随σ2增加，岩石强度与屈服极限有所增大，但塑性降低，破坏形式从延性向脆性变化。随σ3增加，岩石强度与塑性有所增大，但屈服极限无变化。p破坏形式从脆性向延性变化。割线模量，切线模量，E50。弹塑性变形模量p泊松比μ：岩石在单轴压缩条件下侧向应变与轴向应变之比。屈服：岩石受荷载作用后，随着荷载的增大，由弹性状态过渡到塑性状态，这种过渡称为屈服。破坏：把材料进入无限塑性增大时称为破坏。岩石的强度：是指岩石抵抗破坏的能力。岩石在外力作用下，当应力达到某一极限值时便发生破坏（脆性），这个极限值就是岩石的强度；或较大的塑性变形（塑性）。岩石的破坏形式：1、弱面剪切破坏2、脆性破坏3、塑性破坏。单轴抗拉强度（1）直接拉伸试验（2）间接拉伸试验三轴压缩（剪切）试验σtτ=c+σtgφ三轴抗压强度岩石扩容是指岩石在荷载作用下，其破坏之前产生的一种明显的非弹性体积变形。扩容阶段分成三阶段1、体积变形阶段：在弹性变形阶段，体积变形随应力增加而线性变化，体积减小2、体积不变阶段不出现新的变形3、扩容阶段随外力增加，体变不降反升直到破坏。岩石的流变性是指岩石应力应变关系随时间而变化的性质。蠕变现象——当应力保持恒定时，应变随时间增长而增大。松弛现象——当应变保持恒定时，应力随时间增长而逐渐减小的现象。弹性后效——加载或卸载时，弹性应变滞后于应力的现象。稳定蠕变：岩石在较小的恒荷载作用下，变形随时间增加到一定程度后就趋于稳定。非稳定蠕变：岩石在较大的恒荷载作用下，当超过某一临界值时，变形随时间增加而增大，且变形速率逐渐增大最终导致岩体整体失稳破坏。岩石的长期强度：岩石的蠕变形式取决于所承受的恒荷载大小，当恒荷载小于某一临界值时，岩石产生稳定蠕变；当恒荷载大于该值时，岩石产生非稳定蠕变。则将该临界值称为岩石的长期强度。典型的非稳定型蠕变曲线。(后图)组合模型：弹性元件1）瞬时变形性质；（2）ε＝常数，则σ保持不变，故无应力松弛性质；（3）σ＝常数，则ε也保持不变，故无蠕变性质；（4）σ＝0（卸载），则ε＝0，无弹性后效（后图）粘性元件性质：（1）当σ＝σ0时，说明在受应力σ0作用，要产生相应变形必须经过时间t，无瞬时变形（2）σ＝0（卸载），则ε＝常数，故无弹性后效，有永久变形。（3）ε＝常数，则σ＝0，故无应力松弛性质。（后图公式）塑性元件模型为以一对摩擦接触的摩擦片，当施加应力大于某一值时接触就屈服并产生塑性变形。当:σ＜σs，ε=0σ≥σs,ε→∞弹塑性介质模型-虎克体与圣维南体串联(当，σ＜σs，当，σ=σs,σ保持不变，ε持续增大，→∞。马克斯威尔模型（Maxwell）该模型由弹性元件和粘性元件(虎克体与牛顿体)串联(H-N)，可模拟变形随时间增长而无限增大的力学介质。（后方程）蠕变松弛曲线（后）开尔文－沃伊特模型该模型由弹性元件和粘性元件并联而成，可模拟弹性变形滞后发生，反映弹性后效现象。（本构方程，蠕变松弛曲线）模型识别即根据流变试验曲线确定用何种组合流变模型来模拟这种岩石的流变特征。（1）有瞬时弹性应变段—模型中应包含弹性元件；（2），在瞬时弹性变形之后应变随时间发展—模型中则应有粘性元件；（3），应变可恢复—弹性元件与粘性元件并联组合（4），应力松弛特征—弹性元件与粘性元件串联组合；（5），松弛是不完全松弛—模型中应有塑性元件。（模型参数的确定）弹性对称面：与某个面对称的两个方向上的材料弹性相同（弹性常数相同），则该面称为弹性对称面。弹性主向：与弹性对称面垂直的方向称为弹性主向。正交各向异性体：弹性体中存在3个互相正交的弹性对称面，在各个对称面的对称方向上，弹性相同，但在这3个弹性主向上的弹性并不相同。特点：正应力分量只能引起线应变，不能引起剪应变。剪应力不会引起线应变，并且，只能引起相对应的剪应变分量的改变，不会影响其它方向的剪应变。各向同性面：某一平面内的所有各方向的弹性性质相同，这个面为各向同性面。横观各向同性体：具有各向同性面，但垂直此面的力学性质是不相同的，这类物体称为横观各向同性体。（层状）特点：在平行于各向同性面的所有各个方向（横向）都具有相同的弹性。（本构方程）各向同性体：物体内任一点沿任一方向的弹性都相同，X、Y、Z三个方向的弹性相同，即a11=a22＝a33；a12=a13=a23；a44=a55=a66；E1＝E2＝E；μ1=μ2＝μ只有2个独立的弹性常数E和μ。（本构方程）影响岩石力学性质的因素：矿物硬度大，岩石的弹性好，强度高。不稳定矿物的影响，黏土矿物的影响容易使其降低。岩石的结构：指岩石中晶粒或岩石颗粒的大小、形状以及结合方式。岩浆岩：显晶质结构、斑状结构、隐晶质结构；沉积岩：碎屑结构、非碎屑结构；变质岩：变晶结构、变余结构。岩石的构造：指岩石中不同矿物集合体之间或矿物集合体与其他组成部分之间的排列方式及充填方式。岩浆岩：颗粒排列无一定的方向，形成块状构造；沉积岩：层理构造、页片状构造；变质岩：板状构造、片理构造、片麻理构造。块状各向同性。层状构造各向异性。温度对岩体强度变化曲线。（后图）莫尔强度包络线（图）以内不破坏，相切，极限平衡状态，以外，破坏。格里菲斯强度理论（后面））原理：在脆性材料内部存在着许多杂乱无章的扁平微小裂纹。在外力作用下，这些裂纹尖端产生很大的拉应力集中，导致裂纹扩展、贯通，从而使材料产生宏观破坏，裂纹将沿着与最大拉应力作用方向相垂直的方向扩展。（公式）Drucker-Prager结构面按成因可分为原生，构造（构造应力），次生。原生分为沉积，火成，变质。原生：成岩过程中形成。沉积：沉积岩沉积过程中。火成：岩浆侵入形成的结构面。变质：区域变质形成。构造：节理，断层。断层：位移显著的构造结构面。层间错动带：结构面含泥质物。次生：卸荷，爆破裂隙，风化裂隙及风化夹层，泥化夹层。结构面按受力分类：压、张、扭、压扭、张扭。结构面分级：I级结构面（大断裂，长深宽）：对区域构造起控制作用的断裂带。Ⅱ级（地质界面，长、窄）：延展性强而宽度有限的地质界面。Ⅲ级（小断层）：局部性的断裂构造，主要指的是小断层。Ⅳ级（节理）V级:节理，劈理、微层理。结构面的产状、形态（粗糙起伏）、延展尺度、密集程度以及胶结与充填情况等是影响岩体强度和稳定性的重要因素。产状：控制结构面滑移。形态：起伏大，粗糙，抗滑力就大。延展尺度：非贯通性：使岩体强度降低，变形增大。贯通性：构成岩体、块体的边界，对岩体的强度有较大的影响，破坏常受这类结构面控制。半贯通性：两者兼有。结构面密集程度岩体裂隙度Kd180cm整体结构30～80块状30碎裂状d6.5极破碎K越大，结构面越密集。不同测线上的K值差别越大，岩体各向异性越明显。疏节理（K=0～1m-1）；密节理（K=1～10m-1）；非常密集节理（K=10～100m-1）；压碎或糜棱化带（K=100～1000m-1）；切割度Xe结构面面积a与该断面面积A之比；0.1～0.2完整岩体；0.2～0.4弱节理化岩体；0.4～0.6中等节理化；0.6～0.8强节理化；0.8～1.0完全节理化；岩体被某组结构面切割的程度Xr胶结结构面：泥质胶结（强度最低，遇水强度低），可溶盐类胶结（干燥时有一定的强度，遇水发生溶解，强度降低），钙质胶结（较高，不怕水遇酸危险），铁质胶结（较高，易风化），硅质胶结（高，性能稳定）非胶结结构面:无充填物的结构面：其强度主要取决于结构面两侧岩石的力学性质及结构面粗糙度。有充填物的结构面：其强度除与充填物、结构面两侧岩壁接触面的力学特性有关外，主要取决于充填物的成分和厚度（影响显著）。有充填物按厚度分成薄膜充填、断续、连续、厚层（软弱带，断层泥）切向变形：A线（粗糙无填充物），B线（平坦结构面或有填充物）结构面抗剪强度φ＝φb+β,φb是结构面平坦表面基本摩擦角，β是结构面的爬坡角；峰值剪切强度残余剪切强度剪胀曲线（后图）节理对岩体强度的影响：从上述分析可见：（1）当节理面倾角β满足β1≤β≤β2,且φjβπ/2时，节理才会对岩体产生影响，这时岩体的强度取决于节理的强度，且当β＝450＋φj/2时，岩体强度最低，其莫尔圆直径最小。（2）当β增大或减小时，岩体的强度随之增加。（3）当ββ1或ββ2时，岩体强度与节理无关，取决于岩石的强度如图；围压σ3=c增加，即c2c1，岩体的强度随之增大。多节理的力学效应（1）两组中只有一组节理面倾角β满足β1≤β≤β2,则岩体强度取决于该组节理的强度，岩体若发生破坏，必沿该节理面产生；（2）两组节理均满足β1≤β≤β2,则岩体强度取决于节理的临界应力圆大小。岩体若发生破坏，必沿临界应力圆直径较小的节理面产生；（3）两组节理均不满足β1≤β≤β2,则岩体强度取决于岩石本身的强度而不受节理的影响。不规则粗糙结构面模型岩体结构分类：整体、块状、层状、碎裂（镶嵌、层状碎裂、破碎）、散体。岩体的强度取决于结构面的强度和岩石的强度。岩体抗剪强度包络线介于结构面强度包络线和岩石强度包络线之间。岩体强度除与应力状态有关外，还与节理面的方位有关。岩体中只有一组结构面：（1）当σ1与结构面垂直，岩体强度与结构面无关，为岩石强度；（2）当b＝450－φj/2，岩体将沿结构面破坏，其强度为结构面强度（3）当σ1与结构面平行，结构面的抗拉强度小，岩体将因结构面的横向扩展而破坏。岩石强度的测定（现场测试）单向抗压强度σc准岩体强度完整性系数准岩体抗压强度:σcm=Kσc准岩体抗拉强度:σtm=Kσt岩体抗剪强度测定（双千斤顶法，单千斤顶法）现场三轴强度试验。岩体破坏机理两阶段1.结构联结的丧失（岩体破坏丧失承载力和稳定性）2.结构体移动或运动（岩体工程结构的破坏影响工程使用、报废）破坏机理类别：拉伸破坏（垂直结构面方向、沿结构面方向、完整岩体）剪切破坏（沿结构面、切穿结构面）岩体变形包括（岩块、结构变形）结构变形起控制作用。现场原位试验研究岩体变形特性。岩体σ－ε全过程曲线（裂隙压密、弹性变形、塑性变形、破坏后阶段）剪应力~剪应变曲线（多次应力降）（上图）各向异性变形特征：竖直向分布的节理岩体变形模量明显大于水平向分布节理岩体的变形模量。原因（变形机制不同）（垂直层面压缩量主要是岩块和结构面（软弱夹层）压密所形成的变形构成；平行层面方向的压缩变形量主要是岩块和少量结构面错动而成）构成岩体变形各向异性的两个基本要素：物质成分和物质结构的方向性节理、结构面和层面的方向性。原位测试静力法：承压板试验（千斤顶荷载试验）、径向荷载试验、水压法等。岩体中传播的主要是弹性波。表面波：勒夫波（在表面水平方向作横向剪切振动）瑞利波（沿传播方向的垂直面内作椭圆形逆进运动）体波：纵波（P波、压缩波）：传播方向与质点振动方向一致。横波（S波、剪切波）：传播方向与质点振动方向垂直。纵波快，破坏弱，上下动，横波慢，破坏强，前后左右动。面波是横波纵波的混合波，波长大，振幅强，只能沿地表面传播，造成建筑物破坏主要因素。影响弹性波在岩体中的传播因素：弹性波沿结构面传播速度大于垂直结构面传播速度。新鲜，坚硬岩石波速快，压应力速度快，温度高，应力大，波速大。弹性波按频率分为超声波、声波、次声波与地震波。弹性波在岩体中传播时会发生反射与折射、绕射和散射。品质因素Q为：在一周期内的总能量与振动消耗的能量之比（相对消耗量）。声发射：材料破坏时发出声波的现象。凯塞效应：岩体受外力作用所产生的应力未超过该岩体历史上曾经受过的最大应力时，声发射活动不明显，而当岩体受外力作用所产生的