《岩石力学》课件(2015总复习).

岩石的概念：岩石是由矿物或岩屑在地质作用下按照一定规律聚集形成的自然体。岩石具有不同于其他材料的独立的结构和构造特征。岩石的分类：三大类岩石：岩浆岩、沉积岩、变质岩。（各自的形成原因及一些假说）花岗岩石灰岩大理岩第一章绪论岩石：由矿物或岩屑在地质作用下按一定规律聚集而形成的自然物体。这是影响岩石力学性质和物理性质的三个重要因素。构造:组成成分的空间分布及其相互间排列关系第一节岩石与岩体矿物：存在地壳中的具有一定化学成分和物理性质的自然元素和化合物。结构：组成岩石的物质成分、颗粒大小和形状以及其相互结合的情况。岩石分类岩体=岩块+结构面变质岩：不稳定与变质程度和原岩性质有关岩浆岩：强度高、均质性好沉积岩：强度不稳定，各向异性力学参数及特性岩石：岩石参数由实验室通过岩块试验得到。岩体：岩体参数由现场原位试验得到。一、研究内容第一章绪论§1.2岩体力学的研究内容和研究方法（1）岩块、岩体地质特征的研究。主要包括：1）岩石的物质组成和结构特征；2）结构面特征及其对岩体力学性质的影响；3）岩体结构及其力学特征；4）岩体工程分类。第一章绪论（2）岩石的物理、水理与热学性质的研究在这些性质之中，岩块与岩体的空隙性，包括孔隙性和裂隙性，在很大程度上控制着岩块与岩体的力学性质。因此，研究空隙性，特别是研究岩块与岩体的裂隙性，是岩体力学中非常重要的研究内容之一。第一章绪论（3）岩块的基本力学性质的研究内容包括：1）岩块在各种力作用下的变形和强度特征以及力学参数的室内实验技术；2）荷载条件、时间等对岩块变形和强度的影响；3）岩块的变形破坏机理及其破坏判据。（4）结构面力学性质的研究结构面力学性质是岩体力学最重要的研究内容。内容包括：1）结构面在法向压应力及剪应力作用下的变形特征及其参数确定；2）结构面剪切强度特征及其测试技术与方法。第一章绪论（5）岩体力学性质的研究岩体力学性质是岩体力学最基本的研究内容。内容包括：1）岩体的变形与强度特征及其原位测试技术与方法；2）岩体力学参数的弱化处理与经验估算；3）荷载条件、时间等因素对岩体变形与强度的影响；4）岩体中地下水的赋存、运移规律及岩体的水力学特征。第一章绪论（6）岩体中天然应力分布规律及其量测的理论与方法的研究在岩体的应力应变关系为线性条件下，岩体中的重分布应力场，都是由天然应力场和开挖岩体或对岩体加荷所引起的局部应力场二者迭加来确定的。因此，要确定重分布应力场，必须首先研究岩体中的天然应力场。第一章绪论第一章绪论（7）边坡岩体、地基岩体及地下洞室围岩等工程岩体的稳定性研究这是岩体力学实际应用方面的研究，内容包括：1）各类工程岩体中重分布应力的大小与分布特征；2）各类工程岩体在重分布应力作用下的变形破坏特征；3）各类工程岩体的稳定性分析与评价等。第一章绪论（8）岩体性质的改善与加固技术的研究。包括岩体性质、结构的改善与加固，地质环境(地下水、地应力等)的改良等。（9）各种新技术、新方法与新理论在岩体力学中的应用研究。第一章绪论（10）工程岩体的模型、模拟试验及原位监测技术的研究模型模拟试验包括数值模型模拟、物理模型模拟等，这是解决岩体力学理论和实际问题的一种重要手段。而原位监测既可以检验岩体变形与稳定性分析成果的正确与否，同时也可及时地发现问题。地质调查工程地质分区岩体结构划分岩石岩体力学性质试验岩体赋存条件分析初始应力结构面几何特征介质的模型化物理数学计算经典解析法数值计算法正反分析分类确定岩体的质量等级模拟试验物理模拟相似材料经验判据岩体工程设计加固措施施工长期监测反馈分析图1-1岩石力学研究步骤的框图本章小结•本章重点介绍了岩体力学的概念、研究对象、研究内容及研究方法，对岩体力学的形成与发展作了一般说明。•掌握•岩石、岩体的定义•岩石的分类•矿物、结构、构造第二章岩石的基本物理力学性质第一节基本物理性质一、岩石的质量指标（一）密度和比重1、岩石的密度：单位体积内岩石的质量。岩石含：固相、液相、气相。三相比例不同而密度不同。（2）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48小时）（1）天然密度：自然状态下，单位体积质量VG/)/(31mKNVVGWVdG——岩石总质量；V——总体积。VV——孔隙体积（3）干密度：岩块中的孔隙水全部蒸发后的单位体积质量（108℃烘24h）VGc/12、岩石的比重：岩石固体质量（G1）与同体积水在4℃时的质量比VC——固体积；——水的比重)/(1WCVGWG1——岩石固体的质量。（KN/m3）CVVVe/VVnV/WcVVCVCVGnnnVVVVVVVVVVVe/11//二、岩石的孔隙性：反映裂隙发育程度的指标（一）孔隙比VV——孔隙体积（水银充填法求出）（二）孔隙率V=VC+VVe~n关系cd/)(天然状态下饱和状态下三、岩石的水理性质（一）含水性1、含水量：岩石孔隙中含水量GW与固体质量之比的百分数W=GW/G1（%）2、吸水率：岩石吸入水的质量与固体质量之比Wd=（%）吸水率是一个间接反映岩石内孔隙多少的指标Adxdhkqxdxdh（二）渗透性在一定的水压作用下，水穿透岩石的能力。反映了岩石中裂隙向相互连通的程度，大多渗透性可用达西（Darcy）定律描述：（m3/s）——水头变化率；qx——沿x方向水的流量；h——水头高度；A——垂直x方向的截面面积；k——渗透系数。•••••四、岩石的抗风化指标（3类）(1)软化系数（表示抗风化能力的指标）Rcc——饱和单轴抗压强度、Rcd——干燥单轴抗压强度；（）越小，表示岩石受水的影响越大。cdccRR/1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。试验时，将烘干的试块，约500g，分成10份，放入带有筛孔的圆筒内，使圆筒在水槽中以20r／s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：(2)岩石耐崩解性指数试验前的试件烘干质量；残留在筒内的试件烘干质量rmsm%/2srdmmI1、自由膨胀率：无约束条件下，浸水后胀变形与原尺寸之比轴向自由膨胀（%）H——试件高度径向自由膨胀（%）D——直径HHVH/DDVD/返回（三）岩石的膨胀性评价膨胀性岩体工程的稳定。•3.在固体中可传播的弹性波可分为两类•（1）体波：由岩体内部传播的波(2类）•（a）纵波（又称：初至波、Primary波）•质点振动的方向和传播方向一致的波•它产生压缩或拉伸变形。•（b）横波（又称次到波、Second波)•质点振动方向和传播方向垂直的波•产生剪切变形。•（2）面波：仅在岩石表面传播。•质点运动的轨迹为一椭圆，其长轴垂直•于表面，这样的面波又称为瑞利波。•面波速度小于体波，但传播距离大。21])21)(1()1([ddddpEV21])1([ddsEV若已知，侧可根据上两式推出求动弹性模量和动泊松比，即：spVV,,dEd)/()2(21)/()43(222222222spspdspspsdVVVVVVVVVE注：若分辨不清，则可用（一般可用静泊松比代替）求，则•若＝0.25时，＝1.73•经过各方面试验验证，一般在1.6～1.7之间。sV,,pVdE21]21)1(2[/spVVspVV/spVV/第二节影响岩体波速的因素（5方面因素）一、岩体弹性波速与岩体种类、岩石密度和生成年代有关1.岩石的完整性越高，波速越大2.岩石密度越大，弹性波的速度也相应增加88.135.0PV2.裂隙数目越多，则纵波速度愈小3.岩体的风化程度愈高弹性波的速度亦小4.夹层厚度愈大弹性波纵波速度愈小三、岩体波速与岩体的有效孔隙率n及吸水率有关一些岩浆岩，沉积岩和变质岩的纵波速度与有效孔隙率n之间的关系见图3－9所示。fW从图中可以看出：1.随着有效孔隙率的增加，纵波波速则急剧下降图3－10表示了纵波波速与吸水率之间的关系。从图中可以看出：2.随着吸水率的增加，纵波波速急剧的下降四、岩体波速与各向异性性质有关1.平行层面纵波波速大于垂直层面波速三、岩体破碎程度分类（一）裂隙度K设勘测线长度为，在上出现的节理的个数为n，则节理之间的平均间距为裂隙度切割度单组结构面多组结构面nkknld110m实例：k=4/10=0.4/md=1/k=2.5m1.单组节理（二）切割度节理并非在岩体内全部贯通，用“切割度”来描述节理贯通度，在岩体中取一平直断面，总截面积为A，其中被节理面切割的面积为a；则切割度为exAaXeniiaa多处不连续切割叠加：实例(4)试验方法（VmC的确定）步骤：（1）备制试件；（2）作σ-ε曲线（a）；（3）将试件切开，并配称接触再作曲线（b）；（4）非配称接触，作曲线（c）;（5）两种节理的可压缩性配称节理的压缩量：非配称节理的压缩量：abVacVa.无节理b.径向劈裂d.非配称接触c.配称接触图4－7一条张开裂缝的压缩变形曲线二、节理的切向变形（一）节理强度与剪切变形的关系节理“”曲线分为4类。见下图强度准则：抗剪强度节理变形扩容现象tgc图4－12齿状剪切面模型sincosNTTcossinNTN设斜坡上的摩擦角为则展开scossinsincos//NTNTANATtgs)sin(cos)sincos(sstgTtgNsstgtgNTsincoscossin)(1ssstgtgtgtgtg＝（2）不规则齿接触（1977N·Barton）经验公式：])lg(tan[bnnJCSJRC)lg()tan(nbnJCSarcJRCJRC为节理粗糙系数JCS为节理壁抗压强度4.3结构面的力学效应一、单节理和多节理的力学效应（一）单节理的力学效应设结构面的强度条件设节理的方向角为节面上的应力(图4.19）tgc2sin2sin2131m2cos2cos223131mm图4－19结构面的力学效应所以，强度准则：tgctgmm)2cos2(sin令则①当（节理的存在不影响岩体的强度）②当可见③对求一阶导数，并含其为零得此时节理面对岩体的强度削弱最大，岩体有最小强度tgf2sin122331fctgfC31224512ftgfffC23min3112312④岩体的最大强度，节理面的存在不削弱岩块强度⑤图解法(见图4－19）max31)(⑥对岩体强度有影响的节理方位角：直接在图4－19量取，也可以由正弦定律推出：}sin]/)cot{[sin2}sin]/)cot{[sin21211mmmmcc21对岩体强度有影响的节理方位角：21}sin]/)cot{[sin2}sin]/)cot{[sin21211mmmmcc几点讨论岩石节理同时破坏，岩体强度等于岩块强度1221岩块先破坏，岩体强度等于岩块强度•或•节理先破坏，岩体强度小于岩块强度•或12⑦佩顿双线性强度准则rjPCtan)tan(ipT1.要点：可按施加的推力与剪切面之间的夹角的大小而采用不同的加荷方法。双千斤顶试验中，一组试验不少于五块试件。二、现场岩体直剪试验(2种)（一）双千斤顶法p—垂直千斤顶压力表读数（MPa）t—横向千斤顶压力表读数（MPa）F1—垂直千斤顶活塞面积(若为压力枕，应乘以出力系数)（cm2）122sincospFtFFFtF2.在不同p力作用下剪切面上的正应力和剪应力F2-横向千斤顶活塞面