高等岩石力学1-5章

高等岩石力学advancedrockmechanics阴可教授重庆大学土木工程学院2011.10-12教学内容1.绪论2.工程背景3.力学基础知识4.地应力5.完整岩石6.不连续面7.岩体教学内容8.岩体渗流9.各向异性与非均匀性10.试验技术与数值模拟11.岩体分类12.岩石动力学与流变特性13.岩体开挖与稳定性14.岩体工程参考文献1.J.A.Hudson,J.P.Harrison.EngineeringRockMechanics,Pergamon,1997(中译本，科学出版社，2009)2.J.C.Jeager,N.G.W.Cook.Fundamentalsofrockmechanics.1979(有中译本)3.L.Muler.Rockmechanics.1974.本书是德、奥、美、意、法等国十名知名岩石力学家1974年在意大利乌迪内国际岩石力学中心举办的一次岩石力学讲座文献参考文献4.孙广忠，岩体结构力学，科学出版社，19885.周维垣主编，高等岩石力学，水利电力出版社，19906.E.Hoek，J.W.Bray.RockSlopeEngineering,19817.E.Hoek,E.T.Brown.UndergroundExcavationinRock,1980参考文献8.杜庆华，余寿文，姚振汉。弹性理论，科学出版社，19869.陆明万，罗学富。弹性理论基础，清华大学出版社，199010.徐秉业，陈森灿。塑性理论简明教程，清华大学出版社，198111.B.K.Atkinson.FractureMechanicsofRock,1987(有中译本)12.尹双增。断裂损伤理论及应用，清华大学出版社，1992平时要求及课程成绩平时成绩+期末书面闭卷考试第1章绪论（introduction）岩石力学是从经验到理论然后回到工程的过程“岩石力学是岩石力学心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”（Judd，1964）“岩石力学主要地是与工程和采矿中遇到的那种规模的岩体有关，因而它也可以看作对易于接近的岩体在应力和环境条件变化下性态和特性的研究”（J.C.Jeager，N.G.W.Cook，1979）主要研究问题岩体稳定性、山体稳定性、场区稳定性、区域稳定性、地壳深部活动性岩石力学的研究方法科学试验、理论分析和工程验证理论研究、数值计算、试验和工程类比岩石力学发展历史第2章工程背景（GeologicalSetting）作为工程材料的岩石天然岩石环境地质因素对岩石及岩体的影响第4章地应力（Insitustress）4.1概述1.什么是地应力？2.为什么要确定地应力？3.怎么量化表述地应力？4.2地应力的测量方法直接测量法、间接测量法、指标测量法国际岩石力学学会（ISRM）推荐：a)扁千斤顶法（theflatjacktest）；b)水压致裂法（thehydraulicfracturingtest）;c)美国矿务局钻孔孔径变形计法（TheUnitedStatesBureauofMines(USBM)overcoringtorpedo）；d)澳大利亚联邦科学与工业组织空芯包体应变计法（TheCommonwealthScientificandIndustrialResearchOrganization(CSIRO)overcoringgauge）。扁千斤顶法水压致裂法水压致裂法前提要求和假设1.不能预先有裂缝2.测试段便于量测水压力3.能确定初始裂缝开裂的方向和位置4.钻孔方向平行主应力方向方法缺陷1.对应上12.对应上43.弹性理论假设的成立4.岩石抗拉强度的确定USBM钻孔变形应变计法CSRIO空芯包体应变计法各方法确定的应力分量4.3地应力分布规律1.地壳中主应力为压应力，方向基本上是垂直和水平的2.垂直应力随深度呈线性增长3.水平应力分布比较复杂①最大水平应力分量绝大多数大于垂直应力分量；②地壳中第一主应力方向接近水平；③两个水平应力分量中比值1.4~3.3。4.3地应力分布规律4.一个相当大的区域内，最大主应力方向是相对稳定的5.区域构造场常常决定局部点的主应力4.4高地应力区的特征1.岩芯饼化与地应力差有关2.地下硐室施工过程中的岩爆、剥离3.隧洞、巷道、钻孔的缩颈4.边坡上出现错动台阶5.原位变形曲线的变化4.5高地应力产生的原因1.侵蚀Erosion2.地质构造运动Tectonicactivity3.岩石各向异性Rockanisotropy4.不连续面discontinuities第5章完整岩石（intactrock）5.1完整岩石试验的背景thebackgroundtointactrocktesting早期（1960s），岩石比岩体受人关注：这门学科是从固体材料力学发展而来；人们采样的方式是从远处钻取圆柱状芯样。岩石的变形、强度和破坏全应力-应变曲线（completestress-straincurve）提供峰值后（post-peakregion）的岩石特性峰值后的岩石特性对岩石工程有特别的意义5.2单轴压缩的全应力-应变曲线thecompletestress-straincurveinuniaxialcompression5.3普通、刚性和伺服控制试验机soft,stiffandservo-controlledtestingmachines5.4试件几何性质、加载条件和环境影响specimengeometry,loadingconditionsandenvironmentaleffects尺寸效应（thesizeeffect）弹性模量没有随试样尺寸变化而明显变化，因为它是一个平均响应形状效应（theshapeeffect）弹性模量变化小，而强度和延性由于端部效应（endeffect）随宽高比(aspectration)增加而增加。如何避免形状效应？两种思路：improvethelabtestoruseempiricalformulae.加载条件（loadingconditions）环境效应（environmentaleffects）1.含水量（率）moisturecontent2.时间相关性time-dependenteffectsa.应变率（加载速率）strainrate:thetotalformofthecompletestress-straincurveisafunctionoftheappliedstrainrate;b.蠕变creep:amaterialcontinuestostrainwhentheappliedstressisheldconstant;c.松弛relaxation:thereisadecreaseinstresswithinthematerialwhentheappliedstrainisheldconstant;d.疲劳fatigue:thereisanincreaseinstrainduetocyclicalchangesinstress.温度效应temperatureeffect温度增加，弹性模量和抗压强度的降低，峰后延性增长。涉及液化天然气储存（低温）和核废料处置（高温）。5.5破坏准则（failurecriteria）岩石破坏是一个复杂的过程：无论是单个微裂纹的产生和发展，还是多个微裂纹的发展和合并使得整个结构破裂，均不是用简单模型能准确描述的。传统习惯把应力看成“因”，应变看成“果”，因此早期实验采用定应力加载速率，用破坏时的试件应力来表示材料的强度。),,(strength321f),,(strength321f),,,,,(strength321321f莫尔-库仑准则表示破坏时剪应力与正应力的关系；平面格里菲斯准则用微裂纹扩展所需要的应变能表示单轴抗拉强度；霍克-布朗准则是拟合在最大、最小主应力空间中的强度数据得到的经验准则。5.5.1莫尔-库仑准则(theMohr-Coulombcriterion)5.5.2平面格里菲斯准则(theplaneGriffithcriterion)5.5.3霍克-布朗准则(theHoek-Brownempiricalfailurecriterion)参数s与岩样开裂程度相关,值1~0参数m与颗粒内锁（particleinterlocking）的程度有关抗拉和抗压的关系：2331ccsm2/42smmct