岩石力学实验

《矿山岩体力学》试验主讲刘承论山东科技大学2010.5研究生专业基础课预修课程：弹性力学、弹塑性力学教学目的和要求：主要讲授岩石和岩体的基本力学性质及其研究方法、岩石工程稳定性分析的原理、岩石工程支护设计的最新理论、岩石力学研究的最新进展等。第一章绪论第二章岩石力学试验2.1岩石物理性质与简单应力状态下的岩石力学实验2.2常规三轴压力试验与围压效应2.3真三轴压力试验与中间主应力效应2.4岩石压缩变形破坏过程2.5岩石细观结构模型与压缩破坏机理2.6岩石的应力应变关系内容提要主要参考书[1]《矿山岩体力学》，高延法、张庆松编著，中国矿业大学出版社，2000[2]《岩石力学与工程》，蔡美峰主编，科学出版社，2002[3]《高等岩石力学》，周维垣主编，中国水利水电出版社，1990[4]《岩石力学基础》，张清、杜静编著，中国铁道出版社，1997[5]《岩石力学简明教程》，李世平等编．北京：煤炭工业出版社，1996[6]《岩体力学》，沈明荣主编．上海：同济大学出版社，1999第一章绪论岩石力学是研究岩石的力学性质的一门理论与应用科学，它是力学的一个分支，它探讨岩石对其周围物理环境中力场的反应。岩石力学的主要课题是解明岩石力学性质；岩体状态的预测。岩石力学的根基：力学、物理、实验等方面。岩石力学：弹性力学、塑性力学、流变力学岩石力学是一门新兴边缘学科，是一门应用性与实践性很强的应用基础学科。应用涉及采矿、土木建筑、水利水电、铁路、公路、地质、地震、石油、地下工程、海洋工程等工程领域。岩石力学的几个特点：天然材料；非连续介质；释放载荷。绪论一、岩石力学的发展历史与概况1、初始阶段（19世纪末—20世纪初）1912年海姆（A.Hmeim）提出了静水压力理论，朗金（W.J.M.Rankine）的侧压理论：，金尼克（A.H.ΠHHHHK）的侧压理论：，2、经验理论阶段（20世纪初—20世纪30年代）普罗托吉雅克诺夫—普氏理论：顶板围岩冒落的自然平衡拱理论（当开掘巷道以后,经过一定时间,巷道顶板岩石总是自然而然成为某一种拱形而稳定下来。一方面,由于自然平衡拱对于支架受力大小有密切关系;另一方面,利用自然平衡拱状态来维护巷道,可以大大节约支架材料,因此,对自然平衡拱的成因、形状和尺寸的研究,有很大意义。众所周知,普氏提出的自然平衡拱抛物线形状）；太沙基：塌落拱理论。H2tan()42H1H绪论3、经典理论阶段（20世纪30—60年代）这是岩石力学形成的重要阶段；弹性力学、塑性力学和流变理论被引入岩石力学，导出经典计算公式；形成围岩与支护体共同作用理论，结构面影响受到重视；实验方法完善；连续介质理论特点与不足；后来的有限单元方法被引入；地应力测量受到重视；地质力学理论；奥地利学派；4、现代发展阶段（20世纪60年代至今）现代力学、数学、计算机数值分析方法的广泛应用流变学、断裂力学、非连续介质、数值方法、人工智能，神经网络，专家系统；损伤力学、离散元法、DDA法(数字微分分析法)、数值流形分析；非线性理论，分叉混沌理论等。绪论二、岩石力学的基本研究内容和研究方法1、研究内容（1）岩石与岩体的地质特征：物质组成与结构，结构面与岩体的性质，岩体工程分级；（2）岩石物理、水理与热力学性质；（3）岩石的基本力学性质：变形与强度力学参数，测试技术，变形破坏机理；（4）结构面力学性质：法向与切向变形与强度；（5）岩体力学性质：测试，结构弱化，水运移；（6）地应力测量；（7）岩体工程围岩稳定性及其控制；（8）工程岩体模拟实验方法（9）岩体工程稳定性的数值模拟计算（10）各种新理论、新方法、新技术的应用围岩级别主要工程地质特征毛硐稳定情况岩体结构构造影响程度，结构面发育情况和组合状态岩石强度指标岩体声波指标岩土强度应力比单轴饱和抗压强度σcw(MPa)点荷载强度（MPa）岩体纵波速度（km/s）岩体完整性系数Ⅰ整体状及层间结合良好的厚层状结构构造影响轻微，偶有小断层。结构面不发育，仅有2~3组，平均间距大于0.8m，以原生和构造解理为主，多数闭合，无泥质充填，不贯通。层间结合良好，一般不出现不稳定块体。602.550.75—毛硐跨度5~10m时，长期稳定，一般无碎块掉落Ⅱ同Ⅰ级围岩结构同Ⅰ级围岩特性30~601.25~2.53.7~5.20.75—块状结构和层间结合较好的中厚层或厚层状结构构造影响较重，有少量断层。结构面较发育。一般为3组，平均间距0.4~0.8m，以原生和构造解理为主，多数闭合，偶有泥质充填，贯通性较差，有少量软弱结构面。层间结合较好，偶有层间错动和层面张开现象。602.53.7~5.20.752冒硐跨度5~10m时，围岩能较长时间（数月至数年）维持稳定，仅出现局部小块掉落围岩分级《锚杆喷射混凝土支护技术规范》（GBJ86—85）《锚杆喷射混凝土支护技术规范》（GBJ86—85）围岩级别主要工程地质特征毛硐稳定情况岩体结构构造影响程度，结构面发育情况和组合状态岩石强度指标岩体声波指标岩土强度应力比单轴饱和抗压强度σcw(MPa)点荷载强度（MPa）岩体纵波速度（km/s）岩体完整性系数Ⅲ同Ⅰ级围岩结构同Ⅰ级围岩特征20~300.85~1.253.0~4.50.752毛硐跨度5~10m时，围岩能维持一个月以上的稳定，主要出现局部掉块、塌落。同Ⅱ级围岩块状结构和层间结合较好的中厚层或厚层状结构同Ⅱ级围岩块状结构和层间结合较好的中厚层或厚层状结构特征30~601.25~2.53.0~4.50.5~0.752层间结合良好的薄层和软硬岩互层结构构造影响较重。结构面发育，一般为3组，平均间距0.2~0.4m，以构造解理为主，解理面多数闭合，稍有泥质充填。岩层为薄层或以硬岩为主的软硬互层，层间结合良好，少见软弱夹层、层间错动和层面张开现象。60(软岩20)2.53.0~4.00.3~0.52破碎镶嵌结构构造影响较重。结构面发育，一般为3组以上，平均间距0.2~0.4m，以构造结理为主，结理面多数闭合，稍有泥质充填，块体间牢固咬合。602.53.0~4.50.3~0.52围岩级别主要工程地质特征毛硐稳定情况岩体结构构造影响程度，结构面发育情况和组合状态岩石强度指标岩体声波指标岩土强度应力比单轴饱和抗压强度σcw(MPa)点荷载强度（MPa）岩体纵波速度（km/s）岩体完整性系数Ⅳ同Ⅱ级围岩块状结构和层间结合较好的中厚层或厚层状结构同Ⅱ级围岩块状结构和层间结合较好的中厚层或厚层状结构特征10~300.42~1.252.0~3.00.5~0.751毛硐跨度5~10m时，围岩能维持数日到一个月的稳定，主要失稳形式为冒落或片帮散块状结构构造影响严重，一般为风化卸荷带。结构面发育，一般为3组，平均间距0.4~0.8m,以构造节理、卸荷、风化裂隙为主，贯通性好，多数张开，夹泥、夹泥厚度一般大于结构面的起伏高度，咬合力弱，构成较多的不稳定块体301.252.00.152层间结合不良的薄层、中厚层和软硬岩互层结构构造影响严重，结构面发育，一般为3组以上，平均间距0.2~0.4m,以构造、风化节理为主，大部分微张（0.5~1.0mm）.部分张开（1.0），有泥质充填，层间结合不良，多数夹泥，层间错动明显30（软岩10）1.252.0~3.50.2~0.41破碎状结构构造影响严重，多数为断层影响带或强风化带。结构面发育，一般为3组以上，平均间距0.2~0.4m,大部分微张（0.5~1.0mm）.部分张开（1.0mm），有泥质充填，形成许多碎块体。301.252.0~3.50.2~0.41Ⅴ散体状结构构造影响很严重，多数为破碎带、全强风带、破碎带交汇部位。构造及风化节理密集，节理面及其结合杂乱，形成大量碎块体。块体间多数为泥质充填，甚至承石夹土或土夹石状——2.0——毛硐跨度5m时,围岩稳定时间很短，约数小时至数日2、研究方法（1）工程地质研究方法（2）科学实验方法（3）数学力学分析方法（4）整体综合分析方法三、岩石力学研究的主要问题1、水利水电工程2、采矿工程3、隧道工程4、土木建筑工程5、石油工程6、海洋勘探与开发工程7、核废料处理8、地热开发9、地震预报绪论三峡水利枢纽工程长江三峡船闸，双线五级，是当前世界级数最多、总水头和级间输水水头最高的内河船闸，主体部分由高山中深挖而成，于1994年开工建设，2003年6月试通航。四、岩石力学与工程的发展前景水利枢纽工程，水电站大坝；地下厂房、储油库；露天矿边坡；深井开采；跨海隧道；计算机数值模型，有限元位移反分析方法，有限元强度折减法流变模型，流变实验，大变形理论，巷道流变大变形控制技术；非线性模型的唯一性，非线性方法，人工智能；绪论2.1岩石物理性质与简单应力状态下的岩石力学实验2.2常规三轴压力试验与围压效应2.3真三轴压力试验与中间主应力效应2.4岩石压缩变形破坏过程2.5岩石细观结构模型与压缩破坏机理2.6岩石的应力应变关系第二章岩石力学试验一、岩石的组成与结构1、概述由矿物和或岩屑在地质作用下按一定规律聚集而形成的自然体。2、岩石的构成与成分造岩矿物（具有一定化学成分和物理性质的自然元素和化合物）：正长石、斜长石、石英、云母、角闪石、辉石、橄榄石、方解石、白云石、高岭石、赤铁矿等。粘土矿物：蒙脱石、高岭石、伊利石。岩石结构连结类型：结晶连结（如岩浆岩），胶结连结----硅质、铁质、钙质、泥质岩石内部细观结构面：晶粒边界，粒间空隙，晶格缺陷；3、岩石的地质成因：岩浆岩沉积岩变质岩2.1岩石物理性质与简单应力状态下岩石力学实验岩石物理性质2.1岩石物理性质与简单应力状态下岩石力学实验二、岩石的物理性质1、岩石的容重（）,kN/m3，单位体积的重量。2、岩石的比重（）；岩石固体部分的重量与4°C同体积纯水重量的比值。3、岩石的孔隙率（n）：岩石中空隙体积与总体积之比。WVSGsSswWGV%100VVnv二、岩石的物理性质4、岩石的水理性：天然含水率（w），岩石空隙含水的质量与固体质量之比。岩石的吸水率（），岩石吸入水的质量与固体的质量之比。自然吸水率饱和吸水率mo_浸水48h的质量；mP—煮沸或真空抽气饱和后的质量。岩石的渗透系数k，岩石的软化系数。%100%1000ssPsassammmWmmmWaw%100swmmwIvkcdccRRRcc饱和单轴抗压强度Rcd干燥单轴抗压强度渗透速率水头梯度2.1岩石物理性质与简单应力状态下岩石力学实验岩石单轴抗压强度：岩石试件在无侧限条件下，受轴向力作用破坏时，单位面积上所能承受的荷载。简单应力状态下岩石力学实验APRc一、岩石单轴压缩试验岩石单轴压缩试验是最简单的岩石力学试验，通常岩石试件做成棱柱体或圆柱体，要求圆柱体高径比大于2～3，试件端面光洁、平整，两端面平行且垂直于轴线。岩石的单轴抗压强度和弹性模量等力学参数取决于岩石的组成结构、矿物颗粒性质以及微观裂隙等。虽然单轴压缩是最简单的强度实验，但因与许多因素相关，岩石试件内的应力分布，破坏方式和强度值都会受到影响。①压力试验机的刚性；②承压板与试件端面的摩擦；③试件几何形态(形状、高径比和尺寸)；④加载速度。2.1岩石物理性质与简单应力状态下岩石力学实验简单应力状态下岩石力学实验1.试件的破坏形态岩石试件单轴受压时，由于受到多种因素的干扰，真实的破裂形式不大明确，常常观察到的是剪切破坏、锥形破坏和劈裂破坏，如图2-3。对试件破坏形态影响最大的是端面摩擦约束效应，对于比较坚硬的脆性岩石，当采取减少端面摩擦约束的措施时，出现纵向劈裂破坏。2.1岩石物理性质与简单应力状态下岩石力学实验(a)剪切破坏锥形破坏(b)劈裂破坏(c)2.试件端面摩擦约束效应①承压板变形对试件端面周边的约束。由于试验机承压板大于试件端面，加载时承压板因受力而变形，对试件的周边产生横向约束；同时承压板的变形还会改变对试件作用的纵向应力分布。②端面摩擦。试件发生横向变形时，承压板对试件端面产