《巖石力學(xué)》PPT課件

1、2021/7/231巖巖 石石 力力 學(xué)學(xué)2021/7/232目目 錄錄第一章 巖石基本物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)與分析第二章 巖層的力學(xué)性狀第三章 原巖應(yīng)力第四章 巖層巷道穩(wěn)定性分析2021/7/233B.H.G.Brady and E.T.Brown (2 0 0 6)2021/7/234相關(guān)資料相關(guān)資料礦山巖層力學(xué)礦山巖層力學(xué) 賈喜榮賈喜榮 編著編著 2021/7/235n巖石力學(xué)：巖石材料力學(xué)+巖石工程結(jié)構(gòu)力學(xué)的統(tǒng)稱。 巖石力學(xué)屬固體力學(xué)范疇。 n研究內(nèi)容：巖石材料及巖石工程結(jié)構(gòu)的物性、結(jié)構(gòu)、載荷、可靠度。 研究固體力學(xué)的方法適用于巖石力學(xué)研究。n在某種意義上，巖石力學(xué)是一門試驗(yàn)力學(xué)。 巖石物理

2、性質(zhì)、力學(xué)性質(zhì)、工程性質(zhì)，都要通過相應(yīng)的試驗(yàn)來確定。 如：密度、視密度；變形模量、抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、強(qiáng)度準(zhǔn)則等。引言2021/7/236eE2021/7/237巖石試樣制備及試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)n巖石試樣尺寸： 抗壓強(qiáng)度：50100圓柱體； 505050立方體； 抗拉強(qiáng)度：5025圓柱體n加工精度：GB/T23561.132010 煤巖物理力學(xué)性質(zhì)測(cè)定方法巖石的基本物理性質(zhì)指標(biāo)n巖石視密度：沉積巖視=25002700(kg/m3)，通常為2600(kg/m3)； 煤層視=12001400(kg/m3)，通常為1300(kg/m3)。reE 2021/7/238preE單軸壓縮下巖石的變形性質(zhì)n 巖石的模

3、量式中：E巖石的彈性模量， GPa； E巖石的變形模量， GPa； e瞬時(shí)彈性應(yīng)變； r后效彈性應(yīng)變； p塑性應(yīng)變。reE PP2021/7/239n巖石的載荷位移全程曲線10APcreE PPTennessee大理石峰后卸載、加載時(shí)，載荷位移關(guān)系曲線(巖石全程曲線)（據(jù)Wawersik和Fairhurst，1970）2021/7/2310reE PP10cf1：巖石軸向應(yīng)力軸向應(yīng)變曲線；3：巖石軸向應(yīng)力側(cè)向應(yīng)變曲線；V/V0：巖石軸向應(yīng)力體積應(yīng)變曲線。n 巖石的變形特征2021/7/23110.4 巖石單軸抗壓強(qiáng)度式中：c巖石單軸抗壓強(qiáng)度，MPa； P試件壓縮破壞載荷，kN； A試件橫截面積

4、，cm2。試件尺寸：50100圓柱體n 巖石堅(jiān)固性系數(shù)(普氏系數(shù))f：reE PP2021/7/2312裂紋擴(kuò)展示意圖1端面有摩擦；2端面有插入物；3端面有潤滑。reE PP大理石粗砂巖2021/7/231310APt試件尺寸對(duì)完整巖石強(qiáng)度的影響reE PP2021/7/2314試件相對(duì)含水率對(duì)巖石抗壓強(qiáng)度的影響石英質(zhì)頁巖石英質(zhì)砂巖reE PP2021/7/2315直接拉伸法n 巖石抗拉強(qiáng)度式中：t巖石抗拉強(qiáng)度，MPa； P試件拉伸破壞載荷，kN； A試件橫截面積，cm2。102DtPtPP2021/7/23161半球座；2上壓模；3下壓模；4導(dǎo)桿；5導(dǎo)桿孔。間接拉伸法（Brazil法）式中：

5、t巖石抗拉強(qiáng)度，MPa； P試件破壞載荷，kN； D試件直徑，； t試件厚度， cm。試件尺寸：5025圓柱體1半球座；2上壓模；3下壓模；4導(dǎo)桿；5導(dǎo)桿孔。223bhPlmP2021/7/2317對(duì)心加壓圓盤應(yīng)力分布情況2021/7/2318巖石抗彎強(qiáng)度試驗(yàn)裝置lnf20 m巖石抗彎強(qiáng)度（抗拉強(qiáng)度）。2021/7/2319巖石的點(diǎn)載荷試驗(yàn)2021/7/2320測(cè)定巖石強(qiáng)度的搗碎儀和體積儀試樣直徑2040mm；試件數(shù)量：5個(gè)；測(cè)定組數(shù)：35組；重錘質(zhì)量：2.4kg。10cos APANf巖石強(qiáng)度指數(shù)；n錘擊次數(shù)；l巖粉高度，mm。2021/7/2321巖石變角剪試驗(yàn)10sin APATtan

6、C式中：剪切面上的正應(yīng)力，MPa； 剪切面上的剪應(yīng)力，MPa； N剪切面上的正壓力，kN； T剪切面上的剪切力，kN； A試件剪切面面積， cm2； P試件破壞時(shí)的最大載荷，kN； 剪切面與水平面間夾角，() 。式中：剪切面上的正應(yīng)力，MPa； 剪切面上的剪應(yīng)力，MPa； C巖石內(nèi)聚力（應(yīng)力單位），MPa； 巖石內(nèi)摩擦角， ()。 2021/7/2322n 巖石抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)1正壓力；2測(cè)力計(jì)；3粘接劑；4球形接頭；5剪力2021/7/2323巖石試件三軸壓力室結(jié)構(gòu)圖von Karman曲線，19112021/7/2324332211Tennessee大理石三軸試驗(yàn)的應(yīng)力應(yīng)變曲線2021/7/2

7、3251:3=34.5MPa; 2:3=34.5MPa； 3:3=34.5MPa; =6.9MPa。 =20.7MPa。 =34.5MPa。 砂巖孔隙壓力試驗(yàn)花崗巖孔隙壓力試驗(yàn)1:3=34.5MPa; 2:3=34.5MPa； 3:3=34.5MPa; =6.9MPa。 =20.7MPa。 =34.5MPa。 孔隙壓力有效應(yīng)力定律：reE PP2021/7/2326巖石力學(xué)性質(zhì)的各向異性特征2021/7/23272sin212cos2121yxyxyx斜截面上的應(yīng)力2021/7/23282sin212sin2cos21212cosyxyxyxCDCDOC單元體的應(yīng)力狀態(tài)和Mohr應(yīng)力圓2021

8、/7/2329平面應(yīng)力及其Mohr應(yīng)力圓點(diǎn)面對(duì)應(yīng)，先找基準(zhǔn)；轉(zhuǎn)向相同，夾角兩倍。2021/7/2330三軸應(yīng)力Mohr圓2021/7/2331Charles Augustin de Coulomb (1736 - 1806)1774 1774 年當(dāng)選為法國科學(xué)院院士年當(dāng)選為法國科學(xué)院院士sin1cos2sin1si131CntCtttt321232121211Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則強(qiáng)度準(zhǔn)則2021/7/2332c211c211tant)24tan(2)24(tan231C)24tan(2)24(tan213CCoulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則強(qiáng)度準(zhǔn)則（線性方程）（線性方程）2021/7/2333Willi

9、am John Maquorn Rankine(1820 - 1872)英國科學(xué)家，在熱力學(xué)英國科學(xué)家，在熱力學(xué) 、流體力學(xué)、流體力學(xué) 及土力學(xué)等領(lǐng)域均有杰出的貢獻(xiàn)及土力學(xué)等領(lǐng)域均有杰出的貢獻(xiàn)n Rankine 強(qiáng)度準(zhǔn)則（1857）式中： 被動(dòng)土壓力（豎向應(yīng)力）； 主動(dòng)土壓力（水平應(yīng)力）； C土體內(nèi)聚力； 土體內(nèi)摩擦角； 被動(dòng)土壓力系數(shù)； 主動(dòng)土壓力系數(shù)。13)24tan()24tan(2021/7/2334錨索錨索+ +土釘墻土釘墻深基坑錨固2021/7/2335Mohr強(qiáng)度準(zhǔn)則試驗(yàn)準(zhǔn)則；Mohr包絡(luò)線Mohr強(qiáng)度曲線。Mohr強(qiáng)度準(zhǔn)則2021/7/2336ttf331231318, tt

10、421 2 8t：Cc03310331bJCSJRClgtanGriffith強(qiáng)度理論（拋物線方程）（線性方程）（拋物線方程）2021/7/2337n N.Barton準(zhǔn)則（峰值抗剪強(qiáng)度準(zhǔn)則）（1973）2021/7/2338小結(jié)n強(qiáng)度準(zhǔn)則：有關(guān)材料破壞機(jī)理的某種假說或理論，是材料或工程結(jié)構(gòu)可靠度的判據(jù)。 如：最大正應(yīng)力強(qiáng)度理論；最大剪應(yīng)力強(qiáng)度理論；莫爾(Mohr)強(qiáng)度理論； 庫侖強(qiáng)度準(zhǔn)則；郎肯強(qiáng)度準(zhǔn)則；巴頓強(qiáng)度準(zhǔn)則。n巖石的5個(gè)強(qiáng)度指標(biāo)： 單軸抗壓強(qiáng)度：c ； 巖石堅(jiān)固性系數(shù)：f； 抗拉強(qiáng)度：t ； 內(nèi)聚力（抗剪強(qiáng)度）C； 內(nèi)摩擦角：。nc ：C ：t =8：2：12021/7/2339層理

11、、節(jié)理對(duì)巖體力學(xué)性質(zhì)的影響2021/7/2340圍壓對(duì)巖體力學(xué)性質(zhì)的影響2021/7/2341層理產(chǎn)狀對(duì)巖體力學(xué)性質(zhì)的影響2021/7/2342n 煤柱原位試驗(yàn)煤柱原位試驗(yàn)2021/7/2343煤的試樣尺寸對(duì)強(qiáng)度的影響煤的試樣尺寸對(duì)強(qiáng)度的影響（據(jù)Z.T.Bieniawski，1982）2021/7/2344褶皺巖層中的節(jié)理巖層產(chǎn)狀2021/7/2345巖層粗糙度測(cè)定巖層結(jié)構(gòu)面張開度標(biāo)準(zhǔn)粗糙度斷面圖2021/7/2346巖體結(jié)構(gòu)的描述（a）塊狀；（b）不規(guī)則狀；（c）板狀；（d）柱狀2021/7/2347巖石結(jié)構(gòu)面抗剪切試驗(yàn)巖層結(jié)構(gòu)面抗剪切試驗(yàn)石英巖光滑結(jié)構(gòu)面抗剪切試驗(yàn)n=0.1MPaw=352

12、021/7/2348石墨表面節(jié)理直剪試驗(yàn)結(jié)果1剪脹曲線；2剪力曲線峰值、殘余抗剪強(qiáng)度包絡(luò)線N=28.9kN2021/7/2349表面粗糙度模型i粗糙度角2021/7/2350板巖抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果2021/7/2351直剪試驗(yàn)的兩種約束模式（a）、（c）自由剪脹模式； （b）、（d）抑制剪脹模式2021/7/2352n 剪脹錨固理論的動(dòng)態(tài)平衡力學(xué)機(jī)制R.E.Goodman 曲線【咀嚼原理】2021/7/2353結(jié)構(gòu)面厚度與初始應(yīng)力結(jié)構(gòu)面的雙曲線模型法向壓應(yīng)力；結(jié)構(gòu)面閉合量；Vmc最大閉合量。2021/7/2354三軸壓縮下單結(jié)構(gòu)面巖石的強(qiáng)度特征（2=3）理論解單結(jié)構(gòu)面板巖試驗(yàn)結(jié)果（ c=224.

13、94MPa ）2021/7/2355三軸壓縮下雙結(jié)構(gòu)面巖石的強(qiáng)度特征（2=3）2021/7/23562021/7/2357n N.Barton準(zhǔn)則（峰值抗剪強(qiáng)度準(zhǔn)則）（1973）2021/7/23582021/7/2359節(jié)理巖層（巖體）的工程分類2021/7/23602021/7/23611號(hào)箱：RQD=80.06% 閃長巖（9#煤頂板，2.0m水平）巖芯照片（7.17）2021/7/2362原巖應(yīng)力原巖應(yīng)力=自重應(yīng)力+構(gòu)造應(yīng)力2021/7/2363地應(yīng)力及地質(zhì)構(gòu)造2021/7/2364)1 (22rapr)1 (22rap巷道圍巖應(yīng)力場分布2021/7/2365 2cos12cos2121

14、22raprr雙向等壓圓形巷道的彈性應(yīng)力分析 2sin2sin2122rapr r、皆為主應(yīng)力，徑向、切向 均為主平面，r與之和為常量2p。應(yīng)力值的大小與物性常數(shù)E、無關(guān)。周邊r=a上， r=0，=2p(最大值)， 且與巷道半徑無關(guān)。應(yīng)力集中系數(shù)次生應(yīng)力與原巖應(yīng)力的比值。當(dāng)取r=1.04p，=0.96p 和r=1.10p，=0.90p時(shí)， 影響半徑 r=5a 和 r3a。工程應(yīng)用中，r=5a 與 r=等價(jià)。 通常巷道影響圈的厚度為2a4a。2021/7/2366巷道頂板巖層層面應(yīng)力分布規(guī)律式中： 頂板巖層剪應(yīng)力； r 距離； 頂板巖層法向應(yīng)力； a 巷道半徑。 轉(zhuǎn)角；2021/7/2367頂板

15、各巖層層面上/分布狀況2021/7/23682sinsin1) (cot) sin1 )(cot()sincos(raCpCppCpr雙向不等壓圓形巷道的彈性應(yīng)力分析2021/7/2369 cot) (cotsin1sin2CarCprpcot) (sin1sin1cotsin1sin2CarCpp雙向等壓圓形巷道的彈塑性應(yīng)力分析sin2sin1cot)sin1)(cot(CpCpaRpcot)(sin1cotsin1sin2CRaCppppRp2021/7/2370 24tan0 aerrppasin2sin1cot)sin1)(cot(CpCpaRppRcot)(sin1cotsin1si

16、n2CRaCppp pRr a2021/7/2371巷道破裂帶內(nèi)破裂面（滑移線）2021/7/2372巷道圍巖的支護(hù)與加固2021/7/23732021/7/23742021/7/23752021/7/23762021/7/23772021/7/23782021/7/2379巷道錨固2021/7/2380錨固巷道失穩(wěn)2021/7/2381煤層巷道錨固煤層巷道錨固2021/7/2382巖層巷道錨固巖層巷道錨固2021/7/23832021/7/2384托托 板板2021/7/2385玻玻 璃璃 鋼鋼 錨錨 桿桿2021/7/2386錨索及錨（鎖）具2021/7/23877股高強(qiáng)度鋼絞線技術(shù)參數(shù)公稱直徑（mm）強(qiáng)度等級(jí)（MPa）抗拉力（kN）公稱截面積（mm）15.242000280.0140.0017.802000382.0190.0021.6017701860504.0530.0285.002021/7/2388綜采液壓支架2021/7/2389綜采支架失穩(wěn)2021/7/2390地下工程地下工程支護(hù)設(shè)計(jì)支護(hù)設(shè)計(jì)物性物性結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)載荷載荷圍巖的物理圍巖