礦山壓力及巖層控制第一章ppt課件

1、第一章第一章 礦山巖石和巖體的根本性質(zhì)礦山巖石和巖體的根本性質(zhì) 巖石的物理力學(xué)性質(zhì)是巖體最根本、最重要的性質(zhì)之一，也是巖石力學(xué)中研討最早、最完善的內(nèi)容之一。本章引見：巖石的地質(zhì)構(gòu)成及分類； 巖石物理、力學(xué)性質(zhì)及測定； 巖石的破壞機(jī)理和強(qiáng)度實(shí)際； 巖體及其力學(xué)特征。 第一節(jié)第一節(jié) 巖石的根本物理性質(zhì)巖石的根本物理性質(zhì) 1. 1.概念概念 巖石：礦物或巖屑在地質(zhì)作用下按一定規(guī)律聚集構(gòu)成的自然物體。巖石：礦物或巖屑在地質(zhì)作用下按一定規(guī)律聚集構(gòu)成的自然物體。 巖石巖石 = = 礦物顆粒礦物顆粒 + + 膠結(jié)物膠結(jié)物 + + 孔隙孔隙 + + 水水 礦物：存在地殼中的具有一定化學(xué)成分和物理性質(zhì)的自然元素

2、和化合物。礦物：存在地殼中的具有一定化學(xué)成分和物理性質(zhì)的自然元素和化合物。 構(gòu)造：組成巖石的物質(zhì)成分、顆粒大小和外形以及其相互結(jié)合的情況。構(gòu)造：組成巖石的物質(zhì)成分、顆粒大小和外形以及其相互結(jié)合的情況。 ( (結(jié)晶、膠結(jié)結(jié)晶、膠結(jié)) ) 構(gòu)造構(gòu)造: : 組成成分的空間分布及其相互間陳列關(guān)系。組成成分的空間分布及其相互間陳列關(guān)系。 節(jié)理、裂隙、空隙、邊境、缺陷節(jié)理、裂隙、空隙、邊境、缺陷 礦物、構(gòu)造、構(gòu)造礦物、構(gòu)造、構(gòu)造 是影響巖石力學(xué)性質(zhì)和物理性質(zhì)的三個重要要素是影響巖石力學(xué)性質(zhì)和物理性質(zhì)的三個重要要素 。一、巖石的根本概念一、巖石的根本概念 巖漿巖：強(qiáng)度高、均質(zhì)性好巖漿巖：強(qiáng)度高、均質(zhì)性好2.

3、巖石地質(zhì)分類巖石地質(zhì)分類 堆積巖：強(qiáng)度不穩(wěn)定，各向異性堆積巖：強(qiáng)度不穩(wěn)定，各向異性 蛻變巖：不穩(wěn)定，與蛻變程度和巖性有關(guān)蛻變巖：不穩(wěn)定，與蛻變程度和巖性有關(guān)3.3.堆積巖石的力學(xué)特性：堆積巖石的力學(xué)特性：不延續(xù)性；物質(zhì)不能充溢空間，有空隙存在不延續(xù)性；物質(zhì)不能充溢空間，有空隙存在各向異性；任一點(diǎn)的物理、力學(xué)性質(zhì)沿不同方各向異性；任一點(diǎn)的物理、力學(xué)性質(zhì)沿不同方向均不一樣向均不一樣不均勻性；由不同物質(zhì)組成，各點(diǎn)物理力學(xué)性不均勻性；由不同物質(zhì)組成，各點(diǎn)物理力學(xué)性質(zhì)都不一樣質(zhì)都不一樣巖塊單元的可挪動性；巖塊單元的可挪動性；地質(zhì)要素影響特性水、氣、熱、初應(yīng)力地質(zhì)要素影響特性水、氣、熱、初應(yīng)力上述特性導(dǎo)致

4、巖石力學(xué)的研討方法以實(shí)驗(yàn)測試為上述特性導(dǎo)致巖石力學(xué)的研討方法以實(shí)驗(yàn)測試為主主 巖石由固體，水，空氣等三相組成。巖石由固體，水，空氣等三相組成。一密度一密度和重度和重度( (體積力體積力)： 單位體積的巖石的質(zhì)量稱為巖石的密度。單位體積的單位體積的巖石的質(zhì)量稱為巖石的密度。單位體積的巖石的重力稱為巖石的重度。所謂單位體積就是包括孔隙巖石的重力稱為巖石的重度。所謂單位體積就是包括孔隙體積在內(nèi)的體積。體積在內(nèi)的體積。 g/cm3g/cm3，g(kN /m3)g(kN /m3) 巖石的密度可分為天然密度、干密度和飽和密度。相巖石的密度可分為天然密度、干密度和飽和密度。相應(yīng)地，巖石的重度可分為天然重度、

5、干重度和飽和重度。應(yīng)地，巖石的重度可分為天然重度、干重度和飽和重度。VW 二、巖石的根本物理性質(zhì)二、巖石的根本物理性質(zhì) 固體水空氣1 1、天然密度、天然密度和天然重度和天然重度 指巖石在天然形狀下的密度和重度。指巖石在天然形狀下的密度和重度。 VW g/cm3(kN /m3)g 式中：式中：WW天然形狀下巖石試件的質(zhì)量天然形狀下巖石試件的質(zhì)量(g(g；) ) V V巖石試件的體積巖石試件的體積(cm3)(cm3)； gg重力加速度重力加速度N/gN/g。 干密度是指巖石孔隙中的液體全部被蒸發(fā)后單位體積干密度是指巖石孔隙中的液體全部被蒸發(fā)后單位體積巖石的質(zhì)量，相應(yīng)的重度即為干重度。巖石的質(zhì)量，相

6、應(yīng)的重度即為干重度。 VWsd 2 2、干密度、干密度dd和干重度和干重度(d )(d )g/cm3g/cm3(kN/m3)(kN/m3)gdd 式中：式中：WsWs巖石試件烘干后的質(zhì)量巖石試件烘干后的質(zhì)量(g)(g)； VV巖石試件的體積巖石試件的體積(cm3)(cm3)； gg重力加速度。重力加速度。 3 3、飽和密度、飽和密度 和飽和重度和飽和重度(w)(w)飽和密度就是飽水形狀下巖石試件的密度。飽和密度就是飽水形狀下巖石試件的密度。VWww 式中：式中：WWWW飽水形狀下巖石試件的質(zhì)量飽水形狀下巖石試件的質(zhì)量 (g)(g)； VV巖石試件的體積巖石試件的體積(cm3)(cm3)； gg

7、重力加速度。重力加速度。 gww g/cm3(kN /m3)二比重相對密度二比重相對密度()() 巖石的比重就是指巖石固體的質(zhì)量與同體積水的巖石的比重就是指巖石固體的質(zhì)量與同體積水的質(zhì)量之比值。巖石固體體積，就是指不包括孔隙體積在質(zhì)量之比值。巖石固體體積，就是指不包括孔隙體積在內(nèi)的體積。巖石的比重可在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)展測定，其計算公內(nèi)的體積。巖石的比重可在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)展測定，其計算公式為：式為： 式中：式中：巖石的比重；巖石的比重； WsWs枯燥巖石的質(zhì)量枯燥巖石的質(zhì)量(g);(g); Vs Vs巖石固體體積巖石固體體積(cm3);(cm3); W 40C W 40C時水的密重。時水的密重。 wssVW

8、三巖石的空隙性三巖石的空隙性 空隙：巖石中孔隙和裂隙的總稱。空隙：巖石中孔隙和裂隙的總稱。小開型空隙小開型空隙空隙空隙閉型空隙閉型空隙開型空隙開型空隙大開型空隙大開型空隙 閉型空隙：巖石中不與外界相通的空隙。閉型空隙：巖石中不與外界相通的空隙。 開型空隙：巖石中與外界相通的空隙。包括大開型空隙和開型空隙：巖石中與外界相通的空隙。包括大開型空隙和小開型空隙。小開型空隙。 在常溫下水能進(jìn)入大開型空隙，而不能進(jìn)入小開型空隙。在常溫下水能進(jìn)入大開型空隙，而不能進(jìn)入小開型空隙。只需在真空中或在只需在真空中或在150150個大氣壓以上，水才干進(jìn)入小開型空個大氣壓以上，水才干進(jìn)入小開型空隙。隙。空隙度：指巖

9、石的裂隙和孔隙發(fā)育程度，其衡量目的空隙度：指巖石的裂隙和孔隙發(fā)育程度，其衡量目的為空隙率為空隙率(n)或空隙比或空隙比e。根據(jù)巖石空隙類型不同，巖石的空隙率分為：根據(jù)巖石空隙類型不同，巖石的空隙率分為： (1)(1)總空隙率總空隙率n n (2) (2)大開空隙率大開空隙率nbnb (3) (3)小開空隙率小開空隙率nlnl (4) (4)總開空隙率總開空隙率n0n0 (5) (5)閉空隙率閉空隙率ncnc普通提到巖石的空隙率時系指巖石的總空隙率。普通提到巖石的空隙率時系指巖石的總空隙率。1 1、空隙率、空隙率(1)(1)總空隙率總空隙率n: n: 即巖石試件內(nèi)空隙的體積即巖石試件內(nèi)空隙的體積

10、VV)VV)占試占試件總體積件總體積(V)(V)的百分比。的百分比。 (2)(2)大開空隙率大開空隙率nb:nb:即巖石試件內(nèi)大開型空隙的體積即巖石試件內(nèi)大開型空隙的體積Vnb)Vnb)占試件總體積占試件總體積(V)(V)的百分比。的百分比。 %100 VVnV%100 VVnnbb(3)(3)小開空隙率小開空隙率nl:nl:即巖石試件內(nèi)小開型空隙的體積即巖石試件內(nèi)小開型空隙的體積Vnl)Vnl)占試件總體積占試件總體積(V)(V)的百分比。的百分比。 %100 VVnnll(4)(4)總開空隙率孔隙率總開空隙率孔隙率n0: n0: 即巖石試件內(nèi)開型空隙即巖石試件內(nèi)開型空隙的總體積的總體積Vn

11、0)Vn0)占試件總體積占試件總體積(V)(V)的百分比。的百分比。 (5)(5)閉空隙率閉空隙率nc: nc: 即巖石試件內(nèi)閉型空隙的體積即巖石試件內(nèi)閉型空隙的體積Vnc)Vnc)占試件總體積占試件總體積(V)(V)的百分比。的百分比。 %10000 VVnn%100 VVnncc 所謂空隙比是指巖石試件內(nèi)空隙的體積所謂空隙比是指巖石試件內(nèi)空隙的體積V V)V V)與巖石試件內(nèi)固體礦物顆粒的體積與巖石試件內(nèi)固體礦物顆粒的體積Vs)Vs)之比。之比。 nnVVVVVesssV 12 2 、空隙比、空隙比(e)(e)四巖石的水理性質(zhì)四巖石的水理性質(zhì) 巖石遇水后會引起某些物理、化學(xué)和力學(xué)性巖石遇水

12、后會引起某些物理、化學(xué)和力學(xué)性質(zhì)的改動，巖石的這種性質(zhì)稱為巖石的水理性。質(zhì)的改動，巖石的這種性質(zhì)稱為巖石的水理性。1 1、巖石的吸水性、巖石的吸水性 巖石吸收水分的性能稱為巖石的吸水性，其巖石吸收水分的性能稱為巖石的吸水性，其吸水量的大小取決于巖石孔隙體積的大小及其密吸水量的大小取決于巖石孔隙體積的大小及其密閉程度。巖石的吸水性目的有吸水率、飽水率和閉程度。巖石的吸水性目的有吸水率、飽水率和飽水系數(shù)。飽水系數(shù)。1 1巖石吸水率巖石吸水率(1)(1)： 是指巖石試件在規(guī)范大氣壓力下吸入水的分量是指巖石試件在規(guī)范大氣壓力下吸入水的分量W1W1與巖石干分量與巖石干分量WsWs之比。之比。 巖石的吸水

13、率的大小，取決于巖石所含孔隙、裂隙巖石的吸水率的大小，取決于巖石所含孔隙、裂隙的數(shù)量、大小、開閉程度及其分布情況，并且還與實(shí)驗(yàn)的數(shù)量、大小、開閉程度及其分布情況，并且還與實(shí)驗(yàn)條件整體和碎塊，浸水時間等有關(guān)。條件整體和碎塊，浸水時間等有關(guān)。 根據(jù)巖石的吸水率可求得巖石的大開空隙率根據(jù)巖石的吸水率可求得巖石的大開空隙率nbnb：%10011 sWWsnbsnbbWVVWVVn 式中：式中：W sW s為枯燥巖石的分量；為枯燥巖石的分量；d,wd,w分別為枯燥巖石和水的重度。分別為枯燥巖石和水的重度。wdnbsWVVW 111 2 2巖石的飽水率巖石的飽水率22 巖石的飽水率指在高壓巖石的飽水率指在

14、高壓150150個大氣壓或真空個大氣壓或真空條件下，巖石吸入水的分量條件下，巖石吸入水的分量W2W2與巖石干分量與巖石干分量WsWs之之比，即：比，即： %10022 sWW 根據(jù)飽水率求得巖石的總開空隙率根據(jù)飽水率求得巖石的總開空隙率n0n0：wdsnsnWVVWVVn 2000 式中：式中：WsWs為枯燥巖石分量；為枯燥巖石分量；d,wd,w枯燥巖石和水的重度?？菰飵r石和水的重度。3 3巖石的飽水系數(shù)巖石的飽水系數(shù)KsKs 巖石吸水率與飽水率之比稱為巖石的飽水系數(shù)，即巖石吸水率與飽水率之比稱為巖石的飽水系數(shù)，即 21 sK 飽水系數(shù)反映了巖石中大開空隙和小開空隙的相對飽水系數(shù)反映了巖石中大

15、開空隙和小開空隙的相對含量。飽水系數(shù)越大，巖石中的大開空隙越多，而小開含量。飽水系數(shù)越大，巖石中的大開空隙越多，而小開空隙越少。空隙越少。 吸水性較大的巖石吸水后往往會產(chǎn)生膨脹，給井巷吸水性較大的巖石吸水后往往會產(chǎn)生膨脹，給井巷支護(hù)呵斥很大壓力。支護(hù)呵斥很大壓力。 2 2、巖石的軟化性、巖石的軟化性 巖石的軟化性是指巖石在飽水形狀下其強(qiáng)度相對巖石的軟化性是指巖石在飽水形狀下其強(qiáng)度相對于枯燥形狀下降低的性能，可用軟化系數(shù)于枯燥形狀下降低的性能，可用軟化系數(shù)表示。表示。 軟化系數(shù)指巖石試樣在飽水形狀下的抗壓強(qiáng)度軟化系數(shù)指巖石試樣在飽水形狀下的抗壓強(qiáng)度cbcb與在枯燥形狀下的抗壓強(qiáng)度與在枯燥形狀下的

16、抗壓強(qiáng)度cc之比，即之比，即ccbc 各類巖石的各類巖石的c=0.45c=0.450.90.9之間。之間。c 0.75,c 0.75,巖石軟化性弱、抗水、抗風(fēng)化才干強(qiáng)；巖石軟化性弱、抗水、抗風(fēng)化才干強(qiáng)；c 0.75c 0.75，巖石的工程地質(zhì)性質(zhì)較差。，巖石的工程地質(zhì)性質(zhì)較差。3 3、巖石的膨脹性、巖石的膨脹性 巖石的膨脹性是指巖石浸水后體積增大的性質(zhì)。巖石巖石的膨脹性是指巖石浸水后體積增大的性質(zhì)。巖石的膨脹性大小普通用膨脹力和膨脹率目的表示。其測定方的膨脹性大小普通用膨脹力和膨脹率目的表示。其測定方法是平衡加壓法。法是平衡加壓法。 實(shí)驗(yàn)中不斷加壓，并堅持實(shí)驗(yàn)中不斷加壓，并堅持體積不變，所測得

17、的最大壓力即體積不變，所測得的最大壓力即為巖石的最大膨脹力；然后逐級為巖石的最大膨脹力；然后逐級減壓，直至荷載為減壓，直至荷載為0 0，測定其最，測定其最大膨脹變形量，膨脹變形量與試大膨脹變形量，膨脹變形量與試件原始厚度的比值即為膨脹率。件原始厚度的比值即為膨脹率。4 4、巖石的崩解性、巖石的崩解性 巖石的崩解性是指巖石與水相互作用時失去粘結(jié)性并巖石的崩解性是指巖石與水相互作用時失去粘結(jié)性并變?yōu)橥耆珕适?qiáng)度的松散物質(zhì)的性質(zhì)。變?yōu)橥耆珕适?qiáng)度的松散物質(zhì)的性質(zhì)。 巖石的崩解性普通用耐崩解指數(shù)巖石的崩解性普通用耐崩解指數(shù) Id2 Id2 的表示。其目的表示。其目的可在實(shí)驗(yàn)室用干濕循環(huán)實(shí)驗(yàn)確定。的可在

18、實(shí)驗(yàn)室用干濕循環(huán)實(shí)驗(yàn)確定。 實(shí)驗(yàn)過程：將經(jīng)過烘干的試實(shí)驗(yàn)過程：將經(jīng)過烘干的試塊塊500g,500g,分成約分成約1010塊，放在塊，放在帶有篩孔的圓筒內(nèi)，使該圓筒在帶有篩孔的圓筒內(nèi)，使該圓筒在水槽中以水槽中以20r/min,20r/min,延續(xù)旋轉(zhuǎn)延續(xù)旋轉(zhuǎn)10 10 min,min,然后將留在圓筒內(nèi)的巖塊取然后將留在圓筒內(nèi)的巖塊取出烘干稱重，如此反復(fù)進(jìn)展兩次，出烘干稱重，如此反復(fù)進(jìn)展兩次，按下試計算耐崩解指數(shù)。按下試計算耐崩解指數(shù)。%10001022 WWWWmmIdrd式中：式中：Id2 Id2 兩次循環(huán)實(shí)驗(yàn)求得的耐崩解指數(shù)，在兩次循環(huán)實(shí)驗(yàn)求得的耐崩解指數(shù)，在0 0100% 100% 之間變

19、化；之間變化；mdmd實(shí)驗(yàn)前試塊的烘干質(zhì)量；實(shí)驗(yàn)前試塊的烘干質(zhì)量；mrmr殘留在圓筒內(nèi)試塊的烘干質(zhì)量；殘留在圓筒內(nèi)試塊的烘干質(zhì)量；W1 W1 實(shí)驗(yàn)前試件和圓筒的烘干分量；實(shí)驗(yàn)前試件和圓筒的烘干分量；W2W2第二次循環(huán)后試件和圓筒的烘干分量；第二次循環(huán)后試件和圓筒的烘干分量；W0W0實(shí)驗(yàn)終了沖洗干凈后圓筒的烘干分量。實(shí)驗(yàn)終了沖洗干凈后圓筒的烘干分量。 巖石的崩解性指數(shù)反映了巖石在浸水和溫度變巖石的崩解性指數(shù)反映了巖石在浸水和溫度變化的環(huán)境下抵抗風(fēng)化作用的才干?；沫h(huán)境下抵抗風(fēng)化作用的才干。5 5、巖石的抗凍性、巖石的抗凍性 巖石的抗凍性是指巖石抵抗凍融破壞的性能，是評價巖石的抗凍性是指巖石抵抗凍

20、融破壞的性能，是評價巖石抗風(fēng)化穩(wěn)定性的重要目的。巖石抗風(fēng)化穩(wěn)定性的重要目的。 巖石的抗凍性用抗凍系數(shù)巖石的抗凍性用抗凍系數(shù)CfCf表示，指巖石試樣在表示，指巖石試樣在250C250C的溫度期間內(nèi)，反復(fù)降溫、凍結(jié)、融解、升溫，然的溫度期間內(nèi)，反復(fù)降溫、凍結(jié)、融解、升溫，然后丈量其抗壓強(qiáng)度的下降值后丈量其抗壓強(qiáng)度的下降值c-cfc-cf, ,以此強(qiáng)度下降以此強(qiáng)度下降值與融凍實(shí)驗(yàn)前的抗壓強(qiáng)度值與融凍實(shí)驗(yàn)前的抗壓強(qiáng)度cc之比的百分比代表抗凍系之比的百分比代表抗凍系數(shù)數(shù)Cf Cf ，即，即%100 ccfcfC 可見：抗凍系數(shù)可見：抗凍系數(shù)Cf Cf 越小，巖石抗凍融破壞的才干越強(qiáng)。越小，巖石抗凍融破壞

21、的才干越強(qiáng)。6 6、巖石的透水性、巖石的透水性 地下水存在于巖石孔隙、裂隙之中，而且大多數(shù)巖地下水存在于巖石孔隙、裂隙之中，而且大多數(shù)巖石的孔隙裂隙是連通的，因此在一定的壓力作用下，地石的孔隙裂隙是連通的，因此在一定的壓力作用下，地下水可以在巖石中浸透。巖石的這種能透水的性能稱為下水可以在巖石中浸透。巖石的這種能透水的性能稱為巖石的透水性。巖石的透水性大小不僅與巖石的孔隙度巖石的透水性。巖石的透水性大小不僅與巖石的孔隙度大小有關(guān)，而且還與孔隙大小及其貫穿程度有關(guān)。大小有關(guān)，而且還與孔隙大小及其貫穿程度有關(guān)。 衡量巖石透水性的目的為浸透系數(shù)衡量巖石透水性的目的為浸透系數(shù)(K)(K)。普通來說，。

22、普通來說，完好密實(shí)的巖石的浸透系數(shù)往往很小。巖石的浸透系數(shù)完好密實(shí)的巖石的浸透系數(shù)往往很小。巖石的浸透系數(shù)普通是在鉆孔中進(jìn)展抽水或壓水實(shí)驗(yàn)而測定的。普通是在鉆孔中進(jìn)展抽水或壓水實(shí)驗(yàn)而測定的。五巖石的碎脹性五巖石的碎脹性 巖石破碎后的體積巖石破碎后的體積VPVP比原體積比原體積V V增大的性能稱為巖石增大的性能稱為巖石的碎脹性，用碎脹系數(shù)的碎脹性，用碎脹系數(shù)來表示。來表示。VVP 碎脹系數(shù)不是一個固定值，是隨時間而變化的。碎脹系數(shù)不是一個固定值，是隨時間而變化的。 永久碎脹系數(shù)剩余碎脹系數(shù)永久碎脹系數(shù)剩余碎脹系數(shù)不能再壓密時不能再壓密時的碎脹系數(shù)稱為永久碎脹系數(shù)的碎脹系數(shù)稱為永久碎脹系數(shù). .彈

23、性：指物體在外力作用下發(fā)生變形，當(dāng)外力撤出后變形彈性：指物體在外力作用下發(fā)生變形，當(dāng)外力撤出后變形可以恢復(fù)的性質(zhì)?？梢曰謴?fù)的性質(zhì)。塑性：指物體在外力作用下發(fā)生變形，當(dāng)外力撤出后變形塑性：指物體在外力作用下發(fā)生變形，當(dāng)外力撤出后變形不能恢復(fù)的性質(zhì)。不能恢復(fù)的性質(zhì)。粘性流變性：物體受力后變形不能在瞬間完成，且應(yīng)粘性流變性：物體受力后變形不能在瞬間完成，且應(yīng)變速度變速度d/dtd/dt隨應(yīng)力大小而變化的性質(zhì)。隨應(yīng)力大小而變化的性質(zhì)。脆性：物體在外力作用下變形很小時就發(fā)生破壞的性質(zhì)。脆性：物體在外力作用下變形很小時就發(fā)生破壞的性質(zhì)。延性：物體可以接受較大的塑性變形而不喪失其承載才干延性：物體可以接受較

24、大的塑性變形而不喪失其承載才干的性質(zhì)。的性質(zhì)。第二節(jié)第二節(jié) 巖石的強(qiáng)度和變形特性巖石的強(qiáng)度和變形特性 巖石的力學(xué)性質(zhì)包括：巖石的力學(xué)性質(zhì)包括： 變形性質(zhì)：研討巖石在受力情況下的變形規(guī)律變形性質(zhì)：研討巖石在受力情況下的變形規(guī)律 強(qiáng)度特性：研討巖石受力破壞的規(guī)律強(qiáng)度特性：研討巖石受力破壞的規(guī)律一、巖石的彈性和塑性：一、巖石的彈性和塑性： 變形分析的重要性直觀、易測、建立模變形分析的重要性直觀、易測、建立模型、準(zhǔn)那么型、準(zhǔn)那么 1、 彈性變形：彈性變形：線彈性非線彈性 滯彈性 線彈性直線型；當(dāng)巖石致密，強(qiáng)度大，壓力不高時，為此形狀。 非線彈性單向曲線型； 根本沒有。 滯彈性雙向曲線型，巖石多屬滯彈性

25、：滯彈性應(yīng)力應(yīng)變不是獨(dú)一的對應(yīng)關(guān)系，應(yīng)變的產(chǎn)生變化較應(yīng)力 的變化有一段時間的滯后。 緣由：物理學(xué)以為，當(dāng)作用在滯彈性體上的力發(fā)生改動時，由于受力體內(nèi)部物質(zhì)的粘性或內(nèi)摩擦的緣由，引起變形效應(yīng)滯后和遲延。 滯彈性體具有兩個重要性質(zhì)： 彈性滯后由于內(nèi)摩擦緣由，巖石隨應(yīng)力變化出現(xiàn)的變形滯后。 彈性后效由于熱傳導(dǎo)等緣由，外力停頓變化，而變形仍隨時間而緩慢變化。 理想塑性具有應(yīng)變硬化的塑性2、塑性變形：、塑性變形： 巖石塑性普遍存在；巖石塑性普遍存在； 巖石塑性與巖石的組成、構(gòu)造、構(gòu)造及外界環(huán)境有關(guān)。巖石塑性與巖石的組成、構(gòu)造、構(gòu)造及外界環(huán)境有關(guān)。 顆粒及膠結(jié)物物質(zhì)成分、陳列結(jié)合、含水、溫度、應(yīng)力等顆粒及

26、膠結(jié)物物質(zhì)成分、陳列結(jié)合、含水、溫度、應(yīng)力等 理想塑性理想塑性超越彈性極限，進(jìn)入完全塑性形狀極少；超越彈性極限，進(jìn)入完全塑性形狀極少； 應(yīng)變硬化應(yīng)變硬化超越彈性極限，承載才干隨應(yīng)變添加而添加。超越彈性極限，承載才干隨應(yīng)變添加而添加。 3、普通巖石的變形：、普通巖石的變形： 瞬時彈性變形瞬時彈性變形 后效彈性變形后效彈性變形 塑性變形塑性變形 巖石與其它金屬及晶體礦物不同，因其有節(jié)理、裂隙巖石與其它金屬及晶體礦物不同，因其有節(jié)理、裂隙存在，在應(yīng)力不高階段，內(nèi)部構(gòu)造即有破壞，在產(chǎn)生彈性存在，在應(yīng)力不高階段，內(nèi)部構(gòu)造即有破壞，在產(chǎn)生彈性變形的同時，產(chǎn)生塑性變形。變形的同時，產(chǎn)生塑性變形。 巖石不是理

27、想的彈性體、塑性體、粘性體，是混合體。巖石不是理想的彈性體、塑性體、粘性體，是混合體。 有彈有彈塑；塑塑；塑彈；彈彈；彈粘粘塑；粘塑；粘彈等多種變形彈等多種變形特性。特性。 粘性粘性變形不能在瞬間完成，變形不能在瞬間完成， 變形速率隨應(yīng)力變變形速率隨應(yīng)力變化?；?。典型變形性質(zhì)：典型變形性質(zhì)：直線型直線型彈脆彈塑下凹型下凹型塑彈上凹型上凹型彈粘平緩平緩 型型塑彈塑S 型型二、巖石單向緊縮變形性質(zhì)：二、巖石單向緊縮變形性質(zhì)： 1、軸向變形：、軸向變形：2、橫向變形：、橫向變形：E1E12普通實(shí)驗(yàn)機(jī)下巖石應(yīng)力、應(yīng)變曲線普通實(shí)驗(yàn)機(jī)下巖石應(yīng)力、應(yīng)變曲線剛性實(shí)驗(yàn)機(jī)下巖石應(yīng)力、應(yīng)變曲線剛性實(shí)驗(yàn)機(jī)下巖石應(yīng)力、

28、應(yīng)變曲線剛性實(shí)驗(yàn)機(jī)剛性實(shí)驗(yàn)機(jī) 1 10A0A段：微裂隙閉合階段段：微裂隙閉合階段, ,微裂隙壓密極限微裂隙壓密極限AA。 2 2ABAB段：近似直線，彈性階段，段：近似直線，彈性階段，B B 為彈性極限。為彈性極限。 3 3BCBC段：屈服階段，段：屈服階段，CC為屈服極限。為屈服極限。 4 4CDCD段：破壞階段，段：破壞階段，DD為強(qiáng)度極限，即單軸抗壓強(qiáng)度。為強(qiáng)度極限，即單軸抗壓強(qiáng)度。 5 5DEDE段：即破壞后階段段：即破壞后階段,E,E為剩余強(qiáng)度。為剩余強(qiáng)度。 3、全應(yīng)力應(yīng)變曲線：、全應(yīng)力應(yīng)變曲線：4、巖石的變形目的及其確定：、巖石的變形目的及其確定： 彈性摸量彈性摸量E E：抵抗變形

29、的才干、應(yīng)力應(yīng)變比值：抵抗變形的才干、應(yīng)力應(yīng)變比值 線彈性：線彈性： 直線斜率直線斜率 非線彈性：非線彈性： 切線斜率切線斜率 變形曲線導(dǎo)數(shù)；變形曲線導(dǎo)數(shù)； 割線斜率割線斜率 割線斜率；割線斜率； 彈塑性：彈塑性： 彈性摸量：彈性摸量：E = E = 加載曲線段切線斜率加載曲線段切線斜率= =卸載曲線段割線斜率；卸載曲線段割線斜率； 變形摸量：變形摸量：E)(fddEttEEpeE0 E 曲線呈線性關(guān)系線彈性類巖石，曲線上任一點(diǎn)曲線呈線性關(guān)系線彈性類巖石，曲線上任一點(diǎn)P P的的彈性模量彈性模量E E： 曲線呈非線性關(guān)系曲線呈非線性關(guān)系初始模量初始模量: :0 ddE 初初1212aaaaE 切

30、切 割割E505050 E切線模量直線段：切線模量直線段：割線模量：割線模量： 工程上常用工程上常用E50 E50 ： EddEttEpeE0tE泊松比泊松比：變形傳送才干：變形傳送才干 泊松比泊松比巖石橫向應(yīng)變與縱向應(yīng)變的比值。巖石橫向應(yīng)變與縱向應(yīng)變的比值。 在彈性階段：其為常數(shù)。在彈性階段：其為常數(shù)。 在塑性階段：不為常數(shù)。在塑性階段：不為常數(shù)。 嚴(yán)厲講，嚴(yán)厲講，僅在彈性范圍適用，對僅在彈性范圍適用，對塑性部分不適用塑性部分不適用 , , 由于引入變形摸量，塑性區(qū)可用，由于引入變形摸量，塑性區(qū)可用，最大為最大為0.50.5。) ) 剪切模量剪切模量GG剪切虎克定律比例系數(shù)。剪切虎克定律比例

31、系數(shù)。拉梅常數(shù)拉梅常數(shù)將應(yīng)力應(yīng)變聯(lián)絡(luò)起來的彈性常數(shù)。將應(yīng)力應(yīng)變聯(lián)絡(luò)起來的彈性常數(shù)。體積模量體積模量KvKv體積彈性摸量。體積彈性摸量。yx5、巖石變形中的擴(kuò)容景象：、巖石變形中的擴(kuò)容景象： 擴(kuò)容景象擴(kuò)容景象巖石破壞前，因微裂隙產(chǎn)生及內(nèi)部小塊體相巖石破壞前，因微裂隙產(chǎn)生及內(nèi)部小塊體相對滑移，對滑移， 導(dǎo)致體積擴(kuò)展的景象。導(dǎo)致體積擴(kuò)展的景象。 體應(yīng)變體應(yīng)變變形后的體積增量與變形前體積之比。變形后的體積增量與變形前體積之比。 體應(yīng)變曲線：體應(yīng)變曲線：三個階段：體積減小階段三個階段：體積減小階段0F 體積不變階段體積不變階段F 體積擴(kuò)展階段體積擴(kuò)展階段FT32121Edvdvzyxv縱向橫向體積T三、

32、巖石三軸緊縮變形性質(zhì)：三、巖石三軸緊縮變形性質(zhì)： 1、三軸實(shí)驗(yàn)：、三軸實(shí)驗(yàn)： 真三軸、假三軸真三軸、假三軸 2、三軸抗壓強(qiáng)度：、三軸抗壓強(qiáng)度： 3、三軸變形特征：、三軸變形特征： 與單軸實(shí)驗(yàn)結(jié)果根本類似與單軸實(shí)驗(yàn)結(jié)果根本類似E、根本一根本一樣；樣； 圍壓添加圍壓添加三向抗壓強(qiáng)度添加；三向抗壓強(qiáng)度添加； 峰值變形添加；峰值變形添加； 彈性極限添加；彈性極限添加； 巖石由彈脆性巖石由彈脆性彈塑性彈塑性應(yīng)應(yīng)變硬化轉(zhuǎn)變變硬化轉(zhuǎn)變 103APRc干砂巖干砂巖濕砂巖濕砂巖四、巖石流變性質(zhì)：四、巖石流變性質(zhì)： 1、巖石流變性質(zhì)、巖石流變性質(zhì)巖石巖石 隨時間增長而變化隨時間增長而變化的性質(zhì)。的性質(zhì)。 2、流變

33、景象：、流變景象： 蠕蠕 變變應(yīng)力不變，應(yīng)變隨時間添加而增應(yīng)力不變，應(yīng)變隨時間添加而增長的景象。長的景象。 當(dāng)當(dāng) 時時 松松 弛弛應(yīng)變不變，應(yīng)力隨時間添加而應(yīng)變不變，應(yīng)力隨時間添加而減小的景象。減小的景象。 當(dāng)當(dāng) 時時 彈性后效彈性后效停頓加、卸載，應(yīng)變需經(jīng)一段停頓加、卸載，應(yīng)變需經(jīng)一段時間到達(dá)應(yīng)有值的景象。時間到達(dá)應(yīng)有值的景象。 粘性流動粘性流動蠕變后卸載，部分變形不能恢蠕變后卸載，部分變形不能恢復(fù)的景象。復(fù)的景象。 ,const)(tconst)(t3、蠕變曲線：、蠕變曲線： 巖石蠕變的類型：巖石蠕變的類型： 穩(wěn)定蠕變穩(wěn)定蠕變 低應(yīng)力低應(yīng)力 不穩(wěn)定蠕變高應(yīng)力不穩(wěn)定蠕變高應(yīng)力 典型蠕變曲線：

34、典型蠕變曲線： 蠕變?nèi)A段蠕變?nèi)A段 初始蠕變階段初始蠕變階段應(yīng)變添加，但應(yīng)變添加速率降低；應(yīng)變添加，但應(yīng)變添加速率降低； 定常蠕變階段定常蠕變階段應(yīng)變添加速率堅持不變；應(yīng)變添加速率堅持不變； 加速蠕變階段加速蠕變階段應(yīng)變添加速率迅速添加，直至破壞。應(yīng)變添加速率迅速添加，直至破壞。穩(wěn)定蠕變不穩(wěn)定蠕變典型蠕變曲線典型蠕變曲線瞬時應(yīng)變初始應(yīng)變定常蠕變加速蠕變 與巖石類別有關(guān)粘土礦物巖石蠕變顯著 巖石蠕變 與應(yīng)力大小有關(guān)高應(yīng)力蠕變明顯，超越極限 應(yīng)力，蠕變進(jìn)入不穩(wěn)定階段 蠕變實(shí)驗(yàn)：時間長； 丈量要求精度高用千分表； 載荷恒定。 研討蠕變的意義：了解巖石的長時強(qiáng)度。 長時強(qiáng)度巖石蠕變破壞時的最低應(yīng)力值

35、。 長時強(qiáng)度對巖土工程更為重要。 長時強(qiáng)度 強(qiáng)度 瞬時強(qiáng)度 五、五、 巖石的強(qiáng)度性質(zhì)及測定方法巖石的強(qiáng)度性質(zhì)及測定方法 巖石試件抗壓、抗拉、抗剪、三向抗壓強(qiáng)度及測巖石試件抗壓、抗拉、抗剪、三向抗壓強(qiáng)度及測定定 巖石的極限強(qiáng)度巖石的極限強(qiáng)度巖石破壞時所能接受的最大巖石破壞時所能接受的最大應(yīng)力。應(yīng)力。 研討巖石強(qiáng)度的意義：研討巖石強(qiáng)度的意義： 作為巖石分類以及巷道、采煤任務(wù)面，頂作為巖石分類以及巷道、采煤任務(wù)面，頂板分類的主要目的；板分類的主要目的； 判別工程穩(wěn)定性的強(qiáng)度準(zhǔn)那么的根本參數(shù)；判別工程穩(wěn)定性的強(qiáng)度準(zhǔn)那么的根本參數(shù)； 地下工程變形區(qū)域計算的判據(jù)。地下工程變形區(qū)域計算的判據(jù)。 一巖石的采樣

36、與加工： 實(shí)驗(yàn)所測巖石的各種強(qiáng)度均不是巖石的固有性質(zhì)。強(qiáng)度目的要受試件尺寸大小、三維比例、外形規(guī)格、含水、加載速率等要素影響。 國際巖石力學(xué)學(xué)會ISRM對規(guī)范試件進(jìn)展了規(guī)定，不規(guī)范的要予以修正。 要確保實(shí)驗(yàn)巖樣的天然形狀。 巖樣應(yīng)具有一定的代表性。 鉆孔采樣時應(yīng)盡量垂直于層面打孔，偏斜角不大于0.5。 采取的巖(煤)塊規(guī)格大體為長寬高=202015cm。 上下端面的不平整度不大于0.1mm，上下端面的直徑差不大于0.2mm。 試件端面垂直于試件軸的偏向不大于0.001rad。 圓柱形試件：4.85.2cm ，高H=22.5) 長方體試件：邊長L= 4.85.2cm , 高H=22.5)L 二巖

37、石的單向抗壓強(qiáng)度：二巖石的單向抗壓強(qiáng)度： 單軸抗壓強(qiáng)度單軸抗壓強(qiáng)度巖石在單軸緊縮下，破壞前所能接受的最巖石在單軸緊縮下，破壞前所能接受的最大壓應(yīng)力。大壓應(yīng)力。1、實(shí)驗(yàn)測試：、實(shí)驗(yàn)測試： 實(shí)驗(yàn)設(shè)備：普通壓力機(jī)實(shí)驗(yàn)設(shè)備：普通壓力機(jī)60t、100t、200t 試件：試件：5cm，高徑比為，高徑比為2的圓柱體或的圓柱體或5*5*5立方體，每立方體，每組不少于組不少于3塊；塊；國際國際ISRM規(guī)定高徑比為規(guī)定高徑比為2.53，我國為，我國為122.5 加載：加載：0.51.0 MPa/s； 2、試件破壞方式：、試件破壞方式： X型共軛斜面剪切破壞型共軛斜面剪切破壞軟塑性巖石多發(fā)生，屬壓剪破壞；軟塑性巖石

38、多發(fā)生，屬壓剪破壞； 單斜面剪切破壞單斜面剪切破壞偶爾發(fā)生，屬壓剪破壞；偶爾發(fā)生，屬壓剪破壞； 拉伸劈裂破壞拉伸劈裂破壞脆硬型巖石多發(fā)生，為泊松效應(yīng)脆硬型巖石多發(fā)生，為泊松效應(yīng)引起。引起。單軸緊縮實(shí)驗(yàn)機(jī)單軸緊縮巖石試件破壞形狀 3、數(shù)據(jù)處置：、數(shù)據(jù)處置： 測巖石強(qiáng)度時，需對同一巖樣的多個試塊進(jìn)展測試數(shù)量多少根據(jù)精測巖石強(qiáng)度時，需對同一巖樣的多個試塊進(jìn)展測試數(shù)量多少根據(jù)精度，經(jīng)濟(jì)確定，用統(tǒng)計方法，求得平均抗壓強(qiáng)度，作為該種巖石的強(qiáng)度度，經(jīng)濟(jì)確定，用統(tǒng)計方法，求得平均抗壓強(qiáng)度，作為該種巖石的強(qiáng)度目的。目的。 單一試件：單一試件： 平均值：平均值： 各試件偏向：單一測值與平均值的差值各試件偏向：單一

39、測值與平均值的差值 規(guī)范方差：規(guī)范方差： 反映正負(fù)偏向的絕對大小反映正負(fù)偏向的絕對大小 離散系數(shù)：離散系數(shù)：反映平均值的可靠程度單一強(qiáng)度偏離平均強(qiáng)度的程度，要求小于反映平均值的可靠程度單一強(qiáng)度偏離平均強(qiáng)度的程度，要求小于1520%iiciAPR nicicRnR11cciiRReneSnii12%100cRS三巖石單向抗拉強(qiáng)度：三巖石單向抗拉強(qiáng)度：抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度在單軸拉伸載荷作用下，破壞時所在單軸拉伸載荷作用下，破壞時所能接受的最大拉應(yīng)力。能接受的最大拉應(yīng)力。實(shí)驗(yàn)設(shè)備：實(shí)驗(yàn)設(shè)備： 直接拉伸直接拉伸萬能資料實(shí)驗(yàn)機(jī)試件的夾固、萬能資料實(shí)驗(yàn)機(jī)試件的夾固、軸力共線困難，少用軸力共線困難，少用 間接拉

40、伸間接拉伸巴西實(shí)驗(yàn)安裝劈裂法巴西實(shí)驗(yàn)安裝劈裂法 試件破壞方式：拉斷、劈裂試件破壞方式：拉斷、劈裂 抗拉強(qiáng)度：抗拉強(qiáng)度： 巴西法巴西法 式中：式中： 試件破壞時最大壓力，試件破壞時最大壓力，N 分別為試件的直徑與分別為試件的直徑與厚度，厚度，mdtPRc2Ptd /巴西法巴西法yx巖石的抗拉強(qiáng)度最小，約為抗壓強(qiáng)度的巖石的抗拉強(qiáng)度最小，約為抗壓強(qiáng)度的330% 四抗剪切強(qiáng)度：四抗剪切強(qiáng)度：抗剪強(qiáng)度抗剪強(qiáng)度巖石在剪切載荷作用下，破壞時所能接巖石在剪切載荷作用下，破壞時所能接受的最大剪應(yīng)力。受的最大剪應(yīng)力。1、實(shí)驗(yàn)安裝：、實(shí)驗(yàn)安裝： 非限制性剪切單、雙面、沖剪、扭剪非限制性剪切單、雙面、沖剪、扭剪無正應(yīng)

41、力無正應(yīng)力 限制性剪切直剪儀、角摸壓剪實(shí)驗(yàn)儀限制性剪切直剪儀、角摸壓剪實(shí)驗(yàn)儀2、試件破壞方式：沿剪切面剪斷、試件破壞方式：沿剪切面剪斷3、抗剪強(qiáng)度：、抗剪強(qiáng)度：純剪強(qiáng)度抗切純剪強(qiáng)度抗切剪切面上無法向應(yīng)力時；剪切面上無法向應(yīng)力時； 純剪強(qiáng)度純剪強(qiáng)度=內(nèi)聚力內(nèi)聚力C壓剪強(qiáng)度抗剪壓剪強(qiáng)度抗剪剪切面受法向壓應(yīng)力作用時；剪切面受法向壓應(yīng)力作用時； 抗剪強(qiáng)度抗剪強(qiáng)度=內(nèi)聚力內(nèi)聚力+內(nèi)摩擦力內(nèi)摩擦力重剪強(qiáng)度摩擦重剪強(qiáng)度摩擦已有裂面受法向壓力，再剪切已有裂面受法向壓力，再剪切時；時； 摩擦強(qiáng)度摩擦強(qiáng)度=內(nèi)摩擦力內(nèi)摩擦力普通情況下，巖石抵抗剪切的才干由兩部分組成：普通情況下，巖石抵抗剪切的才干由兩部分組成： 抗

42、剪才干抗剪才干=內(nèi)聚力內(nèi)聚力+內(nèi)摩擦力內(nèi)摩擦力 C、為巖石固為巖石固有有 顯然：顯然： 抗剪強(qiáng)度是一個變化量抗剪強(qiáng)度是一個變化量tgCfCn)(f4、抗剪強(qiáng)度測試：、抗剪強(qiáng)度測試：傾斜壓模法傾斜壓模法用兩個鋼制的變角剪切夾具改動剪切面的方向，用兩個鋼制的變角剪切夾具改動剪切面的方向，強(qiáng)迫剪斷，得到該面上的正應(yīng)力、剪應(yīng)力，描點(diǎn)得到抗剪強(qiáng)度強(qiáng)迫剪斷，得到該面上的正應(yīng)力、剪應(yīng)力，描點(diǎn)得到抗剪強(qiáng)度曲線。曲線。 根據(jù)強(qiáng)迫剪切面上的全應(yīng)力、及剪切面傾角也可得到抗剪強(qiáng)度曲線。五三軸抗壓強(qiáng)度：五三軸抗壓強(qiáng)度： 三軸抗壓強(qiáng)度三軸抗壓強(qiáng)度三向緊縮作用下，破壞時所能接受的最大三向緊縮作用下，破壞時所能接受的最大壓應(yīng)

43、力。壓應(yīng)力。實(shí)驗(yàn)設(shè)備：真三軸實(shí)驗(yàn)機(jī)：實(shí)驗(yàn)設(shè)備：真三軸實(shí)驗(yàn)機(jī)： 偽三軸實(shí)驗(yàn)機(jī)：偽三軸實(shí)驗(yàn)機(jī)： 試件破壞方式：試件破壞方式： 壓剪破壞壓剪破壞隨側(cè)壓力增大，可表現(xiàn)為明顯的塑性變隨側(cè)壓力增大，可表現(xiàn)為明顯的塑性變形。形。強(qiáng)度計算：強(qiáng)度計算： MPa強(qiáng)度目的：強(qiáng)度目的： 經(jīng)測試：三向抗壓強(qiáng)度隨圍壓的添加而增大，是一個變量。經(jīng)測試：三向抗壓強(qiáng)度隨圍壓的添加而增大，是一個變量。 一系列實(shí)驗(yàn)可得巖石的三向抗壓曲線一系列實(shí)驗(yàn)可得巖石的三向抗壓曲線 321321103APRC）（31f）（31f常規(guī)偽三軸實(shí)驗(yàn)安裝六、影響巖石強(qiáng)度的要素：六、影響巖石強(qiáng)度的要素： 1、巖石的性質(zhì)、巖石的性質(zhì)組織構(gòu)造、礦物類別、顆粒

44、大組織構(gòu)造、礦物類別、顆粒大小、分布形狀、膠結(jié)小、分布形狀、膠結(jié) 物；物； 2、巖石的生成條件、巖石的生成條件 深部巖石強(qiáng)度大、淺部巖深部巖石強(qiáng)度大、淺部巖石強(qiáng)度低石強(qiáng)度低 3、巖石構(gòu)造特征、巖石構(gòu)造特征延展規(guī)模、裂隙性質(zhì)、壁面延展規(guī)模、裂隙性質(zhì)、壁面強(qiáng)度、充填物；強(qiáng)度、充填物； 4、試件尺寸、試件尺寸尺寸增大，強(qiáng)度降低；尺寸增大，強(qiáng)度降低； 5、風(fēng)化、水、溫度作用、風(fēng)化、水、溫度作用含水量大，強(qiáng)度低；含水量大，強(qiáng)度低；溫度高，強(qiáng)度低溫度高，強(qiáng)度低 6、加載速率及次數(shù)、加載速率及次數(shù)加載速率添加，強(qiáng)度加大加載速率添加，強(qiáng)度加大變形不充分；變形不充分； 7、受載形狀、受載形狀三軸等壓抗壓三軸不等

45、壓抗壓三軸等壓抗壓三軸不等壓抗壓雙軸抗壓單軸抗壓抗剪抗彎單軸抗拉雙軸抗壓單軸抗壓抗剪抗彎單軸抗拉 1.1.破壞方式破壞方式脆性破壞脆性破壞圍壓小、溫度較低、巖石鞏固的情圍壓小、溫度較低、巖石鞏固的情況下發(fā)生的，特點(diǎn)是破壞前變形小，當(dāng)繼續(xù)加載時況下發(fā)生的，特點(diǎn)是破壞前變形小，當(dāng)繼續(xù)加載時巖石忽然破壞，巖石碎塊劇烈彈出。通常把在外力巖石忽然破壞，巖石碎塊劇烈彈出。通常把在外力作用下破壞總應(yīng)變小于作用下破壞總應(yīng)變小于3 3的巖石稱為脆性巖石。的巖石稱為脆性巖石。塑性破壞塑性破壞又稱延性破壞、韌性破壞，多發(fā)生又稱延性破壞、韌性破壞，多發(fā)生圍壓大、溫度高、巖石軟的情況下發(fā)生的，特點(diǎn)是圍壓大、溫度高、巖石

46、軟的情況下發(fā)生的，特點(diǎn)是破壞前變形大，表現(xiàn)出明顯的塑性變形。通常把在破壞前變形大，表現(xiàn)出明顯的塑性變形。通常把在外力作用下破壞總應(yīng)變大于外力作用下破壞總應(yīng)變大于5 5的巖石稱為塑性巖的巖石稱為塑性巖石。石。 2.2.破壞機(jī)理破壞機(jī)理 只需兩種根本類型：拉壞和剪壞只需兩種根本類型：拉壞和剪壞第三節(jié)第三節(jié) 巖石的破壞機(jī)理和強(qiáng)度實(shí)際巖石的破壞機(jī)理和強(qiáng)度實(shí)際一、巖石的破壞機(jī)理一、巖石的破壞機(jī)理一一點(diǎn)的應(yīng)力形狀一一點(diǎn)的應(yīng)力形狀yxzox x y y z z zx zx yx yx yz yz zy zy xy xy xz xz ab 1 1、應(yīng)力符號規(guī)定、應(yīng)力符號規(guī)定1 1正應(yīng)力以壓應(yīng)力為正，拉應(yīng)力為負(fù)

47、；正應(yīng)力以壓應(yīng)力為正，拉應(yīng)力為負(fù)；2 2剪應(yīng)力以使物體產(chǎn)生逆時針轉(zhuǎn)為正，反之為負(fù)；剪應(yīng)力以使物體產(chǎn)生逆時針轉(zhuǎn)為正，反之為負(fù)；3 3角度以角度以x x軸正向沿逆時針方向轉(zhuǎn)動所構(gòu)成的夾角為正，軸正向沿逆時針方向轉(zhuǎn)動所構(gòu)成的夾角為正，反之為負(fù)。反之為負(fù)。 2 2、一點(diǎn)應(yīng)力形狀、一點(diǎn)應(yīng)力形狀6 6個應(yīng)力分量：個應(yīng)力分量： x,y,z,x,y,z,xy,yz,zxxy,yz,zx二、巖石的強(qiáng)度實(shí)際二、巖石的強(qiáng)度實(shí)際3 3、平面問題的簡化、平面問題的簡化 在實(shí)踐工程中，可根據(jù)不同的受力形狀，將三維問題簡化在實(shí)踐工程中，可根據(jù)不同的受力形狀，將三維問題簡化為平面問題。為平面問題。1 1平面應(yīng)力問題；平面應(yīng)力

48、問題；2 2平面應(yīng)變問題。平面應(yīng)變問題。4 4、根本應(yīng)力公式、根本應(yīng)力公式 以平面應(yīng)力問題為例，如圖，恣以平面應(yīng)力問題為例，如圖，恣意角度意角度截面的應(yīng)力計算公式如下：截面的應(yīng)力計算公式如下： 2sin2cos22xyyxyxn 2cos2sin2xyyxn 最大最小主應(yīng)力：最大最小主應(yīng)力： 最大主應(yīng)力與最大主應(yīng)力與 x x軸的夾軸的夾角角可按下式求得：可按下式求得： yxxytg 222231)2(2xyyxyx 任一斜面上的正應(yīng)力和剪應(yīng)力用主應(yīng)力表示為：任一斜面上的正應(yīng)力和剪應(yīng)力用主應(yīng)力表示為： 2cos223131 n 2sin231 n莫爾應(yīng)力圓的方程：莫爾應(yīng)力圓的方程：2312231

49、)2()2( nn二最大拉應(yīng)變實(shí)際二最大拉應(yīng)變實(shí)際 該實(shí)際以為，無論在什么應(yīng)力形狀下，只需巖石的最該實(shí)際以為，無論在什么應(yīng)力形狀下，只需巖石的最大拉伸應(yīng)變大拉伸應(yīng)變到達(dá)一定的極限應(yīng)變到達(dá)一定的極限應(yīng)變tt時，巖石就會發(fā)生時，巖石就會發(fā)生拉伸斷裂破壞，其強(qiáng)度條件為：拉伸斷裂破壞，其強(qiáng)度條件為：Ett 式中：式中： t t 單軸拉伸破壞時的極限應(yīng)變；單軸拉伸破壞時的極限應(yīng)變； E E 巖石的彈性模量；巖石的彈性模量； tt單軸抗拉強(qiáng)度。單軸抗拉強(qiáng)度。 討論：討論： 1 1、在單軸拉伸條件下：巖石發(fā)生拉伸斷裂破壞，其強(qiáng)度、在單軸拉伸條件下：巖石發(fā)生拉伸斷裂破壞，其強(qiáng)度條件為：條件為：Ett 2 2、

50、在單軸緊縮條件下：巖石發(fā)生縱向拉伸斷裂破壞，其、在單軸緊縮條件下：巖石發(fā)生縱向拉伸斷裂破壞，其強(qiáng)度條件為：強(qiáng)度條件為：EEtct 即：即：tc 3 3、在三軸緊縮條件下：、在三軸緊縮條件下：33方向的應(yīng)變?yōu)榉较虻膽?yīng)變?yōu)?)(12133 E 假設(shè)假設(shè)3(1 +2),31m31m3 巖體巖體 = = 巖塊巖塊 + + 構(gòu)造面構(gòu)造面 構(gòu)造面弱面構(gòu)造面弱面地質(zhì)界面，如斷層、裂隙、層理、節(jié)理、地質(zhì)界面，如斷層、裂隙、層理、節(jié)理、片理。片理。 鞏固無充填構(gòu)造面、脆弱有充填構(gòu)鞏固無充填構(gòu)造面、脆弱有充填構(gòu)造面、夾層造面、夾層 構(gòu)造體巖塊構(gòu)造體巖塊被各類構(gòu)造面切割成的巖石塊體。被各類構(gòu)造面切割成的巖石塊體。

51、塊狀、板狀塊狀、板狀 巖體巖體 = 巖塊巖塊 + 構(gòu)造面構(gòu)造面 巖體的力學(xué)處置：巖體的力學(xué)處置： 完好性很好完好性很好延續(xù)介質(zhì)力學(xué)方法；延續(xù)介質(zhì)力學(xué)方法； 非常破碎非常破碎土力學(xué)方法；土力學(xué)方法； 兩者之間兩者之間裂隙膂力學(xué)方法。裂隙膂力學(xué)方法。 巖體構(gòu)造根本類型：巖體構(gòu)造根本類型： 按構(gòu)造面切割情況及構(gòu)造體類型分為六種按構(gòu)造面切割情況及構(gòu)造體類型分為六種 完好構(gòu)造完好構(gòu)造 塊狀構(gòu)造塊狀構(gòu)造 層狀構(gòu)造層狀構(gòu)造 碎裂構(gòu)造碎裂構(gòu)造 斷續(xù)構(gòu)造斷續(xù)構(gòu)造 松散構(gòu)造松散構(gòu)造整體構(gòu)造整體構(gòu)造 塊狀構(gòu)造塊狀構(gòu)造 層狀構(gòu)造層狀構(gòu)造碎裂構(gòu)造碎裂構(gòu)造 斷續(xù)構(gòu)造斷續(xù)構(gòu)造 散體構(gòu)造散體構(gòu)造巖體的根本特征1 非均質(zhì)性：巖

52、體物理力學(xué)性質(zhì)隨空間位置的不同，其性質(zhì)也不一樣的性質(zhì)；2 各向異性：巖體全部或部分物理力學(xué)特征隨方向而表現(xiàn)不同性質(zhì)的特征；3非延續(xù)性：巖體被構(gòu)造面所切割而非延續(xù)二、巖體的變形特征二、巖體的變形特征 巖膂力學(xué)性質(zhì)取決于巖石、構(gòu)造面的力學(xué)性質(zhì)及構(gòu)造面的空間組合情況。 1、巖體實(shí)驗(yàn)： 主要測定：變形曲線、彈性常數(shù)、強(qiáng)度 試 件：現(xiàn)場切割制造，維護(hù)原構(gòu)造不受破壞。 設(shè) 備：現(xiàn)場安裝，主要為剪真實(shí)驗(yàn)。 2、巖體變形特征： 1總變形量大 2在變形的過程中體積明顯增大擴(kuò)容 3破壞后仍能接受一定載荷而繼續(xù)變形 4層狀巖體可呈現(xiàn)比較明顯的各向異性壓密階段：裂隙被壓閉合，縱向變形明顯，側(cè)向變形不明顯1為轉(zhuǎn)化點(diǎn)；彈

53、性階段：構(gòu)造體開場承載變形，應(yīng)力應(yīng)變正比，呈彈性2為屈服點(diǎn) ；塑性階段：過屈服點(diǎn)，構(gòu)造體變形，構(gòu)造面產(chǎn)生滑移變形，擴(kuò)容、應(yīng)變強(qiáng)化3為極限強(qiáng)度 ；破壞階段：強(qiáng)度限后，出現(xiàn)沿構(gòu)造面滑移和構(gòu)造體轉(zhuǎn)動，擴(kuò)容，出現(xiàn)新裂痕。 破壞后，由于巖體尺寸大，仍可以靠塊體間摩擦接受一定載荷。 3、巖體變形曲線：、巖體變形曲線： 三、巖體的強(qiáng)度特征三、巖體的強(qiáng)度特征巖體強(qiáng)度巖體強(qiáng)度是巖塊、弱面強(qiáng)度的綜合反映，介于巖塊、弱面強(qiáng)度之間。是巖塊、弱面強(qiáng)度的綜合反映，介于巖塊、弱面強(qiáng)度之間。 包括：抗壓、抗剪、抗拉包括：抗壓、抗剪、抗拉 受構(gòu)造面影響很大，現(xiàn)場主要測抗壓、抗剪強(qiáng)度受構(gòu)造面影響很大，現(xiàn)場主要測抗壓、抗剪強(qiáng)度1、

54、 構(gòu)造面及其強(qiáng)度：構(gòu)造面及其強(qiáng)度： 1構(gòu)造面分類：構(gòu)造面分類： 按成因按成因 ： 原生構(gòu)造面原生構(gòu)造面成巖階段構(gòu)成的構(gòu)造面成巖階段構(gòu)成的構(gòu)造面 ； 構(gòu)造構(gòu)造面構(gòu)造構(gòu)造面在構(gòu)造運(yùn)動作用下構(gòu)成的構(gòu)造面在構(gòu)造運(yùn)動作用下構(gòu)成的構(gòu)造面 ； 次生構(gòu)造面次生構(gòu)造面在地表由于外力作用構(gòu)成的構(gòu)造面；在地表由于外力作用構(gòu)成的構(gòu)造面； 按工程要求：細(xì)小構(gòu)造面按工程要求：細(xì)小構(gòu)造面 延伸延伸L1m 中等構(gòu)造面中等構(gòu)造面 1m延伸延伸L10m 宏大構(gòu)造面宏大構(gòu)造面 延伸延伸L10m 2 2構(gòu)造面的接觸類型：構(gòu)造面的接觸類型： 3 3構(gòu)造面強(qiáng)度特征：構(gòu)造面強(qiáng)度特征： 不能接受拉應(yīng)力；不能接受拉應(yīng)力； 可接受垂直面的壓應(yīng)力

55、；可接受垂直面的壓應(yīng)力； 可接受沿面剪應(yīng)力與其上正應(yīng)力有可接受沿面剪應(yīng)力與其上正應(yīng)力有關(guān)；關(guān)； 以剪切破壞為主。以剪切破壞為主。 緊縮性質(zhì)剪切性質(zhì)2、巖塊的強(qiáng)度：、巖塊的強(qiáng)度： 可接受壓、剪或低值拉應(yīng)力，以剪切破壞為主：可接受壓、剪或低值拉應(yīng)力，以剪切破壞為主：3、巖體強(qiáng)度：、巖體強(qiáng)度： 介于構(gòu)造面、巖快之間。滿足無拉力準(zhǔn)那么受介于構(gòu)造面、巖快之間。滿足無拉力準(zhǔn)那么受 拉處拉處即破壞即破壞巖體構(gòu)造面4、構(gòu)造面對巖體強(qiáng)度的影響：、構(gòu)造面對巖體強(qiáng)度的影響：構(gòu)造面方位對巖體強(qiáng)度的影響 構(gòu)造面與構(gòu)造面與主應(yīng)力方向不主應(yīng)力方向不同，對巖體強(qiáng)同，對巖體強(qiáng)度影響不同。度影響不同。 構(gòu)造面位構(gòu)造面位于剪切面位

56、置于剪切面位置時，巖體強(qiáng)度時，巖體強(qiáng)度最小。最小。L1具有兩組相互垂直節(jié)理時巖體強(qiáng)度的變化曲線L2L2L1多組構(gòu)造面導(dǎo)致巖體各項同性。最小強(qiáng)度域最小強(qiáng)度域 構(gòu)造面組數(shù)越多，巖體強(qiáng)度越接近構(gòu)造面強(qiáng)度。 構(gòu)造面組數(shù)越多，巖體越呈現(xiàn)各向同性。 對現(xiàn)場松散破碎巖體，不能運(yùn)用巖塊強(qiáng)度，只能運(yùn)用弱面強(qiáng)度或弱面摩擦強(qiáng)度研討破壞問題。 四、巖體強(qiáng)度的測定：四、巖體強(qiáng)度的測定： 試試 件件現(xiàn)場切割堅持原有構(gòu)造現(xiàn)場切割堅持原有構(gòu)造 儀器設(shè)備儀器設(shè)備現(xiàn)場安裝現(xiàn)場安裝 1、單向緊縮強(qiáng)度測定：、單向緊縮強(qiáng)度測定： 式中：式中：P試件破壞載荷試件破壞載荷 kN； A試件橫截面積試件橫截面積 m2。 APmc 2、抗剪強(qiáng)度

57、測定： cossinFTFTP對多個試件，經(jīng)過改動正壓力，獲得巖體抗剪強(qiáng)度曲線 3、三軸緊縮強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)： 真三軸： 偽三軸：321321試件壓力枕球面墊液壓枕頂柱墊板頂座墊板除非大型重要工程，普通不進(jìn)展現(xiàn)場實(shí)測。除非大型重要工程，普通不進(jìn)展現(xiàn)場實(shí)測。目前，現(xiàn)場多用間接方法測定準(zhǔn)巖體強(qiáng)度。目前，現(xiàn)場多用間接方法測定準(zhǔn)巖體強(qiáng)度。準(zhǔn)巖體強(qiáng)度：準(zhǔn)巖體強(qiáng)度： 本質(zhì)：思索裂隙發(fā)育程度，以經(jīng)過修正的巖石強(qiáng)度本質(zhì)：思索裂隙發(fā)育程度，以經(jīng)過修正的巖石強(qiáng)度作為巖體強(qiáng)度準(zhǔn)巖體強(qiáng)度。作為巖體強(qiáng)度準(zhǔn)巖體強(qiáng)度。 準(zhǔn)巖體抗壓強(qiáng)度：準(zhǔn)巖體抗壓強(qiáng)度： 準(zhǔn)巖體抗拉強(qiáng)度：準(zhǔn)巖體抗拉強(qiáng)度： 式中：式中： 為巖體完好為巖體完好性系數(shù)。性

58、系數(shù)。 巖體、巖塊中彈性波縱波傳播巖體、巖塊中彈性波縱波傳播速度。速度。cncktntk2clmlVVkmlVclV第七節(jié)第七節(jié) 巖體質(zhì)量評價及其分類巖體質(zhì)量評價及其分類 巖體分類是對影響巖體穩(wěn)定性和影響工程設(shè)計、施巖體分類是對影響巖體穩(wěn)定性和影響工程設(shè)計、施工和維護(hù)的各種要素建立一些評價目的，對工程轄區(qū)巖工和維護(hù)的各種要素建立一些評價目的，對工程轄區(qū)巖體進(jìn)展評價，劃分出不同的的級別或類別。體進(jìn)展評價，劃分出不同的的級別或類別。 分類的目的：為巖體工程建立的勘察、設(shè)計、施工分類的目的：為巖體工程建立的勘察、設(shè)計、施工和編制定額提供必要的根本根據(jù)。和編制定額提供必要的根本根據(jù)。 按分類目的，可分

59、為綜合性和專題性兩種；按其所按分類目的，可分為綜合性和專題性兩種；按其所涉及的要素多少，可分為單要素分類法和多要素分類法涉及的要素多少，可分為單要素分類法和多要素分類法兩種。兩種。一、工程巖體分類的參考影響要素一、工程巖體分類的參考影響要素1 1、巖石的質(zhì)量。主要表如今巖石的強(qiáng)度和變形性質(zhì)方面。、巖石的質(zhì)量。主要表如今巖石的強(qiáng)度和變形性質(zhì)方面。2 2、巖體的完好性。巖體完好性取決于不延續(xù)面的組數(shù)和、巖體的完好性。巖體完好性取決于不延續(xù)面的組數(shù)和密度。可用構(gòu)造面頻率密度。可用構(gòu)造面頻率( (裂隙度、間距、巖心采取率、裂隙度、間距、巖心采取率、巖石質(zhì)量目的巖石質(zhì)量目的RQDRQD以及完好性系數(shù)作為

60、定量目的進(jìn)展描畫。以及完好性系數(shù)作為定量目的進(jìn)展描畫。這些定量目的是表征巖體工程性質(zhì)的重要參數(shù)。這些定量目的是表征巖體工程性質(zhì)的重要參數(shù)。3 3、構(gòu)造面條件。包括構(gòu)造面產(chǎn)狀、粗糙度和充填情況。、構(gòu)造面條件。包括構(gòu)造面產(chǎn)狀、粗糙度和充填情況。巖體的工程性質(zhì)主要取決于構(gòu)造面的性質(zhì)和分布形狀以及巖體的工程性質(zhì)主要取決于構(gòu)造面的性質(zhì)和分布形狀以及其間的充填物性質(zhì)。其間的充填物性質(zhì)。4 4、巖體及構(gòu)造面的風(fēng)化程度。風(fēng)化程度越高，巖體越破、巖體及構(gòu)造面的風(fēng)化程度。風(fēng)化程度越高，巖體越破碎，強(qiáng)度越低碎，強(qiáng)度越低 。5 5、地下水的影響。滲流，軟化，膨脹，崩解，靜、動水、地下水的影響。滲流，軟化，膨脹，崩解，