《巖體力學(xué)性質(zhì)》課件

巖體力學(xué)性質(zhì)巖體力學(xué)性質(zhì)是巖石材料在各種外力作用下的力學(xué)響應(yīng)特征。它包括巖石的強(qiáng)度、變形、滲透性和穩(wěn)定性等方面。課程內(nèi)容大綱巖體力學(xué)概述巖體力學(xué)研究巖石及巖體在力學(xué)作用下的變形、強(qiáng)度和破壞規(guī)律。課程內(nèi)容包括巖體的結(jié)構(gòu)特征、巖石的力學(xué)性質(zhì)、巖體力學(xué)參數(shù)的測(cè)定等。巖體變形性質(zhì)分析介紹巖體的彈性、塑性、蠕變等變形性質(zhì)。重點(diǎn)分析巖石的斷裂韌性和含裂隙巖體的力學(xué)行為。巖體力學(xué)數(shù)值分析方法重點(diǎn)介紹有限元法、有限差分法和離散元法等數(shù)值分析方法。這些方法可以用來(lái)模擬巖體在各種載荷條件下的行為。課程總結(jié)總結(jié)課程的重點(diǎn)內(nèi)容、難點(diǎn)和學(xué)習(xí)方法。幫助學(xué)生鞏固知識(shí)、提高理解和應(yīng)用能力。巖體力學(xué)概述巖石與工程巖體力學(xué)是研究巖石的力學(xué)性質(zhì)、巖體的力學(xué)行為以及巖體工程的學(xué)科。工程安全它主要研究巖石和巖體在各種荷載作用下的力學(xué)特性，為巖體工程的勘察、設(shè)計(jì)和施工提供理論依據(jù)和技術(shù)方法。應(yīng)用領(lǐng)域巖體力學(xué)在許多工程領(lǐng)域中都有廣泛的應(yīng)用，例如地下工程、水利工程、道路工程、礦山工程等。巖體的結(jié)構(gòu)特征節(jié)理節(jié)理是巖體中常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)面，是由巖石發(fā)生斷裂而形成的。節(jié)理面通常比較光滑，并可能含有充填物。節(jié)理的分布和性質(zhì)對(duì)巖體的力學(xué)性質(zhì)有顯著影響。裂隙裂隙是巖體中另一種常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)面，它是由巖石發(fā)生拉伸或剪切而形成的。裂隙面通常比較粗糙，并可能含有充填物。裂隙的分布和性質(zhì)對(duì)巖體的力學(xué)性質(zhì)有顯著影響。層理層理是沉積巖中常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)特征，是由沉積物在沉積過(guò)程中形成的。層理面通常比較平整，并可能含有不同的巖性。巖脈巖脈是由巖漿侵入到巖石中而形成的。巖脈的分布和性質(zhì)對(duì)巖體的力學(xué)性質(zhì)有顯著影響。巖石的力學(xué)性質(zhì)強(qiáng)度巖石抵抗破壞的能力，主要取決于巖石的組成礦物、結(jié)構(gòu)和構(gòu)造等因素。變形巖石在荷載作用下產(chǎn)生的形變，反映了巖石抵抗變形的能力。耐久性巖石抵抗風(fēng)化、腐蝕和侵蝕等破壞因素的能力，與巖石的礦物成分、結(jié)構(gòu)和環(huán)境條件有關(guān)。滲透性巖石的孔隙度和連通性決定了巖石的滲透性，影響巖石的含水量和地下水流動(dòng)。巖石的強(qiáng)度特征11.抗壓強(qiáng)度巖石抵抗單軸壓縮破壞的能力，反映巖石抵抗壓力的能力。22.抗拉強(qiáng)度巖石抵抗單軸拉伸破壞的能力，反映巖石抵抗拉力的能力。33.抗剪強(qiáng)度巖石抵抗剪切破壞的能力，反映巖石抵抗剪切力的能力。44.抗彎強(qiáng)度巖石抵抗彎曲破壞的能力，反映巖石抵抗彎曲力的能力。巖體的變形性質(zhì)彈性變形巖石在荷載作用下產(chǎn)生變形，卸載后能夠恢復(fù)原狀。這與巖石的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān)，礦物顆粒之間存在彈性連接。塑性變形巖石在荷載作用下產(chǎn)生永久變形，卸載后不能完全恢復(fù)原狀。塑性變形與巖石內(nèi)部微裂隙的擴(kuò)展和閉合有關(guān)。巖體力學(xué)參數(shù)的測(cè)定現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試直接在巖體上進(jìn)行測(cè)試，可以獲得真實(shí)的巖體參數(shù)，例如，聲波測(cè)試，地質(zhì)雷達(dá)測(cè)試，重力測(cè)試等。實(shí)驗(yàn)室測(cè)試從巖體中取樣，在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行測(cè)試，可以獲得巖石的力學(xué)參數(shù)，例如，單軸壓縮試驗(yàn)，三軸壓縮試驗(yàn)等。數(shù)值模擬利用數(shù)值模擬方法，根據(jù)已知的巖體力學(xué)參數(shù)，模擬巖體的力學(xué)行為，可以獲得巖體力學(xué)參數(shù)的分布規(guī)律。巖石強(qiáng)度測(cè)試的方法1現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試快速了解巖體整體強(qiáng)度，包括鉆孔、聲波測(cè)試等2實(shí)驗(yàn)室測(cè)試更精確測(cè)定巖石物理力學(xué)性質(zhì)，包括單軸、三軸壓縮實(shí)驗(yàn)等3數(shù)值模擬通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬巖石強(qiáng)度，輔助理解巖石力學(xué)行為不同的巖石強(qiáng)度測(cè)試方法適用于不同的應(yīng)用場(chǎng)景?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試可快速評(píng)估巖體整體強(qiáng)度，實(shí)驗(yàn)室測(cè)試可更精確地測(cè)定巖石的力學(xué)性質(zhì)，而數(shù)值模擬則能夠通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬來(lái)理解巖石的力學(xué)行為。單軸壓縮試驗(yàn)1試樣準(zhǔn)備選擇標(biāo)準(zhǔn)尺寸，確保無(wú)缺陷。2加載過(guò)程施加軸向壓力，記錄應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)。3數(shù)據(jù)分析確定巖石強(qiáng)度，繪制應(yīng)力-應(yīng)變曲線。4結(jié)果評(píng)估分析巖石破壞模式，評(píng)估材料性能。單軸壓縮試驗(yàn)是巖體力學(xué)中常用的方法。它通過(guò)對(duì)巖樣施加單向壓力，測(cè)量其強(qiáng)度和變形性質(zhì)。三軸壓縮試驗(yàn)1試驗(yàn)原理模擬巖體在地下受?chē)鷫汉洼S向壓力的狀態(tài)，進(jìn)行三軸壓縮試驗(yàn)。試驗(yàn)過(guò)程中，記錄巖樣的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，得到巖體的強(qiáng)度和變形參數(shù)。2試驗(yàn)步驟巖樣制備加載圍壓加載軸向壓力記錄數(shù)據(jù)3試驗(yàn)結(jié)果通過(guò)三軸壓縮試驗(yàn)獲得的強(qiáng)度參數(shù)，如抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度等，可用于巖體力學(xué)分析和工程設(shè)計(jì)。巴西試驗(yàn)1巴西試驗(yàn)?zāi)康闹饕糜诖_定巖石抗拉強(qiáng)度，評(píng)估巖體抗拉能力。2巴西試驗(yàn)方法使用一對(duì)鋼制壓板在圓形巖石試件的直徑方向施加壓力。3試驗(yàn)過(guò)程當(dāng)加載到最大壓力時(shí)，巖石試件會(huì)在最薄弱處發(fā)生斷裂，根據(jù)最大載荷和試件尺寸計(jì)算抗拉強(qiáng)度。巖石斷裂強(qiáng)度判斷準(zhǔn)則11.確定巖石的破壞模式巖石斷裂通常發(fā)生在拉伸、剪切或彎曲載荷下，確定巖石的破壞模式是判斷其強(qiáng)度的關(guān)鍵。22.選擇合適的強(qiáng)度準(zhǔn)則常用的強(qiáng)度準(zhǔn)則包括Coulomb準(zhǔn)則、Mohr-Coulomb準(zhǔn)則和Hoek-Brown準(zhǔn)則，選擇合適的準(zhǔn)則取決于巖石類型、應(yīng)力狀態(tài)等因素。33.確定巖石的強(qiáng)度參數(shù)根據(jù)選定的強(qiáng)度準(zhǔn)則，需要確定巖石的抗拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、內(nèi)摩擦角等參數(shù)，這些參數(shù)可通過(guò)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)或現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試獲得。44.應(yīng)用強(qiáng)度準(zhǔn)則根據(jù)巖石的強(qiáng)度參數(shù)和應(yīng)力狀態(tài)，應(yīng)用選擇的強(qiáng)度準(zhǔn)則可以預(yù)測(cè)巖石的斷裂強(qiáng)度，為工程設(shè)計(jì)提供依據(jù)。Coulomb斷裂準(zhǔn)則基本假設(shè)該準(zhǔn)則假設(shè)巖石為理想彈性脆性材料，在單軸壓縮狀態(tài)下達(dá)到極限強(qiáng)度時(shí)發(fā)生斷裂。剪切強(qiáng)度巖石的剪切強(qiáng)度與正應(yīng)力成線性關(guān)系，與材料的內(nèi)摩擦角和粘聚力有關(guān)。表達(dá)式Coulomb斷裂準(zhǔn)則用數(shù)學(xué)表達(dá)式表示為：τ=c+σtanφ。應(yīng)用場(chǎng)景該準(zhǔn)則廣泛應(yīng)用于工程實(shí)踐中，如巖體穩(wěn)定性分析、隧道開(kāi)挖、邊坡穩(wěn)定性評(píng)估等。Mohr-Coulomb準(zhǔn)則摩擦角巖石的抗剪強(qiáng)度與正應(yīng)力成線性關(guān)系。通過(guò)試驗(yàn)測(cè)得的巖石抗剪強(qiáng)度和正應(yīng)力的關(guān)系曲線，可得到巖石的內(nèi)摩擦角。粘聚力巖石內(nèi)部固有的抗剪強(qiáng)度，表示巖石在沒(méi)有任何正應(yīng)力作用下，所能承受的抗剪強(qiáng)度。應(yīng)力狀態(tài)巖石內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)是影響其強(qiáng)度和變形行為的重要因素。通過(guò)分析巖石的應(yīng)力狀態(tài)，可以預(yù)測(cè)其破壞模式。Hoek-Brown準(zhǔn)則巖石強(qiáng)度Hoek-Brown準(zhǔn)則可以用于預(yù)測(cè)巖石的抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度。剪切強(qiáng)度該準(zhǔn)則可以考慮巖石的結(jié)構(gòu)特征、應(yīng)力狀態(tài)和裂隙的影響。經(jīng)驗(yàn)參數(shù)它需要根據(jù)巖石的特性進(jìn)行標(biāo)定，并應(yīng)用于巖體力學(xué)分析。巖體變形性質(zhì)分析1線彈性理論巖體受到外力作用變形與外力成正比2彈塑性理論巖石應(yīng)力達(dá)到屈服極限產(chǎn)生塑性變形3蠕變性質(zhì)巖石在長(zhǎng)時(shí)間荷載緩慢持續(xù)變形巖體變形性質(zhì)分析了解巖石力學(xué)行為基礎(chǔ)理論研究線彈性理論應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系線彈性理論描述了巖石在彈性范圍內(nèi)應(yīng)力和應(yīng)變之間的線性關(guān)系。胡克定律巖石的應(yīng)力與應(yīng)變成正比，比例系數(shù)為彈性模量。泊松比泊松比反映了巖石在單軸受壓時(shí)橫向變形與縱向變形的比例。彈塑性理論應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系巖石在受載荷時(shí)，首先表現(xiàn)為彈性變形，然后進(jìn)入塑性階段，最終發(fā)生破壞。塑性變形特征塑性變形是非線性，不可逆，并且伴隨能量耗散。破壞準(zhǔn)則彈塑性理論需要考慮巖石的屈服強(qiáng)度和破壞強(qiáng)度，并根據(jù)不同的破壞準(zhǔn)則進(jìn)行判斷。巖石的蠕變性質(zhì)蠕變現(xiàn)象巖石在長(zhǎng)時(shí)間的持續(xù)荷載作用下，其應(yīng)變會(huì)隨時(shí)間逐漸增長(zhǎng)的現(xiàn)象，稱為蠕變。蠕變現(xiàn)象在巖體工程中十分常見(jiàn)，例如，地下洞室、邊坡等。蠕變類型瞬時(shí)蠕變穩(wěn)定蠕變加速蠕變不同類型的蠕變，其應(yīng)變隨時(shí)間變化的規(guī)律不同。巖石的斷裂韌性斷裂韌性定義巖石在受力發(fā)生裂紋擴(kuò)展時(shí)的抵抗能力。測(cè)試方法利用標(biāo)準(zhǔn)試件，測(cè)量裂紋擴(kuò)展所需的能量。影響因素巖石類型、裂紋形狀、溫度、加載速度等。含裂隙巖體力學(xué)11.裂隙分布裂隙分布特征，如裂隙密度、長(zhǎng)度、方向和間距，直接影響巖體的力學(xué)行為。22.裂隙性質(zhì)裂隙的開(kāi)度、粗糙度、充填物性質(zhì)，影響巖石的強(qiáng)度、變形和滲透性。33.巖體結(jié)構(gòu)裂隙相互作用形成巖塊和巖橋，控制著巖體的整體力學(xué)特性。44.巖體力學(xué)模型多種模型，如離散裂隙網(wǎng)絡(luò)模型、連續(xù)介質(zhì)模型和離散元模型，用于模擬裂隙巖體。離散裂隙網(wǎng)絡(luò)定義離散裂隙網(wǎng)絡(luò)模型是一種模擬巖體中裂隙分布和特征的數(shù)值方法。將巖體中的裂隙視為一系列離散的幾何實(shí)體，例如平面、線段或曲面。特點(diǎn)可以模擬巖體中裂隙的幾何形狀、方向、間距和相互關(guān)系?？梢阅M裂隙對(duì)巖體力學(xué)性質(zhì)的影響，如強(qiáng)度、變形和滲透性。連續(xù)介質(zhì)模型簡(jiǎn)化巖石將巖體看作連續(xù)均勻的介質(zhì)，忽略巖石內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)。簡(jiǎn)化了計(jì)算，但忽略了實(shí)際情況的復(fù)雜性。忽略裂隙假設(shè)巖體內(nèi)部不存在裂隙、孔隙等不連續(xù)性，并將其視為具有連續(xù)性的材料。這一假設(shè)簡(jiǎn)化了分析，但也帶來(lái)了局限性。連續(xù)介質(zhì)理論應(yīng)用連續(xù)介質(zhì)理論來(lái)描述巖體受力后的應(yīng)力、應(yīng)變和變形行為。該理論基于數(shù)學(xué)模型，可以模擬巖體的力學(xué)行為。應(yīng)用范圍廣泛用于工程實(shí)踐中，例如隧道、地下工程等，可以有效地評(píng)估巖體強(qiáng)度和穩(wěn)定性。離散元模型離散單元巖石被分解為多個(gè)離散單元，每個(gè)單元具有獨(dú)立的物理特性。單元交互單元之間通過(guò)接觸力相互作用，模擬巖石的力學(xué)行為。變形和斷裂通過(guò)單元之間的接觸力和運(yùn)動(dòng)模擬巖石的變形和斷裂過(guò)程。數(shù)值計(jì)算采用數(shù)值計(jì)算方法模擬巖石的力學(xué)響應(yīng)，并分析其變形和破壞過(guò)程。巖體力學(xué)數(shù)值分析方法1有限元法將巖體離散成有限個(gè)單元通過(guò)求解單元之間的關(guān)系模擬巖體的力學(xué)行為2有限差分法將巖體離散成網(wǎng)格通過(guò)差分方程求解模擬巖體的力學(xué)行為3離散元法將巖體離散成多個(gè)顆粒通過(guò)顆粒之間相互作用模擬巖體的力學(xué)行為有限元法離散化將連續(xù)的巖體結(jié)構(gòu)分解成許多小的單元，每個(gè)單元都具有特定的物理性質(zhì)。數(shù)值計(jì)算利用數(shù)值方法，例如矩陣運(yùn)算，來(lái)求解每個(gè)單元的應(yīng)力、應(yīng)變和位移等參數(shù)。巖體力學(xué)問(wèn)題廣泛應(yīng)用于分析巖體的穩(wěn)定性、變形、斷裂、滲流等各種問(wèn)題。三維模擬能夠更精確地模擬復(fù)雜的巖體結(jié)構(gòu)和力學(xué)行為，提供更可靠的分析結(jié)果。有限差分法11.空間離散化將連續(xù)的巖體模型離散化為有限個(gè)節(jié)點(diǎn)和單元。22.微分方程近似使用差分方程近似巖體控制方程，用節(jié)點(diǎn)上的數(shù)值表示。33.求解方程組建立線性方程組，求解節(jié)點(diǎn)上的未知量，例如位移或應(yīng)力。離散元法巖體離散化將巖體視為由許多獨(dú)立的單元組成，每個(gè)單元之間通過(guò)接觸力相互作用。接觸力模型使用不同的接觸力模型來(lái)模擬單元之間的相互作用，例如彈簧阻尼模型、接觸法模型等。數(shù)值計(jì)算使用數(shù)值方法求解單元的運(yùn)動(dòng)和力學(xué)響應(yīng)，例如顯式時(shí)間積分法、隱式時(shí)間積分法等。巖體模擬可以模擬巖體的斷裂、變形、破壞等復(fù)雜的力學(xué)行為。課程總結(jié)本課程介紹了巖體力學(xué)的基本理論和方法，涵蓋巖體的結(jié)構(gòu)特征、巖石力學(xué)性質(zhì)、巖體變形性質(zhì)、巖體力學(xué)參數(shù)的測(cè)定、巖石強(qiáng)度測(cè)試方法、巖體力學(xué)數(shù)值分析方法等內(nèi)容。