岩石岩体区别:岩石可以瞧作就是一种材料,岩体就是岩石与各种不连续面的组合体;岩石可以瞧作就是均质的,岩体就是非均质的(在一定的工程范围内);岩石具有弹、塑、粘弹性,岩体受结构面控制,性质更复杂,强度更低;岩体通常就是指一定工程范围内的地质体,岩石则无此概念。
岩石力学就是一门研究岩石在外界因素(如荷载、水流、温度变化等)作用下的应力、应变、破坏、稳定性及加固的
学科。
又称岩体力学,就是力学的一个分支。
研究目的在于解决水利、土木工程等建设中的岩石工程问题。
它就是
一门新兴的,与有关学科相互交叉的工程学科,需要应用数学、固体力学、流体力学、地质学、土力学、土木工程学
等知识,并与这些学科相互渗透。
研究对象:对象:岩石—对象—岩石材料—地壳中坚硬的部分;
复杂性:地质力学环境的复杂性(地应力、地下水、物理、化学作用等)
研究的基本内容:
基本理论岩体地应力
材料实验——三大部分→岩体的强度
工程应用岩体的变形
裂隙水力学
研究方法: 物理模拟→岩石物理力学性质常规实验,地质力学模型试验;
数学模型→如有限元等数值模拟;
理论分析→用新的力学分支,理论研究岩石力学问题;
由于岩石中存在各种规模的结构面(断裂带、断层、节理、裂隙)→致使岩石的物理力学性质→不连续、不均匀、各
向异性→因此,有必要引入刻划不均一程度的参数。
各向异性:指岩石的强度、变形指标(力学性质)随空间方位不同而异的特性。
岩石的基本物理力学性质
岩石力学问题的研究首先应从岩石的基本物理力学性质研究入手,
1.岩石的容重:指单位体积岩石的重量。
2、比重(Gs)指岩石干重量除以岩石的实体积(不含孔隙体积)的干容重与4?c 水的容重的比值。
3、孔隙率(n%)指岩石内孔隙体积与总体积之比。
4、天然含水量:指天然状态下,岩石的含水量与岩石干重比值的百分比。
5、吸水率:指岩石在常温条件下浸水48小时后,岩石内的含水量与岩石干容重的比值。
6、饱与含水率:指岩样在强制状态(真空、煮沸或高压)下,岩样最大吸水量与岩石干重量比值。
7、饱水分数:指岩石吸水
率与饱水率的比值百分率。
8、抗冻系数。
9、软化系数。
10、渗透系数K与吕容系数Lu。
岩体的工程分类:岩体质量指标RQD,RQD值的大小,反映了岩体完整程度→岩体分类。
岩石的水理性质:岩石遇水后会引起某些物理、化学与力学性质的改变,岩石的这种性质称为岩石的水理性。
1、岩石的吸水性
2、岩石的软化性
3、岩石的膨胀性
4、岩石的崩解性
5、岩石的抗冻性
6、岩石的透水性岩石的碎胀性、
岩石的强度
岩石的强度:重要性(工程安全、经济效益) 【岩石由固体,水,空气等三相组成。
】
复杂性:岩石的强度包括岩块的强度与结构面的强度,以及耦合效益＋地质环境因素影响(地应力、地下水等) 岩石的破坏形式:1、脆性破坏: 岩石发生破坏时,变形很小,明显声响,一般发生在单轴或低围压坚硬岩石。
2、塑性破坏: 破坏时,变形较大,有明显的“剪胀”效应,一般发生在较软弱岩石或高围压坚硬岩石
3、沿软弱结构面(原生)剪切破坏。
岩石的抗剪强度:岩石沿原生结构面或已被剪断的破裂面,剪切滑动时的“摩擦阻力”
室内试验方法:一)直剪试验; 二)楔形剪切(交角剪)试验;三)三轴压缩试验;
莫尔－库仑准则→将岩石视为连续均匀介质――――――宏观强度理论
Griffith基本观点:岩石中存在许多空隙、裂缝等→在外部应力作用下→缝端产生应力集中→缝端扩展(破裂) →串通→形成宏观破坏。
岩石的强度特性:(1)屈服:岩石受荷载作用后,随着荷载的增大,由弹性状态过渡到塑性状态,这种过渡称为屈服。
(2)破坏:把材料进入无限塑性增大时称为破坏。
(3)岩石的强度:就是指岩石抵抗破坏的能力。
岩石在外力作用下,当应力达到某一极限值时便发生破坏,这个极限值就就是岩石的强度。
岩石的变形
岩石的变形特性:弹性:指物体在外力作用下发生变形,当外力撤出后变形能够恢复的性质。
塑性:指物体在外力作用下发生变形,当外力撤出后变形不能恢复的性质。
脆性:物体在外力作用下变形很小时就发生破坏的性质。
延性:物体能够承受较大的塑性变形而不丧失其承载能力的性质。
粘性(流变性):物体受力后变形不能在瞬间完成,且应变速度(dε/dt)随应力大小而变化的性质。
扩容----所谓扩容,就是指岩石受外力作用后,发生非弹性的体积膨胀。
岩石的流变性就是指岩石应力应变关系随时间而变化的性质。
蠕变现象——当应力保持恒定时,应变随时间增长而增大。
松弛现象——当应变保持恒定时,应力随时间增长而逐渐减小的现象。
弹性后效——加载或卸载时,弹性应变滞后于应力的现象。
岩石的流变本构模型:用于描述岩石应力－应变关系随时间变化的规律。
它就是通过试验－理论－应用证实而得到的。
本构模型分类: 1、经验公式模型:【根据不同试验条件及不同岩石种类求得的数学表达式】2、积分模型:【采用积分的形式表示应力－应变－时间关系的本构方程】3、组合模型:【将岩石抽象成一系列简单元件】
粘性介质及粘性元件(牛顿体)具有粘性流动的特点。
【塑性介质及塑性元件(圣维南体)】塑性元件具有刚塑性体变形(塑性变形也称塑性流动)的特点。
粘性流动:只要有微小的力就会发生流动。
塑性流动:只有当应力σ达到或超过屈服极限σs才会产生流动。
粘弹性体:研究应力小于屈服极限时的应力、应变与时间的关系;
粘弹塑性体:研究应力大于屈服极限时的应力、应变与时间的关系;
马克斯威尔模型具有瞬时变形、蠕变与松弛的性质,可模拟变形随时间增长而无限增大的力学介质。
凯尔文模型能模拟稳定蠕变,不能模拟瞬时弹性变形。
开尔文模型就是一种粘弹性模型。
影响岩石力学性质的因素:矿物成分、岩石的结构构造、水、温度、加载速度、受力状态、风化。
库伦准则:1773年库伦提出了一个重要的准则(“摩擦”准则)。
库伦认为,材料的破坏主要就是剪切破坏,当材料某一斜面上的剪应力达到或超过该破坏面上的粘结力与摩擦阻力之与,便会造成材料沿该斜面产生剪切滑移破坏。
莫尔强度理论的基本思想:莫尔强度理论就是建立在试验数据的统计分析基础之上的。
1910年莫尔提出材料的破坏就是剪切破坏,材料在复杂应力状态下,某一斜面上的剪应力达到一极限值,造成材料沿该斜面产生剪切滑移破坏,且破坏面平行于中间主应力σ2作用方向(即σ2不影响材料的剪切破坏),破坏面上的剪应力τ f 就是该面上法向应力σ的函数。
格里菲斯强度理论的基本思想: (1)在脆性材料内部存在着许多杂乱无章的扁平微小张开裂纹。
在外力作用下,这些裂纹尖端附近产生很大的拉应力集中,导致新裂纹产生,原有裂纹扩展、贯通,从而使材料产生宏观破坏。
(2)裂纹将沿着与最大拉应力作用方向相垂直的方向扩展。
1962年,麦克、克林脱克等人认为,当应力σy达到某一临界值时,裂纹便闭合,在裂纹表面产生法向应力与摩擦力,影响新裂纹的发生与发展。
这种摩擦力恰恰就是于就是格里菲斯断裂理论没有考虑到的。
因此对原始的格里菲斯理论进行了修正。
屈列斯卡准则在金属材料中应用很广。
该准则就是Tresca于1864年提出的。
她认为:当最大剪应达到某一数值时,岩石开始屈服,进入塑性状态。
米赛斯(Mises)屈服准则:米赛斯认为:当应力强度达到某一数值时,岩石开始屈服,进入塑性状态。
德鲁克－普拉格屈服准则考虑了中间主应力的影响,又考虑了静水压力(平均应力σm)的作用,克服了Mohr-Coulomb准则的主要弱点,可解释岩土材料在静水压力下也能屈服与破坏的现象。
该准则已在国内外岩土力
学与工程的数值计算分析中获得广泛的应用。
地应力及其测量
地应力就是存在于地壳中的未受工程扰动的天然应力,也称岩体初始应力、绝对应力或原岩应力。
岩体初始应力包括岩体自重应力、岩体构造应力、水压力、温度压力等。
地应力的分布规律:1、地应力就是一个相对稳定性的非稳定应力场,且就是时间与空间的函数;
2、实测垂直应力基本等于上覆岩层的重量
3、水平应力普遍大于垂直应力
4、平均水平应力与垂直应力的比值随深度增加而减小
5、最大水平主应力与最小水平主应力也随深度呈线性增长关系
6、最大水平主应力与最小水平主应力之值一般相差较大,显示出很强的方向性
7、地应力的上述分布规律还会受到地形、地表剥蚀、风化、岩体结
构特征、岩体力学性质、温度、地下水等因素的影响,特别就是地形与断层的扰动影响最大。
地应力测量方法:直接测量法:1扁液压千斤顶法2、水压致裂法间接测量法:全应力解除法、局部应力解除法
围岩就是洞室四周围绕的岩石,这个洞室可以就是人工开凿的(例如各种隧道、地下仓库等等),也可以就是天然形成的(例如山洞、溶洞等等)。
围岩压力:指引起地下开挖空间周围岩体与支护变形或破坏的作用力。
它包括由地应力引起的围岩力以及围岩变形
受阻而作用在支护结构上的作用。