岩石力学-岩石弹性本构关系

岩石力学作业

岩石力学习题第一章绪论 1.1 解释岩石与岩体的概念，指出二者的主要区别与联系。 1.2 岩体的力学特征是什么？ 1.3 自然界中的岩石按地质成因分类可分为几大类，各有什么特点？ 1.4 简述岩石力学的研究任务与研究内容。 1.5 岩石力学的研究方法有哪些？第二章岩石的物理力学性质 2.1 名词解释：孔隙比、孔隙率、吸水率、渗透性、抗冻性、扩容、蠕变、松弛、弹性后效、长期强度、岩石的三向抗压强度 2.2 岩石的结构和构造有何区别？岩石颗粒间的联结有哪几种？ 2.3 岩石物理性质的主要指标及其表示方式是什么？ 2.4 已知岩样的容重=22.5kN/m3，比重，天然含水量，试计算该岩样的孔隙率n，干容重及饱和容重。 2.5 影响岩石强度的主要试验因素有哪些？ 2.6 岩石破坏有哪些形式？对各种破坏的原因作出解释。 2.7 什么是岩石的全应力－应变曲线？什么是刚性试验机？为什么普通材料试验机不能得出岩石的全应力－应变曲线？ 2.8 什么是岩石的弹性模量、变形模量和卸载模量？

2.9 在三轴压力试验中岩石的力学性质会发生哪些变化？ 2.10 岩石的抗剪强度与剪切面上正应力有何关系？ 2.11 简要叙述库仑、莫尔和格里菲斯岩石强度准则的基本原理及其之间的关系。 2.12 简述岩石在单轴压力试验下的变形特征。 2.13 简述岩石在反复加卸载下的变形特征。 2.14 体积应变曲线是怎样获得的？它在分析岩石的力学特征上有何意义？ 2.15 什么叫岩石的流变、蠕变、松弛？ 2.16 岩石蠕变一般包括哪几个阶段？各阶段有何特点？ 2.17 不同受力条件下岩石流变具有哪些特征？ 2.18 简要叙述常见的几种岩石流变模型及其特点。 2.19 什么是岩石的长期强度？它与岩石的瞬时强度有什么关系？ 2.20 请根据坐标下的库仑准则，推导由主应力、岩石破断角和岩石单轴抗压强度给出的在坐标系中的库仑准则表达式，式中。 2.21 将一个岩石试件进行单轴试验，当压应力达到100MPa时即发生破坏，破坏面与大主应力平面的夹角(即破坏所在面与水平面的仰角)为65°，假定抗剪强度随正应力呈线性变化(即遵循莫尔库伦破坏准则)，试计算： 1)内摩擦角。 2)在正应力等于零的那个平面上的抗剪强度。

煤系地层常见岩石力学参数

常见岩层力学参数

11 细砂岩2800 28.85 16.04 12.02 0.20 3.47 43 4.96 5-2煤1410 2.12 1.73 0.82 0.30 0.18 20 0.2 细砂岩2597 27.00 15.28 11.2 0.21 3.1 42 3.48 5-1煤1410 2.12 1.73 0.82 0.30 0.18 20 0.2 细砂岩2586 33.40 18.02 14.02 0.19 3.8 43 5.13 砂质泥岩2520 7.88 4.9 3.2 0.23 1.18 35 1.8 泥岩2567 6.90 4.3 2.8 0.23 0.7 30 1.68 4-1煤1460 2.43 2.12 0.93 0.31 0.5 24 0.35 泥岩2463 6.39 3.94 2.6 0.23 0.68 30 0.98 底板岩层2463 6.39 3.94 2.6 0.23 0.68 30 0.98 砂岩2650 4.35 2.9 1.74 0.25 9.5 41 4.21 7煤1400 1.49 2.08 0.54 0.38 1.2 20 0.64 砂质泥岩2550 3.45 2.61 1.35 0.28 7.6 30 3.0 砂岩2690 5.61 3.35 2.3 0.22 10.7 41 4.96 9煤1400 1.49 2.08 0.54 0.38 1.2 20 0.64 砂岩2650 4.76 3.05 1.92 0.24 10.2 40 4.8 砂质泥岩2600 3.84 2.91 1.5 0.28 7.8 32 3.65 石灰岩2800 10.69 5.57 4.53 0.18 11.4 38 6.7 砂质泥岩2600 3.84 2.91 1.5 0.28 7.8 32 3.65 石灰岩2800 10.69 5.57 4.53 0.18 11.4 38 6.7

岩石的强度理论与本构关系

岩石的强度理论与本构关系朱浮声 (东北大学土木系,沈阳110006) 朱浮声,1948年6月生于黑龙江齐齐哈尔11976年毕业于东北大学,1983年获中国矿业大学工学硕士学位,1991年获东北大学博士学位11988年曾在美国南伊利诺大学作访问学者,1993年在瑞典皇家工学院任客座教授1现任东北大学土木工程系教授,辽宁省力学学会理事1主要研究方向为计算岩土力学和岩土加固技术1在国内外学术刊物上发表论文50余篇,出版5锚喷加固设计方法6等学术专著2部,译著1部1 摘要本文简要介绍了岩石强度理论和本构关系的发展和现状,讨论了它们不同的特点与适用条件1 关键词岩石,岩体,强度理论,本构关系 1前言随着电子计算机的飞速发展和计算技术的逐步完善,对岩石强度理论和本构关系提出了更高要求,以便更真实描述岩石和岩体力学特征,求解复杂的工程岩石力学问题1 由于岩石材料力学性质的某些相似性和其它历史原因,岩石强度理论和本构关系的早期研究曾大量引用了土力学成果,并提出了一些适用于岩土介质的强度理论和本构关系1随着岩石力学的发展,人们认识到,岩石和岩体的物理力学性质不仅有别于其它非摩擦工程材料,而且,与土或混凝土等摩擦材料也存在较明显差异1例如,岩石破坏包括脆性、延性及由脆性向延性转化等复杂类型;岩体的力学特性受控于岩块和不连续面的力学特性;岩石工程的稳定性通常受主要不连续面控制等1因此,近年来又提出了适用于岩石、不连续面和岩体的强度理论或本构方程式1本文旨在介绍这些理论研究的最新进展,并对已有岩土强度理论和本构关系的适用条件和局限性加以简要评价1 限于篇幅,本文仅涉及与时间无关的各向同性和等向强化模型1 2岩土共用的强度理论和本构关系 211弹性均质、各向同性或横观各向同性模型曾被广泛用于描述岩土力学特征,特别是峰值强度前的应力-应变关系,并得到了大量解析解和实用近似解1考虑到应力-应变曲线的明显非线性特性,曾将非线性弹性理论与计算机技术相结合,提出了一批数值算法,并在60~70年代的岩土力学分析中不断被引用1例如,以曲线各点的割线模量取代弹性常数,构成了各种超弹性模型[1],或以增量形式描述非线性弹性应力-应变关系,形成了亚弹性模型[2]等1但是,由于这些模型只考虑到岩土材料的弹性特征,并且,随着模型阶次增高,待定常数的数目往往过多,因而,限制了它们的广泛应用1

岩石力学参数测试

3.2 侏罗系煤岩层物理力学性质测试 3.2.1试验仪器及原理本试验采用电子万能压力试验机(图3.24)对侏罗系、石炭系岩石试样进行抗压强度、抗拉强度以及抗剪强度的测定。 (a) 电子万能压力试验机 (b) 单轴抗压强度测试 (c) 抗拉强度测试 (d) 抗剪强度测试图3.24 岩石力学电子万能压力试验机及试验过程 (1) 岩石抗压强度测定：单轴抗压强度的测定：将采集的岩块试件放在压力试验机上，按规定的加载速度(0.1mm/min)加载至试件破坏。根据试件破坏时，施加的最大荷载P ，试件横断面A 便可计算出岩石的单轴抗压强度S 0，见式(3.1)。 S 0= P A (3.1) 一般表面单轴抗压强度测定值的分散性比较大，因此，为获得可靠的平均单轴抗压强度值，每组试件的数目至少为3块。 (2) 岩石抗拉强度的测定：做岩石抗拉试验时，将试件做成圆盘形放在压力机上进行压裂试验，试件受集中荷载的作用，见式(3.2)。

S t = 2P DT π (3.2) 式中：S t ——岩石抗拉强度 MPa ； P ——岩石试件断裂时的最大荷载，KN ； D ——岩石试件直径； T ——岩石试件厚度。为使抗拉强度值较准确，每种岩石试件数目至少3块。 (3) 岩石抗剪强度测定：将岩石试件放在两个钢制的倾斜压模之间，然后把夹有试件的压模放在压力实验机上加压。当施加荷载达到某一值时，试件沿预定的剪切面剪断，见式(3.3)。 sin cos n T P A A N P A A τασα? = =? ??? ==?? (3.3) 式中：P ——试件发生剪切破坏时的最大荷载； T ——施加在破坏面上的剪切力； N ——作用在破坏面上的正压力； A ——剪切破坏面的面积； τ——作用在破坏面上的剪应力； n σ——作用在破坏面上的正应力； α——破坏面上的角度。每组取3块试件，变换不同的破坏角，根据所得的数值，便可在στ-坐标系上画出反映岩石发生剪切破坏的强度曲线。并可求出反映岩石力学性质的另外两个参数：粘聚力c 及内摩察角?。 3.2.2 标准岩样加工根据需要和所在矿的条件，在晋华宫矿12#煤层2105巷顶板钻取岩样，钻孔长度约22m ，在。根据各段岩心长度统计结果，晋华宫矿顶板岩层的RQD 值为72.4%，围岩质量一般。岩心取出后，随即贴上标签，用透明保鲜袋包好以防风化，之后装箱，托运到实验室，经切割、打磨、干燥制成标准的岩石试样，岩样制作过程见图3.25。

岩体的变形与破坏的本构关系

第三章岩体的变形与破坏变形：不发生宏观连续性的变化，只发生形、体变化。破坏：既发生形、体变化、也发生宏观连续性的变化。 1．岩体变形破坏的一般过程和特点（1）岩体变形破坏的基本过程及发展阶段 ①压密阶段（OA段）：非线性压缩变形—变形对应力的变化反应明显；裂隙闭合、充填物压密。应力-应变曲线呈减速型（下凹型）。 ②弹性变形阶段（AB段）：经压缩变形后，岩体由不连续介质转变为连续介质；应力-应变呈线性关系；弹性极限B点。 ③稳定破裂发展阶段（BC段）：超过弹性极限（屈服点）后，进入塑性变形阶段。 a．出现微破裂，随应力增长而发展，应力保持不变、破裂则停止发展； b.应变：侧向应变加速发展，轴向应变有所增高，体积压缩速率减缓（由于微破裂的出现）；

④不稳定破裂发展阶段（CD段）：微破裂发展出现质的变化： a.破裂过程中的应力集中效应显著，即使是荷载应力保持不变，破裂仍会不断地累进性发展； b. 最薄弱部位首先破坏，应力重分布导致次薄弱部位破坏，直至整体破坏。“累进性破坏”。 c. 应变：体积应变转为膨胀，轴向及侧向应变速率加速增大； ※结构不均匀；起始点为“长期强度”； ⑤强度丧失、完全破坏阶段（DE段）：破裂面发展为宏观贯通性破坏面，强度迅速降低，岩体被分割成相互分离的块体—完全破坏。（2）岩体破坏的基本形式 ①张性破坏（图示）； ②剪切破坏（图示）：剪断，剪切。 ③塑性破坏（图示）。破坏形式取决于：荷载条件、岩体的岩性及结构特征；二者的相互关系。 ①破坏形式与受力状态的关系： a.与围压σ3有关：低围压或负围压—拉张破坏（图示）；中等围压—剪切破坏（图示）；高围压（150MN/m2=1500kg/cm2）—塑性破坏。的关系： b.与σ 2 σ2/σ 3 <4（包括σ 2 =σ3），岩体剪断破坏，破坏角约θ=25°； σ2/σ 3 >8（包括σ 2 =σ1）：拉断破坏，破坏面∥σ1，破坏角0°; 4≤σ2/σ3≤8：张、剪性破坏，破坏角θ=15°。 ②破坏形式与岩体结构的关系：完整块体状—张性破坏；碎裂结构、碎块结构—塑性破坏；裂隙岩体—取决于结构面与各主应力之间的方位关系。

【6A文】塑性力学增量和全量本构关系讨论

塑性力学中本构关系的讨论摘要：本构方程是塑性力学解决问题不同于弹性力学的一大不同点，本文从主要描述塑性变形问题的两个本构理论出发，借鉴现有理论和实验结果，对比增量理论和全量理论的优缺及各自在工程中的适用性。关键词：塑性力学；增量理论；全量理论；有限元法引言塑性力学和弹性力学之间的根本差别在于弹性力学是以应力与应变成线性关系的广义胡克定律为基础的。而塑性力学研究范畴中，应力与应变一般成非线性关系，而这种非线性的特征又不能一概而论，对于不同的材料，在不同的条件下，都具有不同的规律。塑性变形的基本规律是建立在实验的基础上，根据实验结果简化抽象出塑性状态下应力与应变关系的特征。与弹性力学比较，主要影响塑性力学本构方程的有以下几点：应力与应变之间的关系是非线性的，其比例系数不仅与材料有关而且与塑性应变有关；由于塑性变形的出现，弹塑性材料在卸载时，体元的应力-应变状态不能沿原来的加载路径返回，应力与应变之间不再存在一一对应的关系，而与加载历史有关；变形体中可分为弹性区和塑性区，在弹性区，加载与卸载都服从广义胡克定律，在塑性区，加载过程服从塑性规律而卸载过程服从广义胡克定律。因此在塑性力学发展初期，最初提出的是以增量方法来讨论应力增量与应变增量之间的关系，它不受加载条件的限制，但在实际计算过程中，需要按加载过程中的变形路径进行积分，计算比较复杂。Hencky于1924年提出的全量理论在实践中使用方便很多，但全量本构关系仅能应用于特定情况，及体元应力-应变过程为单调过程，不能描述弹塑性变形规律全貌。 1.增量理论塑性应力应变关系的重要特点是非线性和非简单对应，非线性及应力与应变关系不是线性关系，非简单对应及应变不能由应力唯一确定。在材料变形的塑性阶段，

岩石本构模型.

岩石材料本构模型建立方法一、岩石本构模型的定义岩石本构关系是指岩石在外力作用下应力或应力速率与其应变或应变速率的关系。岩石变形性质为弹塑性或粘弹塑性变形，变形性质主要通过本构关系来反映，本构关系，即研究弹塑性或粘弹塑性本构关系。岩石是一种非均匀的各向异性的材料，内含微裂纹，有时还有宏观的缺陷如裂纹、空穴、甚至节理等。对这些缺陷存在且材料对缺陷敏感时往往容易发生事故。脆性材料不同于韧性材料，对缺陷十分敏感。由于岩石结构非均质和非连续的复杂性，到目前为止，还没有一个统一成熟的岩石力学本构关系。研究岩石本构关系的方法，概括起来主要有以下两种：（1）唯象学方法 ①用实验或断裂理论研究岩石的破坏准则。其基本点是假设在强度极限以前岩石本构关系可以近似用线性关系描述； ②塑性力学，流变力学及损伤力学方法。塑性力学有经典和广义塑性力学两部分。经典塑性力学理论主要适用于金属材料，广义塑性理论适用于岩石材料。内时理论和流变力学在描述岩石时效方面的特性中发挥重要作用。损伤力学是以微观裂纹为出发点来深入研究介质的力学形态，及基础是内变量理论。（2）物理力学机理方面岩石在初始状态下呈现微观缺陷，在本构理论中必须考虑其影响。依据一定的细观或微观力学机理，建立细观或微观力学模型，并借助于一定的宏观力学方法以建立宏观本构关系。建立岩石本构关系一般通过两个途径：①利用岩石单轴或三轴试验获得的应力应变曲线，通过数理统计的回归方法建立本构方程；②在实验观

察的基础上，提出某种基本假设，从而建立一个力学模型，并推导出相应的本构方程。二、岩石的本构关系分类本构关系分类以下三类： ①弹性本构关系：线性弹性、非线性弹性本构关系。 ②弹塑性本构关系：各向同性、各向异性本构关系。 ③流变本构关系：岩石产生流变时的本构关系。流变性是指如果外界条件不变，应变或应力随时间而变化的性质。 2.1 岩石弹性本构关系 1. 平面弹性本构关系 2. 空间问题弹性本构关系

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【最新整理，下载后即可编辑】 2.17 不同受力条件下岩石流变具有哪些特性？答：（1）恒应力长期作用下岩石的流变体现为蠕变，蠕变指岩石材料在保持应力不变的条件下，应变随时间延长而增加的现象。蠕变可分为三个阶段：第一阶段：蠕变速率（Δε/Δt ）随时间而呈下降趋势。第二阶段：蠕变速率不变，即（Δε/Δt ）为常数，这一段是直线。第三阶段：蠕变速率随时间而上升，随后试样断裂。（2）在应变一定的情况下，岩石的流变体现为松弛，松弛分为立即松弛——变形保持恒定后，应力立即消失到零；完全松弛——变形保持恒定后，应力逐渐消失，直到应力为零；不完全松弛——变形保持恒定后，应力逐渐消失，但最终不能完全消失，而趋于某一值。（3）岩石强度随外荷载作用时间的延长而降低的特性称作岩石的长期强度，岩石长期强度也是岩石流变特性的体现。 2.18 简要叙述常见的几种岩石流变模型及其特点。答：（1）马克斯威尔（Maxwell）模型。这种模型是由弹性单元和黏性单元串联而成，当骤然施加应力并保持为常量时，变形以常速率不断发展。

（2）开尔文（Kelvin ）模型。它是由弹性单元和黏性单元并联而成，当骤然施加应力时，应变速率随着时间逐渐递减，在t 增长到一定值时剪应变就趋于零。（3）广义马克斯威尔模型。该模型由开尔文模型与黏性单元串联而成，剪应力开始以指数速率增长，逐渐趋近于常速率。（4）广义开尔文模型。该模型由开尔文模型与弹性单元串联而成，开始产生瞬时应变，随后剪应变以指数递减速率增长，最终应变速率趋于零，应变不再增长。（5）柏格斯（Burgers ）模型。这种模型由开尔文模型与马克斯威尔模型串联而成，蠕变曲线开始有瞬时变形，随后剪应变以指数递减速率增长，最后趋于以不变的速率增长。 2.19 什么是岩石的长期强度？它与岩石的瞬时强度有什么关系？答：岩石的长期强度指岩石强度随外荷载作用时间的延长而降低的性能，即作用时间t →∞的强度s ∞。岩石的瞬时强度小于岩石的长期强度，对于不同的岩石，长期强度与瞬时强度之比为 0.4—0.8。 2.20请根据σ—τ坐标下的库伦准则，推导由主应力、岩石破断角和岩石单轴抗压强度给出的在σ3—τ1坐标系中的库伦准则表达式 σ1=σ3tan 2 θ+σc ,式中 σc =2ccosψ1?sinψ 。答：

岩土类材料弹塑性力学模型及本构方程

岩土类材料的弹塑性力学模型及本构方程摘要：本文主要结合岩土类材料的特性，开展研究其在受力变形过程中的弹性及塑性变形的特点，描述简化的力学模型特征及对应的适用条件，同时在分析研究其弹塑性力学模型的基础上，探究了关于岩土类介质材料的各种本构模型，如M-C、D-P、Cam、D-C、L-D及节理材料模型等，分析对应使用条件，特点及公式，从而推广到不同的材料本构模型的研究，为弹塑性理论更好的延伸发展做一定的参考性。关键词：岩土类材料，弹塑性力学模型，本构方程不同的固体材料，力学性质各不相同。即便是同一种固体材料，在不同的物理环境和受力状态中，所测得的反映其力学性质的应力应变曲线也各不相同。尽管材料力学性质复杂多变，但仍是有规律可循的，也就是说可将各种反映材料力学性质的应力应变曲线，进行分析归类并加以总结，从而提出相应的变形体力学模型。第一章岩土类材料地质工程或采掘工程中的岩土、煤炭、土壤，结构工程中的混凝土、石料，以及工业陶瓷等，将这些材料统称为岩土材料。岩土塑性力学与传统塑性力学的区别在于岩土类材料和金属材料具有不同的力学特性。岩土类材料是颗粒组成的多相体，而金属材料是人工形成的晶体材料。正是由于不同的材料特性决定了岩土类材料和金属材料的不同性质。归纳起来，岩土材料有3点基本特性：1.摩擦特性。2.多相特性。3.双强度特性。另外岩土还有其特殊的力学性质：1.岩土的压硬性，2.岩土材料的等压屈服特性与剪胀性，3.岩土材料的硬化与软化特性。4.土体的塑性变形依赖于应力路径。对于岩土类等固体材料往往在受力变形的过程中，产生的弹性及塑性变形具备相应的特点，物体本身的结构以及所加外力的荷载、环境和温度等因素作用，常使得固体物体在变形过程中具备如下的特点。固体材料弹性变形具有以下特点：(1)弹性变形是可逆的。物体在变形过程中，外力所做的功以能量（应变能)的形式贮存在物体内，当卸载时，弹性应变能将全部释放出来，物体的变形得以完全恢复； (2)无论材料是处于单向应力状态，还是复杂应力状态，在线弹性变形阶段，应力和应变成线性比例关系；(3)对材料加载或卸载，其应力应变曲线路径相同。因此，应力与应变是一一对应的关系。固体材料的塑性变形具有以下特点： (l)塑性变形不可恢复，所以外力功不可逆。塑性变形的产生过程，必定要消耗能量(称耗散能或形变功)； (2)在塑性变形阶段，应力和应变关系是非线性的。因此，不能应用叠加原理。又因为加载与卸载的规律不同，应力与应变也不再存在一一对应的关系，也即应力与相应的应变不能唯一地确定，而应当考虑到加载的路径(即加载历史)； (3)当受力固体产生塑性变形时，将同时存在有产生弹性变形的弹性区域和产生塑性变形的塑性区域。并且随着载荷的变化，两区域的分界面也会产生变化。