岩石力学第3章之三

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第3章 岩石力学强度

第3章 岩石力学强度

二、岩石的抗压强度
3、岩石强度的影响因素 物理性质
孔隙率大,强度低; 密度大,强度高。
风化作用
风化对强度影响大,同一种岩石的风化程度越高,其强度越低。
水的作用
水对岩石强度有显著的影响。水对岩石的软化作用对工程极为不利, 特别是水利工程,水库蓄水后,水侵入岩石的孔隙和裂隙,削弱了岩 石颗粒间的连接,使强度降低。 用软化系数表示: Rw S Rw—湿强度;Rd—干强度。 Rd
0
σ σ σ
/ //
///
σ
////
σ
(MPa)
tg f ——摩擦系数。
如将残余强度 τ0 与 σ作直线,可得纯摩强度曲线,。
0 tg
四、 岩石的抗剪强度
2)楔形剪切试验 ①试样:10×10×5cm~30×30×30cm ②方法:用楔形剪切仪,将试样倾斜放在 剪切仪上,在上部加压力p,直至发生破坏。 按力的平衡条件: N P cos P f sin
四、 岩石的抗剪强度
2、抗剪强度的测定
对同一种试样,在不同的
σ下进行多次试验,即可
得到相应的抗剪强度, 绘制曲线τf ~σ ,在σ 不大时(<10MPa),为 一直线, 则: c tg
f
τ f(MPa)
τ f~σ
τ τ τ τ
φ///////σ Nhomakorabeaτ 0~
τfσ ~
//
/
此式即为库伦公式, c—凝聚力(MPa);υ—内摩擦角;
α 2
α 3
α 4
α 5
φ
α
σ
四、 岩石的抗剪强度
2、抗剪强度的测定
3) 三轴压缩试验 三轴压缩试验采用压力机进行。 在岩体工程中,岩体一般处在三向应力状态下,引 用单向受力条件的岩石试验来研究岩石变形、强度 特征是不够的,必须用三轴试验研究岩石在三相受 力条件下的变形及破坏规律。 按应力的组合方式,三轴试验可分为两种:

第3章岩石结构面、力学性质岩体力学

第3章岩石结构面、力学性质岩体力学
nˆ =(sinαsinβ , sinαcosβ , conα )
岩石力学
3.3.1.2 结构面的连续性 结构面的连续性又称为结构面的延展性或贯通性,常用
迹长、线连续性系数和面连续性系数表示。 (1)迹长 结构面与勘测面交线的长度,称为迹长。 国际岩石力学学会(ISRM,1978年) 制订的分级标准(见
3.2.2 岩体结构的类型
在《岩土工程勘察规范(GB 50021-2001)》中,将岩体 结构划分为5大类(见下表)。
岩石力学
岩体结 构
类型 整体状
结构
块状结 构
层状结 构
岩体地质 类型
巨块状 岩浆岩和 变质岩
厚层状 沉积岩, 块状岩浆 岩和变质 岩 多韵律 薄层、中 厚层状沉 积岩,副
结构体 形状
岩石力学
3.1 概述
工程涉及的实际岩体与实验室内测试的岩石试件的力学 性能有着很大的差别,引起这种差别的主要因素有:
(1)岩体的非连续性; (2)岩体的非均质性; (3)岩体的各向异性; (4)岩体的含水性等。 其中最关键的因素是岩体的非连续性。
岩石力学
结构面(亦称弱面):岩体内存在的各种地质界面,
巨块状
块状 柱状
层状 板状
结构面发育情况
以层面和原生、 构造节理为主, 多呈闭合型,间 距大于1.5m,一 般为1~2组,无 危险结构
有少量贯穿性节 理裂隙,结构面 间距0.7~1.5m, 一般为2~3组, 有少量分离体
有层理、片理、 节理,常有层间 错动
岩土工程特 征
岩体稳定, 可视为均质 弹性各项同 性体
岩石力学
当试件沿结构面发生剪切破坏时,作用在结构面上的应力有:
T A
P cos

岩石力学基础教程 作者 侯公羽 第3章 岩石的基本力学性质

岩石力学基础教程 作者 侯公羽 第3章 岩石的基本力学性质
2019/1/27
《岩石力学》
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3.1 岩石的强度性质
3.1.3 岩石的抗剪强度
岩块抵抗剪切破坏的最大剪应力,称为抗剪强度 (shear strength)。岩块的抗剪强度是由内聚力和内 摩擦阻力两部分组成的。当岩石某一截面上的剪应力 大于上述两者的和时,岩石沿该截面产生剪切破坏。 岩石抗剪强度可通过直剪试验和变角板剪切试
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《岩石力学》
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3.1 岩石的强度性质
3.1.2 岩石的抗拉强度
岩石试件在单向拉伸时能承受的最大拉应力,称 为单轴抗拉强度(uniaxial tensile strength),简 称抗拉强度 具体测试方法为: 1.直接拉伸法 2.抗弯法 3.劈裂法(巴西法) 4.点荷载法
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《岩石力学》
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3.1 岩石的强度性质
岩石介质破坏时所能承受的极限应力称为岩石强 度。岩石的破坏形式如下: ① 拉伸破坏:图 3.1(a)为直接拉坏的情况;图 3.1(b) 为劈裂破坏; ② 剪切破坏:截面剪应力达到某一极限值时,岩石在 此截面被剪断,如图3.1(c)所示; ③ 塑性流动:岩石在剪应力作用下产生塑性变形,其 线应变达到10%时就算塑性破坏,如图3.1(d)所示
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《岩石力学》
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3.2 岩石的变形性质
3.2.1 岩石在单轴压缩状态下的应力-应变曲线
岩石的典型应力-应变全过程曲线
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《岩石力学》
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3.2 岩石的变形性质
3.2.2 反复加载与卸载条件下岩石的变形特性
对于弹塑性岩石,在反复多次加载与卸载循环时,所 得的应力-应变曲线具有以下特点: (1)卸载应力水平一定时,每次循环中的塑性应变增量逐 渐减小,加、卸载循环次数足够多后,塑性应变增量将趋于零 。因此,可以认为所经历的加、卸载循环次数愈多,岩石则愈 接近弹性变形,如下图所示。 (2)加卸载循环次数足够多时,卸载曲线与其后一次再加 载曲线之间所形成的滞回环的面积将愈变愈小,且愈靠拢而又 愈趋于平行,如下图所示。这表明加、卸载曲线的斜率愈接近 。 (3)如果多次反复加载、卸载循环,每次施加的最大荷载 比前一次循环的最大荷载要大,则可得所示的曲线。

岩石力学第三章:岩石的力学特性及强度准则

岩石力学第三章:岩石的力学特性及强度准则

常 见 岩 石 的 软 化 系 数
岩 石 名 称
花 岗 岩 闪 长 岩 辉 绿 岩 流 纹 岩
软化系数
0.72~0.97 0.60~0.80 0.33~0.90 0.75~0.95
岩石名称
泥 岩
软化系数
0.40~0.60 0.44~0.54 0.70~0.94 0.75~0.97
泥 灰 岩 石 灰 岩 片 麻岩
岩石名称
抗压强度 (MPa)
100~250
抗拉强 度 (MPa)
7~25
岩石名称
抗压强度 (MPa)
5~100
抗拉强度 (MPa)
2~10
常 见 岩 石 的 抗 压 及 抗 拉 强 度
花岗岩
页 岩
流纹岩
160~300
12~30
粘土岩
2~15
0.3~1
闪长岩
120~280
12~30
石灰岩
40~250
7~20
安山岩
140~300
10~20
白云岩
80~250
15~25
辉长岩
160~300
12~35
板 岩
60~200
7~20
辉绿岩
150~350
15~35
片 岩
10~100
1~10
玄武岩 砾岩 砂 岩
150~300 10~150 20~250
10~30 2~15 4~25
片麻岩 石英岩 大理岩
50~200 150~350 100~250
(二)岩石的水理性质
5.可溶性:是指岩石被水溶解的性能。它与岩石 的矿物成分、水中CO2 含量及水的温度等因素有 关。 6.膨胀性:岩石吸水后体积增大引起岩石结构破 坏的性能称膨胀性。

《岩石力学》课件(完整版)-第三章岩石动力学基础

《岩石力学》课件(完整版)-第三章岩石动力学基础

能量吸收是指岩石在冲 击或振动载荷作用下吸 收能量的能力,与岩石 的破碎和变形有关。
疲劳是指岩石在循环载 荷作用下发生损伤和破 坏的现象,对地下工程 和边坡工程的稳定性有 重要影响。
03
岩石动力学的基本理论
弹性力学基础
01
弹性力学基本概念
弹性力学是研究弹性物体在外力作用下的应力、应变和位移的学科。它
理论分析方法。这些方法可用于求解各种复杂弹性力学问题。
塑性力学基础
塑性力学基本概念
塑性力学是研究塑性物体在外力作用下的应力、应变和位移的学科。塑性物体在达到屈服 点后会发生不可逆的变形,其应力-应变关系不再满足胡克定律。
塑性力学的基本方程
包括屈服准则、流动法则、增量理论和边界条件等。这些方程描述了塑性物体内部的应力 、应变和位移之间的关系,以及物体与周围介质之间的相互作用。
有限元法是一种将连续介质离 散化为有限个小的单元体,并 对每个单元体进行力学分析的 方法。
有限元法是一种将连续介质离 散化为有限个小的单元体,并 对每个单元体进行力学分析的 方法。
有限元法是一种将连续介质离 散化为有限个小的单元体,并 对每个单元体进行力学分析的 方法。
离散元法
离散元法是一种将连续介质离散化为一系列刚性或弹性 单元体的方法。
数据分析
对实验获取的大量数据进行处理和分 析,提取岩石的动力学特性,如阻尼 比、质量放大系数等。
结果解释
根据实验结果,解释岩石在动态载荷 作用下的破坏机制和演化过程,为工 程设计和安全评估提供依据。
实验研究的挑战与展望
挑战
岩石动力学实验技术难度大,需要克服实验条件苛刻、测量精度要求高等问题。 同时,岩石材料的非线性、各向异性等特性也给实验结果分析带来困难。

《岩石力学》全书复习资料

《岩石力学》全书复习资料

第一章 绪论1、岩石力学定义:岩石力学是研究岩石的力学性质的一门理论与应用科学;它是力学的一个分支;它探讨岩石对其周围物理环境中力场的反应。

2、岩石力学研究的目的:科学、合理、安全地维护井巷的稳定性,降低维护成本,减少支护事故。

3、岩石力学的发展历史与概况: (1)初始阶段(19世纪末—20世纪初)1912年,海姆(A.Hmeim )提出了静水压力理论:金尼克(A.H.ΠHHHHK )的侧压理论: 朗金(W.J.M.Rankine )的侧压理论: (2)经验理论阶段( 20世纪初—20世纪30年代)普罗托吉雅克诺夫—普氏理论:顶板围岩冒落的自然平衡拱理论; 太沙基:塌落拱理论。

4、地下工程的特点:(1)岩石在组构和力学性质上与其他材料不同,如岩石具有节理和塑性段的扩容(剪胀)现象等; (2)地下工程是先受力(原岩应力),后挖洞(开巷); (3)深埋巷道属于无限域问题,影响圈内自重可以忽略; (4)大部分较长巷道可作为平面应变问题处理;(5)围岩与支护相互作用,共同决定着围岩的变形及支护所受的荷载与位移; (6)地下工程结构容许超负荷时具有可缩性; (7)地下工程结构在一定条件下出现围岩抗力; (8)几何不稳定结构在地下可以是稳定的; 5、影响岩石力学性质和物理性质的三个重要因素矿物:地壳中具有一定化学成分和物理性质的自然元素和化合物; 结构:组成岩石的物质成分、颗粒大小和形状以及相互结合的情况; 构造:组成成分的空间分布及其相互间排列关系;第二章 岩石力学的地质学基础 1、岩石硬度通常采用摩氏硬度,选十种矿物为标准,最软是一度,最硬十度。

这十种矿物由软到硬依次为:l-滑石; 2-石膏;3-方解石;Hγ1νλν=-H λγH λγ4-萤石;5-磷灰石;6-正长石;7-石英;8-黄玉; 9-刚玉;10-金刚石;2、解理:是指矿物受打击后,能沿一定方向裂开成光滑平面的性质,裂开的光滑平面称为解理面。

岩体的力学特性(上)_岩石力学

岩体的力学特性(上)_岩石力学

变 质 结 构 面
1片理 2片岩软弱夹层
产状与岩层或 构造方向一致
片理短小,分 布极密,片岩 软弱夹层延展 较远,具固定 层次
结构面光滑平直, 片理在岩层深部往 往闭合成隐蔽结构 面,片岩软弱夹层 具片状矿物,呈鳞 片状
在变质较浅的沉积岩,如 千枚岩等路堑边坡常见塌 方。片岩夹层有时对工程 及地下洞体稳定也有影 响
Mar , 2007
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第3章 岩体的力学特性
岩浆结构面
Mar , 2007
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第3章 岩体的力学特性
断裂面
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第3章 岩体的力学特性
层面
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第3章 岩体的力学特性
层间错动面
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第3章 岩体的力学特性
风化裂隙是由风化作用在地壳的表部形成的裂隙。
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第3章 岩体的力学特性
成 因 类 型
主 地质类型 产 状
1节理(剪节 理、张节理) 2断层(正断 层、逆断层、平 移断层) 3层间错动 4羽状裂隙、劈 理


征 工程地质评价 性 质
张性断裂不平整,常 具次生充填,呈锯齿 状,剪切断裂较平 直,具羽状裂隙,压 性断层具多种构造 岩,成带状分布,往 往含断层泥、糜棱岩
岩 浆 结 构 面
1侵入体与围岩 接触面 2岩脉岩墙接触 面 3原生冷凝节 理
岩脉受构造结 构面控制,而 原生节理受岩 体接触面控 制
接触面延伸较 远,比较稳 定,而原生节 理往往短小密 集
与围岩接触面可具 熔合及破碎两种不 同的特征,原生节 理一般为张裂面, 较粗糙不平

《岩石力学》课件(完整版)-第三章岩石动力学基础

《岩石力学》课件(完整版)-第三章岩石动力学基础
第三十二页,共42页。
第三十三页,共42页。
单向压缩 环向压缩
均匀压缩
第三十四页,共42页。
2.压应力愈大波速愈大
从图中可以看出,随着压力的增大,纵波的波速亦随 之增大。纵波增加的波速,在开始阶段较快,然后逐 渐变小,最后可能不增加。
3.对于层面发育的沉积岩石,当垂直于层面加 载时,在低应力阶段波速急速随应力增长而 增加,
与压应力相同方向 上的纵波波速,在 低应力阶段波速急 速增长,达到一定
程度后增速减缓
第三十八页,共42页。
与压应力垂直 方向上的纵波 波速,随应力 增长而减小( 波传动方向上 受拉应力)
第三十九页,共42页。
(二)现场量测的结果
在某工程中,测定 了巷道两帮的应力 变化对声波波速的影 响可以推断松动圈的 范围。工程测点布置 如图3-16
岩石在受到扰动时在岩体中主要传播的是弹性波,塑性
波和冲击波只有在振源才可以看到。
第二页,共42页。
• 3.在固体中可传播的弹性波可分为两类
• (1)体波:由岩体内部传播的波(2类)

(a)纵波(又称:初至波、Primary波)
• 质点振动的方向和传播方向一致的波
• 它产生压缩或拉伸变形。
• (b)横波(又称次到波、Second波)
• 质点振动方向和传播方向垂直的波
• 产生剪切变形。
• (2)面波:仅在岩石表面传播。

质点运动的轨迹为一椭圆,其长轴垂直

于表面,这样的面波又称为瑞利波。

面波速度小于体波,但传播距离大。
第三页,共42页。
• 按波面形状,应力波又区分为平面波、球面波和和柱面波。 • 波面上介质的质点具有相同的速度、加速度、位移、应力和变形。
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多节理的力学效应 (叠加)
两组以上的节理同样处理,不过岩体总 是沿一组最有利破坏的节理首先破坏。
σ1与 β的关系曲线
两组节理力学模型
二、结构面的粗糙程度对岩体强度的影响:
齿接触摩擦包括:
(1)规则
(2)不规则
具有充填物的软弱结构面包括泥化夹层 和各种类型的夹泥层,其形成多与水的 作用和各类滑错作用有关。这类结构面 的力学性质常与充填物的物质成分、结 构及充填程度和厚度等因素密切相关。 见下图。
f c j tg j
岩体强度包括:抗压、抗拉、抗剪强度。 岩体抗拉一般不研究,不允许岩体中有拉 应力出现。 因此主要讨论岩体的抗压强度和抗剪强度。 岩体破坏本质一般是剪切破坏(也有张拉 破坏)。 一、节理岩体强度分析
结构面的强度条件 f c j tg j
当节理稳定或处于极限平衡时:
内摩擦角、内聚力与充 填厚度的关系曲线
内摩擦角随充填度增大 而减小
充填物强度与颗粒粗细 的关系
不同夹层物质成分的结构面抗剪强度 夹层成分抗剪强度系数摩擦系数 (f)粘聚力 C(kPa)泥化夹层和夹泥层0.15~0.255~20碎 屑 夹 泥 层 0.3 ~ 0.420 ~ 40 碎 屑 夹 层 0.5 ~ 0.60 ~ 100 含 铁 锰 质 角 砾 碎 屑 夹 层 0.6 ~ 0.8530~150
0 s
0
e
2、结构面对岩体强度的影响分析 实际上岩体强度在很大程度上取决于结构 面的强度,结构面的性质对裂隙岩体具有 控制作用: 1)结构面方位对岩体强度的影响


若沿结构面破坏,应满足下列条件:
则有, 由上式可知: (1)岩体的强度(σ1-σ3)随结构面倾角β的变 化而变化,见图。


若运用强度包络线理论,结构面包络线及 岩块包络线分别表达如下,岩体破坏不仅 要考虑岩块的稳定性还需要重点了解结构 面的稳定情况,此时需要重点探讨结构面 的产状情况。
图解法,利用正玄定理 (见图)
由图可见,当β1<β<β2时,岩体沿弱面滑动破 45 坏,而且当 时,岩体的强度最低,单 2 轴压力强度等于σs1时,岩体就破坏,弱面的 抗剪强度为τs1。如果β增大或减小,岩体的 强度都提高。当β1>β或β >β2时,岩体就 不沿弱面破坏,而沿新产生的裂面破坏,这个 新产生的裂面和主应力夹角为 45 2 这时岩体的单轴强度提高。

2)经验估计法 岩体强度参数的确定费时费用高,一般工 程运用室内试验及地质资料对岩体强度做 估算。 准岩体强度: 实际工程中常运用弹性波来确定岩体内部裂 隙的发育程度,并运用完整系数确定岩石 强度。
1、节理与岩石的抗剪强度线无关系; 2、沿节理破坏必需满足与莫尔圆交点为其 节理方向,且该点的正压力与剪应力刚 好达到节理的强度; 3、一般情况下直线与莫尔圆相割。 例题:
例: 假设洞室边墙处的节理面倾角=500。如图, 内摩擦角=400,粘结力C=0,即无粘结力, 由实测知道洞室处平均垂直应力, 试计算岩石锚杆在边墙处应提 供多大水平应力时才能维持边墙的平衡?



(2)当β→φj或β→90°时,岩体不可能沿结构面 破坏,而只能产生剪断岩体破坏。只有当β1≤β≤β2 时,岩体才能沿结构面破坏。β1和β2
(3)当β=45°+φj/2时,岩体强度取得最低值, 为: (4)岩体的三轴强度为: 当σ3=0,可得岩体的单轴强度为:




随着结构面产状的改变,岩体的破坏方式有:沿 结构面的滑动(试件a),部分穿切岩石材料, 部分沿结构面滑动(试件b),结构面张开 (试件d)和产生新的张裂隙面而破坏(试件c) 等。 因此,对同一岩体,如果不分析结构面的产状与 工程力方向的关系对破坏机制的影响,而采用 同一破坏准则来处理问题,必然导致错误的结

3)结构面内充水对岩体强度的影响
3.岩体强度的确定方法 1)试验确定方法 (1)岩体单轴抗压强度的测定 (2)岩体抗剪强度的测定 (3)岩体三轴压缩强度试验 2)经验估算法
1)试验确定 确定岩体强度的试验是指在现场原位切 割大尺寸试件进行试验,为保持岩体原有 的力学条件,试块附近不能进行爆破,仅 能使用轻型破岩设备。 岩体单轴抗压强度 通过适当的加载保护措施将荷载均匀施加 于岩体表面,再根据破坏时千斤顶的最大 荷载及试样的受载面积确定计算单轴强度。
第三节 岩体的强度
1、节理岩体强度分析 2、结构面对岩体强度的影响 3、岩体强度的确定方法
3.3 岩体的强度

1、节理岩体强度分析 岩体由结构面和岩块组成,其强度必然 受到岩块和结构面强度及其组合方式的控 制;一般情况下岩体强度既不同于岩块强 度,也不同于结构面强度。 带有节理的岩体在破坏时有可能沿岩块 内部破坏,也可能沿节理破坏,在节理较 多且分布条件下,多数会沿节理破坏。 无论岩体沿节理破坏还是岩块内部破坏 均符合摩尔—库仑理论:
f c j tg j

莫尔园上的点坐标:
1 3
2


1 3
2
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
cos 2 1 cos 2 3 sin 2
1 1 3 sin 2 2
整理得: f c j tg j
1 cos sin( j ) 3 sin cos( j ) c j cos j 0
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