《巖石力學與工程》蔡美峰版總結

1、巖石力學與工程內(nèi)容概要總結地應力是存在于地層中的為受工程擾動的天然應力。也稱為巖體初始應力、絕對應力或原巖應力。地質(zhì)軟巖：單軸抗壓強度小于25MPa的松散、破碎、軟化及風化膨脹性一類巖體的總稱。工程軟巖：工程力作用下能產(chǎn)生顯著性變形的工程巖體。聲發(fā)射：材料在受到外載荷作用時，其內(nèi)部貯存的應變能快速釋放產(chǎn)生彈性波，發(fā)生聲響。巖石巖石地下工程：地下巖石中開挖并臨時獲永久修建的各種工程。圍巖：在巖石地下地下工程中，由于受開挖影響而發(fā)生應力狀態(tài)改變的周圍巖體。錨噴支護：錨桿與噴射混凝土聯(lián)合支護的簡稱。邊坡：巖體、土體在自然重力作用或人為作用而形成一定傾斜度的臨空面。巖石：自然界各種礦物的集合體，是天然

2、地質(zhì)作用的產(chǎn)物。容重：巖石單位體積的重量。根據(jù)含水情況將巖石的容重分為天然容重、干容重、飽和容重?？紫缎裕禾烊粠r石中包含著數(shù)量不等、成因各異的孔隙和裂隙。孔隙率：指巖石孔隙的體積與巖石總體積的比值，以百分數(shù)表示。分為總孔隙率、總開孔隙率、大開孔隙率、小開孔隙率、和閉孔隙率。孔隙率愈大，巖石力學性能越差。水理性：巖石與水相互作用時所表現(xiàn)的性質(zhì)。包括巖石的吸水性、透水性、軟化性和抗凍性。巖石強度：巖石在各種載荷作用下達到破壞時所能承受的最大應力。單軸抗壓強度：巖石在單軸壓縮載荷作用下達到破壞前所能承受的最大壓應力。巖石破壞形式：x狀共軛斜面剪切破壞。這種破壞形式是最常見的破壞形式；單斜面剪切破壞。

3、這兩種破壞都是由于破壞面上的剪應力超過極限引起的。拉伸破壞：橫向拉應力超過巖石抗拉極限引起的。流變破壞：巖石的三軸抗壓強度：巖石在三向荷載作用下，達到破壞時所能承受的最大壓應力。莫爾強度包絡線：同一種巖石對應各種應力狀態(tài)下破壞莫爾應力圓外公切線。直線型、拋物線型、雙曲線型。點載荷試驗：試驗所獲得的強度指標值可以用做巖石分級的一個指標。點載荷實驗裝置是便攜式的，可帶到巖土工程現(xiàn)場去做實驗。點載荷試驗對試件的要求不嚴格。缺點是要根據(jù)經(jīng)驗公式進行換算。抗拉強度：巖石在單軸拉伸荷載作用下達到破壞時所能承受的最大拉應力。拉伸試驗分為直接試驗和間接試驗兩類。間接試驗著名的有劈裂試驗。抗拉強度一般為抗壓強度

4、的1/4到1/25平均為1/10。 巖石的變形：巖石在外力或其他物理因素作用下發(fā)生形狀或體積的變化。彈性、塑性、粘性、脆性、延性。擴容：巖石在載荷作用下，在其破壞之前產(chǎn)生的一種明顯的非彈性體積變形。各向異性：巖石的全部或部分物理、力學性質(zhì)隨方向不同而表現(xiàn)出差異的現(xiàn)象。彈性模量：應力與應變的比率。泊松比：巖石的橫向應變與縱向應變的比值。泊松比將隨應力的增大而增大，直到0.5停止。滯回效應：卸載曲線不走加載曲線的路線滯回曲線：在反復作用下巖石的荷載變形曲線記憶性：巖石在荷載超過上一次循環(huán)的最大荷載以后，變形曲線仍沿著原來的單調(diào)加載曲線上升，好像不曾受到反復加載的影響似的，這種現(xiàn)象稱為巖石的記憶性。

5、塑形滯回環(huán)：加載曲線與卸載曲線所形成的環(huán)。水楔作用：當兩個礦物顆粒靠的很近，有水分子補充到礦物表面時，礦物顆粒利用其表面吸著力將水分子拉到自己周圍，在兩個顆粒接觸處由于吸著力作用使水分子向兩個礦物顆粒之間的縫隙內(nèi)擠入的現(xiàn)象 結構面：不同成因、不同特性的地質(zhì)界面的統(tǒng)稱。原生結構面、構造結構面、次生結構面、整合面、不整合面、層理、劈理、節(jié)理、斷層、結構體：被各種結構面切割而成的巖石塊體。巖體結構：不同類型的巖體結構單元在掩體內(nèi)的組合、排列形式稱為巖體結構。巖體結構單元：結構體和結構面。裂隙度：沿取樣線方向單位長度上的節(jié)理數(shù)量。切割度：巖體被節(jié)理割裂分離的程度。結構面的力學性質(zhì)：法相變形、剪切變形、

6、抗剪強度。為什么巖體的力學性質(zhì)和巖石不同是因為結構面的存在。水力學性質(zhì)：巖石的滲流特性及在滲流作用下所表現(xiàn)出的力學性質(zhì)。質(zhì)量指標（RQD）：長度在10cm（含10cm）以上的巖芯累計長度占鉆孔總長的百分比。地應力方法：直接測量法扁千斤頂法、剛性包體應力計法、水壓致裂法、聲發(fā)射法。間接測量法：全應力解除法、局部應力解除法、孔徑變形法、孔底應變法、孔壁應變法、空心包體應變法、實心包體應變法。流變：材料的應力-應變關系與時間因素有關的性質(zhì)，材料變形過程中具有時間效應的現(xiàn)象稱為流變現(xiàn)象。包括蠕變、松弛、彈性后效。彈性后效：材料在彈性范圍內(nèi)受某一不變載荷作用，其彈性變形隨時間緩緩增長的現(xiàn)象巖石強度理論：

7、研究巖石在各種應力狀態(tài)下的強度準則的理論。表征巖石在極限應力狀態(tài)下的應力狀態(tài)和巖石強度參數(shù)之間的關系數(shù)值分析常用方法：有限元法、邊界元法、有限差分法、加權余量法、離散元法、剛體元法、不連 續(xù)變形分析法、流形方 真三軸：真三軸加載試件為立方體，1為主應力，23為側向壓力，六個面均受摩擦力，對實驗結果影響很大。偽三軸加載試件為圓柱體；軸向壓力1的加載方式和單軸壓縮試驗時相同，但由于有了側向壓力，其加載時的端部效應比單軸加載時要輕微的多。側向壓力23相同，側向壓力均勻的施加到試件中。剛性試驗機：由于傳統(tǒng)試驗機的剛度不夠大，在試驗過程中試件受壓，試驗機受拉，試驗機產(chǎn)生的彈性變形以應變能的形式存在機器中

8、，當施加的壓縮應力超過巖石抗壓強度后，試件破壞，機架迅速回彈，以便回到其原始位置，并將其內(nèi)部貯存的應變能釋放到巖石試件中，從而使試件急劇破裂和崩解。而剛性試驗機提高了自身剛度，機架變形小，就不會引起試件的突發(fā)性破壞。采用液壓伺服系統(tǒng)，伺服系統(tǒng)有一個反饋信號系統(tǒng)，它檢查當前施加的載荷是否事先確定的變形速度，否則它會自動調(diào)整施加載荷，以保持變形素的的恒定。 地下水對巖體的物理作用：1.潤滑作用，使巖體的摩擦角減小；軟化和泥化作用，使巖體的力學性能降低，內(nèi)聚力和摩擦角值減小。主要表現(xiàn)在對巖體結構面中充填物的物理性狀的改變上，巖體結構中充填物隨含水量的變化，發(fā)生由固態(tài)向塑態(tài)直至液化的弱化效應；結合水的

9、強化作用，處于非飽和帶的巖體中的有效應力大于巖體的總應力，強化了巖石的力學性能。 有限元步驟：確定計算模型，根據(jù)對稱性、材料性質(zhì)和所關心部位的邊界尺寸等確定計算模型；劃分單元；選擇位移函數(shù)；建立單元剛度矩陣，并進行坐標轉換；形成總體剛度矩陣；載荷等效移置，確定節(jié)點力列陣；列出有限元基本方程，并根據(jù)已知位移對方程進行修正；求解總體方程，可獲得節(jié)點位移；利用幾何關系和物理方程計算單元的應變和應力；繪制計算結果圖，以便直觀了解分析結果，給出定量的評價。 維護巖石地下工程穩(wěn)定的基本原則：合理利用和充分發(fā)揮巖體強度；改善圍巖應力條件；合理支護；強調(diào)監(jiān)測和信息反饋。 地應力的組成地應力是存在于地層的未受擾

10、動的天然應力。構造應力場和重力應力場是主要組成還有比如：大陸板塊邊界受壓引起的應力場；地幔熱對流引起的應力場；由地心引力的應力場；巖漿侵入引起的應力場；地溫梯度引起的應力場；地表剝蝕產(chǎn)生的應力場。基本規(guī)律：1地應力是一個具有相對穩(wěn)定性的非穩(wěn)定應力場，它是時間和空間的函數(shù)；2實測垂直應力基本等于上覆巖層的重量；3水平應力普通大于垂直應力；4平均水平與垂直應力的比值隨深度增加而減?。?最大水平主應力和最小水平主應力也隨深度呈線性增長關系；6最大水平主應力和最小水平主應力之值一般相差較大，顯示出很強的方向性；7還受地形、地表剝蝕、風化、巖體結構特征，巖體力學性質(zhì)、溫度，地下水等因素的影響，特別是地形

11、和斷層的擾動影響最大。 影響巖石力學性質(zhì)的因素？影響巖石力學性質(zhì)的因素有試件尺寸、試件形狀、試件三維比例、濕度、水、溫度、風化程度、加載速率、圍壓大小、各向異性等。試件尺寸增大，巖石強度值降低。寬高比大的試件比寬高比小的試件所測得強度指標值要高。濕度大的巖石強度值會降低。1.水。水對巖石力學性質(zhì)影響主要體現(xiàn)在以下五個方面：1）連結作用。束縛在礦物表面的水分子通過其表吸引力作用將礦物顆粒拉近，接緊，起連結作用；2）潤滑作用。導致顆粒間連潔力減弱，摩擦力減低，水起到潤滑劑的作用；3）水楔作用。一是使巖石體積膨脹，二是水膠連結代替膠體及可熔鹽連結，產(chǎn)生潤滑作用，巖石強度降低；4）孔隙壓力作用。減小了

12、顆粒間的壓應力，降低了巖石的抗剪強度；5）溶蝕及潛蝕作用。滲透水流動時溶解可溶物，并帶走小顆粒，使巖石強度大大降低6）凍融脹縮作用；2.溫度。每增加100米溫度升高3度，隨著溫度的增高，巖石的延性加大，屈服點降低，強度也降低；3.加載速度。加載速率越快，測得的彈性模量愈大獲得的強度指標值建議加載速率為0.5到1MPa/s加載時間為5到10分鐘；4.圍壓。隨著受力狀態(tài)的改變，其脆性與塑性是可以相互轉化的；5.風化。1巖石風化降低巖石結構面的粗糙程度并產(chǎn)生新的裂隙，分裂巖體；2風化過程中使礦物成分發(fā)生變化；3并使巖石的物理力學性質(zhì)也隨之發(fā)生改變，大大惡化了巖石的力學性質(zhì)。 全應力-應變曲線應用：.

13、全面顯示巖石在受壓破壞過程中的應力、應變特征，特別是破壞后的強度與力學性質(zhì)變化規(guī)律；1.預測巖爆。如圖，以峰值強度C為界，可以分為左右兩部分。左半部分面積（A）表示達到峰值強度時試件內(nèi)部積累的應變能，右半部分面積（B）如圖，表示從從破裂到整個破壞消耗的能量。若A>B，說明巖石破壞后還剩余一部分能量，這部分能量突然釋放就會發(fā)生巖爆。若A 單軸壓縮條件下巖石變性特征1）孔隙裂隙壓密階段（OA段）試件中原有張開性結構面或微裂隙逐漸閉合，巖石壓密，形成早期的非線性變形，曲線呈上凹型。2）彈性變形至微彈性裂隙穩(wěn)定發(fā)展階段（AC段）該階段應力-應變曲線呈近似直線型，其中AB段為彈性變形階段，BC段微破裂穩(wěn)定發(fā)展階段。3）非穩(wěn)定皮破壞階段（CD）C點是巖石從彈性變?yōu)樗苄缘霓D折點。稱為屈服點。進入本階段，微裂隙的發(fā)展發(fā)生了質(zhì)的變化，破裂不斷發(fā)展直至試件完全破壞。試件由體積壓縮轉為擴容，軸向應變和體積應變速率迅速增大。4）破裂后階段（D點以后段）巖塊承載力達到峰值強度后，其內(nèi)部結構遭到破壞，但時間基本保持整體狀。到本階段，裂隙快速發(fā)展，交叉且相互聯(lián)合形成宏觀斷裂面，試件承載力隨變形增大迅速下降，但并不降到零，說明破烈的巖石仍具有一定的承載力。地下水對巖體的影響1）