矿山压力及岩层控制第一章ppt课件

1、第一章第一章 矿山岩石和岩体的根本性质矿山岩石和岩体的根本性质 岩石的物理力学性质是岩体最根本、最重要的性质之一，也是岩石力学中研讨最早、最完善的内容之一。本章引见：岩石的地质构成及分类； 岩石物理、力学性质及测定； 岩石的破坏机理和强度实际； 岩体及其力学特征。 第一节第一节 岩石的根本物理性质岩石的根本物理性质 1. 1.概念概念 岩石：矿物或岩屑在地质作用下按一定规律聚集构成的自然物体。岩石：矿物或岩屑在地质作用下按一定规律聚集构成的自然物体。 岩石岩石 = = 矿物颗粒矿物颗粒 + + 胶结物胶结物 + + 孔隙孔隙 + + 水水 矿物：存在地壳中的具有一定化学成分和物理性质的自然元素

2、和化合物。矿物：存在地壳中的具有一定化学成分和物理性质的自然元素和化合物。 构造：组成岩石的物质成分、颗粒大小和外形以及其相互结合的情况。构造：组成岩石的物质成分、颗粒大小和外形以及其相互结合的情况。 ( (结晶、胶结结晶、胶结) ) 构造构造: : 组成成分的空间分布及其相互间陈列关系。组成成分的空间分布及其相互间陈列关系。 节理、裂隙、空隙、边境、缺陷节理、裂隙、空隙、边境、缺陷 矿物、构造、构造矿物、构造、构造 是影响岩石力学性质和物理性质的三个重要要素是影响岩石力学性质和物理性质的三个重要要素 。一、岩石的根本概念一、岩石的根本概念 岩浆岩：强度高、均质性好岩浆岩：强度高、均质性好2.

3、岩石地质分类岩石地质分类 堆积岩：强度不稳定，各向异性堆积岩：强度不稳定，各向异性 蜕变岩：不稳定，与蜕变程度和岩性有关蜕变岩：不稳定，与蜕变程度和岩性有关3.3.堆积岩石的力学特性：堆积岩石的力学特性：不延续性；物质不能充溢空间，有空隙存在不延续性；物质不能充溢空间，有空隙存在各向异性；任一点的物理、力学性质沿不同方各向异性；任一点的物理、力学性质沿不同方向均不一样向均不一样不均匀性；由不同物质组成，各点物理力学性不均匀性；由不同物质组成，各点物理力学性质都不一样质都不一样岩块单元的可挪动性；岩块单元的可挪动性；地质要素影响特性水、气、热、初应力地质要素影响特性水、气、热、初应力上述特性导致

4、岩石力学的研讨方法以实验测试为上述特性导致岩石力学的研讨方法以实验测试为主主 岩石由固体，水，空气等三相组成。岩石由固体，水，空气等三相组成。一密度一密度和重度和重度( (体积力体积力)： 单位体积的岩石的质量称为岩石的密度。单位体积的单位体积的岩石的质量称为岩石的密度。单位体积的岩石的重力称为岩石的重度。所谓单位体积就是包括孔隙岩石的重力称为岩石的重度。所谓单位体积就是包括孔隙体积在内的体积。体积在内的体积。 g/cm3g/cm3，g(kN /m3)g(kN /m3) 岩石的密度可分为天然密度、干密度和饱和密度。相岩石的密度可分为天然密度、干密度和饱和密度。相应地，岩石的重度可分为天然重度、

5、干重度和饱和重度。应地，岩石的重度可分为天然重度、干重度和饱和重度。VW 二、岩石的根本物理性质二、岩石的根本物理性质 固体水空气1 1、天然密度、天然密度和天然重度和天然重度 指岩石在天然形状下的密度和重度。指岩石在天然形状下的密度和重度。 VW g/cm3(kN /m3)g 式中：式中：WW天然形状下岩石试件的质量天然形状下岩石试件的质量(g(g；) ) V V岩石试件的体积岩石试件的体积(cm3)(cm3)； gg重力加速度重力加速度N/gN/g。 干密度是指岩石孔隙中的液体全部被蒸发后单位体积干密度是指岩石孔隙中的液体全部被蒸发后单位体积岩石的质量，相应的重度即为干重度。岩石的质量，相

6、应的重度即为干重度。 VWsd 2 2、干密度、干密度dd和干重度和干重度(d )(d )g/cm3g/cm3(kN/m3)(kN/m3)gdd 式中：式中：WsWs岩石试件烘干后的质量岩石试件烘干后的质量(g)(g)； VV岩石试件的体积岩石试件的体积(cm3)(cm3)； gg重力加速度。重力加速度。 3 3、饱和密度、饱和密度 和饱和重度和饱和重度(w)(w)饱和密度就是饱水形状下岩石试件的密度。饱和密度就是饱水形状下岩石试件的密度。VWww 式中：式中：WWWW饱水形状下岩石试件的质量饱水形状下岩石试件的质量 (g)(g)； VV岩石试件的体积岩石试件的体积(cm3)(cm3)； gg

7、重力加速度。重力加速度。 gww g/cm3(kN /m3)二比重相对密度二比重相对密度()() 岩石的比重就是指岩石固体的质量与同体积水的岩石的比重就是指岩石固体的质量与同体积水的质量之比值。岩石固体体积，就是指不包括孔隙体积在质量之比值。岩石固体体积，就是指不包括孔隙体积在内的体积。岩石的比重可在实验室进展测定，其计算公内的体积。岩石的比重可在实验室进展测定，其计算公式为：式为： 式中：式中：岩石的比重；岩石的比重； WsWs枯燥岩石的质量枯燥岩石的质量(g);(g); Vs Vs岩石固体体积岩石固体体积(cm3);(cm3); W 40C W 40C时水的密重。时水的密重。 wssVW

8、三岩石的空隙性三岩石的空隙性 空隙：岩石中孔隙和裂隙的总称。空隙：岩石中孔隙和裂隙的总称。小开型空隙小开型空隙空隙空隙闭型空隙闭型空隙开型空隙开型空隙大开型空隙大开型空隙 闭型空隙：岩石中不与外界相通的空隙。闭型空隙：岩石中不与外界相通的空隙。 开型空隙：岩石中与外界相通的空隙。包括大开型空隙和开型空隙：岩石中与外界相通的空隙。包括大开型空隙和小开型空隙。小开型空隙。 在常温下水能进入大开型空隙，而不能进入小开型空隙。在常温下水能进入大开型空隙，而不能进入小开型空隙。只需在真空中或在只需在真空中或在150150个大气压以上，水才干进入小开型空个大气压以上，水才干进入小开型空隙。隙。空隙度：指岩

9、石的裂隙和孔隙发育程度，其衡量目的空隙度：指岩石的裂隙和孔隙发育程度，其衡量目的为空隙率为空隙率(n)或空隙比或空隙比e。根据岩石空隙类型不同，岩石的空隙率分为：根据岩石空隙类型不同，岩石的空隙率分为： (1)(1)总空隙率总空隙率n n (2) (2)大开空隙率大开空隙率nbnb (3) (3)小开空隙率小开空隙率nlnl (4) (4)总开空隙率总开空隙率n0n0 (5) (5)闭空隙率闭空隙率ncnc普通提到岩石的空隙率时系指岩石的总空隙率。普通提到岩石的空隙率时系指岩石的总空隙率。1 1、空隙率、空隙率(1)(1)总空隙率总空隙率n: n: 即岩石试件内空隙的体积即岩石试件内空隙的体积

10、VV)VV)占试占试件总体积件总体积(V)(V)的百分比。的百分比。 (2)(2)大开空隙率大开空隙率nb:nb:即岩石试件内大开型空隙的体积即岩石试件内大开型空隙的体积Vnb)Vnb)占试件总体积占试件总体积(V)(V)的百分比。的百分比。 %100 VVnV%100 VVnnbb(3)(3)小开空隙率小开空隙率nl:nl:即岩石试件内小开型空隙的体积即岩石试件内小开型空隙的体积Vnl)Vnl)占试件总体积占试件总体积(V)(V)的百分比。的百分比。 %100 VVnnll(4)(4)总开空隙率孔隙率总开空隙率孔隙率n0: n0: 即岩石试件内开型空隙即岩石试件内开型空隙的总体积的总体积Vn

11、0)Vn0)占试件总体积占试件总体积(V)(V)的百分比。的百分比。 (5)(5)闭空隙率闭空隙率nc: nc: 即岩石试件内闭型空隙的体积即岩石试件内闭型空隙的体积Vnc)Vnc)占试件总体积占试件总体积(V)(V)的百分比。的百分比。 %10000 VVnn%100 VVnncc 所谓空隙比是指岩石试件内空隙的体积所谓空隙比是指岩石试件内空隙的体积V V)V V)与岩石试件内固体矿物颗粒的体积与岩石试件内固体矿物颗粒的体积Vs)Vs)之比。之比。 nnVVVVVesssV 12 2 、空隙比、空隙比(e)(e)四岩石的水理性质四岩石的水理性质 岩石遇水后会引起某些物理、化学和力学性岩石遇水

12、后会引起某些物理、化学和力学性质的改动，岩石的这种性质称为岩石的水理性。质的改动，岩石的这种性质称为岩石的水理性。1 1、岩石的吸水性、岩石的吸水性 岩石吸收水分的性能称为岩石的吸水性，其岩石吸收水分的性能称为岩石的吸水性，其吸水量的大小取决于岩石孔隙体积的大小及其密吸水量的大小取决于岩石孔隙体积的大小及其密闭程度。岩石的吸水性目的有吸水率、饱水率和闭程度。岩石的吸水性目的有吸水率、饱水率和饱水系数。饱水系数。1 1岩石吸水率岩石吸水率(1)(1)： 是指岩石试件在规范大气压力下吸入水的分量是指岩石试件在规范大气压力下吸入水的分量W1W1与岩石干分量与岩石干分量WsWs之比。之比。 岩石的吸水

13、率的大小，取决于岩石所含孔隙、裂隙岩石的吸水率的大小，取决于岩石所含孔隙、裂隙的数量、大小、开闭程度及其分布情况，并且还与实验的数量、大小、开闭程度及其分布情况，并且还与实验条件整体和碎块，浸水时间等有关。条件整体和碎块，浸水时间等有关。 根据岩石的吸水率可求得岩石的大开空隙率根据岩石的吸水率可求得岩石的大开空隙率nbnb：%10011 sWWsnbsnbbWVVWVVn 式中：式中：W sW s为枯燥岩石的分量；为枯燥岩石的分量；d,wd,w分别为枯燥岩石和水的重度。分别为枯燥岩石和水的重度。wdnbsWVVW 111 2 2岩石的饱水率岩石的饱水率22 岩石的饱水率指在高压岩石的饱水率指在

14、高压150150个大气压或真空个大气压或真空条件下，岩石吸入水的分量条件下，岩石吸入水的分量W2W2与岩石干分量与岩石干分量WsWs之之比，即：比，即： %10022 sWW 根据饱水率求得岩石的总开空隙率根据饱水率求得岩石的总开空隙率n0n0：wdsnsnWVVWVVn 2000 式中：式中：WsWs为枯燥岩石分量；为枯燥岩石分量；d,wd,w枯燥岩石和水的重度。枯燥岩石和水的重度。3 3岩石的饱水系数岩石的饱水系数KsKs 岩石吸水率与饱水率之比称为岩石的饱水系数，即岩石吸水率与饱水率之比称为岩石的饱水系数，即 21 sK 饱水系数反映了岩石中大开空隙和小开空隙的相对饱水系数反映了岩石中大

15、开空隙和小开空隙的相对含量。饱水系数越大，岩石中的大开空隙越多，而小开含量。饱水系数越大，岩石中的大开空隙越多，而小开空隙越少。空隙越少。 吸水性较大的岩石吸水后往往会产生膨胀，给井巷吸水性较大的岩石吸水后往往会产生膨胀，给井巷支护呵斥很大压力。支护呵斥很大压力。 2 2、岩石的软化性、岩石的软化性 岩石的软化性是指岩石在饱水形状下其强度相对岩石的软化性是指岩石在饱水形状下其强度相对于枯燥形状下降低的性能，可用软化系数于枯燥形状下降低的性能，可用软化系数表示。表示。 软化系数指岩石试样在饱水形状下的抗压强度软化系数指岩石试样在饱水形状下的抗压强度cbcb与在枯燥形状下的抗压强度与在枯燥形状下的

16、抗压强度cc之比，即之比，即ccbc 各类岩石的各类岩石的c=0.45c=0.450.90.9之间。之间。c 0.75,c 0.75,岩石软化性弱、抗水、抗风化才干强；岩石软化性弱、抗水、抗风化才干强；c 0.75c 0.75，岩石的工程地质性质较差。，岩石的工程地质性质较差。3 3、岩石的膨胀性、岩石的膨胀性 岩石的膨胀性是指岩石浸水后体积增大的性质。岩石岩石的膨胀性是指岩石浸水后体积增大的性质。岩石的膨胀性大小普通用膨胀力和膨胀率目的表示。其测定方的膨胀性大小普通用膨胀力和膨胀率目的表示。其测定方法是平衡加压法。法是平衡加压法。 实验中不断加压，并坚持实验中不断加压，并坚持体积不变，所测得

17、的最大压力即体积不变，所测得的最大压力即为岩石的最大膨胀力；然后逐级为岩石的最大膨胀力；然后逐级减压，直至荷载为减压，直至荷载为0 0，测定其最，测定其最大膨胀变形量，膨胀变形量与试大膨胀变形量，膨胀变形量与试件原始厚度的比值即为膨胀率。件原始厚度的比值即为膨胀率。4 4、岩石的崩解性、岩石的崩解性 岩石的崩解性是指岩石与水相互作用时失去粘结性并岩石的崩解性是指岩石与水相互作用时失去粘结性并变为完全丧失强度的松散物质的性质。变为完全丧失强度的松散物质的性质。 岩石的崩解性普通用耐崩解指数岩石的崩解性普通用耐崩解指数 Id2 Id2 的表示。其目的表示。其目的可在实验室用干湿循环实验确定。的可在

18、实验室用干湿循环实验确定。 实验过程：将经过烘干的试实验过程：将经过烘干的试块块500g,500g,分成约分成约1010块，放在块，放在带有筛孔的圆筒内，使该圆筒在带有筛孔的圆筒内，使该圆筒在水槽中以水槽中以20r/min,20r/min,延续旋转延续旋转10 10 min,min,然后将留在圆筒内的岩块取然后将留在圆筒内的岩块取出烘干称重，如此反复进展两次，出烘干称重，如此反复进展两次，按下试计算耐崩解指数。按下试计算耐崩解指数。%10001022 WWWWmmIdrd式中：式中：Id2 Id2 两次循环实验求得的耐崩解指数，在两次循环实验求得的耐崩解指数，在0 0100% 100% 之间变

19、化；之间变化；mdmd实验前试块的烘干质量；实验前试块的烘干质量；mrmr残留在圆筒内试块的烘干质量；残留在圆筒内试块的烘干质量；W1 W1 实验前试件和圆筒的烘干分量；实验前试件和圆筒的烘干分量；W2W2第二次循环后试件和圆筒的烘干分量；第二次循环后试件和圆筒的烘干分量；W0W0实验终了冲洗干净后圆筒的烘干分量。实验终了冲洗干净后圆筒的烘干分量。 岩石的崩解性指数反映了岩石在浸水和温度变岩石的崩解性指数反映了岩石在浸水和温度变化的环境下抵抗风化作用的才干。化的环境下抵抗风化作用的才干。5 5、岩石的抗冻性、岩石的抗冻性 岩石的抗冻性是指岩石抵抗冻融破坏的性能，是评价岩石的抗冻性是指岩石抵抗冻

20、融破坏的性能，是评价岩石抗风化稳定性的重要目的。岩石抗风化稳定性的重要目的。 岩石的抗冻性用抗冻系数岩石的抗冻性用抗冻系数CfCf表示，指岩石试样在表示，指岩石试样在250C250C的温度期间内，反复降温、冻结、融解、升温，然的温度期间内，反复降温、冻结、融解、升温，然后丈量其抗压强度的下降值后丈量其抗压强度的下降值c-cfc-cf, ,以此强度下降以此强度下降值与融冻实验前的抗压强度值与融冻实验前的抗压强度cc之比的百分比代表抗冻系之比的百分比代表抗冻系数数Cf Cf ，即，即%100 ccfcfC 可见：抗冻系数可见：抗冻系数Cf Cf 越小，岩石抗冻融破坏的才干越强。越小，岩石抗冻融破坏

21、的才干越强。6 6、岩石的透水性、岩石的透水性 地下水存在于岩石孔隙、裂隙之中，而且大多数岩地下水存在于岩石孔隙、裂隙之中，而且大多数岩石的孔隙裂隙是连通的，因此在一定的压力作用下，地石的孔隙裂隙是连通的，因此在一定的压力作用下，地下水可以在岩石中浸透。岩石的这种能透水的性能称为下水可以在岩石中浸透。岩石的这种能透水的性能称为岩石的透水性。岩石的透水性大小不仅与岩石的孔隙度岩石的透水性。岩石的透水性大小不仅与岩石的孔隙度大小有关，而且还与孔隙大小及其贯穿程度有关。大小有关，而且还与孔隙大小及其贯穿程度有关。 衡量岩石透水性的目的为浸透系数衡量岩石透水性的目的为浸透系数(K)(K)。普通来说，。

22、普通来说，完好密实的岩石的浸透系数往往很小。岩石的浸透系数完好密实的岩石的浸透系数往往很小。岩石的浸透系数普通是在钻孔中进展抽水或压水实验而测定的。普通是在钻孔中进展抽水或压水实验而测定的。五岩石的碎胀性五岩石的碎胀性 岩石破碎后的体积岩石破碎后的体积VPVP比原体积比原体积V V增大的性能称为岩石增大的性能称为岩石的碎胀性，用碎胀系数的碎胀性，用碎胀系数来表示。来表示。VVP 碎胀系数不是一个固定值，是随时间而变化的。碎胀系数不是一个固定值，是随时间而变化的。 永久碎胀系数剩余碎胀系数永久碎胀系数剩余碎胀系数不能再压密时不能再压密时的碎胀系数称为永久碎胀系数的碎胀系数称为永久碎胀系数. .弹

23、性：指物体在外力作用下发生变形，当外力撤出后变形弹性：指物体在外力作用下发生变形，当外力撤出后变形可以恢复的性质。可以恢复的性质。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。不能恢复的性质。粘性流变性：物体受力后变形不能在瞬间完成，且应粘性流变性：物体受力后变形不能在瞬间完成，且应变速度变速度d/dtd/dt随应力大小而变化的性质。随应力大小而变化的性质。脆性：物体在外力作用下变形很小时就发生破坏的性质。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：物体可以接受较大的塑性变形而不丧失其承载才干延性：物体可以接受较

24、大的塑性变形而不丧失其承载才干的性质。的性质。第二节第二节 岩石的强度和变形特性岩石的强度和变形特性 岩石的力学性质包括：岩石的力学性质包括： 变形性质：研讨岩石在受力情况下的变形规律变形性质：研讨岩石在受力情况下的变形规律 强度特性：研讨岩石受力破坏的规律强度特性：研讨岩石受力破坏的规律一、岩石的弹性和塑性：一、岩石的弹性和塑性： 变形分析的重要性直观、易测、建立模变形分析的重要性直观、易测、建立模型、准那么型、准那么 1、 弹性变形：弹性变形：线弹性非线弹性 滞弹性 线弹性直线型；当岩石致密，强度大，压力不高时，为此形状。 非线弹性单向曲线型； 根本没有。 滞弹性双向曲线型，岩石多属滞弹性

25、：滞弹性应力应变不是独一的对应关系，应变的产生变化较应力 的变化有一段时间的滞后。 缘由：物理学以为，当作用在滞弹性体上的力发生改动时，由于受力体内部物质的粘性或内摩擦的缘由，引起变形效应滞后和迟延。 滞弹性体具有两个重要性质： 弹性滞后由于内摩擦缘由，岩石随应力变化出现的变形滞后。 弹性后效由于热传导等缘由，外力停顿变化，而变形仍随时间而缓慢变化。 理想塑性具有应变硬化的塑性2、塑性变形：、塑性变形： 岩石塑性普遍存在；岩石塑性普遍存在； 岩石塑性与岩石的组成、构造、构造及外界环境有关。岩石塑性与岩石的组成、构造、构造及外界环境有关。 颗粒及胶结物物质成分、陈列结合、含水、温度、应力等颗粒及

26、胶结物物质成分、陈列结合、含水、温度、应力等 理想塑性理想塑性超越弹性极限，进入完全塑性形状极少；超越弹性极限，进入完全塑性形状极少； 应变硬化应变硬化超越弹性极限，承载才干随应变添加而添加。超越弹性极限，承载才干随应变添加而添加。 3、普通岩石的变形：、普通岩石的变形： 瞬时弹性变形瞬时弹性变形 后效弹性变形后效弹性变形 塑性变形塑性变形 岩石与其它金属及晶体矿物不同，因其有节理、裂隙岩石与其它金属及晶体矿物不同，因其有节理、裂隙存在，在应力不高阶段，内部构造即有破坏，在产生弹性存在，在应力不高阶段，内部构造即有破坏，在产生弹性变形的同时，产生塑性变形。变形的同时，产生塑性变形。 岩石不是理

27、想的弹性体、塑性体、粘性体，是混合体。岩石不是理想的弹性体、塑性体、粘性体，是混合体。 有弹有弹塑；塑塑；塑弹；弹弹；弹粘粘塑；粘塑；粘弹等多种变形弹等多种变形特性。特性。 粘性粘性变形不能在瞬间完成，变形不能在瞬间完成， 变形速率随应力变变形速率随应力变化。化。典型变形性质：典型变形性质：直线型直线型弹脆弹塑下凹型下凹型塑弹上凹型上凹型弹粘平缓平缓 型型塑弹塑S 型型二、岩石单向紧缩变形性质：二、岩石单向紧缩变形性质： 1、轴向变形：、轴向变形：2、横向变形：、横向变形：E1E12普通实验机下岩石应力、应变曲线普通实验机下岩石应力、应变曲线刚性实验机下岩石应力、应变曲线刚性实验机下岩石应力、

28、应变曲线刚性实验机刚性实验机 1 10A0A段：微裂隙闭合阶段段：微裂隙闭合阶段, ,微裂隙压密极限微裂隙压密极限AA。 2 2ABAB段：近似直线，弹性阶段，段：近似直线，弹性阶段，B B 为弹性极限。为弹性极限。 3 3BCBC段：屈服阶段，段：屈服阶段，CC为屈服极限。为屈服极限。 4 4CDCD段：破坏阶段，段：破坏阶段，DD为强度极限，即单轴抗压强度。为强度极限，即单轴抗压强度。 5 5DEDE段：即破坏后阶段段：即破坏后阶段,E,E为剩余强度。为剩余强度。 3、全应力应变曲线：、全应力应变曲线：4、岩石的变形目的及其确定：、岩石的变形目的及其确定： 弹性摸量弹性摸量E E：抵抗变形

29、的才干、应力应变比值：抵抗变形的才干、应力应变比值 线弹性：线弹性： 直线斜率直线斜率 非线弹性：非线弹性： 切线斜率切线斜率 变形曲线导数；变形曲线导数； 割线斜率割线斜率 割线斜率；割线斜率； 弹塑性：弹塑性： 弹性摸量：弹性摸量：E = E = 加载曲线段切线斜率加载曲线段切线斜率= =卸载曲线段割线斜率；卸载曲线段割线斜率； 变形摸量：变形摸量：E)(fddEttEEpeE0 E 曲线呈线性关系线弹性类岩石，曲线上任一点曲线呈线性关系线弹性类岩石，曲线上任一点P P的的弹性模量弹性模量E E： 曲线呈非线性关系曲线呈非线性关系初始模量初始模量: :0 ddE 初初1212aaaaE 切

30、切 割割E505050 E切线模量直线段：切线模量直线段：割线模量：割线模量： 工程上常用工程上常用E50 E50 ： EddEttEpeE0tE泊松比泊松比：变形传送才干：变形传送才干 泊松比泊松比岩石横向应变与纵向应变的比值。岩石横向应变与纵向应变的比值。 在弹性阶段：其为常数。在弹性阶段：其为常数。 在塑性阶段：不为常数。在塑性阶段：不为常数。 严厉讲，严厉讲，仅在弹性范围适用，对仅在弹性范围适用，对塑性部分不适用塑性部分不适用 , , 由于引入变形摸量，塑性区可用，由于引入变形摸量，塑性区可用，最大为最大为0.50.5。) ) 剪切模量剪切模量GG剪切虎克定律比例系数。剪切虎克定律比例

31、系数。拉梅常数拉梅常数将应力应变联络起来的弹性常数。将应力应变联络起来的弹性常数。体积模量体积模量KvKv体积弹性摸量。体积弹性摸量。yx5、岩石变形中的扩容景象：、岩石变形中的扩容景象： 扩容景象扩容景象岩石破坏前，因微裂隙产生及内部小块体相岩石破坏前，因微裂隙产生及内部小块体相对滑移，对滑移， 导致体积扩展的景象。导致体积扩展的景象。 体应变体应变变形后的体积增量与变形前体积之比。变形后的体积增量与变形前体积之比。 体应变曲线：体应变曲线：三个阶段：体积减小阶段三个阶段：体积减小阶段0F 体积不变阶段体积不变阶段F 体积扩展阶段体积扩展阶段FT32121Edvdvzyxv纵向横向体积T三、

32、岩石三轴紧缩变形性质：三、岩石三轴紧缩变形性质： 1、三轴实验：、三轴实验： 真三轴、假三轴真三轴、假三轴 2、三轴抗压强度：、三轴抗压强度： 3、三轴变形特征：、三轴变形特征： 与单轴实验结果根本类似与单轴实验结果根本类似E、根本一根本一样；样； 围压添加围压添加三向抗压强度添加；三向抗压强度添加； 峰值变形添加；峰值变形添加； 弹性极限添加；弹性极限添加； 岩石由弹脆性岩石由弹脆性弹塑性弹塑性应应变硬化转变变硬化转变 103APRc干砂岩干砂岩湿砂岩湿砂岩四、岩石流变性质：四、岩石流变性质： 1、岩石流变性质、岩石流变性质岩石岩石 随时间增长而变化随时间增长而变化的性质。的性质。 2、流变

33、景象：、流变景象： 蠕蠕 变变应力不变，应变随时间添加而增应力不变，应变随时间添加而增长的景象。长的景象。 当当 时时 松松 弛弛应变不变，应力随时间添加而应变不变，应力随时间添加而减小的景象。减小的景象。 当当 时时 弹性后效弹性后效停顿加、卸载，应变需经一段停顿加、卸载，应变需经一段时间到达应有值的景象。时间到达应有值的景象。 粘性流动粘性流动蠕变后卸载，部分变形不能恢蠕变后卸载，部分变形不能恢复的景象。复的景象。 ,const)(tconst)(t3、蠕变曲线：、蠕变曲线： 岩石蠕变的类型：岩石蠕变的类型： 稳定蠕变稳定蠕变 低应力低应力 不稳定蠕变高应力不稳定蠕变高应力 典型蠕变曲线：

34、典型蠕变曲线： 蠕变三阶段蠕变三阶段 初始蠕变阶段初始蠕变阶段应变添加，但应变添加速率降低；应变添加，但应变添加速率降低； 定常蠕变阶段定常蠕变阶段应变添加速率坚持不变；应变添加速率坚持不变； 加速蠕变阶段加速蠕变阶段应变添加速率迅速添加，直至破坏。应变添加速率迅速添加，直至破坏。稳定蠕变不稳定蠕变典型蠕变曲线典型蠕变曲线瞬时应变初始应变定常蠕变加速蠕变 与岩石类别有关粘土矿物岩石蠕变显著 岩石蠕变 与应力大小有关高应力蠕变明显，超越极限 应力，蠕变进入不稳定阶段 蠕变实验：时间长； 丈量要求精度高用千分表； 载荷恒定。 研讨蠕变的意义：了解岩石的长时强度。 长时强度岩石蠕变破坏时的最低应力值

35、。 长时强度对岩土工程更为重要。 长时强度 强度 瞬时强度 五、五、 岩石的强度性质及测定方法岩石的强度性质及测定方法 岩石试件抗压、抗拉、抗剪、三向抗压强度及测岩石试件抗压、抗拉、抗剪、三向抗压强度及测定定 岩石的极限强度岩石的极限强度岩石破坏时所能接受的最大岩石破坏时所能接受的最大应力。应力。 研讨岩石强度的意义：研讨岩石强度的意义： 作为岩石分类以及巷道、采煤任务面，顶作为岩石分类以及巷道、采煤任务面，顶板分类的主要目的；板分类的主要目的； 判别工程稳定性的强度准那么的根本参数；判别工程稳定性的强度准那么的根本参数； 地下工程变形区域计算的判据。地下工程变形区域计算的判据。 一岩石的采样

36、与加工： 实验所测岩石的各种强度均不是岩石的固有性质。强度目的要受试件尺寸大小、三维比例、外形规格、含水、加载速率等要素影响。 国际岩石力学学会ISRM对规范试件进展了规定，不规范的要予以修正。 要确保实验岩样的天然形状。 岩样应具有一定的代表性。 钻孔采样时应尽量垂直于层面打孔，偏斜角不大于0.5。 采取的岩(煤)块规格大体为长宽高=202015cm。 上下端面的不平整度不大于0.1mm，上下端面的直径差不大于0.2mm。 试件端面垂直于试件轴的偏向不大于0.001rad。 圆柱形试件：4.85.2cm ，高H=22.5) 长方体试件：边长L= 4.85.2cm , 高H=22.5)L 二岩

37、石的单向抗压强度：二岩石的单向抗压强度： 单轴抗压强度单轴抗压强度岩石在单轴紧缩下，破坏前所能接受的最岩石在单轴紧缩下，破坏前所能接受的最大压应力。大压应力。1、实验测试：、实验测试： 实验设备：普通压力机实验设备：普通压力机60t、100t、200t 试件：试件：5cm，高径比为，高径比为2的圆柱体或的圆柱体或5*5*5立方体，每立方体，每组不少于组不少于3块；块；国际国际ISRM规定高径比为规定高径比为2.53，我国为，我国为122.5 加载：加载：0.51.0 MPa/s； 2、试件破坏方式：、试件破坏方式： X型共轭斜面剪切破坏型共轭斜面剪切破坏软塑性岩石多发生，属压剪破坏；软塑性岩石

38、多发生，属压剪破坏； 单斜面剪切破坏单斜面剪切破坏偶尔发生，属压剪破坏；偶尔发生，属压剪破坏； 拉伸劈裂破坏拉伸劈裂破坏脆硬型岩石多发生，为泊松效应脆硬型岩石多发生，为泊松效应引起。引起。单轴紧缩实验机单轴紧缩岩石试件破坏形状 3、数据处置：、数据处置： 测岩石强度时，需对同一岩样的多个试块进展测试数量多少根据精测岩石强度时，需对同一岩样的多个试块进展测试数量多少根据精度，经济确定，用统计方法，求得平均抗压强度，作为该种岩石的强度度，经济确定，用统计方法，求得平均抗压强度，作为该种岩石的强度目的。目的。 单一试件：单一试件： 平均值：平均值： 各试件偏向：单一测值与平均值的差值各试件偏向：单一

39、测值与平均值的差值 规范方差：规范方差： 反映正负偏向的绝对大小反映正负偏向的绝对大小 离散系数：离散系数：反映平均值的可靠程度单一强度偏离平均强度的程度，要求小于反映平均值的可靠程度单一强度偏离平均强度的程度，要求小于1520%iiciAPR nicicRnR11cciiRReneSnii12%100cRS三岩石单向抗拉强度：三岩石单向抗拉强度：抗拉强度抗拉强度在单轴拉伸载荷作用下，破坏时所在单轴拉伸载荷作用下，破坏时所能接受的最大拉应力。能接受的最大拉应力。实验设备：实验设备： 直接拉伸直接拉伸万能资料实验机试件的夹固、万能资料实验机试件的夹固、轴力共线困难，少用轴力共线困难，少用 间接拉

40、伸间接拉伸巴西实验安装劈裂法巴西实验安装劈裂法 试件破坏方式：拉断、劈裂试件破坏方式：拉断、劈裂 抗拉强度：抗拉强度： 巴西法巴西法 式中：式中： 试件破坏时最大压力，试件破坏时最大压力，N 分别为试件的直径与分别为试件的直径与厚度，厚度，mdtPRc2Ptd /巴西法巴西法yx岩石的抗拉强度最小，约为抗压强度的岩石的抗拉强度最小，约为抗压强度的330% 四抗剪切强度：四抗剪切强度：抗剪强度抗剪强度岩石在剪切载荷作用下，破坏时所能接岩石在剪切载荷作用下，破坏时所能接受的最大剪应力。受的最大剪应力。1、实验安装：、实验安装： 非限制性剪切单、双面、冲剪、扭剪非限制性剪切单、双面、冲剪、扭剪无正应

41、力无正应力 限制性剪切直剪仪、角摸压剪实验仪限制性剪切直剪仪、角摸压剪实验仪2、试件破坏方式：沿剪切面剪断、试件破坏方式：沿剪切面剪断3、抗剪强度：、抗剪强度：纯剪强度抗切纯剪强度抗切剪切面上无法向应力时；剪切面上无法向应力时； 纯剪强度纯剪强度=内聚力内聚力C压剪强度抗剪压剪强度抗剪剪切面受法向压应力作用时；剪切面受法向压应力作用时； 抗剪强度抗剪强度=内聚力内聚力+内摩擦力内摩擦力重剪强度摩擦重剪强度摩擦已有裂面受法向压力，再剪切已有裂面受法向压力，再剪切时；时； 摩擦强度摩擦强度=内摩擦力内摩擦力普通情况下，岩石抵抗剪切的才干由两部分组成：普通情况下，岩石抵抗剪切的才干由两部分组成： 抗

42、剪才干抗剪才干=内聚力内聚力+内摩擦力内摩擦力 C、为岩石固为岩石固有有 显然：显然： 抗剪强度是一个变化量抗剪强度是一个变化量tgCfCn)(f4、抗剪强度测试：、抗剪强度测试：倾斜压模法倾斜压模法用两个钢制的变角剪切夹具改动剪切面的方向，用两个钢制的变角剪切夹具改动剪切面的方向，强迫剪断，得到该面上的正应力、剪应力，描点得到抗剪强度强迫剪断，得到该面上的正应力、剪应力，描点得到抗剪强度曲线。曲线。 根据强迫剪切面上的全应力、及剪切面倾角也可得到抗剪强度曲线。五三轴抗压强度：五三轴抗压强度： 三轴抗压强度三轴抗压强度三向紧缩作用下，破坏时所能接受的最大三向紧缩作用下，破坏时所能接受的最大压应

43、力。压应力。实验设备：真三轴实验机：实验设备：真三轴实验机： 伪三轴实验机：伪三轴实验机： 试件破坏方式：试件破坏方式： 压剪破坏压剪破坏随侧压力增大，可表现为明显的塑性变随侧压力增大，可表现为明显的塑性变形。形。强度计算：强度计算： MPa强度目的：强度目的： 经测试：三向抗压强度随围压的添加而增大，是一个变量。经测试：三向抗压强度随围压的添加而增大，是一个变量。 一系列实验可得岩石的三向抗压曲线一系列实验可得岩石的三向抗压曲线 321321103APRC）（31f）（31f常规伪三轴实验安装六、影响岩石强度的要素：六、影响岩石强度的要素： 1、岩石的性质、岩石的性质组织构造、矿物类别、颗粒

44、大组织构造、矿物类别、颗粒大小、分布形状、胶结小、分布形状、胶结 物；物； 2、岩石的生成条件、岩石的生成条件 深部岩石强度大、浅部岩深部岩石强度大、浅部岩石强度低石强度低 3、岩石构造特征、岩石构造特征延展规模、裂隙性质、壁面延展规模、裂隙性质、壁面强度、充填物；强度、充填物； 4、试件尺寸、试件尺寸尺寸增大，强度降低；尺寸增大，强度降低； 5、风化、水、温度作用、风化、水、温度作用含水量大，强度低；含水量大，强度低；温度高，强度低温度高，强度低 6、加载速率及次数、加载速率及次数加载速率添加，强度加大加载速率添加，强度加大变形不充分；变形不充分； 7、受载形状、受载形状三轴等压抗压三轴不等

45、压抗压三轴等压抗压三轴不等压抗压双轴抗压单轴抗压抗剪抗弯单轴抗拉双轴抗压单轴抗压抗剪抗弯单轴抗拉 1.1.破坏方式破坏方式脆性破坏脆性破坏围压小、温度较低、岩石巩固的情围压小、温度较低、岩石巩固的情况下发生的，特点是破坏前变形小，当继续加载时况下发生的，特点是破坏前变形小，当继续加载时岩石忽然破坏，岩石碎块剧烈弹出。通常把在外力岩石忽然破坏，岩石碎块剧烈弹出。通常把在外力作用下破坏总应变小于作用下破坏总应变小于3 3的岩石称为脆性岩石。的岩石称为脆性岩石。塑性破坏塑性破坏又称延性破坏、韧性破坏，多发生又称延性破坏、韧性破坏，多发生围压大、温度高、岩石软的情况下发生的，特点是围压大、温度高、岩石

46、软的情况下发生的，特点是破坏前变形大，表现出明显的塑性变形。通常把在破坏前变形大，表现出明显的塑性变形。通常把在外力作用下破坏总应变大于外力作用下破坏总应变大于5 5的岩石称为塑性岩的岩石称为塑性岩石。石。 2.2.破坏机理破坏机理 只需两种根本类型：拉坏和剪坏只需两种根本类型：拉坏和剪坏第三节第三节 岩石的破坏机理和强度实际岩石的破坏机理和强度实际一、岩石的破坏机理一、岩石的破坏机理一一点的应力形状一一点的应力形状yxzox x y y z z zx zx yx yx yz yz zy zy xy xy xz xz ab 1 1、应力符号规定、应力符号规定1 1正应力以压应力为正，拉应力为负

47、；正应力以压应力为正，拉应力为负；2 2剪应力以使物体产生逆时针转为正，反之为负；剪应力以使物体产生逆时针转为正，反之为负；3 3角度以角度以x x轴正向沿逆时针方向转动所构成的夹角为正，轴正向沿逆时针方向转动所构成的夹角为正，反之为负。反之为负。 2 2、一点应力形状、一点应力形状6 6个应力分量：个应力分量： x,y,z,x,y,z,xy,yz,zxxy,yz,zx二、岩石的强度实际二、岩石的强度实际3 3、平面问题的简化、平面问题的简化 在实践工程中，可根据不同的受力形状，将三维问题简化在实践工程中，可根据不同的受力形状，将三维问题简化为平面问题。为平面问题。1 1平面应力问题；平面应力

48、问题；2 2平面应变问题。平面应变问题。4 4、根本应力公式、根本应力公式 以平面应力问题为例，如图，恣以平面应力问题为例，如图，恣意角度意角度截面的应力计算公式如下：截面的应力计算公式如下： 2sin2cos22xyyxyxn 2cos2sin2xyyxn 最大最小主应力：最大最小主应力： 最大主应力与最大主应力与 x x轴的夹轴的夹角角可按下式求得：可按下式求得： yxxytg 222231)2(2xyyxyx 任一斜面上的正应力和剪应力用主应力表示为：任一斜面上的正应力和剪应力用主应力表示为： 2cos223131 n 2sin231 n莫尔应力圆的方程：莫尔应力圆的方程：2312231

49、)2()2( nn二最大拉应变实际二最大拉应变实际 该实际以为，无论在什么应力形状下，只需岩石的最该实际以为，无论在什么应力形状下，只需岩石的最大拉伸应变大拉伸应变到达一定的极限应变到达一定的极限应变tt时，岩石就会发生时，岩石就会发生拉伸断裂破坏，其强度条件为：拉伸断裂破坏，其强度条件为：Ett 式中：式中： t t 单轴拉伸破坏时的极限应变；单轴拉伸破坏时的极限应变； E E 岩石的弹性模量；岩石的弹性模量； tt单轴抗拉强度。单轴抗拉强度。 讨论：讨论： 1 1、在单轴拉伸条件下：岩石发生拉伸断裂破坏，其强度、在单轴拉伸条件下：岩石发生拉伸断裂破坏，其强度条件为：条件为：Ett 2 2、

50、在单轴紧缩条件下：岩石发生纵向拉伸断裂破坏，其、在单轴紧缩条件下：岩石发生纵向拉伸断裂破坏，其强度条件为：强度条件为：EEtct 即：即：tc 3 3、在三轴紧缩条件下：、在三轴紧缩条件下：33方向的应变为方向的应变为 )(12133 E 假设假设3(1 +2),31m31m3 岩体岩体 = = 岩块岩块 + + 构造面构造面 构造面弱面构造面弱面地质界面，如断层、裂隙、层理、节理、地质界面，如断层、裂隙、层理、节理、片理。片理。 巩固无充填构造面、脆弱有充填构巩固无充填构造面、脆弱有充填构造面、夹层造面、夹层 构造体岩块构造体岩块被各类构造面切割成的岩石块体。被各类构造面切割成的岩石块体。

51、块状、板状块状、板状 岩体岩体 = 岩块岩块 + 构造面构造面 岩体的力学处置：岩体的力学处置： 完好性很好完好性很好延续介质力学方法；延续介质力学方法； 非常破碎非常破碎土力学方法；土力学方法； 两者之间两者之间裂隙膂力学方法。裂隙膂力学方法。 岩体构造根本类型：岩体构造根本类型： 按构造面切割情况及构造体类型分为六种按构造面切割情况及构造体类型分为六种 完好构造完好构造 块状构造块状构造 层状构造层状构造 碎裂构造碎裂构造 断续构造断续构造 松散构造松散构造整体构造整体构造 块状构造块状构造 层状构造层状构造碎裂构造碎裂构造 断续构造断续构造 散体构造散体构造岩体的根本特征1 非均质性：岩

52、体物理力学性质随空间位置的不同，其性质也不一样的性质；2 各向异性：岩体全部或部分物理力学特征随方向而表现不同性质的特征；3非延续性：岩体被构造面所切割而非延续二、岩体的变形特征二、岩体的变形特征 岩膂力学性质取决于岩石、构造面的力学性质及构造面的空间组合情况。 1、岩体实验： 主要测定：变形曲线、弹性常数、强度 试 件：现场切割制造，维护原构造不受破坏。 设 备：现场安装，主要为剪真实验。 2、岩体变形特征： 1总变形量大 2在变形的过程中体积明显增大扩容 3破坏后仍能接受一定载荷而继续变形 4层状岩体可呈现比较明显的各向异性压密阶段：裂隙被压闭合，纵向变形明显，侧向变形不明显1为转化点；弹

53、性阶段：构造体开场承载变形，应力应变正比，呈弹性2为屈服点 ；塑性阶段：过屈服点，构造体变形，构造面产生滑移变形，扩容、应变强化3为极限强度 ；破坏阶段：强度限后，出现沿构造面滑移和构造体转动，扩容，出现新裂痕。 破坏后，由于岩体尺寸大，仍可以靠块体间摩擦接受一定载荷。 3、岩体变形曲线：、岩体变形曲线： 三、岩体的强度特征三、岩体的强度特征岩体强度岩体强度是岩块、弱面强度的综合反映，介于岩块、弱面强度之间。是岩块、弱面强度的综合反映，介于岩块、弱面强度之间。 包括：抗压、抗剪、抗拉包括：抗压、抗剪、抗拉 受构造面影响很大，现场主要测抗压、抗剪强度受构造面影响很大，现场主要测抗压、抗剪强度1、

54、 构造面及其强度：构造面及其强度： 1构造面分类：构造面分类： 按成因按成因 ： 原生构造面原生构造面成岩阶段构成的构造面成岩阶段构成的构造面 ； 构造构造面构造构造面在构造运动作用下构成的构造面在构造运动作用下构成的构造面 ； 次生构造面次生构造面在地表由于外力作用构成的构造面；在地表由于外力作用构成的构造面； 按工程要求：细小构造面按工程要求：细小构造面 延伸延伸L1m 中等构造面中等构造面 1m延伸延伸L10m 宏大构造面宏大构造面 延伸延伸L10m 2 2构造面的接触类型：构造面的接触类型： 3 3构造面强度特征：构造面强度特征： 不能接受拉应力；不能接受拉应力； 可接受垂直面的压应力

55、；可接受垂直面的压应力； 可接受沿面剪应力与其上正应力有可接受沿面剪应力与其上正应力有关；关； 以剪切破坏为主。以剪切破坏为主。 紧缩性质剪切性质2、岩块的强度：、岩块的强度： 可接受压、剪或低值拉应力，以剪切破坏为主：可接受压、剪或低值拉应力，以剪切破坏为主：3、岩体强度：、岩体强度： 介于构造面、岩快之间。满足无拉力准那么受介于构造面、岩快之间。满足无拉力准那么受 拉处拉处即破坏即破坏岩体构造面4、构造面对岩体强度的影响：、构造面对岩体强度的影响：构造面方位对岩体强度的影响 构造面与构造面与主应力方向不主应力方向不同，对岩体强同，对岩体强度影响不同。度影响不同。 构造面位构造面位于剪切面位

56、置于剪切面位置时，岩体强度时，岩体强度最小。最小。L1具有两组相互垂直节理时岩体强度的变化曲线L2L2L1多组构造面导致岩体各项同性。最小强度域最小强度域 构造面组数越多，岩体强度越接近构造面强度。 构造面组数越多，岩体越呈现各向同性。 对现场松散破碎岩体，不能运用岩块强度，只能运用弱面强度或弱面摩擦强度研讨破坏问题。 四、岩体强度的测定：四、岩体强度的测定： 试试 件件现场切割坚持原有构造现场切割坚持原有构造 仪器设备仪器设备现场安装现场安装 1、单向紧缩强度测定：、单向紧缩强度测定： 式中：式中：P试件破坏载荷试件破坏载荷 kN； A试件横截面积试件横截面积 m2。 APmc 2、抗剪强度

57、测定： cossinFTFTP对多个试件，经过改动正压力，获得岩体抗剪强度曲线 3、三轴紧缩强度实验： 真三轴： 伪三轴：321321试件压力枕球面垫液压枕顶柱垫板顶座垫板除非大型重要工程，普通不进展现场实测。除非大型重要工程，普通不进展现场实测。目前，现场多用间接方法测定准岩体强度。目前，现场多用间接方法测定准岩体强度。准岩体强度：准岩体强度： 本质：思索裂隙发育程度，以经过修正的岩石强度本质：思索裂隙发育程度，以经过修正的岩石强度作为岩体强度准岩体强度。作为岩体强度准岩体强度。 准岩体抗压强度：准岩体抗压强度： 准岩体抗拉强度：准岩体抗拉强度： 式中：式中： 为岩体完好为岩体完好性系数。性

58、系数。 岩体、岩块中弹性波纵波传播岩体、岩块中弹性波纵波传播速度。速度。cncktntk2clmlVVkmlVclV第七节第七节 岩体质量评价及其分类岩体质量评价及其分类 岩体分类是对影响岩体稳定性和影响工程设计、施岩体分类是对影响岩体稳定性和影响工程设计、施工和维护的各种要素建立一些评价目的，对工程辖区岩工和维护的各种要素建立一些评价目的，对工程辖区岩体进展评价，划分出不同的的级别或类别。体进展评价，划分出不同的的级别或类别。 分类的目的：为岩体工程建立的勘察、设计、施工分类的目的：为岩体工程建立的勘察、设计、施工和编制定额提供必要的根本根据。和编制定额提供必要的根本根据。 按分类目的，可分

59、为综合性和专题性两种；按其所按分类目的，可分为综合性和专题性两种；按其所涉及的要素多少，可分为单要素分类法和多要素分类法涉及的要素多少，可分为单要素分类法和多要素分类法两种。两种。一、工程岩体分类的参考影响要素一、工程岩体分类的参考影响要素1 1、岩石的质量。主要表如今岩石的强度和变形性质方面。、岩石的质量。主要表如今岩石的强度和变形性质方面。2 2、岩体的完好性。岩体完好性取决于不延续面的组数和、岩体的完好性。岩体完好性取决于不延续面的组数和密度。可用构造面频率密度。可用构造面频率( (裂隙度、间距、岩心采取率、裂隙度、间距、岩心采取率、岩石质量目的岩石质量目的RQDRQD以及完好性系数作为

60、定量目的进展描画。以及完好性系数作为定量目的进展描画。这些定量目的是表征岩体工程性质的重要参数。这些定量目的是表征岩体工程性质的重要参数。3 3、构造面条件。包括构造面产状、粗糙度和充填情况。、构造面条件。包括构造面产状、粗糙度和充填情况。岩体的工程性质主要取决于构造面的性质和分布形状以及岩体的工程性质主要取决于构造面的性质和分布形状以及其间的充填物性质。其间的充填物性质。4 4、岩体及构造面的风化程度。风化程度越高，岩体越破、岩体及构造面的风化程度。风化程度越高，岩体越破碎，强度越低碎，强度越低 。5 5、地下水的影响。渗流，软化，膨胀，崩解，静、动水、地下水的影响。渗流，软化，膨胀，崩解，