《岩石力学》课件.ppt

1、岩 石 力 学,目 录 第一章 岩石基本物理力学性质试验与分析 第二章 岩层的力学性状 第三章 原岩应力 第四章 岩层巷道稳定性分析,B.H.G.Brady and E.T.Brown (2 0 0 6),相关资料,矿山岩层力学 贾喜荣 编著,岩石力学：岩石材料力学+岩石工程结构力学的统称。 岩石力学属固体力学范畴。 研究内容：岩石材料及岩石工程结构的物性、结构、载荷、可靠度。 研究固体力学的方法适用于岩石力学研究。 在某种意义上，岩石力学是一门试验力学。 岩石物理性质、力学性质、工程性质，都要通过相应的试验来确定。 如：密度、视密度；变形模量、抗压强度、抗拉强度、强度准则等。,引言,岩石试样

2、制备及试验标准,岩石试样尺寸： 抗压强度：50100圆柱体； 505050立方体； 抗拉强度：5025圆柱体 加工精度：GB/T23561.132010 煤岩物理力学性质测定方法 岩石的基本物理性质指标 岩石视密度：沉积岩视=25002700(kg/m3)，通常为2600(kg/m3)； 煤层视=12001400(kg/m3)，通常为1300(kg/m3)。,单轴压缩下岩石的变形性质 岩石的模量,式中：E岩石的弹性模量， GPa； E岩石的变形模量， GPa； e瞬时弹性应变； r后效弹性应变； p塑性应变。,岩石的载荷位移全程曲线,Tennessee大理石峰后卸载、加载时，载荷位移关系曲线(

3、岩石全程曲线) （据Wawersik和Fairhurst，1970）,1：岩石轴向应力轴向应变曲线； 3：岩石轴向应力侧向应变曲线； V/V0：岩石轴向应力体积应变曲线。,岩石的变形特征,0.4 岩石单轴抗压强度,式中：c岩石单轴抗压强度，MPa； P试件压缩破坏载荷，kN； A试件横截面积，cm2。 试件尺寸：50100圆柱体,岩石坚固性系数(普氏系数)f：,裂纹扩展示意图,1端面有摩擦； 2端面有插入物； 3端面有润滑。,大理石,粗砂岩,试件尺寸对完整岩石强度的影响,试件相对含水率对岩石抗压强度的影响,石英质页岩,石英质砂岩,直接拉伸法,岩石抗拉强度,式中：t岩石抗拉强度，MPa； P试件

4、拉伸破坏载荷，kN； A试件横截面积，cm2。,1半球座；2上压模； 3下压模；4导杆；5导杆孔。,间接拉伸法（Brazil法）,式中：t岩石抗拉强度，MPa； P试件破坏载荷，kN； D试件直径，； t试件厚度， cm。 试件尺寸：5025圆柱体,1半球座；2上压模； 3下压模；4导杆；5导杆孔。,对心加压圆盘应力分布情况,岩石抗弯强度试验装置, m岩石抗弯强度（抗拉强度）。,岩石的点载荷试验,测定岩石强度的捣碎仪和体积仪,试样直径2040mm； 试件数量：5个； 测定组数：35组； 重锤质量：2.4kg。,f岩石强度指数； n锤击次数； l岩粉高度，mm。,岩石变角剪试验,式中：剪切面上的

5、正应力，MPa； 剪切面上的剪应力，MPa； N剪切面上的正压力，kN； T剪切面上的剪切力，kN； A试件剪切面面积， cm2； P试件破坏时的最大载荷，kN； 剪切面与水平面间夹角，() 。,式中：剪切面上的正应力，MPa； 剪切面上的剪应力，MPa； C岩石内聚力（应力单位），MPa； 岩石内摩擦角， ()。,岩石抗剪强度试验,1正压力；2测力计；3粘接剂；4球形接头；5剪力,岩石试件三轴压力室结构图,von Karman曲线，1911,Tennessee大理石三轴试验的应力应变曲线,1:3=34.5MPa; 2:3=34.5MPa； 3:3=34.5MPa; =6.9MPa。 =20.

6、7MPa。 =34.5MPa。,砂岩孔隙压力试验,花岗岩孔隙压力试验,1:3=34.5MPa; 2:3=34.5MPa； 3:3=34.5MPa; =6.9MPa。 =20.7MPa。 =34.5MPa。,孔隙压力,有效应力定律：,岩石力学性质的各向异性特征,斜截面上的应力,单元体的应力状态和Mohr应力圆,平面应力及其Mohr应力圆,点面对应，先找基准； 转向相同，夹角两倍。,三轴应力Mohr圆,Charles Augustin de Coulomb (1736 - 1806),1774 年当选为法国科学院院士,Coulomb强度准则,Coulomb强度准则,（线性方程）,（线性方程）,Wi

7、lliam John Maquorn Rankine(1820 - 1872) 英国科学家，在热力学 、流体力学 及土力学等领域均有杰出的贡献,Rankine 强度准则（1857）,式中： 被动土压力（竖向应力）； 主动土压力（水平应力）； C土体内聚力； 土体内摩擦角； 被动土压力系数； 主动土压力系数。,锚索+土钉墙,深基坑锚固,Mohr强度准则试验准则； Mohr包络线Mohr强度曲线。,Mohr强度准则,Griffith强度理论,（抛物线方程）,（线性方程）,（抛物线方程）,N.Barton准则（峰值抗剪强度准则）（1973）,式中：最大剪应力； 正应力； JRC岩层结构面粗糙度系数；

8、 JCS岩层结构面表面抗压强度； b基础摩擦角。 注：当JRC=0时，转化为平滑节理的Coulomb准则。,小结 强度准则：有关材料破坏机理的某种假说或理论，是材料或工程结构可靠度的判据。 如：最大正应力强度理论；最大剪应力强度理论；莫尔(Mohr)强度理论； 库仑强度准则；郎肯强度准则；巴顿强度准则。 岩石的5个强度指标： 单轴抗压强度：c ； 岩石坚固性系数：f； 抗拉强度：t ； 内聚力（抗剪强度）C； 内摩擦角：。 c ：C ：t =8：2：1,层理、节理对岩体力学性质的影响,围压对岩体力学性质的影响,层理产状对岩体力学性质的影响,煤柱原位试验,煤的试样尺寸对强度的影响（据Z.T.Bi

9、eniawski，1982）,褶皱岩层中的节理,岩层产状,岩层粗糙度测定,岩层结构面张开度,标准粗糙度断面图,岩体结构的描述,（a）块状；（b）不规则状；（c）板状；（d）柱状,岩石结构面抗剪切试验,岩层结构面抗剪切试验,石英岩光滑结构面抗剪切试验,n=0.1MPa,w=35,石墨表面节理直剪试验结果,1剪胀曲线；2剪力曲线,峰值、残余抗剪强度包络线,N=28.9kN,表面粗糙度模型,i粗糙度角,板岩抗剪强度试验结果,直剪试验的两种约束模式,（a）、（c）自由剪胀模式； （b）、（d）抑制剪胀模式,剪胀锚固理论 的动态平衡力学机制 R.E.Goodman 曲线,【咀嚼原理】,结构面厚度与初始应

10、力,结构面的双曲线模型 法向压应力； 结构面闭合量； Vmc最大闭合量。,三轴压缩下单结构面岩石的强度特征（2=3）,理论解,单结构面板岩试验结果 （ c=224.94MPa ）,三轴压缩下双结构面岩石的强度特征（2=3）,N.Barton准则（峰值抗剪强度准则）（1973）,式中：最大剪应力； 正应力； JRC岩层结构面粗糙度系数； JCS岩层结构面表面抗压强度； b基础摩擦角。 注：当JRC=0时，转化为平滑节理的Coulomb准则。,节理岩层（岩体）的工程分类,1号箱：RQD=80.06% 闪长岩（9#煤顶板，2.0m水平）岩芯照片（7.17）,原岩应力,原岩应力=自重应力+构造应力,地

11、应力及地质构造,巷道围岩应力场分布,双向等压圆形巷道的弹性应力分析, r、皆为主应力，径向、切向 均为主平面，r与之和为常量2p。 应力值的大小与物性常数E、无关。 周边r=a上， r=0，=2p(最大值)， 且与巷道半径无关。 应力集中系数次生应力与原岩应力的比值。 当取r=1.04p，=0.96p 和r=1.10p，=0.90p时， 影响半径 r=5a 和 r3a。 工程应用中，r=5a 与 r=等价。 通常巷道影响圈的厚度为2a4a。,巷道顶板岩层层面应力分布规律,式中： 顶板岩层剪应力； r 距离； 顶板岩层法向应力； a 巷道半径。 转角；,顶板各岩层层面上/分布状况,双向不等压圆形巷道的弹性应力分析,双向等压圆形巷道的弹塑性应力分析,a,巷道破裂带内破裂面（滑移线）,巷道围岩的支护与加固,巷道锚固,锚固巷道失稳,煤层巷道锚固,岩层巷道锚固,托 板,玻 璃 钢 锚 杆,锚索及锚（锁）具,7股高强度钢绞线技术参数,综采液压支架,综采支架失稳,地下工程 支护设计,物性,结构,载荷,围岩的物理