巖體力學(xué)第二章 復(fù)習(xí)

巖體力學(xué)

RockMassMechanics第二章復(fù)習(xí)巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì)李旺林

巖石密度：天然密度、干密度、重力密度質(zhì)量指標(biāo)

巖石顆粒密度孔隙性孔隙比、孔隙率含水率水理指標(biāo)

滲透系數(shù)抗風(fēng)化指標(biāo)軟化系數(shù)抗凍性抗凍性系數(shù)第一節(jié)巖石的基本物理性質(zhì)巖石基本物理性質(zhì)指標(biāo)巖石三相gasVsVvmsmwmasswater巖石三相gasVsVvmsmwmasswater一巖石的質(zhì)量指標(biāo)一巖石的質(zhì)量指標(biāo)1.顆粒密度(比重)

巖石固相的質(zhì)量與固相體積之比

:巖石固相的質(zhì)量:固相的體積:4℃水的密度一巖石的質(zhì)量指標(biāo)2、天然密度 巖石在自然條件下，單位體積的質(zhì)量

:巖石試件總質(zhì)量:試件總體積一巖石的質(zhì)量指標(biāo)3、飽和密度 巖石中的孔隙都被水填充時(shí)單位體積的質(zhì)量

:孔隙體積一巖石的質(zhì)量指標(biāo)4、干密度巖石孔隙中的液體全部被蒸發(fā)，試件中僅有固相和氣相的狀態(tài)下，單位體積的質(zhì)量一巖石的質(zhì)量指標(biāo)5、重力密度（γ）重力密度指單位體積中巖石重量，簡(jiǎn)稱重度，單位kN/m3，可用計(jì)算自重應(yīng)力。天然重度、干重度、飽和重度。二巖石的孔隙性6.孔隙比

e

孔隙的體積與固體的體積之比7.孔隙率

n

孔隙的體積與總體積的比值二巖石的孔隙性8.孔隙比和孔隙率的關(guān)系9.孔隙率的推求三巖石的水理性質(zhì)10.含水率 巖石孔隙中含水的質(zhì)量與固體質(zhì)量之比的百分?jǐn)?shù)測(cè)試方法：烘干稱重法。

:孔隙中含水的質(zhì)量三巖石的水理性質(zhì)11.巖石的滲透性 巖石在一定的水壓力作用下，水穿透巖石的能力

:沿x方向水的流量h:水頭的高度A:垂直x方向的截面面積K:巖石的滲透系數(shù)(cm/s)

單軸抗壓強(qiáng)度

單軸抗拉強(qiáng)度

抗剪強(qiáng)度

三向壓縮強(qiáng)度

第二節(jié)巖石的強(qiáng)度特性巖石基本力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)一巖石的單軸抗壓強(qiáng)度一巖石的單軸抗壓強(qiáng)度Rc

指巖石試件在無側(cè)限條件下受軸向力作用達(dá)到破壞的極限強(qiáng)度。Rc——單軸抗壓強(qiáng)度，也稱無側(cè)限強(qiáng)度；P——無側(cè)限條件下，軸向破壞荷載；A——試件與軸向荷載垂直的截面面積。一巖石的單軸抗壓強(qiáng)度2.主要儀具

（1）壓力試驗(yàn)機(jī)：加載范圍為300～2000kN。

一巖石的單軸抗壓強(qiáng)度(二)試件破壞后的形態(tài)1.圓錐形破壞

試驗(yàn)端部與加載板之間有摩阻條件下2.柱狀劈裂破壞

試驗(yàn)端部與加載板之間涂牛油去除端部摩阻

巖石自身特性；利用形態(tài)特征分析試驗(yàn)結(jié)果可靠性。一巖石的單軸抗壓強(qiáng)度(三)主要影響因素承壓板試件尺寸和形狀的影響加載速率環(huán)境的影響一巖石的單軸抗壓強(qiáng)度1.承壓板 試件端面與承壓板之間的摩擦力影響外，還有承壓板的剛度也影響應(yīng)力分布2.試件尺寸和形狀的影響尺寸效應(yīng)：尺寸效應(yīng)越大強(qiáng)度越低（微裂紋概率隨尺寸而增大）3.加載速率 單軸抗壓強(qiáng)度通常隨加載速率的提高而增大二巖石的抗拉強(qiáng)度1.直接拉伸對(duì)試件直接施加拉力,按下式求抗拉強(qiáng)度指標(biāo): P:試件受拉破壞時(shí)的極限拉力

A:與所施加拉力想垂直的橫截面積三巖石的抗剪強(qiáng)度（二）三種抗剪強(qiáng)度:1.抗剪斷強(qiáng)度2.抗切強(qiáng)度3.弱面抗剪強(qiáng)度三巖石的抗剪強(qiáng)度莫爾強(qiáng)度理論：任意一點(diǎn)的應(yīng)力圓若與極限曲線相接觸，則材料即將屈服或剪斷。

三巖石的抗剪強(qiáng)度（四）巖石抗剪強(qiáng)度與壓應(yīng)力關(guān)系（莫爾----庫侖公式）:

c—內(nèi)聚力（凝聚力）—內(nèi)摩擦角抗剪強(qiáng)度特征（與抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度）（1）兩個(gè)參數(shù)，c、（2）強(qiáng)度大小與正應(yīng)力有關(guān)三巖石的抗剪強(qiáng)度巖石抗剪強(qiáng)度c—內(nèi)聚力（凝聚力）來源：顆粒之間的電分子吸引力結(jié)晶和膠結(jié)作用—內(nèi)摩擦角來源：克服顆粒間互相鑲嵌、聯(lián)鎖作用產(chǎn)生的咬合力顆粒間摩擦力三巖石的抗剪強(qiáng)度3.三軸壓縮試驗(yàn)直剪試驗(yàn)缺陷：

剪切面人為固定。怎樣克服？巖石三軸自動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng):四巖石的三向壓縮強(qiáng)度直剪試驗(yàn)缺陷：

剪切面人為固定。實(shí)際巖體受力狀態(tài)是三向壓縮應(yīng)力作用。三軸壓縮試驗(yàn)，研究三向壓縮強(qiáng)度 真三軸？復(fù)雜

假三軸？簡(jiǎn)單四巖石的三向壓縮強(qiáng)度真三軸試驗(yàn)和假三軸試驗(yàn)真三軸試驗(yàn)：兩個(gè)水平力不等，試驗(yàn)復(fù)雜反映真實(shí)應(yīng)力情況假三軸試驗(yàn)：兩個(gè)水平力相等試驗(yàn)簡(jiǎn)單四巖石的三向壓縮強(qiáng)度（三）三向壓縮試驗(yàn)巖石破壞類型

1.柱狀劈裂破壞(低圍壓)2.斜面剪切(中等圍壓)3.腰鼓狀破壞(高圍壓) 四巖石的三向壓縮強(qiáng)度（四）三向壓縮抗剪強(qiáng)度

莫爾強(qiáng)度包線：確定參數(shù)C、φ四巖石的三向壓縮強(qiáng)度確定參數(shù)C、φ其他方法：四巖石的三向壓縮強(qiáng)度 5.孔隙水壓力-----孔隙水壓力————圍壓值減小——有效應(yīng)力降低——應(yīng)力圓左移——強(qiáng)度降低第二章巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì)單向壓縮變形巖石的變形特性三向向壓縮變形流變特性

一巖石在單向壓縮應(yīng)力作用下的壓縮變形特征1.典型的應(yīng)力應(yīng)變曲線 (1)壓密階段 (2)彈性階段 (3)塑性階段一巖石在單向壓縮應(yīng)力作用下的壓縮變形特征2.循環(huán)加卸載曲線巖石——帶有缺陷（內(nèi)部微裂隙）的介質(zhì)塑性滯環(huán) 加卸荷過程中，應(yīng)力-應(yīng)變所圍成的面積能量消耗于裂隙的擴(kuò)展和部分閉合的裂隙面之間的摩擦所做的功一巖石在單向壓縮應(yīng)力作用下的壓縮變形特征3.應(yīng)力應(yīng)變?nèi)^程曲線及類型在剛性試驗(yàn)上進(jìn)行試驗(yàn)所獲得的包括巖石達(dá)到峰值應(yīng)力之后的應(yīng)力-應(yīng)變曲線.(1)壓密階段(2)彈性階段(3)塑性階段(4)應(yīng)變軟化階段(5)摩擦階段一巖石在單向壓縮應(yīng)力作用下的壓縮變形特征(1)巖石達(dá)到峰值應(yīng)力后，仍然具有一定的承載能力，巖石突然的崩潰是一種假象(2)在反復(fù)加-卸載情況下，曲線也會(huì)形成塑性滯環(huán)，而且塑性滯環(huán)的平均斜率是在逐漸降低，表現(xiàn)出應(yīng)變軟化的特征曲線特征二巖石在三向壓縮應(yīng)力下的變形特征3.隨圍壓增加，峰值對(duì)應(yīng)的應(yīng)變值有所增大，表現(xiàn)出低圍壓下脆性特性向高圍壓的塑性特性轉(zhuǎn)變的規(guī)律（一）普通三軸應(yīng)力應(yīng)變曲線變形規(guī)律二巖石在三向壓縮應(yīng)力下的變形特征日本茂木清夫山口縣大理巖（二）真三軸應(yīng)力應(yīng)變?nèi)^程曲線四巖石的流變特性流變研究的三大課題1.蠕變巖石在恒定外力作用下，應(yīng)變隨時(shí)間而增長的特性。2.應(yīng)力松弛 應(yīng)變不變,應(yīng)力隨時(shí)間而減小3.長期強(qiáng)度 荷載在長期應(yīng)力作用下的強(qiáng)度四巖石的流變特性(一)典型的蠕變曲線1.AB階段，瞬態(tài)蠕變階段2.BC階段，穩(wěn)定蠕變階段3.C點(diǎn)以后階段，非穩(wěn)態(tài)蠕變五巖石變形指標(biāo)(一)彈性模量E五巖石變形指標(biāo)(二)變形模量E0五巖石變形指標(biāo)(三)泊松比μ五巖石變形指標(biāo)(五)剪切模量G六巖石介質(zhì)的力學(xué)模型(一)基本的力學(xué)介質(zhì)模型1.彈性體本構(gòu)方程：現(xiàn)巖石的應(yīng)力-應(yīng)變?cè)谛遁d時(shí)可恢復(fù)且呈線形關(guān)系的特性 表達(dá)式：彈簧六巖石介質(zhì)的力學(xué)模型2.塑性體理想的塑性變形當(dāng)摩擦器具有硬化特性的塑性變形六巖石介質(zhì)的力學(xué)模型3.粘性體牛頓粘性體定律η—粘滯系數(shù)粘壺六巖石介質(zhì)的力學(xué)模型(二)巖石介質(zhì)的力學(xué)模型1.彈塑性體(1)無塑性硬化作用六巖石介質(zhì)的力學(xué)模型理想彈塑性材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線六巖石介質(zhì)的力學(xué)模型(2)有塑性硬化作用六巖石介質(zhì)的力學(xué)模型(二)粘彈性介質(zhì)1.馬克斯韋爾模型彈簧和粘壺串連六巖石介質(zhì)的力學(xué)模型馬克斯韋爾模型反映巖石具有應(yīng)力松弛的特征應(yīng)變保持不變應(yīng)力保持不變馬克斯韋爾模型反映巖石蠕變與時(shí)間呈直線的特征六巖石介質(zhì)的力學(xué)模型2.凱爾文型彈簧和粘壺并聯(lián)六巖石介質(zhì)的力學(xué)模型凱爾文模型反映恒力作用下應(yīng)變與時(shí)間的變化規(guī)律六巖石介質(zhì)的力學(xué)模型凱爾文模型反映卸載后，彈性后效的變形特征六巖石介質(zhì)的力學(xué)模型若獲得初始彈性應(yīng)變后，保持總應(yīng)變不變應(yīng)力不衰減，則凱爾文模型又稱非松弛模型，他不能反映應(yīng)力的松弛現(xiàn)象。第二章巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì)莫爾強(qiáng)度理論巖石的強(qiáng)度理論格里菲斯強(qiáng)度理論屈服準(zhǔn)則

一一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)(四)基本計(jì)算公式任意角度截面的應(yīng)力計(jì)算公式:最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力:一一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)最大主應(yīng)力與作用面的夾角按下式求:分析任意角度的應(yīng)力狀態(tài)時(shí),常用最大、最小應(yīng)力的表示法:一一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)莫爾應(yīng)力圓的表示方法:

其中為圓心半徑為三莫爾強(qiáng)度理論1.莫爾理論假說 物體是在正應(yīng)力和剪應(yīng)力組合作用下產(chǎn)生破壞 與無關(guān) 莫爾包絡(luò)線 極限應(yīng)力圓上破壞點(diǎn)的軌跡線三莫爾強(qiáng)度理論2.庫侖-莫爾直線型強(qiáng)度線1)

破壞角2)不同坐標(biāo)下的表達(dá)式坐標(biāo)下三莫爾強(qiáng)度理論在坐標(biāo)下σc—理論上的單軸抗壓強(qiáng)度值三莫爾強(qiáng)度理論3)孔隙水壓力的影響有效應(yīng)力四格里菲斯強(qiáng)度理論(一)基本思想

1.裂縫存在

2.裂縫擴(kuò)展方向單軸壓縮應(yīng)力作用下，劈裂破壞是本質(zhì)現(xiàn)象

3.擴(kuò)展的能量在壓應(yīng)力條件下裂