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岩 石 : 组 成 地 壳 的 基本物质,它是由矿 物或岩屑在地质作 用下按一定规律凝 聚而成的自然地质。 岩块 :指不含显著 弱面的,较均质的岩 石块体。(岩石力学属性可视为连续性 均 质 性各 向 同 性 的) 。 岩体 :指一定工程范围内的自然地质 体, 由岩块和各种不 连续面组成的。 岩体 中存在着不连续面是岩体与岩块的重 要区别 。特征 :1 它 的边界是根据工程 情况确定的2 内部保留了各种永久变 形和各种各样的地 质构造形迹3 至今还受到地应力, 以及 水 温度等因素的影 响。 岩体的力学属性:非连续性各向异性 非均质性非弹性。 岩体结构是指:岩 体中结构面和结构 体的排列组合特征, 它包括两个要素即 结构面和结构体。 结构面 :在岩体内 形成的具有一定的 延伸方向和长度, 厚 度相对较小的地质 界面或带即强度低 易变形的二锥面, 即 弱面。 主要包括物质分异面和不连续面。 结构体 :结构面在 岩体中切割而成的 几何体。岩体结构分类:整 体状结构层状结构 块状结构碎裂状结 构 解体状结构工程力学的目的和 任务 :能够准确的 预测工程岩体的变 形和稳定,进行正确 的工程设计,保证良 好的施工质量, 以达 到工程安全经济和 正常运营。 岩石的结构:是反 映砸岩块的构成上的特征,指岩石内矿 物 颗 粒 的 大 小形 状, 排列方式及微结 构面的发育情况与颗粒间连接方式等。 (颗粒大小:等颗 粒结构的岩块强度 比分等颗粒的强且 抗分化能力强。 在等 粒结构中细粒结构岩块强度比粗粒结 构的高) 矿物颗粒的形状: 粒状柱状 片状 鳞 状 矿物颗粒间连结: 岩石的粒间连结分 结晶连结和胶结连结。 (结晶连结:结 晶愈细愈均匀非晶 质成分愈少岩块强 度愈高。 胶结连结:胶结连结的岩块强 度取决于胶结物质 成分及胶结类型。 胶结物成分的性能好坏顺序 :硅质铁 质 钙质 泥质)。 岩石的构造:矿物 集合体之间及其与其他组成之间的排 列方式。 沉积岩为层状构造,厚度越大(层理不发 育)岩体稳定性 (抗 弯曲能力)越好。 岩石吸水率是岩石在常温常压下吸入 水的质量与其烘干 质量的比值(% ) 。 岩石吸水率的大小 取决于岩石中孔隙 的多少及其连通情 况,岩石吸水率愈 大,表明岩石中的 孔隙大,数量多, 连通性好,岩石的 力学性质差。 岩石的饱水率是岩 石 在 强 制 状 态 下 (高压、真空、煮沸) ,岩石吸入水的 质量与烘干质量的 比值( %) 。 饱水率 反映岩石中总的张开型裂隙和孔隙的 发育程度,对岩石 的抗冻性和抗风化 能 力 具 有 较 大 影响。饱水系数是指 岩石吸水率与饱水 率的比值( %) 岩石的透水性:水 在一定压力作用下 通过岩石的性能, 岩 石的透水指标为渗 透系数。 岩石的 膨胀性 :软 岩浸水后体积增大或体积不变时相应 地引起应力增大的 性能。 岩石的 崩解性 :指岩石浸水后发生的 解体现象。 岩石的 软化性 :岩 石浸水后强度降低 的性能,其指标为软 化系数。岩石强度:岩石载 荷作用下破坏时所 承受的最大载荷应 力。 点荷 载强度: 点 荷 载强度试验是一种 最简单的岩石强度 试验,其强度指标值可用做岩石分级 的一个指标,有时 可代替单轴抗压强 度。点荷载试验所获 得 的 强 度 指 标 Is = P/y2 试件直 径为 25-100mm的岩 芯,石块亦可。 ISRM将直径为 50mm 的径 向圆柱体试件加载 点荷载试验的强度 指标值 Is (50)确定为标准试验值。 其他尺寸试件的试 验结果按公式进行修正。 单向压缩试件的破 坏形态破坏形态 是表现破坏机理的重要特征;其主要 影响因素:应力 状态试验条 件 破 坏 形 态 有 两 类: (1)圆锥形破 坏 原因: 压板两端 存在摩擦力,箍作 用 ( 又 称 端 部 效 应) ,在工程中也会 出现。(2)柱状劈 裂 破 坏 张 拉 破 坏 (岩石的抗拉强度 远小于抗压强度) 是岩石单向压缩破坏的真实反映(消 除了端部效应) 消除试件端部约束 的方法 1.润滑试件端部(如垫云母 片;涂黄油在端部) 2. 加长试件 岩 石 单 轴 抗 压 强度:是岩石在单向 压缩时能承受的最 大压力。 岩石的抗剪强度: 岩石抵抗剪切破坏 的能力,即岩石能承 受的最大剪切应力。 又可分为抗切强度 抗剪断强度摩擦强 度。岩石的抗压强度试 件国际标准:最小 尺寸于岩石内最大 颗粒尺寸的比值至少 10:1,高径比或 高 边 比 为 0.22.5 的圆柱体或棱柱体, 标准试件的直径或 边长 50mm 。 岩石的单轴抗拉强度 :岩石试件在单 向拉伸时能承受的 最大拉应力。 岩石的三轴抗压强 度 :岩石试件在三 向压应力作用下所 能抵抗的最大压应 力。试验方法对岩石强 度 :试件端面效应 尺寸效应加载速率 受力条件。岩石的破坏机理: 一种是张裂引起的 破坏一种是剪切引 起的破坏。摩尔理论:岩石是 在复杂应力状态下 沿某一截面剪切力 达到某一极限值的破坏。摩尔认为该曲 线仅能从实验中确 定。岩石强度曲线的应 用:1 判断岩石是否 破坏。2 预测破坏面 的方向。 3 解释如下问题:1 解释了 X形 剪切的原因。 2 解释 了剪切破坏角大于 45 度的原因。3 解释 了 R3cRcRt。4 岩 石三向受拉时会破 坏, 三轴等压时不会 破坏。 格里菲斯强度理论 认为:材料破坏是拉 应力集中所致。 脆性岩石:在外力 作用下,岩石在破坏 前变形很小(总变形软性 ;数目越多岩 体强度越低。 2 应力 状 态R 趋 近0, R3cRc , 随增大强 度增大明显。 3 风化 程度 :随风化程度 的增高,强度降低。4 含水状况: 不仅使 结构面内聚力和内 摩擦角减小外,还导 致结构面正应力减小,应力圆左移。5 岩块性质:随岩性增 强岩体强度增大。 岩体强度确定的方法:原位测定、间 接测定和岩体强度 估算。 典型岩体法线变形 曲 线 包 括 : 压 密 接 段弹性阶段塑性 变形阶段破坏阶段 岩体变形特征 :1 岩 体变形量大,变形模 量小。2 岩体在变形过程中,有明显的 “扩容”和侧面“扩 张”现像。 3 变形参 数各向异性明显。4变形和破坏没有明 显界限。 地应力 :是指天然 存在于岩石内而与 任何人为因素无关 的应力。高地应力产生的严 重现象 :工程软岩 岩爆 地应力测试方法: 应力解除法(孔底应 变 法孔 径 应 变 法 孔壁应变法)和水压 破裂法。孔底应变法优点:1 不用套孔简便工序 2 对岩芯长度没有 要求 可以用于测定软岩或裂隙发育中。 缺点 :1 需要在不同 方向打三个钻孔:2 孔应力状态复杂, 没有完善的理论解决。 孔径变形法优点: 有专门传感器不用 粘帖应变片; 缺点 :不能用于软碎岩体, 且需要打三个不同 方向钻孔。孔壁应变法优点: 只打一个钻孔可得 到全应力状态钻进 工作量小测试成本低 是一种有前途的 方法。 水力压裂法是直接 测量地壳深部岩体 应力的唯一方法。 一绪论 1 岩石力学的目的 和任务是能够准确 的预测: 工程岩体 的变形和稳定,进行 正确的: 工程设计 , 保证好的施工质量, 以达到工程的:安 全、经济和正常运营。 2 岩石力学属于: 力 学的分支学科,它 属于: 固体力学 和地质科学 的边缘科 学。 3 岩石力学的研究 方法有: 工程地质研究法 、试验法 、 数学力学分析法和 综合分析法 4 岩石力学是研究 岩石在外界因素(如 荷载、水流、温度变 化等)作用下的: 变形、破坏、稳定 性及加固 的学科, 又称岩体力学。二 岩石与岩体的 地质特征 1 不含显著结构面、 均质的岩石块体叫做岩快 ,它的物理 力学性质除与其组 成成分有关外,还取 决于岩石的:结构 和构造 2关于岩石内颗粒间的连接,在碎屑岩 类中, 硅质 胶结的 岩快强度最高,铁 质胶结次之,钙质 胶结再次之,泥质 胶结的岩快强度最 低,抗水性差 3岩石的粒间连结分: 结晶连结 和 胶 结连结 两类,煤矿 常见岩石的粒间多 为: 胶结连结4一般来说,岩石 随风化程度的加深, 岩快的孔隙率和变 形随之 增大 ,强度降低 ,渗透性加大 5把岩体切割成块 体,具有强度低、 易 变形的各种地址界面称之 结构面 。在 坚硬的层状岩层中 夹有:强度低、泥质和炭质含量高、 遇水 易软化、延伸较广和 厚度较薄的软弱岩 层称之: 软弱夹层6根据地址成因的 不同, 可将结构面划 分为 原生 结构面、 构造 结构面和 次生 结构面三类 7节理 是指岩体中 呈有规律组合的裂 隙总体。它是影响岩 体稳定性的又一重 要因素 8根据结构面的力 学性质,把构造面强 度与两侧岩体强度 相差较小,且厚度很小的结构面叫做硬 性结构面,如节理 面、片理面、 层理面 等: 把结构面强度与两侧岩体强度相差 较大, 或者为充填有 一定厚度的软、散、 碎物质的结构面叫做软弱 结构面,如 柔软夹层、 断层、层 间错动、破碎带等 9结构面特征包括 结构面 空间 分布、 形态 和充填胶结 特 征三大部分 10 岩体 是指一定 工程范围内的自然 地质体,由结构体和结构面 网络组成 的。 岩体结构特征是 指岩体中 结构面 与 结构体 的排列组合特征 11 岩土工程勘察 规范 将岩体结构划 分为 整体状 结构、 块状 结构、 层状 结 构、 碎裂状 结构和散体 结构五种类型 12 与岩快相比岩体 的三大自然特征是 边界人为定、保留 构造形迹、受地应 力等影响,岩体力 学属性(基本特征) 为 非连续性、各向异性、非均质性、 非弹性 三、 岩石的物理性质 1岩石的 重度 是指单位体积(包括孔 隙) 的岩石质量所受 的 重 力 , 单 位 knm-3;岩石的 比重是指单位固体体积 (不包括孔隙体积) 的固体颗粒质量与 同体积纯水质量之比 2岩石的 密度 是指 单位体积(含孔隙体积)岩石的质量, kgm-3,按含水状态 不同分为干密度、 天然密度、和饱和密度 3岩石 孔隙性 指岩 石中空洞和裂隙的 发育程度,常用孔 隙度( n)或孔隙比 (e)参数表示 4岩石的空隙度是 岩石的 空隙体积与 岩石 总体积 的百分 比; 已知某岩石的空 隙度为 02其空隙 比为 0.25 5残余碎胀系数的 含义是 破碎岩石压实后 体积与 其破碎 前 体积之比,其大 小 主 要 取 决 于 压 力、岩性和作用时间 6岩石的 碎胀系数 是指岩石破碎后体 积与其破碎前体积之比,其大小主要取 决于 块度大小、岩 性和碎裂情况 7岩石的 软化系数 是指某岩石单轴饱 和抗压强度与其干 试件的单轴抗压强 度之比,其值越大说 明该岩石越 难软化 8岩石的 吸水性 是指对于水不崩解的 岩石在一定条件下 吸入水分的能力, 常 用指标有自然吸水率 、强制吸水率和 饱水系数 9岩石的 饱和吸水 率 是指干燥后的岩 样在强制状态下吸 入水分的质量与其固体矿物质量的百 分比。岩石的饱水系 数指岩石自然吸水 率和 饱和吸水率之 比 10 岩石的 透水性 是 指谁在一定压力作 用下通过岩石的性能,通常指标为渗 透系数 11岩石的软化性 是指岩石浸水后强度降低的性能, 岩石 的膨胀性 是指软岩 浸水后体积增大变 时相应地引起应力增大的性能 12岩石的崩解行 是指岩石浸水后发 生的解体现象, 反映该性质的常用指标 岩 石 的 耐 崩 解 指 数。四、 岩石的强度性质 1岩石单轴抗压强 度是指岩石在单向 压缩时能承受的最大压应力。国际要 求岩石单轴压缩标 准圆柱体件的直径 为 50+-2mm , 高径比 为 2-2.5 2影响岩石强度测 定的主要外部因素 有端面效应、尺寸 效应、加载速率、 试验环境 等 3岩石试件在单向 拉伸时能承受的最 大拉应力,称为岩石 的抗拉强度。它常用的间接测定方法 是劈裂法 4岩石的三轴抗压 强度 是指岩石试件在三向压应力作用 下能抵抗的最大压 应力 ,多见的常三 轴试验其三个方向的主应力关系为 12=3
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