岩石力学实验.ppt

矿山岩体力学 试验 主讲刘承论山东科技大学2010 5 研究生专业基础课 预修课程 弹性力学 弹塑性力学教学目的和要求 主要讲授岩石和岩体的基本力学性质及其研究方法 岩石工程稳定性分析的原理 岩石工程支护设计的最新理论 岩石力学研究的最新进展等 第一章绪论第二章岩石力学试验 2 1岩石物理性质与简单应力状态下的岩石力学实验 2 2常规三轴压力试验与围压效应 2 3真三轴压力试验与中间主应力效应 2 4岩石压缩变形破坏过程 2 5岩石细观结构模型与压缩破坏机理 2 6岩石的应力应变关系 内容提要 主要参考书 1 矿山岩体力学 高延法 张庆松编著 中国矿业大学出版社 2000 2 岩石力学与工程 蔡美峰主编 科学出版社 2002 3 高等岩石力学 周维垣主编 中国水利水电出版社 1990 4 岩石力学基础 张清 杜静编著 中国铁道出版社 1997 5 岩石力学简明教程 李世平等编 北京 煤炭工业出版社 1996 6 岩体力学 沈明荣主编 上海 同济大学出版社 1999 第一章绪论 岩石力学是研究岩石的力学性质的一门理论与应用科学 它是力学的一个分支 它探讨岩石对其周围物理环境中力场的反应 岩石力学的主要课题是解明岩石力学性质 岩体状态的预测 岩石力学的根基 力学 物理 实验等方面 岩石力学 弹性力学 塑性力学 流变力学岩石力学是一门新兴边缘学科 是一门应用性与实践性很强的应用基础学科 应用涉及采矿 土木建筑 水利水电 铁路 公路 地质 地震 石油 地下工程 海洋工程等工程领域 岩石力学的几个特点 天然材料 非连续介质 释放载荷 绪论 一 岩石力学的发展历史与概况1 初始阶段 19世纪末 20世纪初 1912年海姆 A Hmeim 提出了静水压力理论 朗金 W J M Rankine 的侧压理论 金尼克 A H HHHHK 的侧压理论 2 经验理论阶段 20世纪初 20世纪30年代 普罗托吉雅克诺夫 普氏理论 顶板围岩冒落的自然平衡拱理论 当开掘巷道以后 经过一定时间 巷道顶板岩石总是自然而然成为某一种拱形而稳定下来 一方面 由于自然平衡拱对于支架受力大小有密切关系 另一方面 利用自然平衡拱状态来维护巷道 可以大大节约支架材料 因此 对自然平衡拱的成因 形状和尺寸的研究 有很大意义 众所周知 普氏提出的自然平衡拱抛物线形状 太沙基 塌落拱理论 绪论 3 经典理论阶段 20世纪30 60年代 这是岩石力学形成的重要阶段 弹性力学 塑性力学和流变理论被引入岩石力学 导出经典计算公式 形成围岩与支护体共同作用理论 结构面影响受到重视 实验方法完善 连续介质理论特点与不足 后来的有限单元方法被引入 地应力测量受到重视 地质力学理论 奥地利学派 4 现代发展阶段 20世纪60年代至今 现代力学 数学 计算机数值分析方法的广泛应用流变学 断裂力学 非连续介质 数值方法 人工智能 神经网络 专家系统 损伤力学 离散元法 DDA法 数字微分分析法 数值流形分析 非线性理论 分叉混沌理论等 绪论 二 岩石力学的基本研究内容和研究方法1 研究内容 1 岩石与岩体的地质特征 物质组成与结构 结构面与岩体的性质 岩体工程分级 2 岩石物理 水理与热力学性质 3 岩石的基本力学性质 变形与强度力学参数 测试技术 变形破坏机理 4 结构面力学性质 法向与切向变形与强度 5 岩体力学性质 测试 结构弱化 水运移 6 地应力测量 7 岩体工程围岩稳定性及其控制 8 工程岩体模拟实验方法 9 岩体工程稳定性的数值模拟计算 10 各种新理论 新方法 新技术的应用 围岩分级 锚杆喷射混凝土支护技术规范 GBJ86 85 锚杆喷射混凝土支护技术规范 GBJ86 85 2 研究方法 1 工程地质研究方法 2 科学实验方法 3 数学力学分析方法 4 整体综合分析方法三 岩石力学研究的主要问题1 水利水电工程2 采矿工程3 隧道工程4 土木建筑工程5 石油工程6 海洋勘探与开发工程7 核废料处理8 地热开发9 地震预报 绪论 三峡水利枢纽工程长江三峡船闸 双线五级 是当前世界级数最多 总水头和级间输水水头最高的内河船闸 主体部分由高山中深挖而成 于1994年开工建设 2003年6月试通航 四 岩石力学与工程的发展前景水利枢纽工程 水电站大坝 地下厂房 储油库 露天矿边坡 深井开采 跨海隧道 计算机数值模型 有限元位移反分析方法 有限元强度折减法流变模型 流变实验 大变形理论 巷道流变大变形控制技术 非线性模型的唯一性 非线性方法 人工智能 绪论 2 1岩石物理性质与简单应力状态下的岩石力学实验 2 2常规三轴压力试验与围压效应 2 3真三轴压力试验与中间主应力效应 2 4岩石压缩变形破坏过程 2 5岩石细观结构模型与压缩破坏机理 2 6岩石的应力应变关系 第二章岩石力学试验 一 岩石的组成与结构1 概述由矿物和或岩屑在地质作用下按一定规律聚集而形成的自然体 2 岩石的构成与成分造岩矿物 具有一定化学成分和物理性质的自然元素和化合物 正长石 斜长石 石英 云母 角闪石 辉石 橄榄石 方解石 白云石 高岭石 赤铁矿等 粘土矿物 蒙脱石 高岭石 伊利石 岩石结构连结类型 结晶连结 如岩浆岩 胶结连结 硅质 铁质 钙质 泥质岩石内部细观结构面 晶粒边界 粒间空隙 晶格缺陷 3 岩石的地质成因 岩浆岩沉积岩变质岩 2 1岩石物理性质与简单应力状态下岩石力学实验 岩石物理性质 2 1岩石物理性质与简单应力状态下岩石力学实验 二 岩石的物理性质1 岩石的容重 kN m3 单位体积的重量 2 岩石的比重 岩石固体部分的重量与4 C同体积纯水重量的比值 3 岩石的孔隙率 n 岩石中空隙体积与总体积之比 二 岩石的物理性质4 岩石的水理性 天然含水率 w 岩石空隙含水的质量与固体质量之比 岩石的吸水率 岩石吸入水的质量与固体的质量之比 自然吸水率饱和吸水率mo 浸水48h的质量 mP 煮沸或真空抽气饱和后的质量 岩石的渗透系数k 岩石的软化系数 Rcc饱和单轴抗压强度Rcd干燥单轴抗压强度 渗透速率水头梯度 2 1岩石物理性质与简单应力状态下岩石力学实验 岩石单轴抗压强度 岩石试件在无侧限条件下 受轴向力作用破坏时 单位面积上所能承受的荷载 简单应力状态下岩石力学实验 一 岩石单轴压缩试验岩石单轴压缩试验是最简单的岩石力学试验 通常岩石试件做成棱柱体或圆柱体 要求圆柱体高径比大于2 3 试件端面光洁 平整 两端面平行且垂直于轴线 岩石的单轴抗压强度和弹性模量等力学参数取决于岩石的组成结构 矿物颗粒性质以及微观裂隙等 虽然单轴压缩是最简单的强度实验 但因与许多因素相关 岩石试件内的应力分布 破坏方式和强度值都会受到影响 压力试验机的刚性 承压板与试件端面的摩擦 试件几何形态 形状 高径比和尺寸 加载速度 2 1岩石物理性质与简单应力状态下岩石力学实验 简单应力状态下岩石力学实验 1 试件的破坏形态 岩石试件单轴受压时 由于受到多种因素的干扰 真实的破裂形式不大明确 常常观察到的是剪切破坏 锥形破坏和劈裂破坏 如图2 3 对试件破坏形态影响最大的是端面摩擦约束效应 对于比较坚硬的脆性岩石 当采取减少端面摩擦约束的措施时 出现纵向劈裂破坏 2 1岩石物理性质与简单应力状态下岩石力学实验 2 试件端面摩擦约束效应 承压板变形对试件端面周边的约束 由于试验机承压板大于试件端面 加载时承压板因受力而变形 对试件的周边产生横向约束 同时承压板的变形还会改变对试件作用的纵向应力分布 端面摩擦 试件发生横向变形时 承压板对试件端面产生摩擦力 从而影响试件的应力分布 减少试件端面摩擦的方法 可选用与试件端面相同 侧面膨胀相同 即泊松比 弹模E值相等 的金属块加于试件两端 以消除端面效应 那么在弹性阶段端部效应就不出现 多数岩石都可找到适当的金属 这是一种十分巧妙而有效的方法 在试件端面与承压板之间嵌放适宜的薄层材料 如二硫化钼 附加有滑石的硬酯酸 聚四氯乙烯 硬纸板 金属薄板等 2 1岩石物理性质与简单应力状态下岩石力学实验 2 1岩石物理性质与简单应力状态下岩石力学实验 图2 4应力分布曲线 3 端面摩擦约束条件下的试件应力场 二 刚性压力机的原理 所谓刚性压力机是相对于一般普通压力机而言的 一般压力试验机其整体结构刚度较小 在进行岩石压缩试验时 当载荷达到岩石的强度极限后 由于岩石试件抗变形能力降低 而压力试验机因刚度小所积累的弹性变形能较大 这种弹性变形能会发生瞬时释放 使岩石试件在极短时间内发生类似于爆炸性地崩解破坏 当刚性压力试验机的整体结构刚度较大时 试验过程中达到岩石强度极限后 压力机释放出的弹性变性能较小 岩石试件不会瞬时破坏 试验能够继续平稳进行 从而实验测试出岩石达到强度极限后的应力应变关系 获得岩石的全应力应变曲线 2 1岩石物理性质与简单应力状态下岩石力学实验 2 1岩石物理性质与简单应力状态下岩石力学实验 刚度K定义为 2 1 式中 作用力 kN 在压力作用下沿作用方向的位移 mm 刚度 MPa mm 可见刚度即是引起单位位移所需的力 对于岩石试件来说 由弹性定律及应力应变定义可得 2 2 式中 E 材料的弹性模量 F L 试件的截面积和长度 当岩石试件达到强度极限状态后 压力机与试件处于暂时的平衡状态 当有一扰动力 P作用时 将打破原有平衡状态 岩石试件达到强度极限状态后 是否变形稳定 其平衡条件应该是 压力机在 即压力机的弹性恢复位移小于岩石试件自身的压缩位移 则岩石的变形会继续发展下去 所以岩石会处于稳定变形状态 则有 2 1岩石物理性质与简单应力状态下岩石力学实验 三 岩石单轴抗拉强度也是岩石的一个重要强度指标 由于抗拉强度远小于抗压强度 所以岩体中一旦出现拉应力区 往往该区域就会最先破坏 岩石抗拉强度室内测试方法分为两类 一类是直接法 另一类是间接法 1 直接法应用直接拉伸的方法测定岩石单轴抗拉强度 其主要困难在于试件如何夹持和如何保证平行于试件轴向施加拉伸荷载 即要有足够的力夹牢试件 又不能损伤试件表面 如果加载方向不能与试件轴向严格平行 就会产生弯矩作用 试件出现弯曲和应力集中 为克服上述困难 可以把岩石试件的端部用环氧树脂直接粘到与试件横截面相同的钢端块上 钢端块与柔性缆索相连 通过缆索施加拉伸载荷 从而使传到试件上的弯曲应力减到最小 为了同样的目的 有人使用球形接头安装加力杆件 南非的Hoek曾把岩石试件加工成特殊形状 即中部细两端粗 与金属的单轴拉伸试件类似 用一般的楔形夹持器夹持这种试件试验 得到了令人满意的结果 岩石单轴拉伸实验方法原理图 2 间接法岩石单轴抗拉强度的直接法测试 试验技术复杂 要求高 因而各种间接测试方法被人们所应用 这类方法包括巴西法 弯曲法 水压致裂法以及各种与巴西法类似的测试方法 常用的巴西法间接测试方法测定岩石的单轴抗拉强度 一般是根据弹性力学理论 求出试件内的应力分布 再由试验测定的极限载荷求岩石试件的极限应力作为岩石的抗拉强度 2 1岩石物理性质与简单应力状态下岩石力学实验 2 1岩石物理性质与简单应力状态下岩石力学实验 巴西法 即劈裂法 简单易行 实验结果最接近直接法而获得广泛应用 为保证巴西试验的正确性 要求圆盘的破坏从试件中心开始 并沿加载方向发展 即破裂面平行于加载方向 用修正的格林菲斯准则分析巴西试验的有效性 试件的破坏必须从圆盘中心开始 这种条件只有通过在加载点垫卡片纸和木材 用以分布荷载才能达到 根据格林菲斯理论分析巴西法试验得出如下结论 加荷垫条角度 或宽度 较小时 的计算公式为 式中 F 破坏荷载 r0 t 试件半径与厚度 这样测定抗拉强度取决于窄条的角度 抗拉强度对窄条的的依赖性随压缩 拉伸强度比值的增加而减小 较大窄条角度 临界受拉区就较大 则抗拉强度值更能代表整体试件的特征 而不是一个点 在巴西试验中 随加载速率提高 强度随之增大 试件尺寸增加 则强度降低 我国工程岩体实验方法规定 r0 4 8 5 4cm t 0 5 1 0 r0 四 岩石抗剪强度试验 类同于金属材料 对岩石也提出了抗剪强度的概。