巖體力學性質.ppt

2019/11/2,1,巖石力學,第一章 緒論,1.1巖石力學定義 巖石力學的學科性質 新興學科 邊緣學科 應用性和實踐性很強的應用基礎學科 巖石力學應用范圍 與巖石工程相關的工程領域 巖石力學定義 研究巖石的力學性狀（behaviour）的一門理論科學，同時也是應用科學； 是力學的一個分支； 研究巖石對于各種物理環(huán)境的力場所產生的效應；,2019/11/2,2,巖石力學,建議的定義 由于巖石力學性質不確定性和復雜性 巖石力學是一門認識和控制巖石系統的力學行為和工程功能的科學。 研究巖石力學的目的 地下工程事故中，約1/31/2是由于支護不當或支護不及時造成的； 井巷工程成本中，支護及維護費用約占4060%； 目的：科學、合理、安全地維護井巷的穩(wěn)定性，降低維護成本，減少支護事故。,2019/11/2,3,巖石力學,1.2巖石力學的發(fā)展和概貌 初級階段（19世紀末20世紀初） 海姆凈水壓力假說 朗金假說 金尼克假說 經驗理論階段（20世紀初20世紀30年代） 普氏理論 太沙基理論 經典理論階段 連續(xù)介質理論 不足：忽視地應力的作用 忽視施工過程（時變性） 過于追求“精確”,2019/11/2,4,巖石力學,地質力學理論 不足：過分強調節(jié)理、裂隙作用 過分依賴經驗、忽視理論 現代發(fā)展階段(20世紀60年代現在) 復雜多樣的力學模型； 各種理論、方法的應用，特別是非線性理論的應用； 建立了自己的分析原理和計算方法 損傷力學 離散元 DDA法 流形法 擾動狀態(tài)概念理論 不確定性分析研究方法和理論體系 系統科學,2019/11/2,5,巖石力學,1.3巖石力學的研究范疇和內容、研究方法 研究范疇和內容 巖體的地質力學模型及其特征 巖石與巖體的物理力學性質 研究巖體起始應力狀態(tài)以獲取地下結構及圍巖穩(wěn)定性分析所必須的外荷載條件 巖體中開挖卸載引起巖體應力狀態(tài)的重分布及圍巖應力集中的計算理論、計算方法，圍巖穩(wěn)定性的評價、預測以及由此引起的支護原理、支護方式、方法，支護結構體系的設計計算理論和方法 施工工藝、施工方法、施工過程對巖體工程穩(wěn)定性的影響及其優(yōu)化,2019/11/2,6,巖石力學,巖石力學在巖體工程中的應用 地下硐室圍巖的穩(wěn)定性研究 應力分布 圍巖變形 圍巖壓力 圍巖加固 巖坡的穩(wěn)定性研究 穩(wěn)定性 應力分布、變形和破壞 巖坡的失穩(wěn) 巖基的穩(wěn)定性研究 應力 變形 承載力 穩(wěn)定性,2019/11/2,7,巖石力學,研究方法 工程地質研究方法 科學實驗方法 數學力學分析方法 力學模型 分析方法 數值分析方法 模糊聚類和概率分析 模擬分析 整體綜合分析方法 采用多種方法并考慮多種因素 采用確定性分析方法與不確定性研究方法,2019/11/2,8,巖石力學,1.4 地下工程的特點 巖石在組構和力學性質上與其他材料不同，如巖石具有節(jié)理和塑性段的擴容(剪脹)現象等； 地下工程是先受力(原巖應力)，后挖洞(開巷)； 深埋巷道屬于無限城問題，影響圈內自重可以忽略； 大部分較長巷道可作為平面應變問題處理； 圍巖與支護相互作用，共同決定著圍巖的變形及支護所受的荷載與位移； 地下工程結構容許超負荷時具有可縮性； 地下工程結構在一定條件下出現圍巖抗力； 幾何不穩(wěn)定結構在地下可以是穩(wěn)定的；,2019/11/2,9,巖石力學,1.5 影響因素與約定 影響巖石力學性質和物理性質的三個重要因素 礦物：地殼中具有一定化學成分和物理性質的自然元素和化合物； 結構：組成巖石的物質成分、顆粒大小和形狀以及相互結合的情況； 構造：組成成分的空間分布及其相互間排列關系； 約定 巖石為不分“巖體”和“巖塊”時的統稱； 巖體=巖塊+弱面 巖體中由弱面分割包圍的即是巖塊；,10,主要參考書,1 巖石力學與工程，蔡美峰 主編，科學出版社，2002 2 高等巖石力學，周維垣主編，中國水利水電出版社，1990 3 巖石力學基礎，張清、杜靜編著，中國鐵道出版社，1997 4 巖石力學簡明教程，李世平等編北京：煤炭 工業(yè)出版社，1996 5 巖體力學，沈明榮主編上海：同濟大學出版社，1999 6 礦山巖體力學，高延法、張慶松編著，中國礦業(yè)大學出版社，2000 7 巖石力學基礎教程，侯公羽 主編，機械工業(yè)出版社，2011、1 8 Engineering Rock Mechanics，上、下卷（中譯本）J.A. Hudson; J.P. Harrison 著，馮夏庭等譯，科學出版社，2009 9 巖體力學性質，李先煒 編，煤炭工業(yè)出版社，1990,11,12,13,14,（1）國際巖石力學與采礦科學（International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences）主編：Zimmeman，名譽主編： Hudson；Pergamon出版社和Elsevier Science出版社出版；SCI、EI收錄 （2）巖石力學與巖石工程（Rock Mechanics and Rock Engineering）主編：Kovari和Einstein；SpringerVerlag出版; SCI、EI收錄 （3）巖石力學與工程學報中國巖石力學與工程學會主辦，科學出版社出版； EI收錄 （4）巖土力學中科院武漢巖土力學研究所主辦； EI收錄 （5）巖土工程學報中國土木工程學會主辦； EI收錄 （6）地下空間與工程學報中國巖石力學與工程學會、重慶大學辦；,國內、外有關巖石力學的主要雜志,15,1.6 巖土的成因類型及其工程地質特征,地殼 地球，赤道半徑（6378.140km），兩極半徑（6356.779km）。 大約有70.8%的面積海域，有29.2的面積為陸地。 由地殼、地幔、地核組成。,地球內部構造,1-地殼；2-地幔；3-地核；4-液態(tài)外部地核；5-固態(tài)內部地核；6-軟流圈；7-巖石圈,16,（1）內力地質作用：動力來自地球本身，并主要發(fā)生在地球內部，按其作用方式可分為四種： 構造運動：指地殼的機械運動；發(fā)生水平方向構造運動常使巖層受到擠壓產生褶皺，或使巖層拉張而破裂；垂直方向構造運動使地殼發(fā)生上升或下降，如青藏高原近數百萬年以來隆升。 巖漿作用：指巖漿沿地殼軟弱破裂地帶上升造成火山噴發(fā)形成火山巖或是在地下深處冷凝形成侵入巖的過程。 變質作用：指構造運動與巖漿作用過程中，使原有巖石受溫度、壓力和化學性質活潑的流體作用，在固體狀態(tài)下發(fā)生物質成分和特征改變，轉變成新的巖石。 地震：接近地球表面巖層中構造運動以彈性波形式釋放應變能而引起地殼的快速顫動和震動。,物理地質作用,17,（2）外力地質作用 風化作用：暴露于地表的巖石，在溫度變化以及水、二氧化碳、氧氣及生物等因素的長期作用下，發(fā)生化學分解和機械破碎。 剝蝕作用：河水、海水、湖水、冰川及風等在其運動過程中對地表巖石造成破壞，破壞產物隨其運動而搬走，例如海岸、河岸因受海浪和流水的撞擊、沖刷而發(fā)生后退；斜坡剝蝕作用是斜坡物質在重力以及其它外力因素作用下產生滑動和崩塌，又稱塊體運動。 搬運作用：風化與剝蝕造成的破壞產物被搬運到它處。 沉積作用：搬運物在適宜場所堆積。 固結成巖作用：剛堆積的物質是松散多孔的并富含水分，被后來的沉積物覆蓋埋藏后，在重壓下排出水分，孔隙減小并被膠結，松散堆積物漸變?yōu)閳杂驳膸r石，即沉積巖。,物理地質作用,18,(a),(b),(c),(d),(a),(f),(g),(h),(i),(e),礦物的基本概念,礦物形態(tài) (a)食鹽晶體 (b)石英晶體 (c)金剛石晶體 (d)綠柱石聚形晶體 (e)石榴子石聚形晶體 (f)板鈦礦聚形晶體 (g)紅柱石放射狀集合體 (h)方解石鐘乳狀集合體 (i )瑪瑙晶腺,19,巖石硬度 通常采用摩氏硬度，選十種礦物為標準，最軟是一度，最硬十度。 這十種礦物由軟到硬依次為： l-滑石； 2-石膏；3-方解石；4-螢石；5-磷灰石； 6-正長石；7-石英；8-黃玉； 9-剛玉；10-金剛石； 巖石密度 礦物密度變化幅度很大，礦物的密度分為輕、中等和重三級，重的如方鉛礦(7.47.6)，感到很重。大多數礦物密度中等，介于2.54之間。,礦物的基本概念,20,解理、斷口解理是指礦物受打擊后，能沿一定方向裂開成光滑平面的性質，裂開的光滑平面稱為解理面。 極完全解理：極易裂開成薄片，解理面大而完整、平滑光亮，如云母。 完全解理：常沿解理方向開裂成小塊，解理面平整光亮，如方解石。 中等解理：既有解理面，又有斷口，如正長石。 不完全解理：常出現斷口，解理面很難出現，如磷灰石。,（a）石鹽的立方體完全解理,（b）石英的貝殼狀斷口,礦物的基本概念,21,常見主要造巖礦物 自然界產出的礦物，已知有3000種左右。對于形成巖石具有普遍意義的礦物，即主要造巖礦物則不過數十種。常見礦物就其化學成分而言，絕大多數為硅酸鹽，其余為氧化物、硫化物、鹵化物、碳酸鹽和硫酸鹽等。 如： 黃鐵礦，石英，方解石，白云石，石膏，橄欖，石輝石，正長石，白云石，白云母，高嶺石，蒙脫石,礦物的基本概念,22,常見巖石和礦物,安山質凝灰?guī)r,角礫巖,流紋巖,流紋巖,23,片麻巖,礁灰?guī)r,玄武巖,浮石,常見巖石和礦物,24,白云母,方解石,黑云母,黃鐵礦,常見巖石和礦物,25,黃銅礦,石英,石墨,石鹽,常見巖石和礦物,26,石膏,螢石,輝銻礦,自然硫,常見巖石和礦物,27,巖漿巖、沉積巖和變質巖的地質特征表,28,沉積巖的構造,層理的基本形態(tài) a-水平層理 b-斜層理 c-交錯層理,根據交錯層理確定巖層的頂面和底面層理構造,遞變層理,29,巖層形態(tài),a-頂面 b-底面 1-板狀巖層 2-變厚變薄 3-尖滅 4-透鏡體,波痕與泥裂構造,波痕及其印模,泥裂的示意立體圖,30,常見的巖漿巖 花崗巖，閃長巖，輝長巖，流紋巖，安山巖，玄武巖，輝綠巖 常見的沉積巖 （1）碎屑巖類 火山碎屑巖：火山集塊巖、火山角礫巖及凝灰?guī)r 沉積碎屑巖：礫巖及角礫石、砂巖、粉砂巖 （2）粘土巖類：頁巖 、泥巖 （3）化學及生物化學巖類：石灰?guī)r、白云巖 常見的變質巖 （1）片理狀巖類：片麻巖、片巖、千枚巖 （2）塊狀巖類：大理巖、石英巖,31,巖石的工程地質性質包括物理性質和力學性質兩個主要方面，它們的一些常用指標，可供分析和評價巖石工程地質性質時參考。,1. 巖石的工程性質,2. 影響巖石的工程性質的因素 包括礦物成分、結構、構造、水、風化等因素。,巖石的工程地質性質,32,巖層的地質年代有兩種表示方法： （1）絕對地質年代 （2）相對地質年代,地質年代單位與相對應的地層單位表,地質