礦山巖石力學(xué)教學(xué)課件匯總完整版電子教案全書整套課件幻燈片(最新)

1、礦山巖石力學(xué)1 緒論 巖石力學(xué)是新興、邊緣學(xué)科，是應(yīng)用性、實踐性強的應(yīng)用基礎(chǔ)學(xué)科。起源于采礦工程問題的解決(礦山巖石力學(xué))，隨采礦、土木建筑、水利水電、交通等巖體工程問題的解決而形成和發(fā)展。1962.10奧地利地薩爾茨堡成立“國際巖石力學(xué)學(xué)會”， 1966年里斯本舉行第一次國際巖石力學(xué)大會，每四年一屆，至今已經(jīng)召開了11屆大會。2005.5.17 我國首次獲得國際巖石力學(xué)大會承辦權(quán)(12屆)，2009.5 我國學(xué)者首次當選國際巖石力學(xué)學(xué)會主席。 國際巖石力學(xué)學(xué)會出版雜志： 1)Rock Mechanic SCI原刊 2)International Journal of Rock Mechani

2、cs & Ming Sciences & Geomechanics Abstracts SCI原刊中國巖石力學(xué)與工程學(xué)會出版雜志： 巖石力學(xué)與工程學(xué)報 EI原刊國內(nèi)重要巖石力學(xué)類雜志： 1)巖土力學(xué) EI原刊 2)巖土工程學(xué)報 EI原刊1.1 巖石力學(xué)的發(fā)展簡史 巖石力學(xué)按其發(fā)展進程可劃分四個階：1.1.1 初始階段(19世紀末-20世紀初) 巖石力學(xué)最早起源于采礦工程。此階段，開采規(guī)模小，采深近于地表，開采空間不大，巖石力學(xué)的問題主要是巷道頂板冒落和地下開采所引起的地表移動。在該階段，巖石力學(xué)處于萌芽時期，產(chǎn)生了初步理論以解決巖體開挖的力學(xué)計算問題。如，1912年海姆(AHeim)提出了靜水

3、壓力的理論H ，他認為地下巖石處于一種靜水壓力狀態(tài)。郎金等又引入側(cè)壓系數(shù) 。1.1.2 經(jīng)驗理論階段(20世紀初-20世紀30年代) 該階段為巖石力學(xué)發(fā)展的第二階段。在這個階段出現(xiàn)力根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗提出的地壓理論，并開始用材料力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)的方法分析地下工程的支護問題。松散介質(zhì)學(xué)派（例如普氏理論）占主導(dǎo)地位，他們借助土力學(xué)理論解決巖石力學(xué)問題，提出巷道地壓計算原理和采場地壓假說。同時提出以巖石堅固性系數(shù)f ( 普氏系數(shù) ) 作為定量指標的巖石分類方法，廣泛應(yīng)用至今。 在此階段更加深入地研究巖石的破壞機理。1.1.3 經(jīng)典理論階段(20世紀30年代-60年代) 是巖石力學(xué)學(xué)科形成的重要階段，形成“連

4、續(xù)介質(zhì)理論”和“地質(zhì)力學(xué)理論”兩大學(xué)派。 （1）連續(xù)介質(zhì)理論：將整個巖體作為連續(xù)、各向同性的彈性體來考慮，即用彈性理論研究礦山壓力問題。典型成果：1)用虎克定律推導(dǎo)出自重作用下原巖應(yīng)力的計算公式，2)用彈性理論解決了圓形巷道的應(yīng)力分布問題。 后來又研究了巖體非均質(zhì)和各向異性對理想彈性體的影響，以及把巖層看作具有不同變形特征的彈性介質(zhì)，進一步研究巖體層理性的影響，此外還用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)方法研究了巖層移動問題。 在進行理論研究的同時，研究礦壓的實驗手段也獲得了發(fā)展，其中較為有用的是利用相似材料進行的相似模型研究方法和利用光敏感材料進行的光彈性模擬方法。 該理論有將“巖石”當成“ 材料”的烙印。 （2

5、）地質(zhì)力學(xué)理論：該理論對巖體工程的最重要貢獻：提出了 “巖石力學(xué)是一種不連續(xù)體力學(xué), 即裂隙介質(zhì)力學(xué)”，“研究工程圍巖的穩(wěn)定性必須了解原巖應(yīng)力和開挖后巖體的力學(xué)強度（是一種殘余強度）”以及“節(jié)理裂隙對巖體工程穩(wěn)定性的影響” 等觀點?！皧W地利學(xué)派”提出的著名“新奧法”，特別符合現(xiàn)代巖石力學(xué)工程實際，至今仍被國內(nèi)外廣泛應(yīng)用。 從“材料”概念到“不連續(xù)介質(zhì)概念”是現(xiàn)代巖石力學(xué)的第一步突破。1.1.4 近代發(fā)展階段（20世紀60年代-現(xiàn)在） (1)近代發(fā)展階段科技發(fā)展的特點： （1）開采、開挖規(guī)模增大； （2）計算機技術(shù)飛速發(fā)展； （3）相關(guān)學(xué)科進步明顯。 這些科技發(fā)展特點，使得用更為復(fù)雜的多種多樣的

6、力學(xué)模型來分析巖體力學(xué)問題，把力學(xué)、物理學(xué)、系統(tǒng)工程、現(xiàn)代數(shù)理科學(xué)、現(xiàn)代計算機技術(shù)等最新成果引入巖體力學(xué)成為可能。 (2) 巖石力學(xué)的科學(xué)新發(fā)展 巖石力學(xué)理論研究取得了一系列新進展。如在將 “傳統(tǒng)連續(xù)、彈性、各向同性巖體”上升為 “ 巖體是裂隙體，具有原巖應(yīng)力 ” 的認識的基礎(chǔ)上，引用相關(guān)學(xué)科現(xiàn)代研究成果，出現(xiàn)了巖石斷裂力學(xué)、巖石塊體力學(xué)、巖石流變學(xué)、智能巖石力學(xué)、巖體結(jié)構(gòu)力學(xué)等邊緣學(xué)科分支和方法。 巖石力學(xué)測試技術(shù)不斷完善。剛性壓力機為測試應(yīng)力應(yīng)變?nèi)^程曲線提供了保障，應(yīng)力解除法可測試深部巖體應(yīng)力。熱-水-力三場耦合試驗機的出現(xiàn)為更深刻揭示巖石的力學(xué)特性奠定了基礎(chǔ)。 數(shù)值方法推陳出新。在現(xiàn)代

7、計算技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一些新的數(shù)值分析方法：有限元，邊界元，離散元法、三維有限差分法等，可以考慮巖體復(fù)雜的力學(xué)屬性，進行巷道和硐室圍巖體中的應(yīng)力變化和位移分布，確定其穩(wěn)定性等，使礦壓理論研究有可能獲得更符合實際的數(shù)值解。人工智能、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)、工程決策支持系統(tǒng)等迅速發(fā)展起來，并得到普遍的重視和應(yīng)用 。 總之，巖石力學(xué)已形成完整的科學(xué)體系，作為一個力學(xué)分枝、一門獨立的力學(xué)學(xué)科，服務(wù)于巖體工程。 （3）現(xiàn)場地壓控制技術(shù)新進展 進一步改善了支護技術(shù)。如大斷面、大縮量和高支撐力的可縮性金屬支架、錨桿和錨索網(wǎng)支護的廣泛應(yīng)用；各種類型的錨桿開發(fā)；注漿加固不穩(wěn)定圍巖；回采工作面使用自移式液壓支架及其

8、架型增多、適用范圍擴大等。有效控制采空區(qū)頂板大面積冒落。如對堅硬、難冒堅硬頂板高壓注水, 超前爆破、采空區(qū)處理新方法的開發(fā)等。有效改善沖擊礦壓預(yù)測和控制。如聲發(fā)射、紅外、電磁等監(jiān)測預(yù)報技術(shù)的開發(fā)和完善。1951年，在奧地利創(chuàng)建了地質(zhì)力學(xué)研究組，并形成了獨具一格的奧地利學(xué)派。同年，國際大壩會議設(shè)立了巖石力學(xué)分會。1956年，美國召開了第一次巖石力學(xué)討論會。1957年，第一本巖石力學(xué)專著出版。1959年，法國馬爾帕塞壩潰決，引起巖體力學(xué)工作者的關(guān)注和研究。1962年，成立國際巖石力學(xué)學(xué)會(ISRM)。1966年，第一屆國際巖石力學(xué)大會在葡萄牙的里斯本召開。*巖石力學(xué)形成歷史(回顧)*巖石力學(xué)發(fā)展的

9、三步突破（回顧）從“材料”概念到“不連續(xù)介質(zhì)概念”是現(xiàn)代巖石力學(xué)的第一步突破；進入計算力學(xué)階段是第二步突破；非線性理論、不確定性理論和系統(tǒng)科學(xué)理論進人實用階段,則是巖石力學(xué)理論研究及工程應(yīng)用的第三步意義更為重大的突破。*巖石力學(xué)發(fā)展動態(tài)巖體結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)面仿真、力學(xué)表述及機理問題裂隙化巖體的強度、破壞機理及破壞判據(jù)問題巖體與工程結(jié)構(gòu)的相互作用與穩(wěn)定性評價問題軟巖的力學(xué)特性及其巖體力學(xué)問題水-巖-應(yīng)力耦合作用及巖體工程穩(wěn)定性問題高地應(yīng)力巖體力學(xué)問題巖體結(jié)構(gòu)整體綜合仿真反饋系統(tǒng)與優(yōu)化技術(shù)巖體動力學(xué)、水力學(xué)與熱力學(xué)問題巖體流變與長期強度問題巖體工程計算機輔助設(shè)計與圖像自動生成處理*巖石力學(xué)相對其它固體力

10、學(xué)獨有的特點研究對象巖體內(nèi)部蘊藏有原巖應(yīng)力； 巖石力學(xué)是一種不連續(xù)體力學(xué)，即裂隙介質(zhì)力學(xué)，節(jié)理裂隙將影響巖體工程穩(wěn)定性；巖體強度是一種殘余強度；開挖施工因素將影響巖體工程的穩(wěn)定性； 在巖體工程計算中存在大量不確定性因素，必須把巖體工程看成是一個“人地”系統(tǒng)而用系統(tǒng)論的方法來進行研究 。 1.2 礦山巖石力學(xué)的基本概念 因此，在采礦工程中更要注重發(fā)揮圍巖自身承載能力，重視支護與圍巖相互作用的研究及應(yīng)用，重視施工因素對巖石工程穩(wěn)定性的影響研究，充分考慮采礦工程的臨時性、移動性和受礦體賦存條件制約的特點。 我們所說的采礦通常是指固體礦床地下開采，即：地下開采和露天開采。在煤礦行業(yè)，地下開采又常稱為“

11、井工開采”或標準采礦等，由于露天開采對地表破壞、環(huán)境污染較嚴重, 也稱為非標準采礦。采礦分類露天采礦特殊采礦海洋采礦海底熱液砂床開采海底錳結(jié)核開采海水化學(xué)元素提取海底基巖礦床開采熱液采礦容浸采礦水溶采礦鹽湖礦床開采飾面石材開采機械開采水力機械采砂采砂船開采砂礦床露天開采固體礦床露天開采海底砂礦開采地下采礦金屬礦地下開采煤炭地下開采非金屬礦地下開采固體礦床開采煤及油母頁巖地下氣化 油氣田與石油開采撫順西露天煤礦采場煤礦露天開采有底柱分段充填采礦（地下開采）1回風(fēng)平巷6墊板5充填料2順路天井-7 電耙絞車8天井30509運輸平巷0.30.41-1.225-304廢石溜井3溜礦井厚煤層地下開采 無論

12、是地下開采還是露天開采都可抽象為對原有地殼的一種人為破壞活動，或稱是一種人為的有目的在地殼巖體中的大規(guī)模開挖活動。這種開挖活動破壞了巖體原有應(yīng)力平衡狀態(tài)，引起了巖體內(nèi)部應(yīng)力重新分布，其結(jié)果表現(xiàn)為開掘的井、巷、硐、工作面、露天礦采場邊坡等的周圍巖體變形、移動、甚至破壞，直到巖體內(nèi)部重新形成一個新的應(yīng)力平衡狀態(tài)為止，見下圖。 礦體礦體井筒巷道（1）巖石： 指由礦物組成的構(gòu)成地殼的主要物質(zhì)。1）它可以是尺寸很小的礦物顆粒，也可以是相當大的巖快；2）巖石從巖體中取出后，原巖應(yīng)力得到了解除，但某些巖石具有記憶其賦存環(huán)境原巖應(yīng)力的特性；3）巖石中可能含有不貫通或微小裂紋、空隙或膠結(jié)強度很高的層理，但不包含

13、弱面，是完整巖快 ；4）強度較含若面的巖體高很多。 1.2.1 基本概念(6個)（2）巖體： 指賦存在一定地質(zhì)環(huán)境(應(yīng)力場、滲流場和地溫場)中的經(jīng)受過變形、遭受過破壞，由一定巖石成分組成，含有一定結(jié)構(gòu)的地質(zhì)體。 1）巖體要有足夠大的體積 ；2）巖體受節(jié)理、裂隙、斷層或?qū)永淼冉Y(jié)構(gòu)面(或稱弱面，裂隙系統(tǒng))削弱 ；3）巖體是非均質(zhì)的各向異性的不確定的裂隙體；4）巖體內(nèi)存在初始地應(yīng)力 ，i.e.原巖應(yīng)力；5）巖體的組成物質(zhì)是巖石和結(jié)構(gòu)面。 (3)礦山壓力（i.e.礦壓、地壓、巖壓）： 指人類采掘活動引起巖體內(nèi)部應(yīng)力的重新分布，或者說是指人類采掘活動而在井巷、硐室、及回采工作面圍巖和其中的支護體上所引起

14、的力。 嚴格講，礦山壓力應(yīng)包括地采和露采兩部分內(nèi)容，但由于傳統(tǒng)的觀念和習(xí)慣，礦山壓力通常指與地采有關(guān)的內(nèi)容。 (4)礦山壓力顯現(xiàn)（.i.e.礦壓顯現(xiàn)、地壓顯現(xiàn)）： 在礦山壓力作用下，會引起各種力學(xué)現(xiàn)象，如頂板下沉、底板臌起、巷道斷面縮小、巖體破壞脫落母體甚至大面積冒落，煤被壓松產(chǎn)生片幫或突然拋出，支架嚴重變形或損壞，以及大面積巖層移動，地表發(fā)生塌陷等等。 這些由于礦山壓力作用，使圍巖、礦體和各種支撐物產(chǎn)生的變形和破壞的現(xiàn)象，通稱為“礦山壓力顯現(xiàn)”。 1-危險山體2-滑動方向3-裂縫4-崩礦柱方向5-礦柱6-AE監(jiān)測孔622370252m1999年下半年2000年上半年地壓顯現(xiàn)實例 (5)礦山壓

15、力控制（礦壓控制、地壓控制）： 隨著大規(guī)模開采活動及礦壓顯現(xiàn)給工作帶來嚴重危害，為使礦壓顯現(xiàn)不致影響采礦工作正常進行和保障安全生產(chǎn)，必須采取各種技術(shù)措施把礦山壓力顯現(xiàn)控制在一定的范圍內(nèi)，對有利于采礦生產(chǎn)的礦山壓力顯現(xiàn)也要合理的利用。 所有改變和利用礦山壓力作用的各種方法，均叫做礦山壓力控制。 礦山壓力、礦山壓力顯現(xiàn)、礦山壓力控制是礦山巖石力學(xué)研究的主要內(nèi)容。(6)礦山巖石力學(xué)： 是研究自然和采動影響所造成的礦山應(yīng)力場中，有關(guān)礦山巖體和工程結(jié)構(gòu)的強度、變形和穩(wěn)定性的科學(xué)。 它既是固體力學(xué)的一個應(yīng)用分支，也是采礦工程的理論基礎(chǔ) 。1.2.2 采礦工程的5個力學(xué)特點1）采礦工程的移動特性（特有） 采

16、礦空間移動，一般壽命35年、最長也不過3050年，多種采動空間相互影響與迭加。因此，存在多次采動影響，且其計算精度、安全系數(shù)及加固要求均低于國防、水利工程。 2）采礦工程受礦床賦存條件的限制 （特有） 采礦工程結(jié)構(gòu)物的位置選擇性不大。同時，采掘工作面不斷變化，因而，采礦工程巖石力學(xué)具有復(fù)雜性。 3）巖體工程的巖體結(jié)構(gòu)本質(zhì) 與地面工程不同，地下工程圍巖既是載荷，也是一種承載結(jié)構(gòu)，施載體系與承載體系之間沒有明顯界限。4）巖體工程中圍巖大變形和支護體的可縮特性 5）巖體工程中的能量原理和動力現(xiàn)象 沖擊礦壓、頂板大面積來壓、煤與瓦斯突出，是煤、巖中聚集能量突然、猛烈地釋放。1.2.3 礦山巖石力學(xué)對采

17、礦工程的作用 （1）生態(tài)環(huán)境保護 地下水破壞、地表沉降、廢(矸)石山占地等。（2）保證安全和正常生產(chǎn) 頂板事故、巷道和邊坡穩(wěn)定等，掌握礦壓活動規(guī)律，指導(dǎo)設(shè)計和生產(chǎn)組織，保障正常、安全生產(chǎn)。（3）減少地下資源損失 掌握礦壓活動規(guī)律，減少頂板等事故，選擇合理礦柱尺寸, 甚至取消礦柱而連續(xù)開采, 減少礦石資源損失。（4）改善地下開采技術(shù) 地下開采技術(shù)的進步與對礦壓顯現(xiàn)規(guī)律的深刻認識和礦壓控制手段的改善有密切關(guān)系。（5）提高開采經(jīng)濟效果 礦壓顯現(xiàn)預(yù)測、支護質(zhì)量與頂板動態(tài)監(jiān)測、信息反饋、確定優(yōu)化的礦壓控制措施與開采設(shè)計等，提高開采效益。 綜上所述，掌握礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，研究礦壓控制的有效方法，對采礦生產(chǎn)有十

18、分重要意義。1.3.1 巖石力學(xué)研究的主要領(lǐng)域與問題 （1）采礦工程。露天采礦邊坡設(shè)計及穩(wěn)定加固技術(shù)；井下開采中巷道和采場圍巖穩(wěn)定性問題，特別是軟巖巷道和深部開采地壓控制問題；采場穩(wěn)定性及開采優(yōu)化(采場結(jié)構(gòu)、開采順序、開挖步驟等)設(shè)計問題；礦井突水預(yù)測、預(yù)報及預(yù)處理理論和技術(shù)；巖爆、煤與瓦斯突出預(yù)測及預(yù)處理理論和技術(shù)；采空區(qū)處理及地面沉降控制技術(shù)；巖石破碎問題。 （2）水利水電工程。壩基及壩肩穩(wěn)定性、防滲加固理論和技術(shù)；有壓和無壓引水隧道設(shè)計、施工及加固理論技術(shù)；大跨度高邊墻地下廠房的圍巖穩(wěn)定及加固技術(shù)；高速水流沖刷的巖石力學(xué)問題；水庫誘發(fā)地震的預(yù)報問題；庫岸穩(wěn)定及加固方法。 （3）鐵道和公路

19、建設(shè)工程。線路邊坡穩(wěn)定性分析；隧硐設(shè)計和施工技術(shù)；隧硐施工中的地質(zhì)超前預(yù)報及處理技術(shù)；高地應(yīng)力區(qū)的巖爆控制理論及處理技術(shù)；隧硐入口施工技術(shù)及洞臉邊坡角的確定和加固措施；地鐵施工技術(shù)。 （4）土木建筑工程。高層建筑地基處理與加固技術(shù)；大型地下硐室、地下建筑空間設(shè)計、施工與加固理論技術(shù)；地面建筑物沉降、傾斜控制和糾偏技術(shù)；山城或山坡及臨坡建筑物基礎(chǔ)滑坡監(jiān)測預(yù)報與防治技術(shù)。（5）石油工程。巖石應(yīng)力與巖石滲透性；巖石力學(xué)與地球物理勘探綜合研究；鉆探技術(shù)與井壁穩(wěn)定性；巖石力學(xué)與采油技術(shù)（水壓致裂、水平鉆孔）；油層壓縮及地表沉陷；石油、天然氣運輸、儲存工程及環(huán)境影響。（6）國土滑坡防治工程。巖石力學(xué)與滑坡

20、勘察綜合技術(shù)研究；滑坡監(jiān)測與穩(wěn)定性評價技術(shù)；滑坡治理技術(shù)。（7）海洋勘探與開發(fā)工程。 （8）核電站建設(shè)中核廢料處理技術(shù)。（9）地層熱能資源開發(fā)技術(shù)問題。（10）地震預(yù)報中的巖石力學(xué)問題。1.3.2 礦山巖石力學(xué)的研究內(nèi)容 礦山巖石力學(xué)的服務(wù)對象是采礦工程, 這個服務(wù)對象決定了礦山巖石力學(xué)的研究內(nèi)容要以自然和采動影響所造成的礦區(qū)應(yīng)力場為核心，探索礦山巖體和工程結(jié)構(gòu)的強度、穩(wěn)定性和變形。 深部開采將面臨5個轉(zhuǎn)變與挑戰(zhàn)：硬巖礦井向軟巖大變形礦井轉(zhuǎn)變、非突礦井向突出礦井轉(zhuǎn)變、非沖擊礦井向沖擊礦井轉(zhuǎn)變、煤礦低瓦斯礦井向高瓦斯礦井轉(zhuǎn)變、低溫礦井向高溫礦井轉(zhuǎn)變。 采礦工程將面臨10大探索：探索工程巖體的力學(xué)

21、特性、連續(xù)性問題、本構(gòu)關(guān)系及參數(shù)確定方法、強度確定方法、強度破壞準則、巖體結(jié)構(gòu)的唯一性問題、非線性力學(xué)設(shè)計方法、大變形問題、巷道荷載計算方法和穩(wěn)定性與災(zāi)害控對策。（學(xué)習(xí)目標） 因此，礦山巖石力學(xué)的基本學(xué)習(xí)內(nèi)容有： 1)巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì)；2) 結(jié)構(gòu)面的力學(xué)性質(zhì)；3)巖體的力學(xué)性質(zhì)及其分類；4) 巖體的初始應(yīng)力及其測量；5)地下硐室圍巖穩(wěn)定性分析與控制；6)礦山地壓顯現(xiàn)規(guī)律；7)采場地壓與控制；8)露天開采邊坡穩(wěn)定性分析與控制; 9)地壓現(xiàn)場觀測與分析。1.3.3 礦山巖石力學(xué)的研究方法工程地質(zhì)研究法 研究巖石和巖體的地質(zhì)與結(jié)構(gòu)特征, 為巖體力學(xué)的進一步研究提供地質(zhì)模型和地質(zhì)資料。 試驗法

22、為巖體變形和穩(wěn)定性分析計算提供必要的物理力學(xué)參數(shù)?，F(xiàn)場觀測，為研究和穩(wěn)定性評價提供依據(jù)。 數(shù)學(xué)力學(xué)分析法 通過建立巖體力學(xué)模型和利用適當?shù)姆治龇椒?，預(yù)測巖體在各種力場作用下的變形與穩(wěn)定性， 為設(shè)計和施工提供定量依據(jù)。綜合分析法 采用多種方法考慮各種因素(包括工程的、地質(zhì)的及施工的等)進行綜合分析和綜合評價，得出符合實際情況的正確結(jié)論。1.4 巖石力學(xué)面臨的發(fā)展機遇 1）我國大規(guī)模的基本建設(shè) 高層建筑、隧道橋梁、城市地鐵、其他基本設(shè)施 2）五大工程建設(shè) 金沙江梯級電站工程、南水北調(diào)工程、青藏鐵路工程、西氣東輸工程、三峽工程事后的滑坡與地震防治 3）資源開采 深部固體資源、液體資源、氣體資源開采

23、4）海底隧道建設(shè) 渤海海底隧道、臺灣海峽海底隧道等1)巖石力學(xué)與材料力學(xué)、彈塑性力學(xué)和流變力學(xué)等有著縱向聯(lián)系。人們運用這些理論使巖石力學(xué)得到發(fā)展。2)巖體工程的圍巖賦存在一定的地質(zhì)環(huán)境之中。因此，巖體力學(xué)與工程地質(zhì)學(xué)、構(gòu)造地質(zhì)學(xué)和地質(zhì)力學(xué)有著十分密切的聯(lián)系。3)巖石力學(xué)是為解決巖體工程中的力學(xué)問題服務(wù)的。這些工程學(xué)科包括：采礦和其它地下空間工程、交通工程、水電工程、國土滑坡治理工程和基礎(chǔ)工程等。因此，巖體力學(xué)是各種巖體工程學(xué)科的專業(yè)理論基礎(chǔ)。1.5 巖體力學(xué)與其他學(xué)科的關(guān)系1.6 巖石力學(xué)的分支學(xué)科工程巖體力學(xué)為各類建筑工程及采礦工程等服務(wù)的巖體力學(xué)，重點是研究工程活動引起的巖體重分布應(yīng)力以及

24、在這種應(yīng)力場作用下工程巖體 ( 如邊坡巖體、地基巖體和地下洞室圍巖等)的變形和穩(wěn)定性。構(gòu)造巖體力學(xué)為構(gòu)造地質(zhì)學(xué)、找礦及地震預(yù)報等服務(wù)的巖體力學(xué)，重點是探索地殼深部巖體的變形與斷裂機理，為此需研究高溫高壓下巖石的變形與破壞規(guī)律以及與時間效應(yīng)有關(guān)的流變特征。破碎巖石力學(xué)為掘進、鉆井及爆破工程服務(wù)的巖體力學(xué)，主要是研究巖石的切割和破碎理論以及巖體動力學(xué)特性。1. 7 目前礦壓研究中的某些不足 （1）過于依賴確定性力學(xué)理論，對巖體介質(zhì)的認識與實際不符合。 （2）理論研究的可用性不足。 （3）現(xiàn)場應(yīng)用的方便性與觀測的簡潔性有待改進 （4）對工程實踐的指導(dǎo)性1.8 礦山巖石力學(xué)的學(xué)習(xí)方法 1）了解發(fā)展簡史

25、，打破學(xué)習(xí)局限性、盲目性 2）認識采礦工程和工程地質(zhì)問題，使學(xué)習(xí)有針對性和方向感 3）掌握基本理論和概念 4）積累工程經(jīng)驗 5）盡可能多了解、掌握設(shè)計、計算、分析方法和現(xiàn)場地壓控制方法及其適用條件 (包括相關(guān)和相近的領(lǐng)域或方法) 。礦山巖石力學(xué)2 巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì)(本章內(nèi)容6-8學(xué)時授課、4學(xué)時實驗)1 巖石的物理性質(zhì)（掌握密度 、容重，其它了解） 2 巖石的力學(xué)性質(zhì)（掌握巖石的抗壓強度、抗拉強度、抗剪強度及其實驗室測定方法，單軸壓縮變形特性，應(yīng)力應(yīng)變?nèi)^程曲線，巖石在三軸壓縮條件下的力學(xué)特性）3 巖石的擴容（了解）4 巖石的流變（難點，理解流變、蠕變、松弛、彈性后效概念及基本元件，知道

26、建立本構(gòu)方程和推導(dǎo)分析巖石流變性質(zhì)的方法）5 巖石的各向異性（了解）6 影響巖石力學(xué)性質(zhì)的主要因素（了解） 7 巖石的強度理論（掌握莫爾-庫倫理論及判據(jù)） 關(guān)鍵術(shù)語: 密度；容重；巖石空隙性；空(孔)隙率；空(孔)隙比；巖石水理性；吸水率；飽水率；飽水系數(shù)；巖石透水性；滲透系數(shù)；巖石碎脹性；松散性；碎脹系數(shù)；松散系數(shù)；巖石軟化性；軟化系數(shù)；脆性、塑性、延性、粘性（流變性）；蠕變；松弛；彈性后效；擴容；各向異性；巖石的強度；抗壓強度；抗拉強度；抗剪強度；峰值強度；長期強度；殘余強度；巖石的變形；全應(yīng)力應(yīng)變曲線；剛性壓力機；強度理論。 要求：1、須掌握本課程重點內(nèi)容；2、了解巖石的擴容、各向異性；

27、3、了解影響巖石力學(xué)性質(zhì)的因素；4、理解巖石流變概念及基本元件的本構(gòu)模型，了解馬克思威爾、開爾文體的性質(zhì)的推導(dǎo)、分析過程。 巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì)是巖體最基本、最重要的性質(zhì)之一，也是巖石力學(xué)學(xué)科中研究最早、最完善的內(nèi)容之一。巖石由固體、水、空氣等三相組成。2.1 巖石的物理性質(zhì) 1）密度（）和容度( )： 單位體積巖石的質(zhì)量稱為巖石的密度。單位體積的巖石的重量稱為巖石的重度。 =M/V（103kg/m3） =g(kN /m3) 巖石密度可分為天然密度、干密度和飽和密度。 巖石容度也可分為天然容度、干容度和飽和容度。a)天然密度（）和天然容度（）指巖石在天然狀態(tài)下的密度和容度。b)干密度（d）和

28、干容度(d )指巖石孔隙中的液體全部被蒸干后的密度和容度。105110o烘箱下烘干24h，干燥器內(nèi)冷卻再測定c)飽和密度（b）和飽和容度(b) 飽水狀態(tài)下巖石試件的密度和容重。常溫、常壓下巖樣浸水48小時再測定測試方法：量體積法、蠟封法一般未說明含水狀況時，即指干密度d 。 2）比重(Gd 、) 巖石的比重是巖石（干燥）的重量和4時同體積純水重量的比值，其計算公式為： Gd =Wd /(Vdw)=d /w = d /w 小開型空隙空隙閉型空隙開型空隙大開型空隙3)空隙：巖石中孔隙和裂隙的總稱?？障缎裕褐笌r石的裂隙和孔隙發(fā)育程度，其衡量指標為空隙率(n)或孔隙比(e)。n=Vkx /V=（b -

29、d）/w 閉型空隙：巖石中不與外界相通的空隙。開型空隙：巖石中與外界相通的空隙。在常溫下水能進入大開型空隙，而不能進入小開型空隙。只有在真空中或在150個大氣壓以上,水才能進入小開型空隙。 4)巖石的水理性質(zhì) 巖石遇水后會引起某些物理、化學(xué)和力學(xué)性質(zhì)的改變,這種性質(zhì)稱為巖石的水理性。 a)巖石的天然含水率=(Mw /Md )=(-d)/d b)巖石的吸水性 巖石吸收水分的性能稱為巖石的吸水性，其吸水量的大小取決于巖石空隙體積的大小及其密閉程度。巖石的吸水性指標有吸水率、飽水率和飽水系數(shù)。 c）耐水指數(shù)：表示巖石耐水性的指標有膨脹壓力指標、膨脹變形指標和耐崩解性指數(shù)。 平衡加壓法試驗中不斷加壓，

30、并保持體積不變，所測得的最大壓力即為巖石的最大膨脹力；然后逐級減壓，直至荷載為0，測定其最大膨脹變形量，膨脹變形量與試件原始厚度的比值即為膨脹率。 巖石的崩解性指用來估價在經(jīng)受干燥及濕潤兩個標準循環(huán)之后巖石樣品對軟化及崩解作用所表現(xiàn)出的抵抗能力。用耐崩解指數(shù)表示，指標可在實驗室用干濕循環(huán)試驗確定。 試驗過程：將經(jīng)過烘干的試塊（500g,分成約10塊），放在帶有篩孔的圓筒內(nèi)，使該圓筒在水槽中以20r/min,連續(xù)旋轉(zhuǎn)10 min,然后將留在圓筒內(nèi)的巖塊取出烘干稱重，如此反復(fù)進行兩次，計算耐崩解指數(shù)。 d)巖石的透水性:巖石通過孔隙、裂隙而能透水的性能稱為巖石的透水性。巖石的透水性大小不僅與巖石的

31、空隙度大小有關(guān)，而且還與空隙大小及其貫通程度有關(guān)。 衡量巖石透水性的指標為滲透系數(shù)(K)。一般來說，完整密實的巖石的滲透系數(shù)往往很小。巖石的滲透系數(shù)一般是在鉆孔中進行抽水或壓水試驗而測定的。 e)巖石的軟化性：巖石浸水后強度降低的性能稱為巖石的軟化性。軟化性常用軟化系數(shù)c衡量，是指巖樣飽水狀態(tài)的抗壓強度與自然狀態(tài)抗壓強度的比值 。 各類巖石的c=0.450.9之間。 c 0.75， 巖石軟化性弱、抗水、抗風(fēng)化能力強； c 55mm時， k=0.7540+0.0058 D1234567三、三軸抗壓強度三軸壓縮試驗加載示意圖真三軸12 3假三軸12=3 三軸壓縮剪切試驗：抗剪強度曲線= c+tg巖

32、石的三向抗壓強度1c： 巖石在三軸壓縮下的極限應(yīng)力1c為三軸抗壓強度，它隨圍壓增大而升高。在圍壓為零或較低時，大理石試件以脆性方式破壞，沿一組傾斜的裂隙破壞。隨著圍壓的增加，試件的延性變形和強度都不斷增加，直至出現(xiàn)完全延性或塑性流動變形，并伴隨工作硬化，試件也變成粗腰桶形的。在試驗開始階段，試件體積減小，當達到抗壓強度一半時，出現(xiàn)擴容，泊松比迅速增大。馮卡門大理巖經(jīng)典三軸試驗 按照莫爾包絡(luò)線和幾何關(guān)系,可按下式計算三向抗壓強度和c、 值:1c 巖石的三向抗壓強度；c 巖石的單向抗壓強度； 巖石的內(nèi)摩擦角； c 巖石的內(nèi)聚力；3 圍壓；t 巖石抗拉強度。31sin1sin1sss-+=cctg

33、=(c-t)/2(ct)1/2c =(c t)1/2 /2 c、 取值方法之二：c=c+tg莫爾強度包絡(luò)線上c、取值 一種方法是將包絡(luò)線和軸的截距定為c，將包絡(luò)線與軸相交點的包絡(luò)線外切線與軸夾角定為內(nèi)摩擦角。另一種方法建議根據(jù)實際應(yīng)力狀態(tài)在莫爾包絡(luò)線上找到相應(yīng)點，在該點作包絡(luò)線外切線，外切線與軸夾角為內(nèi)摩擦角，外切線及其延長線與軸相交之截距即為c。實踐中采用第一種方法的人數(shù)多。四、巖石的單軸抗拉強度t 1、直接拉伸試驗APt-=s123451-橡皮密封套；2-清掃縫；3-液壓P；4-橡皮套；5-巖石試件限制性直接拉伸裝置示意圖 試件斷裂時的3值就是巖石的抗拉強度： 3 =P（d22- d12）

34、/ d12 試件受1=2=P的側(cè)向壓應(yīng)力 2、間接拉伸試驗圓餅試件： （A） 劈裂法（巴西試驗法）tdPtps2-=t =2Py/(dt) t =2Py/(dt) t =2Py/(dt) t =2Py/(dt) tdyPtps2-=修正t=x=-2P/dty=6P/dt方形試件：式中：P破壞時的荷載，N; a，h方形試件邊長和厚度，cm。ahPtps2-=不規(guī)則試件（加壓方向應(yīng)滿足h/a1.5 ）： 式中：P破壞時的荷載，N; a加壓方向的尺寸； h厚度； V不規(guī)則試件的體積。 由于巖石中的微裂隙，在間接拉伸試驗中，外力都是壓力，必然使部分微裂隙閉合，產(chǎn)生摩擦力，從而使測得的抗拉強度值比直接拉

35、伸法測得的大。3/2VPt-=s （B） 點荷載試驗法 經(jīng)驗公式：P破壞時的荷載，N；D 試件直徑；cm。 試件直徑1.273.05cm296.0DPt-=s 巖石的抗拉強度遠遠小于其抗壓強度，一般為抗壓強度的1/81/25，甚至為1/50 五、巖石的剪切試驗及強度f 1)剪切面上無壓應(yīng)力的剪切試驗直接剪切試件尺寸：直徑或邊長不小于50mm，高度應(yīng)等于直徑或邊長。改變P，即可測得多組、，作出曲線。 2）剪切面上有壓應(yīng)力的剪切試驗直剪AT=tAP=Hoek直剪儀（剪切盒） 3）斜剪試驗-變角剪切 忽略端部摩擦力，根據(jù)力的平衡原理，作用于剪切面上的法向力N和切向力Q可按下式計算：N = Pcos

36、Q = Psin剪切面上的法向應(yīng)力和剪應(yīng)力為：atsinAPAQ=ascosAPAN=4) 殘余剪切強度 當剪切面上剪應(yīng)力超過了峰值剪切強度后，剪切破壞發(fā)生，然后在較小的剪切力作用下就可使巖石沿剪切面滑動。能使破壞面保持滑動所需的較小剪應(yīng)力就是破壞面的殘余剪切強度。 圖中abc?？傊?，三軸抗壓雙向抗壓單向抗壓抗剪抗拉 a bc 幾種巖石的強度值巖石種類抗壓強度/MPa抗拉強度/MPa彈性模量/MPa泊松比內(nèi)摩擦角/o內(nèi)聚力/MPa花崗巖流紋巖安山巖輝長巖玄武巖砂巖頁巖石灰?guī)r白云巖片麻巖大理巖石英巖板巖10025018030010025018030015030020200101005020080

37、2505020010025015035060200725153010201535103042521052015255207201030715510510512715612110285104811019620280.20.30.10.250.20.30.10.20.10.350.20.30.20.40.20.350.20.350.20.350.20.350.10.250.20.3456045604550505548553550153035503550305035505060456014501050104010502060840320105020503515302060220 彈性：指物體在外力作

38、用下發(fā)生變形，當外力撤出后變形能夠恢復(fù)的性質(zhì)。按變形恢復(fù)的路徑分為完全彈性和滯彈性，完全彈性的特例線彈性。按變形恢復(fù)的時間分為瞬時彈性變形和彈性后效彈性變形。 塑性：指物體在外力作用下發(fā)生變形，當外力撤出后變形不能恢復(fù)的性質(zhì)。不能恢復(fù)的變形稱為塑性變形、或永久變形、殘余變形。 脆性：物體在外力作用下變形很小時就發(fā)生破壞的性質(zhì)。 延性：物體能夠承受較大的塑性變形而不喪失其承載能力的性質(zhì)。 粘性（流變性）：物體受力后變形不能在瞬間完成，且應(yīng)變速度（d/dt）隨應(yīng)力大小而變化的性質(zhì)。2.2.2 巖石的變形特性(a) 線彈性(b) 非線彈性(c) 滯彈性pder0(d) r彈性后效變形瞬時彈模： E

39、e=/e；包括彈性后效的彈模： E =/(e+r)；變形模量： Es=/(d +e+r) =/。 直線斜率 任意點割線斜率滯彈線曲線上P點切線斜率理想塑性體00理想粘性體0d /dt線性硬化彈塑性體理想彈塑性體理想彈性體一、巖石在單軸壓縮狀態(tài)下的變形特性 1）曲線的基本形狀 美國學(xué)者米勒將曲線分為6種。I型：彈性變形II型：彈塑性變形玄武巖、石英巖、白云巖、極堅固的石灰?guī)r、輝綠巖等致密、堅硬和少裂隙 泥灰質(zhì)石灰?guī)r、泥巖以及凝灰?guī)r等少裂隙、巖性較軟 致密、堅硬、多裂隙較多裂隙、巖性較軟2）剛性壓力機與全應(yīng)力應(yīng)變曲線剛度K：指物體產(chǎn)生單位位移所需的外力。彈性變形能W：式中： K物體的剛度，kN/m

40、m; p外力，N; u在外力作用下的位移。KPPuW2212=(a)CCDB(c) 1)OA段：微裂隙閉合階段，微裂隙壓密極限A。 2)AB段：近似直線，彈性階段，B 為彈性極限。 3)BC段：屈服階段，C為屈服極限。 4)CD段：破壞階段,D為強度極限,即單軸抗壓強度。 5)DE段：即破壞后階段,E為殘余強度。 一般將2）、3）2段合并為一段分析； C約為單軸抗壓強度的2/3。 1、彈性巖石：加載曲線和卸載曲線重合。 2、彈塑性巖石：卸載點應(yīng)力高于彈性極限，產(chǎn)生回滯環(huán) 3、塑彈性巖石或塑彈塑巖石：回滯環(huán)3)單軸壓縮下反復(fù)加、卸載的巖石變形特性4)全應(yīng)力一應(yīng)變曲線的工程意義 a)巖爆預(yù)測全應(yīng)力

41、一應(yīng)變曲線預(yù)測巖爆示意圖 Ue= Ue1+ Ue2Ue1Ue2Us=A+BUs=A+BUe=Ue1試驗機上試件巖爆時釋放的能量 試驗機對試件壓力P 降低的速度巖石強度降低的速度時將發(fā)生巖爆；巖爆的發(fā)生取決與巖石性質(zhì)和加載速率,與(A-B)無關(guān)采用剛性試驗機進行單軸壓縮試驗，能獲得巖石的全應(yīng)力應(yīng)變曲線，但是，改變加載速率，使加載壓力的降低速度小于巖石強度的降低速度，可以造成巖爆的發(fā)生。蠕變終止軌跡線全應(yīng)力一應(yīng)變曲線預(yù)測蠕變破壞 b）預(yù)測蠕變破壞 2) 當 H G時, 蠕變發(fā)展到與終止軌跡HI相交就停止，巖石不破壞；3）當 G 時, 蠕變發(fā)展到最后就和全應(yīng)力一應(yīng)變曲線右半部曲線相交，此時試件將發(fā)生

42、破壞；應(yīng)力水平越高，從蠕變發(fā)生到破壞的時間越短。4) = G時巖石所能產(chǎn)生的蠕變值最大。1)當恒定應(yīng)力 H時，巖石試件不會發(fā)生蠕變；c）預(yù)測循環(huán)加載條件下巖石的破壞 2)若在C點的應(yīng)力水平下遭受循環(huán)荷載作用，則可以經(jīng)歷相對較長一段時間，巖體工程才會發(fā)生破壞。 3)根據(jù)巖石本身已有受力水平，循環(huán)荷載的大小、周期、可根據(jù)全應(yīng)力一應(yīng)變曲線來預(yù)測循環(huán)加載條件下巖石發(fā)生破壞的時間。 1)從A點施加循環(huán)荷載, 永久變形發(fā)展到B點, 巖石就破壞了。這表明，當巖體工程本身處于較高受力狀態(tài)，若再出現(xiàn)循環(huán)荷載，則巖體工程將非常容易發(fā)生破壞。 1）巖石在常規(guī)三軸試驗條件下的變形特性二、三軸壓縮狀態(tài)下的巖石變形特性

43、巖石在常規(guī)三軸試驗條件下的變形特征通常用軸向應(yīng)變1與主應(yīng)力差(1-3)的關(guān)系曲線表示。反復(fù)加卸載對巖石變形的影響圖26 三軸應(yīng)力狀態(tài)下大理巖的應(yīng)力應(yīng)變曲線 圍壓對巖石變形的影響圍壓對巖石剛度的影響砂巖：孔隙較多，巖性較軟， 3增大，彈性模量變大。輝長巖：致密堅硬， 3增大，彈性模量幾乎不變。 三、巖石在真三軸試驗條件下的變形特性 巖石的真三軸試驗在20世紀60年代才開始的。 （a）3常數(shù)， 極限應(yīng)力1 隨2增大而增大，但破壞前的塑性變形量卻減??；破壞形式從延性向脆性變化； （b）2常數(shù)， 極限應(yīng)力1 隨3增大而增大，破壞前的塑性變形量增大，但屈服極限未變。破壞形式從脆性向延性變化。四、泊松比u

44、巖石在單軸壓縮下橫向應(yīng)變與縱向應(yīng)變之比。 1212aacceeeeu-=剪切模量GG =E/2（1+ u ） 拉梅常數(shù)= Eu/(1+u)(1-2u) 體積模量KvKv= E/3（1-2u） 2.3 巖石的擴容 一 、巖石的擴容現(xiàn)象 巖石的擴容現(xiàn)象是巖石具有的一種普遍性質(zhì)，是巖石在荷載作用下，其破壞之前產(chǎn)生的一種明顯的非彈性體積變形。 擴容-是指巖石受外力作用后,發(fā)生非彈性的體積膨脹。 多數(shù)巖石在破壞前都要產(chǎn)生擴容，擴容的快慢和大小與巖石本身的性質(zhì)、種類及其它因素有關(guān)。二、巖石的體積應(yīng)變 體積應(yīng)變單位體積的改變，稱為體積應(yīng)變，簡稱體應(yīng)變。 取一微小矩形巖石試件，邊長為dx、dy、dz，變形前的

45、體積為: dv=dxdydz，則變形后的體積為： dv+dv=(1+x)dx(1+y)dy(1+z)dz 變形后的體積增量為dV dv=(1+x) (1+y) (1+z) -1 dv展開上式，略去其中的高階微量，得 dv=x+y+z dv于是巖石試件的體積應(yīng)變?yōu)椋簐=x+y+z其中 x =x- u(y+z )/E y =y- u(z+x)/E z =z- u(x+y )/E將上面三式相加，可簡化為：v =(1-2 u)I1/E I1=x+y+z=1+2+3為應(yīng)力第一不變量，也稱體積應(yīng)力（Pa）。E / (1-2 u)為體積模量。三、巖石的體積應(yīng)變曲線在E、為常數(shù)時，巖石體積應(yīng)變曲線可分為三階段

46、： 在E點后，曲線向左彎曲，開始偏離直線段，開始出現(xiàn)擴容，表示巖體內(nèi)部開始產(chǎn)生微裂隙。E點應(yīng)力稱為初始擴容應(yīng)力。1)體積變形階段（OE） 彈性變形階段，體積應(yīng)變曲線呈線性變化。1|2+3| (105Pa)(10-4)2)體積不變階段（EF） 隨應(yīng)力增加，巖石體積雖有變形，但應(yīng)變增量近于0，體積大小幾乎無變化，且有 F點為突變(臨界)點3)擴容階段（FG） 隨應(yīng)力增加，巖石體積不是減小而是增大，最終導(dǎo)致試件破壞。此時，已不是常數(shù)。(105Pa)(10-4)321eee+=1 e32ee+D點為屈服點，應(yīng)力約為抗壓強度的86.51%，其它試件約為71.91%86.44% 2.4 巖石的流變性（時效

47、性、粘性） 一、流變的概念巖石的流變性是指巖石應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系隨時間而變化的性質(zhì)。流變性（粘性）蠕變松弛彈性后效蠕變現(xiàn)象當應(yīng)力保持恒定時，應(yīng)變隨時間增長而增大。松弛現(xiàn)象當應(yīng)變保持恒定時，應(yīng)力隨時間增長而逐漸減小的現(xiàn)象。彈性后效加載或卸載時，彈性應(yīng)變滯后于應(yīng)力的現(xiàn)象。二、巖石的蠕變性能1)巖石的蠕變特性 通常用蠕變曲線（-t曲線）表示巖石的蠕變特性。（1）穩(wěn)定蠕變：巖石在較小的恒定力作用下，變形隨時間增加到一定程度后就趨于穩(wěn)定，不再隨時間增加而變化，應(yīng)變保持為一個常數(shù)。穩(wěn)定蠕變一般不會導(dǎo)致巖體整體失穩(wěn)。（2）非穩(wěn)定蠕變：巖石承受的恒定荷載較大，當巖石應(yīng)力超過某一臨界值時，變形隨時間增加而增大，其變形

48、速率逐漸增大，最終導(dǎo)致巖體整體失穩(wěn)破壞。（3）巖石的長期強度：巖石的蠕變形式取決于巖石應(yīng)力大小，當應(yīng)力小于某一臨界值時，巖石產(chǎn)生穩(wěn)定蠕變；當應(yīng)力大于該值時，巖石產(chǎn)生非穩(wěn)定蠕變。則將該臨界應(yīng)力稱為巖石的長期強度。 2)巖石的典型蠕變曲線及其特征典型的蠕變曲線可分為4個階段： (1)瞬時彈性變形階段（OA）： (2)一次蠕變階段（AB）： （瞬態(tài)蠕變段） (3)二次蠕變階段（BC）： （等速或穩(wěn)定蠕變段） (4)三次蠕變階段（CD）： （加速蠕變段） 蠕變變形總量：=0+1(t)+2(t)+3(t)式中：0為瞬時彈性應(yīng)變；1(t)，2(t)，3(t)為與時間有關(guān)的一次蠕變、二次蠕變、三次蠕變。v

49、為粘塑性應(yīng)變， Q 為粘彈性應(yīng)變。E00se=022tdde022=tdde022tdde3)巖石的蠕變曲線類型類型1：穩(wěn)定蠕變 。曲線包含瞬時彈性變形、瞬態(tài)蠕變和穩(wěn)定蠕變3個階段( 為10MPa，12.5MPa）類型2：典型蠕變 。曲線包含4個階段( 為15MPa，18.1MPa）類型3：加速蠕變 。曲線幾乎無穩(wěn)定蠕變階段，應(yīng)變率很高（ 為20.5MPa，25MPa）4)巖石的流變模型 巖石的流變本構(gòu)模型 ：用于描述巖石應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系隨時間變化的規(guī)律。它是通過試驗理論應(yīng)用證實而得到的。本構(gòu)模型分類： 1、經(jīng)驗公式模型：根據(jù)不同試驗條件及不同巖石種類求得的數(shù)學(xué)表達式，這種表達式通常采用冪函數(shù)、指

50、數(shù)函數(shù)、對數(shù)函數(shù)的形式表達。2、微分模型：是在考慮施加的應(yīng)力不是一個常數(shù)時的更一般的情況下，采用微積分的形式表示應(yīng)力應(yīng)變時間關(guān)系的本構(gòu)方程。流變模型理論法 （簡單元件、組合模型）組合模型：將巖石抽象成一系列簡單元件（彈簧、阻尼器、摩擦塊），將其組合來模擬巖石的流變特性而建立的本構(gòu)方程。 a)經(jīng)驗公式模型 =0.4205t0.504410-4 =0.01968481e0.2617857t 2)基本元件彈性介質(zhì)性質(zhì)： a)具有瞬時變形性質(zhì)；b)常數(shù)，則也保持不變，故無蠕變性質(zhì)；c)0（卸載），則0，無彈性后效；d)常數(shù)，則保持不變，故無應(yīng)力松弛性質(zhì) 。 （1）彈性介質(zhì)及彈性元件（虎克體） ：可見，

51、虎克體、與時間t無關(guān)。（2）塑性介質(zhì)及塑性元件（庫倫體） 當:s ，=0 s , ss當s時，不滑動，無任何變形；若s時，變形無限增長。 卸載時，塑性變形停止，但已發(fā)生的塑性變形永久保留。因此，無瞬變、無蠕變、無松弛、無彈性后效 （3）粘性介質(zhì)及粘性元件（牛頓體） 加載瞬間，無變形。即當t=0時,=0,=0,則 c=0(1)當0時,=0 t/, 說明在受應(yīng)力0作用, 要產(chǎn)生相應(yīng)變形必須經(jīng)過時間t, 表明無瞬時變形, 粘性元件具有蠕變性質(zhì)；(2)0（卸載），則常數(shù)，故無彈性后效，有永久變形。(3)常數(shù)，則0，粘性元件不受力，故無應(yīng)力松弛性質(zhì)。 =t/ 粘性介質(zhì)性質(zhì)：牛頓體具有粘性流動的特點。塑性

52、元件具有塑性體變形（塑性變形也稱塑性流動）的特點。粘性流動：只要有微小的力就會發(fā)生流動。塑性流動：只有當應(yīng)力達到或超過屈服極限s才會產(chǎn)生流動。粘彈性體：研究應(yīng)力小于屈服極限時的應(yīng)力、應(yīng)變與時間的關(guān)系；粘彈塑性體：研究應(yīng)力大于屈服極限時的應(yīng)力、應(yīng)變與時間的關(guān)系；三、巖石的組合流變模型 1）彈塑性介質(zhì)模型圣維南（St）體 當:s ，則=1=/k =s , 保持不變，=2持續(xù)增大，s0，則彈性變形全部恢復(fù)，塑性變形停止，但已發(fā)生的塑性變形永久保留 因此，有瞬變、無蠕變、無松弛、無彈性后效2）馬克斯威爾模型（Maxwell）該模型由彈性元件和粘性元件串聯(lián)而成，可模擬變形隨時間增長而無限增大的力學(xué)介質(zhì)。

53、則 12 (a) 1 2 (b)馬克斯威爾模型本構(gòu)方程為：由(b): =12 = /k +/ 彈簧: 1= /k， 1= /k粘性元件: 2=/= /k +/A、蠕變曲線：當保持不變，即0常數(shù), =d/dt=0，代入本構(gòu)方程，得蠕變方程=0/解此微分方程，得=0t/+c 。t=0，在瞬時應(yīng)力0作用下,1=0 /k，2=0 所以c= = 0 /k馬克斯威爾體蠕變曲線：=0t/+0/k 0 t /tB、松弛曲線：保持不變, 則有0， 由本構(gòu)方程得松弛方程/=-k /，解此方程得： - kt/=ln+ c同樣，由初始條件， t=0，在瞬時應(yīng)力0作用下，c= ln0馬克斯威爾體松弛曲線: =0e -k

54、t/C、卸載曲線：在t時刻卸載,彈簧應(yīng)變瞬間恢復(fù)為0, 粘性元件則有永久變形=0t/, 因此, 無彈性后效總之，有瞬時變形、蠕變和松弛的性質(zhì)，無彈性后效0 t /t3）開爾文模型（Kelvi）k，1，1，2，22）蠕變方程施加不變0，本構(gòu)方程變?yōu)? k/= 0/ 解微分方程，得 = 0 / k+Ae(- kt/)當 t=0時，=0，由此可求得A=- 0/ k即，蠕變方程為 =（1- e- kt/ ）0/ k 1）本構(gòu)方程并聯(lián) =1+2,=1=2而 1=k1,2=2 =可得開爾文體的本構(gòu)方程為: = k +k，1，1，2，23）卸載方程t=t1卸載，則0，本構(gòu)方程變?yōu)椋?+k/=0解微分方程，有

55、 =Ae -kt /t= t1, =1, 即 A=1 e kt1 /因此，卸載方程為： =1 e k (t1-t) /4）松弛方程令應(yīng)變恒定，即=1=2=常數(shù)，此時本構(gòu)方程變?yōu)椋?k表明, 應(yīng)變保持恒定時, 應(yīng)力也保持恒定，并不隨時間增長而減小，即模型無應(yīng)力松弛性能?？傊_爾文體屬于穩(wěn)定蠕變模型，有彈性后效，沒有松弛性能，無瞬時變形，是一種粘彈性模型k，1，1，2，2四、模型識別及參數(shù)確定 模型識別即根據(jù)流變試驗曲線確定用何種組合流變模型來模擬這種巖石的流變特征。 蠕變曲線有瞬時彈性應(yīng)變段模型中則應(yīng)有彈性元件； 蠕變曲線在瞬時彈性變形之后應(yīng)變隨時間發(fā)展模型中則應(yīng)有粘性元件； 隨時間發(fā)展的應(yīng)變

56、能夠恢復(fù)彈性元件與粘性元件并聯(lián)組合； 巖石具有應(yīng)力松弛特征彈性元件與粘性元件串聯(lián)組合； 如果松弛是不完全松弛（應(yīng)力減小至s）模型中應(yīng)有塑性元件（賓漢模型）。復(fù)合體流變模型特性名稱符號表達瞬變?nèi)渥兯沙趶椥院笮д承粤鲃覵t.MaxwellKelvinGK.PThNCBurgersXYBinghamHCHNHNHKHMCNMKHKNCHNC+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+- 模型參數(shù)的確定，一般要通過數(shù)值計算，對于簡單模型，可用試驗數(shù)據(jù)直接確定模型參數(shù)。 例：馬克斯威爾模型有兩個參數(shù)k 和。k可由瞬時彈性應(yīng)變求出： 式中：o是蠕變試驗所施加的常應(yīng)力，o是瞬時彈性應(yīng)變。 00se=k馬克

57、斯威爾模型蠕變方程： 在曲線上任意取一點(t0)，可求得粘性系數(shù)：tkthsshsee0000+=+=00eesh-=t一、極端各向異性體的本構(gòu)方程 1、極端各向異性體物體內(nèi)任一點沿任何兩個不同方向的彈性性質(zhì)都互不相同。 2、特點：任何一個應(yīng)力分量都會引起6個應(yīng)變分量。也就是說正應(yīng)力不僅能引起線應(yīng)變，還能引起剪應(yīng)變。 2.5 巖石的各向異性為了說明問題，將6個應(yīng)力分量編號為：x y z xy yz zx 1 2 3 4 5 6將6個應(yīng)變分量產(chǎn)生的位置編號為：X軸 y軸 z軸 x-y面 y-z面 z-x面 1 2 3 4 5 6 則： x 所引起的6個應(yīng)變分量為：在x軸引起的線應(yīng)變?yōu)? a11x

58、 在y軸引起的線應(yīng)變?yōu)? a21x 在z軸引起的線應(yīng)變?yōu)? a31x 在x-y面引起的剪應(yīng)變?yōu)?a41x 在y-z面引起的剪應(yīng)變?yōu)?a51x 在z-x面引起的剪應(yīng)變?yōu)?a61x 二、正交各向異性體 1、概念 （1）彈性對稱面：在任意兩個與某個面對稱的方向上，材料的彈性相同（彈性常數(shù)相同），那么，這個面就是對稱面。 （2）彈性主向：垂直于彈性對稱面的方向為彈性主向。 （3）正交各向異性體：彈性體中存在3個互相正交的彈性對稱面，在各個對稱面的對稱方向上，彈性相同，但在這3個彈性主向上的彈性并不相同，這種物體稱為正交異性體。特點：正應(yīng)力分量只能引起線應(yīng)變，不引起剪應(yīng)變。剪應(yīng)力不會引起線應(yīng)變，只引起相

59、對應(yīng)的剪應(yīng)變分量三、橫觀各向同性體 1、概念 各向同性面： 某一平面內(nèi)的所有各方向的彈性性質(zhì)相同，這個面為各向同性面。 橫觀各向同性體：具有各向同性面，但垂直此面的力學(xué)性質(zhì)是不相同的，這類物體稱為橫觀各向同性體。2、特點 在平行于各向同性面的所有各個方向（橫向）都具有相同的彈性。 層狀巖體屬于橫觀各向同性體，平行于層面的各個方向是橫向，垂直層面的方向是縱向。 1、概念 各向同性體：物體內(nèi)任一點沿任一方向的彈性都相同。 2、特點：X、Y、Z三個方向的彈性相同，即四、各向同性體且:可見，各向同性體只有2個獨立的彈性常數(shù)E和。這是虎克定律和廣義虎克定律的適用條件，彈性和彈塑性力學(xué)范疇2.6 影響巖石

60、力學(xué)性質(zhì)的因素一、礦物成分對巖石力學(xué)性質(zhì)的影響1、礦物硬度的影響-硬度越大，彈性越明顯，強度越高。如巖漿巖，橄欖石等礦物含量的增多，彈性越明顯，強度越高；沉積巖中，砂巖的彈性及強度隨石英含量的增加而增高；石灰?guī)r的彈性和強度隨硅質(zhì)物含量的增加而增高；變質(zhì)巖中，含硬度低的礦物（如云母、滑石、蒙脫石、伊利石、高嶺石等）越多，強度越低。 2、不穩(wěn)定礦物的影響 3、粘土礦物的影響 二、結(jié)構(gòu)構(gòu)造對巖石力學(xué)性質(zhì)的影響1、巖石結(jié)構(gòu)的影響 巖石的結(jié)構(gòu)指巖石中晶?；驇r石顆粒的大小、形狀以及結(jié)合方式。 2、巖石構(gòu)造的影響 巖石的構(gòu)造指巖石中不同礦物集合體之間或礦物集合體與其他組成部分之間的排列方式及充填方式。 層理