巖石力學(xué)課件

巖石力學(xué)課件完整版本課件提供巖石力學(xué)課程的完整內(nèi)容，涵蓋巖石的物理性質(zhì)、力學(xué)特性、地質(zhì)力學(xué)等方面的知識(shí)，以及工程應(yīng)用案例。課程簡(jiǎn)介11.課程目標(biāo)培養(yǎng)學(xué)生理解巖石力學(xué)基本原理，掌握分析巖石力學(xué)行為的工具和方法。22.課程內(nèi)容包括巖石物理力學(xué)性質(zhì)、巖石強(qiáng)度特性、巖石變形特征、巖石破壞判據(jù)、巖石動(dòng)力學(xué)行為等。33.教學(xué)方式理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)相結(jié)合，課堂講授、案例分析、實(shí)驗(yàn)演示等多種教學(xué)方法。44.適用范圍適用于土木工程、地質(zhì)工程、采礦工程、水利工程等專業(yè)學(xué)生。巖石力學(xué)的基本概念巖石力學(xué)定義巖石力學(xué)是一門研究巖石在各種力作用下的力學(xué)行為，以及巖石的變形、破壞、穩(wěn)定性等問(wèn)題的學(xué)科。它為工程建設(shè)、礦山開采、水利工程等領(lǐng)域提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持。研究對(duì)象巖石力學(xué)研究的對(duì)象主要包括巖石的物理性質(zhì)、力學(xué)性質(zhì)、變形特性、強(qiáng)度特性、破壞機(jī)制、穩(wěn)定性等。巖石的物理力學(xué)性質(zhì)密度巖石的密度是指巖石單位體積的質(zhì)量。密度影響巖石的重量和地質(zhì)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。強(qiáng)度巖石強(qiáng)度是指巖石抵抗破壞的能力，體現(xiàn)為巖石抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度。彈性巖石的彈性是指巖石在受到外力作用后發(fā)生形變，當(dāng)外力去除后恢復(fù)原狀的能力?？紫堵蕩r石的孔隙率是指巖石中孔隙體積占巖石總體積的比例?？紫堵视绊憥r石的滲透性和儲(chǔ)層性能。巖石的孔隙結(jié)構(gòu)和滲透性巖石孔隙結(jié)構(gòu)巖石孔隙結(jié)構(gòu)是指巖石中孔隙的形態(tài)、大小、分布和連通性。滲透性巖石的滲透性是指流體在巖石孔隙中流動(dòng)的難易程度，影響著地下水流動(dòng)和油氣開采。影響因素孔隙度孔隙形狀孔隙連通性巖石的變形特征彈性變形巖石在受到外力作用時(shí)會(huì)發(fā)生彈性變形，外力去除后能恢復(fù)到原始狀態(tài)。彈性變形是可逆的。塑性變形巖石在超過(guò)彈性極限后，將發(fā)生塑性變形，外力去除后不能完全恢復(fù)到原始狀態(tài)。蠕變變形在持續(xù)載荷作用下，巖石會(huì)隨著時(shí)間的推移發(fā)生緩慢的變形，稱為蠕變變形。斷裂變形當(dāng)外力超過(guò)巖石的強(qiáng)度極限時(shí)，巖石將發(fā)生斷裂，形成裂縫或斷裂面。巖石的強(qiáng)度特性抗壓強(qiáng)度巖石在單軸壓縮狀態(tài)下抵抗破壞的能力。受巖石類型、結(jié)構(gòu)、孔隙度影響?？估瓘?qiáng)度巖石抵抗拉伸力的能力，通常比抗壓強(qiáng)度低得多，影響巖石的裂隙和強(qiáng)度?？辜魪?qiáng)度巖石抵抗剪切力的能力，受巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)和摩擦力影響，重要參數(shù)用于巖體穩(wěn)定性分析?？箯潖?qiáng)度巖石抵抗彎曲應(yīng)力的能力，與巖石的抗拉強(qiáng)度和韌性有關(guān)，反映巖石抵抗彎曲破壞的能力。巖石的應(yīng)變狀態(tài)分析巖石的應(yīng)變狀態(tài)分析是指對(duì)巖石內(nèi)部應(yīng)變的分布、變化規(guī)律和影響因素進(jìn)行研究。應(yīng)變是指物體在外力作用下產(chǎn)生的形變，是巖石力學(xué)的重要參數(shù)。應(yīng)變分析可以幫助我們了解巖石的變形特征、強(qiáng)度特性和破壞機(jī)理，為巖體工程的設(shè)計(jì)和施工提供重要的參考依據(jù)。圍壓下巖石的力學(xué)特性圍壓是巖石力學(xué)研究的重要參數(shù)之一。它模擬了巖石在地下所處環(huán)境中的應(yīng)力狀態(tài)，對(duì)巖石的強(qiáng)度、變形、破壞等力學(xué)特性有顯著影響。在圍壓作用下，巖石的強(qiáng)度和硬度會(huì)增加，彈性模量也會(huì)提高。這是因?yàn)閲鷫耗苡行У匾种茙r石的裂隙擴(kuò)展和微裂紋的產(chǎn)生。然而，隨著圍壓的不斷增大，巖石的變形也隨之增大，最終可能導(dǎo)致巖石的破壞。巖石的破壞形式主要包括脆性破壞和塑性破壞。巖石破壞判據(jù)和應(yīng)力分析破壞判據(jù)莫爾-庫(kù)侖準(zhǔn)則、格里菲斯準(zhǔn)則、霍克-布朗準(zhǔn)則等預(yù)測(cè)巖石在不同應(yīng)力狀態(tài)下的破壞應(yīng)力分析應(yīng)力集中、應(yīng)力路徑、應(yīng)力狀態(tài)演化等分析巖石內(nèi)部的應(yīng)力分布和變化巖石的可塑性和脆性11.可塑性巖石在承受外力作用時(shí)發(fā)生變形，且變形后不會(huì)恢復(fù)原狀，稱為可塑性。22.脆性巖石在承受外力作用時(shí)，變形量很小，一旦超過(guò)其強(qiáng)度極限，就會(huì)發(fā)生突然斷裂，稱為脆性。33.影響因素巖石的可塑性和脆性受巖石類型、圍壓、溫度、應(yīng)變速率等因素影響。44.工程意義巖石的可塑性和脆性對(duì)巖體穩(wěn)定性、隧道開挖、邊坡穩(wěn)定性等工程問(wèn)題有重要影響。巖石破壞形式拉伸破壞巖石受到拉伸應(yīng)力作用下，沿其最薄弱部位發(fā)生斷裂。剪切破壞巖石受到剪切應(yīng)力作用下，沿其最薄弱部位發(fā)生滑動(dòng)破壞。壓碎破壞巖石受到壓應(yīng)力作用下，由于內(nèi)部微裂紋擴(kuò)展和相互交匯，導(dǎo)致巖石發(fā)生破碎破壞。剝落破壞巖石表面因應(yīng)力集中或外力作用而發(fā)生層狀剝落現(xiàn)象。巖石動(dòng)力學(xué)行為巖石的動(dòng)態(tài)特性巖石在動(dòng)態(tài)載荷作用下的力學(xué)行為，例如地震、爆破、沖擊等。巖石的應(yīng)力波傳播巖石中應(yīng)力波的傳播規(guī)律，包括速度、衰減和反射等。巖石的沖擊破壞巖石在高速?zèng)_擊載荷下的破壞機(jī)制，例如隕石撞擊、爆破沖擊等。巖石的疲勞破壞巖石在循環(huán)載荷作用下的破壞，例如風(fēng)化、凍融、地震重復(fù)作用等。巖石的疲勞特性巖石疲勞是指巖石在循環(huán)加載作用下，其強(qiáng)度和變形能力逐漸降低，最終導(dǎo)致破壞的現(xiàn)象。巖石疲勞破壞是工程建設(shè)中常見的破壞形式，如隧道、橋梁、邊坡等工程結(jié)構(gòu)在循環(huán)荷載作用下，巖石的疲勞破壞會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效。巖石類型疲勞壽命破壞特征花崗巖較高裂紋擴(kuò)展、貫通砂巖較低顆粒破碎、松散巖石沖擊破壞現(xiàn)象高應(yīng)變率沖擊荷載作用下，巖石材料的應(yīng)變率遠(yuǎn)高于靜態(tài)荷載作用下的應(yīng)變率。能量集中沖擊力作用于巖石表面時(shí)，能量迅速集中于沖擊點(diǎn)，導(dǎo)致局部應(yīng)力高度集中。裂紋擴(kuò)展應(yīng)力集中導(dǎo)致巖石內(nèi)部產(chǎn)生微裂紋，并迅速擴(kuò)展，最終導(dǎo)致巖石的整體破壞。巖石的溫度應(yīng)力分析溫度變化會(huì)對(duì)巖石產(chǎn)生顯著的影響，導(dǎo)致巖石的熱膨脹或收縮。熱應(yīng)力是由于溫度變化引起的巖石內(nèi)部應(yīng)力，它可以導(dǎo)致巖石的變形、開裂甚至破壞。熱應(yīng)力巖石的熱膨脹系數(shù)溫度梯度巖石的熱力學(xué)性質(zhì)巖石的導(dǎo)熱系數(shù)巖石的比熱容巖石的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理風(fēng)化巖石暴露于大氣和水，發(fā)生物理和化學(xué)變化，逐漸分解成碎屑。溶解可溶性巖石，如石灰?guī)r，在酸性水中溶解，形成溶洞和地下河。礦物轉(zhuǎn)化巖石中的礦物成分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成新的礦物，改變巖石的性質(zhì)。氧化還原反應(yīng)巖石中的鐵元素發(fā)生氧化反應(yīng)，生成氧化鐵，使巖石顏色變紅。地應(yīng)力測(cè)試方法地應(yīng)力測(cè)試是巖體力學(xué)研究中的重要環(huán)節(jié)，它可以幫助我們了解巖石的應(yīng)力狀態(tài)，為工程設(shè)計(jì)提供可靠的數(shù)據(jù)支持。1現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試直接測(cè)量巖體內(nèi)部的應(yīng)力，例如水壓致裂法、鉆孔應(yīng)力解除法等2實(shí)驗(yàn)室測(cè)試通過(guò)模擬現(xiàn)場(chǎng)條件，在實(shí)驗(yàn)室中對(duì)巖樣進(jìn)行應(yīng)力測(cè)試，例如三軸壓縮試驗(yàn)、巴西劈裂試驗(yàn)等3數(shù)值模擬利用數(shù)值模擬方法，根據(jù)已知數(shù)據(jù)計(jì)算巖體的應(yīng)力分布原位應(yīng)力測(cè)試技術(shù)水壓致裂法利用水壓將巖石壓裂，通過(guò)測(cè)量壓裂壓力和裂縫擴(kuò)展情況，反演原位應(yīng)力。聲發(fā)射法通過(guò)巖石受力過(guò)程中的聲發(fā)射信號(hào)分析，識(shí)別裂縫的產(chǎn)生和擴(kuò)展方向，從而推算原位應(yīng)力。應(yīng)力解除法通過(guò)開挖洞室或鉆孔，釋放巖石中的應(yīng)力，通過(guò)測(cè)量應(yīng)力解除量，反演原位應(yīng)力。應(yīng)力集中法在巖石表面施加集中載荷，通過(guò)測(cè)量應(yīng)力集中區(qū)的應(yīng)力變化，推算原位應(yīng)力。巖體開挖穩(wěn)定性分析開挖坡面穩(wěn)定性開挖坡面穩(wěn)定性分析是巖體力學(xué)的重要研究領(lǐng)域。它涉及坡面失穩(wěn)模式、穩(wěn)定性評(píng)價(jià)和加固措施。地下洞室穩(wěn)定性地下洞室的穩(wěn)定性分析需要考慮洞室形狀、圍巖強(qiáng)度和地應(yīng)力等因素。它與地下工程的安全密切相關(guān)。礦體開采穩(wěn)定性礦體開采穩(wěn)定性分析需要考慮礦體結(jié)構(gòu)、開采方式和地質(zhì)構(gòu)造等因素。它與礦山安全生產(chǎn)密切相關(guān)。支護(hù)設(shè)計(jì)理論與方法支護(hù)設(shè)計(jì)目標(biāo)控制巖體變形和穩(wěn)定性，防止巖體崩塌、滑坡等事故發(fā)生。確保工程結(jié)構(gòu)安全和施工人員安全，延長(zhǎng)工程壽命。支護(hù)設(shè)計(jì)方法巖體力學(xué)理論和數(shù)值模擬方法，分析巖體應(yīng)力狀態(tài)和變形特征。根據(jù)巖體性質(zhì)、開挖方式和工程要求，選擇合適的支護(hù)類型和參數(shù)。爆破作用下的巖石破壞1爆破能量傳遞炸藥爆炸產(chǎn)生沖擊波，傳遞能量給巖石，造成破壞。2巖石破裂機(jī)制巖石受沖擊波作用產(chǎn)生拉伸、剪切、壓碎等力學(xué)破壞。3爆破參數(shù)影響炸藥類型、裝藥量、爆破孔位等參數(shù)影響破壞效果。4爆破效果評(píng)估通過(guò)觀察巖石破碎程度和爆破后巖體穩(wěn)定性評(píng)估爆破效果。水力壓裂理論與技術(shù)11.原理水力壓裂是利用高壓液體將地層裂開，提高儲(chǔ)層滲透率，促進(jìn)油氣開采的工程技術(shù)。22.工藝壓裂工藝通常包括壓裂液的準(zhǔn)備、壓裂井的施工、壓裂液的注入、壓裂后評(píng)價(jià)等環(huán)節(jié)。33.應(yīng)用水力壓裂技術(shù)應(yīng)用于頁(yè)巖氣開采、致密油氣開采、地?zé)衢_發(fā)等領(lǐng)域，對(duì)提高資源采收率具有重要意義。44.研究方向近年來(lái)，水力壓裂技術(shù)不斷發(fā)展，研究重點(diǎn)包括壓裂液的優(yōu)化、壓裂過(guò)程的模擬、壓裂效果的評(píng)價(jià)等。巖體的三維信息采集巖體的三維信息采集是研究巖體結(jié)構(gòu)、力學(xué)性質(zhì)和穩(wěn)定性不可或缺的一部分。它能夠?yàn)閹r體力學(xué)分析和工程設(shè)計(jì)提供準(zhǔn)確的空間數(shù)據(jù)。目前常用的巖體三維信息采集方法包括地面激光掃描、航空激光掃描、地下探測(cè)雷達(dá)、聲波探測(cè)等。這些技術(shù)可以獲取巖體的表面形狀、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、裂隙分布、巖體質(zhì)量等信息，為數(shù)值模擬、模型構(gòu)建和巖體工程設(shè)計(jì)提供可靠的依據(jù)。巖體物理參數(shù)測(cè)試方法巖石力學(xué)試驗(yàn)例如，確定巖石的抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、彈性模量等參數(shù)，以評(píng)估巖體的強(qiáng)度和變形特性。滲透性測(cè)試測(cè)定巖體的水力傳導(dǎo)系數(shù)，以了解巖體的水文地質(zhì)條件和水流特征。聲波測(cè)試測(cè)量聲波在巖體中的傳播速度，以評(píng)估巖體的完整性和裂隙發(fā)育程度。巖體離散化數(shù)值模擬技術(shù)離散化數(shù)值模擬方法是一種基于離散單元法的巖體模擬技術(shù)，它可以模擬巖石的非連續(xù)性和復(fù)雜幾何形狀。1離散單元法基于巖石的離散單元?jiǎng)澐?力學(xué)模型建立每個(gè)單元的力學(xué)模型3數(shù)值模擬計(jì)算每個(gè)單元的應(yīng)力應(yīng)變4結(jié)果分析分析巖體變形破壞過(guò)程巖體力學(xué)問(wèn)題案例分析山體滑坡山體滑坡是常見的巖體失穩(wěn)現(xiàn)象，涉及巖體的變形、破壞和運(yùn)動(dòng)。巖體力學(xué)原理可用于評(píng)估滑坡發(fā)生的可能性，并設(shè)計(jì)有效的防治措施。地下礦井開采地下礦井開采過(guò)程中，巖體力學(xué)是關(guān)鍵，影響開采效率和安全。巖體力學(xué)可用于預(yù)測(cè)開采應(yīng)力分布、設(shè)計(jì)支護(hù)方案，并評(píng)估巖體穩(wěn)定性。巖體力學(xué)前沿研究方向多尺度數(shù)值模擬跨越不同尺度分析巖石力學(xué)行為，整合微觀結(jié)構(gòu)和宏觀力學(xué)性能。智能化巖體監(jiān)測(cè)應(yīng)用人工智能技術(shù)，實(shí)現(xiàn)巖體變形和穩(wěn)定性的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)。巖體損傷演化研究巖