巖石力學課件完整版(已修改)

　

【正文】 第一章 緒論 巖石： 由礦物或巖屑在地質作用下按一定規律 聚集而形成的自然物體 。 這是影響巖石力學性質和物理性質的三個重要因素 。 構造 : 組成成分的空間分布及其相互間排列關系 巖石力學 （ Rock Mechanics）： 研究巖體在各種不同受力狀態下產生變形和破壞規律的學科。 第一節 巖石與巖體 礦物： 存在地殼中的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 其相互結合的情況。 巖石分類 巖體 =巖塊 +結構面 變質巖：不穩定與變質程度和原 巖性質有關 巖漿巖：強度高、均質性好 沉積巖：強度不穩定，各向異性 巖 體 結構面 巖塊 不連續面：包括節理、裂隙、孔隙、斷面、孔洞、層面 巖體力學的研究任務與內容 ① 不連續； ② 各向異性； ③ 不均勻性； ④ 巖塊單元的可移動性； ⑤ 地質因子特性 （ 水 、 氣 、 熱 、 初應力 ） 。 （ 1）巖體的力學特征 （ 2）任務 ①基本原理方面（建模與參數辨別）； ②試驗方面（試驗方法）儀器、信息處理、室內、 外、動、靜； ③現場測試 ； ④實際應用 ?城市化： 我國 1989年不到 20%， 2022年為 %，2022達 45%，為減少占用地面土地，發展地下空間。 ?人口密度 ：擁人極限 2萬 /km2， 而上海達 4萬/km2(局部 16萬 /km2)， 北京達 /km2。 ?綠化指標： 1990年全國城市綠化面積 ， 上海 （ 國家要求 2m2/人 ） 。 聯合國建議：40m2/人 （ 莫斯科 44m2/人；倫敦 ；巴黎25m2/人 ） 。 ?交通方面 ： 北京道路面積 ；東京 人；倫敦 。 (4)相關任務 巖體力學的研究方法 研究方法： 實驗、理論分析與工程應用相結合 實驗 室內 野外 巖塊（拉、壓、剪 … ） 模擬 位移 應力 壓力 收斂（表面位移） 應變 絕對位移、相對位移（內部） 理論 連介 非連介 數值方法 有限元 離散元 DDA 地質調查 工程地質分區 巖體結構劃分 巖石巖體力學性質試驗 巖體賦存條件分析 初始應力 結構面幾何特征 介質的模型化 物理 數學 計算 經典解析法 數值計算法 正反 分析 分類確定巖體的質量等級 模擬試驗 物理模擬 相似材料 經驗判據 巖體工程設計 加固措施 施 工 長期監測 反饋分析 圖 11 巖石力學研究步驟的框圖 巖體力學在其它學科中的地位 （ 1） 1925年泰沙基 （ Terzaghi） 《 建筑土力學 》 （ 2） 地質力學的巖石力學學派 （ 奧地利學派 （ 薩爾茨堡學派 ） 繆勒 ） 否認小巖塊試件的力學試驗 。 （ 3） 工程巖石力學學派 ， 法國塔洛布爾 （ ） 1951年 《 巖石力學 》 ——最早的代表作 。 1963年意大利瓦依昂水庫巖坡滑動 1966年在里斯召開第一屆國際巖石力學大會 （ 一屆 /4年 ） 全國巖石力學與工程學術會 ， 2022年開第 6屆 ， 1屆 /1年 。 全美 ,全歐 。 總之三個階段：材料力學、連介力學、構造力學。 力學 （固體力學分支）、地質學、巖土工程 巖石力學的發展簡史 返回 第二章 巖石的基本物理力學性質 巖石的基本物理力學性質是巖體最基本、最重要的性質之一，也是巖石力學學科中研究最早、最完善的內容之一 。 第一節 基本物理性質 一、巖石的質量指標 （一）密度和比重 巖石的密度：單位體積內巖石的質量 。 巖石含：固相 、 液相 、 氣相 。 三相比例不同而密度不同 。 （ 2）飽和密度：巖石中的孔隙被水充填時的單 位體積質量（水中浸 48小時） （ 1）天然密度：自然狀態下，單位體積質量 VG /??)/( 31 mKNVVG WVd ?? ??G——巖石總質量； V——總體積。 VV——孔隙體積 （ 3）干密度：巖塊中的孔隙水全部蒸發后的單位體積質量（ 108℃ 烘 24h） VGc /1??巖石的比重：巖石固體質量（ G1） 與同體積水在 4℃ 時的質量比 VC——固體積； ——水的比重 )/(1 WCVG ???W?G1——巖石固體的質量。 （ KN/m3） CV VVe /?VVn V /?WcVVCVCVGnnnVVVVVVVVVVVe?? /11//????????二、巖石的孔隙性：反映裂隙發育程度的指標 （一）孔隙比 VV——孔隙體積（水銀充填法求出） （二）孔隙率 V=VC+VV e~n關系 cd ??? /)( ?天然狀態下 飽和狀態下 三、巖石的水理性質 （一）含水性 含水量：巖石孔隙中含水量 GW與固體質量之比的百分數 W=GW/G1（ %） 吸水率：巖石吸入水的質量與固體質量之比 Wd= （ %） 吸水率是一個間接反映巖石內孔隙多少的指標 Adxdhkq x ?dxdh（二） 滲透性 在一定的水壓作用下，水穿透巖石的能力。反映了巖石中裂隙向相互連通的程度，大多滲透性可用達西（ Darcy） 定律描述： （ m3/s） ——水頭變化率； qx——沿 x方向水的流量； h——水頭高度； A——垂直 x方向的截面面積； k——滲透系數。 ? ? ? ? ? 四 、巖石的抗風化指標 （ 3類） (1)軟化系數 （表示抗風化能力的指標） Rcc——干燥單軸抗壓強度、 Rcd——飽和單軸抗壓強度； （ ）越小，表示巖石受水的影響越大。 cdcc RR /??1??? 耐崩解性指數是通過對巖石試件進行烘干，浸水循環試驗所得的指標。試驗時，將烘干的試塊，約 500g，分成 10份，放入帶有篩孔的圓筒內，使圓筒在水槽中以20r／ s速度連續轉 10分鐘，然后將留在圓筒內的石塊取出烘干稱重。如此反復進行兩次，按下式計算耐崩解性指數： (2)巖石耐崩解性指數 試驗前的試件烘干質量 ；殘留在筒內的試件烘干質量 rmsm%/2 srd mmI ? 自由膨脹率 ：無約束條件下，浸水后脹變形與原尺寸 之比 軸向自由膨脹 （ %） H——試件高度 徑向自由膨脹 （ %） D——直徑 HHV H /??DDV D /??返回 （三）巖石的膨脹性 評價膨脹性巖體工程的穩定。 第三章 巖石動力學基礎 1. 定義：所謂波，就是某種擾動或某種運動參數或狀態參數（例如應力、變形、震動、溫度、電磁場強度等）的 變化在介質中的傳播。應力波就是應力在固體介質中的傳播。 2. 分類： (4類） ? 彈性波 : 在應力應變關系服從虎克定律的介質中傳播的波。 第一節 巖石的波動特性 一、固體中應力波的種類 ? 粘彈性波 在非線性彈性體中傳播的波，這種波，除彈性變形產生的彈性應力外，還產生又摩擦應力或粘滯應力。 ? 塑性波 應力超過彈性極限的波。 ? 沖擊波 如果固體介質的變形性質能使大擾動的傳播速度遠比小擾動的傳播速度大，在介質中就會形成波頭陡峭的、以超聲波傳播的沖擊波。 巖石在受到擾動時在巖體中主要傳播的是彈性波，塑性波和沖擊波只有在振源才可 以看到。 ? ? （ 1）體波 ：由巖體內部傳播的波 (2類） ? （ a） 縱波（又稱：初至波、Primary波） ? 質點振動的方向和傳播方向一致的波 ? 它產生壓縮或拉伸變形。 ? （ b） 橫波（又稱次到波、 Second波 ) ? 質點振動方向和傳播方向垂直的波 ? 產生剪切變形。 ? （ 2）面波： 僅在巖石表面傳播。 ? 質點運動的軌跡為一橢圓，其長軸垂直 ? 于表面，這樣的面波又稱為瑞利波。 ? 面波速度小于體波，但傳播距離大。 ? 按波面形狀，應力波又區分為平面波、球面波和和柱面波。 ? 波面上介質的質點具有相同的速度、加速度、位移、應力和變形。 ? 最前方的波面稱為 波前 、波頭和波陣面。 二、彈性波在固體中的傳播 拉梅運動方程 (不計體力 ) ?????????????????????????????????222222222)()()(tuwGzGtuvGyGtuuGxGddd?????????由上方程導出縱波在各向同性巖體中的傳播速度 ： 橫波在各向同性巖體中的傳播速度： 將 ， 代入 上兩式，得： 21)( ?ds GV ?21)2( ?? dp GVC ???)21)(1( ddddE??????? ddEG??? 121])21)(1()1([ddddpEV????????21])1([ddsEV?? ??若已知 ，側可根據上兩式推出求動彈性模量 和動泊松比 ，即： sp VV ,?dE d?)/()2(21)/()43(222222222spspdspspsdVVVVVVVVVE????????注 ： 若 分辨不清，則可用 （一般可用 靜泊松比代替）求 ，則 ? 若 ＝ ， ＝ ? 經過各方面試驗驗證， 一般在 ～ 之間。 sV ?? ,pVdE2