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1、岩 石 力 学,1,岩石力学,目 录 第一章 岩石基本物理力学性质试验与分析 第二章 岩层的力学性状 第三章 原岩应力 第四章 岩层巷道稳定性分析,2,岩石力学,B.H.G.Brady and E.T.Brown (2 0 0 6),3,岩石力学,相关资料,矿山岩层力学 贾喜荣 编著,4,岩石力学,岩石力学：岩石材料力学+岩石工程结构力学的统称。 岩石力学属固体力学范畴。 研究内容：岩石材料及岩石工程结构的物性、结构、载荷、可靠度。 研究固体力学的方法适用于岩石力学研究。 在某种意义上，岩石力学是一门试验力学。 岩石物理性质、力学性质、工程性质，都要通过相应的试验来确定。 如：密度、视密度；变
2、形模量、抗压强度、抗拉强度、强度准则等。,引言,5,岩石力学,6,岩石力学,岩石试样制备及试验标准,岩石试样尺寸： 抗压强度：50100圆柱体； 505050立方体； 抗拉强度：5025圆柱体 加工精度：GB/T23561.132010 煤岩物理力学性质测定方法 岩石的基本物理性质指标 岩石视密度：沉积岩视=25002700(kg/m3)，通常为2600(kg/m3)； 煤层视=12001400(kg/m3)，通常为1300(kg/m3)。,7,岩石力学,单轴压缩下岩石的变形性质 岩石的模量,式中：E岩石的弹性模量， GPa； E岩石的变形模量， GPa； e瞬时弹性应变； r后效弹性应变；
3、p塑性应变。,8,岩石力学,岩石的载荷位移全程曲线,Tennessee大理石峰后卸载、加载时，载荷位移关系曲线(岩石全程曲线) （据Wawersik和Fairhurst，1970）,9,岩石力学,1：岩石轴向应力轴向应变曲线； 3：岩石轴向应力侧向应变曲线； V/V0：岩石轴向应力体积应变曲线。,岩石的变形特征,10,岩石力学,0.4 岩石单轴抗压强度,式中：c岩石单轴抗压强度，MPa； P试件压缩破坏载荷，kN； A试件横截面积，cm2。 试件尺寸：50100圆柱体,岩石坚固性系数(普氏系数)f：,11,岩石力学,裂纹扩展示意图,1端面有摩擦； 2端面有插入物； 3端面有润滑。,大理石,粗砂
4、岩,12,岩石力学,试件尺寸对完整岩石强度的影响,13,岩石力学,试件相对含水率对岩石抗压强度的影响,石英质页岩,石英质砂岩,14,岩石力学,直接拉伸法,岩石抗拉强度,式中：t岩石抗拉强度，MPa； P试件拉伸破坏载荷，kN； A试件横截面积，cm2。,15,岩石力学,1半球座；2上压模； 3下压模；4导杆；5导杆孔。,间接拉伸法（Brazil法）,式中：t岩石抗拉强度，MPa； P试件破坏载荷，kN； D试件直径，； t试件厚度， cm。 试件尺寸：5025圆柱体,1半球座；2上压模； 3下压模；4导杆；5导杆孔。,16,岩石力学,对心加压圆盘应力分布情况,17,岩石力学,岩石抗弯强度试验装
5、置, m岩石抗弯强度（抗拉强度）。,18,岩石力学,岩石的点载荷试验,19,岩石力学,测定岩石强度的捣碎仪和体积仪,试样直径2040mm； 试件数量：5个； 测定组数：35组； 重锤质量：2.4kg。,f岩石强度指数； n锤击次数； l岩粉高度，mm。,20,岩石力学,岩石变角剪试验,式中：剪切面上的正应力，MPa； 剪切面上的剪应力，MPa； N剪切面上的正压力，kN； T剪切面上的剪切力，kN； A试件剪切面面积， cm2； P试件破坏时的最大载荷，kN； 剪切面与水平面间夹角，() 。,式中：剪切面上的正应力，MPa； 剪切面上的剪应力，MPa； C岩石内聚力（应力单位），MPa； 岩石
6、内摩擦角， ()。,21,岩石力学,岩石抗剪强度试验,1正压力；2测力计；3粘接剂；4球形接头；5剪力,22,岩石力学,岩石试件三轴压力室结构图,von Karman曲线，1911,23,岩石力学,Tennessee大理石三轴试验的应力应变曲线,24,岩石力学,1:3=34.5MPa; 2:3=34.5MPa； 3:3=34.5MPa; =6.9MPa。 =20.7MPa。 =34.5MPa。,砂岩孔隙压力试验,花岗岩孔隙压力试验,1:3=34.5MPa; 2:3=34.5MPa； 3:3=34.5MPa; =6.9MPa。 =20.7MPa。 =34.5MPa。,孔隙压力,有效应力定律：,2
7、5,岩石力学,岩石力学性质的各向异性特征,26,岩石力学,斜截面上的应力,27,岩石力学,单元体的应力状态和Mohr应力圆,28,岩石力学,平面应力及其Mohr应力圆,点面对应，先找基准； 转向相同，夹角两倍。,29,岩石力学,三轴应力Mohr圆,30,岩石力学,Charles Augustin de Coulomb (1736 - 1806),1774 年当选为法国科学院院士,Coulomb强度准则,31,岩石力学,Coulomb强度准则,（线性方程）,（线性方程）,32,岩石力学,William John Maquorn Rankine(1820 - 1872) 英国科学家，在热力学 、流
8、体力学 及土力学等领域均有杰出的贡献,Rankine 强度准则（1857）,式中： 被动土压力（竖向应力）； 主动土压力（水平应力）； C土体内聚力； 土体内摩擦角； 被动土压力系数； 主动土压力系数。,33,岩石力学,锚索+土钉墙,深基坑锚固,34,岩石力学,Mohr强度准则试验准则； Mohr包络线Mohr强度曲线。,Mohr强度准则,35,岩石力学,Griffith强度理论,（抛物线方程）,（线性方程）,（抛物线方程）,36,岩石力学,N.Barton准则（峰值抗剪强度准则）（1973）,式中：最大剪应力； 正应力； JRC岩层结构面粗糙度系数； JCS岩层结构面表面抗压强度； b基础摩
9、擦角。 注：当JRC=0时，转化为平滑节理的Coulomb准则。,37,岩石力学,小结 强度准则：有关材料破坏机理的某种假说或理论，是材料或工程结构可靠度的判据。 如：最大正应力强度理论；最大剪应力强度理论；莫尔(Mohr)强度理论； 库仑强度准则；郎肯强度准则；巴顿强度准则。 岩石的5个强度指标： 单轴抗压强度：c ； 岩石坚固性系数：f； 抗拉强度：t ； 内聚力（抗剪强度）C； 内摩擦角：。 c ：C ：t =8：2：1,38,岩石力学,层理、节理对岩体力学性质的影响,39,岩石力学,围压对岩体力学性质的影响,40,岩石力学,层理产状对岩体力学性质的影响,41,岩石力学,煤柱原位试验,4
10、2,岩石力学,煤的试样尺寸对强度的影响（据Z.T.Bieniawski，1982）,43,岩石力学,褶皱岩层中的节理,岩层产状,44,岩石力学,岩层粗糙度测定,岩层结构面张开度,标准粗糙度断面图,45,岩石力学,岩体结构的描述,（a）块状；（b）不规则状；（c）板状；（d）柱状,46,岩石力学,岩石结构面抗剪切试验,岩层结构面抗剪切试验,石英岩光滑结构面抗剪切试验,n=0.1MPa,w=35,47,岩石力学,石墨表面节理直剪试验结果,1剪胀曲线；2剪力曲线,峰值、残余抗剪强度包络线,N=28.9kN,48,岩石力学,表面粗糙度模型,i粗糙度角,49,岩石力学,板岩抗剪强度试验结果,50,岩石力
11、学,直剪试验的两种约束模式,（a）、（c）自由剪胀模式； （b）、（d）抑制剪胀模式,51,岩石力学,剪胀锚固理论 的动态平衡力学机制 R.E.Goodman 曲线,【咀嚼原理】,52,岩石力学,结构面厚度与初始应力,结构面的双曲线模型 法向压应力； 结构面闭合量； Vmc最大闭合量。,53,岩石力学,三轴压缩下单结构面岩石的强度特征（2=3）,理论解,单结构面板岩试验结果 （ c=224.94MPa ）,54,岩石力学,三轴压缩下双结构面岩石的强度特征（2=3）,55,岩石力学,56,岩石力学,N.Barton准则（峰值抗剪强度准则）（1973）,式中：最大剪应力； 正应力； JRC岩层结构
12、面粗糙度系数； JCS岩层结构面表面抗压强度； b基础摩擦角。 注：当JRC=0时，转化为平滑节理的Coulomb准则。,57,岩石力学,58,岩石力学,节理岩层（岩体）的工程分类,59,岩石力学,60,岩石力学,1号箱：RQD=80.06% 闪长岩（9#煤顶板，2.0m水平）岩芯照片（7.17）,61,岩石力学,原岩应力,原岩应力=自重应力+构造应力,62,岩石力学,地应力及地质构造,63,岩石力学,巷道围岩应力场分布,64,岩石力学,双向等压圆形巷道的弹性应力分析, r、皆为主应力，径向、切向 均为主平面，r与之和为常量2p。 应力值的大小与物性常数E、无关。 周边r=a上， r=0，=2
13、p(最大值)， 且与巷道半径无关。 应力集中系数次生应力与原岩应力的比值。 当取r=1.04p，=0.96p 和r=1.10p，=0.90p时， 影响半径 r=5a 和 r3a。 工程应用中，r=5a 与 r=等价。 通常巷道影响圈的厚度为2a4a。,65,岩石力学,巷道顶板岩层层面应力分布规律,式中： 顶板岩层剪应力； r 距离； 顶板岩层法向应力； a 巷道半径。 转角；,66,岩石力学,顶板各岩层层面上/分布状况,67,岩石力学,双向不等压圆形巷道的弹性应力分析,68,岩石力学,双向等压圆形巷道的弹塑性应力分析,69,岩石力学,a,70,岩石力学,巷道破裂带内破裂面（滑移线）,71,岩石
14、力学,巷道围岩的支护与加固,72,岩石力学,73,岩石力学,74,岩石力学,75,岩石力学,76,岩石力学,77,岩石力学,78,岩石力学,巷道锚固,79,岩石力学,锚固巷道失稳,80,岩石力学,煤层巷道锚固,81,岩石力学,岩层巷道锚固,82,岩石力学,83,岩石力学,托 板,84,岩石力学,玻 璃 钢 锚 杆,85,岩石力学,锚索及锚（锁）具,86,岩石力学,7股高强度钢绞线技术参数,87,岩石力学,综采液压支架,88,岩石力学,综采支架失稳,89,岩石力学,地下工程 支护设计,物性,结构,载荷,围岩的物理 力学性质,围岩的 工程结构,围岩作用于支护 系统上的载荷,岩石力学研究的三大主题,90,岩石力学,地下工程支护设计问题,西医 中医,西医,中医,土木工程,地下工程,若把土木工程结构可靠度设计问题在理论意义上比做西医的话，那么地下工程问题更类似于中医。,若把工程结构设计的关键归结于可靠度的确定，那么地下工程支护设计中的核心问题是支护系统须承担的载荷量值的确定。,91,岩石力学,支架载荷=？,92,岩石力学,93,岩石力学,94,岩石力学,95,岩石力学,96,岩石力学,97,岩石力学,98,岩石力学,99,岩石力学,100,岩石力学,