岩石力学课程(2006版本)

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1、课课程名称称：岩石力学授课教师：何江达四川大学学水利水电学电学 院第一章 绪论绪论一.岩石力学研究的对象及特点 1、对象：岩石对象岩石材料地壳中坚硬的 部分；方法：力学的观点、理论、方法 综合：岩石力学用力学的理论，观点和方法去 研究岩石材料的力学行为及其工程应用的学科 。 2、特点 1）研究的广泛性 a、既古老，又年轻古老：旧石器时期，利用 石器生活；年轻：从20世纪40年代开始（美国， 法国，意大利、中国修建了大量的工程） 喜马拉雅山形成、演变（古埃及金字塔、我国 的万里长城、都江堰工程、鱼嘴、飞沙堰、宝瓶 口）。 海洋底部的板块形成运动 b、跨行业：水电三峡、二滩、溪洛渡、锦屏、龙滩铁道

2、长隧道、大型桥梁、边坡公路隧道、路堤等冶金矿山开采建筑大跨度地下商业中心，建筑物基础，城市地铁。三峡峡水利枢纽枢纽 工程金沙江溪洛渡水电电站锦屏锦屏 一级级水电电站锦屏锦屏 一级级水电电站地下厂厂房1锦屏锦屏 一级级水电电站地下厂厂房2锦屏锦屏 二级级水电电站超长长引水隧洞锦屏锦屏 二级级水电电站锦屏锦屏 水电电站世界级级高边边坡工程龙滩龙滩 水电电 站返回 2）研究对象的复杂性 a、组成 岩石地质体（单独的力学性质+偶合效应） ；岩块、结构面组合形成；块状结构、破碎结 构、离散结构 b、背景 地质力学环境的复杂性（地应力、地下水、 物理、化学作用等） 3）工程应用性（实践性）非常强 4）社会

3、经济效益显著（如：二滩坝基节约 7000多万）二、岩石力学的基本内容基本理论 岩体地应力材料实验 三大部分 岩体的强度工程应用 岩体的变形裂隙水力学 工程应用：水电中的三大应用：边坡工程（天 然、工程开挖）、地下洞室、坝基稳定。 三、研究方法 物理模拟岩石物理力学性质常规实验，地 质力学模型试验 数学模型如有限元等数值模拟 理论分析用新的力学分支，理论研究岩石 力学问题第二章 岩石的物理性状（性 质质） 2.1 岩体的结结构特性 岩石根据成因，可分为：岩浆岩（火成岩）岩浆喷发、坚硬、均一；沉积岩海洋沉积形成特点：层状，同一时期性质相近；变质岩在已有岩石的基础上，经过变质混合作用 后形成的；淤积

4、地质体（岩体）：结构面、结构体 相对组合 关系划分岩体的结构 如：结构面少，连续性差，闭合原型块状结构面较发育 块状结构结构面极发育 破裂（散体）结构2.2岩石的不连续连续 性、不均匀性及各向异性 由于岩石中存在各种规模的结构面（断裂带、断层、节理、 裂隙）致使岩石的物理力学性质不连续、不均匀、各向 异性因此，有必要引入刻划不均一程度的参数。 一。岩石的裂隙性 通常采用裂隙率作为定量评价（描述）裂隙切割的程度； 1.单向裂隙：a)沿一组裂隙面法向统计：n1=nd单位长度上裂隙条 数（条m） 显然：n1岩体切割越破碎 b）沿裂隙面方向（连通率）n2=aa+b (a裂隙面长度，b岩桥长度) 2.平

5、面裂隙率 概念 指岩石单位面积上各类裂隙面积所占比重。(li、ti第i条裂隙长度、宽度)无裂隙 全部被裂隙充满 二、各向异性 指岩石的强度、变形指标（力学性质）随空间方位不 同而异的特性。 1.正交各向异性（三个材料主轴、定义材料参数）三个材料主轴方向力学性质不同 2.横观各向同性层状层面内 力学性质相同（多向同性面）层 间 力学性质差异 五个参数:E、u、 E 、u 、G2.3岩石的物理性质质指标标 在前面说到，岩石力学问题的研究首先应从岩石的基本物 理力学性质研究入手，本节介绍岩石（块）的基本物理性质的 主要指标及测试方法。 1.岩石的容重（r）指单位体积岩石的重量。 由于岩样中含有水分，

6、根据“w”的不同含义，可分为 干容重：（烘干状态）（v :标准件直接量A、H 非标准件用阿基米德原理 ） 天然容重 天然状态（大气压力室温条件下含水量） 饱和容重煮沸或抽真空充分饱和称重wd 2.比重（Gs） 指岩石干重量除以岩石的实体积（不含孔隙体积）的干 容重与4c水的容重的比值。 3孔隙率（n%）指岩石内孔隙体积与总体积之比。 4.天然含水量指天然状态下，岩石的含水量与岩石干重比值的百分比。5.吸水率：指岩石在常温条件 下浸水48小时后，岩石内的 含水量与岩石干容重的比值 。 6.饱和含水率：指岩样在强制 状态（真空、煮沸或高压） 下，岩样最大吸水量与岩石 干重量比值。7.饱水分数：指岩

7、石吸水率与 饱水率的比值百分率。试验证明：当kw2006020020606206评评分20151085 4节节理状态状态裂开开面很 粗糙节节理 不连连通， 未张开张开 ， 两两壁岩石 未风风化裂开开面稍 粗糙裂开开 宽宽度 1mm两两壁 轻轻度风风化裂开开面稍 粗糙裂开开 宽宽度 1mm两两壁 高度风风化裂开开面夹夹泥 厚度小于 5mm或裂开开 宽宽度1 5mm，节节理 连连通裂开开面夹夹泥厚度大 于5mm或裂开宽开宽 度 大于5mm，节节理连连 通评评分302520100 5地下水 状况状况隧洞中每10m长长段涌 水量（L/min）010102525125125节节理水压压力/大主应应力00

8、.00.1 0.10.20.20.50.5隧洞干燥程度干燥稍潮湿湿潮湿湿滴水涌水评评分1510740按节节理方向的修正评评分值值 节节理走向和 倾倾角非常有利 有利 一般 不利 非常不利评评分值值隧洞0-2-5-10-12地基0-2-7-15-25 边边坡0-5-25-50-60按总评总评 分确定的岩体 类别类别 评评 分 值值10 0 8 18 0 6 160 4 140 2 1 2 0分 类类 级级 质质 量 描 述很 好 的 岩 体好 岩 体中 等 岩 体差 的 岩 体很 差 的 岩 体第三章.岩石的强度3.1概述 一.重要性（工程安全、经济效益） 岩体边坡稳定性评价 ，加固处理（锚固、

9、 浇注、抗滑桩设计） 地下洞室 开挖和运行过程中的围岩稳定 坝基稳定（拱坝坝肩、重力坝坝基） 二.复杂性 岩石的强度包括岩块的强度和结构面的强 度，以及耦合效益地质环境因素影响（地 应力、地下水等） 3.2岩石的破坏形式 大量实践和试验观察证明，岩石的破坏形式概括起来 ： 1、脆性破坏 ： 岩石发生破坏时，变形很小，明显声响 ，一般发生在单轴或低围压坚硬岩石。 2、塑性破坏 ： 破坏时，变形较大，有明显的“剪胀” 效应，一般发生在较软弱岩石或高围压坚硬岩石 3、沿软弱结构面（原生）剪切破坏3.3 岩石的单轴抗压强度 一。单轴压缩实验装置 1.普通岩石三轴压力机 长江500型 最大轴压500T，

10、围压1250K/cm 2.刚性压力机上压压板岩 样样承压压平台二.单轴抗压强度破裂角 影响因素：矿物质成分、颗粒大小 、结晶程度、风化卸荷程度、含水率、加荷速度 、层面方向，赋存环境（埋深、孔隙率等）。3.4岩石的抗拉强度 一.实验方法 3.5岩石的抗剪强度 一.基本概念 1.抗剪断强度：完整岩块、岩石被剪断时，表现出 的“抵抗剪切破坏”的强度。 2.抗剪强度 ： 岩石沿原生结构面或已被剪断的破 裂面，剪切滑动时的“摩擦阻力” 3.工程上三种实验 1）岩石实体抗剪断 2）岩体中软弱结构面抗剪 3）砼与基岩胶结面抗剪强度（砼坝建基面）三.室内试验方法一）直剪试验二）楔形剪切（交角剪）试验三）三轴

11、压缩试验轴压缩试验三.现场强度试验3.6岩石的强度理论(破坏准则) 一、Coulomb准则 1.基本观点：认为岩石属于剪切破坏，剪切面上抗剪强度二.格里菲斯（Griffith）强度理论论 莫尔库仑准则将岩石视为连续均匀 介质宏观强度理论 相反，Griffith基本观点：岩石中存在 许多空隙、裂缝等在外部应力作用下 缝端产生应力集中缝端扩展（ 破裂）串通形成宏观破坏一）推导思路图示二.主要推导过导过 程6.Griffith强度准则图 示三.修正格氏强度理论论当裂纹受压闭合，可传递正应力、剪应力 假定e为裂纹闭合应力3.7岩石中水对对强度的影响响 在前面已经谈及，水工建设中岩体不可避免 会遇到水，

12、例如 水的影响：改变岩石的物理力学性质（胶结 构被破坏，化学溶蚀等） 渗透压力 “空隙压力” 降低有效应 力 强度降低一.对强度的影响二、对对破坏形态态影响：三、工程问题问题 ：3.8 岩体强度分析岩体的强度分析包括结构体强度分析和结构面强度分 析。 一.结构体（均质岩体）条件按莫尔库仑条件：二、结结构面的强度分析3.9结结构面方位对对强度的影响分析3.10 结结构面粗糙度对对强度的影响 一.概念岩体中结构面凹凸不平：其起伏程度， 工程上一般用粗糙度称之。二.分析方法由于实际工程中，岩体结构面中i不易测定， 且一条结构面上i多变 困难，工程上一般采用巴顿 （Barton）公式计算，形式：式中：

13、三.水对对强度的影响 第四章 岩石的变变形 4.1概述 岩石变形的概念 岩石变形指多种地质力学环境因素（如河 谷下切、地应力释放、工程开挖等）和工程荷 载（如水库蓄水、隧洞充水的水荷载）共同作 用岩石形状与大小发生变化。 二、研究变形稳定 岩体作为建筑物的基础，其变形与上部结 构的变形相互协调 影响结构内力 因此，岩体的变形量常作为工程设计的控 制标准之一。如： 1.拱坝 空间壳体将上游水载传递给坝 肩岩体，而坝肩岩体的变形一方面要影响坝体的变 形、应力，另一方面库水放空 坝体回弹（大）， 岩体回弹（小）（差异） 拱端接触面“脱开” 开裂，如锦屏一级拱坝。2.重力坝：右江 h=130m 蓄水

14、坝基不均匀变形影响 库空 是否向上游倾斜研究岩体变形的重要性三、岩石变形的特点 1、弹性变形：荷载卸去后，变形可恢复。包括线 性和非线性（弹性后效，粘弹性） 2、塑性变形：荷载卸去后，变形不能全部恢复， 残留一部分永久变形。 3、蠕变：荷载一定，变形随t增加而增加。 四、线弹性变形的本构关系4.2 岩石室内试验试验 一.单轴压缩试验单轴压缩试验二、三轴压缩试验轴压缩试验图图示4.3岩石的变变形性质质一.岩石全过程曲线 可分为四个阶段：二、反复加载与卸载条件下的变形特性 3、反复加载载（多次加载载卸载载加载载）三、岩石在三轴轴荷载载条件下的变变形特性四、岩体各向异性各个个方向反映变变形的参数参数 （E, ）不同工程中，常见见的宏观观各向同性 需要5个独个独 立参数参数 描述：XOY面内内：E,1XOY面内内：E ,2剪切模量 “七五”攻关关：石膏材料一、意义义1.现场试验现场试验 亦称原位试验试验 意义义：反映天然岩体的性质质地质质力学环学环 境代 表性好 二、主要现场变现场变 形试验试验 方法一）承压压板法4.5 现场变现场变 形试验试验程序：在平硐硐或坝坝基（反力结构结构 ）选选点清清除破碎岩石平整安装千斤顶顶 加载载 量测变测变 形 整理ps曲线线加载载 卸载载 加载载 分级级 利用弹弹性理论论 式中：p作用在岩体上的压压力（MPa） S岩面的平均变变形