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1、岩石力学研究的发展与沉积岩石力学特性研究,岩石力学研究的发展 沉积岩石力学试验 沉积岩石力学特性 沉积岩试验研究示例,王志荣,第一节.岩石力学研究的发展,岩石力学性质是指岩石在各种静力、动力作用下所表现的性质，主要指岩石的变形与强度特性。 岩石力学(rock mechanics)的定义颇多，迄今不统一。 1964年5月美国地质学会岩石力学委员会所下的定义：“岩石力学是研究岩石的力学性状（behaviour）的一门理论科学，同时也是应用科学；它是力学的一个分支，研究岩石对于各种物理环境的力场所产生的效应。,地震（earthquack）工程 岩体中的渗流（permeability）问题 泥石流（m
2、ud-rock flow）问题 地下工程的破碎与稳定力学问题 天然边坡和人工边坡工程(s1op engineering) 坝基工程（dam foundation ） 地基工程 隧道工程 地下采矿工程,岩石力学研究范畴,岩石工程（rock engineering)以岩体为工程建筑地基或环境，并对岩体进行开挖、加固的地下工程和地面工程。 地质工程 (Geoengineering） 在土木工程的发展过程中，伴随存在一类以地质体为建筑材料、以地质体为工程结构、以地质环境为建筑环境的特殊工程，如地基工程、边坡工程、隧道工程、地下工程等等。这类以地质体为基础而新兴起的一种工程即人们所称的地质工程 (Geo
3、engineering)。 地下工程（Mining Engineering）,研究岩石力学的目的，在于科学、合理、安全地维护洞室围岩、边坡及坝基的稳定性，防治地下水渗漏。以保证安全生产，降低维护成本。,由于沉积岩形成于地壳浅部，其生成和赋存环境与岩浆岩或变质岩显然不同，岩性较为软弱，变化较大，成分复杂，使得沉积岩具有不同于其它岩类的工程地质力学特性。 在进行水利、矿井工程地质和顶板岩体质量及稳定性评价时，有必要对沉积岩石力学特性进行专门研究。,为了研究岩石强度和变形特性及岩石发生破裂的发展过程，利用岩石力学试验机对圆柱形岩石试件进行单轴或三轴压缩试验等力学实验是基本手段之一。,通过试验确定岩石
4、力学性质的主要参数 变形特性参数 强度特性参数,岩石力学的研究历史不长，早期多为零星研究，且多数借用土力学理论，发展缓慢。 第一部出版的以岩石力学命名的专著，是1934年苏联秦巴列维奇写的。 本世纪50年代以后，由于世界采矿工程的发展，尤其是受到大型水电工程和军事工程的推动，岩石力学无论是在实验手段上还是在理论上，都有了比较显著的进展。,在实验手段上，刚性试验机和伺服试验机的应用，将岩石力学性质的研究提高到一个新的水平。 岩体破裂后行为的研究是在刚性试验机问世以后才逐步发展起来的。,早在30年代，施匹斯（Speath,1935）从铁的塑性变形中就发现材料破裂后的特性被试验机刚度所掩盖，但直到1
5、962年布兰克斯才第一次测得混凝土的载荷一位移全过程曲线，首次揭示了材料破裂后的力学行为。,而关于岩石全过程曲线的研究，最早由南非的库克（Cook,N.G.W.,1965）提出，并第一次测得了岩石的全过程曲线， 此后波尔丁(Paulding,1956,1966)、宾尼阿斯基(Bieniawski,1966)、瓦韦尔斯基（Wawerski, 1968,1969）、布雷迪（Brady,B.T, 1971）以及赫德森（Hudson,1971）先后研制出刚性试验机，并进行了研究。,到了70年代初期，随着电液伺服控制刚性试验机的出现，岩石破裂后行为的研究得到了广泛的开展。,我国在这方面的工作起步较晚，7
6、0年代中期才用刚性组件提高试验机刚度，随后又仿制液压和热头混合加载的刚性试验机，直到1985年才研制出电液伺服控制的200T岩石刚性试验机。,与此同时，不少单位已向国外进口了较先进的三轴岩石力学测试系统，如1987年中国矿业大学由美国MTS公司引进的815.02型电液伺服岩石力学试验系统，开展了岩石破裂后行为的研究，取得了可靠的实验结果。,美国MTS公司生产的MTS815.02电液伺服控制实验系统(Servo-controlled testing system，见照片5-1)完成的，试验机最大轴向载荷1700kN，加载时采用位移控制方式，加载速率为0.05mm /sec.。试验机的自动数据采集
7、系统每2秒采集一次数据，同步采集的数据包括时间、轴向载荷、试件的轴向变形和横向变形。,三轴岩石力学测试系统简介,试验使用的电液伺服控制试验机,美国TerraTek公司生产的三轴岩石力学测试系统 该岩石力学测试系统通过计算机编程控制模拟地下环境，包括轴向、围压、孔隙的压力以及温度，在此环境下进行岩石力学研究所必需的，包括岩石的力学、声学、热学、渗透性质在内的各项测试。它的技术参数包括：轴向力1.47106N，围压140MPa，孔隙压力103MPa，模拟温度200，岩样尺寸：25.08mm50；50.16mm100.32mm。,主要测试内容有：全应力应变曲线，摩尔断裂曲线，超声纵、横波速度测试，抗
8、拉强度测试，以及包括断裂韧性、蠕变、感应孔隙压力、疲劳。体积热膨胀、差应变分析(DSA）、颗粒压缩系数、孔隙压缩系数、整体压缩系数、裂缝导流能力和地层应力条件下的气、液相渗透率测试在内的特殊分析项目。,日本的岛津公司,当岩芯取出后，及时进行编号、岩芯鉴定和蜡封处理，然后将岩芯装入特制的岩芯箱，送到实验室，按ISRM和我国水电部颁标准，对不同试验要求的岩样规格进行加工，其中： (1) 容重试验岩样，=54mm，H=8090mm; (2) 劈裂试验岩样，=54mm，H=25mm; (3) 单轴和三轴压缩试验岩样，=54mm，H=80100mm; (4) 渗透试验岩样，=54mm，H=6070mm。
9、,岩石与岩体：在对岩石（岩块）研究的基础上，对节理岩体的试验研究，使对岩体性质的认识日渐深入。,早期的岩石（体）力学研究是以岩块为研究对象，人们把岩体看成一种材料，直接引用材料力学研究中发展起来的连续介质力学理论，人们还没有认识到岩体的特殊性和复杂性。,随着社会的发展，长期的工程实践，特别是一些大型工程事故的惨重教训，使得越来越多的工程技术人员深刻认识到岩体不同于岩石。 象1959年12月法国Malpassat坝的破坏以及1960年10月意大利Vajont坝的大滑坡造成水库失效等大型工程事故的惨痛教训，人们开始重视岩体的裂隙性，注意对碎裂岩体基本力学特性的研究。,事实上岩体与完整的岩石材料不同
10、，其中存在着断层、节理和层面等各种不连续面（或称结构面）。 岩体是在这些不连续结构面的切割下，形成一定的岩体结构，并赋存于一定的地质环境之中的地质体。,意大利的L.Broili（1974）曾提出过五条岩体力学地质定理，强调岩体结构对岩体力学性质的影响大于岩石性质的影响；岩体强度和变形取决于岩体结构特征等。正是工程建设的巨大需要推动了工程地质学的形成和发展。,七十年代初，我国学者谷德振等以传统地质学为基础，大力引进岩石力学的合理方法，创建了岩体工程地质力学理论，对促进工程地质学与力学结合方面作出了突出贡献。,孙广忠（1988，1993）又提出了岩体结构控制论；他们都强调地质因素在岩体力学研究中的
11、重要作用 并将岩体定义为“是一种经历过多次反复的地质作用，经受过变形，遭受过破坏，形成一定的岩石成分、一定的结构、赋存于一定的地质环境中的地质体，当它作为力学研究对象时被定义为岩体” 强调“岩体结构控制论”是岩体力学的基础理论。,岩（石）体力学的发展可分为四个阶段：连续介质岩石力学阶段；裂隙岩体力学阶段；岩体结构力学阶段；地质工程岩体力学阶段,岩（石）体力学研究,与此同时，与岩石（体）工程相关领域的研究也得到发展。 如各种应力解除方法及水裂法的应用，使各地区及不同深度岩体的原始应力，都能进行试验测定； 各种电、声、光、热、磁及机械式传感器的应用，使对岩土工程中的应力、位移、破裂发展等能够进行有
12、效的监控。,由于弹塑性理论和流变学的研究进展，有限差分、有限元、边界元等数值方法的应用，以使岩石力学从过去只能分析均质、连续、弹性介质发展到非均质、非连续和弹塑性介质的研究，从定性进入定量研究。,今天，岩石力学是国内外研究的热门之一。 有各种国际性组织，如国际岩石力学学会（Internationa1 Society for rock mechanics，简称ISRM）， 世界采矿大会国际岩石力学局（Internationa1 Bureau of rock mechanics，简称1BRM）等。 有定期的国际会议，,国际岩石力学期刊，主要有以下三种：1在英国伦敦出版的国际岩石力学与采矿科学杂志附
13、岩土力学文摘（International Journal of Rock Mechanics and Mining sciences Geomechanics Abstracts），1963年创刊，,2在奥地利出版的岩石力学（Rock mechanics）, 1968年创刊，月刊。 3.在英国出版的国际岩土力学数值及分析方法杂志(Internatiolal Journal for Numerical and Analytical Methods in Geomechanics)， 1976年创刊，季刊。,我国设有国际岩石力学学会中国小组。各专业学会下设有岩石力学委员会。跨部门的岩石力学学会。中
14、国煤炭学会下设的岩石力学专业委员会，1978年举行了第一届岩石力学学术报告会。 我国出版的岩石力学期刊，主要有： 1976年创刊的，中国科技情报所重庆分所主办的地下工程 1979年创刊，南京出版的岩土工程学报 1982年底创刊的，国际岩石力学学会中国小组主办的岩石力学与工程学报等,第二节.沉积岩石力学试验,单轴抗压强度试验 抗拉强度试验 剪切试验 三轴压缩试验 渗透试验,1岩石单轴抗压强度试验,岩石单轴压缩试验的目的在于测量岩石的强度参数单轴抗压强度，以及变形参数 弹性模量和泊松比。 同时，通过伺服加载试验方式，获得岩石全应力应变曲线，得出岩石试件破坏后，岩石随变形的发展，强度逐渐降低的特性。
15、,岩石试件为直径=54mm的圆柱形，高径比为2 (H:D=2:1)。在试件外部附加安装变形测量装置，在施压过程中测量试件的轴向和横向应变，从而计算出岩石的弹性模量和泊松比。,岩石静力弹性参数及相关参数,应力与应变 刚度与强度 弹性模量与泊松比,岩石的弹性模量可以分为：初始模量、切线模量和割线模量,初始模量，是应力应变曲线在原点切线的斜率，即,切线模量：对应于曲线上某一点M的切线的斜率，即,割线模量：曲线上某一点M与坐标原点连线的斜率，即,一般规定取相当于抗压强度50%的应变点与坐标原点连线的斜率表示弹性模量,岩石单轴抗压强度计算公式：,当试件的高径比不符合ISRM建议的试验标准时，岩石的单轴抗
16、压强度按我国水电部颁试验规程推荐的经验公式进行修正：,2岩石抗拉强度试验,测定岩石的抗拉强度的方法很多，大致分为直接法和间接法两大类。 间接法包括：弯曲试验、圆盘径向劈裂法、点荷载法等，其中以劈裂法应用较为广泛。 国际岩石力学学会(ISRM)推荐岩石单向抗拉强度试验采用间接拉伸法劈裂法(亦称巴西试验法)进行。,试件加工成高径比为1:2的圆盘试件。在压力试验机上，平行于试件的径向加载，使试件内产生垂直于加载方向的张力，最终试件因张力作用沿加载方向开裂，此时记录最大破坏载荷。,岩石试件的抗拉强度按下式计算：,3岩石剪切试验,岩石受剪力作用时抵抗剪切破坏的最大剪应力，称剪切强度。 岩石的抗剪断强度，是岩石在剪力作用下，一部分沿另一部分滑动时所具有的抵抗剪切破坏的能力。,岩石的剪切强度与土一样，也是由内聚力（C）和内摩擦阻力(tg)两部分组成。只是它们比土大些，这与岩石具有牢固的连结有关。,按试验方法的不同，所测定的剪切强度的含义也不同，通常分为三种剪切强度（见P65）： 1抗剪断强度 2抗剪（摩擦）强度 3抗切强度,
