(3.7)--1.1.2 岩石强度理论及岩体的力学性质.ppt

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1、矿山压力及岩层控制矿山压力及岩层控制知识单元一知识单元一 矿山应力分布规律矿山应力分布规律知识点知识点2：矿山岩石和岩体的基本性质：矿山岩石和岩体的基本性质教学内容教学内容p岩石的基本物理性质；岩石的基本物理性质；p岩石的强度和变形性质；岩石的强度和变形性质；p岩石的破坏机理和强度理论；岩石的破坏机理和强度理论；p岩体的基本特征和类型；岩体的基本特征和类型；p岩体的基本力学性能和分类标准。岩体的基本力学性能和分类标准。重点与难点重点与难点岩石的强度和变形特征；岩石的破坏机理和强度理论；岩体的基本力学性能。岩石的强度和变形特征；岩石的破坏机理和强度理论；岩体的基本力学性能。3本讲提要本讲提要 1

2、.岩石的破坏机理和岩石的破坏机理和强度理度理论 2.岩体及其力学性岩体及其力学性质岩石强度理论及岩体的力学性质岩石强度理论及岩体的力学性质4一一）岩石的岩石的强强度理度理论论强度准则：强度准则：岩石中某一点的应力状态满足给定的关系式（岩石的强度参数）时，岩石中某一点的应力状态满足给定的关系式（岩石的强度参数）时，岩石就在该点发生破坏，这种关系式就是岩石就在该点发生破坏，这种关系式就是强度准则强度准则，也称破坏准则，也称破坏准则（判据），它实质上反映了岩石处于（判据），它实质上反映了岩石处于极限状态极限状态时的时的“应力应力-应变应变”关系。关系。研究岩石在研究岩石在复杂应力状态复杂应力状态下的

3、下的破坏原因破坏原因、规律规律及其及其强度条件的理论强度条件的理论，通常称为岩石的强度理论。通常称为岩石的强度理论。强度理论强度理论一、岩石的破坏机理和强度理论一、岩石的破坏机理和强度理论岩石强度理论及岩体的力学性质岩石强度理论及岩体的力学性质51.莫尔强度理论莫尔强度理论 莫尔莫尔(Mohr)强度理论认为，强度理论认为，材料发生破坏主要是由于破坏材料发生破坏主要是由于破坏面上的剪应力达到一定限度的面上的剪应力达到一定限度的缘故，这个剪应力除了与材料缘故，这个剪应力除了与材料本身性质有关外，还与破坏面本身性质有关外，还与破坏面上由于正应力造成的摩擦阻力上由于正应力造成的摩擦阻力有关。即某一点发

4、生破坏，不有关。即某一点发生破坏，不仅取决于该点的剪应力，同时仅取决于该点的剪应力，同时也取决于该点的正应力。也取决于该点的正应力。莫尔应力圆一、岩石的破坏机理和强度理论一、岩石的破坏机理和强度理论岩石强度理论及岩体的力学性质岩石强度理论及岩体的力学性质6在莫尔试验过程中，为了求得在莫尔试验过程中，为了求得“-”关系曲线，需要对岩石试件关系曲线，需要对岩石试件进行充分的试验，取得岩石试件受到单向拉、压和不同围压下进行三向进行充分的试验，取得岩石试件受到单向拉、压和不同围压下进行三向压缩时的有关试验数据，并在压缩时的有关试验数据，并在“-”坐标平面上作出一系列代表这些极坐标平面上作出一系列代表这

5、些极限应力状态的最大应力圆（即极限应力圆），然后作出这些应力圆的包限应力状态的最大应力圆（即极限应力圆），然后作出这些应力圆的包络线。由于这条曲线上每个点的坐标值都代表岩石沿某一剪切面发生破络线。由于这条曲线上每个点的坐标值都代表岩石沿某一剪切面发生破坏时所需的剪应力和正应力，所以这条曲线称为岩石的坏时所需的剪应力和正应力，所以这条曲线称为岩石的强度曲线强度曲线，即岩，即岩石的石的强度包络线强度包络线。一、岩石的破坏机理和强度理论一、岩石的破坏机理和强度理论岩石强度理论及岩体的力学性质岩石强度理论及岩体的力学性质7岩石强度曲线和极限应力圆一、岩石的破坏机理和强度理论一、岩石的破坏机理和强度理论

6、岩石强度理论及岩体的力学性质岩石强度理论及岩体的力学性质8通过单向拉、压和剪切试验求强度曲线1单向抗拉；2纯剪切；3单向抗拉一、岩石的破坏机理和强度理论一、岩石的破坏机理和强度理论岩石强度理论及岩体的力学性质岩石强度理论及岩体的力学性质91-1-稳定稳定 2-2-极限平衡极限平衡 3-3-破坏破坏2.岩石的强度包络线可以说明以下一些问题：岩石的强度包络线可以说明以下一些问题：1）已知强度曲线后，可以直接判断岩石是否会产生剪切破坏。其方法是根据岩石某微）已知强度曲线后，可以直接判断岩石是否会产生剪切破坏。其方法是根据岩石某微面上的已知面上的已知剪应力剪应力和和正应力正应力，作出相应的应力圆，如果

7、此应力圆在包络线之内，则岩石，作出相应的应力圆，如果此应力圆在包络线之内，则岩石不会沿不会沿此面此面发生破坏；如果应力圆与包络线相切，则岩石处于临界破坏的发生破坏；如果应力圆与包络线相切，则岩石处于临界破坏的极限状态极限状态；如；如果应力圆在包络线之外，则岩石将发生破坏。果应力圆在包络线之外，则岩石将发生破坏。一、岩石的破坏机理和强度理论一、岩石的破坏机理和强度理论岩石强度理论及岩体的力学性质岩石强度理论及岩体的力学性质10（a a）斜直线型包络线）斜直线型包络线 （b b）受拉区适用范围）受拉区适用范围 斜直线型莫尔强度曲线斜直线型莫尔强度曲线（2）利用强度包络线可以预测破坏面的方向。）利用

8、强度包络线可以预测破坏面的方向。（3）在强度曲线坐标轴上，由原点向右为受压区，向左为受拉区。）在强度曲线坐标轴上，由原点向右为受压区，向左为受拉区。根据试验曲线特征，莫尔准则的方程可具体化为斜直线、双曲线、抛根据试验曲线特征，莫尔准则的方程可具体化为斜直线、双曲线、抛物线等各种曲线形式。物线等各种曲线形式。一、岩石的破坏机理和强度理论一、岩石的破坏机理和强度理论岩石强度理论及岩体的力学性质岩石强度理论及岩体的力学性质11通过三向压缩试验求强度曲线一、岩石的破坏机理和强度理论一、岩石的破坏机理和强度理论岩石强度理论及岩体的力学性质岩石强度理论及岩体的力学性质12莫尔强度准则莫尔强度准则斜直线型强

9、度包络线C+tan岩石强度理论及岩体的力学性质岩石强度理论及岩体的力学性质一、岩石的破坏机理和强度理论一、岩石的破坏机理和强度理论131)确定剪切破坏面与最大主应力的夹角角的大小。确定剪切破坏面与最大主应力的夹角角的大小。2)确定三轴应力状态下的抗压强度值。确定三轴应力状态下的抗压强度值。3)确定单向应力状态下的压、拉比。确定单向应力状态下的压、拉比。岩石强度理论及岩体的力学性质岩石强度理论及岩体的力学性质一、岩石的破坏机理和强度理论一、岩石的破坏机理和强度理论14本讲提要本讲提要 1.岩石的破坏机理和岩石的破坏机理和强度理度理论 2.岩体及其力学性岩体及其力学性质岩石强度理论及岩体的力学性质

10、岩石强度理论及岩体的力学性质15一一）岩体概念：岩体概念：岩体岩体:赋存于一定地质环境中的自然地质体。赋存于一定地质环境中的自然地质体。(一般一般1m3)岩体岩体=岩岩块+结构面构面结构面结构面/弱面弱面:地质界面，如断层、裂隙、层理、节理、片理。地质界面，如断层、裂隙、层理、节理、片理。坚硬无充填结构面、软弱有充填结构面、夹层坚硬无充填结构面、软弱有充填结构面、夹层 结构体结构体/岩块岩块:被各类结构面切割成的岩石块体。被各类结构面切割成的岩石块体。块状、板状块状、板状 岩石强度理论及岩体的力学性质岩石强度理论及岩体的力学性质二、岩体及其力学性质二、岩体及其力学性质16岩体岩体=岩块岩块+弱

11、面弱面岩石强度理论及岩体的力学性质岩石强度理论及岩体的力学性质二、岩体及其力学性质二、岩体及其力学性质17岩体的力学处理：岩体的力学处理：完整性很好完整性很好连续介质力学方法；连续介质力学方法；非常破碎非常破碎土力学方法；土力学方法；两者之间两者之间裂隙体力学方法。裂隙体力学方法。岩体结构基本类型：岩体结构基本类型：按结构面切割状况及结构体类型分为六种按结构面切割状况及结构体类型分为六种完整结构完整结构块裂结构块裂结构层状结构层状结构碎裂结构碎裂结构断续结构断续结构散体结构散体结构岩石强度理论及岩体的力学性质岩石强度理论及岩体的力学性质二、岩体及其力学性质二、岩体及其力学性质18整体结构整体结

12、构 块裂结构块裂结构 层状结构层状结构碎裂结构碎裂结构 断续结构断续结构 散体结构散体结构岩石强度理论及岩体的力学性质岩石强度理论及岩体的力学性质19二）岩体的二）岩体的变形特征形特征岩体力学性质取决于岩体力学性质取决于岩石岩石、结构面结构面的力学性质及的力学性质及结构面的空间结构面的空间组合状况组合状况。1.岩体实验：岩体实验：主要测定：变形曲线、弹性常数、强度主要测定：变形曲线、弹性常数、强度试试 件：现场切割制作，保护原结构不受破坏件：现场切割制作，保护原结构不受破坏设设 备：现场安装，主要为剪切实验。备：现场安装，主要为剪切实验。2.岩体变形特征岩体变形特征总变形量大总变形量大在变形的

13、过程中体积明显增大（扩容）在变形的过程中体积明显增大（扩容）破坏后仍能承受一定载荷而继续变形破坏后仍能承受一定载荷而继续变形层状岩体可呈现比较明显的各向异性层状岩体可呈现比较明显的各向异性岩石强度理论及岩体的力学性质岩石强度理论及岩体的力学性质二、岩体及其力学性质二、岩体及其力学性质203.岩体变形曲线：岩体变形曲线：压密阶段：压密阶段：裂隙被压闭合裂隙被压闭合，纵向变形明显，侧向变形不明显；，纵向变形明显，侧向变形不明显；弹性阶段：弹性阶段：结构体开始承载变形结构体开始承载变形，应力应变正比，呈弹性；，应力应变正比，呈弹性；塑性阶段：塑性阶段：过屈服点，过屈服点，结构体变形，结构面产生滑移变

14、形结构体变形，结构面产生滑移变形，扩容、应变强化；，扩容、应变强化；破坏阶段：破坏阶段：强度限后，出现强度限后，出现沿结构面滑移和结构体转动沿结构面滑移和结构体转动，扩容，出现新裂缝。，扩容，出现新裂缝。破坏后，由于岩体尺寸大，破坏后，由于岩体尺寸大，仍能够靠块体间摩擦承受一定载荷。仍能够靠块体间摩擦承受一定载荷。岩石强度理论及岩体的力学性质岩石强度理论及岩体的力学性质二、岩体及其力学性质二、岩体及其力学性质21三）岩体的三）岩体的强度特征度特征岩体强度岩体强度:是岩块、弱面强度的综合反映，介于岩块、弱面强度之间是岩块、弱面强度的综合反映，介于岩块、弱面强度之间 包括包括：抗压、抗剪、抗拉：抗

15、压、抗剪、抗拉1.结构面及其强度：结构面及其强度：1）结构面分类：）结构面分类：按成因按成因：原生结构面原生结构面成岩阶段形成的结构面成岩阶段形成的结构面；构造结构面构造结构面在构造运动作用下形成的结构面在构造运动作用下形成的结构面；次生结构面次生结构面指岩体受卸荷、风化、地下水等次生作用所指岩体受卸荷、风化、地下水等次生作用所产生的结构面；产生的结构面；按工程要求：按工程要求：细小结构面细小结构面 延长延长L1m中等结构面中等结构面 1m延长延长L10m巨大结构面巨大结构面 延长延长L10m岩石强度理论及岩体的力学性质岩石强度理论及岩体的力学性质二、岩体及其力学性质二、岩体及其力学性质222

16、）结构面的接触类型：）结构面的接触类型：岩石强度理论及岩体的力学性质岩石强度理论及岩体的力学性质二、岩体及其力学性质二、岩体及其力学性质23压缩性质剪切性质3）结构面强度特征：）结构面强度特征：不能承受拉应力；不能承受拉应力；可承受垂直面的压应力；可承受垂直面的压应力；可承受沿面剪应力（与其上正应力有关）；可承受沿面剪应力（与其上正应力有关）；以剪切破坏为主。以剪切破坏为主。岩石强度理论及岩体的力学性质岩石强度理论及岩体的力学性质二、岩体及其力学性质二、岩体及其力学性质24岩体结构面2.岩块的强度：岩块的强度：可承受压、剪或低值拉应力，以剪切破坏为主可承受压、剪或低值拉应力，以剪切破坏为主3.

17、岩体强度：岩体强度：介于结构面、岩块之间。满足无拉力准则（受介于结构面、岩块之间。满足无拉力准则（受 拉处即破坏）拉处即破坏）岩石强度理论及岩体的力学性质岩石强度理论及岩体的力学性质二、岩体及其力学性质二、岩体及其力学性质25结构面方位对岩体强度的影响结构面与主应力结构面与主应力方向不同，对岩方向不同，对岩体强度影响不同。体强度影响不同。结构面位于剪切结构面位于剪切面位置时，岩体面位置时，岩体强度最小。强度最小。4.结构面对岩体强度的影响：结构面对岩体强度的影响：岩石强度理论及岩体的力学性质岩石强度理论及岩体的力学性质二、岩体及其力学性质二、岩体及其力学性质26结构面组数越多，岩体强度越接近结

18、构面强度结构面组数越多，岩体越呈现各向同性。对现场松散破碎岩体，不能使用岩块强度，只能使用弱面强度或弱面摩擦强度研究破坏问题。岩石强度理论及岩体的力学性质岩石强度理论及岩体的力学性质二、岩体及其力学性质二、岩体及其力学性质27 式中：P试件破坏载荷 kN；A试件横截面积 m2。四）岩体四）岩体强度的度的测定：定：试试 件件现场切割（保持原有结构）现场切割（保持原有结构）仪器设备仪器设备现场安装现场安装1.单向压缩强度测定：单向压缩强度测定：岩石强度理论及岩体的力学性质岩石强度理论及岩体的力学性质二、岩体及其力学性质二、岩体及其力学性质28岩体单轴抗压强度测定1方木；2工字钢；3千斤顶；4水泥砂

19、浆岩石强度理论及岩体的力学性质岩石强度理论及岩体的力学性质二、岩体及其力学性质二、岩体及其力学性质29对多个试件，通过改变正压力，获得岩体抗剪强度曲线 2.抗剪强度测定：抗剪强度测定：岩石强度理论及岩体的力学性质岩石强度理论及岩体的力学性质二、岩体及其力学性质二、岩体及其力学性质30试件压力枕球面垫液压枕顶柱垫板顶座垫板除非大型重要工程，一般不进行现场实测。除非大型重要工程，一般不进行现场实测。目前，现场多用间接方法测定准岩体强度。目前，现场多用间接方法测定准岩体强度。3.三轴压缩强度试验：三轴压缩强度试验：真三轴：真三轴：伪三轴：伪三轴：岩石强度理论及岩体的力学性质岩石强度理论及岩体的力学性

20、质二、岩体及其力学性质二、岩体及其力学性质31 式中：为岩体完整性系数。岩体、岩块中弹性波纵波传播速度。准岩体强度：准岩体强度：实质：实质：考虑裂隙发育程度，以经过修正的岩石强度作为岩体强度考虑裂隙发育程度，以经过修正的岩石强度作为岩体强度准岩体抗压强度：准岩体抗压强度：准岩体抗拉强度：准岩体抗拉强度：岩石强度理论及岩体的力学性质岩石强度理论及岩体的力学性质二、岩体及其力学性质二、岩体及其力学性质32本节重点：本节重点：1.强度准则、强度理论概念；强度准则、强度理论概念；2.莫尔强度理论、格里菲斯强度理论实质莫尔强度理论、格里菲斯强度理论实质（课后自学）；（课后自学）；3.莫尔应力圆的推导及其应用；莫尔应力圆的推导及其应用；4.莫尔强度准则斜直线强度曲线的几个结论；莫尔强度准则斜直线强度曲线的几个结论；5.岩体概念、与岩石的区别，岩体强度影响因素；岩体概念、与岩石的区别，岩体强度影响因素；岩石强度理论及岩体的力学性质岩石强度理论及岩体的力学性质