2.(第二章)矿山岩石和岩体的力学属性.ppt

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1、第二章第二章 矿山岩石和矿山岩石和岩体的力学属性岩体的力学属性2.1岩石的基本概念及物理性质岩石的基本概念及物理性质一、岩石的一般概念一、岩石的一般概念岩石是矿物的集合体，具有一定的结构与构造岩石是矿物的集合体，具有一定的结构与构造二、岩石的基本分类二、岩石的基本分类按成因：岩浆岩，沉积岩，变质岩按成因：岩浆岩，沉积岩，变质岩按结构：按结构：按矿物颗粒联系方式：固结性，粘结性，散粒状；流动状按矿物颗粒联系方式：固结性，粘结性，散粒状；流动状按矿物颗粒大小：砾岩；砂岩；页岩，粉砂岩，泥岩，粘土按矿物颗粒大小：砾岩；砂岩；页岩，粉砂岩，泥岩，粘土按构造：整体状；多孔状，层状按构造：整体状；多孔状，

2、层状按坚实性：坚硬岩石（按坚实性：坚硬岩石（Rc=50MPa）；松软岩石）；松软岩石(Rc50MPa）注：注：由结构特性（颗粒大小，胶结性质）决定了岩石的非均质性由结构特性（颗粒大小，胶结性质）决定了岩石的非均质性由构造特性（多孔，层理）决定了岩石非连续性与各向异性由构造特性（多孔，层理）决定了岩石非连续性与各向异性物理性质是岩石重力性与结构性质统一物理性质是岩石重力性与结构性质统一1、重力性、重力性密度密度 kg/m3 =Ms/Vs视密度视密度/kg/m3依含水、孔隙状态不同：依含水、孔隙状态不同：天然天然/=M/V；干干/d=Ms/V，岩石岩石100110下干燥下干燥24h后的密度；后的密

3、度；饱和饱和/sat=(Ms+Mv)/V 岩石吸水饱和状态下的密度；岩石吸水饱和状态下的密度；注：注：v一般情况下，岩石的密度一般情况下，岩石的密度岩石的视密度岩石的视密度/v可根据视密度可根据视密度/换算出岩石的容重换算出岩石的容重(kN/m3)v岩石密度岩石密度测定一般用研磨法；岩石视密度测定一般用研磨法；岩石视密度/测定一般用蜡封法测定一般用蜡封法三、岩石的基本概念及物理性质三、岩石的基本概念及物理性质2、结构特性、结构特性孔隙率孔隙率 n n=(Va+Vw)/V=(V-Vs)/V=(1-/d/)100%一般一般n增加，增加，/下降，下降，下降，塑变增加，透水性增加下降，塑变增加，透水性

4、增加 孔隙比孔隙比 ee=(Va+Vw)/Vs=(V-Vs)/V=(Va+Vw)/(V-(Va+Vw)=n/(1-n)吸水率吸水率按吸入水份能力按吸入水份能力自然：自然：=Mw/Ms100%（大气压作用下）（大气压作用下）强制：强制：sat=Mvs/Ms100%真空或加压（真空或加压（15MPa）饱和系数饱和系数Ks=/sat工程上，一般用工程上，一般用来评价岩石抗冻性能，来评价岩石抗冻性能，0.5%时，时，认为耐冻认为耐冻渗透系数渗透系数K cm/sK=Q/AIQ为单位时间渗透水量为单位时间渗透水量A为渗透面积为渗透面积I为水力坡度为水力坡度K一般是通过钻孔中进行抽水试验或压水试验测定。一般

5、是通过钻孔中进行抽水试验或压水试验测定。抗冻系数抗冻系数Cf=(c-cf)/c100%c岩样冻融前岩样冻融前 cf 岩样冻融后岩样冻融后3、软化特性、软化特性软化系数软化系数c=RcW/Rcd1Kp与岩石紧硬度，破碎块度及排列状态有关与岩石紧硬度，破碎块度及排列状态有关残余碎胀系数残余碎胀系数：Kp/=V/V1V/与岩石本身性质，外加荷载大小及经历时间长短有关与岩石本身性质，外加荷载大小及经历时间长短有关研究研究Kp,Kp/对于采场顶板管理具有重要意义对于采场顶板管理具有重要意义2.2 岩石的破坏机理和强度理论岩石的破坏机理和强度理论2.2.1 岩石的破坏机理岩石的破坏机理（1）岩石的应力应变

6、全过程曲线）岩石的应力应变全过程曲线 l0试件原长度；试件原长度；l变形后长度；变形后长度；p压力；压力；A0试件原断面积。试件原断面积。ll0PpeOABCDOA段：原始岩石内的空隙压密阶段；段：原始岩石内的空隙压密阶段；AB段：线弹性变形阶段，段：线弹性变形阶段，B点为弹性极限；点为弹性极限；BC段：裂隙产生和扩展阶段，呈现弹塑性变形，段：裂隙产生和扩展阶段，呈现弹塑性变形，C点为点为强度极限，用强度极限，用Rc表示；表示；CD段：残余承载阶段，即岩石受载虽然已过强度极限，段：残余承载阶段，即岩石受载虽然已过强度极限，但仍具有部分承载能力，到达但仍具有部分承载能力，到达D点岩石才完全破坏。

7、点岩石才完全破坏。一般实验机很难获得上述全过程一般实验机很难获得上述全过程曲线，而只有曲线，而只有C段以前的曲线。见右段以前的曲线。见右图。图。原因：普通实验机的刚性较小。对原因：普通实验机的刚性较小。对试件加载过程中，自身变形较大，积试件加载过程中，自身变形较大，积蓄了大量的变形能，当试件达到强度蓄了大量的变形能，当试件达到强度极限后，承载能力下降，压力机内的极限后，承载能力下降，压力机内的变性能突然释放，施加于试件上，导变性能突然释放，施加于试件上，导致试件突然破裂，常伴有炸裂的响声致试件突然破裂，常伴有炸裂的响声和碎块飞出。和碎块飞出。CBAO（2）岩石强度特征）岩石强度特征 三向抗压三

8、向抗压双向抗压双向抗压单向抗压单向抗压抗剪抗剪抗拉抗拉（3）岩石破坏机理）岩石破坏机理 岩石在外力作用下，首先产生不同形式的变形，继而产生微裂隙和破岩石在外力作用下，首先产生不同形式的变形，继而产生微裂隙和破裂，裂隙扩展到一定阶段，岩石破坏。岩石破坏的基本形式如下：裂，裂隙扩展到一定阶段，岩石破坏。岩石破坏的基本形式如下：压剪破坏压剪破坏有 侧 向 约有 侧 向 约束束塑性流动破坏塑性流动破坏强的侧向约束强的侧向约束压 裂 破压 裂 破坏 无 约坏 无 约束束 1）压裂破坏：）压裂破坏：加压板与试件端面间摩擦阻力小时，加压板与试件端面间摩擦阻力小时，试件横向变形，变形量达到变形极限时，试件拉裂

9、，形成试件横向变形，变形量达到变形极限时，试件拉裂，形成平行于加压方向的拉裂缝，试件破坏原因为拉裂破坏。平行于加压方向的拉裂缝，试件破坏原因为拉裂破坏。2）剪破坏：）剪破坏：加压板与试件端面有摩擦力较大时，产加压板与试件端面有摩擦力较大时，产生剪切破坏（一组或几组剪切面）。生剪切破坏（一组或几组剪切面）。3）塑性流动破坏：）塑性流动破坏：加压板与试件端面有很大摩擦力加压板与试件端面有很大摩擦力时，试件二端面变形受到强阻碍时，出现了多组剪切面，时，试件二端面变形受到强阻碍时，出现了多组剪切面，试件会逐渐缓慢地膨胀成桶形。最后因塑性流动而导致破试件会逐渐缓慢地膨胀成桶形。最后因塑性流动而导致破坏。

10、该破坏形式是岩石颗粒产生微小剪切滑移的结果，仍坏。该破坏形式是岩石颗粒产生微小剪切滑移的结果，仍是一种剪应力造成的剪切错动。是一种剪应力造成的剪切错动。2.2.2 岩石的强度理论岩石的强度理论 岩石的强度理论：研究岩石在复杂应力作用下破坏的原因、规岩石的强度理论：研究岩石在复杂应力作用下破坏的原因、规律及建立破坏的判据。目前已提出了很多种强度理论，但在目前岩律及建立破坏的判据。目前已提出了很多种强度理论，但在目前岩石工程中常用的有两种：莫尔库仑强度理论和格里菲斯强度理论。石工程中常用的有两种：莫尔库仑强度理论和格里菲斯强度理论。（1）莫尔库仑强度理论）莫尔库仑强度理论 莫尔（莫尔（Mohr）强

11、度理论认为（）强度理论认为（1900）：固体材料发生破坏的主）：固体材料发生破坏的主要原因是由于破坏面上的剪力达到一定限度。这个剪力除了与材料要原因是由于破坏面上的剪力达到一定限度。这个剪力除了与材料本身的性质有关外，还与破坏面上的正应力造成的摩擦阻力有关。本身的性质有关外，还与破坏面上的正应力造成的摩擦阻力有关。例如，某一点材料发生破坏，不仅取决于该点的剪应力，同时也取例如，某一点材料发生破坏，不仅取决于该点的剪应力，同时也取决于该点的正应力。因此，岩石沿某一个面剪断时所需要的剪应力决于该点的正应力。因此，岩石沿某一个面剪断时所需要的剪应力与该面上的正应力存在某种函数关系：与该面上的正应力存

12、在某种函数关系：该式为莫尔提出的一般形式，也称为莫尔强度理论的普遍形式。该式为莫尔提出的一般形式，也称为莫尔强度理论的普遍形式。具体应用中，要通过试验确定其具体形式。一般的试验方法就是做大具体应用中，要通过试验确定其具体形式。一般的试验方法就是做大量的单向拉、单向压，不同围压下的三轴压试验，得到不同的莫尔圆，量的单向拉、单向压，不同围压下的三轴压试验，得到不同的莫尔圆，然后给出莫尔应力圆的包络线。然后给出莫尔应力圆的包络线。113313极限莫尔圆=f（）强度曲线的作用：强度曲线的作用：（1）判断岩石试件是否发生剪切破坏，由某一面上的）判断岩石试件是否发生剪切破坏，由某一面上的 做出应力圆可判断

13、试件发生破坏否。做出应力圆可判断试件发生破坏否。（2）判断破坏面方向：通常）判断破坏面方向：通常 （3）（抗拉强度小于抗压强度）（抗拉强度小于抗压强度）在岩石力学和工程设计中，为了计算岩石强度，必须给出相在岩石力学和工程设计中，为了计算岩石强度，必须给出相应的关系式，莫尔没有给出应的关系式，莫尔没有给出 的具体关系式，有人提出的具体关系式，有人提出二次曲线或摆线等。但为了便于计算，当正压力加大时（二次曲线或摆线等。但为了便于计算，当正压力加大时（）通常采用斜直线作为强度曲线，即：通常采用斜直线作为强度曲线，即：、分别为破坏面上的剪应力和正应力分别为破坏面上的剪应力和正应力 、岩石的内聚力和内摩

14、擦角岩石的内聚力和内摩擦角245ctRR)(faMp10tgC C 这一公式是由库仑（这一公式是由库仑（Coulomb）1773年提出的，年提出的，后由莫尔用新的理论加以解释，故上式称为莫尔库仑强后由莫尔用新的理论加以解释，故上式称为莫尔库仑强度理论。由上式可得出如下关系：度理论。由上式可得出如下关系：CctanODNN1M313311C(1+3)/23(1-3)/232Ss=tan+Cn45-/2试件 莫尔库仑强度理论目前在岩石力学领域中应用最广莫尔库仑强度理论目前在岩石力学领域中应用最广 它能较全面地反映岩石的强度特性，如抗拉强度远小于抗压它能较全面地反映岩石的强度特性，如抗拉强度远小于抗

15、压强度，能很好地解释岩石在三轴受拉时会破坏（因强度包络强度，能很好地解释岩石在三轴受拉时会破坏（因强度包络线在受拉区闭合）和三轴等压压缩时不会破坏（包络线在受线在受拉区闭合）和三轴等压压缩时不会破坏（包络线在受压区不闭合）的现象。它不仅适用于塑性材料，还适用于脆压区不闭合）的现象。它不仅适用于塑性材料，还适用于脆性材料的破坏，所以广泛用来解释岩石的破坏现象。其中不性材料的破坏，所以广泛用来解释岩石的破坏现象。其中不足之处在于：只适用于剪切和塑性流动两种破坏形式，不适足之处在于：只适用于剪切和塑性流动两种破坏形式，不适用于拉断破坏；其次莫尔库仑强度理论只考虑了最大主应用于拉断破坏；其次莫尔库仑强

16、度理论只考虑了最大主应力力 和最小主应力和最小主应力 ，与中间主应力，与中间主应力 无关，而一些试验无关，而一些试验已经证明了已经证明了 对岩石破坏有影响。对岩石破坏有影响。1322 （2）格里菲斯强度理论）格里菲斯强度理论（Griffith，1921）格里菲斯强度理论认为：任何固体内部都存在窄狭的微裂隙。无格里菲斯强度理论认为：任何固体内部都存在窄狭的微裂隙。无论材料的受力状态如何（压或拉），最终都会在裂隙尖端产生拉应力论材料的受力状态如何（压或拉），最终都会在裂隙尖端产生拉应力集中。当拉应力大于材料的抗拉强度时，裂隙扩展，直至材料破坏。集中。当拉应力大于材料的抗拉强度时，裂隙扩展，直至材料

17、破坏。由此可见，由此可见，Griffiht理论认为材料破坏是由于拉应力造成的这一理理论认为材料破坏是由于拉应力造成的这一理论适用于玻璃、陶瓷、岩石等脆性材料。论适用于玻璃、陶瓷、岩石等脆性材料。Griffith在进行理论准则推导时，认为材料内的裂隙可用椭圆代替。在进行理论准则推导时，认为材料内的裂隙可用椭圆代替。如，如，Griffith椭圆裂隙。然后将模型简化为半无限介质中单个椭圆孔洞椭圆裂隙。然后将模型简化为半无限介质中单个椭圆孔洞的平面应力问题处理。引用弹性力学关于半无限大介质椭圆孔周边受的平面应力问题处理。引用弹性力学关于半无限大介质椭圆孔周边受力分析结果，得出双向应力状态下裂隙开始扩展

18、的条件：力分析结果，得出双向应力状态下裂隙开始扩展的条件：yxyxxy132.3 岩体及其质量评价岩体及其质量评价 2.3.1 岩体的基本类型和特性岩体的基本类型和特性 （1）岩体的基本特性）岩体的基本特性 岩石和岩体是两个不同的概念，岩石是指小的岩石试件岩石和岩体是两个不同的概念，岩石是指小的岩石试件（试块），而岩体是指岩石集合体，或指大范围内的工程（试块），而岩体是指岩石集合体，或指大范围内的工程地质体。一般说来，岩体内可能含有不同种类的岩石，含地质体。一般说来，岩体内可能含有不同种类的岩石，含有各种天然弱面，受到天然环境及力场作用等，没有特定有各种天然弱面，受到天然环境及力场作用等，没有

19、特定的自然边界，我们工程中实际所遇到的都是岩体，与岩石的自然边界，我们工程中实际所遇到的都是岩体，与岩石相比，岩体具有如下力学属性。相比，岩体具有如下力学属性。1）非均质性）非均质性 对于由多种岩石组成的岩体，由于在自然条件下组成岩石的物质成分、对于由多种岩石组成的岩体，由于在自然条件下组成岩石的物质成分、组织结构及其组合状况经常变化，所以一般认为岩体是非均质的。例组织结构及其组合状况经常变化，所以一般认为岩体是非均质的。例如，对于层壮岩体，无论在层面上还是在垂直面上都具有明显的非均如，对于层壮岩体，无论在层面上还是在垂直面上都具有明显的非均质性。岩体除了因物质成分不同造成的非均质性外，由于各

20、种非均质质性。岩体除了因物质成分不同造成的非均质性外，由于各种非均质结构面切割的结果也呈现出明显得结构非均质性。结构面切割的结果也呈现出明显得结构非均质性。2）各向异性）各向异性 各向异性是指岩体的全部或部分物理力学特性随方向不同而表现出一各向异性是指岩体的全部或部分物理力学特性随方向不同而表现出一定差异的性质。岩体的学多物理力学性质，如弹模、抗压、抗拉强度，定差异的性质。岩体的学多物理力学性质，如弹模、抗压、抗拉强度，声波的传播速度等，就随加载或测试方向不同而有显著差别。见图，声波的传播速度等，就随加载或测试方向不同而有显著差别。见图，x，y，z 三个方向的力学指标明显有差异。三个方向的力学

21、指标明显有差异。岩体的各向异性也和非均质类似，不仅由岩体的各向异性也和非均质类似，不仅由于物质成分、结构致密程度不同而造成，于物质成分、结构致密程度不同而造成，而且也受到各种结构面的影响。由于结构而且也受到各种结构面的影响。由于结构面的方位不同，数量不等，规模不一，性面的方位不同，数量不等，规模不一，性质各异，会造成岩体各向异性。当结果面质各异，会造成岩体各向异性。当结果面组数少且各自发育程度不同的岩体，其各组数少且各自发育程度不同的岩体，其各向异性会表现得明显；反之，结构面组数向异性会表现得明显；反之，结构面组数多，各自都很发育，方向十分复杂的岩体，多，各自都很发育，方向十分复杂的岩体，其各

22、向异性表现的不明显。组数多，各向其各向异性表现的不明显。组数多，各向异性弱，认为各向同性。组数少，各向异异性弱，认为各向同性。组数少，各向异性大。性大。3）非连续性）非连续性 由于岩体被各种结构面所切割，因此从原则上说，岩体属于非连续体。由于岩体被各种结构面所切割，因此从原则上说，岩体属于非连续体。但随着被切割的岩块大小、形态和性质不同，岩块的排列和互相接触但随着被切割的岩块大小、形态和性质不同，岩块的排列和互相接触状态的差异，及其不连续程度都会有所不同。因此，在研究工程问题状态的差异，及其不连续程度都会有所不同。因此，在研究工程问题时，尤其是进行岩体稳定分析时，往往根据岩体的不同结构类型把岩

23、时，尤其是进行岩体稳定分析时，往往根据岩体的不同结构类型把岩体分别看作是非连续体，似连续体或连续体。体分别看作是非连续体，似连续体或连续体。A、非连续体：受结构面影响明显的层状、块状结构岩体和碎裂结构岩、非连续体：受结构面影响明显的层状、块状结构岩体和碎裂结构岩体；体；B、似连续体：结构面发育密集、杂乱无章的散体结构岩体；、似连续体：结构面发育密集、杂乱无章的散体结构岩体；C、连续体：、连续体：整体结构岩体，部分原层状岩体。整体结构岩体，部分原层状岩体。2.3.2 岩体强度特征岩体强度特征 （1）岩体强度的基本概念）岩体强度的基本概念 对于岩石而言，对于岩石而言，其抗拉强度与其它强度相比最小，

24、通常只其抗拉强度与其它强度相比最小，通常只有抗压强度的几分之一到几十分之一有抗压强度的几分之一到几十分之一。对于岩体而言，这。对于岩体而言，这个特征就更加突出。因为岩体中含有各种结构弱面，而结个特征就更加突出。因为岩体中含有各种结构弱面，而结构面的粘结力都是十分微弱的，甚至不存在，由于岩体强构面的粘结力都是十分微弱的，甚至不存在，由于岩体强度主要取决于结构弱面的强度，因此岩体是一种不能承受度主要取决于结构弱面的强度，因此岩体是一种不能承受拉应力的材料。工程分析中，一旦某处岩体出现了拉应力，拉应力的材料。工程分析中，一旦某处岩体出现了拉应力，即认为该处已破坏，这就是通常所说的岩体无拉力准则。即认

25、为该处已破坏，这就是通常所说的岩体无拉力准则。岩石强度曲线岩石强度曲线结构面强度曲结构面强度曲线线岩体强度区岩体强度区（2）结构面对岩体强度的影响）结构面对岩体强度的影响 结构面是区别岩体与岩石的重要特征之一。它的种类结构面是区别岩体与岩石的重要特征之一。它的种类很多，如层理、节理、断层、软弱夹层等。许多的岩体工很多，如层理、节理、断层、软弱夹层等。许多的岩体工程失稳都是由结构面所控制。在研究矿山岩石力学问题时，程失稳都是由结构面所控制。在研究矿山岩石力学问题时，有代表性的结构面就是层理和节理。层理面是沉积岩的主有代表性的结构面就是层理和节理。层理面是沉积岩的主要弱面之一，有些情况下它对沉积岩

26、岩体的变形和破坏起要弱面之一，有些情况下它对沉积岩岩体的变形和破坏起主导作用。如煤矿中顶板离层，分层冒落和底板沿层面滑主导作用。如煤矿中顶板离层，分层冒落和底板沿层面滑动等。而节理对所有岩体来说都更具普遍性。它主要是由动等。而节理对所有岩体来说都更具普遍性。它主要是由构造力而形成的有规则的小的裂隙总称。构造力而形成的有规则的小的裂隙总称。结构面对岩体强度的影响主要表现为使岩体强度降低和结构面对岩体强度的影响主要表现为使岩体强度降低和各向异性。见下图所示。半径方向的长度表示单轴抗压强各向异性。见下图所示。半径方向的长度表示单轴抗压强度大小。为结构面与水平面的夹角。现有三种主要情况：度大小。为结构

27、面与水平面的夹角。现有三种主要情况：=450+/2=00=90012结构面方位对岩体强度的影响。minmaxv2.3.3 岩体质量评价岩体质量评价 v由于岩体特征的复杂性，借助于一、二个参数很难反映出由于岩体特征的复杂性，借助于一、二个参数很难反映出岩体的工程特性，因此人们试图通过各种影响岩体工程性岩体的工程特性，因此人们试图通过各种影响岩体工程性的因素来对岩体质量进行分类和综合评价。其中比尼奥斯的因素来对岩体质量进行分类和综合评价。其中比尼奥斯基（基（Z.T.Bieniawski）1973提出的提出的RMR分类法（分类法（Rock Mass Rating）受到重视（）受到重视（CSIR分类分

28、类南非科学和工业南非科学和工业研究委员会分类法）。其一般原理时，某种岩体的研究委员会分类法）。其一般原理时，某种岩体的RMR值由下式计算：值由下式计算：1）与）与岩石强度相关的岩体评分值Rs可以用标准试件进可以用标准试件进行单轴压缩来确定，也可由点荷载试验确定。行单轴压缩来确定，也可由点荷载试验确定。2 2）岩石质量指标）岩石质量指标RQDRQD评分评分R RRQDRQD3 3）对应于）对应于节理组间距节理组间距的岩石的岩石评分评分值值R RSDSD节理间距评分值R3节理间距/cm2006020020606206R3 评分值201510854）与节理状态相关的岩体评分值Rcd5）与地下水状态相关的岩体评分值Rw6）考虑考虑节理方向对工程是否节理方向对工程是否有利来修正前五个评有利来修正前五个评分之和分之和Rod 根据根据6 6个参数之和个参数之和RMRRMR值，把岩体的质量划分为值，把岩体的质量划分为五类五类61iiRRMR 本分类还给出了对本分类还给出了对岩体稳定性岩体稳定性（隧洞岩（隧洞岩体自稳时间）以及对应的体自稳时间）以及对应的岩体岩体c,c,值值适用：坚硬、节理岩体，浅埋隧道适用：坚硬、节理岩体，浅埋隧道不适用：挤压、膨胀、涌水的及软岩体。不适用：挤压、膨胀、涌水的及软岩体。