岩石力学与工程科普

岩石力学是一门研究岩石在外界因素(如荷载、水流、温度变化等)作用下的应力、应变、破坏、稳定性及加固的学科。研究目的在于解决水利、土木工程等建设中的岩石工程问题。

图一 沉积岩

图二 岩浆岩

图三 岩浆岩

岩石力学是一门应用性很强的学科,岩石力学的研究注重岩石本身的固有特性。在地球表面的岩石,基本上可分为三大类,即火成岩、沉积岩、变质岩。它们形成的时期,最早可追溯到几十亿年以前,在漫长的地质年代中,先后经历了多次地质构造运动。因此,岩石与人工塑料、金属材料有很大不同。在成岩过程中,组成岩石的矿物颗粒在大小、物理力学性质和热导率等方面都各不相同,因此在岩桨冷却时,颗粒内部和边界会产生微裂纹;另一方面,由于晶体相互之间有摩擦阻力,变形受阻,引起应力积累,而形成封闭应力。在此后地质构造的长期作用下,岩石中又形成了各种断裂,如裂隙和断层。裂纹、断裂等在外力作用下都具有随时间而变化的力学性能,即流变性。

岩石力学主要研究方向:①岩石应力,包括岩体内应力的来源、初始应力(构造应力、自重应力等)、二次应力、附加应力等。初始应力由现场量测决定,常用钻孔应力解除法和水压致裂法,有时也用应力恢复法。二次应力和附加应力的计算常用固体力学经典公式,复杂情况下采用数值模拟方法。

②岩石变形,包括单向和三向条件下的变形曲线特性、弹性和塑性变形、流变(应力-应变-时间关系)和扩容。岩石流变主要包括蠕变和松弛。在应力不变时岩石的变形随时间不断增长的现象称为蠕变。在应变不变时岩石中的应力随时间减少的现象称为松弛。岩石扩容是指在偏应力作用下,当应力达到某一定值时岩石的体积随偏应力的增大而增大的现象。研究岩石变形在室内常用单轴或三轴压缩方法、流变试验和动力试验等,多数试验往往结合强度研究进行。为了测定岩石应力达到峰值后的应力与应变关系,必须应用伺服控制刚性压力机。野外试验有承压板法、水压法、钻孔膨胀计法和动力法等。根据室内外试验可获得应力与应变关系和应力-应变-时间关系以及相应的变形参数,如弹性模量、变形模量、泊松比、弹性抗力系数、流变常数等。

③岩石强度,包括抗压、抗拉、抗剪(断)强度及岩石破坏、断裂的机理和强度准则。室内用压力机、直剪仪、扭转仪及三轴仪,现场做直剪试验和三轴试验,以确定强度参数(粘聚力c和内摩擦角φ)。强度准则大多采用库伦-纳维准则。这个准则假定对破坏面起作用的正应力会增加岩石的抗剪强度,其增加量与正(压)应力的大小成正比。其次采用莫尔准则,也可采用格里菲思准则和修正的格里菲思准则。

④岩石渗流,包括渗透性、渗流理论、渗流应力状态和渗流控制等。对大多数岩石假定岩石中的水流为层流,流速与水力梯度呈线性关系,遵循达西定律。岩石渗透特性用渗透系数表示,该系数在室内用渗透仪测定,在野外用压水试验和抽水试验测定。渗流理论借流体力学原理进行研究。稳定渗流满足拉普拉斯方程。多数岩石内的孔隙(裂隙)水压力可用K.泰尔扎吉有效应力定律计算。为了减小大坝底面渗透压力、提高大坝的稳定性,应当采取渗流控制措施,如抽水、排水、设置灌浆帷幕以延长渗流途径等。

⑤岩石动力性状,研究爆炸、爆破、地震、冲击等动力作用下岩石的力学特性、应力波在岩石内的传播规律、地面振动与损害等。动力特性在室内用动三轴试验研究,野外用地球物理性、爆炸冲击波试验等技术进行研究,波的传播规律借固体力学的理论进行研究。

工程应用主要研究五个方面:①地上工程建筑物的岩石地基,例如研究高坝、高层建筑、核电站以及输电线路塔等地基的稳定、变形及处理的问题;

②地表挖掘的岩石工程问题,如水库、边坡、高坝、岸坡、 渠道、运河、路堑、露天开采坑等天然和人工边坡的稳定、变形及加固问题;

③地下洞室,如研究地下电站、 水工隧洞 、交通隧道、采矿巷道、战备地道、石油产品库等的围岩的稳定和变形问题,地下开挖施工以及围岩的加固(如固结灌浆、锚喷、预应力锚固等)问题;

④岩石破碎,如将岩石破碎成各种所要求的规格,以作为有关建筑材料(建筑物面石、土坝护石、堆石坝和防波堤石料、混凝土骨料等);

⑤岩石爆破,如用定向爆破筑坝,巷道掘进和采矿等。此外,岩石力学还应用于某些地质问题的研究,如分析因开采地下矿体和液体而地表下陷、解释地球构造理论、预估地震和控制地震等。

岩石工程所涉及的岩体称为工程岩体,以别于天然岩体。人类生活在地球表层,依赖地质环境提供的条件得以生存,人类的工程活动,如矿产资源的开发、水力资源的开发、水利资源的利用、各类建筑物的构筑、地质灾害的防治等,均密切地与地质环境中的地质体相关。其中,将在岩体内部或表面修建或构筑的任何工程统称为岩石工程(或岩体工程)。

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7.一种模拟准脆性断裂问题的相场法能量退化法则如美国Teton大坝[2]由于高水压引起的裂缝扩展,导致溃坝事故;澳大利亚Kölnbrein 拱坝[3]由于坝踵裂缝出现了严重的渗漏,严重影响了工程效益。混凝土、岩石、非饱和黏性土及水泥砂浆等水利工程中常用防渗材料的裂缝扩展多为准脆性断裂或脆性断裂,量化这些裂缝的断裂过程,对预防裂缝引起的材料失效具有重要的意义。jvzquC41o0ly5?60eqs0pn|u1463485949523:=;28;/j}rn
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9.常见岩石抗压强度抗拉强度凝聚力和内摩擦角断裂非线性现在让我们应用一个有效的压缩“限制”应力sigmar≠0。实测峰值应力高于无围应力时的峰值应力。峰值应力的增量是岩石内摩擦强度的函数。因此,根据库仑破坏准则,最大剪应力tau将是岩石内聚力S0和施加的法向有效压应力sigman的函数,表达式如下: https://dnicolasespinoza.github.io/node26.html jvzquC41yy}/hjsi|jkozrz0eqs0rxxv1;:17=;71
10.FRACOD模拟软件在岩石工程中的应用及案例分析岩土工程领域中岩石作为力传播媒介在地下工程中起着至关重要的作用,掌握工程扰动过程中岩石裂纹扩展规律及破坏特征有助于揭示相关灾害发生机理,为防治灾难发生提供研究基础。为此,基于岩石断裂力学理论和位移不连续数值模拟理论,提出能够同时预测拉伸和剪切裂纹传播的F-准则,研发了能够模拟岩石混合裂纹扩展的FRACOD软件。首先jvzquC41yy}/k}j{g0ipo8wguq{sen4ygk~jph8:857:9A2348;:5?7
11.岩石力学与地下工程之后,裂隙快速发展,形成宏观断裂面,试件承载能力随变形增大而迅速下降,但并不为零,说明破裂的岩石仍具有一定的承载力。 15.简述岩石在反复加载和卸载条件下的变形特征。 答: 对于线弹性岩石,反复加载和卸载时的应力应变路径完全相同,对于完全弹性岩石,反复加载和卸载时的应力应变路径完全相同,但是应力应变关系是曲线jvzquC41fqi/okfnkd4dqv4xkg}07nghgghb8?ge5;:dhj97ch:799>3g3
12.专家详情(5)国家自然科学基金面上项目,51174015、冲击性岩石声发射多频段耦合特征及临界破裂识别模式研究,2011-2015,主要参加人员 (6)国家自然科学基金青年科学基金项目,51004007,高应力条件下岩石流变断裂准则研究,2011-2013,主要参加人员 (7)中央高校基本科研业务费交叉学科与研究基地发展基金,FRF-AS-09-011B、城市地下空间开jvzquC41etkt0~xvd0kew7hp1u€ey8x|fyekum|1c|id1oouliita|fy1:19m7e6e6b:l9;e:>4dn<6hh7e8okh4g4ivv
13.压剪作用下压实黏土断裂破坏机理及断裂准则期刊[1]高赛红,曹平,汪胜莲.水压力作用下岩石中Ⅰ和Ⅱ型裂纹断裂准则[J].中南大学学报(自然科学版).2012,(3). [2]周家文,徐卫亚,石崇.基于破坏准则的岩石压剪断裂判据研究[J].岩石力学与工程学报.2007,(6).DOI:10.3321/j.issn:1000-6915.2007.06.014. jvzquC41f0}bpofpifguc7hqo0io1yjtkqjjejq1{vmdzk7243642:8
14.强冲击荷载下岩石材料断裂及破碎机制研究在理论模型方面,通过建立压应力状态下岩石动断裂滑移模型研究了脆性材料由于微裂纹扩展引起的非线性应变细观机制及对宏观本构关系的影响;通过提出过渡性压剪裂纹模型修正了传统模型在近端场的误差,结合Freund逼近解提出了统一的幂数型裂纹动态扩展准则,基于Catigiano能量平衡原理推导了矩阵形式的非线性应变计算公式。分析了微jvzquC41tqilonhj0ynsuv3ce0io1LS1cdyutjhv1chtv{fev575;:3ujvsm