岩体力学参数的确定方法
在岩石工程实践中,首先需要了解其研究对象———工程岩体的力学特性,确定其特性参数。力学参数的合理确定在岩石力学的研究和发展过程中始终是难题之一。在应用工程力学领域, 如果原封不动地借用经典理论力学的连续性假设和定义,会出现理解上的毛病。必须考虑假设的合理使用范围和各物理量的适用定义。本文就地下岩体工程根据侧重的点不同对岩体参数的确定方法进行探讨。
一．传统岩体参数的确定方法
地下巷道、硐室开挖后，围岩产生应力重分异作用,径向应力减少,切向应力增加,并且随着工程不断推进,岩体应力状态不断改变。巷道、硐室围岩处于“三高一扰动”条件下,岩体表现的力学特性是破坏条件下的稳定失稳再平衡过程。围岩体处于一种拉压相间出现的复杂应力状态。该类工程岩体的力学参数的确定要进行岩体的卸荷试验研究,且要依据现场工程实际条件进行卸荷条件下的应力、渗流与温度三场耦合试验研究。需要进行循环加卸载条件下的岩体力学特性研究,进而获得岩体的力学参数特征。
确定地下巷道、硐室工程岩体力学参数的方法为:
(1)三轴应力状态下的卸荷三场耦合力学试验,获得有关参数;
(2)进行岩体流变特性试验研究,获得有关岩体的流变参数。
目前在该领域要进行大量的工作,包括设备仪器的研制等,同时还要利用新的计算机技术才会实现。
二．建立力学模型确定岩体力学参数
建立工程岩体力学参数模型主要是解决复杂岩体力学参数确定的问题。要确定复杂岩体的力学参数需要把工程岩体看作具有连续性的模型,运用确定岩体力学参数的新方法,对含层状斜节理的岩体建立力学模型进行力学实验,从而确定了该岩体的各项基本力学参数值。
1．工程岩体力学参数模型
目前对岩石的力学属性及其划分基本有两种观点：一种观点认为岩石本身是一个连续的、没有各向异性的材料,另一种意见认为岩石由多晶体系组成,并存在空洞和裂纹等缺陷,使得岩体本身结构表现出各向异性和不连续性。一般情况下岩体被视为非连续介质,但在一定条件下仍满足连续介质力学的基本假定。因此给定工程岩体的连续性假设:假定整个物体的体积都被组成这个物体的物质微元所充满,没有任何空隙。物质微元是有大小的，物质微元的尺寸决定于所研究的工程物体的尺寸。这样就存在一个用连续体理论来研究非连续体的问题。
2．工程岩体力学参数
为确定工程岩体的力学参数,需要通过井下工程地质调查,根据岩体所含结构面的不同及结构体特性的差异,选取具有代表性的不同尺寸的岩块和结构面,然后进行一系列室内力学实验和数值模拟实验。具体步骤如下:
(1) 通过井下工程调查,确定结构面的空间分布模式,抽象工程岩体结构模型;并在现场采集有代表性的完整岩块和软弱结构面试
样。
(2) 进行室内完整岩块岩石力学实验,得到应力应变全过程曲线,确定岩块σc 等有关力学参数值;然后运用数值分析方法,进行数值
力学试验,重现室内岩块力学实验结果。
(3) 分析序列数值实验结果,确定工程体连续微元尺寸δc 及其对应的工程岩体力学参数。
根据岩石成分和结构面的分布规律,就可以确定某一岩体的结构模型,然后结合室内实验,就可以进行确定其力学参数的模拟实验了。通过数值模拟试验,分别得出了岩体尺寸Δ与单轴抗压强度σc 、弹性模量E、残余强度σRc 、内摩擦角Φ和粘聚力C 的关系曲线,通过关系曲线,可知岩体连续微元尺寸Δc的值。同时,可得出灰岩岩体的各项基本力学参数值:σc 、E 。
3．结论
通过野井下实地调查，采集试样，对岩体进行数值力学实验，以确定其各项基本力学参数值。这种方法也完全可以应用到其他类型的含复杂结构面岩体可以有效的推广。
三．分析节理用数值方法确定岩体力学参数
节理岩体中含有大量不同尺寸、不同分布的结构面,其力学性质与结构面的密度、分布形式又密切相关。现就岩体的节理进行分析，确定力学参数。
1．节理岩体的强度
目前最简单而且使用最广泛的摩尔—库仑屈服准则
(Coulomb ,1773) ,其表达式为:τ = c+σtanφ
由于现场实测费用很高,岩体力学参数的取值往往以岩块的试验结果为基础,经工程弱化处理来求得。目前,岩石力学参数工程弱化的方法有费辛科(ΦuceHko) 法,M. Georigi 法、节理岩体的CSIR 工程地质分类法、E. Hoek 法和经验析减法等。
2．岩体的变形特性
岩体的应力应变关系一般是非线性的而且与围压有关,节理岩体的变形模量值与节理密度J n ,节理与最大主应力的夹角β以及节理强度有关,通过对实验数据的统计分析处理,可以得出一个经验公式为:
Er =Ej/Ei= exp (-a ×J f )
式中：Er —弹性模量比
Ei —岩块的切线弹性模量
Ej —节理岩体的弹性模量
a —从实验曲线得出的参数,可以由表1确定
J f—节理系数,与节理密度、节理的角度以及节理的粗糙度有关
Ramanurthy 也提出了在不同围压条件下节理岩体的弹性模量值,其计算公式为:
Ejo / Ej = 1 - exp[-0.1(σci/σ3)]
σcr =σcj /σci =exp (-0. 008J f )
式中Ejo ———节理岩体在无围压的弹性模量
Ej ———节理岩体的弹性模量
σcj ———无围压时的单轴抗压强度
σ3 ———围压
σci ———岩块的单轴抗压强度
J f———节理系数
3．结语
(1) 节理岩体的结构面是否单独选用节理单元,应该按不同结构的大小、形式、作用来分析选择。
(2) 当节理岩体采用等效连续模型时,其力学参数的选择应该考虑节理中结构面的分布、围压的大小以及尺寸效应。而且应按不同的条件选用不同的屈服模型。
四．结论
岩体力学参数其取值方法很多，本文只是介绍了其中一部分，无论是传统的确定方法还是建立力学模型再或是分析岩石的节理情况，都不能准确的获得岩石的力学参数。具体岩体力学参数的确定应该视实际情况而定，确定方法不是固定不变的。不同的方法结果就可能造成力学参数相差较远，为了能更好的应用到实际中，需要对所求得的岩石力学参数加以校验。借助数学方法对测试数据进行可靠性检验,是工程技术中合理选取参数的需要。
随着科技的发展，对于岩石力学参数的确定将会有进一步的发展，这就需要我们在深入工程现场，掌握一手资料的同时积极探索更为合理的和科学的解决方法。
3.2 侏罗系煤岩层物理力学性质测试 3.2.1试验仪器及原理 本试验采用电子万能压力试验机(图3.24)对侏罗系、石炭系岩石试样进行抗压强度、抗拉强度以及抗剪强度的测定。 (a) 电子万能压力试验机 (b) 单轴抗压强度测试 (c) 抗拉强度测试 (d) 抗剪强度测试 图3.24 岩石力学电子万能压力试验机及试验过程 (1) 岩石抗压强度测定： 单轴抗压强度的测定：将采集的岩块试件放在压力试验机上，按规定的加载速度(0.1mm/min)加载至试件破坏。根据试件破坏时，施加的最大荷载P ，试件横断面A 便可计算出岩石的单轴抗压强度S 0，见式(3.1)。 S 0= P A (3.1) 一般表面单轴抗压强度测定值的分散性比较大，因此，为获得可靠的平均单轴抗压强度值，每组试件的数目至少为3块。 (2) 岩石抗拉强度的测定： 做岩石抗拉试验时，将试件做成圆盘形放在压力机上进行压裂试验，试件受集中荷载的作用，见式(3.2)。
S t = 2P DT π (3.2) 式中：S t ——岩石抗拉强度 MPa ； P ——岩石试件断裂时的最大荷载，KN ； D ——岩石试件直径； T ——岩石试件厚度。 为使抗拉强度值较准确，每种岩石试件数目至少3块。 (3) 岩石抗剪强度测定： 将岩石试件放在两个钢制的倾斜压模之间，然后把夹有试件的压模放在压力实验机上加压。当施加荷载达到某一值时，试件沿预定的剪切面剪断，见式(3.3)。 sin cos n T P A A N P A A τασα? = =? ??? ==?? (3.3) 式中：P ——试件发生剪切破坏时的最大荷载； T ——施加在破坏面上的剪切力； N ——作用在破坏面上的正压力； A ——剪切破坏面的面积； τ——作用在破坏面上的剪应力； n σ——作用在破坏面上的正应力； α——破坏面上的角度。 每组取3块试件，变换不同的破坏角，根据所得的数值，便可在στ-坐标系上画出反映岩石发生剪切破坏的强度曲线。并可求出反映岩石力学性质的另外两个参数：粘聚力c 及内摩察角?。 3.2.2 标准岩样加工 根据需要和所在矿的条件，在晋华宫矿12#煤层2105巷顶板钻取岩样，钻孔长度约22m ，在。根据各段岩心长度统计结果，晋华宫矿顶板岩层的RQD 值为72.4%，围岩质量一般。 岩心取出后，随即贴上标签，用透明保鲜袋包好以防风化，之后装箱，托运到实验室，经切割、打磨、干燥制成标准的岩石试样，岩样制作过程见图3.25。
岩体力学参数的确定方法 在岩石工程实践中,首先需要了解其研究对象———工程岩体的力学特性,确定其特性参数。力学参数的合理确定在岩石力学的研究和发展过程中始终是难题之一。在应用工程力学领域, 如果原封不动地借用经典理论力学的连续性假设和定义,会出现理解上的毛病。必须考虑假设的合理使用范围和各物理量的适用定义。本文就地下岩体工程根据侧重的点不同对岩体参数的确定方法进行探讨。 一．传统岩体参数的确定方法 地下巷道、硐室开挖后，围岩产生应力重分异作用,径向应力减少,切向应力增加,并且随着工程不断推进,岩体应力状态不断改变。巷道、硐室围岩处于“三高一扰动”条件下,岩体表现的力学特性是破坏条件下的稳定失稳再平衡过程。围岩体处于一种拉压相间出现的复杂应力状态。该类工程岩体的力学参数的确定要进行岩体的卸荷试验研究,且要依据现场工程实际条件进行卸荷条件下的应力、渗流与温度三场耦合试验研究。需要进行循环加卸载条件下的岩体力学特性研究,进而获得岩体的力学参数特征。 确定地下巷道、硐室工程岩体力学参数的方法为: (1)三轴应力状态下的卸荷三场耦合力学试验,获得有关参数; (2)进行岩体流变特性试验研究,获得有关岩体的流变参数。 目前在该领域要进行大量的工作,包括设备仪器的研制等,同时还要利用新的计算机技术才会实现。 二．建立力学模型确定岩体力学参数
建立工程岩体力学参数模型主要是解决复杂岩体力学参数确定的问题。要确定复杂岩体的力学参数需要把工程岩体看作具有连续性的模型,运用确定岩体力学参数的新方法,对含层状斜节理的岩体建立力学模型进行力学实验,从而确定了该岩体的各项基本力学参数值。 1．工程岩体力学参数模型 目前对岩石的力学属性及其划分基本有两种观点：一种观点认为岩石本身是一个连续的、没有各向异性的材料,另一种意见认为岩石由多晶体系组成,并存在空洞和裂纹等缺陷,使得岩体本身结构表现出各向异性和不连续性。一般情况下岩体被视为非连续介质,但在一定条件下仍满足连续介质力学的基本假定。因此给定工程岩体的连续性假设:假定整个物体的体积都被组成这个物体的物质微元所充满,没有任何空隙。物质微元是有大小的，物质微元的尺寸决定于所研究的工程物体的尺寸。这样就存在一个用连续体理论来研究非连续体的问题。 2．工程岩体力学参数 为确定工程岩体的力学参数,需要通过井下工程地质调查,根据岩体所含结构面的不同及结构体特性的差异,选取具有代表性的不同尺寸的岩块和结构面,然后进行一系列室内力学实验和数值模拟实验。具体步骤如下: (1) 通过井下工程调查,确定结构面的空间分布模式,抽象工程岩体结构模型;并在现场采集有代表性的完整岩块和软弱结构面试
岩石力学习题 第一章绪论 1.1 解释岩石与岩体的概念，指出二者的主要区别与联系。 1.2 岩体的力学特征是什么？ 1.3 自然界中的岩石按地质成因分类可分为几大类，各有什么特点？ 1.4 简述岩石力学的研究任务与研究内容。 1.5 岩石力学的研究方法有哪些？ 第二章岩石的物理力学性质 2.1 名词解释：孔隙比、孔隙率、吸水率、渗透性、抗冻性、扩容、蠕变、松弛、弹性后效、长期强度、岩石的三向抗压强度 2.2 岩石的结构和构造有何区别？岩石颗粒间的联结有哪几种？ 2.3 岩石物理性质的主要指标及其表示方式是什么？ 2.4 已知岩样的容重=22.5kN/m3，比重，天然含水量，试计算该岩样的孔隙率n，干容重及饱和容重。 2.5 影响岩石强度的主要试验因素有哪些？ 2.6 岩石破坏有哪些形式？对各种破坏的原因作出解释。 2.7 什么是岩石的全应力－应变曲线？什么是刚性试验机？为什么普通材料试 验机不能得出岩石的全应力－应变曲线？ 2.8 什么是岩石的弹性模量、变形模量和卸载模量？
2.9 在三轴压力试验中岩石的力学性质会发生哪些变化？ 2.10 岩石的抗剪强度与剪切面上正应力有何关系？ 2.11 简要叙述库仑、莫尔和格里菲斯岩石强度准则的基本原理及其之间的关系。 2.12 简述岩石在单轴压力试验下的变形特征。 2.13 简述岩石在反复加卸载下的变形特征。 2.14 体积应变曲线是怎样获得的？它在分析岩石的力学特征上有何意义？ 2.15 什么叫岩石的流变、蠕变、松弛？ 2.16 岩石蠕变一般包括哪几个阶段？各阶段有何特点？ 2.17 不同受力条件下岩石流变具有哪些特征？ 2.18 简要叙述常见的几种岩石流变模型及其特点。 2.19 什么是岩石的长期强度？它与岩石的瞬时强度有什么关系？ 2.20 请根据坐标下的库仑准则，推导由主应力、岩石破断角和岩石单轴抗压强度给出的在坐标系中的库仑准则表达式，式中。 2.21 将一个岩石试件进行单轴试验，当压应力达到100MPa时即发生破坏，破坏面与大主应力平面的夹角(即破坏所在面与水平面的仰角)为65°，假定抗剪强度随正应力呈线性变化(即遵循莫尔库伦破坏准则)，试计算： 1)内摩擦角。 2)在正应力等于零的那个平面上的抗剪强度。
第2章 岩石物理力学性质 例：某岩样试件，测得密度为1.9kg/cm3，比重为2.69，含水量为29%。试求该岩样的孔隙比、孔隙率、饱和度和干容量。 解：孔隙比：83.019 .1) 29.01(69.21) 1(=-+= -+?= γ ωεd v 孔隙度：%3.45%10083 .0183 .0%1001=?+=?+= v v n εε 饱和度：%9483 .0% 2969.2=?==εωG S r 干容重：)/(47.183 .0169.213cm g d =+=+?= εγ 例 某岩石通过三轴试验，求得其剪切强度c=10MPa ，υ=45°，试计算该岩石的单轴抗压强度和单轴抗拉强度。 解：由 例 大理岩的抗剪强度试验，当σ1n=6MPa, σ2n=10MPa ，τ1n=19.2MPa, τ2n=22MPa 。该岩石作三轴抗压强度试验时，当σa=0，则Rc=100MPa 。求侧压力 σa=6MPa 时，其三轴抗压强度等于多少？ 解：（1）计算内摩擦角υ φστtg C n n 11+= （1） φστtg C n n 22+= （2） 联立求解： 021212219.2 0.735106 n n n n tg ττφφσσ--= ==?=-- （2）计算系数K ： 7.335sin 135sin 1sin 1sin 10 =-+=-+=φφK （3）计算三轴抗压强度： 0100 3.7612.22C a S S K MPa σ=+=+?= 第3章 岩石本构关系与强度理论 例：已知岩石的应力状态如图，并已知岩石的内聚力为4MPa ，内摩擦角为35°。求： （1）各单元体莫尔应力圆，主应力大小和方向； （2）用莫尔库仑理论判断，岩石是否发生破坏
几种常见岩石力学参数汇总 2010年9月2日 参考资料：《构造地质学》，谢仁海、渠天祥、钱光谟编，2007年第2版，P25-P37。 1.泊松比的变化范围： 2.弹性模量的变化范围：
3.常温常压下强度极限： 4.内摩擦角和内聚力的变化范围： 一、课程名称：中国戏曲介绍课时：2个学时 二、背景分析：戏曲是中国文化的瑰宝，同学们对中国戏曲 还不够了解，不能经常接触戏曲。 三、教学内容：中国戏曲 四、教学目标：初步了解中国戏曲的相关知识，并学会哼唱具有代表性的戏曲，简要说出
他们的起源 五、教学过程： 【引入课程】1、先介绍董永和七仙女的故事，然后放[天仙配]，为讲戏曲作铺垫，将同学们带入戏曲的氛围中 【初步了解】1、介绍戏曲相关知识中国戏曲主要是由民间歌舞、说唱和滑稽戏三种不同艺术形式综合而成。它起源于原始歌舞，是一种历史悠久的综合舞台艺术样式。经过汉、唐到宋、金才形成比较完整的戏曲艺术，它由文学、音乐、舞蹈、美术、武术、杂技以及表演艺术综合而成，约有三百六十多个种类。它的特点是将众多艺术形式以一种标准聚合在一起，在共同具有的性质中体现其各自的个性。[1]中国的戏曲与希腊悲剧和喜剧、印度梵剧并称为世界三大古老的戏剧文化，经过长期的发展演变，逐步形成了以“京剧、越剧、黄梅戏、评剧、豫剧”五大戏曲剧种为核心的中华戏曲百花苑。[2-5]中国戏曲剧种种类繁多，据不完全统计，中国各民族地区地戏曲剧种约有三百六十多种，传统剧目数以万计。其它比较著名的戏曲种类有：昆曲、粤剧、淮剧、川剧、秦腔、晋剧、汉剧、河北梆子、河南坠子、湘剧、黄梅戏、湖南花鼓戏等。放[刘海砍樵] 2、戏曲行当 生、旦、净、丑各个行当都有各自的形象内涵和一套不同的程式和规制；每个都行当具有鲜明的造型表现力和形式美。 3、艺术特色 综合性、虚拟性、程式性，是中国戏曲的主要艺术特征。这些特征，凝聚着中国传统文化的美学思想精髓，构成了独特的戏剧观，使中国戏曲在世界戏曲文化的大舞台上闪耀着它的独特的艺术光辉。 4、唱腔 第一种是抒情性唱腔，其特点为速度较缓慢，曲调婉转曲折，字疏腔繁，抒情性强。它宜于表现人物深沉而细腻的内心感情。许多剧种的慢板、大慢板、原板、中板均厉于这-类。放[女驸马] 第二种是叙事性唱腔，其特点为速度中等，曲调较平直简朴，字密腔简，朗诵性强。它常用于交代情节和叙述人物的心情。许多剧种的二六、流水等均属于这一类。放[花木兰] 第三种是戏剧性唱腔，其特点为曲调的进行起伏较大，节奏与速度变化较为强烈，唱词的安排可疏可密。它常用于感情变化强烈和戏剧矛盾冲突激化的场合。各戏剧中的散板、摇板等板式曲调都属于这一类。 5、国五大戏曲剧种
常见岩层力学参数
11 细砂岩2800 28.85 16.04 12.02 0.20 3.47 43 4.96 5-2煤1410 2.12 1.73 0.82 0.30 0.18 20 0.2 细砂岩2597 27.00 15.28 11.2 0.21 3.1 42 3.48 5-1煤1410 2.12 1.73 0.82 0.30 0.18 20 0.2 细砂岩2586 33.40 18.02 14.02 0.19 3.8 43 5.13 砂质泥岩2520 7.88 4.9 3.2 0.23 1.18 35 1.8 泥岩2567 6.90 4.3 2.8 0.23 0.7 30 1.68 4-1煤1460 2.43 2.12 0.93 0.31 0.5 24 0.35 泥岩2463 6.39 3.94 2.6 0.23 0.68 30 0.98 底板岩层2463 6.39 3.94 2.6 0.23 0.68 30 0.98 砂岩2650 4.35 2.9 1.74 0.25 9.5 41 4.21 7煤1400 1.49 2.08 0.54 0.38 1.2 20 0.64 砂质泥岩2550 3.45 2.61 1.35 0.28 7.6 30 3.0 砂岩2690 5.61 3.35 2.3 0.22 10.7 41 4.96 9煤1400 1.49 2.08 0.54 0.38 1.2 20 0.64 砂岩2650 4.76 3.05 1.92 0.24 10.2 40 4.8 砂质泥岩2600 3.84 2.91 1.5 0.28 7.8 32 3.65 石灰岩2800 10.69 5.57 4.53 0.18 11.4 38 6.7 砂质泥岩2600 3.84 2.91 1.5 0.28 7.8 32 3.65 石灰岩2800 10.69 5.57 4.53 0.18 11.4 38 6.7
(E, ν) 与(K, G)的转换关系如下： ) 21(3ν-= E K ) 1(2ν+= E G （7.2） 当ν值接近0.5的时候不能盲目的使用公式3.5，因为计算的K 值将会非常的高，偏离实际值很多。最好是确定好K 值(利用压缩试验或者P 波速度试验估计)，然后再用K 和ν来计算G 值。 表7.1和7.2分别给出了岩土体的一些典型弹性特性值。 岩石的弹性（实验室值）（Goodman,1980） 表7.1 土的弹性特性值（实验室值）（Das,1980） 表7.2 各向异性弹性特性——作为各向异性弹性体的特殊情况，横切各向同性弹性模型需要5 中弹性常量：E 1, E 3, ν12,ν13和G 13；正交各向异性弹性模型有9个弹性模量E 1,E 2,E 3, ν12,ν13,ν23,G 12,G 13和G 23。这些常量的定义见理论篇。 均质的节理或是层状的岩石一般表现出横切各向同性弹性特性。一些学者已经给出了用各向同性弹性特性参数、节理刚度和空间参数来表示的弹性常数的公式。表3.7给出了各向异性岩石的一些典型的特性值。 横切各向同性弹性岩石的弹性常数（实验室） 表7.3
流体弹性特性——用于地下水分析的模型涉及到不可压缩的土粒时用到水的体积模量K f ，如果土粒是可压缩的，则要用到比奥模量M 。纯净水在室温情况下的K f 值是2 Gpa 。其取值依赖于分析的目的。分析稳态流动或是求初始孔隙压力的分布状态（见理论篇第三章流体-固体相互作用分析），则尽量要用比较低的K f ，不用折减。这是由于对于大的K f 流动时间步长很小，并且，力学收敛性也较差。在FLAC 3D 中用到的流动时间步长,? tf 与孔隙度n ，渗透系数k 以及K f 有如下关系： ' f f k K n t ∝ ? （7.3） 对于可变形流体（多数课本中都是将流体设定为不可压缩的）我们可以通过获得的固结系数νC 来决定改变K f 的结果。 f 'K n m k C + = νν （7.4） 其中 3 /4G K 1 m += ν f 'k k γ= 其中，' k ——FLAC 3D 使用的渗透系数 k ——渗透系数，单位和速度单位一样（如米/秒） f γ——水的单位重量 考虑到固结时间常量与νC 成比例，我么可以将K f 的值从其实际值（Pa 9 102?）减少，利用上面得表达式看看其产生的误差。 流动体积模量还会影响无流动但是有空隙压力产生的模型的收敛速率（见1.7节流动与力学的相互作用）。如果K f 是一个通过比较机械模型得到的值，则由于机械变形将会产生孔隙压力。如果K f 远比k 大，则压缩过程就慢，但是一般有可能K f 对其影响很小。例如在土体中，孔隙水中还会包含一些尚未溶解的空气，从而明显的使体积模量减小。 在无流动情况下，饱和体积模量为： n K K K f u + = （7.5） 不排水的泊松比为：
计算题 四、岩石的强度特征 (1) 在劈裂法测定岩石单轴抗拉强度的试验中，采用的立方体岩石试件的边长为5cm ，一组平行试验得到的破坏荷载分别为16.7、17.2、17.0kN ，试求其抗拉强度。 解：由公式σt =2P t /πa 2=2×P t ×103/3.14×52×10-4=0.255P t (MPa) σt1=0.255×16.7=4.2585 σt2=0.255×17.2=4.386 σt3=0.255×17.0=4.335 则所求抗拉强度：σt ==(4.2585+4.386+4.335)/3=4.33MPa 。 试计算其抗拉强度。(K =0.96) 解：因为K =0.96，P t 、D 为上表数据，由公式σt =KI s =KP t /D 2代入上述数据依次得： σt =8.3、9.9、10.7、10.1、7.7、8.7、10.4、9.1。 求平均值有σt =9.4MPa 。 (3) 试导出倾斜板法抗剪强度试验的计算公式。 解： 如上图所示：根据平衡条件有： Σx=0 τ-P sin α/A -P f cos α/A =0
τ=P (sinα- f cosα)/A Σy=0 σ-P cosα-P f sinα=0 σ=P (cosα+ f sinα) 式中：P为压力机的总垂直力。 σ为作用在试件剪切面上的法向总压力。 τ为作用在试件剪切面上的切向总剪力。 f为压力机整板下面的滚珠的磨擦系数。 α为剪切面与水平面所成的角度。 则倾斜板法抗剪强度试验的计算公式为: σ=P(cosα+ f sinα)/A τ=P(sinα-f cosα)/A (4) 倾斜板法抗剪强度试验中，已知倾斜板的倾角α分别为30o、40o、50o、和60o，如果试样边长为5cm,据经验估计岩石的力学参数c=15kPa，φ=31o，试估计各级破坏荷载值。(f=0.01) 解：已知α分别为30o、40o、50o、和60o，c=15kPa，φ=31o，f=0.01， τ=σ tgφ+c σ=P(cosα+ f sinα)/A τ=P( sinα-f cosα)/A P( sinα-f cosα)/A= P(cosα+ f sinα) tgφ/A+c ( sinα-f cosα)= (cosα+ f sinα) tgφ+cA/P P=cA/[( sinα-f cosα)- (cosα+ f sinα) tgφ] 由上式，代入上述数据，计算得： P30=15(kN/mm2)×25×102(mm2)/[( sin30 - 0.01×cos30) - (cos30 + 0.01×sin30) tg31] αsinαcosα( sinα-f cosα)(cosα+ f sinα)(cosα+ f sinα) tgφ P 3 0 0.5 0.86602 5 0.49134 0.873751 0.525002 -111.4 4 0 0.64278 8 0.76604 4 0.635127 0.772522 0.464178 21.9363 8 5 0 0.76604 4 0.64278 8 0.759617 0.647788 0.38923 10.1245 6 6 0 0.86602 5 0.5 0.861025 0.5 0.30043 6.68932 (5) 试按威克尔(Wuerker)假定，分别导出σt、σc、c、φ的相互关系。 解：如图：
四、岩石的强度特征 (1) 在劈裂法测定岩石单轴抗拉强度的试验中，采用的立方体岩石试件的边长为5cm，一组平行试验得到的破坏荷载分别为、、，试求其抗拉强度。 解：由公式σt=2P t/πa2=2×P t×103/×52×10-4=(MPa) σt1=×= σt2=×= σt3=×= 则所求抗拉强度：σt==++/3=。 (2) 在野外用点荷载测定岩石抗拉强度，得到一组数据如下： 试计算其抗拉强度。(K= 解：因为K=，P t、D为上表数据，由公式σt=KI s=KP t/D2代入上述数据依次得： σt=、、、、、、、。 求平均值有σt=。 (3) 试导出倾斜板法抗剪强度试验的计算公式。 解： 如上图所示：根据平衡条件有： Σx=0 τ-P sinα/A-P f cosα/A=0 τ=P (sinα- f cosα)/A Σy=0 σ-P cosα-P f sinα=0 σ=P (cosα+ f sinα) 式中：P为压力机的总垂直力。
σ为作用在试件剪切面上的法向总压力。 τ为作用在试件剪切面上的切向总剪力。 f为压力机整板下面的滚珠的磨擦系数。 α为剪切面与水平面所成的角度。 则倾斜板法抗剪强度试验的计算公式为: σ=P(cosα+ f sinα)/A τ=P(sinα- f cosα)/A (4) 倾斜板法抗剪强度试验中，已知倾斜板的倾角α分别为30o、40o、50o、和60o，如果试样边长为5cm,据经验估计岩石的力学参数c=15kPa，φ=31o，试估计各级破坏荷载值。(f= 解：已知α分别为30o、40o、50o、和60o，c=15kPa，φ=31o，f=， τ=σtgφ+c σ=P(cosα+ f sinα)/A τ=P( sinα- f cosα)/A P( sinα- f cosα)/A= P(cosα+ f sinα) tgφ/A+c ( sinα- f cosα)= (cosα+ f sinα) tgφ+cA/P P=cA/[( sinα- f cosα)- (cosα+ f sinα) tgφ] 由上式，代入上述数据，计算得： P30=15(kN/mm2)×25×102(mm2)/[( sin30 - ×cos30) - (cos30 + ×sin30) tg31] αsinαcosα( sinα- f cosα) (cosα+ f sinα) (cosα+ f sinα) tgφ P 3 0 4 0
岩体力学参数数据处理基本方法
目录 第一章引言………………………………………………………………………[5 ] 1.1 岩体力学参数取值研究的意义 (5) 1.2 岩体力学参数取值国内外研究现状分析 (6) 第二章岩体力学参数取值方法 (9) 2.1 岩体力学参数取值方法简介 (9) 2.2 根据试验资料来确定岩体力学参数 (9) 第三章岩体力学参数确定方法的研究 (12) 3.1 引言 (12) 3.2 工程岩体的连续性模型 (12) 3.3 工程岩体力学参数的实验方法 (14) 3.4 模拟试验结果分析 (14) 第四章岩体力学参数确定方法 (18) 4.1 传统岩体力学参数方法 (18) 4.1.1 地基基础工程 (18) 4.1.2 边坡与基坑工程 (18) 4.1.3 地下洞室工程 (18) 4.2 不同受力特性的岩体工程 (19) 4.2.1地基基础工程 (19) 4.2.2边坡与基坑工程 (19) 4.2.3地下洞室工程 (19)
4.3 三种不同工况下的岩体力学参数确定方法 (20) 4.3.1地基基础工程 (20) 4.3.2边坡与基坑工程 (21) 4.3.3地下洞室工程 (22) 4.4 建立力学模型确定岩体力学参数 (23) 4.4.1 工程岩体力学参数模型 (23) 4.4.2 工程岩体力学参数 (23) 4.5分析节理用数值方法确定岩体力学参数 (24) 4.5.1 节理岩体的强度 (24) 4.5.2 岩体的变形特性 (24) 第五章岩石力学参数数据库系统的构建研究 (26) 5.1 岩石力学参数数据库建立的目的和意义 (26) 5.2 岩石力学参数数据库的数据结构 (26) 5.2.1 引言 (26) 5.2.2 Access软件介绍 (27) 5.2.3 岩石力学参数数据库的数据结构 (28) 5.3 岩石力学参数数据库系统的框架 (29) 5.3.1 系统的功能 (29) 5.3.2岩石力学参数数据库系统的框架 (30) 5.4 详述Access的查询方法 (33) 5.4.1 用向导创建查询 (33) 5.4.2 用设计视图创建查询 (34) 5.4.3 创建操作查询 (35)
岩石力学参数计算软件 (Ver1.00C) 石油大学（北京）岩石力学实验室 2004年10月
（一）软件的运行环境 1．CPU PIII 500或同等运算速度以上 2．内存128Mb以上 3．显存32Mb以上 4．屏幕显示分辨率1024*768 5．操作系统Windows 98 Windows2000 Windows XP 6．WORD97或2000 （二）软件的安装 1．开启计算机 2．将安装光盘放入光驱内，记住光驱的盘符，例如：E为光驱的盘符。3．计算机屏幕左下角“开始”——“运行”，出现对话框（图4.1），输入：E:\setup.exe 图4.1 运行对话框 4．“确定”后，按照提示安装软件。 5．安装软件结束后，系统会在C盘产生Dg_RockPra100C的目录，同时在“程序”中产生“岩石参数DG”的菜单条，软件可从这里启动。
(三) 软件入门 第一步：软件启动 点击“程序”中“岩石参数DG”的菜单条，软件启动，产生如下界面：
第二步：建立一个计算文件 1．激活菜单 + 2．输入参数窗口 新建计算文件打开计算文件保存计算文件计算输出结果到文件
（1）压裂井描述 井号：井名，对软件很重要，自动计算和保存的数据都是以井号为依据；（2）层段描述： 一个层段描述由层段类别、顶界深度、底界深度、参数预测中各项内容组成。 顶界深度：压裂、隔层或其他地层的起始深度； 底界深度：压裂、隔层或其他地层的终止深度； 层段类别：压裂、隔层或其他地层； “添加”：将层段类别、顶界深度、底界深度添加到计算数据库； “删除”：将当前指定的层段类别、顶界深度、底界深度从计算数据库中删除； “确定修改”：将当前指定的层段类别、顶界深度、底界深度、参数预测内容修改后保存到计算数据库； 注意：参数预测中的每项参数改动后，“确定修改”才有效。
水泥密度g/cm3 3.10 普通混凝土密度g/cm3 2.60 轻骨料混凝土密度g/cm3 2.60 石灰岩容重kg/m3 1000~2600 花岗岩容重kg/m3 2500~2700 （石灰岩）碎石容重kg/m3 1400~1700 砂容重kg/m3 1450~1650 粘土容重kg/m3 1600~1800 普通粘土砖容重kg/m3 1600~1800 粘土空心砖容重kg/m3 1000~1400 水泥容重kg/m3 1200~1300 普通混凝土容重kg/m3 2100~2600 轻骨料混凝土容重kg/m3 800~1900 岩石名称容重d/ (kg。 m-3) 弹性模量 /MPa 泊松比内聚力 /MPa 摩擦角 /° 抗拉强度 /MPa 顶板粉砂岩2460 1.95e40.2 2.7538 1.84泥岩24610.875e40.26 1.2300.605 砂质泥岩25100.5425e40.147 2.16360.75 细砂岩2873 3.34e40.235 3.242 1.29 砂岩2487 1.35e40.123 2.0640 1.13煤13煤1380 0.53e4 0.32 1.25 32 0.15 底板泥岩2483 1.77e40.204 1.2320.58粉砂岩2460 1.95e40.2 3.7538 1.84 砂岩2580 2.5e40.159 2.542 3.6 砂质泥岩2530 1.085e4 0.147 2.45 40 2.01
上层为填筑中细砂土，基层为中硬粘土 主要为砂质泥岩，无其他岩土层，岩体基本质量等级Ⅳ。粘聚力c=730kPa，内摩擦角Φ=31°，弹性模量E=2661Mpa，泊松比ν=0.3，密度ρ=2559kg/m3。
某均质岩体的纵波波速是，横波波速是，岩石容重，求岩体的动弹性模量，动泊松比和动剪切模量。 解：弹性理论证明，在无限介质中作三维传播时，其弹性参数间的关系式如下： 动泊松比 动弹性模量 动剪切模量G，按公式 计算题（普氏理论，次生应力） 1抗拉强度的公式是什么巴西法p41. St=2P/πD·t=D·t P-劈裂载荷 D、t-试件直径、厚度 2将岩石试件单轴压缩压应力达到120MPa时，即破坏，破坏面与最大主应力方向夹角60 度，根据摩尔库伦准则计算1岩石内摩擦角2正应力为零时的抗剪强度（就是求C） α=45°+ψ；τ=C+fσ=C+σtanψ增加公式Sc=2Ccosψ/（1 - sinψ） 3计算原岩自重应力的海姆假说和金尼克假说的内容和各自的公式p85 海姆假说：铅垂应力为上覆掩体的重量，历经漫长的地质年代后，由于材料的蠕变性及地下水平方向的约束条件，导
致水平应力最终与铅垂应力相均衡。 公式：σ1=σ2=σ3=ρgz=γz 金尼克假说：铅垂应力仍是自重应力σz=γz，而水平方向上，均质岩体相邻微元体相互受到弹性约束，且机会均等，故由虎克定律应有εx=[σx-ν(σy+σz)]/E=0 εy=[σy-ν(σx+σz)]/E=0，得到自重力的水平分量为σx=σy=νγz/（1-ν） 例题求在自重作用下地壳中的应力状态：如果花岗岩，泊松比，则一公里深度以下的应力是多少 解：因为地壳厚度比地球半径小的多。在局部地区可以把地表看作一个半平面，在水平方向为，深度也无限。现考虑地面下深度Z处的一个微小单元体。它受到在它上边岩、土体重量的压力。在单位面积上，这个重量是，其中，是它上面物体的体积，是物理单位体积的重量，因此： 如果单元体四周是空的，它将向四周膨胀，当由于单元体四周也都在自重作用下，相互作用的影响使单元体不能向四周扩张。即 ； 解之，则得： 对于花岗岩，，一公里深度以下的应力为： 由此可见，深度每增加一公里，垂直压力增加，而横向压力约为纵向压力的三分之一。 绪论典型题解 岩石和岩体的概念有何不同 答：所谓岩石是由矿物或岩屑在地质作用下按一定的规律聚集而形成的自然物体；所谓岩体是在一定的地质条件下，含有诸如节理、裂隙、层理和断层等地质结构面的复杂地质体。岩石就是指岩块，在一般情况下，不含有地质结构面。 在力学性质上，岩体具有什么特征
3.1 某均质岩体的纵波波速是，横波波速是，岩石容重，求岩体的动弹性模量，动泊松比和动剪切模量。 解：弹性理论证明，在无限介质中作三维传播时，其弹性参数间的关系式如下： 动泊松比 动弹性模量 动剪切模量G，按公式 计算题（普氏理论，次生应力） 1抗拉强度的公式是什么？巴西法p41. St=2P/πD·t=0.636P/D·t P-劈裂载荷 D、t-试件直径、厚度 2将岩石试件单轴压缩压应力达到120MPa时，即破坏，破坏面与最大主应力方向夹角60 度，根据摩尔库伦准则计算1岩石摩擦角2正应力为零时的抗剪强度（就是求C） α=45°+ψ；τ=C+fσ=C+σtanψ增加公式Sc=2Ccosψ/（1 - sinψ） 3计算原岩自重应力的海姆假说和金尼克假说的容?和各自的公式？p85 海姆假说：铅垂应力为上覆掩体的重量，历经漫长的地质年代后，由于材料的蠕变性及地下水平方向的约束条件，导致水平应力最终与铅垂应力相均衡。 公式：σ1=σ2=σ3=ρgz=γz 金尼克假说：铅垂应力仍是自重应力σz=γz，而水平方向上，均质岩体相邻微元体相互受到弹性约束，且机会均等，故由虎克定律应有εx=[σx-ν(σy+σz)]/E=0 εy=[σy-ν(σx+σz)]/E=0，得到自重力的水平分量为σx=σy=νγz/（1-ν）
例题 求在自重作用下地壳中的应力状态：如果花岗岩，泊松比，则一公里深度以下的应力 是多少？ 解：因为地壳厚度比地球半径小的多。在局部地区可以把地表看作一个半平面，在水平方向为，深度也无限。现考 虑地面下深度Z 处的一个微小单元体。它受到在它上边岩、土体重量的压力。在单位面积上，这个重量是 ， 其中， 是它上面物体的体积，是物理单位体积的重量，因此： 如果单元体四周是空的，它将向四周膨胀，当由于单元体四周也都在自重作用下，相互作用的影响使单元体不能向四周扩。即 ； 解之，则得： 对于花岗岩，，一公里深度以下的应力为： 由此可见，深度每增加一公里，垂直压力增加 ，而横向压力约为纵向压力的三分之一。 绪论典型题解 1.1岩石和岩体的概念有何不同？ 答：所谓岩石是由矿物或岩屑在地质作用下按一定的规律聚集而形成的自然物体；所谓岩体是在一定的地质条件下，含有诸如节理、裂隙、层理和断层等地质结构面的复杂地质体。岩石就是指岩块，在一般情况下，不含有地质结构面。 1.2在力学性质上，岩体具有什么特征？ 答：岩体具有不连续性、各向异性、不均匀性、岩石块单元体的可移动性、赋存地质因子这五条特征。 ------------------------------------------------------------------- 岩石和岩体的基本物理力学性质典型题解 2.1某岩石试件，测得容重3 /9.1cm kg =γ，比重△＝2.69，含水量%29=d ω，试求该岩样的孔隙比v ε，孔隙度n ，饱和度r S 和干容重d γ。 解：孔隙比：83.019 .1) 29.01(69.21) 1(=-+= -+?= γ ωεd v
【最新整理，下载后即可编辑】 2.17 不同受力条件下岩石流变具有哪些特性？ 答：（1）恒应力长期作用下岩石的流变体现为蠕变，蠕变指岩石材料在保持应力不变的条件下，应变随时间延长而增加的现象。蠕变可分为三个阶段：第一阶段：蠕变速率（Δε/Δt ）随时间而呈下降趋势。第二阶段：蠕变速率不变，即（Δε/Δt ）为常数，这一段是直线。第三阶段：蠕变速率随时间而上升，随后试样断裂。 （2）在应变一定的情况下，岩石的流变体现为松弛，松弛分为立即松弛——变形保持恒定后，应力立即消失到零；完全松弛——变形保持恒定后，应力逐渐消失，直到应力为零；不完全松弛——变形保持恒定后，应力逐渐消失，但最终不能完全消失，而趋于某一值。 （3）岩石强度随外荷载作用时间的延长而降低的特性称作岩石的长期强度，岩石长期强度也是岩石流变特性的体现。 2.18 简要叙述常见的几种岩石流变模型及其特点。 答：（1）马克斯威尔（Maxwell）模型。这种模型是由弹性单元和黏性单元串联而成，当骤然施加应力并保持为常量时，变形以常速率不断发展。
（2）开尔文（Kelvin ）模型。它是由弹性单元和黏性单元并联 而成，当骤然施加应力时，应变速率随着时间逐渐递减，在t 增长到一定值时剪应变就趋于零。 （3）广义马克斯威尔模型。该模型由开尔文模型与黏性单元串 联而成，剪应力开始以指数速率增长，逐渐趋近于常速率。 （4）广义开尔文模型。该模型由开尔文模型与弹性单元串联而 成，开始产生瞬时应变，随后剪应变以指数递减速率增长，最 终应变速率趋于零，应变不再增长。 （5）柏格斯（Burgers ）模型。这种模型由开尔文模型与马克斯 威尔模型串联而成，蠕变曲线开始有瞬时变形，随后剪应变以 指数递减速率增长，最后趋于以不变的速率增长。 2.19 什么是岩石的长期强度？它与岩石的瞬时强度有什么关系？ 答：岩石的长期强度指岩石强度随外荷载作用时间的延长而降 低的性能，即作用时间t →∞的强度s ∞。岩石的瞬时强度小于岩 石的长期强度，对于不同的岩石，长期强度与瞬时强度之比为 0.4—0.8。 2.20请根据σ—τ坐标下的库伦准则，推导由主应力、岩石破断 角和岩石单轴抗压强度给出的在σ3—τ1坐标系中的库伦准则表达 式 σ1=σ3tan 2 θ+σc ,式中 σc =2ccosψ1?sinψ 。 答：
关于岩质边坡力学参数的选择与应用 1岩质边坡力学参数的确定 1. 1 试验是力学参数的基础 边坡稳定分析中，岩体和结构面参数的确定是重要的一部分。岩体是天然地质体，有其发生、发展和改造的过程，其组成成分、结构、构造和赋存环境复杂多变，很难有均匀的、连续的、有规律的或两者完全一致的岩体。岩体、包括结构面的宏观力学参数的确定是非常困难的。 目前比较实际的解决方法是：首先进行工程地质分区，使每个分区内的岩体大致有相对均匀、相对有规律的力学特性；然后选择有代表性的岩块、岩体和结构面，进行室内和野外试验，对试验成果进行统计、分析，得出有代表性的数据，最后结合具体地质条件和工程效应，提出力学参数建议值。试验成果是提出力学参数的基础。 1. 2 不能直接使用试验数据的原因 主要基于以下原因试验数据不能直接用于计算。 1) 天然地质体的复杂性 由于岩体和结构面本身的复杂性，以及取样、试验方法的困难和局限性，试验成果不能直接使用。首先是成果常有较大的分散性，取决于众多的复杂因素。在进行统计分析时，人们经常认为试验数量不够，特别是由于大型原位试验有较大的难度，不可能作大量试验，这是个实际问题。例如关于坝基抗滑稳定力学参数，在GB50287-99 《水利水电工程地质勘察规范》中第5 .3 . 2条第4款就规定：“控制坝基抗滑稳定的岩层或滑动面的原位抗剪和抗剪断试验组数不应少于4组。”假如就做了4组试验，则抗剪断参数只有4个(采用单点法抗剪参数可以得到16?20个，然而关键数据仍是抗剪断强度)。这4个抗剪断参数无论比较接近或比较分散，人们都可能怀疑其代表性。即使取得足够数量的试验值，当人们了解这些不尽相同的值是由于不同因素的影响形成时，例如：壁面起伏、夹泥厚度、成分、结构、密实度和含水量，以及制样和试验过程中的不同情况等，人们还是怀疑能不能用简单的统计方法去对待这些试验成果。特别是对于多组裂隙发育的岩体，即所谓的节理岩体，其抗剪断和抗剪参数与节理本身的强度，以及节理的产状、长度、间距、连通率和相互组合情况等密切相关，原位试验常常得出差异很大的成果。有各种理论和方法对节理岩体的参数进行统计，希望以模拟计算方法求出岩体的力学指标，但始终是尚未完全解决的问题。 2) 试验模拟自然条件的局限性 岩体物理力学特性与其赋存环境有密切关系，例如，在未受干扰的地下深部环境，断层的构造夹泥可以有很高的密度，孔隙比很小，即使处于地下水位以下，甚至河床底下，也很难饱和，即使饱和也仍然处于固态或半固态，可以有较高的力学强度；而在受卸荷作用的浅部环境，除构造夹泥外还有次生夹泥，干燥时为固态或半固态，遇水即进入塑态甚至流态，力学强度很低。因此，试验必须模拟自然条件，最主要的是模拟其所处的应力场和渗流场。只有愈接近真实环境的试验才愈有代表性。 众所周知，岩土试验分室内试验和现场试验，室内试验又有原状样和扰动样之分。不同的试样和试验方法有不同的目的。即使是现场试验也很难模拟自然条件。目前规范的或常规的试验方法总是不可避免发生卸荷作用。这使得人们常用推论的方法，根据可能形成的围压、渗流等条件对参数进行自认为合理的修正。 1. 3 解决宏观力学参数问题的方法目前比较常用的方法可分为以下几种： 1) 经验分析法 ⑴ 系数折减法 根据力学参数与各种因素的关系，考虑这些因素在空间分布和时间变化的规律，又从安全考虑出