全应力应变曲线

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,岩石力学根本性质及矿山压力,主讲教师：赵源,名目,岩石力学根本性质,矿山压力,相互关系,根底表现,宏观表现,岩石的物理力学性质是岩体最根本、最重要的性质之一，也是岩石力学中争论最早、最完善的内容之一。,岩石的岩石的根本概念；,岩石的空隙性；,岩体力学特征及变形特性；,岩石的破坏机理和强度理论；,岩石力学根本性质,1.概念,岩石：矿物或岩屑在地质作用下按肯定规律聚拢形成的自然物体。,岩石=矿物颗粒+胶结物+孔隙+水,矿物：存在地壳中的具有肯定化学成分和物理性质的自然元素和化合物。,构造：组成岩石的物质成分、颗粒大小和外形以及其相互结合的状况。,(结晶、胶结),构造:组成成分的空间分布及其相互间排列关系。,节理、裂隙、空隙、边界、缺陷,矿物、构造、构造,是影响岩石力学性质和物理性质的三个重要因素。,一、岩石的根本概念,岩浆岩：,强度高、均质性好,2.,岩石地质分类,沉积岩：,强度不稳定，各向异性,变质岩：,不稳定，与变质程度和岩性有关,3.沉积岩石的力学特性：,不连续性；物质不能布满空间，有空隙存在,各向异性；任一点的物理、力学性质沿不同方向均不一样,不均匀性；由不同物质组成，各点物理力学性质都不一样,岩块单元的可移动性；,地质因素影响特性水、气、热、初应力,上述特性导致岩石力学的争论方法以试验测试为主,二、岩石的空隙性,空隙：,岩石中孔隙和裂隙的总称。,空隙度：指岩石的裂隙和孔隙发育程度，其衡量指标为空隙率(n)或空隙比e。,小开型空隙,空隙,闭型空隙,开型空隙,大开型空隙,闭型空隙：,岩石中不与外界相通的空隙。,开型空隙：,岩石中与外界相通的空隙。包括大开型空隙和小开型空隙。,在常温下水能进入大开型空隙，而不能进入小开型空隙。只有在真空中或在,150,个大气压以上，水才能进入小开型空隙。,弹性：指物体在外力作用下发生变形，当外力撤出后变形能够恢复的性质。,塑性：指物体在外力作用下发生变形，当外力撤出后变形不能恢复的性质。,粘性流变性：物体受力后变形不能在瞬间完成，且应变速度d/dt随应力大小而变化的性质。,脆性：物体在外力作用下变形很小时就发生破坏的性质。,延性：物体能够承受较大的塑性变形而不丧失其承载力量的性质。,三、岩石的,变形特性,岩石的力学性质包括：,变形性质：争论岩石在受力状况下的变形规律,强度特性：争论岩石受力破坏的规律,四、岩石的弹性和塑性：,变形分析的重要性直观、易测、建立模型、准则,1、弹性变形：,线弹性,非线弹性,滞弹性,线弹性直线型；当岩石致密，强度大，压力不高时，为此状态。,非线弹性单向曲线型；根本没有。,滞弹性双向曲线型，岩石多属滞弹性：,滞弹性应力应变不是唯一的对应关系，应变的产生变化较应力,的变化有一段时间的滞后。,缘由：物理学认为，当作用在滞弹性体上的力发生转变时，由于受力体内部物质的粘性或内摩擦的缘由，引起变形效应滞后和拖延。,滞弹性体具有两个重要性质：,弹性滞后由于内摩擦缘由，岩石随应力变化消失的变形滞后。,弹性后效由于热传导等缘由，外力停顿变化，而变形仍随时间而缓慢变化。,抱负塑性,具有应变硬化的塑性,2、塑性变形：,岩石塑性普遍存在；,岩石塑性与岩石的组成、构造、构造及外界环境有关。,颗粒及胶结物物质成分、排列结合、含水、温度、应力等,抱负塑性超过弹性极限，进入完全塑性状态极少；,应变硬化超过弹性极限，承载力量随应变增加而增加。,3、一般岩石的变形：,瞬时弹性变形,后效弹性变形,塑性变形,岩石与其它金属及晶体矿物不同，因其有节理、裂隙存在，在应力不高阶段，内部构造即有破坏，在产生弹性变形的同时，产生塑性变形。,岩石不是抱负的弹性体、塑性体、粘性体，是混合体。,有弹塑；塑弹；弹粘塑；粘弹等多种变形特性。,粘性变形不能在瞬间完成，变形速率随应力变化。,典型变形性质：,直线型,弹脆,弹塑,下凹型,塑弹,上凹型,弹粘,平缓 型,塑弹塑,S,型,五、岩石单向压缩变形性质：,1,、轴向变形：,2,、横向变形：,一般试验机下岩石应力、应变曲线,刚性试验机下岩石应力、应变曲线,10A段：微裂隙闭合阶段,微裂隙压密极限A。,2AB段：近似直线，弹性阶段，B 为弹性极限。,3BC段：屈服阶段，C为屈服极限。,4CD段：破坏阶段，D为强度极限，即单轴抗压强度。,5DE段：即破坏后阶段,E为剩余强度。,3,、全应力应变曲线：,孔隙裂隙压密阶段OA段：即试件中原有张开性构造面或微裂隙渐渐闭合，岩石被压密，形成早期的非线性变形，曲线呈上凹型。在此阶段试件横向膨胀较小，试件体积随载荷增大而减小。本阶段变形对裂隙化岩石来说较明显，而对坚硬少裂隙的岩石则不明显，甚至不显现。,弹性变形至微弹性裂隙稳定进展阶段AC段：该阶段的应力应变曲线成近似直线型。其中，AB段为弹性变形阶段，BC段为微裂开稳定进展阶段。,非稳定裂开进展阶段，或称累进性裂开阶段CD段：C点是岩石从弹性变为塑性的转折点，称为屈服点。相应于该点的应力为屈服极限，其值约为峰值强度的2/3。进入本阶段后，微裂开的进展消失了质的变化，裂开不断进展，直至试件完全破坏。试件由体积压缩转为扩容，轴向应变和体积应变速率快速增大。本阶段的上界应力称为峰值强度。,裂开后阶段D点以后段：岩块承载力到达峰值强度后，其内部构造遭到破坏，但试件根本保持整体状。到本阶段，裂隙快速进展，穿插且相互联合形成宏观断裂面。此后，岩块变形主要表现为沿宏观断裂面的块体滑移，试件承载力随变形增大快速下降，但并不降到零，说明裂开的岩石仍有肯定的承载力。,猜测岩爆,假设AB，会产生岩爆,假设BA，不产生岩爆。,猜测蠕变破坏,当应力水平在H点以下时保持应力恒定，岩石试件不会发生蠕变。,应力水平在G-H点之间保持恒定。蠕变应变进展会和蠕变终止轨迹相交，蠕变将停顿，试件不会破坏。,假设应力水平在G点及以上保持恒定，则蠕变应变进展就和全应力应变曲线的右半部，试件将发生破坏。,猜测循环加载条件下岩石的破坏。,循环荷载：爆破，而且是动荷载。,在高应力水平下循环加载，岩石在很短时间内就破坏。,在低应力水平下循环加载，岩石可以经受相对较长一段时间，岩石工程才会发生破坏。,所以，依据岩石受力水平，循环荷载的大小、周期、全应力应变曲线来猜测循环加载条件下岩石破坏时间。,应力-应变曲线的外包线与连续加载条件下的曲线根本全都，说明加、卸荷过程并未转变岩块变形的根本习性，这种现象称为岩石记忆。,随循环次数增加，塑性滞回环的面积有所扩大，卸载曲线的斜率代表岩石的弹性模量逐次略有增加，这个现象称为强化。,每次加荷、卸荷曲线都不重合，且围成一环形面积称为回滞环,岩块的破坏产生在反复加、卸荷曲线与应力-应变全过程曲线交点处。这时的循环加、卸荷试验所给定的应力，称为疲惫强度。它是一个比岩块单轴抗压强度低且与循环持续时间等因素有关的值。,1.破坏形式,脆性破坏围压小、温度较低、岩石坚硬的状况下发生的，特点是破坏前变形小，当连续加载时岩石突然破坏，岩石碎块猛烈弹出。通常把在外力作用下破坏总应变小于3的岩石称为脆性岩石。,塑性破坏又称延性破坏、韧性破坏，多发生围压大、温度高、岩石软的状况下发生的，特点是破坏前变形大，表现出明显的塑性变形。通常把在外力作用下破坏总应变大于5的岩石称为塑性岩石。,2.破坏机理,只有两种根本类型：拉坏和剪坏,第三节,岩石的破坏机理和强度理论,一、岩石的破坏机理,三库伦Coulomb)准则,1773年库伦提出了一个重要的准则“摩擦”准则。库伦认为，材料的破坏主要是剪切破坏，当材料某一斜面上的剪应力到达或超过该破坏面上的粘结力和摩擦阻力之和，便会造成材料沿该斜面产生剪切滑移破坏。,式中：,f,材料剪切面上的抗剪强度；,c,材料的粘结力；,剪切面上的正应力。,四莫尔强度理论,1、莫尔强度理论的根本思想：,莫尔强度理论是建立在试验数据的统计分析根底之上的。1910年莫尔提出材料的破坏是剪切破坏，材料在简单应力状态下，某一斜面上的剪应力到达一极限值，造成材料沿该斜面产生剪切滑移破坏，且破坏面平行于中间主应力2作用方向即2不影响材料的剪切破坏，破坏面上的剪应力f 是该面上法向应力的函数,即：,f f(),2、莫尔强度包络线：,指各极限应力圆的破坏点所组成的轨迹线。f f()在f 坐标中是一条曲线，称为莫尔包络线，表示材料受到不同应力作用到达极限状态时，滑动面上的法向应力与剪应力f 的关系。极限应力圆上的某点与强度包络线相切，即表示在该应力状态下材料发生破坏。,用极限应力表示的莫尔圆称为极限莫尔应力圆简称极限应力圆。,莫尔强度包络线的意义：,包络线上任意一点的坐标都代表岩石沿某一剪切面剪切破坏所需的剪应力和正应力，即任意一点都对应了一个与之相切的极限应力圆。,莫尔强度包络线的应用：运用强度曲线可以直接推断岩石能否破坏。将应力圆与强度曲线放在同一个坐标系中，假设莫尔应力圆在包络线之内，则岩石不破坏；假设莫尔应力圆与强度曲线相切，则岩石处于极限平衡状态；假设莫尔应力圆与强度曲线相交，则岩石确定破坏。,莫尔强度包络线与应力圆,3,、莫尔库仑强度理论,f=f()所表达的是一条曲线，该曲线的型式有：直线型、抛物线型、双曲线型、摆线型。而直线型与库伦准则表达式一样，因此，也称为库伦莫尔强度理论。由库仑公式表示莫尔包络线的强度理论，称为莫尔库仑强度理论。,用主应力表示：,上式也称为极限平衡方程。,莫尔库仑强度理论不适合剪切面上正应力为拉应力的状况。,五格里菲斯强度理论Griffith的脆性断裂理论,1921年格里菲斯在争论脆性材料的根底上，提出了评价脆性材料的强度理论。该理论大约在上世纪70年月末80年月初引入到岩石力学争论领域。,1在脆性材料内部存在着很多杂乱无章的扁平微小张开裂纹。在外力作用下，这些裂纹尖端四周产生很大的拉应力集中，导致新裂纹产生，原有裂纹扩展、贯穿，从而使材料产生宏观破坏。,1、格里菲斯强度理论的根本思想：,2裂纹将沿着与最大拉应力作用方向相垂直的方向扩展。,式中：,新裂纹长轴与原裂纹长轴的夹角；,原裂纹长轴与最大主应力的夹角。,采场矿山压力概述,把握矿山压力的必要性,生态环境爱护：水、瓦斯、地表、矸石等。,保证安全和正常生产：通风、行人、生产。,削减资源损失：减小煤柱等。,改善开采技术：巷道支护、采煤方法。,提高社会和经济效益。,矿山压力：由于矿山开采活动的影响，在巷硐四周岩体中形成的和作用在巷硐支护物上的力。,矿山压力显现：矿山压力作用下引起的各种力学现象，以及在岩体中产生的动力现象。,矿山压力掌握：减轻、调整、转变和利用矿山压力作用的各种方法。,采场矿山压力概述,回采工作面/采场：直接进展采煤或采其它矿物的工作空间称为回采工作面或简称为采场。我国煤矿主要承受长壁采煤法，工作面煤壁长度通常150 200 m，推动方向10002023m。最长的回采工作面已经到达400m，推动度最大的已经到达11km,顶板：赋存在煤层之上的岩层称为顶板或称为上覆岩层。,底板：位于煤层下方的岩层称为底板。,直接顶：直接位于煤层上方的一层或几层性质相近的岩层称为直接顶。直接顶指采空区已经冒落岩层的总合。,伪顶：在煤层与直接顶之间有时存在厚度小于0.30.5 m、极易垮落随采随冒的脆弱岩层，称为伪顶。,根本顶：位于直接顶之上(有时直接位于煤层之上)对采场矿山压力直接造成影响的厚而坚硬的岩层称为根本顶/老顶。,顶板下沉：一般指煤壁到采空区边缘暴露的顶底板相对移近量。常用s表示。,有时为了比照，把顶板下沉换算为单位采高、单位推动度的顶板下沉量，以每米采高、每米推动度下沉量表示，即：,顶板下沉速度：,指单位时间内顶底板移近量,以mm/h计算，它表示顶板活,动的猛烈程度。,采场矿山压力概述,局部冒顶：指回采工作面顶板形成局部塌落，影响回采工作的正常进展。,工作面顶板沿煤壁切落或称大面积冒顶：指采面由于顶板来压而导致顶板沿工作面切落，它常严峻影响工作面的生产。,煤壁片帮：指采面运输机前面煤体在没有采煤机切割时，受支承压力作用发生破坏塌落显现。,采场