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1、重庆大学采矿工程专业必修课程岩 石 力 学 主讲人：许 江二OO九年五月十四日目目 录录 绪 论第1章 岩石物理力学性质第2章 岩体力学性质第3章 地应力及其测量第4章 岩石本构关系与强度理论第四章 岩石本构关系与强度理论 1 综述 2 岩石流变理论 3 岩石强度理论1 综述 1)关于力、位移、应变和应力的习惯符号的规定 2)岩石弹性力学问题中的基本方程 3)岩石塑性本构关系1)关于力、位移、应变和应力的习惯符号的规定l力力和位移位移的正方向与坐标轴的正方向一致；l取压缩时的正应力正应力和正应变正应变取为正，拉伸时的正应力和正应变为负；l如平面外法线与坐标轴正方向一致，则该面上沿坐标轴正方向的
2、剪应力和剪应变剪应力和剪应变取正，沿坐标轴负方向的剪应力和剪应变剪应力和剪应变取负，反之亦然。2)岩石弹性力学问题中的基本方程（184）l平衡条件：平衡条件：内部之间的平衡平衡微分方程与外界的平衡边界条件l关系方程：关系方程：几何方程位移与应变物理方程应变与应力l协调条件协调条件变形协调方程3)岩石塑性本构关系（191）l特点：应力应变关系的多值性本构关系的复杂性l岩石的屈服条件和屈服面l塑性状态的加卸载准则l本构方程（应力应变关系）全量理论增量理论2 岩石流变理论1)岩石流变的基本概念2)流变模型理论3)岩石的长期强度及其确定方法1)岩石流变的基本概念A.岩石的流变性B.蠕变、松弛与弹性后效
3、C.岩石的典型蠕变曲线D.岩石的流变模型A.岩石的流变性 岩石的流变性是指材料的应力应变与时间因素有关的性质，材料变形过程中具有时间效应的现象称为流变现象。岩石的流变包括蠕变、松弛和弹性后效。B 蠕变、松弛与弹性后效l蠕变：蠕变：当应力不变时，变形随时间增加而增长的现象。l松弛：松弛：当应变不变时，应力随时间增加而减小的现象。l弹性后效：弹性后效：加载或卸载时，弹性应变滞后于应力的现象。C 岩石的典型蠕变曲线l岩石蠕变曲线l稳定蠕变与不稳定蠕变、长期强度l典型的非稳定型蠕变曲线稳定蠕变不稳定蠕变稳定蠕变与不稳定蠕变、长期强度：稳定蠕变：稳定蠕变：当岩石在较小的恒定载荷作用下，变形随时间增加到一
4、定程度后将逐渐趋于稳定，不再随时间增大而保持为一个常数。稳定蠕变一般不会导致岩体整体失稳。非稳定蠕变：非稳定蠕变：当岩石承受的恒定荷载较大，当超过某一临界值时，变形随时间增加而增大，其变形速率逐渐增大，最终导致岩体整体失稳破坏。长期强度：长期强度：岩石的蠕变形式取决于所承受的恒定载荷的大小，当恒定载荷小于某一临界值时，岩石产生稳定蠕变；当恒定载荷大于该值时，岩石产生非稳定蠕变。该临界值就被称为称为岩石的长期强度。典型的非稳定型蠕变曲线：典型的非稳定型蠕变曲线可分为典型的非稳定型蠕变曲线可分为4个阶段：个阶段：(1)(1)瞬时弹性变形阶段（瞬时弹性变形阶段（OA）：）：(2)(2)第一蠕变阶段（
5、第一蠕变阶段（AB）：）：(3)(3)第二蠕变阶段（第二蠕变阶段（BC）：）：(4)(4)第三蠕变阶段（第三蠕变阶段（CD）：）：蠕变变形总量：蠕变变形总量：=0 0+1 1(t)+(t)+2 2(t)+(t)+3 3(t)(t)式中：式中：0 0为瞬时弹性应变；为瞬时弹性应变；1 1(t)(t)，2 2(t)(t)，3 3(t)(t)为与时间有关的一为与时间有关的一次蠕变、二次蠕变、三次蠕变。次蠕变、二次蠕变、三次蠕变。D 岩石的流变模型岩石的流变本构模型：岩石的流变本构模型：用于描述岩石应力应变关系随时间变化的规律。它是通过试验理论应用证实而得到的。本构模型分类：本构模型分类：经验公式模型
6、：经验公式模型：根据不同试验条件及不同岩石种类求得的数学表达式，这种表达式通常采用幂函数、指数函数、对数函数的形式表达。积分模型：积分模型：是在考虑施加的应力不是一个常数时的更一般的情况下，采用积分的形式表示应力应变时间关系的本构方程。组合模型：组合模型：将岩石抽象成一系列简单元件（弹簧、阻尼器、摩擦块），将其组合来模拟岩石的流变特性而建立的本构方程。描述岩石蠕变特性的经验方程l一般形式l幂函数方程l指数方程l幂函数、指数函数、对数函数混合方程2)流变模型理论A.流变模型三元件B.几种典型流变模型A 流变模型三元件a.流变模型三元件b.三元件的基本组合方式c.描述岩石流变性的主要方程a 流变模
7、型三元件l弹性元件（虎克体H）l塑性元件（圣维南体Y）l粘性元件（牛顿体N）弹性元件（虎克体H）本构方程：塑性元件（圣维南体Y）本构方程：粘性元件（牛顿体N）本构方程：b 三元件的基本组合方式并串联：串并联：c 描述岩石流变性的主要方程l本构方程l蠕变方程l松弛方程l弹性后效l卸载方程B 几种典型流变模型a.圣维南体b.马克斯威尔体c.开尔文体d.广义开尔文体e.饱依丁汤姆逊体f.理想粘塑性体g.伯格斯体h.西原体i.宾汉姆体a 圣维南体l组合方式力学模型l本构方程l卸载特性l基本性质组合方式力学模型：本构方程：卸载特性：基本性质：b 马克斯威尔体l组合方式力学模型l本构方程l蠕变方程l松弛方
8、程l基本性质组合方式力学模型：本构方程：蠕变方程：松弛方程：基本性质：c 开尔文体l组合方式力学模型l本构方程l蠕变方程l卸载方程l松弛方程l基本性质组合方式力学模型：本构方程：蠕变方程：卸载方程：松弛方程：基本性质：d 广义开尔文体l组合方式力学模型l本构方程l蠕变方程l弹性后效组合方式力学模型：本构方程：蠕变方程：弹性后效：（卸载效应）e 饱依丁汤姆逊体l组合方式力学模型l本构方程l蠕变方程组合方式力学模型：本构方程：蠕变方程：卸载方程：蠕变曲线基本性质：f 理想粘塑性体l组合方式力学模型l本构方程l蠕变方程l卸载特性组合方式力学模型：本构方程：蠕变方程：卸载特性：蠕变曲线基本性质：g 伯
9、格斯体l组合方式力学模型l本构方程l蠕变方程组合方式力学模型：本构方程：蠕变方程：卸载特性：h 西原体l组合方式力学模型l本构方程l蠕变方程组合方式力学模型：本构方程：蠕变方程：i 宾汉姆体l组合方式力学模型l本构方程l蠕变方程l松弛方程组合方式力学模型：本构方程：蠕变方程：松弛方程：3)岩石的长期强度及其确定方法l长期强度曲线的定义l长期强度曲线确定方法l长期强度曲线指数型经验方程l几种岩石长期强度与瞬时强度比值长期强度曲线的定义：长期强度曲线确定方法一：长期强度曲线确定方法之二：长期强度曲线指数型经验方程：几种岩石长期强度与瞬时强度比值：3 岩石强度理论1)概述2)库仑准则3)莫尔强度理论
10、4)格里菲斯强度理论5)德鲁克-普拉格准则1)概述l基本概念l表示方法基本概念：强度理论：强度理论：研究岩体在各种复杂应力状态下的破坏原因和破坏条件的理论。强度准则：强度准则：在外荷载作用下岩石发生破坏时，其应力(应变)状态所必须满足的条件，亦称为破坏准则或破坏判据。强度曲线（面）：强度曲线（面）：即在外荷载作用下岩石发生破坏时，在主平面（主应力空间）中表征其临界应力(应变)状态的的曲线（曲面）。表示方法：2)库仑准则l基本观点l用正应力和剪应力表述的库仑准则l用主应力表述的库仑准则 l几种可能破坏方式基本观点：用正应力和剪应力表述的库仑准则：表达式：坐标下的库仑准则：用主应力表述的库仑准则：
11、表达式：坐标下的库仑准则：（图442）几种可能破坏方式：3)莫尔强度理论l基本观点l二次抛物线型准则l双曲线型准则l综合评价基本观点：二次抛物线型准则：双曲线型准则：对莫尔强度理论的综合评价：优点：优点：缺点：缺点：4)格里菲斯强度理论l基本观点l破坏准则l强度曲线l两点结论基本观点：破坏准则：强度曲线：两点结论：5)德鲁克-普拉格准则l基本表达式l综合评价基本表达式：综合评价：第五章 岩石力学数值分析方法1 概述2 有限元法3 边界元法4 有限差分法5 离散元法6 位移反分析法第六章 岩石地下工程1 概述2 岩石地下工程围岩应力解析法分析3 围岩压力与控制4 岩石地下工程的监测5 软岩工程第七章 岩石边坡工程1 概述2 边坡的破坏形式及其影响因素3 边坡稳定性分析4 滑坡的防治与监测第八章 岩石地基工程1 概述2 地基承载力的确定3 建筑物岩石地基4 岩石路基5 水工构筑物的岩石地基第九章 岩石力学研究新进展1 引言2 岩石力学问题的不确定性分析3 岩石力学系统的智能分析方法4岩石细观力学研究5 岩石断裂力学与损伤力学概论6 岩石力学的分形研究7 岩石力学系统8 岩石力学中的耦合分析9 其他