从声发射研究高压岩石破坏机制
2.1岩石破坏准则1
2.1岩石破坏强度准则 岩石的破坏主要与外荷载的作用方式、温度及湿度有关。一般在低温、低围压及高应变率的条件下,岩石表现为脆性破坏,而在高温、高围压、低应变率作用下,岩石则表现为塑性或者塑性流动。对于较完整的岩石来说,其破坏形式可以分为:1)脆性破坏;3)延性破坏。图2-1给出了不同应力状态下岩石破裂前应变值、破坏形态示意图和典型的应力-应变曲线示意图。 图2-1 岩石破坏形态示意图 从图2-1中可以看出岩石破裂种类繁多、岩石破坏过程中的应力、变形、裂纹产生和扩展极为复杂,很难用一种模型进行描述,很多学者针对不同岩石破坏特征提出多种不同岩石的强度破坏准则。本节主要对已有的岩石强度破坏准则进行总结,找出它们各自的优缺点。
2.1.1最大正应力强度理论 最大正应力强度理论也称朗肯理论,该理论是朗肯(W.J.M.Rankine)于1857年提出的。它假定挡土墙背垂直、光滑,其后土体表面水平并无限延伸,这时土体内的任意水平面和墙的背面均为主平面(在这两个平面上的剪应力为零),作用在该平面上的法向应力即为主应力。朗肯根据墙后主体处于极限平衡状态,应用极限平衡条件,推导出了主动土压力和被动土压力计算公式。 考察挡土墙后主体表面下深度z 处的微小单元体的应力状态变化过程。当挡土墙在土压力的作用下向远离土体的方向位移时,作用在微分土体上的竖向应力 sz 保持不变,而水平向应力sx 逐渐减小,直至达到土体处于极限平衡状态。土体处于极限平衡状态时的最大主应力为 s1=gz ,而最小主应力 s3即为主动土压力强度 pa 。根据土的极限平衡理论,当主体中某点处于极限平衡状态时,大主应力1σ和小主应力3σ之间应满足以下关系式: 粘性土: 213...2tan tan 454522c ??σσ??????=-++ ? ???? ? (1) 无粘性土 231.tan 452?σσ???=- ??? (2) 该理论认为材料破坏取决于绝对值最大的正应力。因此,作用于岩石的三个正应力中,只要有一个主应力达到岩石的单轴抗压强度或岩石的单轴抗拉强度,岩石便被破坏。 因此,朗肯强度破坏准则可以表示为:c σσ≥1,或者t σσ-≤3 式中,1σ为岩石受到的最大主应力,MPa ;3σ为岩石受到的最小主应力,MPa ;c σ为岩石单轴抗压强度,MPa ;t σ为岩石抗拉强度,MPa 。 朗肯强度破坏准则只适用于岩石单向受力及脆性岩石在二维应力条件下的受拉状态,处于复杂应力状态中的岩石不能采用这种强度理论。 2.1.2最大正应变强度理论 岩石受压时沿着平行于受力方向产生张性破裂。因此,人们认为岩石的破
岩石破坏机理及节理裂隙分布尺度效应的非线性动力学分析与应用
第24卷第22期岩石力学与工程学报V ol.24 No.22 2005年11月Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Nov.,2005 岩石破坏机理及节理裂隙分布尺度效应的非线性 动力学分析与应用 刘传孝 (山东科技大学资源与环境工程学院,山东青岛 266510) 博士学位论文摘要:通过MTS系统、扫描电镜和光学电子显微镜等岩石力学实验研究,抽象出砂岩全应力–应变实验曲线的3种典型形态,从断裂损伤角度探讨了岩石节理裂隙微观、细观和宏观破坏的机理联系。提出了圆与正方形相耦合的分形维数计算方法和相空间重构时滞判定的功率谱分析法,将该方法应用于岩石节理裂隙分布尺度效应研究和混沌动力学评价TDS准则的建立;同时,补充了非线性动力学研究的基础理论与方法。运用分形理论分析砂岩跨越尺度界限的微、细、宏观节理裂隙分布特征,得到了砂岩节理裂隙分布的无标度区域,为解决岩石断裂机理的尺度效应问题提供了可行途径。在无标度区域建立了定量描述岩体结构的节理裂隙分布(条数)预测模型,并将该预测模型应用于岩石破坏机理的离散单元法研究。通过岩石力学实验建立了混沌动力学评价岩石节理裂隙系统破坏的TDS准则数学模型,在一定程度上克服了Wolf方法判定混沌动力学指标鲁棒性较差的局限。提出岩石全应力–应变曲线的二分法原则,应用混沌动力学评价TDS准则定性研究了砂岩全应力–应变曲线的分段特征,运用Kolmogorov熵理论实现了岩石节理裂隙贯通与否的定量判别,并尝试应用于岩石强度准则的研究。基于断裂力学理论及能量余法建立坚硬顶板及三维顺层滑坡系统的运动方程,运用混沌动力学评价TDS 准则分析运动方程的稳定性,得到了资源开采活动对坚硬顶板系统稳定性的扰动规律和三维顺层滑坡体阻尼敏感的系统效应。混沌动力学理论与3DEC反演建模相结合,研究坚硬顶板运动的阶段特征,由此可以控制坚硬顶板从冲击性整体运动向周期性分段运动转化,并实现对其运动状态的短时预测。将混沌动力学评价TDS准则应用于现场顺层滑坡的稳定性评价,得到阶段Kolmogorov熵值的升高是滑坡体稳定性状态突变时机及临界状态预测的关键,证明了从能量角度分析与预测滑坡系统运动状态这一方法是可行的。 关键词:岩石力学;破坏机理;节理裂隙;尺度效应;非线性动力学;分形;混沌;3DEC 中图分类号:TU 45 文献标识码:A 文章编号:1000–6915(2005)22–4202–01 ANALYSIS AND APPLICATION OF ROCK DAMAGE MECHANISM AND SCALE EFFECT ON JOINTS DISTRIBUTION WITH NONLINEAR DYNAMICS LIU Chuan-xiao (College of Resources and Environmental Engineering,Shandong University of Science and Technology,Qingdao266510,China) 收稿日期:2005–09–12 作者简介:刘传孝(1970–),男,2005年于山东科技大学资源与环境工程学院获工学博士学位,导师为蒋金泉教授,现为副教授,主要从事非线性动力学、计算力学、岩土力学与工程等方面的教学与研究工作。E-mail:lchuanx@https://www.360docs.net/doc/218987361.html,。
某滑坡的变形和破坏机理分析研究
某滑坡的变形和破坏机理分析研究 介绍了某滑坡的特征,分析了滑坡区区域工程地质和水文地质特征,对该滑坡体的变形和破坏机理进行了研究和分析。分析表明:人为活动和地形地貌是滑坡发生变形破坏的主要因素,降雨诱发、岩层产状等因素是造成滑坡发生滑动和进一步破坏的诱发因素。 标签:滑坡变形破坏诱发因素 1概述 塔山滑坡位于广东省开平市长沙区平岗村塔山开元塔底。由于建设工程的需要,在塔山的东南侧进行采石,采用放炮等土石法,致使塔山南侧岩石大量开采形成陡崖,并使周边岩土体产生裂缝,之后由于人为因素和自然因素的影响,塔山南侧裂缝逐渐扩大,至90年代,开始形成滑坡。1999~2001年,在修建塔山公园公路时对山体坡脚进行开挖,在公路北侧形成高约10~17m,坡度约35~45°的高陡边坡,滑坡距公路最近的平岗村居民区约22m,山坡坡脚距公路最近仅2m左右。2004年和2005年雨季,由于连降暴雨,滑坡有活动下滑的趋势,滑坡体前缘公路路面隆起,最高处隆起约40cm,隆起部分面积约有20~30m2,公路北侧排水沟产生变形歪斜,部分已经破坏,水沟上方在雨水后有地下水浸出,形成间歇性下降泉,平岗村内部分房屋墙面产生裂痕,进出塔山公园的公路曾数次被塔山山坡上崩塌的土体破坏。 2滑坡变形形态特征 X 根据实地踏勘,除滑坡体后壁出现较大裂缝外,滑坡周界及滑坡体底部也有约13处裂缝,现将裂缝走向一致的裂缝分为一组,共五组裂缝(表1)。 3滑坡体的工程地质与水文地质特征 塔山滑坡滑坡体主要由第四系坡积土层、风化残积土层、侏罗系中上统百足山群、全风化、强风化、少量中风化基岩组成(见图1)。滑坡体中上部为残积土层,主要由粉土、粉质粘性土组成,呈可塑状或松散状,含较多的碎石和砂、砾石,透水性较好;风化残积土层主要由粉质粘性土,含少量碎石和砂砾石组成,局部夹有全风化、强风化岩,其透水性较差;基岩主要为全风化、强风化泥质粉砂岩,含少量强、中风化岩块,其透水性较好;滑床基本处在中—微风化泥质粉砂岩、粉砂质泥岩中,岩石呈中厚层状,岩质坚硬,局部裂隙发育,透水性好。 滑坡区地下水主要为第四系冲积土层、残坡积土层中的孔隙水和基岩裂隙水,地下水补给来源主要为大气降水的渗入补给和相邻含水层之间的侧向补给。
岩石力学
第一章岩石物理力学性质;1.构成岩石的主要造岩矿物有哪些?;答:岩石中主要造岩矿物有:正长石、斜长石、石英、;2.为什么说基性岩和超基性岩最容易风化?;答:基性和超基性岩石主要是由易风化的橄榄石、辉石;3.常见岩石的结构连接类型有哪几种?各有什么特点;答:岩石中结构连接的类型主要有两种,分别是结晶连;结晶连接指矿物颗粒通过结晶相互嵌合在一起;4.何谓岩石中的 第一章岩石物理力学性质 1.构成岩石的主要造岩矿物有哪些? 答:岩石中主要造岩矿物有:正长石、斜长石、石英、黑云母、白云母、角闪石、辉石、橄榄石、方解石、白云石、高岭石、磁铁矿等。 2.为什么说基性岩和超基性岩最容易风化? 答:基性和超基性岩石主要是由易风化的橄榄石、辉石及斜长石组成,所以非常容易风化。 3.常见岩石的结构连接类型有哪几种?各有什么特点? 答:岩石中结构连接的类型主要有两种,分别是结晶连接和胶结连接。 结晶连接指矿物颗粒通过结晶相互嵌合在一起。这类连接使晶体颗粒之间紧密接触,故岩石强度一般较大,抗风化能力强;胶结连接指岩石矿物颗粒与颗粒之间通过胶结物连接在一起,这种连接的岩石,其强度主要取决于胶结物及胶结类型。 4.何谓岩石中的微结构面,主要指哪些,各有什么特点? 答:岩石中的微结构面(或称缺陷)是指存在于矿物颗粒内部或矿物颗粒及矿物集合之间微小的若面及空隙。包括矿物的解理、晶格缺陷、晶粒边界、粒间空隙、微裂隙等。
矿物解理面指矿物晶体或晶粒受力后沿一定结晶防线分裂成光滑平面,解理面往往平行于矿物晶体面网间距较大的面网。 晶粒边界:由于矿物晶粒表面电价不平衡而引起矿物表面的结合力,该结合力源小于矿物晶粒内部分子、原子、离子键之间的作用力,因此相对较弱,从而造成矿物晶粒边界相对软弱。微裂隙:指发育于矿物颗粒内部及颗粒之间的多呈闭合状态的破裂痕迹线。具有方向性。粒间空隙:多在成岩过程中形成晶粒之间、胶结物之间微小的空隙。 5.自然界中的岩石按地质成因分类,可以分为几大类,各大类有何特点? 答:按地质成因分类,自然界中岩石可分为岩浆岩、沉积岩和变质岩三大类。 岩浆岩按照岩浆冷凝成岩的地质环境不同又可分为深成岩、浅成岩和喷出岩。其中深成岩常形成巨大的侵入体,有巨型岩体,大的如岩盘、岩基,其形成环境都处在高温高压之下,形成过程中由于岩浆有充分的分异作用,常常形成基性岩、超基性岩、中性岩及酸性、碱性岩等,其岩性较均一,变化较小,岩体结构呈典型的块状结构,结构多为六面体和八面体,岩体颗粒均匀,多为粗-中粒结构,致密坚硬,空隙少,力学强度高,透水性弱,抗水性强;浅成岩成分与相应的深成岩相似,其产状多为岩床、岩墙、岩脉等小侵入体,岩体均一性差,岩体结构常呈镶嵌式结构,岩石常呈斑状结构和均粒-中细粒结构,细粒岩石强度比深成岩高,抗风化能力强,斑状结构则差一些;喷出岩有喷发及溢流之别,其结构比较复杂,岩性不一,各向异性显著,岩体连续性差,透水性强,软弱结构面发育。 沉积岩是由风化剥蚀作用或火山作用形成的物质,在原地或被外力搬运,在适当条件下沉积下来,经胶结和成岩作用而形成的。其矿物成分主要是粘土矿物、碳酸盐和残余的石英长石等,具层理构造,岩性一般具有明显的各向异性,按形成条件和结构特点,沉积岩可分为:火山碎屑岩、胶结碎屑岩、粘土岩、化学岩和生物化学岩等。 变质岩是在已有岩石的基础上,经过变质混合作用形成的。因其形成的温度、压强等变质因素复杂,其力学性质差别很大,不能一概而论。 6.表示岩石物理性质的主要指标及其表示方式是什么?
无梁楼盖倒塌事故原因及破坏机理分析
一“直冲”破坏 1从外行的角度谈谈子弹射击玻璃的破坏现象,当高速子弹射到四边嵌固的平板玻璃上, 在冲击波与子弹冲量作用下,玻璃将被直穿出一个孔,此可称为“直冲”,这大概是冲 击波速远大于玻璃的应力波速度而造成上述的所谓“直冲”破坏;当一位大力士用尖头 锤击玻璃,在猛烈的敲击下,玻璃将会产生钉锤下的小孔及其沿小孔周边呈局部的放射 状的裂缝,这样的破坏现象很类似我们钢筋混凝土板发生的受冲切承载力破坏,故可称 之为“冲切”;如果对该平板玻璃施加一个居中的集中荷载,按静力加荷方式直至玻璃 破坏,此时会发现平板玻璃的跨厚比较大的情况下,会出现类似数条大裂缝而迅即脆性 破坏,这属玻璃特性,但在此拟其为呈平板结构的受弯状破坏,或者此拟为钢筋混凝土 平板呈双向板塑性铰线似的破坏。 2对金属板产生“直冲”破坏的典型例子是:冲床冲孔,其孔必然是垂直的。 3发生“直冲”破坏的条件是:被“直冲”破坏的板类部件本身要具备足够的刚性和整体 承载力,才能实现局部的“直冲”破坏;局部的“直冲”承载力将会受到周边结构部位 的约束,其“直冲”能力将会有较大提高,这里可能会涉及双向或三向的强度问题。 4对钢筋混凝土板进行“直冲”的试验研究,据我的估计是极少的,在六十余载从事钢筋 混凝土研究中,甚少见到这方面的论文可供参照。我个人曾在下放到预制构件厂工作时,模拟杯口基础底板冲切试验,但发现破坏均呈“冲切”的喇叭口状,如下列图示;对于 素混凝土板进行“直冲”试验,按我的想象,可按下列图示来做: (a)素混凝土“冲切”试验(b)素混凝土“直冲”试验 素混凝土板试验 从上述两种破坏图示意中可知,两种试验的承载力值必定是: 实际冲切锥呈喇叭状破坏面上主要靠混凝土抗拉强度来抵抗破坏面上的主拉应力(概念 表述,并不准确);而在“直冲”试验中,“直冲柱体”受到周边混凝土块体的约束, 沿破坏面上的压剪强度会有较大提高。 因此,不能简单地看到柱头顶穿楼板呈“直冲柱体”状的破坏面,就认为是“直冲”破坏。 二“直剪”破坏
第三章2岩石的破坏准则
,. 五、岩石的破坏准则 对岩石试样的室内及现场试验,可获得岩石试样的强度指标,但对复杂应力状态下的天然岩体,又是如何判断其破坏呢?因此,就必须建立判断岩石破坏的准则(或称强度理论)。 岩石的应力、应变增长到一定程度,岩石将发生破坏。用来表征岩石破坏条件的函数称为岩石的破坏准则。 岩石在外力作用下常常处于复杂的应力状态,许多试验指出,岩石的强度及其在荷载作用下的性状与岩石的应力状态有着很大的关系。在单向应力状态下表现出脆性的岩石,在三向应力状态下具有延
,. 性性质,同时它的强度极限也大大提高了。
,. 许多部门和学者从不同角度提出不同的破坏准则,目前岩石破坏准则主要有:最大正应力理论 最大正应变理论 最大剪应力理论(H.Tresca) 八面体应力理论 莫尔理论及库伦准则 格里菲思理论(Griffith) 伦特堡理论(Lundborg) 经验破坏准则
,. 1、最大正应力理论 这是较早的一种理论,该理论认为岩石的破坏只取决于绝对值最大的正应力。即岩石内的三个主应力中只要有一个达到单轴抗压或抗拉强度时,材料就破坏。 适用条件: 单向应力状态。对复杂应力状态不适用。 写成解析式: 0))()((22322 2221=---R R R σσσ 0))()((223222221≥---R R R σσσ 破坏
,. 2、最大正应变理论 该理论认为岩石的破坏取决于最大正应变,即岩石内任一方向的正应变达到单向压缩或拉伸时的破坏数值时,岩石就发生破坏。 则破坏准则为 u εε≥max 式中 m ax ε——岩石内发生的最大应变值; u ε——单向拉、压时极限应变值; 这一破坏准则的解析式为(由广义虎克定律)
岩石的破坏准则汇总
岩石的破坏准则 岩石的破坏准则 对岩石试样的室内及现场试验,可获得岩石试样的强度指标,但对复杂应力状态下的天然岩体,又是如何判断其破坏呢?因此,就必须建立判断岩石破坏的准则(或称强度理论)。 岩石的应力、应变增长到一定程度,岩石将发生破坏。用来表征岩石破坏条件的函数称为岩石的破坏准则。 岩石在外力作用下常常处于复杂的应力状态,许多试验指出,岩石的强度及其在荷载作用下的性状与岩石的应力状态有着很大的关系。在单向应力状态下表现出脆性的岩石,在三向应力状态下具有延 1
岩石的破坏准则 2 性性质,同时它的强度极限也大大提高了。
岩石的破坏准则 许多部门和学者从不同角度提出不同的破坏准则,目前岩石破坏准则主要有:最大正应力理论 最大正应变理论 最大剪应力理论(H.Tresca) 八面体应力理论 莫尔理论及库伦准则 格里菲思理论(Griffith) 伦特堡理论(Lundborg) 经验破坏准则 3
岩石的破坏准则 4 1、最大正应力理论 这是较早的一种理论,该理论认为岩石的破坏只取决于绝对值最大的正应力。即岩石内的三个主应力中只要有一个达到单轴抗压或抗拉强度时,材料就破坏。 适用条件: 单向应力状态。对复杂应力状态不适用。 写成解析式: 破坏
岩石的破坏准则 5 2、最大正应变理论 该理论认为岩石的破坏取决于最大正应变,即岩石内任一方向的正应变达到单向压缩或拉伸时的破坏数值时,岩石就发生破坏。 则破坏准则为 式中 m ax ε——岩石内发生的最大应变值; u ε——单向拉、压时极限应变值; 这一破坏准则的解析式为(由广义虎克定律)
东北大学岩石力学讲义第二章岩石破坏机制及强度理论.
第二章 岩石破坏机制及强度理论 第一节 岩石破坏的现象 在不同的应力状态下,岩石的破坏机制不同,常见的岩石破坏形式有以下几种 一、拉破坏:岩石试件单向抗压的纵向裂纹,矿柱,采面片帮。特点出现与最大应力方向平行的裂隙。 二、剪切破坏:岩石试件单向抗压的X 形破坏。从应力分析可知,单向压缩下某一剪切面上的切向应力达到最大引起的破坏。 (a ) (b )
三、重剪破坏:即沿原有的结构面的滑动、重剪破坏 主要的机制:岩体受剪切作用或者受拉应力的作用、三向受压情况下多数为剪切应力的作用,侧向压力较小时可能是拉神破坏,实际工程中可能是不同机制的组合,但侧向应力较大时,可以认为剪切应力是岩石重剪破坏的主要破坏机制。 从岩石破坏的现象看,从小到几厘米的岩块到大的工程岩体,破坏形式雷同,并可归纳为两种,拉断与剪坏,因此有一定的规律可寻。 对岩石破坏的研究: 在单向条件下可以从实验得到破坏的经验关系。但是三向受力条件下,不同应力的组合有无穷多种,因此无法仅仅依靠实验得到破坏的经验关系,因此在一般应力状态,对岩石破坏的研究需要结合理论分析和试验研究两个方面。现代关于岩石破坏的理论分析一般归结为、寻求破坏时的主应力之间的关系 123(,)f σσσ= 研究的方法有:理论分析;2、试验研究;3、理论研究结合试验研究。 第二节 岩石拉伸破坏的强度条件 一、最大线应变理论 该理论的主要观点是,岩石中某个面上的拉应变达到临界值时破坏,而与所处的应力状态无关。强度条件为 c εε≤ (2-1) c ε—拉应变的极限值,ε—拉应变。
若岩石在破坏之前可看作是弹性体,在受压条件下σ1>σ2>σ3下, 3ε是最小主应力。按弹性力学有3 3E E σμ εσσ= -12(+),即33E εσμσσ=-12(+)。若3ε<0则产生拉应变。由于E >0,因此产生拉应变的条件是 3σμσσ-12(+)<0,3μσσσ12(+)> 若3ε=0ε<0则产生拉破坏,此时抗拉强度为0t E σε=?0t E σε=。 按最大线应变理论30εε≥破坏,即 312()t σμσσσ-+≥ (2-2) 式中0ε是允许的拉应变。 二、格里菲斯理论 格里菲斯理论的主要观点是:材料内微小裂隙失稳扩展导致材料的宏观破坏。 格里菲斯理论的主要依据是:1)、任何材料中总有各种微小微纹;2)、裂纹尖端的有严重的应力集中,即应力最大,并且有拉应力集中的现象;3)、当这种拉应力集中达到拉伸强度时微裂纹失稳扩展,导致材料的破坏。 格里菲斯理论的来源:由玻璃破坏得到的启示。 格里菲斯理论的基本假设为: 1、岩石的裂隙可视为极扁的扁椭圆裂隙; 2、裂隙失稳扩展可按平面应力问题处理; 3、裂隙之间互不影响。 按格里菲斯理论,裂纹失稳扩展条件为 1)、当1330σσ+>时,满足 21313()8()0t σσσσσ-++= (2-2)