岩石动力学

岩石动力学（精选9篇）

岩石动力学 篇1

岩石断裂力学应用广泛,工程及理论界投入了较大的力量研究裂纹岩体。岩石在不同的地质年代、地壳运动的作用下,将会产生断层、节理、裂缝等缺陷,这些缺陷便会形成裂纹岩体。岩石断裂力学是近几年发展起来的岩石力学中的一个新领域,岩石断裂力学就是将断裂力学的理论和方法应用到岩石断裂中去,进而对研究裂纹岩体提供了理论基础,为岩石的断裂问题提供了一条理论分析道路。

1 断裂力学理论

对材料和构件在裂纹尖端的应力使用弹塑性理论进行研究,对裂纹扩展规律进行研究,建立裂纹开展的判断依据,考察裂纹对结构自身的影响。

裂缝的扩展有两种观点:一种是能量分析的方法,这种观点认为产生新裂纹所需要的能量要与裂纹开展释放出来的能量相等。另一种观点认为,裂纹开展是由于裂纹尖端应力场强度达到了临界值。

物体内部细小裂纹引起的应力集中导致了物体的断裂破坏,在裂纹扩展的过程中会释放一定的势能,这些势能进而转化为在裂缝扩展过程中克服材料阻力所做的功。这种力为裂纹扩展力,由于它包括系统各个部分的贡献,所以裂纹扩展力是一个全局性,而不是局部性的参数。应力强度是对作用于裂纹尖端的力进行量化,裂纹的发展情况将由它来决定,而不是单纯的取决于外力,这种应力分布是建立在经典线弹性理论基础上的。应力强度因子K取决于外荷载,物体形状以及裂纹长度。所以,在均匀线弹性介质中的任一种特定形式的裂纹,裂纹端部应力场的强度由应力强度因子表征。

裂纹的扩展类型有三种(见表1):1)张开型(又称拉伸型);2)滑移型(又称纵向剪切型或面内剪切型);3)撕裂型(也叫横向剪切型或面外剪切型)。一般情况下的裂纹面是空间曲面,但在实际工程中都是用平面裂纹来解决。

在处理张开型裂纹扩展问题上,线弹性断裂力学取得了很大的成功。然而在工程上经常遇到的是一些复合变形状态,复合裂纹在荷载和裂纹方位不对称分布、材料各向异性以及裂纹快速传播都可以形成。

2 岩石破坏类型及受压裂纹的扩展

岩石破坏类型分为纵向破坏、剪切破坏、拉伸破坏。

纵向破坏主要是在单轴压力下产生的与σ1方向平行的裂缝,位移方向与σ1垂直。这种破坏类型常表现在煤矿中煤层柱侧面掉落的现象。

剪切破坏是在围压和轴压的共同作用下出现的,裂缝与σ1方向成一定角度,其角度与内摩擦系数有关。这种破坏类型多出现在断层和地震中。

拉伸破坏是在单轴拉伸的情况下出现的,破坏面明显分离,面与面之间没有错动。

岩石断裂力学是研究岩石介质在地下的破坏,因而它要面临压力条件。受压裂纹大多数是闭合裂纹,闭合裂纹有以下特征:

1)因为闭合裂纹面之间只产生滑动,所以是剪切破坏。

2)由于摩擦的本构关系,使裂纹面之间的作用力成非线性问题,同时还影响裂纹端部的发展。

在进行的平板实验中,受压切口的扩展呈现出以下特征:在切口端部开始扩展,初始裂缝方向与切口方向不一致,偏移很大的角度;裂缝的扩展是一条曲线,朝最大压应力方向渐进。

闭合裂纹扩展部分为张性,使得局部体积膨胀。当大量裂纹同时扩展,将导致整个试件各向异性以及体积的膨胀。在受压条件下的裂缝是不能自动继续破坏的,只有在荷载增加时才会继续扩展。

3 微裂缝的演化

材料中裂纹的扩展并不是简单的延伸,裂纹端部首先产生微裂缝,在临界状态下这些微裂缝开始集结,最终与宏观裂缝合并。微裂缝刚形成时的密度不高,它们相互之间的作用可以忽略,将每一个微裂缝看作独立的。当裂缝的密度达到一定程度时,相互之间的作用就不能再忽略。

岩石的破坏大致分为两个阶段:第一阶段,裂纹随机产生并累积;第二阶段,裂纹进入有序的演化,进而相互归并,这个时候的裂纹数量以及尺度加速发展,进入非稳定破坏阶段。微裂缝先是在较大范围内不均匀的产生,由于微裂缝间的相互作用,使得一些裂缝愈合,产生新的裂缝。

裂纹端部存在高度应力集中,在张应力集中区首先出现微裂缝的发展。在剪应力区张应力弱,微裂缝要在荷载加大的情况下才会出现。内端部的应力集中区比外端部的小,因而内端部的微裂缝发育面积要比外端部小。

4 裂纹尖端应力—应变场

对地下岩体来说,经常承受的是压应力,所以地下岩体比较重要的是对压剪裂纹的研究。在工程中对裂纹的研究往往是不考虑闭合效应的,不考虑闭合效应的裂纹用端部压应力与剪应力具有应力奇异性来模拟。

本文将各类裂纹尖端各个应力分量归纳为一个统一的表达式:

式(1)说明对每一种类型的裂纹端部应力场的分布规律是相同的,其大小则完全取决于参数K。所以K是表征裂纹端部应力场的唯一物理量,因而称为应力场强度因子或应力强度因子。在裂纹端部的应力具有奇异性,而应力强度因子正是用以描述这种奇异性的参数。

由式(2)知,即,因而可以得出式(3):

式(3)即应力强度因子K的定义。在多裂纹的问题中,应力强度因子的理论解只在少数情形下才会有。如图1所示,当a与b趋于相等时,也就是相邻2条裂纹的尖端无限接近,多裂纹形式的应力强度因子与单个裂纹形式的差别将趋于无穷大;但当a<0.5b时,也就是相邻2条裂纹尖端的距离比单个裂纹的长度长,此时多裂纹形式与单裂纹形式下裂纹尖端的应力强度因子趋于相同。

每一种类型的裂纹端部应力场分布是相同的,大小完全取决于K,因而K是裂纹端部应力场的唯一物理量。只要其K相同则裂纹端部应力场与应变能场就相同,因此K表明了裂纹端部的物理状态,因此它是度量裂纹稳定程度的参数。应力强度因子K取决于外荷载,边界条件以及裂纹相互之间的作用,都会反映在裂纹尖端的应力强度因子中。

裂纹尖端的应力强度因子K具有一定的共性,因此在岩石工程应用中提供了较为方便的途径。对于多裂纹形式下的裂纹尖端都具有一定距离,所以应力强度因子离的都比较近,因而对这种情况下无理论解时K的估计值或近似值可以通过理论计算得到。双向加压使得边界和裂纹相互之间的作用较为明显,即无穷大板单条裂纹尖端应力强度因子与多裂纹情况下的理论值不同,而裂纹局部应力强度具有一定的相似性。因此,在双向加压的条件下,当多条裂纹的尖端间距一定时,对K的估计值或近似值也是可以得到的。对岩体而言,不管是单裂纹还是多裂纹,对采取什么方法也没有限制,只要能知道K(裂纹尖端的应力强度因子),就能得到连续的裂纹尖端应力—应变场。

5 裂纹扩展条件

由于某种原因,假设在无限板中的斜裂纹发生了微小的虚拟扩展,岩体的具体构形、裂纹尺寸、外力以及材料性质将决定微小的虚拟扩展是不是真的会发生。岩体工程中,在压应力作用下经常遇到裂纹表面发生闭合的情况,此时,闭合的裂纹面之间将产生相互的作用力,这种作用力可以使用裂纹之间的正应力σ0与剪应力τ0=μfσ0组成的表达式来表达,其中,μf为裂纹表面的滑动摩擦系数,实质上,这是纯Ⅱ型裂纹在闭合状态下的行为。因而可以得出式(4):

应当指出,纯Ⅱ型裂纹在闭合状态下,不同于一般非闭合下的纯Ⅱ型裂纹。只有岩石材料的K(Ⅱ)e与一般非闭合裂纹的抗脆断能力有关;岩石材料的K(Ⅱ)e和闭合面上的摩擦剪应力都与闭合裂纹的抗脆断能力有关。使得问题的物理关系极其复杂的原因是裂纹的剪应力与裂纹面之间的相对滑移量和滑移速度都有一定的关系。目前此项研究还很不成熟,这个问题还要以后继续深入研究。

6 结语

目前,断裂力学在岩石中的研究与应用存在问题较多,难度较大。岩体内裂纹在受压情况下闭合,裂纹的边界条件也会随之发生变化,因此,必须对闭合裂纹尖端的应力场与位移场同时进行研究,以及对分支裂纹的尖端应力强度因子计算研究,对它们的研究就必须发展脆断模拟与弹塑性断裂模拟。建立出一套标准方法,可以适用于岩石静、动态断裂韧性的测定,并研究岩石两种状态的断裂韧性与传统力学性能之间的关系。

分析岩石多裂纹之间贯通机理的依据依然是断裂力学中的裂纹尖端应力—应变场,从理论方面讲述了多裂纹之间的贯通模式以及发展机理。在多裂纹尖端之间的间距合适的情况下,可以通过公式得到较好的估算值,进而可以得到裂纹尖端的应力—应变场,为多裂纹之间的贯通模式以及发展机理提供了理论基础。

摘要：在断裂力学的基础上,研究了岩石破坏类型和受压裂缝的扩展,并对微裂缝演化进行了探讨,提出利用断裂力学中的裂纹尖端应力和应变场的分布情况,可以预测和制止岩体的失稳。基于能量平衡建立岩石裂纹的扩展条件,进而导出断裂稳定性准则。指出岩石断裂力学中存在的一些问题,并对研究要点进行了总结,为岩石断裂问题研究提供了理论依据。

关键词：断裂力学,裂缝,岩石裂缝,能量平衡

参考文献

[1]Jaeger JC,cook NGW.Fundamentals of Rock Meckaaics.London:British Library Cataloguing in Publlcatlon Data,1979:337-341.

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[10]张如一,陆耀桢.实验应力分析[M].北京:机械工业出版社,1981.

岩石动力学 篇2

分析了岩石全应力-应变曲线的特征、岩石在受载过程中同时引起弹性模量的降低和产生塑性应变的现象,提出了弹性模量、塑性应变与损伤成正比的`基本假设和准静态损伤过程的概念,分析了损伤变量与损伤应变能释放率二者之间的依存关系,并定义了这两个概念.依据能量守恒定律,提出了岩石准静态损伤过程的数学模型,建立了无因次损伤演化和本构方程,并对其特点进行了分析,所建立的数学模型仅需3个材料常数,而且,可较为方便地确定.岩石全应力-应变曲线的峰前和峰后只用一个损伤演化方程,且与试验曲线能较好地吻合.

作 者：秦跃平张金峰 王林  作者单位：中国矿业大学(北京校区)安全工程系,北京,100083 刊 名：岩石力学与工程学报  ISTIC EI PKU英文刊名：CHINESE JOURNAL OF ROCK MECHANICS AND ENGINEERING 年，卷(期)： 22(4) 分类号：O346.5 关键词：损伤力学   岩石性质   数学模型   无因次  

煤矿岩石巷道锚杆支护力学分析 篇3

1 煤矿地质条件

该煤矿是一个位于贵州省黔西北的0. 3Mt/a的矿井, 开拓巷道围岩的地质特征: 顶板岩性, 粉砂质黏土岩, 岩层厚度20. 3m - 34. 6m, 平均27. 4m; 底板岩性, 粉砂岩及粉砂质黏土岩, 21. 21m - 32. 0m, 平均28. 6m。煤层地质特征: 0. 71m -1. 86m, 平均1. 09m, 煤系顶部的第一煤层, 夹1 - 3粉砂质黏土岩, 岩层厚度一般为0. 20m以下, 夹矸颜色较杂。

2 FLAC3D及数字建模

2. 1 软件FLAC3D

FLAC分析软件着重利用求偏微分或者常微分方程和方程组定解问题的数字解的方法来解决二维的、三维等问题, 与实验室、实地工程试验相比较, 常常具有花费时间短、费用低、不受外界环境干扰、效率高等优点, 广泛应用于材料机构分析、岩土机构分析、边坡治理、堤坝防护、岩土机构动态分析等。

2. 2 巷道二维机构模型

巷道二维机构模型: (1) 围岩刚性模量, 反映材料在弹性变形阶段内, 剪切应力与对应剪切应变的比值, 取值7. 0 × 106KPa; (2) 内摩擦角取值40°, 该参数作为岩体的两个重要参数之一, 是岩土抗剪强度的重要指标, 从另一面反映围岩的摩擦特性; (3) 内聚力, 反映出构成围岩结构单元之间相互作用, 增强围岩内聚综合效果的参数, 取值1. 7 ×103KPa; (4) 围岩体积模量, 反映材料的宏观特性 ( 物体的体应变与平均应力之间的关系) , 取值7.50 × 106KPa; 模型在围岩自身自重作用下进行变形, 重力加速度取值9. 81m/s2。模型详见图1。

3 围岩支护稳定性分析

3. 1 围岩最大不平衡力分析

在图2 无支护最大不平衡力中可见, 在步数0- 3000, 这一阶段最大不平衡力总体比较小, 平均最大不平衡力是5. 80 × 107KPa, 可见作为围岩结构单元受到各个方向的力, 不稳定, 方向各异, 给巷道维护增加了难度, 开拓巷道在打入锚杆后, 相同阶段里面, 这一阶段的最大不平衡力平均值5. 70 ×107KPa, 可见, 锚杆发挥着悬吊、组合梁作用, 巷道围岩稳定性得到增强, 阻止围岩下沉、垮落。

在图3 中, 在10000 - 20000 步之间, 伴随步数不断增加, 围岩结构单元所受的最大不平衡力逐渐增大, 各个时间点的最大不平衡力以斜率K =4. 64 成线性直线上下波动, 并逐渐上升, 两者进行参照对比, 没有打入锚杆的巷道围岩在步数达到20000 时, 最大不平衡力仍然在上下波动, 但是巷道围岩在有锚杆的支护作用下, 在步数达到20000时, 最大不平衡力已经趋于7. 0 × 107KPa, 煤矿巷道围岩趋于稳定, 锚杆支护作用明显。

3.2围岩支护位移等值线云图分析

从图4 和图5 可知, 距离巷道围岩两帮、拱顶处, 围岩在有锚杆的悬吊作用下, 巷道的顶板及两帮紧紧与较远处围岩相扣, 并且在巷道周围组合成整体的圆弧拱, 减弱了顶板向巷道的位移量, 防止部分围岩冒顶, 减少人员因顶板冒顶带来的伤亡; 在锚杆形成的近似拱外围, 位移等值线基本形成以巷道断面中轴线对称的拱形, 这个与无支护的情况相似; 巷道底部位移梯度变化明显, 而巷道顶部位移梯度变化不明显, 离巷道底部不远处, 位移量比较小, 位移量从3. 28mm ~ 3. 40mm, 主要是底板向巷道鼓起, 在巷道壁与巷道底板交会处位移变化有所减缓。

3. 4 巷道围岩弹塑性区域分布图分析

从图6, 在围岩巷道没有锚杆支护情况下, 围岩弹塑状态可知, Shear - n和Shear - p表明巷道中上部都处于受剪切应力作用而处于塑性状态, 主要是围岩受上部岩层的积压和围岩向巷道变形的影响. 而巷道底板主要呈现受拉应力作用而处于塑性状态, 小部分处于受剪切应力作用而处于塑性状态, 有小部分甚至处于完全的受拉应力而处于塑性状态。

从图7, 在围岩巷道有锚杆支护情况之下, 围岩弹塑状态可知, Shear - n和Shear - p表明巷道中上部主要都处于受剪切应力作用而处于塑性状态, 但是范围已经比没有锚杆支护要小, 又主要是围岩受上部岩层的积压和围岩向巷道变形的影响. 而巷道底板主要呈现受拉应力和剪切应力作用而处于塑性状态, 小部分原来和现在处于受拉应力作用而处于塑性状态, 可见锚杆对围岩巷道弹塑性区域分布有明显的影响。

4 结论

( 1) 与没有锚杆支护的巷道围岩相比较, 有锚杆支护的巷道围岩在较短时间内达到平衡, 围岩较快稳定下来, 并能保持较长时间的稳定。

( 2) 与没有锚杆支护的巷道围岩相比较, 有锚杆支护的巷道围岩顶部位移下沉量明显较少, 围岩下沉强度弱, 有利于巷道的维护。

( 3) 通过巷道支护前后对照, 在围岩巷道有锚杆支护情况之下, 从围岩弹塑状态可知, 巷道中上部主要都处于受剪切应力作用而处于塑性状态, 范围已经比没有锚杆支护要小, 又主要是围岩受上部岩层的积压和围岩向巷道变形的影响. 而巷道底板主要呈现受拉应力和剪切应力作用而处于塑性状态, 小部分原来和现在处于受拉应力作用而处于塑性状态, 可见锚杆对围岩巷道弹塑性区域分布有明显的影响。

摘要：针对贵州煤矿开拓阶段巷道实际采矿地质条件, 为了有效控制开拓巷道围岩的稳定, 按照实际地质条件建立相似数字模型, 分析最大不平衡力、垂直位移分布、巷道围岩弹塑性区域分布等特征, 然后通过向巷道围岩植入锚杆, 再分析以上参数, 并运用矿山压力与岩层控制理论分析巷道围岩稳定性特征, 为此类巷道围岩稳定性分析及围岩控制研究提供指导作用。

关键词：开拓巷道,数字模拟,力学分析

参考文献

[1]徐万军.浅谈我国煤矿锚杆支护技术的现状与发展[J].中小企业管理与科技, 2009, 8.

[2]康红普, 等.煤矿巷道锚杆支护应用实例分析[J].岩石力学与工程学报, 2010, 4.

[3]钱鸣高, 石平五.矿山压力与岩层控制[M].徐州:中国矿业大学出版社, 2003.

岩石力学反演分析研究及工程应用 篇4

岩石力学反演分析研究及工程应用

岩体本身是一个高度复杂的不确定和不确知系统,其物性参数、本构模型、计算边界条件(地应力等)和博士学位量测的位移与应力等无法准确确定.由量测信息来确定各类计算参数和模型的反分析方法自提出以来得到了迅速的发展,目前已成为解决复杂岩土力学问题的重要方法.针对当前岩石力学中的热点和难点问题进行了研究,并将其应用于实际工程中.主要工作内容如下:(1)采用区间变量表示工程中的不确定性量,针对区间分析中计算结果的区间扩张问题,提出了区间参数摄动法和区间参数优化法来求解区间有限元方程;当区间变量范围较大时,提出了将区间参数分区的方法来求解区间有限元方程;通过一计算实例,将原有的解法同提出的方法进行了比较.(2)在区间有限元方程的解法深入研究的基础上,将量测信息视为区间不确定性的变量,建立了区间参数反分析模型,将区间分析同摄动理论、优化方法相结合,提出了区间参数摄动反分析方法和区间参数优化反分析方法;基于确定性逆反分析的思想,提出了区间逆反分析方法.(3)在梯度类优化方法中,针对梯度计算中计算量大、耗时的问题,提出了用变分伴随方法来计算参数反分析中的梯度向量,形式简单,计算快捷.(4)根据系统辨识所需的先验信息、实现的原理和方法,对岩土工程本构模型辨识从一般的角度进行了分析探讨.基于流变岩体的室内简支梁弯曲流变试验,建立了量测应变值同蠕变柔量之间的关系式和现场地下模型洞室量测位移同蠕变柔量之间的关系式.在反分析过程中,首先由量测信息反分析出蠕变柔量,再由蠕变柔量辨识出模型参数,从而得到所需的.本构模型;在优化反演过程中,提出了一种减少非线性优化变量个数的方法,以改善反问题的不适定性.(5)提出复杂岩体初始地应力场的反分析模型.在模型中,采用具有多项式分布的边界荷载来模拟构造应力场,地应力和边界荷载不必符合特定的分布和假定,可模拟任意分布的复杂初始地应力场.(6)针对传统遗传算法在实际应用中的不足,提出了个体自适应变异和交叉概率、收敛判据的改进方法、欧氏距离的引入等改进方法,将改进后的遗传算法同可变容差法相结合,可克服基本遗传算法在实际应用的早熟收敛、局部搜索能力差等缺陷,能用于求解岩石力学反问题.(7)以龙滩水电站工程和清江水布垭工程为例,进行了工程实例分析验证.

作 者：刘世君  作者单位：河海大学岩土工程研究所,南京,210098 刊 名：岩石力学与工程学报  ISTIC EI PKU英文刊名：CHINESE JOURNAL OF ROCK MECHANICS AND ENGINEERING 年，卷(期)： 23(24) 分类号：O3 关键词：岩石力学   区间分析   摄动方法   优化理论   伴随方法   模型辨识   蠕变柔量   地应力场   遗传算法  

岩石动力学 篇5

直到刚性压力机和伺服机被成功制造出来, 有关岩石峰值后变形特征的研究才开始逐渐发展。在此这之前, 科学家们常以岩石峰值前的变形特征来表示岩石的变形性质, 用岩石变形曲线的峰值代表岩体强度, 而峰值后则认为已经破坏, 岩体失去其承载能力, 而这显然与实际情况不符。实验研究和大量的工程实际都表明, 岩石破坏后, 其残余强度仍具有一定的承载能力, 这对实际工程上的应用有很大意义。

张帆等着重于三峡花岗岩的力学特征的研究, 首先利用杨超等[4]的相关研究所提出的利用主应力圆包络线, 确定岩石的黏聚力和内摩擦角的等效值并拟合相应曲线的方法, 将岩石的屈服破坏过程以的连续的应变软化模型来表征, 建立了应变软化的本构模型[2], 之后又以三峡花岗岩力学特性的的试验结果为基础, 建立了描述三峡花岗岩峰后破坏特征的弹脆塑性本构模型和峰后应变软化本构模型[1], 并且利用MTS试验机对三峡花岗岩试件进行了应力应变全过程曲线的测试, 利用试验数据对峰后岩石的屈服面进行了拟合, 并对此进行了相关参数的分析。结果表明, 在花岗岩的应变软化过程中, c值随着广义塑性应变的增大而逐渐减小, 而 φ 值却几乎保持不变[1]。这项研究三峡地区的隧道开挖与支护、边坡的稳定性分析提供了重要的参数与理论依据。

长沙理工大学的王桂尧等人考虑尺寸效应, 对岩石的峰值后曲线进行了研究, 将工程岩体分为不含裂纹的完整岩体以及含裂纹的断裂区两个部分, 通过大量实验, 将两者的破坏曲线的叠加, 得到了相应工程岩体的荷载—位移曲线, 在两者的载荷相同的情况下, 岩石贮存或释放能量的大小随着位移的增大而增大, 在裂纹与试件尺寸已知的同时, 能够确定岩石在达到峰值荷载时的所储存的弹性势能的大小, 并且可以通过二者的关系, 大致估计岩石断裂的峰值后曲线形状和断裂的稳定性[3]。并以此为基础, 进行了尺寸效应对岩石峰值后曲线的研究, 通过对不同尺寸的岩石强度曲线的分析, 说明了峰值后断裂曲线的形状与试件尺寸有关, 并且试件类型不同, 其影响方式也有所差异。

对岩石变形的全过程曲线的研究, 尤其是对岩石变形的峰值后曲线特征的研究, 是近几十年来科研人员相继探讨的热点问题, 对解决水利、隧道、桥梁、地质灾害等工程设计与开挖的重要理论基础, 同时也为分析边坡稳定与防护、重要工程预警等提供重要参数。但目前对于岩石峰值后曲线的研究较少, 且由于技术、理论研究等的限制, 对于峰值后曲线特征研究并不完善, 使得在工程上得不到有效的利用。

摘要：近年来, 在公路、桥梁、隧道等工程迅速发展的同时, 也伴随着许多由于岩石的破坏而造成的地质灾害, 人们逐渐认识到岩石变形全过程的研究在工程中的重要性, 本文主要总结了前人对岩石特性的研究进展, 同时简述了有关岩石的峰值后曲线特性的研究现状, 为今后工程上应用提供理论基础。

关键词：岩石力学,岩石破坏,稳定性,峰后力学特性

参考文献

[1]张帆.三峡花岗岩力学特性与本构关系研究[D].武汉:中国科学院武汉岩土力学研究所, 2007.

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[4]杨超, 崔新明, 徐水平.软岩应变软化数值模型的建立与研究[J].岩土力学, 2002, 23 (6) :695–697.

小议岩石水力学与工程事故 篇6

关键词：岩土水力学,工程事故,发生原因

岩石水力学与工程事故之间存在密切的关系, 大部分工程事故在内部受到岩土水利的作用, 直接表现出具备破坏性的灾害, 例如:塌方、滑坡等。可见:大部分工程事故是由岩土水利变动引起, 因此, 必须站在岩土水力学的角度, 对典型的工程事故进行分析, 不仅可以明确两者之间的关系, 同时可从中获取更多的工程保护经验。

一、典型工程事故简介

以国际上比较典型的水利事故为案例, 进行岩土水力学的分析, 据有关资料显示, 影响较大的工程事故主要为美国Teton溃决事故、意大利Va-jout滑坡以及法国Malpasset溃坝, 三项事故的发生, 均与岩土水力学存在密切的关系, 下面首先对工程事故进行重点分析。

1. 美国Teton溃决

此事故主要是由于钢管受力不均匀, 虽然工程已做好细致的防护工作, 但是岩体的动态发展, 致使防护体仍旧不能承受来自岩土不均衡的作用力, 由此, 改变了防护体原本稳定的结构, 促使防护体的钢管扭曲, 最终形成溃决事故。

2. 意大利Va-jout滑坡

在大多数情况下, 滑坡属于常见的山体自然现象, 而且滑坡造成的危害不仅规模大, 而且破坏力极强, 当时科研工作者对岩土水力学并没有太深刻的研究, 无法对意大利滑坡的现象进行明确解释, 但实质其与岩土、水利的运用存在极大的关系, 岩土结构的运动, 导致工程内部结构极其不稳定, 即使表面上没有体现岩土结构的运动, 但滑坡即可解释为岩土结构运动的结果。

3. 法国Malpasset溃坝

法国溃坝的发生主要是由于工程的重力失衡, 因为此项工程经有关人员检查, 确实不存在设计不合理、施工不到位的地方, 而且其质量与其他工程相比, 属于性能较高的工程, 其工程事故的发生可通过岩土水力学解释为岩石发育, 导致坝体遭受不平衡的重力, 在不可抗拒的重力作用下, 发展成为工程溃坝。

二、工程事故中岩土水力学分析

通过对典型工程事故的分析, 可见:岩土水力学与其存在的关系, 因此, 重点对以上工程事故中的岩土水力学进行分析, 具体如下。

1. 美国Teton溃决中的岩土水力学

Teton属于是综合型的水利工程, 其在发生溃决事故时, 受强降雨影响, 导致坝库内的水位急速上升, 工程逐渐发生岩石开裂、渗水的现象, 直至渗水现象无法控制时, 坝体发生爆炸, 随后工程中出现渗水漩涡, 演变成溃决。整个工程事故形成的时间非常短暂, 通过岩土水力学对其进行分析:首先工程底部的岩土层的刚度性能较高, 在工程坝库的底槽内, 形成有力的支撑作用, 受到力的作用, 导致岩土层自重力度降低, 致使岩土层进入松软状态, 再加上坝库需承受来自强降雨的水量压力, 其会对底槽形成一种冲击力, 加速其开裂的速度, 进而形成以力为中心的恶性循环, 一旦底槽出现裂缝, 高水位的压力, 作用会越来越明显, 进而直接影响到最下游的岩土层, 直至冲垮底槽。因此, 溃坝与岩土水力学存在极大的联系。

2. 意大利Va-jout滑坡中的岩土水力学

Va-jout滑坡事故的发生非常突然, 属于工程人员勘测中的突发事件, 工程人员在对水位进行试探性增加时, 逐渐推进坝体发生位移, 当坝体位移速度无法控制时, 则引发了滑坡事故, 通过岩土水力学的角度对其进行分析:工程的滑坡与坝体发生位移相关, 而坝体发生位移的主要原因是由于工程人员逐渐提升水库的水位。首先意大利地质学家通过对坝体周围的岩土层进行分析, 发现其属于是“靠背椅”, 稳定而结实, 发生滑坡的机率非常低, 但是实际水库发生水位升降时, 水流的速度无法通过理论数据进行计算, 存在极大的多变性, 水位上升时, 坝体平段会完全浸入水中, 岩石会呈现浮重的状态, 阻止滑动的力度降低, 由此对坝体发生位移失去控制力和约束力, 当水位下降时, 岩石暴露, 位移会停止但不会复原, 重复进行水位上下, 只能加速发生位移, 因此, 导致坝体最终无法承受岩石位移造成的失重, 发生滑坡事故。

3. 法国Malpasset溃坝中的岩土水力学

Malpasset溃坝, 最先是由水库渗水引发的, 直至工程发生溃坝, 工程人员仍未感觉到有任何异常, 溃坝发生时, 水库中的水位已经非常低, 但是其利用事实, 证明了坝体渗透与岩土水力学的关系, 坝体周围的岩石构造属于片麻岩, 其具备较高的片理连续性, 水库渗透的水, 可对坝体形成负载, 如果负载的作用力与岩石片理呈现垂直状态时, 作用力会向更深处的岩土层扩散, 如呈现平衡状态, 即可阻止扩散, 但是坝体左右两侧一方为平行状态, 另一方为垂直状态, 即是表面没有表现出任何迹象, 以岩土水力学的角度分析, 坝体左右两侧在渗透的作用下, 受到不均衡的应力, 加速坝体溃坝的速度, 引发大规模的工程事故。

三、岩土水力学与工程事故的关系

通过研究及实际事例表明, 岩土水力学与工程事故发生有着密切关系, 通过岩土水力学可分析工程事故发生的原因, 部分工程事故的发生是无法通过其他渠道得出准确的解释, 因此, 岩土水力学在工程项目中具备较高的地位, 各国的工程师, 应提高对岩土水力学的重视度, 在工程设计、考察和施工的过程中, 重点考量岩土水力学中涉及的因素, 明确岩土水力学与工程之间存在的内部关系, 即使工程投入使用, 也可利用岩土水力学对其进行动态的分析, 做好预防工程事故的准备。此外, 对于发生过的工程事故应当不断总结原因, 并制定切实可行的应对措施, 以避免再次发生事故, 从而提高工程施工效率, 延长使用寿命, 更好地满足基础工程建设需求。

四、结语

各类工程事故的发成, 基本都会涉及到岩土水力学知识, 进而对岩土水力学进行分析, 发现其与工程事故存在的关系, 利用岩土工程学的内容, 提出控制工程事故发生的途径, 提高工程运营的效率和质量。因此, 重点分析岩土水力学与工程事故, 深化岩土水力学在工程事故中的意义, 以便提升工程事故的分析能力和分析水平。

参考文献

[1]张有天.水工隧洞建设的经验和教训 (上) [J].贵州水力发电, 2011 (04) .

[2]仵彦卿.裂隙岩体应力与渗流关系研究[J].水文地质工程地质, 2011 (06) .

[3]张有天.隧洞及压力管道设计中的外水压力修正系数[J].水力发电, 2012 (12) .

“岩石力学”实验教学改革的探讨 篇7

关键词：采矿工程,岩石力学,实验教学,教学改革

1 概述

专业课实验教学是工科专业教学体系中一个重要的教学环节, 是提高学生动手能力、理论联系实际等能力的重要途径, 它不仅可以直观培养学生的知识结构, 加深其对理论知识的理解与掌握, 更重要的是提高学生的实践操作技能、独立解决工程实际问题的能力及创新能力。

近年来, 我校对专业实验室建设与实验教学改革日益重视, 学校投入大量的经费和人员加强实验室建设, 增加了大批先进的实验教学仪器设备, 改善了我校专业实验室条件, 同时鼓励和支持教师积极参与到专业实验教学改革中去, 在提高专业课实验教学质量方面取得了一定的成绩。但与基础课实验教学改革相比, 我校专业实验教学改革仍处于滞后状态。然而专业实验教学对加强大学生对专业知识的掌握以及提高其在今后工作中独立解决工程技术问题的能力起着至关重要的作用。如何充分发挥专业实验室在大学生综合素质培养过程中的作用, 提高实验教学成效, 是我校教学体系完善过程中一个亟需解决的问题。

2“岩石力学”实验教学中存在的问题

目前, 我校“岩石力学”实验教学环节中普遍存在如下问题:

2.1 实验教学课时少。

“岩石力学”课程共设48个学时, 实验课仅为4个学时, 占总学时数的8.3%, 导致很多课程中涉及到的实验不能去做, 不能满足实验的需求。

2.2 实验教学方法不完善。

采矿工程专业每个班约35人, 一般分为两个组进行实验, 由于实验课学时少, 学生人数多, 实验设备数目少等问题, 以至于大部分学生没有完整进行实验的机会, 甚至有的实验只是教师进行演示, 而非学生亲自动手做。

2.3 实验教学内容太单一。

在实验教学大纲中, “岩石力学”课相关的实验仅包括岩石抗压强度试验、岩石抗拉强度试验两部分内容。这两个实验均属验证性实验, 综合性和设计性实验太少, 不利于学生创新意识和能力的培养。

2.4 实验教学考核方式不合理。

长期以来, 采矿专业实验教学从属于专业课 (包括专业基础课) , 实验结束后, 一般不单独计成绩或不计成绩, 学生实验能力的高低、实验完成质量的好坏, 在课程考核中几乎得不到体现, 使得学生对实验课不够重视。

2.5 实验教学效果不理想。

由于实验教学课时少、教学方法不完善、教学内容太单一以及考核方式不合理等问题, 严重影响了专业课实验教学质量, 不能达到应有的效果, 专业实验室在大学生培养中的作用得不到充分的发挥。

3 实验教学改革的途径

为了充分发挥专业实验室在专业人才培养上的作用, 进而提高实验教学质量和效果, 必须对实验教学中存在的上述问题进行研究和改革。

可以从以下几个方面着手对实验教学进行改革。

3.1 增加实验教学学时。

为了弥补实验教学学时少的不足, 充分发挥实验室在本科生培养中的作用, 适当增加实验课学时数, 可以将原先纯理论讲授的部分内容在实验室来上, 我们也可以结合“挑战杯”中国大学生创业计划竞赛及“大学生创新性实验计划”等课外科技作品竞赛, 为本科生开展科研课题的实验研究提供支持。

3.2 优化实验教学内容。

根据岩石力学课程教学大纲, 在原有实验课基础上, 增加岩石的剪切实验、岩石的点荷载实验等验证性实验, 还可以根据开放性实验课的特点与要求, 增设设计型、研究型实验。

3.3 完善实验教学方法。

改变过去教师演示实验, 学生没有机会亲自动手实验的现象。可以借助实验录像让学生直观地了解所有实验教学的内容, 在此基础上学生可以有更多的时间自己动手完成大纲要求的实验项目。

3.4 加大实验教学考核。

为了调动学生做实验的主动性和积极性, 实验课的考核方式需要改变。实验课考核成绩由原来的理论课教师改为由岩石力学实验室教师来评, 实验室老师结合同学们的实验课堂表现和实验报告等给出实验课成绩, 同时应加大实验课成绩占课程最终考核成绩的比例。

3.5 加强实验室建设。

包括硬件条件和软件条件的建设。在硬件条件建设方面, 增加实验室建设经费的投入, 为实验室购置实验教学必备的仪器设备以保证实验正常进行。在软件条件建设方面, 通过改善实验室环境, 增强实验学术氛围。

3.6 增强激励机制。

学校应对实验室教师给予更多的关心和支持, 制订相关激励政策, 鼓励专业实验室教师投身到实验教学改革中去, 为培养高质量的专业技术人才尽最大的努力。

4 结论

总之, 实验教学在本科生培养中的作用不可替代, 无论是教师还是学生都应该在思想上真正重视起来, 以创新的思路进行专业课实验教学改革, 有效地发挥其在人才培养上的潜力。

参考文献

[1]黄明奎.岩石力学课程教学改革与思考[J].高等建筑教育, 2008, 17 (4) :82-85.

[2]袁强, 柴敬, 孙鑫.实验岩石力学课程教学改革与实践[J].西安科技大学《高教研究》, 2014 (2) .

[3]王琪, 郭易圆, 王士敏.力学类课程探究型教学模式的研究与实践[J].中国大学教学, 2014 (11) .

[4]刘向阳, 郑海务.专业实验室建设与改革实践[J].实验室研究与探索, 2010, 29 (2) :145-148.

余吾煤业岩石物理力学性质研究 篇8

1 岩层赋存特征

N1202高抽巷岩性由下到上依次为1.65m砂质泥岩、5m中粒砂岩;45m~194m沿+12°上坡掘进, 根据707号钻孔柱状图, 巷道顶板向上3m为粗粒砂岩, 3.7m泥质砂岩, 2.75m泥岩, 3m砂质泥岩, 4.6m泥质砂岩, 7m细粒砂岩;194m~976m沿3#煤层顶板向上30m掘进, 根据707号钻孔柱状图, 巷道顶板向上8.2m为砂质泥岩, 底板向下4m为细粒砂岩。

2 岩石物理力学参数测定

2.1 岩石视密度 (容重) 测定

岩石视密度是岩石重要物理参数之一, 它是指单位体积含岩石的质量。对于一些完整性好且能加工成型的试样, 自然视密度采用量积法测定, 其自然视密度按下式计算:

ρ=1 000m/Fh

式中, ρ—试样视密度, kg/m3;M—试样自然含水状态下的质量, g;F—试样截面积, cm2;H—试样高度, cm。

岩石自然视密度测定结果如表1所示。

2.2 岩石抗拉强度测定

岩石单轴抗拉强度是岩石强度的主要力学参数之一, 由于直接拉伸岩样夹持的困难性, 抗拉强度通常采用间接法测定, 其中圆盘岩样巴西劈裂就是岩石力学试验规程推荐的抗拉强度测试方法。对称圆盘岩样在集中载荷P的作用下, 在载荷作用方向的圆盘直径平面中心有:

由于岩石类材料的抗拉强度远低于抗压强度, 则σx达到岩样的抗拉强度σt下式为Rt时中心起裂发生破坏。通常采用劈裂法测定时, 首先把劈裂夹具置于试验机下承压板上, 将制备好的试样放入劈裂夹具内并调整对中。试验采用行程控制, 加载速率为0.02mm/s, 在计算机控制下进行加载至试样破坏。抗拉强度按下列公式计算:

式中, Rt—抗拉强度, MPa;P—破坏载荷, KN;D—试样直径, cm;L—试样厚度, cm。

2.3 岩石粘结力和内摩擦角测定

岩体除工作面巷道的表面处于单向或双向受力外, 工作面内部及上覆岩层体多处于三向受力状态之下, 故研究岩石试样三轴应力状态的强度和变形特征, 对上腹岩层运移规律的研究具有重要的意义。

将制备好的试样放于三轴压力室内, 盖上压盖并锁紧, 联接好液压源与三轴室之间的高压管, 再将压力室放在试验机下承压板上并调整对中, 使试样压板和球形压头精确地成一条直线。然后打开主控机和液压源, 再次检查各个环节后确保无误, 方可进行试验。试验采用位移控制, 首先以静水应力方式加围压, 围压加载速率为0.1Mpa, 达到预定围压值时, 再加轴压, 轴向加载速率为0.02mm/s。在计算机控制下进行加载, 至试样破坏, 试验过程计算机自动采集数据。

三轴试验采用普通三轴试验, 也就是在σ1>σ2=σ3的条件下进行试验。考虑到该矿埋深, 围压选用5、10、15、20、和25MPa, 属低围压试验。大量试验证明, 低围压三轴试验岩石的强度曲线都似斜直线型。根据库仑-莫尔强度准则, 极限状态下主应力之间的关系为:

上式可以简化为:

上式是一个线性方程, 但由于岩石的非均质性, 其三轴试验的结果往往呈现一定的离散性。因此在绘制强度包络线时, 先将试验的σ1-σ3的关系用最小二乘法进行线性化处理, 然后根据回归后的σ1-σ3关系绘制莫尔圆及包络线, 仍能反映岩石的平均性质。回归后的线性方程系数Q和K按下式计算:

岩石三轴压缩试验全程应力-应变及强度曲线如图1所示。从图1可以看出, 岩石的承载能力与围压关系, 就两者的变化趋势而言, 试样的承载能力与围压大致为线性关系。

3结论

通过对余吾煤业N1202高抽巷岩层进行钻孔取样和物理力学试验, 得出了以下几个结论: (1) 确定了本矿主要岩层的岩石物理力学参数, 砂岩的自然密度差异较小, 自然密度在2 728~2 795kg/m3之间, 均值为2 760kg/m3。 (2) 砂岩的抗拉强度在7.14~10.44MPa, 均值为8.30MPa, 巴西劈裂试验岩样破坏形态, 巴西劈裂为对径破坏。 (3) 根据库仑莫尔强度准则三轴压缩试验的回归结果, 岩石三轴压缩试样破坏形式相对简单, 大多数以剪切破坏为主。 (4) 砂岩的抗压强度、抗拉强度、弹性模量、粘结力和内摩擦角均较高, 平均坚固性系数为14.2, 属于坚硬岩石类。

通过对余吾煤业N1202高抽巷的岩石力学性质进行研究, 得出了上述结论, 对现场工作面的支护方案的制定有着重要的指导意义, 并且可以依据覆岩性质合理地进行开采设计, 组织施工, 从而保障煤矿的安全生产。

参考文献

[1]刘继岩, 廉旭刚.王家岭矿岩石物理力学试验研究[J].矿业工程研究, 2010.

岩石动力学 篇9

一、《高等岩石力学》全英文授课的实施概况

岩石力学作为理论性和应用性很强的学科在国民生产和生活中具有十分广泛的应用。岩石力学既是基础学科,又是技术学科,是岩土工程、采矿工程和石油工程等本科和研究生专业的重要基础课程。《高等岩石力学》是我校石油与天然气工程专业的专业课程。该课程运用力学原理和方法来研究岩体的力学,也就是研究岩体在各种力场作用下变形与破坏规律的理论及其实际应用。本课程全英文授课对接近20人的一个来华留学生班进行授课。该课程共有32学时,采取教师主讲与课堂讨论相结合。课程采用全英文教材和全英文电子教案,并给予全英文授课。目前,我国很多高校也均开展了全英文授课的实践。

二、《高等岩石力学》全英文授课模式的改革

1.教材的选取。全英文授课必须有配套的英文教材,本课程采用的主要是英文原版石油工程岩石力学第二版,由ELSEVIER出版社出版。进一步为了授课简明清楚,制作图文并茂的电子教案,突出基本概念和基本示意图。

2.课程内容的改进。石油高校的岩石力学需要仅靠石油工程,而岩石力学问题在基于基础理论之后,紧紧围绕地应力、井壁稳定、水力压裂、出砂防砂、储层岩石力学等几大专题开展。分别结合国内的以及留学生来自国家的典型区块典型问题,给予介绍和分析,提升课程的针对性和有效性。

3.教学方法的改进。针对外国留学生在各自国家接受本科教育的特点,只通过单纯讲授式的方式是不能满足研究型创新人才和外国研究生培养的需求.课程以学生为主体,参考“翻转式”课堂教学方法,授课过程中发挥学生英文思维方式的优势,积极主动推进对某概念和专题的研讨交流。外国学生不会保留自己的观点,会大胆提出自己的见解或者对不懂的问题主动示意。鼓励中亚地区和非洲地区来的同学按自愿组成小组,相互帮助、共同提高。针对一个问题,请中亚和非洲的同学相互讨论、互相解惑,最终由主讲教师给予指导和评价。外国学生愿意进行课堂讨论和分组学习,结合好这一特点从多方面提高学生学习的主动性。

4.考核模式的创新。以考试笔试与大作业口试相结合的方式。口试形式包含设计不同专题,以小组为单位,采用学生讲述、教师及其他学生提问的方式,考察对课程内容的掌握情况。笔试题目涉及出英文考核的几个典型题目,以目标知识点为基准,考察基本概念和基本理论的理解和运用。

5.贯穿中国文化与中文概念的介绍。结合外国留学生来华学习的目的,就一些关键的专业词汇给予中文简要介绍,并传播中国文化。就同学们关注的一些中文专业词汇和中国文化现象给予部分介绍。

6.参观岩石力学实验室。带领学生参观学校岩石力学实验室,了解试验设备和操作流程,请研究生现场操作简单试验,并给予结果分析等。

三、《岩石力学》全英文授课效果分析

经过一轮的全英文授课,对全班20位留学生进行了授课效果的问卷调查。问卷问题包括授课内容、授课教师、课堂氛围、教学效果、学生学习情况等方面,并分为优、良、中、合格和差几个档次。问题包括:(1)授课内容安排;(2)授课逻辑和清晰度;(3)教学活动安排的合理性;(4)课堂气氛;(5)教学效果及完成课堂任务;(6)本课程学习收获。

通过表1可以看出,总体上对于课程授课效果选择“优”的比例较高,而其中“课堂气氛”和“本课程学习收获”这一栏的效果最佳,体现了学生对活跃的课堂气氛的肯定。

经过期末考试,按照课程要求的几大知识点的全覆盖后的试题成绩来看,成绩分布如表2。从成绩分布比例来看,主要成绩分布在80-90分之间,可见大部分留学生的学习成效良好,能够掌握岩石力学基本概念和运用。

表3展示课程教学内容实践的一个学时分布,由于弹性力学基础很重要,其中包括应力应变、线性弹性理论、孔隙弹性理论和热弹性理论等,因此占主要学时数。塑性力学理论主要是介绍典型的强度和屈服准则。此外,几大石油工程岩石力学专题给予重点介绍。

表4展示课程教学内容难以程度的一个反馈,留学生普遍感觉最难理解的是塑性力学理论,这一块由于内容抽象要求较高,需要在今后的教学中更加具体举例并给予加深认识。针对几个专题的讲解,留学生认为内容有针对性并有较好的学习兴趣。

综上所述,选取留学生石油工程专业研究生《高等岩石力学》进行全英文授课教学改革,是中国石油大学(北京)国际化研究生教学的必然要求。总体而言,通过多个方面的教学改革,以及对学生的问卷调查,课程达到了预期的教学目标并得到了留学生的认可。尽管和中文授课以及对中国学生授课相比,该课程有一些困难和挑战,但处在高等教育国际化的今天,伴随与留学生共同提高课程质量,全英文授课的教学模式值得进一步提升和推广。

摘要：实施外语授课是高等教育国际化进程中的一个重要环节,也是硕士留学生课程教学的必要手段。中国石油大学(北京)在石工专业硕士留学生班进行高等岩石力学全英文授课的教学改革和实践,本文对全英文授课教学效果进行评价、比较和分析。实践证明,该课程的全英文授课结合留学生专业和文化背景实际,探索了全英文授课的教学模式,并对进一步推广经验有一定的借鉴意义。

关键词：全英文授课,岩石力学,硕士留学生

参考文献

[1]刘豫,周爱国,郭学锋.普通高校中双语教学的意义与方法[J].科技信息,2010,(12):41-43.