《岩石力学与工程》蔡美峰版总结

《岩石力学与工程》内容概要总结地应力是存在于地层中的为受工程扰动的天然应力。

也称为岩体初始应力、绝对应力或原岩应力。

地质软岩：单轴抗压强度小于25MPa的松散、破碎、软化及风化膨胀性一类岩体的总称。

工程软岩：工程力作用下能产生显著性变形的工程岩体。

声发射：材料在受到外载荷作用时，其内部贮存的应变能快速释放产生弹性波，发生声响。

岩石岩石地下工程：地下岩石中开挖并临时获永久修建的各种工程。

围岩：在岩石地下地下工程中，由于受开挖影响而发生应力状态改变的周围岩体。

锚喷支护：锚杆与喷射混凝土联合支护的简称。

边坡：岩体、土体在自然重力作用或人为作用而形成一定倾斜度的临空面。

岩石：自然界各种矿物的集合体，是天然地质作用的产物。

容重：岩石单位体积的重量。

根据含水情况将岩石的容重分为天然容重、干容重、饱和容重。

孔隙性：天然岩石中包含着数量不等、成因各异的孔隙和裂隙。

孔隙率：指岩石孔隙的体积与岩石总体积的比值，以百分数表示。

分为总孔隙率、总开孔隙率、大开孔隙率、小开孔隙率、和闭孔隙率。

孔隙率愈大，岩石力学性能越差。

水理性：岩石与水相互作用时所表现的性质。

包括岩石的吸水性、透水性、软化性和抗冻性。

岩石强度：岩石在各种载荷作用下达到破坏时所能承受的最大应力。

单轴抗压强度：岩石在单轴压缩载荷作用下达到破坏前所能承受的最大压应力。

岩石破坏形式：x状共轭斜面剪切破坏。

这种破坏形式是最常见的破坏形式；单斜面剪切破坏。

这两种破坏都是由于破坏面上的剪应力超过极限引起的。

拉伸破坏：横向拉应力超过岩石抗拉极限引起的。

流变破坏：岩石的三轴抗压强度：岩石在三向荷载作用下，达到破坏时所能承受的最大压应力。

莫尔强度包络线：同一种岩石对应各种应力状态下破坏莫尔应力圆外公切线。

直线型、抛物线型、双曲线型。

点载荷试验：试验所获得的强度指标值可以用做岩石分级的一个指标。

点载荷实验装置是便携式的，可带到岩土工程现场去做实验。

点载荷试验对试件的要求不严格。

缺点是要根据经验公式进行换算。

抗拉强度：岩石在单轴拉伸荷载作用下达到破坏时所能承受的最大拉应力。

拉伸试验分为直接试验和间接试验两类。

间接试验著名的有劈裂试验。

抗拉强度一般为抗压强度的1/4到1/25平均为1/10。

岩石的变形：岩石在外力或其他物理因素作用下发生形状或体积的变化。

弹性、塑性、粘性、脆性、延性。

扩容：岩石在载荷作用下，在其破坏之前产生的一种明显的非弹性体积变形。

各向异性：岩石的全部或部分物理、力学性质随方向不同而表现出差异的现象。

弹性模量：应力与应变的比率。

泊松比：岩石的横向应变与纵向应变的比值。

泊松比将随应力的增大而增大，直到0.5停止。

滞回效应：卸载曲线不走加载曲线的路线滞回曲线：在反复作用下岩石的荷载－变形曲线记忆性：岩石在荷载超过上一次循环的最大荷载以后，变形曲线仍沿着原来的单调加载曲线上升，好像不曾受到反复加载的影响似的，这种现象称为岩石的记忆性。

塑形滞回环：加载曲线与卸载曲线所形成的环。

水楔作用：当两个矿物颗粒靠的很近，有水分子补充到矿物表面时，矿物颗粒利用其表面吸着力将水分子拉到自己周围，在两个颗粒接触处由于吸着力作用使水分子向两个矿物颗粒之间的缝隙内挤入的现象结构面：不同成因、不同特性的地质界面的统称。

原生结构面、构造结构面、次生结构面、整合面、不整合面、层理、劈理、节理、断层、结构体：被各种结构面切割而成的岩石块体。

岩体结构：不同类型的岩体结构单元在掩体内的组合、排列形式称为岩体结构。

岩体结构单元：结构体和结构面。

裂隙度：沿取样线方向单位长度上的节理数量。

切割度：岩体被节理割裂分离的程度。

结构面的力学性质：法相变形、剪切变形、抗剪强度。

为什么岩体的力学性质和岩石不同是因为结构面的存在。

水力学性质：岩石的渗流特性及在渗流作用下所表现出的力学性质。

质量指标（RQD）：长度在10cm（含10cm）以上的岩芯累计长度占钻孔总长的百分比。

地应力方法：直接测量法扁千斤顶法、刚性包体应力计法、水压致裂法、声发射法。

间接测量法：全应力解除法、局部应力解除法、孔径变形法、孔底应变法、孔壁应变法、空心包体应变法、实心包体应变法。

流变：材料的应力-应变关系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。

包括蠕变、松弛、弹性后效。

弹性后效：材料在弹性范围内受某一不变载荷作用，其弹性变形随时间缓缓增长的现象岩石强度理论：研究岩石在各种应力状态下的强度准则的理论。

表征岩石在极限应力状态下的应力状态和岩石强度参数之间的关系数值分析常用方法：有限元法、边界元法、有限差分法、加权余量法、离散元法、刚体元法、不连续变形分析法、流形方真三轴：真三轴加载试件为立方体，1为主应力，23为侧向压力，六个面均受摩擦力，对实验结果影响很大。

伪三轴加载试件为圆柱体；轴向压力1的加载方式和单轴压缩试验时相同，但由于有了侧向压力，其加载时的端部效应比单轴加载时要轻微的多。

侧向压力23相同，侧向压力均匀的施加到试件中。

刚性试验机：由于传统试验机的刚度不够大，在试验过程中试件受压，试验机受拉，试验机产生的弹性变形以应变能的形式存在机器中，当施加的压缩应力超过岩石抗压强度后，试件破坏，机架迅速回弹，以便回到其原始位置，并将其内部贮存的应变能释放到岩石试件中，从而使试件急剧破裂和崩解。

而刚性试验机提高了自身刚度，机架变形小，就不会引起试件的突发性破坏。

采用液压伺服系统，伺服系统有一个反馈信号系统，它检查当前施加的载荷是否事先确定的变形速度，否则它会自动调整施加载荷，以保持变形素的的恒定。

地下水对岩体的物理作用：1.润滑作用，使岩体的摩擦角减小；软化和泥化作用，使岩体的力学性能降低，内聚力和摩擦角值减小。

主要表现在对岩体结构面中充填物的物理性状的改变上，岩体结构中充填物随含水量的变化，发生由固态向塑态直至液化的弱化效应；结合水的强化作用，处于非饱和带的岩体中的有效应力大于岩体的总应力，强化了岩石的力学性能。

有限元步骤：确定计算模型，根据对称性、材料性质和所关心部位的边界尺寸等确定计算模型；划分单元；选择位移函数；建立单元刚度矩阵，并进行坐标转换；形成总体刚度矩阵；载荷等效移置，确定节点力列阵；列出有限元基本方程，并根据已知位移对方程进行修正；求解总体方程，可获得节点位移；利用几何关系和物理方程计算单元的应变和应力；绘制计算结果图，以便直观了解分析结果，给出定量的评价。

维护岩石地下工程稳定的基本原则：合理利用和充分发挥岩体强度；改善围岩应力条件；合理支护；强调监测和信息反馈。

地应力的组成地应力是存在于地层的未受扰动的天然应力。

构造应力场和重力应力场是主要组成还有比如：大陆板块边界受压引起的应力场；地幔热对流引起的应力场；由地心引力的应力场；岩浆侵入引起的应力场；地温梯度引起的应力场；地表剥蚀产生的应力场。

基本规律：1地应力是一个具有相对稳定性的非稳定应力场，它是时间和空间的函数；2实测垂直应力基本等于上覆岩层的重量；3水平应力普通大于垂直应力；4平均水平与垂直应力的比值随深度增加而减小；5最大水平主应力和最小水平主应力也随深度呈线性增长关系；6最大水平主应力和最小水平主应力之值一般相差较大，显示出很强的方向性；7还受地形、地表剥蚀、风化、岩体结构特征，岩体力学性质、温度，地下水等因素的影响，特别是地形和断层的扰动影响最大。

影响岩石力学性质的因素？影响岩石力学性质的因素有试件尺寸、试件形状、试件三维比例、湿度、水、温度、风化程度、加载速率、围压大小、各向异性等。

试件尺寸增大，岩石强度值降低。

宽高比大的试件比宽高比小的试件所测得强度指标值要高。

湿度大的岩石强度值会降低。

1.水。

水对岩石力学性质影响主要体现在以下五个方面：1）连结作用。

束缚在矿物表面的水分子通过其表吸引力作用将矿物颗粒拉近，接紧，起连结作用；2）润滑作用。

导致颗粒间连洁力减弱，摩擦力减低，水起到润滑剂的作用；3）水楔作用。

一是使岩石体积膨胀，二是水胶连结代替胶体及可熔盐连结，产生润滑作用，岩石强度降低；4）孔隙压力作用。

减小了颗粒间的压应力，降低了岩石的抗剪强度；5）溶蚀及潜蚀作用。

渗透水流动时溶解可溶物，并带走小颗粒，使岩石强度大大降低6）冻融胀缩作用；2.温度。

每增加100米温度升高3度，随着温度的增高，岩石的延性加大，屈服点降低，强度也降低；3.加载速度。

加载速率越快，测得的弹性模量愈大获得的强度指标值建议加载速率为0.5到1MPa/s加载时间为5到10分钟；4.围压。

随着受力状态的改变，其脆性与塑性是可以相互转化的；5.风化。

1岩石风化降低岩石结构面的粗糙程度并产生新的裂隙，分裂岩体；2风化过程中使矿物成分发生变化；3并使岩石的物理力学性质也随之发生改变，大大恶化了岩石的力学性质。

全应力-应变曲线应用：.全面显示岩石在受压破坏过程中的应力、应变特征，特别是破坏后的强度与力学性质变化规律；1.预测岩爆。

如图，以峰值强度C为界，可以分为左右两部分。

左半部分面积（A）表示达到峰值强度时试件内部积累的应变能，右半部分面积（B）如图，表示从从破裂到整个破坏消耗的能量。

若A>B，说明岩石破坏后还剩余一部分能量，这部分能量突然释放就会发生岩爆。

若A单轴压缩条件下岩石变性特征1）孔隙裂隙压密阶段（OA段）试件中原有张开性结构面或微裂隙逐渐闭合，岩石压密，形成早期的非线性变形，曲线呈上凹型。

2）弹性变形至微弹性裂隙稳定发展阶段（AC段）该阶段应力-应变曲线呈近似直线型，其中AB段为弹性变形阶段，BC段微破裂稳定发展阶段。

3）非稳定皮破坏阶段（CD）C点是岩石从弹性变为塑性的转折点。

称为屈服点。

进入本阶段，微裂隙的发展发生了质的变化，破裂不断发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迅速增大。

4）破裂后阶段（D点以后段）岩块承载力达到峰值强度后，其内部结构遭到破坏，但时间基本保持整体状。

到本阶段，裂隙快速发展，交叉且相互联合形成宏观断裂面，试件承载力随变形增大迅速下降，但并不降到零，说明破烈的岩石仍具有一定的承载力。

地下水对岩体的影响1）地下水对岩体的物理作用：润滑作用、软化和泥化作用、结合水的强化作用。

2）地下水对岩体的化学作用：水和岩体之间的离子交换、溶解作用、水化作用、水解作用、溶蚀作用、氧化还原作用、沉淀作用以及超渗透作用。

3）地下水对岩体的力学作用：主要通过空隙静水压力和空隙动水压力作用对岩土体的力学性质施加影响，前者减小岩土体的有效应力而降低岩土体的强度，在裂隙岩体中的空隙静水压力可使裂隙产生扩容变形；后者对岩土体产生切向的推力以降低岩土体的抗剪强度。