岩石力学第3章之三
合集下载
第3章 岩石力学强度
二、岩石的抗压强度
3、岩石强度的影响因素 物理性质
孔隙率大，强度低； 密度大，强度高。
风化作用
风化对强度影响大，同一种岩石的风化程度越高，其强度越低。
水的作用
水对岩石强度有显著的影响。水对岩石的软化作用对工程极为不利， 特别是水利工程，水库蓄水后，水侵入岩石的孔隙和裂隙，削弱了岩 石颗粒间的连接，使强度降低。 用软化系数表示： Rw S Rw—湿强度；Rd—干强度。 Rd
0
σ σ σ
/ //
///
σ
////
σ
(MPa)
tg f ——摩擦系数。
如将残余强度 τ0 与 σ作直线，可得纯摩强度曲线，。
0 tg
四、 岩石的抗剪强度
2）楔形剪切试验 ①试样：10×10×5cm～30×30×30cm ②方法：用楔形剪切仪，将试样倾斜放在 剪切仪上,在上部加压力p，直至发生破坏。 按力的平衡条件： N P cos P f sin
四、 岩石的抗剪强度
2、抗剪强度的测定
对同一种试样，在不同的
σ下进行多次试验，即可
得到相应的抗剪强度， 绘制曲线τf ~σ ，在σ 不大时(＜10MPa)，为 一直线， 则： c tg
f
τ f(MPa)
τ f~σ
τ τ τ τ
φ///////σ Nhomakorabeaτ 0~
τfσ ~
//
/
此式即为库伦公式， c—凝聚力(MPa)；υ—内摩擦角；
α 2
α 3
α 4
α 5
φ
α
σ
四、 岩石的抗剪强度
2、抗剪强度的测定
3) 三轴压缩试验 三轴压缩试验采用压力机进行。 在岩体工程中，岩体一般处在三向应力状态下，引 用单向受力条件的岩石试验来研究岩石变形、强度 特征是不够的，必须用三轴试验研究岩石在三相受 力条件下的变形及破坏规律。 按应力的组合方式，三轴试验可分为两种：
第3章岩石结构面、力学性质岩体力学
nˆ =(sinαsinβ , sinαcosβ , conα )
岩石力学
3.3.1.2 结构面的连续性 结构面的连续性又称为结构面的延展性或贯通性，常用
迹长、线连续性系数和面连续性系数表示。 （1）迹长 结构面与勘测面交线的长度，称为迹长。 国际岩石力学学会(ISRM，1978年) 制订的分级标准(见
3.2.2 岩体结构的类型
在《岩土工程勘察规范（GB 50021-2001）》中，将岩体 结构划分为5大类（见下表）。
岩石力学
岩体结 构
类型 整体状
结构
块状结 构
层状结 构
岩体地质 类型
巨块状 岩浆岩和 变质岩
厚层状 沉积岩， 块状岩浆 岩和变质 岩 多韵律 薄层、中 厚层状沉 积岩，副
结构体 形状
岩石力学
3.1 概述
工程涉及的实际岩体与实验室内测试的岩石试件的力学 性能有着很大的差别，引起这种差别的主要因素有：
（1）岩体的非连续性； （2）岩体的非均质性； （3）岩体的各向异性； （4）岩体的含水性等。 其中最关键的因素是岩体的非连续性。
岩石力学
结构面（亦称弱面）：岩体内存在的各种地质界面，
巨块状
块状 柱状
层状 板状
结构面发育情况
以层面和原生、 构造节理为主， 多呈闭合型，间 距大于1.5m，一 般为1~2组，无 危险结构
有少量贯穿性节 理裂隙，结构面 间距0.7~1.5m， 一般为2~3组， 有少量分离体
有层理、片理、 节理，常有层间 错动
岩土工程特 征
岩体稳定， 可视为均质 弹性各项同 性体
岩石力学
当试件沿结构面发生剪切破坏时，作用在结构面上的应力有：
T A
P cos
岩石力学
3.3.1.2 结构面的连续性 结构面的连续性又称为结构面的延展性或贯通性，常用
迹长、线连续性系数和面连续性系数表示。 （1）迹长 结构面与勘测面交线的长度，称为迹长。 国际岩石力学学会(ISRM，1978年) 制订的分级标准(见
3.2.2 岩体结构的类型
在《岩土工程勘察规范（GB 50021-2001）》中，将岩体 结构划分为5大类（见下表）。
岩石力学
岩体结 构
类型 整体状
结构
块状结 构
层状结 构
岩体地质 类型
巨块状 岩浆岩和 变质岩
厚层状 沉积岩， 块状岩浆 岩和变质 岩 多韵律 薄层、中 厚层状沉 积岩，副
结构体 形状
岩石力学
3.1 概述
工程涉及的实际岩体与实验室内测试的岩石试件的力学 性能有着很大的差别，引起这种差别的主要因素有：
（1）岩体的非连续性； （2）岩体的非均质性； （3）岩体的各向异性； （4）岩体的含水性等。 其中最关键的因素是岩体的非连续性。
岩石力学
结构面（亦称弱面）：岩体内存在的各种地质界面，
巨块状
块状 柱状
层状 板状
结构面发育情况
以层面和原生、 构造节理为主， 多呈闭合型，间 距大于1.5m，一 般为1~2组，无 危险结构
有少量贯穿性节 理裂隙，结构面 间距0.7~1.5m， 一般为2~3组， 有少量分离体
有层理、片理、 节理，常有层间 错动
岩土工程特 征
岩体稳定， 可视为均质 弹性各项同 性体
岩石力学
当试件沿结构面发生剪切破坏时，作用在结构面上的应力有：
T A
P cos
岩石力学基础教程 作者 侯公羽 第3章 岩石的基本力学性质
2019/1/27
《岩石力学》
8
3.1 岩石的强度性质
3.1.3 岩石的抗剪强度
岩块抵抗剪切破坏的最大剪应力，称为抗剪强度 (shear strength)。岩块的抗剪强度是由内聚力和内 摩擦阻力两部分组成的。当岩石某一截面上的剪应力 大于上述两者的和时，岩石沿该截面产生剪切破坏。 岩石抗剪强度可通过直剪试验和变角板剪切试
2019/1/27
《岩石力学》
7
3.1 岩石的强度性质
3.1.2 岩石的抗拉强度
岩石试件在单向拉伸时能承受的最大拉应力，称 为单轴抗拉强度(uniaxial tensile strength)，简 称抗拉强度 具体测试方法为： 1．直接拉伸法 2．抗弯法 3．劈裂法(巴西法) 4．点荷载法
2019/1/27
《岩石力学》
2
3.1 岩石的强度性质
岩石介质破坏时所能承受的极限应力称为岩石强 度。岩石的破坏形式如下： ① 拉伸破坏：图 3.1(a)为直接拉坏的情况；图 3.1(b) 为劈裂破坏； ② 剪切破坏：截面剪应力达到某一极限值时，岩石在 此截面被剪断，如图3.1(c)所示； ③ 塑性流动：岩石在剪应力作用下产生塑性变形，其 线应变达到10%时就算塑性破坏，如图3.1(d)所示
2019/1/27
《岩石力学》
15
3.2 岩石的变形性质
3.2.1 岩石在单轴压缩状态下的应力-应变曲线
岩石的典型应力-应变全过程曲线
2019/1/27
《岩石力学》
16
3.2 岩石的变形性质
3.2.2 反复加载与卸载条件下岩石的变形特性
对于弹塑性岩石，在反复多次加载与卸载循环时，所 得的应力-应变曲线具有以下特点： （1）卸载应力水平一定时，每次循环中的塑性应变增量逐 渐减小，加、卸载循环次数足够多后，塑性应变增量将趋于零 。因此，可以认为所经历的加、卸载循环次数愈多，岩石则愈 接近弹性变形，如下图所示。 （2）加卸载循环次数足够多时，卸载曲线与其后一次再加 载曲线之间所形成的滞回环的面积将愈变愈小，且愈靠拢而又 愈趋于平行，如下图所示。这表明加、卸载曲线的斜率愈接近 。 （3）如果多次反复加载、卸载循环，每次施加的最大荷载 比前一次循环的最大荷载要大，则可得所示的曲线。
《岩石力学》
8
3.1 岩石的强度性质
3.1.3 岩石的抗剪强度
岩块抵抗剪切破坏的最大剪应力，称为抗剪强度 (shear strength)。岩块的抗剪强度是由内聚力和内 摩擦阻力两部分组成的。当岩石某一截面上的剪应力 大于上述两者的和时，岩石沿该截面产生剪切破坏。 岩石抗剪强度可通过直剪试验和变角板剪切试
2019/1/27
《岩石力学》
7
3.1 岩石的强度性质
3.1.2 岩石的抗拉强度
岩石试件在单向拉伸时能承受的最大拉应力，称 为单轴抗拉强度(uniaxial tensile strength)，简 称抗拉强度 具体测试方法为： 1．直接拉伸法 2．抗弯法 3．劈裂法(巴西法) 4．点荷载法
2019/1/27
《岩石力学》
2
3.1 岩石的强度性质
岩石介质破坏时所能承受的极限应力称为岩石强 度。岩石的破坏形式如下： ① 拉伸破坏：图 3.1(a)为直接拉坏的情况；图 3.1(b) 为劈裂破坏； ② 剪切破坏：截面剪应力达到某一极限值时，岩石在 此截面被剪断，如图3.1(c)所示； ③ 塑性流动：岩石在剪应力作用下产生塑性变形，其 线应变达到10%时就算塑性破坏，如图3.1(d)所示
2019/1/27
《岩石力学》
15
3.2 岩石的变形性质
3.2.1 岩石在单轴压缩状态下的应力-应变曲线
岩石的典型应力-应变全过程曲线
2019/1/27
《岩石力学》
16
3.2 岩石的变形性质
3.2.2 反复加载与卸载条件下岩石的变形特性
对于弹塑性岩石，在反复多次加载与卸载循环时，所 得的应力-应变曲线具有以下特点： （1）卸载应力水平一定时，每次循环中的塑性应变增量逐 渐减小，加、卸载循环次数足够多后，塑性应变增量将趋于零 。因此，可以认为所经历的加、卸载循环次数愈多，岩石则愈 接近弹性变形，如下图所示。 （2）加卸载循环次数足够多时，卸载曲线与其后一次再加 载曲线之间所形成的滞回环的面积将愈变愈小，且愈靠拢而又 愈趋于平行，如下图所示。这表明加、卸载曲线的斜率愈接近 。 （3）如果多次反复加载、卸载循环，每次施加的最大荷载 比前一次循环的最大荷载要大，则可得所示的曲线。
岩石力学第三章：岩石的力学特性及强度准则
常 见 岩 石 的 软 化 系 数
岩 石 名 称
花 岗 岩 闪 长 岩 辉 绿 岩 流 纹 岩
软化系数
0.72～0.97 0.60～0.80 0.33～0.90 0.75～0.95
岩石名称
泥 岩
软化系数
0.40～0.60 0.44～0.54 0.70～0.94 0.75～0.97
泥 灰 岩 石 灰 岩 片 麻岩
岩石名称
抗压强度 (MPa)
100～250
抗拉强 度 (MPa)
7～25
岩石名称
抗压强度 (MPa)
5～100
抗拉强度 (MPa)
2～10
常 见 岩 石 的 抗 压 及 抗 拉 强 度
花岗岩
页 岩
流纹岩
160～300
12～30
粘土岩
2～15
0.3～1
闪长岩
120～280
12～30
石灰岩
40～250
7～20
安山岩
140～300
10～20
白云岩
80～250
15～25
辉长岩
160～300
12～35
板 岩
60～200
7～20
辉绿岩
150～350
15～35
片 岩
10～100
1～10
玄武岩 砾岩 砂 岩
150～300 10～150 20～250
10～30 2～15 4～25
片麻岩 石英岩 大理岩
50～200 150～350 100～250
（二）岩石的水理性质
5．可溶性：是指岩石被水溶解的性能。它与岩石 的矿物成分、水中CO2 含量及水的温度等因素有 关。 6．膨胀性：岩石吸水后体积增大引起岩石结构破 坏的性能称膨胀性。
《岩石力学》课件(完整版)-第三章岩石动力学基础
能量吸收是指岩石在冲 击或振动载荷作用下吸 收能量的能力，与岩石 的破碎和变形有关。
疲劳是指岩石在循环载 荷作用下发生损伤和破 坏的现象，对地下工程 和边坡工程的稳定性有 重要影响。
03
岩石动力学的基本理论
弹性力学基础
01
弹性力学基本概念
弹性力学是研究弹性物体在外力作用下的应力、应变和位移的学科。它
理论分析方法。这些方法可用于求解各种复杂弹性力学问题。
塑性力学基础
塑性力学基本概念
塑性力学是研究塑性物体在外力作用下的应力、应变和位移的学科。塑性物体在达到屈服 点后会发生不可逆的变形，其应力-应变关系不再满足胡克定律。
塑性力学的基本方程
包括屈服准则、流动法则、增量理论和边界条件等。这些方程描述了塑性物体内部的应力 、应变和位移之间的关系，以及物体与周围介质之间的相互作用。
有限元法是一种将连续介质离 散化为有限个小的单元体，并 对每个单元体进行力学分析的 方法。
有限元法是一种将连续介质离 散化为有限个小的单元体，并 对每个单元体进行力学分析的 方法。
有限元法是一种将连续介质离 散化为有限个小的单元体，并 对每个单元体进行力学分析的 方法。
离散元法
离散元法是一种将连续介质离散化为一系列刚性或弹性 单元体的方法。
数据分析
对实验获取的大量数据进行处理和分 析，提取岩石的动力学特性，如阻尼 比、质量放大系数等。
结果解释
根据实验结果，解释岩石在动态载荷 作用下的破坏机制和演化过程，为工 程设计和安全评估提供依据。
实验研究的挑战与展望
挑战
岩石动力学实验技术难度大，需要克服实验条件苛刻、测量精度要求高等问题。 同时，岩石材料的非线性、各向异性等特性也给实验结果分析带来困难。
《岩石力学》全书复习资料
第一章 绪论1、岩石力学定义:岩石力学是研究岩石的力学性质的一门理论与应用科学；它是力学的一个分支；它探讨岩石对其周围物理环境中力场的反应。
2、岩石力学研究的目的：科学、合理、安全地维护井巷的稳定性，降低维护成本，减少支护事故。
3、岩石力学的发展历史与概况： （1）初始阶段（19世纪末—20世纪初）1912年，海姆（A.Hmeim ）提出了静水压力理论：金尼克（A.H.ΠHHHHK ）的侧压理论： 朗金（W.J.M.Rankine ）的侧压理论： （2）经验理论阶段（ 20世纪初—20世纪30年代）普罗托吉雅克诺夫—普氏理论：顶板围岩冒落的自然平衡拱理论； 太沙基：塌落拱理论。
4、地下工程的特点：（1）岩石在组构和力学性质上与其他材料不同，如岩石具有节理和塑性段的扩容（剪胀）现象等； （2）地下工程是先受力（原岩应力），后挖洞（开巷）； （3）深埋巷道属于无限域问题，影响圈内自重可以忽略； （4）大部分较长巷道可作为平面应变问题处理；（5）围岩与支护相互作用，共同决定着围岩的变形及支护所受的荷载与位移； （6）地下工程结构容许超负荷时具有可缩性； （7）地下工程结构在一定条件下出现围岩抗力； （8）几何不稳定结构在地下可以是稳定的； 5、影响岩石力学性质和物理性质的三个重要因素矿物：地壳中具有一定化学成分和物理性质的自然元素和化合物； 结构：组成岩石的物质成分、颗粒大小和形状以及相互结合的情况； 构造：组成成分的空间分布及其相互间排列关系；第二章 岩石力学的地质学基础 1、岩石硬度通常采用摩氏硬度，选十种矿物为标准，最软是一度，最硬十度。
这十种矿物由软到硬依次为：l-滑石； 2-石膏；3-方解石；Hγ1νλν=-H λγH λγ4-萤石；5-磷灰石；6-正长石；7-石英；8-黄玉； 9-刚玉；10-金刚石；2、解理：是指矿物受打击后，能沿一定方向裂开成光滑平面的性质，裂开的光滑平面称为解理面。
岩体的力学特性(上)_岩石力学
变 质 结 构 面
1片理 2片岩软弱夹层
产状与岩层或 构造方向一致
片理短小，分 布极密，片岩 软弱夹层延展 较远，具固定 层次
结构面光滑平直， 片理在岩层深部往 往闭合成隐蔽结构 面，片岩软弱夹层 具片状矿物，呈鳞 片状
在变质较浅的沉积岩，如 千枚岩等路堑边坡常见塌 方。片岩夹层有时对工程 及地下洞体稳定也有影 响
Mar , 2007
34
第3章 岩体的力学特性
岩浆结构面
Mar , 2007
35
第3章 岩体的力学特性
断裂面
Mar , 2007
36
第3章 岩体的力学特性
层面
Mar , 2007
37
第3章 岩体的力学特性
层间错动面
Mar , 2007
38
第3章 岩体的力学特性
风化裂隙是由风化作用在地壳的表部形成的裂隙。
28
Mar , 2007
第3章 岩体的力学特性
成 因 类 型
主 地质类型 产 状
1节理（剪节 理、张节理） 2断层（正断 层、逆断层、平 移断层） 3层间错动 4羽状裂隙、劈 理
要
特
征 工程地质评价 性 质
张性断裂不平整，常 具次生充填，呈锯齿 状，剪切断裂较平 直，具羽状裂隙，压 性断层具多种构造 岩，成带状分布，往 往含断层泥、糜棱岩
岩 浆 结 构 面
1侵入体与围岩 接触面 2岩脉岩墙接触 面 3原生冷凝节 理
岩脉受构造结 构面控制，而 原生节理受岩 体接触面控 制
接触面延伸较 远，比较稳 定，而原生节 理往往短小密 集
与围岩接触面可具 熔合及破碎两种不 同的特征，原生节 理一般为张裂面， 较粗糙不平
《岩石力学》课件(完整版)-第三章岩石动力学基础
第三十二页，共42页。
第三十三页，共42页。
单向压缩 环向压缩
均匀压缩
第三十四页，共42页。
2.压应力愈大波速愈大
从图中可以看出，随着压力的增大，纵波的波速亦随 之增大。纵波增加的波速，在开始阶段较快，然后逐 渐变小，最后可能不增加。
3.对于层面发育的沉积岩石，当垂直于层面加 载时，在低应力阶段波速急速随应力增长而 增加，
与压应力相同方向 上的纵波波速，在 低应力阶段波速急 速增长，达到一定
程度后增速减缓
第三十八页，共42页。
与压应力垂直 方向上的纵波 波速，随应力 增长而减小（ 波传动方向上 受拉应力）
第三十九页，共42页。
（二）现场量测的结果
在某工程中，测定 了巷道两帮的应力 变化对声波波速的影 响可以推断松动圈的 范围。工程测点布置 如图3－16
岩石在受到扰动时在岩体中主要传播的是弹性波，塑性
波和冲击波只有在振源才可以看到。
第二页，共42页。
• 3.在固体中可传播的弹性波可分为两类
• （1）体波：由岩体内部传播的波(2类）
•
（a）纵波（又称：初至波、Primary波）
• 质点振动的方向和传播方向一致的波
• 它产生压缩或拉伸变形。
• （b）横波（又称次到波、Second波)
• 质点振动方向和传播方向垂直的波
• 产生剪切变形。
• （2）面波：仅在岩石表面传播。
•
质点运动的轨迹为一椭圆，其长轴垂直
•
于表面，这样的面波又称为瑞利波。
•
面波速度小于体波，但传播距离大。
第三页，共42页。
• 按波面形状，应力波又区分为平面波、球面波和和柱面波。 • 波面上介质的质点具有相同的速度、加速度、位移、应力和变形。
第三十三页，共42页。
单向压缩 环向压缩
均匀压缩
第三十四页，共42页。
2.压应力愈大波速愈大
从图中可以看出，随着压力的增大，纵波的波速亦随 之增大。纵波增加的波速，在开始阶段较快，然后逐 渐变小，最后可能不增加。
3.对于层面发育的沉积岩石，当垂直于层面加 载时，在低应力阶段波速急速随应力增长而 增加，
与压应力相同方向 上的纵波波速，在 低应力阶段波速急 速增长，达到一定
程度后增速减缓
第三十八页，共42页。
与压应力垂直 方向上的纵波 波速，随应力 增长而减小（ 波传动方向上 受拉应力）
第三十九页，共42页。
（二）现场量测的结果
在某工程中，测定 了巷道两帮的应力 变化对声波波速的影 响可以推断松动圈的 范围。工程测点布置 如图3－16
岩石在受到扰动时在岩体中主要传播的是弹性波，塑性
波和冲击波只有在振源才可以看到。
第二页，共42页。
• 3.在固体中可传播的弹性波可分为两类
• （1）体波：由岩体内部传播的波(2类）
•
（a）纵波（又称：初至波、Primary波）
• 质点振动的方向和传播方向一致的波
• 它产生压缩或拉伸变形。
• （b）横波（又称次到波、Second波)
• 质点振动方向和传播方向垂直的波
• 产生剪切变形。
• （2）面波：仅在岩石表面传播。
•
质点运动的轨迹为一椭圆，其长轴垂直
•
于表面，这样的面波又称为瑞利波。
•
面波速度小于体波，但传播距离大。
第三页，共42页。
• 按波面形状，应力波又区分为平面波、球面波和和柱面波。 • 波面上介质的质点具有相同的速度、加速度、位移、应力和变形。
岩石力学第3章 岩石的强度与屈服
12
7)Kim-Lade准则 1984年，Kim和Lade提出了用应力张量的第一、第 三不变量表示的三参数经验强度准则：
8)Johnston准则 1985年，Johnston提出了下述强度准则，用以描述 由粘土到坚硬岩石等不同岩石材料的破坏特征。即
13
9)变形准则 一般来说，岩石的宏观破坏现象可分为两类：即拉 断（拉破）和剪断。但有时岩石的塑性变形也能够破坏 其正常的工作条件，所以广义强度的概念还应该包括对 塑性变形的抗力。
38
39
40
图3.13 弱面的莫尔-库仑破坏准则
41
42
图3.14 以一般应力分量表示的弱面破坏准则
43
44
图3.15 多组弱面时的强度极限曲线
45
(2)弱面最不利的位置
46
图3.16 岩体及弱面强度曲线
47
48
49
图3.17
50
3.4.3 各向异性体的屈服准则 Hill提出了金属材料各向异性的屈服准则。他所提出 的各向异性屈服条件，除了应符合试验资料外，略去各 向异性，应该还原成各向同性的屈服函数。Hill建议的 正交异性体的屈服函数以应力分量表示（正交异性主轴 与坐标轴重合），其屈服函数的形式如下：
11
5)Hoek-Brown准则 1980年，Hoek和Brown为了能够预测岩体特征，而 提出岩体强度经验准则：
6)Yudhbir准则 1983年Yudhbir用灰岩、砂岩、花岗岩及由石膏和 松香混合制成的模拟材料等含有裂隙的122个样品进行 了三轴实验，试图通过试验数据，对不同的经验准则进 行比较，结果发现尽管Hoek和Brown准则对易碎岩石十 分有效，但对塑性岩石却存在一定局限性。因此， Yudhbir提出了一个修正准则：
7)Kim-Lade准则 1984年，Kim和Lade提出了用应力张量的第一、第 三不变量表示的三参数经验强度准则：
8)Johnston准则 1985年，Johnston提出了下述强度准则，用以描述 由粘土到坚硬岩石等不同岩石材料的破坏特征。即
13
9)变形准则 一般来说，岩石的宏观破坏现象可分为两类：即拉 断（拉破）和剪断。但有时岩石的塑性变形也能够破坏 其正常的工作条件，所以广义强度的概念还应该包括对 塑性变形的抗力。
38
39
40
图3.13 弱面的莫尔-库仑破坏准则
41
42
图3.14 以一般应力分量表示的弱面破坏准则
43
44
图3.15 多组弱面时的强度极限曲线
45
(2)弱面最不利的位置
46
图3.16 岩体及弱面强度曲线
47
48
49
图3.17
50
3.4.3 各向异性体的屈服准则 Hill提出了金属材料各向异性的屈服准则。他所提出 的各向异性屈服条件，除了应符合试验资料外，略去各 向异性，应该还原成各向同性的屈服函数。Hill建议的 正交异性体的屈服函数以应力分量表示（正交异性主轴 与坐标轴重合），其屈服函数的形式如下：
11
5)Hoek-Brown准则 1980年，Hoek和Brown为了能够预测岩体特征，而 提出岩体强度经验准则：
6)Yudhbir准则 1983年Yudhbir用灰岩、砂岩、花岗岩及由石膏和 松香混合制成的模拟材料等含有裂隙的122个样品进行 了三轴实验，试图通过试验数据，对不同的经验准则进 行比较，结果发现尽管Hoek和Brown准则对易碎岩石十 分有效，但对塑性岩石却存在一定局限性。因此， Yudhbir提出了一个修正准则：
岩体力学第3章
(2)弹性变形阶段(AB段) 经过初期的孔隙裂隙压密，岩石强度性能暂时趋于稳定，压应力作 用下岩石发生弹性变形，σ-ε曲线几乎为直线，岩石变形随应力增加 而成比例增加，并在很大程度上表现为可恢复的弹性变形，B点对 应的应力可称为岩石试件的弹性极限。
(3)微弹性裂隙稳定发展阶段(BC段) 随着压应力的增大，试件内微破裂开始发生与发展，但施加的荷载 不变时，微破裂发生与发展暂时停止。
(4)非稳定破裂发展阶段(CD段)
该阶段压应力大于屈服极限，微破裂的发展发生本质变化，由于破 裂过程中所造成的应力集中效应显著，即使施加的荷载保持不变， 破裂仍不断发展，形成微破裂的汇聚与扩大，并在试件中的薄弱部 位首先发生破坏，应力重新分布，再次引起次薄弱部位的破坏，直 至试件完全破坏。
(5)破坏后阶段(DE段) 又叫峰值后阶段，岩石试件承载力达到峰值强度后，其内部结构 遭到破坏，但试件基本保持整体状，并仍具有一定的承载能力。
3.4.1 岩石三轴抗压强度 3.4.2 常规三轴试验条件下的岩石变形与强度 3.4.3 岩石在真三轴试验条件下的力学特征
3.4.1 岩石三轴抗压强度
图3-19 岩石三轴试验示意图 a)真三轴试验 b)常规三轴试验
3.4.1 岩石三轴抗压强度
图3-20 岩石三轴试验 压力室结构示意图
1—密封装置 2—岩石试件 3—侧压力 4—球型底座 5—进油口 6—出油口
3.1.4 岩石峰值后的变形特征
0307
3.1.4 岩石峰值后的变形特征
0308
3.2 岩石单轴拉伸条件下的力学特性
3.2.1 3.2.2 3.2.3 3.2.4
直接拉伸试验法 劈裂试验法 点载荷试验法 抗弯法试验
3.2.1 直接拉伸试验法
岩石力学课件第三章 地应力测量.ppt
11
岩石力学
二、地应力认识的历史
哈斯特地应力实测
20世纪50年代，哈斯特最先在斯堪的纳维 亚半岛开展了地应力测量工作。
哈斯特发现存在于地壳上部的最大水平主 应力一般为垂直应力的1～2倍，其至更多； 在某些地表处测得的最大水平应力高达7MPa， 从根本上动摇了地应力是静水压力的理论和 以垂直应力为主的观点。
12
岩石力学
三、地应力的成因
(1)、大陆板块边界受压引起的应力场
13
岩石力学
三、地应力的成因
(2)、地成因
地幔热对流（碰撞、俯冲、海岸）
15
岩石力学
三、地应力的成因
(3)、由地心引力引起的应力场 (4)、地温梯度引起的应力场
16
岩石力学
三、地应力的成因
1926年，苏联学者金尼克修正了海姆的静
水压力假设，认为地壳中各点的垂直应力
等于上覆岩层的重量，而侧向应力(水平应
力)是泊松效应的结果，其值应为γH乘以
一个修正系数λ（侧压力系数）。他根据
弹性力学理论，认为：
1
v
H , h
H
1
H
9
岩石力学
二、地应力认识的历史
朗金假设
朗金认为地壳中各点的垂直应力等于上覆
岩层的重量，而侧向应力(水平应力) 应为
γH乘以一个修正系数λ（侧压力系数）。
他根据松散介质理论，认为：
tg 2 ( )
42
v
H , h
H
tg2 (
4
)
2
H
10
岩石力学
二、地应力认识的历史
地质学家李四光
本世纪20年代，我国地质学家李四光指出， “在构造应力的作用仅影响地壳上层一定厚 度的情况下，水平应力分量的重要性远远超 过垂直应力分量” 。
《岩石力学》第三章 地应力及其测量
1. 地壳是静止不动的还是变动的？怎样理解岩体的自然平衡状态？答：地壳是变动的。
自然平衡状态是指：岩体中初始应力保持不变的状态。
2. 初始应力、二次应力和应力场的概念。
答：未受影响的应力称为初始应力工程开挖时，受工程开挖影响而形成的应力称为二次应力地应力是关于时间和空间的函数，可以用“场”的概念来描述，称之为地应力场。
3. 何谓海姆假说和金尼克假说？答：海姆首次提出了地应力的概念，并假定地应力是一种静水应力状态，即地壳中任意一点的应力在各个方向上均相等，且等于单位面积上覆岩层的重量，即σℎ=σv=γH金尼克认为地壳中各点的垂直应力等于上覆岩层的重量，而侧向应力（水平应力）是泊松效应的结果，其值应为乘以一个修正系数K。
他根据弹性力学理论，认为这个系数等于μ1−μ，即σv=γH，σℎ=μ1−μγH4. 地应力是如何形成的？答：地应力的形成主要与地球的各种动力运动过程有关，其中包括：板块边界受压、地幔热对流、地球内应力、地心引力、地球旋转、岩浆侵入和地壳非均匀扩容等。
另外，温度不均、水压梯度、地表剥蚀或其他物理化学变化等也可引起相应的应力场。
5. 什么是岩体的构造应力？构造应力是怎样产生的？土中有无构造应力？为什么？答：岩体中由于地质构造运动引起的应力称为构造应力。
关于构造应力的形成有两种观点：地质力学观点认为是地球自转速度变比的结果；大地构造学说则认为是出于地球冷却收缩、扩张、脉动、对流等引起的，如板块边界作用力。
土中没有构造应力，由于土本身是各向同性介质，不存在地质构造。
6. 试述自重应力场与构造应力场的区别和特点。
答：由地心引力引起的应力场称为重力应力场，重力应力场是各种应力场中惟一能够计算的应力场。
地壳中任一点的自重应力等于单位面积的上覆岩层的重量，即σG=γH。
重力应力为垂直方向应力，它是地壳中所有各点垂直应力的主要组成部分，但是垂直应力一般并不完全等于自重应力，因为板块移动，岩浆对流和侵入，岩体非均匀扩容、温度不均和水压梯度均会引起垂直方向应力变化。
岩石力学性质试验
2Ea C
（3-3）
双向压缩应力条件下（见图3-2），在不考虑摩擦对闭 合裂纹的影响并假定椭圆形裂纹将从最大拉应力集中点开 始扩展，裂纹扩展准则为：
2 （1 - 3） ＝81 （1 +3 3 >0） 1 3
（3-4）
3 1
（1 +3 3 0）
（3-5）
Hohai University
Hohai University
第一节 岩石单轴压缩变形试验
岩石具有与金属类弹性材料不同的独特的变形特 性，这种变形特性用变形模量、弹性模量和泊松比等 参数表示。
常见岩石的变形模量和泊松比见表3-1。 岩块变形参数主要采用岩块单轴压缩变形试验方 法取得。岩石应力—应变全过程曲线（见图3-3，图 3-4）是研究本构模型的依据，需要在刚性伺服试验 机上进行试验获得。 Hohai University
Hohai University
岩石单轴压缩试验受多因素的影响：（1）加载速 率；（2）试件尺寸（高径比，规定2：1）（见表32）等。 Hohai University
Hohai University
第二节 岩石单轴抗压强度试验
岩石单轴抗压强度是岩石试件在无侧 限条件下受轴向作用破坏时单位面积 所承受的载荷。 某些岩石的干抗压强度、饱和抗压强度及软化系 数见表3-3。
1、岩石试件的防油处理； 2、加载速率的选择；
3、侧压力的侧压力的效应；
Hohai University
第四节 岩石抗拉强度试验
岩石抗拉强度是指岩石试件在外力作用下抵抗拉 应力的能力，为岩石试件拉伸破坏时的极限载荷与受 拉截面积的比值。 岩石抗拉强度的试验方法很多，分为轴向拉伸法、 劈裂法、弯曲试验法和圆柱体或球体的径向压裂法等。 其中劈裂法，由于操作简单且用而被广泛采用。图37为劈裂破坏形式，其抗拉强度按式（3-8）计算。
岩石力学第三章
劈理示意图
2015/10/30
（3）次生结构面——岩体在外营力（ 卸荷、风化、地下水
等）作用下形成的结构面
风化裂隙
作用于原有结构面
形成新裂隙
一般仅限于地表风化带内，常沿原生结构面及构造结构面发育，使其性质进一步恶化。 新生成的风化裂隙，延伸短，方向紊乱，连续性差，降低了岩体的强度和变形模量。
卸荷裂隙
性结构面等。
锯齿型：
●它的变形、破坏取决于的条件基本与波浪型相同。 ●它包括张性、张剪性结构面，具有交错层理和龟裂纹的层面及裂隙面发育的次生
结构面和沉积间断面等。
台阶型 ：
●这类结构面的起伏角为90°，多数是因层间错动后经断层而成。 ●它的变形、破坏取决于岩石的力学性质等。
●它包括地堑、地垒式构造等。 2015/10/30
本身的塑性破坏。
2015/10/30
（二）结构面的形态特征
结构面在三维空间展布的几何属性称结构面的形态，是地质营力 作用下地质体发生变形和破坏遗留下来的 产物。
结构面的几何形态，可归纳为下列 四种：
（1）平直型； （2）波浪型； （3）锯齿型； （4）台阶型。
a—平直型；b—波浪型；c—锯齿型； d—台阶型
●增大状况与起伏角和岩石性质有关。 ●起伏角（
i ）愈大，结构面的抗剪强度也愈大。
另外，起伏角的大小也可以表示出前述结构面的三种 几何形态：
i=0°时，结构面为平直型的； ● i=10°～20°时，结构面为波浪型； ● i更大时，结构面变为锯齿型。
●
2015/10/30
粗糙度
第二级凹凸度即粗糙度，反映面上普遍微量的凹凸不平状态。
表面剥蚀，人工开挖
引起重力和构造应力的释放或调整，使得岩体向自由空间膨胀而产生的平行于地表面 的张裂隙。 其产状与临空面近于平行，具张性特征。如在河谷斜坡上见到的顺坡向裂隙及谷底的 近水平裂隙等，其发育深度一般达基岩以下5～10m，局部可达十余米，受断层影响 大的部位则更深，对边坡危害很大。
第三章 岩石的力学性质及其影响因素
(∆t − 2∆t ) ν= 2(∆t − ∆t )
2 s 2 s 2 c 2 c
岩石的波动特性 一、固体中应力波的种类 定义：所谓波， 1. 定义：所谓波，就是某种扰动或某种运动参数 或状态参数（例如应力、变形、震动、温度、 或状态参数（例如应力、变形、震动、温度、 电磁场强度等）的变化在介质中的传播。应力 电磁场强度等）的变化在介质中的传播。 波就是应力在固体介质中的传播。 波就是应力在固体介质中的传播。 分类：(4类 2. 分类：(4类） • 弹性波: 在应力应变关系服从虎克定律的介质 弹性波: 中传播的波。 中传播的波。
criterion )，为进一步研究分析提供一定模式与依据。 )，为进一步研究分析提供一定模式与依据。 要研究这些复杂因素对岩石力学性质的影响， 要研究这些复杂因素对岩石力学性质的影响，只能在 实验室内严格控制某些因素的情况下进行。 实验室内严格控制某些因素的情况下进行。然后将所得结 果应用到实践中去验证，修正，直到与实际相符。 果应用到实践中去验证，修正，直到与实际相符。
第一节岩石力学实验与岩石力学参数第二节围压对岩石力学性质的影响第三节温度对岩石力学性质的影响第四节孔隙孔隙压力对岩石力学性质的影响第五节应变率对岩石力学性质的影响第三章岩石的力学性质及其影响因素岩石力学性质主要是指岩石的变形deformation影响岩石力学性质的因素很多例如岩石的类型组构围压confiningpressure温度应变率含水量载荷时间以及载荷性质等等
图3－4
贴应变片
图3－5 贴应变片的操作程序 －
图3－6 应力应变曲线 －
三、实验结果分析
Miller对28类岩石进行岩石力学性质实验结果 类岩石进行岩石力学性质实验结果， 据R. P. Miller对28类岩石进行岩石力学性质实验结果， 将单轴压缩下应力一应变曲线概括地划分成如图 3-1 所示的 六种类型。 六种类型。 第一种类型为弹性变形（ 第一种类型为弹性变形（elastic deformation ），由加 载直至破坏， 应力一应变曲线 （ stress-strain diagram ） 载直至破坏 ， 应力一应变曲线（ stress近似线性特征，例如玄武岩、石英岩、辉绿岩、 近似线性特征，例如玄武岩、石英岩、辉绿岩、白云岩和坚硬 的石灰岩等。 的石灰岩等。 第二种类型为弹一塑性变形， 第二种类型为弹一塑性变形，应力一应变曲线在接近破坏 载荷时出现连续的非弹性变形。例如软弱的石灰岩、 载荷时出现连续的非弹性变形。例如软弱的石灰岩、粉砂岩和 凝灰岩等。 凝灰岩等。
岩石力学基础教程 第2版 第3章 岩石的时间效应与流变性质
与时间无关： 刚体；
与时间有关： 弹性体 塑性体 粘性体
2023/9/13
《岩石力学》
10
3.2.1 理想物体的本构模型
0
2023/9/13
《岩石力学》
11
3.2.2 组合模型 H-StV体
应力-应变关系
，
S
k
，
S
此时，流变特性同弹性元件 此时，流变特性同塑性元件
H-StV体力学模型
粘性流动——即蠕变一段时间后卸载，部分应变永久不恢复 的现象；
2023/9/13
《岩石力学》
4
3.1.1 蠕变
蠕变的三阶段和三水平
2023/9/13
《岩石力学》
5
说明
I阶段—初期蠕变；II阶段—稳定蠕变；III阶段—加速蠕变；
应力水平越高，蠕变变形越大；
长时强度起重要作用
应力水平低于长时强度，岩石不破裂，蠕变过程只包含 前两个阶段；
应力水平高于长时强度，则经过或长或短的时间，最终 必将导致岩石破裂；
蠕变三水平和三阶段，是金属、岩石和其他材料的通性，非 岩石特有。
2023/9/13
《岩石力学》
6
蠕变试验
特点：
岩石蠕变性质全凭试验建立； 要求或短或长的时间保持应力恒定； 日本一蠕变试验已进行了几十年，至今仍在继续； 蠕变试验至今没有定型设备。
宾汉姆体(表7.4)：应力松弛不降为零，而是降至 s 。
2023/9/13
《岩石力学》
17
流变模型小结
名词 (线)粘弹——只含元件H、N的各类模型； (线) 粘弹塑——含元件H、N、C的各类模型；
应用 线粘弹模型的本构方程与平衡方程、几何方程及特定工程 的边界条件联合求解，即可获得该工程的粘弹性应力解与 位移解。这些方程是一组微分方程。
与时间有关： 弹性体 塑性体 粘性体
2023/9/13
《岩石力学》
10
3.2.1 理想物体的本构模型
0
2023/9/13
《岩石力学》
11
3.2.2 组合模型 H-StV体
应力-应变关系
，
S
k
，
S
此时，流变特性同弹性元件 此时，流变特性同塑性元件
H-StV体力学模型
粘性流动——即蠕变一段时间后卸载，部分应变永久不恢复 的现象；
2023/9/13
《岩石力学》
4
3.1.1 蠕变
蠕变的三阶段和三水平
2023/9/13
《岩石力学》
5
说明
I阶段—初期蠕变；II阶段—稳定蠕变；III阶段—加速蠕变；
应力水平越高，蠕变变形越大；
长时强度起重要作用
应力水平低于长时强度，岩石不破裂，蠕变过程只包含 前两个阶段；
应力水平高于长时强度，则经过或长或短的时间，最终 必将导致岩石破裂；
蠕变三水平和三阶段，是金属、岩石和其他材料的通性，非 岩石特有。
2023/9/13
《岩石力学》
6
蠕变试验
特点：
岩石蠕变性质全凭试验建立； 要求或短或长的时间保持应力恒定； 日本一蠕变试验已进行了几十年，至今仍在继续； 蠕变试验至今没有定型设备。
宾汉姆体(表7.4)：应力松弛不降为零，而是降至 s 。
2023/9/13
《岩石力学》
17
流变模型小结
名词 (线)粘弹——只含元件H、N的各类模型； (线) 粘弹塑——含元件H、N、C的各类模型；
应用 线粘弹模型的本构方程与平衡方程、几何方程及特定工程 的边界条件联合求解，即可获得该工程的粘弹性应力解与 位移解。这些方程是一组微分方程。
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
多节理的力学效应 （叠加）
两组以上的节理同样处理，不过岩体总 是沿一组最有利破坏的节理首先破坏。
σ1与 β的关系曲线
两组节理力学模型
二、结构面的粗糙程度对岩体强度的影响：
齿接触摩擦包括:
（1）规则
（2）不规则
具有充填物的软弱结构面包括泥化夹层 和各种类型的夹泥层，其形成多与水的 作用和各类滑错作用有关。这类结构面 的力学性质常与充填物的物质成分、结 构及充填程度和厚度等因素密切相关。 见下图。
f c j tg j
岩体强度包括:抗压、抗拉、抗剪强度。 岩体抗拉一般不研究，不允许岩体中有拉 应力出现。 因此主要讨论岩体的抗压强度和抗剪强度。 岩体破坏本质一般是剪切破坏（也有张拉 破坏）。 一、节理岩体强度分析
结构面的强度条件 f c j tg j
当节理稳定或处于极限平衡时：
内摩擦角、内聚力与充 填厚度的关系曲线
内摩擦角随充填度增大 而减小
充填物强度与颗粒粗细 的关系
不同夹层物质成分的结构面抗剪强度 夹层成分抗剪强度系数摩擦系数 (f)粘聚力 C(kPa)泥化夹层和夹泥层0.15～0.255～20碎 屑 夹 泥 层 0.3 ～ 0.420 ～ 40 碎 屑 夹 层 0.5 ～ 0.60 ～ 100 含 铁 锰 质 角 砾 碎 屑 夹 层 0.6 ～ 0.8530～150
0 s
0
e
2、结构面对岩体强度的影响分析 实际上岩体强度在很大程度上取决于结构 面的强度，结构面的性质对裂隙岩体具有 控制作用： 1）结构面方位对岩体强度的影响
若沿结构面破坏，应满足下列条件：
则有， 由上式可知： （1）岩体的强度(σ1-σ3)随结构面倾角β的变 化而变化，见图。
若运用强度包络线理论，结构面包络线及 岩块包络线分别表达如下，岩体破坏不仅 要考虑岩块的稳定性还需要重点了解结构 面的稳定情况，此时需要重点探讨结构面 的产状情况。
图解法，利用正玄定理 (见图）
由图可见，当β1<β<β2时，岩体沿弱面滑动破 45 坏，而且当 时，岩体的强度最低，单 2 轴压力强度等于σs1时，岩体就破坏，弱面的 抗剪强度为τs1。如果β增大或减小，岩体的 强度都提高。当β1>β或β >β2时，岩体就 不沿弱面破坏，而沿新产生的裂面破坏，这个 新产生的裂面和主应力夹角为 45 2 这时岩体的单轴强度提高。
2）经验估计法 岩体强度参数的确定费时费用高，一般工 程运用室内试验及地质资料对岩体强度做 估算。 准岩体强度： 实际工程中常运用弹性波来确定岩体内部裂 隙的发育程度，并运用完整系数确定岩石 强度。
1、节理与岩石的抗剪强度线无关系； 2、沿节理破坏必需满足与莫尔圆交点为其 节理方向，且该点的正压力与剪应力刚 好达到节理的强度； 3、一般情况下直线与莫尔圆相割。 例题：
例： 假设洞室边墙处的节理面倾角=500。如图， 内摩擦角=400，粘结力C=0，即无粘结力， 由实测知道洞室处平均垂直应力， 试计算岩石锚杆在边墙处应提 供多大水平应力时才能维持边墙的平衡？
（2）当β→φj或β→90°时，岩体不可能沿结构面 破坏，而只能产生剪断岩体破坏。只有当β1≤β≤β2 时，岩体才能沿结构面破坏。β1和β2
（3）当β=45°＋φj/2时，岩体强度取得最低值， 为： （4）岩体的三轴强度为： 当σ3=0，可得岩体的单轴强度为：
随着结构面产状的改变，岩体的破坏方式有：沿 结构面的滑动（试件a），部分穿切岩石材料， 部分沿结构面滑动（试件b），结构面张开 （试件d）和产生新的张裂隙面而破坏（试件c） 等。 因此，对同一岩体，如果不分析结构面的产状与 工程力方向的关系对破坏机制的影响，而采用 同一破坏准则来处理问题，必然导致错误的结
3）结构面内充水对岩体强度的影响
3.岩体强度的确定方法 1）试验确定方法 (1)岩体单轴抗压强度的测定 (2)岩体抗剪强度的测定 (3)岩体三轴压缩强度试验 2）经验估算法
1）试验确定 确定岩体强度的试验是指在现场原位切 割大尺寸试件进行试验，为保持岩体原有 的力学条件，试块附近不能进行爆破，仅 能使用轻型破岩设备。 岩体单轴抗压强度 通过适当的加载保护措施将荷载均匀施加 于岩体表面，再根据破坏时千斤顶的最大 荷载及试样的受载面积确定计算单轴强度。
第三节 岩体的强度
1、节理岩体强度分析 2、结构面对岩体强度的影响 3、岩体强度的确定方法
3.3 岩体的强度
1、节理岩体强度分析 岩体由结构面和岩块组成，其强度必然 受到岩块和结构面强度及其组合方式的控 制；一般情况下岩体强度既不同于岩块强 度，也不同于结构面强度。 带有节理的岩体在破坏时有可能沿岩块 内部破坏，也可能沿节理破坏，在节理较 多且分布条件下，多数会沿节理破坏。 无论岩体沿节理破坏还是岩块内部破坏 均符合摩尔—库仑理论：
f c j tg j
莫尔园上的点坐标：
1 3
2
1 3
2
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
cos 2 1 cos 2 3 sin 2
1 1 3 sin 2 2
整理得： f c j tg j
1 cos sin( j ) 3 sin cos( j ) c j cos j 0