岩石力学9章讲解
完整版重庆大学岩石力学总结
重庆大学岩石力学总结第一章1岩石中存在一些如矿物解理，微裂隙，粒间空隙，晶格缺陷，晶格边界等内部缺陷，统称微结构面。
2岩石的基本构成是由组成岩石的物质成分和结构两大方面来决定。
3岩石的结构是指岩石中矿物颗粒相互之间的关系，包括颗粒的大小，形状，排列，结构连接特点及岩石中的微结构面。
其中以结构连接和岩石中的微结构面对岩石工程性质影响最大。
4岩石中结构连接的类型主要有两种：结晶连接，胶结连接。
5岩石中的微结构面是指存在于矿物颗粒内部或矿物颗粒及矿物集合体之间微小的弱面及空隙。
它包括矿物的解理，晶格缺陷，晶粒边界，粒间空隙，微裂隙等。
6矿物的解理面指矿物晶体或晶粒受力后沿一定结晶方向分裂成的光滑平面。
7岩石的物理性质是指由岩石固有的物质组成和结构特征所决定的比重，容重，孔隙率，岩石的密度等基本属性。
8岩石的孔隙率是指岩石孔隙的体积与岩石总体积的比值。
9岩石的水理性：岩石与水相互作用时所表现的性质称为岩石的水理性。
包括岩石的吸水性，透水性，软化性和抗冻性。
10 岩石的天然含水率wm wm w表示岩石中水的质量，岩石的烘干质量m rdm rd11 岩石在一定条件下吸收水分的性能称为岩石的吸水性。
它取决于岩石孔隙的数量，大小，开闭程度和分布情况。
表征岩石吸水性的指标有吸水率，饱和吸水率和饱水系数。
岩石吸水率w am o m dr.m dr为岩石烘干质量，m o为岩石浸m dr水48 小时后的总质量。
12岩石的饱水率是岩石在强制状态下（高压，真空或煮沸）岩石吸入水的质量与岩石烘干质量的比值。
13岩石的透水性：岩石能被水透过的性能。
可用渗透系数衡量。
主要取决于岩石孔隙的大小，方向及相互连通情况。
q x k dh A K 为岩石的渗透系数，h 为dx水头的高度，Ａ为垂直于Ｘ方向的截面面积，qx 为沿Ｘ方向水的流量。
透水性物理意义：是介质对某种特定流体的渗透能力，渗透系数的大小取决于岩石的物理特性和结构特征。
14岩石在反复冻融后强度降低的主要原因：１构成岩石的各种矿物的膨胀系数不同，当温度变化时，由于矿物的胀缩不均而导致岩石结构的破坏。
【构造地质学】第9章 褶皱的成因分析
• 褶皱主波长与褶皱层厚度d成正比、与强硬层和 软弱层的粘度比的立方根成正比，厚度、粘度 比越大，褶皱的波长就越大。
当强硬层与介质的能干性差大时，形成肠状褶皱。 当强硬层与介质的能干性差小时，形成尖圆褶皱。
不同能干性差 的褶皱形态
褶皱层厚度变大， 波长和波幅变小， 褶皱越不明显。
横弯褶皱作用
第二节
横弯褶皱作用
岩层受到与层理面 垂直的应力作用而 发生的弯曲。
横弯褶皱的基本特征
作用力方向垂直于层面；
岩层总体处于拉伸状态，一般 不存在中和面；
褶皱型式为顶薄褶皱（IA）； 层面间物质流动：顶薄，翼厚；
层间从属褶皱为反向牵引褶皱， 判断方向：背离转折端方向。
• 底劈构造：是一种特殊褶皱， 是地下低粘度易流动物质因浮 力自下而上刺穿上覆岩层，引 起上覆岩层上拱的构造。底劈 构造是一种盐丘构造、储油构 造，具有重要的经济价值。
• 原始层理（S0）只作为标志面，不起任何控 制作用，由于差异剪切而产生被动弯曲；
• 变形每一点都是平面应变；
• 剪切面平行于褶皱轴面；
• 典型的相似褶皱，顶厚翼薄；
• 形成于深层次高级变质岩系或高韧性岩系 （如含盐岩层）或大型韧性剪切带中。
• 成因上兼具弯滑和剪切作用 两种特征；
• 形成于岩性均一的脆性薄层 岩层或面理化岩层中，如板 岩、片岩等 ；
第九章 褶皱的成因分析
• 褶皱的形成经历漫长、复杂的变 形过程, 它们的形成与内在和外 在因素有关; 褶皱的形成方式与 受力状态、变形环境以及岩层岩 石力学性质有着密切的关系。
• 在不同条件和环境下, 褶皱的类 型、形态、样式是不同的。根据 褶皱的形成条件、褶皱类型及形 态，可将褶皱的形成机制分为： 纵弯褶皱作用、横弯褶皱作用、 剪切褶皱作用、柔流褶皱作用。
精品课程《岩石力学》ppt课件(全)
具体而言，研究岩石在荷载作用下的应力、变形和破坏 规律以及工程稳定性等问题。
上述定义是把“岩石”看成固体力学中的一种材料，然而
岩石材料不同于一般的人工制造的固体材料，它是
一种典型的“连续介质”，具有复杂的地质构造和赋
存条件的天然地质体。
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11
三、岩石力学理论的发展简史
1. 初始阶段(19世纪末~20世纪初)
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8
（2）60年代初意大利Vajont大坝水库高边坡的崩溃 意大利Vajont拱坝，坝高262m，
于1959年建成，是当时世界上 最高的拱坝。1963年10月9日 夜，由于大坝上游山体突然滑 坡，约2.5亿立方的山体瞬时涌 入水库，涌浪摧毁上游及下游 一个小镇与邻近几个村庄，造 成约2500人死亡，整个灾害的 持续时间仅仅5分钟。
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3
一、引言
1. 人类活动与岩石工程（Rock Engineering）
岩石圈是人类赖以生存的主要载体，人类的大部分活动都 是在岩石圈上进行的：
远古
约4700年前 公元1600年
19世纪
石器，穴居 金字塔（146.5m) 火药采矿 铁路隧道技术
20世纪 大型水电工程
岩基、边坡，地下 洞室，隧道工程等
普罗托吉雅柯诺夫提出的自然平衡拱学说，即普氏理论．
围岩开挖后自然塌落成抛物线拱形，作用在支架上的压力等于 冒落拱内岩石的重量，仅是上覆岩石重量的一部分．
太沙基(K．Terzahi)理论 围岩塌落成矩形，而不是抛物线型．
优点与缺点
上述理论在一定历史时期和一定条件下还是发挥了一定作用的， 但是围岩的塌落并不是形成围岩压力的惟一来源，也不是所有 的地下空间都存在塌落拱．围岩和支护之间并不完全是荷载和 结构的关系问题，在很多情况下围岩和支护形成一个共同承载 系统，而且维持岩石工程的稳定最根本的还是要发挥围岩的作 用．
《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。
岩石力学与工程课后习题与思考解答
岩石力学与工程课后习题与思考解答(总19页)-CAL-FENGHAI.-(YICAI)-Company One1-CAL-本页仅作为文档封面，使用请直接删除第一章岩石物理力学性质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。
7.岩石破坏有几种形式？对各种破坏的原因作出解释。
答：岩石在单轴压缩载荷作用下，破坏形式包含三种：X状共轭面剪切破坏、单斜面剪切破坏和拉伸破坏。
前两类破坏形式主要是因为轴向主应力因起破坏面的剪应力超过岩石最大剪应力而导致的破坏；后一类破坏主要是因为轴向主应力引起破坏面横向拉应力超过岩石最大拉应力而导致的破坏。
9.什么是全应力-应变曲线，为什么普通材料试验机得不出全应力-应变曲线？答：能全面反映岩石受压破坏过程中的应力、应变特征，特别是岩石破坏后的强度与力学性质变化规律的应力应变曲线就叫全应力-应变曲线。
普通试验机只能得出半程应力-应变曲线不能得出全应力-应变曲线的原因是由于试验机的刚性不足，在岩石压缩过程中，试件受压，试验机框架受拉，随着岩样不断被压缩，试验机发生的弹性变形以应变能形式存于机器中，当施加压力超过岩石抗压强度，试件破坏，此时，试验机迅速回弹，被存于试验机中的应变能瞬间释放到岩石试件中，引起岩石的激烈破坏和崩解，因而造成无法获得岩石在超过峰值破坏强度后受压的应力应变曲线。
10.如何根据全应力-应变曲线预测岩石的岩爆、流变和反复加、卸载作用下的破坏？答：（1）如下图示全应力应变曲线：左半部A的面积代表，达到峰值强度时，积累在试件内部的应变能，右半部B 代表试件从破裂到破坏所消耗的能量。
若A＞B，说明岩石破坏后尚余一部分能量，这部分能量突然释放就会产生岩爆，若A＜B，则说明应变能在破坏过程中全部消耗掉，因而不会产生岩爆。
第九章 岩石力学的数值模拟分析
Betti互等 定理
解方程组
边界上划分单元
同上
离散单元 法
牛顿运动 定律
显式差分
按结构弱面分布特 征划分单元
岩石中硬以上，低应力水平， 大变形，岩体沿弱面发生非连
续性破坏
非连续变 形法
数值流形 法
拉各朗日 元法
最小势能 原理
最小势能 原理
牛顿运动 定律
解方程组
按主要结构弱面实 际情况划分单元
解方程组 全区域划分单元
在上面4种并行机中，COW和MPP具有类似的地方， 实际上，当前MPP和COW之间的界限正在逐渐模 糊。例如IBM SP格比远优于MPP，系统扩 充方便，网络连接形式多种多样，所以COW是发 展可扩放并行计算的主流趋势。
并行算法及并行程序开发 并行算法是区别于串行算法的另外一大类型的算法，它是适合于 各种并行计算机上求解问题和处理数据的算法。并行程序开发是 对给定算法构造并行程序的活动，它要求算法设计者和计算机系 统的体系结构的设计者进行广泛的交互。
并行程序的设计不仅编程困难，而且调试和分析更加困难。目前， 并行程序设计在各方面都处于一个初级阶段，它不支持一个成熟、 稳定和通用的并行程序开发环境。并行开发环境指的是软件环境， 它对并行计算的影响比一般串行机要大得多。软件对计算性能的 影响的差别可达几个数量级。并行开发环境包括两部分内容：操 作系统、通信平台、编译和调试工具以及性能测试软件等。其中 最主要的是操作系统和通信平台。可以用于并行计算的操作系统 主要有Windows（NT或者2000）和Unix，其中与Unix内核基 本相同的自由软件Linux在并行计算中占优绝对的统治地位，而 比较流行的通信平台有P4、PVM、Express、PARMACS和MPI 等。
第9章 褶皱-成因分析
尖圆状褶皱，窗棂构造
能 干 性 相 差 小 协 调 褶 皱 能 干 性 相 差 大
压扁的平行褶皱 压扁不显示波长 相似褶皱 尖棱褶皱，顶厚褶皱 膝折褶皱，顶厚褶皱
思考题
褶皱与背形向形、背斜向斜的区别 对褶皱在正交剖面上的描述 对褶皱在平行枢纽方向上的描述 褶皱的位态分类和褶皱的形态分类 褶皱的组合型式有哪些
主要发育于岩性均一 的脆性薄层岩层或片 理化岩石中。 在有一定围岩限制的 条件下形成。
思考题
1、基本概念：纵弯褶皱作用、横弯褶皱作用、
剪切褶皱作用、柔流褶皱作用、膝折褶皱 作用、毕奥特主波长理论、接触应变带、 中和面褶皱作用、顺层褶皱作用。 2、简述纵弯褶皱的应变分布形式与小型构 造。 3、纵弯褶皱作用与横弯褶皱作用的主要区 别。
顺层剪切作用形 成的小构造
其 它 的 小 构 造
三、压扁作用对纵弯褶皱的影响
压扁作用伴随着褶皱作用，压扁作用与失稳弯曲存在互为 消长的关系。当韧性差小，平均韧性大时，压扁在前，并 延续到褶皱后期；反之，失稳弯曲在前。
四、纵弯褶皱中发育的劈理型式
纵弯褶皱作用常发育劈理，它们是褶皱的 伴生构造，也反映了褶皱层的应变型式。 Ramsay以两种典型现象为例，作了分析和 论证。 1、高韧性差 2、低韧性差
当 / 0 10时，形成肿缩式褶皱
多层岩层的褶皱发育机制：
强硬层与软弱层相间组成的 褶皱，其形态不仅与各层的 能干性有关，而且也取决于 相邻强硬层的互相影响的程 度。互相影响的程度又取决 于强硬层间的距离及褶皱层 的接触应变带的宽度。
接触应变带的概念：强硬层发生褶
皱时，其周围的软弱层发生不同的 构造反映，强硬层所能影响到的周 围软弱层的范围，叫接触应变带。 根据兰姆赛的研究，比较明显的接 触应变带的宽度，大约相当于强硬 层的一个初始主波长的大小。 在多层岩系中，各层褶皱的褶皱形 态与它们的接触应变带的影响范围 有关。
09《岩石力学》第九章 岩体力学在岩基工程中的应用PPT课件
式中 a圆形荷载面的半径
（9－3）
arctana
z
第二节 岩基上基础的沉降
岩基上基础的沉降主要是由于岩基内岩 层承载后出现的变形引起的。对于一般的 中小工程来说，沉降变形较小。但是，对 于重型结构或巨大结构来说，则产生较大 变形。岩基的变形有两方面的影响：
（1）在绝对位移或下沉量直接使基础 沉降，改变了原设计水准的要求；
Learning Is To Achieve A Certain Goal And Work Hard, Is A Process To Overcome Various Difficulties For A Goal
（2）因岩基变形各点不一，造成 了结构上各点间的相对位移。
•计算沉降的基本公式
计算基础的沉降可用弹性理论解法。对于
几何形状、材料性质和荷载分布都是不均
匀的基础，则用有限元法分析其沉降量是
比较准确的 。
按弹性理论求解各种基础的沉降，仍采用
布辛涅斯克的解来求。当半无限体表面上
被作用有一垂直的集中力P时，则在半无限
(a为边长)
可见，方形柔性基础底面中心的沉降量 s0为边角点沉降量的两倍。
8、柔性矩形基础平均沉降量 (承受中心载荷)
smb
p(1 E
2)
Km
（9－26）
式中：Km为基础平均沉降系数，见表9－1。
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第三节 岩基的承载能力
岩基的承载能力与岩基的系列破坏模式相 关，变形又与岩性、结构面的产状与分布 相关。
(9-33)
qf 0 .5 rb r N CcN qq N(9-34)
式中：Nr.Nc, Nq 称为承载 能力系数，均是 的函数，即：
Nr
t an
9第九章 褶皱的成因分析
岩浆侵入穿刺/ 底劈构造
当岩浆上升, 侵入围 岩, 使上覆岩层发生 拱曲时, 则可形成岩 浆底辟/穿刺。
横弯褶皱之二 —同沉积褶皱
同沉积褶皱－岩层边 沉积边形成褶皱。
同沉积褶皱特征： 1）两翼产状倾角平 缓，总体为开阔褶皱； 2）岩层厚度背斜顶 薄，翼部厚；向斜核 部厚度大； 3）背斜顶部沉积物 为浅水粗粒物质，向 斜中心变细； 4）伴随滑塌断层。
(6)在厚层韧性岩层(如泥岩)夹薄层强 硬岩层(如石英砂岩)组成的岩系受到侧向顺 层挤压尚未发生褶皱时, 岩系先整体平行主 压应力方向压缩, 垂直主压应力方向伸长使 厚度略增; 在持续挤压下, 韧性厚岩层继续 压缩,而其间的薄层强岩层则形成一系列小 褶皱以适应压缩; 随着整个岩系在纵弯褶皱 作用下形成大型主褶皱, 这时强硬薄岩层中 的小褶皱整体地也随主褶皱而弯曲, 这些小 褶皱在枢纽部位仍保持对称式(M型), 在两 翼则变为不对称褶皱(左翼为Z型, 右翼为S 型) 。这一理论较为圆满地解释了层间小褶 皱不仅发育于大褶皱翼部, 也发育在大褶皱 的枢纽部位这一现象。
(4) 在侧向挤压力 作用下, 软岩层发生 强烈层内流动, 可产 生线理、劈理(兼有 变质作用)等小构造;
如果软岩层中夹有 脆性的薄层, 还可形 成构造透镜体。
纵弯褶皱中发育的劈理型式
可形成正扇形劈理、反扇形劈理、 轴面劈理和劈理折射等。
褶皱中劈理与层理关系的应用实例
利用劈理与层理关系判 断正常地层和倒转地层；
第一节 纵弯褶皱作用
1.纵弯褶皱作用的概念:
原始水平状态的岩层, 在受到侧向的顺层挤压力的作 用后发生褶皱弯曲叫做纵弯褶皱作用。
2. 单层岩层的纵弯褶皱作用:
在结构均一的单层板状材料侧面画上几排小圆,侧向挤 压使板状材料褶皱弯曲, 其面的小圆有以下情况:
岩石的物理力学性质
第2章 岩石的物理力学性质§2.1 岩石的结构和构造岩石的物理力学性质除与其组成成分有关外，还取决于岩石的结构和构造。
岩石的结构是指矿物颗粒的形状、大小和联结方式所决定的结构特征，岩石的构造则是指各种不同结构的矿物集合体的各种分布和排列方式。
一般来说，岩石“结构”一词是针对构成岩石的微细粒子部分而言，而岩石“构造”是指较大的部分，“构造”比“结构”使用更广泛。
矿物颗粒间具有牢固的联结是岩石区别于土壤并使岩石具有一定强度的主要原因。
受风化作用或土壤化作用侵蚀的地壳表层岩石称为土壤。
岩石颗粒间联结分为结晶联结和胶结联结两类。
结晶联结是矿物颗粒通过结晶相互嵌合在一起，如岩浆岩、大部分变质岩和部分沉积岩具有这种联结。
它是通过共用原子或离子使不同晶粒紧密接触，故一般强度较高。
胶结联结是矿物颗粒通过胶结物联结在一起，这种联结的岩石的强度取决于胶结物成分和胶结类型。
岩石的矿物颗粒结合胶结物质有：硅质、铁质、钙质、泥质等。
一般来说，硅质胶结的岩石强度最高，铁质和钙质胶结的次之，泥质胶结的岩石强度最差，且抗水性差。
以风化程度划分，岩石又分为微风化、中等风化和强风化岩石。
在岩石力学中，根据岩石坚硬程度可分为坚硬岩、较硬岩、较软岩、软岩和极软岩。
§2.2 岩石的基本物理性质在研究和分析岩石受力后的力学表现时，必然要联系到岩石的某些物理性质指标，常用的岩石物理性质指标有容重、比重、孔隙率、吸水率、膨胀性、崩解性等。
2.2.1 容重和密度岩石单位体积(包括岩石中孔隙体积)的重量称为容重。
岩石容重的表达式为：VW =γ （2-1） 式中，γ——岩石容重（kN/m 3）；W ——岩样的重量（kN ）； V ——岩样的体积（m 3）。
根据岩石试样的含水情况不同，容重可分为干容重（d γ）、天然容重（γ）和饱和容重（sat γ），一般未说明含水状态时是指天然容重。
岩石的密度定义为岩石单位体积(包括岩石中孔隙体积)的质量，用ρ表示，单位一般为kg/m 3。
岩石力学知识要点
岩石力学知识要点第一章1、 岩石：经过地质作用而天然形成的（一种或多种）矿物集合体2、 岩体：在一定的地址条件下，含有诸如裂隙、节理、层理、断层等不连续结构面组成的现场岩石，它是一个复杂的地质体3、 岩石力学研究的基本内容：① 基本理论：岩体地应力、岩体强度、岩体变形、裂隙水力学 ② 材料试验：现场试验和室内试验③ 工程应用：边坡工程、地下洞室、坝基稳定 第二章1、岩石的裂隙连通率：岩裂隙面方向ba a n +=（a 为裂隙面长度，b 为岩桥长度）2、横管各向异性：同一层面内力学性质相同，而不同层面内力学性质有差异的性质3、岩石的物理性质指标：（1）孔隙率：岩石内空隙体积与总体积之比，%1001%100n s v ⨯-=⨯=）（VV VV（2）吸水率： ①自然吸水率：岩石在常温下浸水48小时后岩体内的含水量与岩石干重量的比值%100%100ss1a s1w a ⨯-=⨯=W W W W W W②饱和吸水率：岩样在强制状态下（真空、煮沸或高压下）岩样最大吸水量与岩石干重量的比值%100%sssa sa⨯-=W W W W ）（（3）软化系数：岩石试件的饱和抗压强度与干抗压强度的比值，用c η表示，干饱和）（）（c c cR R =η 4、岩石的渗透系数：受承压水作用的岩体，在节理裂隙等结构面上将产生渗流，其渗透性大小工程上一般用渗透系数k 表示（cm/s ）注意：k 不仅与岩体性质有关，还与岩体的应力状态有关，即拉压有关。
① 当外壁水压力大于内壁水压力时，水从外壁流向内壁，岩样受压1k ② 当内壁水压力大于外壁水压力时，水从内壁流向内壁，岩样受拉2k 一般来说2k >1k5、岩体质量指标RQD 值的概念：%100cm 10ll cm 10ii⨯>==∑钻孔总进尺）（钻孔总进尺后的长度扣除岩芯长度小于（修正岩芯采取率）RQD6、岩体分类应考虑的因素：岩块强度、RQD 值、节理间距、节理条件及地下水第三章1、岩石的三种破坏形式及特征？ ①脆性破坏：发生破坏时变形很小，明显声响，一般发生单轴或者是地围压坚硬岩石（岩爆） ②延性破坏（塑性破坏）：破坏时变形较大，有明显的“剪胀效应”，一般发生在较软弱岩石或者是高围压坚硬岩石③弱面剪切破坏：岩层中存在节理、裂隙、层理、软弱夹层等软弱结构面，岩层整体性受到破坏，在外荷载作用下当结构面上的剪应力大于该面上的强度时，岩体 发生沿弱面的剪切破坏2、岩石的抗剪断强度、抗剪强度的概念：①抗剪强度：岩石沿原生结构面或已被剪断的结构面剪切滑动时的“摩擦阻力” ②抗剪断强度：完整岩块、岩石被剪断时表现出的“抵抗剪切破坏”的强度3、岩石的单轴抗压、抗拉、抗剪强度的概念：①单轴抗压强度：岩石试件在单轴压力（无围压而轴向加压力）下抵抗破坏的极限能力或极限强度，数值上等于破坏时的最大压应力②抗拉强度：岩石的抗拉强度是指岩石试件在单向拉伸条件下试件达到破坏的极限值，它在数值上等于破坏时的最大拉应力。
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第二章
岩石的基本物理力学性质
岩石的基本物理力学性质是岩体最基本、最 重要的性质之一，也是岩石力学学科中研究最 早、最完善的内容之一。
第一节
基本物理性质
一、岩石的质量指标 （一）密度和比重 1、岩石的密度：单位体积内岩石的质量。 岩石含：固相、液相、气相。 三相比例不同而密度不同。
（1）天然密度：自然状态下，单位体积质量
动弹性模量与静弹性模量的比值 • 一般来说，岩体越坚硬越完整，则差 值越小，否则，差值就越大。 • 根据对比资料的统计，动弹性模量比 静弹性模量高百分之几至几十倍，如 图3－4所示。 • 从动弹性模量的数字来看，多集中 在 15103 50103 MPa 之间。
图 3-4
返回
第二节
影响岩体波速的因素 （5方面因素）
四、岩石的抗风化指标（3类） (1)软化系数（表示抗风化能力的指标）
Rcc——干燥单轴抗压强度、 Rcd——饱和单轴抗压强度； （ 1 ）越小，表示 岩石受水的影响越大。 (2)岩石耐崩解性指数 耐崩解性指数是通过对岩石试件进行烘干，浸水循 环试验所得的指标。试验时，将烘干的试块，约500g， 分成10份，放入带有筛孔的圆筒内，使圆筒在水槽中以 20r／s速度连续转10分钟，然后将留在圆筒内的石块取 出烘干称重。如此反复进行两次，按下式计算耐崩解性 I d 2 mr / ms % 指数： 试验前的试件烘干质量 mr ；残留在筒内的试件烘 干质量 ms
岩体赋存条件分析 物理
初始应力
结构面几 何特征
介质的模型化
计算
数学 经典解析法 正反 数值计算法 分析
分类确定岩体的质量等级 物理模拟 模拟试验 相似材料 经验判据
岩 体 工 程 设 计
材料力学第9章 强度理论
第一节 概述 在前面研究杆件基本变形的强度问题时，所用 的强度条件是以杆件横截面上的最大正应力，或最 大切应力为依据的，即
而材料的许用应力［σ］和［τ］是通过拉伸(压 缩)试验和剪切试验，测定出材料破坏时横截面上的 极限应力，然后除以适当的安全因数得到的。
1
解释材料破坏因素的一些假说是否正确，或适 用于什么情况．必须由实践来检验。实际上，也正 是在反复试验与实践的基础上，强度理论才逐步得 到发展并日趋完善。 下面介绍工程中关于各向同 性材料在常温、静载荷条件下几个常用的强度理论。
6
假设单向拉伸直到断裂时，仍可用胡克定律
由广义胡克定律，有
将式(b)、式(c)代入式(a)，该理论的脆性断裂 准则改写为
7
相应的强度条件为 最大伸长线应变理论也称为 第二强度理论。
8
二、关于屈服的强度理论 塑性破坏（plastic failure）一般是对塑性材料 而言的，破坏时，以出现屈服或产生显著的塑性变 形为标志。例如，低碳钢拉伸屈服时，出现与轴线 成45°的滑移线。这类破坏与最大切应力τmax、 畸变能密度有关。
12
于是屈服准则改写为
相应的强度条件为
13
对于梁来说，由于 三、第四强度理论的相当应力为
于是第
关于以上4个强度理论的应用，一般来说，如 铸铁、石料、混凝土、玻璃等脆性材料通常以脆断 方式破坏，宜选用第一和第二强度理论。如低碳钢、 铝、铜等塑性材料通常以屈服的方式失效，宜选用 第三和第四强度理论。
2
第二节 常用的强度理论 一、关于断裂的强度理论 脆性断裂（brittle fracture）一般是对脆性材 料而言，破坏时，材料没有明显的塑性变形，突然 断裂。例如，铸铁拉伸、扭转破坏。这类破坏与σ max（拉）、εmax（拉）有关。
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03
5.3边界元法
04
5.4有限差分法
05
5.5离散单元法
06
5.6位移反分析 法
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第5章岩石力学数 值分析方法
习题与思考题 参考文献
10
第6章岩石地下工程
第6章岩石地下工程
03
7.3边坡稳 定性分析
06
参考文献
12
第8章岩石地基工程
第8章岩石地 基工程
8.1概述
习题与思
01
考 题 06
8.2地基承 载力的确 02 定
8 . 5 水 工 05 构筑物的 岩石地基
04
8.4岩石路 基
03 8 . 3 建 筑 物岩石地 基
第8章岩 石地基工 程
参考文献
13
第9章岩石力学研究新进展
性
04
2.4结构面 的力学性质
2.3岩体
03
结构面及 其充填特
征
第2章岩体力学性 质
2.7岩体的水力学性质 2.8岩石质量评价及其分类 习题与思考题 参考文献
07
第3章地应力及其测量
第3章地应力及其 测量
3.1概论 3.2直接测量法 3.3间接测量法 习题与思考题 参考文献
08
第4章岩石本构关系与强度理论
6.1概述 6.3围岩压力与控制 6.5软岩工程
6.2岩石地下工程围岩 应力解析法分析
6.4岩石地下工程的监 测
习题与思考题
第6章岩 石地下工 程
参考文献
11
第7章岩石边坡工程
第7章岩石边坡工程
岩石力学-全部课件
1.3 岩石力学的研究方法
1.绪论
由于岩石力学是一门边缘交叉学科，研究的内容
广泛，对象复杂，这就决定了岩石力学研究方法 的多样性。
根据所采用的研究手段或所依据的基础理论所属
学科领域的不同，岩石力学的研究方法大概可 归纳为以下四种：
●工程地质研究方法；
●科学实验方法； ●数学力学分析方法； ●整体综合分析方法。
下诞生的：
●二战后，各国急于医治战争
创伤，大力发展经济建设； ●水电、矿山等能源、资源的 开发，导致工程规模越来越大； ●工程条件却越来越差，经常 发生滑坡、顶板冒落等严重 事故； ●迫使人们研究失事原因，开始 从岩石力学着手探索。 ●特别是两起震惊世界的特大工 程灾害， 给人们敲响了警钟， 从而催化了岩石力学的萌芽。
同时，第一次开展了水 压法测定隧洞围岩抗力 系数的大型现场试验和 抗剪强度现场试验。
19
1.4 岩石力学发展简况
1.绪论
起步阶段
（1958年～70年代初）
1958年10月成立三峡岩基专题研究组。
此期间我国开始具体建立机构和结合工程开发室内和
现场试验。
该阶段试验做得不少，但如何结合工程实际，认识还
12
1.4 岩石力学发展简况
国际方面： ●岩石力学形成背景 ●两大著名工程灾害 ●两个里程碑事件
●萨茨堡学派
1.绪论
国内方面： ●发展的四个阶段及其主要标志
13
1.4 岩石力学发展简况
一般认为，岩石力学作为一门
1.绪论
岩石力学形成背景
独立的学科存在， 大概在 上世纪50年代。
岩石力学是在这样的背景
绪论数值分析方法有限差分法有限差分法不确定性和系统分析法随机分析随机分析极限平衡法在边坡稳定性在边坡稳定性分析中常用数学力学分析方法11有限元法边界元法无界元法流形元法不连续变形分析法块体力学反演分析法等可靠度分析灵敏度分析趋势分析时间序列分析灰色系统理论等整体综合分析方法?就整个工程进行多种方法并以系统工程为基础的综合分析
岩石力学第9章 岩石的粘性、温度和膨胀特性
图9.7 不同温度下盐岩的蠕变曲线
18
(4）温度、湿度的影响 温度和湿度对岩石蠕变也有较大的影响。图9.7为人 造盐岩在围压=102MPa和不同温度下的蠕变曲线。由图 可见，随着温度的提高，岩石的总应变和等速阶段的应 变速率都明显增加了。另外试验研究表明，岩石的总应 变及蠕变速率随温度增加的幅度也不相同。
19
图9.8 雪花石膏在不同化学环境中的蠕变
20
图9.9 岩石在干、湿不同条件下的蠕变
21
(5）其他因素的影响 对于岩石蠕变性态的影响，还存在有多种其他的因 素，如颗粒几何形状、胶结物的特性、颗粒间相互作用、 颗粒相互咬合的程度、孔隙度、应变率等，对这些因素， 至今尚未进行过充分的研究。Heard(lg61)进行过温度从 25℃到500℃,所加围压5 000大气压条件下对岩石应变 率影响的研究，他们发现，对于低应变率的试验资料， 它遵循以下的方程
3
9.2.1 岩石的蠕变特性 从实验室蠕变试验获得的数据多使用应变-时间曲线 的形式来表达，岩石的蠕变曲线的形状随所施加的恒定 荷载的大小而异，如图9.1所示。一般可分为两种类型： 即稳定蠕变型和非稳定蠕变型。稳定蠕变型是岩石在较 小的恒定应力作用下，变形随时间增加到一定程度后就 趋于稳定，最后变形保持一个常数，不再随时间增大。 这种类型的蠕变，一般不会导致岩体的整体失稳。非稳 定蠕变型是岩石承受的恒定荷载比较大，当超过某一临 界值时，变形随时间的增加不仅不会保持常数，反而变 形速率逐渐增加，最终导致岩体的整体失稳破坏。
13
14
(3）围压的影响 Griggs(1936)对Solenhofen灰岩进行过围压对岩石 力学性态影响的观测，结果表明，岩石在高围压作用下 达到一定的应力差时发生蠕变。围压可以提高岩石破坏 的应力差，而且使岩石在破坏前可以发生相当大的变形， 如图9.6所示。
第9章边坡稳定性分析
第9章边坡稳定性分析学习指导：本章介绍了边坡的破坏类型，即：岩崩和岩滑；着重介绍了边坡稳定性分析与评价基本方法，包括圆弧法岩坡稳定分析、平面滑动法岩坡稳定分析、双平面滑动岩坡稳定分析、力多边形法岩坡稳定分析及近代理论计算法；介绍了岩坡处理的措施。
重点：1边坡的变形与破坏类型；2影响边坡稳定性的因素；3边坡稳定性分析与评价。
9.1 边坡的变形与破坏类型9.1.1 概述随着社会进步及经济发展，越来越多地在工程活动中涉及边坡工程问题，通过长期的工程实践，工程地质工作者已对边坡工程形成了比较完善的理论体系，并通过理论对人类工程活动，进行有效地指导。
近年来，随着环境保护意识的增加及国际减轻自然灾害十年来的开展，人类已认识到：边坡诞生不仅仅是其本身的历史发展，而是与人类活动密切相关；人类在进行生产建设的同时，必须顾及到边坡的环境效应，并且把人类的发展置于环境之中，因而相继开展了工程活动与地质环境相互作用研究领域，在这些领域中，边坡作为地质工程的分支之一，一直是人们研究的重点课题之一。
在水电、交通、采矿等诸多的领域，边坡工程都是整体工程不可分割的部分，为保证工程运行安全及节约经费，广大学者对边坡的演化规律、边坡稳定性及滑坡预测预报等进行了广泛研究。
然而，随着人类工程活动的规模扩大及经济建设的急剧发展，边坡工程中普遍出现了高陡边坡稳定性及大型灾害性滑坡预测问题。
在我国，目前的露天采矿的人工边坡已高达300—500m，而水电工程中遇到的天然边坡高度已达500—1000米，其中涉及的工程地质问题极为复杂，特别是在西南山区，边坡的变形、破坏极为普遍，滑坡灾害已成为一种常见的危害人民生命财产安全及工程正常运营的地质灾害。
因此，广大工程地质和岩石力学工作者对此问题进行了长期不懈的探索研究，取得了很大的进展；从初期的工程地质类比法、历史成因分析法等定性研究发展到极限平衡法、数值分析法等定量分析法，进而发展到系统分析法、可靠度方法灰色系统方法等不确定性方法，同时辅以物理模拟方法，并且诞生了工程地质力学理论、岩(土)体结构控制论等，这些无疑为边坡工程及滑坡预报研究奠定了坚实的基础，为人类工程建设做出了重大贡献。
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图9-6
裂缝几何形态
图9-7示意了一个砂岩层在上下均有一个页岩盖层。 图9-7c给出了各层地水平地应力大小。砂岩层与液岩层水 平应力差足以阻碍裂缝向页岩层扩展，结果形成椭圆形裂缝。 这种裂缝进一步扩展，由于缝壁受到向外的力会使缝宽变大。 这种约束并不是绝对的，它取决于岩石的强度和应力差的大小。 穿越不同层位的裂缝几何形状(fracture geometry )将更加复 杂。
closure pressure)。
图9-8 致密地层的压裂曲线
对于渗透性地层，由于流体渗入地层使得压力曲线的形状发 生了变化。如果我们忽略峰值压力，则曲线形状如图9-9所示。 曲线的前面两段为裂缝的扩展压力(fracture propagation pressure )，第一段近似恒定的压力表示裂缝( crack)的扩展没 有受到约束，而第二段表示受到了上下层的限制（如图9-7）。
Pf 1 ( z Pp )
Stephon法和Eaton法的区别在于Stephon法把构造应力 所产生的影响从地层泊松比中分离出来。这样就有可能在计 算时采用岩层的实际泊松比，而不象Eaton那样是靠破裂压 力(fracture pressure )反算出来的。 无论是Eaton法还是Stephon法都没有考虑井眼围岩的应 力集中。
3、协助二次采油 压裂对于二次采油的油田有两个重要作用：一是在一定压力 下提高注水井的吸水量；二是为生产井提供高流通能力的流通通 道，增大注气或注水效率。
4、排除油田盐水 油井大量产出盐水，严重限制了原油的生产。通过水力压 裂(hydraulic fracture )便可以在任何一个地方打出低压高 注入量得井，供回注盐水使用。 为了实现上述功能，采油中的水力压裂不仅关心形成裂缝 (crack)的初始条件，更关心裂缝的走向和几何形状。
t Pf Pr
当 地 层 存 在 大 量 微 裂 隙 时 ， 地 层 破 裂 压 力 (fracture pressure )并不比传播压力有明显升高。
二、地层破裂压力预测
通过漏失试验(leak-off test )只能确定套管鞋下某一段地层的 最小破裂压力值。但对整个井身剖面来说该使裂缝保持张开。通常用泵泵入砂粒或其他支
撑剂使裂缝张开，形成高渗透性的油流通道，如图9-2所示。
图9-2
被支撑的裂缝
3、利用水力压裂进行地应力现场测量 分析水力压裂 (hydraulic fracture ) 过程可获得许多地 层的力学信息，尤其是地应力 (in site stresses ) 的大小与 方向。
图9-9 渗透地层的压裂曲线
从这个例子可以看出曲线能够反映裂缝( crack)生长的形 式。如果停泵并关井，压力将逐渐下降，直到接近油藏的孔隙 压力。但是当裂缝闭合时，由于改变了流体的流型使压力下降 速率发生了变化。
第四节
微破裂试验 (mini-frac tests)
微破裂试验是一种注入少量流体的压裂试验。 这类试验的主要的目的是获取地层的破裂压力(fracture pressure )和原地应力状态信息。 试验所用流体的体积取决于被压裂的地层的类型，一般 小于1 m 3 。但是也有用到10 m 3 的情况。典型的流体是2%kcl 水溶液。为了减少流体的渗滤可向其中加些粘胶。压力有压力 传感器在井下测量。
h
。此时随着停泵时间的延长，泥浆
向裂缝两壁渗滤，液压下降。由于地应力的作用，裂缝将闭合。
（4）裂缝重张压力 Pr，瞬时停泵后启动注入泵，从而使闭 合的裂缝重新张开。由于张开闭合裂缝(crack)所需的压力Pr与 破裂压力(fracture pressure ) Pf相比不需要克服岩石抗拉强 度 (tensile strength ) ，因此可以近似认为破裂层抗拉强度 等于这两个压力的差。即：
3、黄荣樽法（1984） 在上世纪80年代，石油大学黄荣樽教授提出了新的预测地 层破裂压力(fracture pressure )的方法，其基本假设如下： （1）地层处于非均匀构造应力的作用之下； （2）井眼附近存在应力效应； （3）井壁破裂的原因是井壁应力超过岩层抗拉强度。
在上述假设条件下，考虑井眼的应力集中(borehole stress concentration )，得出直井的破裂压力(fracture pressure ) 表达式：
（3）瞬时停泵压力Ps
，当裂缝延伸到离开井壁应力集
中（ stress concentration ）区，即6倍井眼半径以远时 （估计以破裂点起约经历1分钟左右），进行瞬时停泵。记录
下停泵时瞬时停泵压力Ps（ instantaneous shut in
pressure ）。由于此时裂缝( crack)仍张开，应与最小地应 力值相平衡，即Ps =
下，地层破裂压力(fracture pressure )由小变大的规律。井下深部
发生井漏也是不罕见的。因此在钻井之前能够预测出地层破裂压力， 是实际工程的需要。 到目前为止，国内外在研究地层破裂压力(fracture pressure ) 的预测方法上已经提出过许多模式。由于他们所考虑的因素和假设地 条件不同，模式之间也存在较大的别差。 下面介绍几个有影响的方法。
1、 Eaton法（1969）
Eaton 法在美国海湾地区应用比较广泛。该方法的前提条件是： （1） 岩层处于均匀水平地应力状态 (horizontal in site
stress state )； （2）地下岩体充满节理、层理和微裂隙； （ 3 ）钻井液在压力作用下沿裂隙侵入，张开裂缝 ( crack) 只 需克服垂直裂缝面的地应力。
如下四种基本用途。
1、克服近井地带污阻
目前的钻井技术不可避免的造成近井地带的污染，它包括 钻井液的液相污染和固相污染，这些污染常使油气从地层流入 井内的能力大为减弱。 水力压裂(hydraulic fracture )可以改造污染带，提高其 渗透性，建立良好的油流通道。 水力压裂后的油气产量可增加几倍到几十倍。
在以上假设的前提条件下，Eaton得到破裂压力预测模式为：
Pf
1
( z Pp )
Eaton法适用于地层沉积较新，受构造影响小的连续 沉积盆地。而对于地层年代较老，构造运动影响大的区域，
其预测效果欠佳。
2、Stephtn法（1982）
Stephtn法的基本假设和 Eaton法一样，不同的是 Stephon认为地层中存在水平均匀构造应力。其表达式如下：
2、压开深远裂缝，提高井的产能 利用深穿透裂缝(crack)可以从一般油层中采出更多的石油， 使油井的控制面积增大。对于渗透性极低、能慢慢渗油的地层提 供大的泄油面积，从而最大限度油井的控制面积增大。使原来被 认为无开采价值的地区，现在也能进行有经济意义的开采。 同时，深穿透裂缝能够恢复并延长油井寿命。
三、水力压裂(hydraulic fracture )的作用
1、钻井(drilling)过程中的水力压裂 在钻井过程中，意想不到的水力压裂会导致井漏 (lost
circulation )，这是一个经常出现又很难对付的问题。严重
时会造成井眼失控而发生井下井喷(blowout )。
2、开发(oil production )过程中的水力压裂
图9-7 上下层对裂缝的限制
二、压裂过程中的压力变化
为了从压裂过程中获取地层的力学性质和原地应力状 态(in site stress state )等信息，应该正确的观察记录
压裂过程中压力的变化。最好在井下压裂附近测量压力，
这将消除沿程水力压耗的影响。
考 虑 致 密 ， 非 渗 透 性 地 层 ， 水 力 压 裂 (hydraulic fracture )曲线如图9-8所示。在形成裂缝之前产生峰值压力， 称为break—down pressure。裂缝形成后压力将保持恒定或略
开裂压力 漏失 压力
图9-3
漏失试验曲线
如果想从漏失实验中获取更多的地层信息，实验过程应
如下图（图9-4）所示：
压力 Pf Ppro
Pr
Ps O
加压(P) 封井 停泵 P 封井
t（时间）
图9-4 水压破裂时封闭段的压力-时间曲线
（ 1 ）破裂压力 (fracture pressure ) Pf ，压力最高 点，反映液柱压力克服地层的强度使其破裂，形成裂缝， 泥浆向裂缝( crack)中充填，其后压力下降。 （ 2 ）传播压力 Ppro ，压力趋于稳定，使裂缝向远处延 伸。
有增加，此时的压力是裂缝传播压力 (fracture propagation
pressure ) 。如果此时停泵并关井，压力下降到一定水平与地 应力平衡，此时的压力称为瞬时停泵压力(instantaneous shut
in pressure)ISIP ，从原理上讲裂缝闭合时，裂缝内流体压力
是可以测量的。 一 般 认 为 瞬 时 停 泵 压 力 (ISIP) 等 于 裂 缝 闭 和 压 力 (crack
Pf 3 h H aPp t
其中：
H 1 w1 ( v aPp ) aPp
h 1 w2 ( v aPp ) aPp
式中，w1 、w2 分别为
H 方向和 h 方向的构造应力关系数。
第二节 钻井过程中的地层破裂压力
一、 漏失试验(leak-off test )
在钻井过程中最容易出现破裂的层位是套管鞋附近。因此漏失 试验(leak-off test )是在下套管固井后，钻十几米后做，以确定 地层的最小破裂压力梯度(minor break-down pressure gradient )。 漏失试验(leak-off test )过程：关井，用水泥车通过钻杆泵 入泥浆，记录压力和时间或泵入量。当压力偏离直线时，停泵。 典型的漏失实验曲线如下图(图9－3)所示。