岩石力学
岩体力学名词解释
岩石力学定义：岩石力学是研究岩石的力学性状的一门理论和应用的科学，它是力学的一个分支，是探讨岩石对周围物理环境中力场的反应。
应力：应力指物体在所受面力作用下内部产生的内力的集度。
正应力：应力在其作用截面的法线方向的分量。
剪应力：应力在其作用截面的切线方向的分量。
体力：分布在物体体积内的力。
面力：分布在物体表面上的力。
内力：物体本身不同部分之间相互作用的力。
正面：外法线沿着坐标轴的正方向的截面。
正面上的应力分量与坐标轴方向一致为正，反之为负。
负面：外法线是沿着坐标轴的负方向的截面。
负面上的应力分量与坐标轴方向相反为正，反之为负。
主平面：单元体剪应力等于零的截面。
主应力：主平面上的正应力。
强度（峰值强度）：在一定条件下，岩石发生破坏时单位面积所能承受的最大载荷。
残余强度：岩石完全破坏后所能承受的一个较小的应力值。
应变软化：指岩石达到峰值强度以后继续变形，其强度随变形量增加而降低/减少的特性。
塑性变形：岩石失去承载能力以前所承受的永久的变形。
屈服：有些材料在开始出现塑性变形之后，常在应力不变或应力增加很小的情况下继续产生变形，这种现象称为屈服。
屈服点：岩石从弹性转变为塑性的转折点有效应力：一般意义，是指对多孔渗水材料总的力学特征起主导作用的应力。
有效应力是外加或总应力和孔隙压力的函数。
切线杨氏模量：应力－应变曲线上某一确定点的斜率，一般取50%峰值强度点的斜率。
平均杨氏模量：应力－应变曲线上近似直线部分的斜率平均值割线杨氏模量：坐标原点与某一定点连线的斜率扩容：岩石在塑性阶段的体积膨胀称为扩容现象，它主要由于变形引起裂隙发展和张开而造成的岩石：岩石是组成地壳的基本物质，它由各种岩矿或岩屑在地质作用下按一定规律通过结晶联结成或借助于胶结物粘结组合而成。
岩体：是指天然埋藏条件下大范围分布的，由结构面和结构体组成的地质体。
岩石结构面的产状：即结构面在空间的产生状态和方位，用结构面上倾斜度最大的倾斜线与水平面成的夹角，以及对应倾向线的方位（从真北方向顺时针测得）来描述结构面的间距：一组结构面在法线方向上两相邻面的距离。
岩石力学岩石压力及其控制
一、基本概念
地压：泛指在岩体中存在的力，它既包括原岩对围岩的作用 力，也包括围岩间的相互作用力，又包括围岩对支架的作用 力。 狭义地压：把围岩因变形移动和岩块冒落作用在支架上的压 力称为狭义地压。 广义地压：将岩体内部原岩作用于围岩和支架上的压力称为 广义地压。
b1 a12
x2 dx
2a
3a1
3a12 a2
近似顶压= 2a1b1
（二）、侧压计算
当两帮不稳定时 f 2
1
p 2
pc pE'
H
pc
b1
tg 2 45
2
pE'
b1
H tg 2 45
2
合力作用点
y
H 3
2b1 H 3b1 H
（三）、底压计算
EA
BF
CT TD
K C
ex
sin
x
cosx
4 K
4EI
4 C
4EI
C : 充填体阻力系数 K :矿石阻力系数
由弹性地基梁理论可知，在充填体一侧顶板压力：
y
q0
1
e
x
sin
x
cosx
4 K
4EI
4 C
4EI
C : 充填体阻力系数 K :矿石阻力系数
地压活动影响因素：
1、自然因素：岩石、岩体的物理力学性质，原岩应力状态、开采深度、 地质构造发育程度、地下水活动、
2、人为因素：采矿方法、矿块结构参数、开采顺序、开采强度、支护 方式、爆破规模。
六、开采顺序对次生应力分布的影响
（一）、沿走向开采顺序
1、自矿体一端向另一端回采（单侧回采）：当采用单侧回采时，回采 空间周围岩体次生应力场取决于采场跨度、同时回采采场数目。
岩石力学
岩石力学1.岩石与岩体的区别和联系？答：岩石是矿物或岩屑在地质作用下按一定的规律聚集而形成的自然物体。
岩体，是指一定工程范围内的自然地质体，它经历了漫长的自然历史过程，经受了各种地质作用，并在地应力的长期作用下，在其内部保留了各种永久变形和各种各样的地质构造形迹（不整合、褶皱、断层、层里、节理、劈理等不连续面。
岩体=岩块+结构面。
岩石和岩体的重要区别就是岩体包含若干连续面，岩体的强度远低于岩石强度。
2.简述岩石力学的研究内容和方法？研究内容：①岩石与岩体的物理力学性质②岩石和岩体的本构关系③工程岩体的应力、变形和强度理论④岩石室内实验⑤岩体测量和工程稳定监测。
研究方法：采用科学实验、理论分析与工程紧密结合的方法。
3.岩石的物理性质指标主要有哪些？它们是如何定义的？答：质量密度（单位体积的质量）；重度（单位体积的重量）；相对密度（岩石的干重量除以岩石的实体积所得的量与1个大气压下4摄氏度的纯水的重度的比值）；孔隙率（孔隙体积与总体积百分比）；孔隙比（孔隙体积与固体的体积之比）；含水率（天然状态下岩石中水的重量与岩石烘干重量的百分比）；吸水率（干燥岩石试样在一个大气压和室温条件下吸入水的重量与岩石干重百分比）；饱水率（岩样在强制状态（真空、煮沸、高压）下，岩样的最大吸水重量与岩样烘干重量的百分比）；渗透性（在水压力作用下，岩石的孔隙和裂隙透过水的能力）；膨胀性（岩石浸水后体积增大的性质）；崩解性（岩石与水相互作用时失去黏结性并变成完全丧失强度的松散物质的性能）；软化性（岩石与水相互作用时强度降低的特性）；抗冻性（岩石抵抗冻融破坏的性能称为岩石的抗冻性）。
岩石容重：单位体积的岩石的重量分为天然容重、饱和容重、干容重。
4简述岩石在单轴压缩条件下的变形、破坏特征并说明原因(论述)？分为四段：①孔裂隙压密阶段：应力-应变曲线呈上凹形，其斜率随应力增加而逐渐增大，包含永久变形；原因：试件中原有微裂隙在压应力作用下逐渐闭合。
岩石力学
1 RC 1 RC
•
1 最大正应力理论（朗肯理论）
• 假设材料的破坏只取决于绝对值最大的正应力， 因此当岩石内的三个主应力中只要有一个达到
单轴抗压强度或单轴抗拉强度时，岩石就算破
坏。准则为： 1 RC 3Rt
• 或 1 2 R 22 2 R 23 2 R 2 0
• 适用条件：单向应力状态及脆性岩石在二向应 力状态中受拉的情况，对复杂应力状态不适用。
• 2 试验方法上的因素或人为因素，如试件形 状、尺寸、大小，试件加工情况和加荷速 率等
• 各因素的影响见书中P33-34
第四节 岩石的抗拉强度
• 岩石的抗拉强度就是岩石试件在单轴 拉力作用下抵抗破坏的极限能力。或 者说极限强度在数值上等于破坏时的 最大拉应力。
• 岩石的抗拉强度比其抗压强度低得多。
• 实际的荷载形式是多种多样的，它使任何单一的 岩石破坏模式都不会居主要的地位。在荷载作用 下，岩体实际的破坏情况是相当复杂的，它可能 是由上述的一种或多种破坏模式。
第三节 岩石的抗压强度
• 岩石的抗压强度是岩石试件在单轴压力下抵抗破 坏的极限能力，或极限强度在数值上等于破坏时 的最大压应力。（分饱和和天然状态）
Rc---岩石单轴抗压强度(MPa) P---岩石试件破坏时的荷载(MN) A---试件的横断面面积(m)
• 表3-1 岩石的单轴抗压强度和抗拉强度
• 影响岩石的抗压强度的因素很多，这些因 素可分为两方面：
• 1 岩石本身的因素，如矿物成分、结晶程度 颗粒大小、颗粒联接及胶结情况、密度、 裂隙的特性和方向、风化程度和含水情况 等。
• 1直剪试验 • 直剪试验的受力方式示意图如下：
• 现场直接剪切实验示意图
• 直接剪切实验的注意事项：
第三章 岩石力学基本知识介绍
p r0 t
c
P A
t
抗剪试验
抗弯试验
P s A
3Pl b 2bh 2
表 1-4 岩石的抗压、抗拉、抗剪和抗弯强度
岩石 粗粒砂岩 中粒砂岩 细粒砂岩 页 岩 泥 岩 石 膏 含膏石灰岩 安山岩 白云岩 石灰岩 花岗岩 正长岩 辉长岩 石英岩 辉绿岩 抗压强度 σ cMpa 142 151 185 14－61 18 17 42 98.6 162 138 166 215.2 230 305 343 抗拉强度 σ tMpa 5.14 5.2 7.95 1.7－8 3.2 1.9 2.4 5.8 6.9 9.1 12 14.3 13.5 14.4 13.4 抗剪强度 τ sMpa － － － － － － － 98 118 145 198 221 244 316 347 抗弯强度 σ rMpa 10.3 13.1 24.9 36 3.5 6 6.5
d dt
弹性
塑性
粘性
材料的变形性质
弹性：一定的应力范围内，物体受外力作用产生变形，而 去除外力后能够立即恢复其原有的形状和尺寸大小的性质
产生的变形称为弹性变形 具有弹性性质的物体称为弹性介质
弹性按其应力和应变关系又可分为两种类型
应力和应变呈直线关系—即线弹性或虎 克型弹性或理想弹性 应力应变呈非直线的非线性弹性
l
xx
xx l x
xx
o
xx l x
xy
xy x
l
yx
yx y
l
yy
yy y
l
一点应力状态——剪应力互等定理
xy xy 2 2 M oz xy l 2l l xy l 2l l x x yx yx 2 2 yx l 2l l yx l 2l l y y
构造地质学05第五章岩石力学性质
τｍａｘ＝ τ０ …（１）
τ０为抗剪强度极限
理论上，破裂面应沿最大剪应力面产生，形成棋 盘格式构造。剪裂角＜ ４５０？
库伦解释是岩石抗剪强度与剪应力和正应力有 关，因此将（１）式改为：
De/dt 常量
撤出应力
t0 t1 t2
t3
时间
永久应变
t4 t5
松弛——保持应变不变，应力随时间而减小。 （相当于降低了岩石的弹性极限） （1）、应力随时间减小，松弛速度急剧下降。 （2）、应力经很长时间后可趋于一极限值
实践证明：在地质上岩石能否在很长时间的极 小差异应力下不断变形，需要一定的温度和压 力条件，因为它一般发生在地壳深层或它具备 有利于蠕变之条件的地方，如某些强变形带中。
剪切 脆性
挠曲
压扁
流动 温度
韧性
熔融 围 压
岩石随P-T条件的变化而呈现 变形习性及相应的主要变形机制
显理 示想 了的 各地 构壳 造一 层段 次剖 构面 造， 样剖 式面
三．岩石变形的时间因素
在地质条件下，岩石变形是长期的，通常要 以百万年为单位，因此评价时间因素对岩石变 形的效应具有关键意义。
σｙ＝０
完全塑性材料。没
有载荷，变形继续
增大。
如果超过屈服点，继 续塑性变形，需施加 更大的应力超过屈服 应力，这个过程称应 变硬化或加工硬化。 经过一段应变硬化的 塑性变形后卸载，应 力－应变曲线回到e２ 表明总的永久变形。
应变硬化
σｙ＞０ σｙ＝０
如果将同样应力继续 加上去，应力－应变 曲线则沿以前路径回 到塑性变形Ｐ位置上 ，好像增大了弹性范 围和增高了屈服应力 （σｙ／）。因此应变 硬化可以看作屈服强 度随递进变形而连续 升高。
岩石力学
一、名词解释：1、岩石力学：研究岩石的力学性状和岩石对各种物理环境的力场产生效应的一门理论科学，是力学的一个分支，同时它也是一门应用科学。
2、岩石：是由各种造岩矿物或岩屑在地质作用下按一定规律组合而成的多种矿物颗粒集合体，是组成地壳的基本物质。
3、岩体：是地质体，它的形成于漫长的地质年代有关，它是一定工程范围内的自然地质体，经过各种地质运动，内部含有构造和裂隙。
4、结构面：①指在地质历史发展过程中岩体内形成的具有一定的延伸方向和长度，厚度相对较小的宏观地质界面或带。
②又称弱面或地质界面，是指存在于岩体内部的各种地质界面，包括物质分异面和不连续面，如假整合、不整合、褶皱、断层、层面、节理和片理等。
5、岩石结构：结构面和结构体在岩体内的排列组合形式，称为岩体结构。
6、软化系数：指岩石试件的饱和抗压强度与干燥状态下的抗压强度的比值7、弹性模量：弹性范围内轴向应力与轴向应变之比。
8、变形模量：岩石在单轴压缩条件下，轴向应力与轴向应变之比。
9、泊松比：岩石在单向受压条件下，横向应变与纵向应变之比10、抗压强度：是指岩石试件在单轴压力下达到破坏的极限值。
11、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。
12、抗剪强度：是指岩石抵抗剪切破坏的能力13、流变性：指在外界条件不变时，岩石应变或应力随时间而变化的性质。
14、蠕变：在大小和方向都保持不变的外力作用下，变形随时间不断增长的现象。
15、准岩体强度：考虑裂隙发育程度，经过修正后的岩石强度称为准岩体强度。
16、完整性系数：是岩体中纵波速度和同种岩体的完整岩石中纵波速度之平方比。
17、普氏系数：岩石单轴抗压强度的十分之一。
18、RQD ：指大于10cm 的岩芯累计长度与钻孔进尺长度之比的百分数。
19、原岩应力：岩石是地球表层的物质，在漫长的地质年代里，由于地质构造运动等原因使地壳物质产生了内应力效应在，这种应力称为地应力或原岩应力。
20、自重应力：由于岩体自重而产生的天然应力叫自重应力。
岩石的岩石的力学性质
岩石的1岩石的力学性质－岩石的变形岩石的强度：岩石抵抗外力作用的能力，岩石破坏时能够承受的最大应力。
岩石的变形：岩石在外力作用下发生形态（形状、体积）变化。
岩石在荷载作用下，首先发生的物理力学现象是变形。
随着荷载的不断增加，或在恒定载荷作用下，随时间的增长，岩石变形逐渐增大，最终导致岩石破坏。
岩石变形过程中表现出弹性、塑性、粘性、脆性和延性等性质。
▪ 1.5岩石变形性质的几个基本概念▪1）弹性(elasticity)：物体在受外力作用的瞬间即产生全部变形，而去除外力(卸载)后又能立即恢复其原有形状和尺寸的性质称为弹性。
▪弹性体按其应力－应变关系又可分为两种类型：▪线弹性体：应力－应变呈直线关系。
▪非线性弹性体：应力—应变呈非直线的关系。
▪2）塑性（plasticity）：物体受力后产生变形，在外力去除（卸载）后变形不能完全恢复的性质，称为塑性。
▪不能恢复的那部分变形称为塑性变形，或称永久变形，残余变形。
▪在外力作用下只发生塑性变形的物体，称为理想塑性体。
▪理想塑性体，当应力低于屈服极限时，材料没有变形，应力达到后，变形不断增大而应力不变，应力－应变曲线呈水平直线.▪3）黏性(viscosity):物体受力后变形不能在瞬时完成，且应变速率随应力增加而增加的性质，称为粘性。
▪应变速率与时间有关，－>黏性与时间有关▪其应力－应变速率关系为过坐标原点的直线的物质称为理想粘性体（如牛顿流体），▪4）脆性(brittle):物体受力后，变形很小时就发生破裂的性质。
▪5）延性(ductile):物体能承受较大塑性变形而不丧失其承载力的性质，称为延性。
▪ 1.7岩石变形指标及其确定▪岩石的变形特性通常用弹性模量、变形模量和泊松比等指标表示。
3）全应力－应变曲线的工程意义▪①揭示岩石试件破裂后，仍具有一定的承载能力。
▪②预测岩爆。
▪若A>B，会产生岩爆▪若B>A，不会产生岩爆▪③预测蠕变破坏。
▪当应力水平在H点以下时保持应力恒定，岩石试件不会发生蠕变。
岩石力学
名词解释：1.结构面：地质历史发展过程中，在岩体内部形成的具有一定方向、一定规模、一定形态、和特征的面状、缝状、层状、带状的地质界面。
2.重度r：岩石的单位体积（包括岩石孔隙体积）的重力。
3.比重Gs：岩石的干的重力除以岩石的实体体积（不包括孔隙），再与4℃时水的重度相比。
4.孔隙率：岩石中试样孔隙体积与岩石试样总体积的百分比，是反映岩石致密程度和岩石质量的重要参数。
5.吸水率：干燥岩石试样在一个大气压和室温条件下，岩石吸入水的重力对岩石干重力之比的百分率。
6.饱水率：岩石试样在高压或真空情况下，强制吸入水的重量对岩石干重之比的百分率。
7.抗冻性：岩石抵抗冻融破坏的能力。
8.渗透系数：介质对某种物体的渗透能力。
9.膨胀性：岩石浸水后体积增大的性质。
10.崩解性：岩石与水相互作用时失去粘结性并完全丧失强度的松散物质的性能。
11.模量比：弹性模量与单轴抗压强度的比值。
12.RQD：岩石质量指标。
岩心采取率：工程中采用直径为75mm的双层岩心管金刚石钻进，提取直径为54mm 的岩心长度大于10cm的岩心长度之和与钻孔总进尺的百分比。
13.体积模量K：平均应力与体积应变之比。
{[（σx +σy +σz ）/3 ]/(△V/V)}14.剪切模量G：材料在弹性变形阶段内剪应力和对应的剪应变的比值。
G=E/[2*(1+u)]15.弹性抗力系数k（岩石反力系数）：使隧洞周围的岩石达到一个单位变形时所需要的压力的大小。
16.测压比：平均水平应力σh,av与垂直应力σv的比值。
17.海姆假说：在岩体深处的初始垂直应力与其上覆岩体的重量成正比，而水平应力大致与垂直应力相等。
18.应力集中系数：地下洞室开挖后洞室上的一点切向应力与洞室开挖前洞壁上的天然应力的比值。
19.山岩压力：由于洞室围岩的变形和破坏而作用在支护或衬砌上的压力。
20.岩石的坚固系数：将岩石看作没有凝聚力的大块散粒体时的内摩擦系数，包括由于凝聚力推到的摩擦系数与原岩石中的内摩擦系数之和。
中国地质大学(北京)岩石力学名词解释
岩石力学复习总结岩石的结构和组织特点1、岩石力学（Rock Mechanics）：研究岩体在各种不同受力状态下产生变形和破坏规律的学科。
2、矿物：存在地壳中的具有一定化学成分和物理性质的自然元素和化合物3、结构：组成岩石的物质成分、颗粒大小和形状以及其相互结合的情况4、构造: 岩石组成成分的空间分布及其相互间排列关系5、岩石：由矿物或岩屑在地质作用下按一定规律聚集而形成的自然物体6、结构面：指地质历史发展过程中，在岩体内形成的具有一定的延伸方向和长度，厚度相对较小的地质界面或带7、岩块：指不含显著结构面的岩石块体，是构成岩体的最小岩石单元体8、岩体：指地质历史过程中形成的，由岩块和结构面网络组成的，具有一定的结构并赋存于一定的天然应力状态和地下水等地质环境中的地质体9、岩体结构：指岩体中结构面与结构体的排列组合关系。
其包括两个基本要素，即结构面和结构体10、岩石风化：岩石长期暴露在地表之后，经受太阳辐射热、大气、水及生物等作用，使岩石结构逐渐破碎、疏松，或矿物成分发生次生变化，称为风化f岩石风化定量指标岩石的物理性质风化空隙率Iw::快速浸水后风化岩石吸入水的质量mw与干燥岩石质量mrd之比波速比kv:风化岩石纵波波速Vcp与新鲜完整岩石纵波波速vrp之比风化系数kf:风化岩石饱和单轴抗压强度与新鲜完整岩石饱和单轴抗压强度之比常见的岩石结构类型:结晶联结,胶结联结,岩石中的微结构面微结构面: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、微裂隙等重力密度：岩石单位体积（包括岩石中孔隙体积)的重量称为重力密度，通常简称为重度质量密度：岩石单位体积（包括岩石中孔隙体积)的质量称为质量密度，一般简称密度相对密度：岩石的干重量Ws除以岩石的实体积Vs（不包括岩石中孔隙体积）所得的量与1个大气压下4℃时纯水的重度γw的比值天然含水率：天然状态下岩石中水的重量与岩石烘干重量Ws的百分比，简称含水率吸水率：指干燥岩样在一个大气压和室温条件下吸入水的重量WW与岩样干重量Ws的百分比饱和吸水率：岩样在强制状态（真空、煮沸或高压）下，岩样的最大吸入水的重量Ww与岩样的烘干重量Ws的百分比渗透性：指在水压力作用下，岩石的孔隙和裂隙透过水的能力岩石的膨胀性：指岩石浸水后体积增大的性质岩石的崩解性：指岩石与水相互作用时失去粘结性并变成完全丧失强度的松散物质的性能岩石的软化性：指岩石与水相互作用时强度降低的特性岩石的抗冻性：指岩石抵抗冻融破坏的性能岩石的热容性：在岩石内部及其与外界进行热交换时，岩石吸收热能的能力，称为岩石的热容性岩石力学的性质弹性：是指在一定的应力范围内，物体受外力作用产生变形，而去除外力（卸荷）后能够立即恢复其原有的形状和尺寸大小的性质塑性：是指物体受力后，在应力超过屈服应力时仍能继续变形而不即行断裂，撤去外力（卸荷）后，变形又不能完全恢复的性质。
岩石力学-全部课件
1.5 岩石和岩体的基本概念
1.绪论
岩石和岩体是岩石力学的直接研究对象，因此学习和研究岩石
力学，首先要建立岩石（或岩块）和岩体的基本概念。
几个基本概念
●岩石（Rock）：矿物、岩屑的集合体。 ●结构面（Structural
Plane）： 指地质历史发展过程中，在岩体内形成的 具有一定的延伸方向和长度，厚度相对较小的地质界面或带。 ●岩块（Rock block 或 Rock）：指不含显著结构面的岩石块体，是构成岩 体的最小岩石单元体。 ●岩体（Rockmass）：指地质历史过程中形成的，由岩块和结构面网络组 成的，具有一定的结构并赋存于一定的天然应力状态和地下水等地质环 境中的地质体。 ●岩体结构（Rockmass Structure）：指岩体中结构面与结构体的排列组合 关系。其包括两个基本要素，即结构面和结构体。
沉积岩
1.绪论
沉积岩是由母岩（岩浆岩、变质岩或早已形成的沉积岩）在地表
经风化剥蚀而产生的物质，通过搬运、沉积和固结作用而形成的 岩石。
●颗粒包括各种不同形状和大小的岩屑及不同矿物。 ●胶结物常见的有钙质、硅质、铁质、泥质等。
沉积岩由颗粒和胶结物组成，各有不同的成分。
沉积岩的物理力学性质不仅与颗粒有关，还与胶结物有很大
23
1.5.1岩石和岩体
1.绪论 岩石
岩石是组成地壳的基本物质，它是由矿物或岩屑在
地质作用下按一定规律凝聚而成的自然地质体。
岩石可由单种矿物组成。 ●如：纯洁的大理石由方解石组成。 多数的岩石则是由两种以上的矿物组成。 ●如：花岗岩主要由石英、长石、云母三种矿物组成。 按照成因，岩石可分为三大类：岩浆岩、沉积岩和
14
1.4 岩石力学发展简况
石油工程岩石力学
石油工程岩石力学石油工程岩石力学是石油工程领域中的一个重要分支，它涉及到岩石在石油开采和开发中的应力变形特性、岩石破坏机理、岩石力学参数等方面的理论和实验研究。
岩石力学研究的最终目标是为石油开采提供可靠的技术支撑。
一、岩石的力学性质在石油工程领域中，岩石是非常重要的一个研究对象。
岩石的力学性质是岩石力学研究的核心，主要包括力学性质、物理性质和工程性质等方面。
1.力学性质岩石的力学性质包括弹性模量、剪切模量、泊松比和强度等。
其中，弹性模量表示了岩石在受力时的弹性变形程度，剪切模量表示了岩石受到剪切应力时的抗剪能力，泊松比表示了岩石在受到应力时体积变化与形变变化的比值，强度则是岩石耐受破坏的极限应力。
2.物理性质岩石的物理性质包括密度、孔隙度、渗透性、热传导性、电导率等方面。
这些性质对于岩石的开采和开发非常重要。
例如，密度和孔隙度可以用来计算岩石的体积和储量，渗透性可以评估岩石中流体的运移特性，热传导性和电导率可以用来预测岩石下的油气储层的温度和电磁性质。
3.工程性质岩石的工程性质包括可塑性、变形能量、破坏模式和采油性能等方面。
这些性质对于岩石的开采和开发技术具有实际意义。
例如，可塑性可以评估岩石的塑性变形特性，变形能量可以评估岩石的变形能力，破坏模式可以指导岩石开采中的破裂预测和控制，采油性能可以指导油气的生产和提高开采效率。
二、岩石力学参数的测定岩石力学参数的测定是岩石力学研究中的关键问题之一，它关系到研究的可靠性和成果的实用性。
岩石力学参数的测定方法包括试验室测定和现场测定两种。
1.试验室测定试验室测定是一种传统的岩石力学参数测定方法，它包括标准试验和特殊试验两种。
标准试验包括压缩试验、引张试验和剪切试验等，通过标准试验可以获得岩石的弹性模量、剪切模量、泊松比和强度等力学参数。
特殊试验包括三轴试验、比较试验、应力波传播试验等，可以获得岩石的动态特性及其耐久性等参数。
2.现场测定现场测定是一种新兴的岩石力学参数测定方法，可以直接获取岩石在地质环境下的实际力学参数。
1岩石力学-岩石物理力学性质
d
s
A h
式中，γd为岩石的干密度（g／cm3）；gs为被测岩样在 105℃一110℃的温度下烘干24 小时的质量（g）；A为被测 岩样的平均断面积（cm2）；h为被测岩样平均高度（cm）。
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一、岩石的质量指标 岩石密度测定方法二：水中称重法 首先称量不规则岩样的质量（gs），再浸入水 中称其质量（gw） ，根据阿基米德原理计算出 不规则岩样的体积（V），即可计算出岩样密 度（γ）。 遇水崩解、溶解和干缩湿胀的岩石不能用此 法测其密度。
岩石力学
胶 结 连 结
二、岩石的常见结构类型
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。包括矿物的解理、晶格缺陷、晶粒边界、 粒间空隙、微裂隙等。 岩石中的微结构面一般是很小的，通常需在 显微镜下观察才能见到，但它们对岩石工程性 质的影响却是相当大的。 有些专家认为缺陷是影响岩石力学性质的决 定性因素。
岩石力学
岩 浆 岩
三、岩石的地质成因分类
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。
沉 积 岩
岩石力学
三、岩石的地质成因分类
岩石力学
三、岩石的地质成因分类
沉积岩具有层理构造，岩性 一般具有明显的各向异性。 沉 积 岩
变 质 岩
岩石力学
三、岩石的地质成因分类
3、区域变质岩 这类变质岩分布范围较广，岩石厚度较大， 变质程度较为均一，最常见的有片麻岩、片岩、 千枚岩、板岩、石英岩和大理岩，混合岩是介 于片麻岩与岩浆岩之间的一种岩石。
变 质 岩
岩石力学
岩石力学(岩石的性质及分类)
第一章岩石的物理性质及岩石工程分类学习对象岩石及岩石的结构特征、岩石的不连续性、不均匀性和各向异性岩石的各项指标。
学习内容岩石及岩石的结构特征、岩石的不连续性、不均匀性和各向异性岩石的容重、密度比重、孔隙率和孔隙比；含水量、吸水率与饱和系数；渗透系数。
学习目的掌握有关概念，特别是掌握岩石及岩石的结构特征、岩石的不连续性、不均匀性和各向异性岩石的各项指标。
掌握岩石的容重、密度比重、孔隙率和孔隙比；含水量、吸水率与饱和系数；渗透系数等计算。
1.1 岩石及岩石的结构特征1岩石工程岩石力学的研究对象是岩石。
岩石是构成地壳的基本材料，是经过地质作用而天然形成的（一种或多种）矿物集合体。
岩石通常按地质成因分为岩浆岩、沉积岩和变质岩等三种类型，下图为三类岩石的部分岩体。
a、岩浆岩岩浆岩是岩浆冷凝而形成的岩石，绝大多数岩浆岩是由结晶矿物所组成，由于组成它的各种矿物化学成分和物理性质较为稳定，它们之间的联结是牢固的，因此岩浆岩通常具有较高的力学强度和均质性。
工程中常遇到的岩浆岩有花岗岩、玄武岩等。
b、沉积岩沉积岩是母岩（岩浆岩、变质岩和早已形成的沉积岩）经风化剥蚀而产生的物质在地表经搬运沉积和硬结成岩作用而形成的岩石组成。
沉积岩的主要物质成分为颗粒和胶结构。
颗粒包括各种不同形状及大小的岩屑及某些矿物；胶结物常见的成分有钙质、硅质、铁质以及泥质等。
沉积岩的物理力学性质不仅与矿物和岩屑有关，而且也与胶结物性质有关。
沉积岩具有层理构造，这使得它的物理力学性质具有方向性。
工程建设中常见的沉积岩有灰岩、砂岩、页岩等。
c、变质岩变质岩是由岩浆岩、沉积岩甚至变质岩在地壳中受到高温、高压及化学活动性流体的影响下发生变质而形成的岩石。
它在矿物成份、结构构造上具有变质过程中产生的特征，也常常残留有原岩的某些特点。
因此，变质岩的物理力学性质不仅与原岩的性质有关，而且与变质作用的性质及变质程度有关。
工程建设中常见的变质岩类有大理岩、片麻岩、板岩等。
岩石的主要物理性质和力学性质
八、 岩石的变形特性
弹性：指物体在外力作用下发生变形，当外力撤出后变形 能够恢复的性质。
塑性：指物体在外力作用下发生变形，当外力撤出后变形 不能恢复的性质。
脆性：物体在外力作用下变形很小时就发生破坏的性质。 延性：物体能够承受较大的塑性变形而不丧失其承载能力 的性质。
变形
弹性变形 塑性变形
线弹性变形 非线弹性变形
a线弹性类岩石――σ～ε曲线呈线性关系，曲线上任一点 P的弹性模量E：
E
泊松比μ：岩石在单轴压缩条件下横向应变与纵向应变之比。
c2 c1 a2 a1
此强度下降值与融冻试验前的抗压强度σc之比的百
分比代表抗冻系数Cf ，即
Cf
c cf c
100%
可见：抗冻系数Cf 越小，岩石抗冻融破坏的能力越强。
七、岩石的透水性
地下水存在于岩石孔隙、裂隙之中，而且大多数岩 石的孔隙裂隙是连通的，因而在一定的压力作用下，地 下水可以在岩石中渗透。岩石的这种能透水的性能称为 岩石的透水性。岩石的透水性大小不仅与岩石的孔隙度 大小有关，而且还与孔隙大小及其贯通程度有关。
条件（整体和碎块，浸水时间等）有关。
（2）岩石的饱水率（ω2）
岩石的饱水率指在高压（150个大气压）或真空
条件下，岩石吸入水的重量Wω2与岩石干重量Ws之比，
即：
2
W2 Ws
100%
（3）岩石的饱水系数（Ks）
岩石吸水率与饱水率之比称为岩石的饱水系数，即
Ks
1 2
饱水系数反映了岩石中大开空隙和小开空隙的相对 含量。饱水系数越大，岩石中的大开空隙越多，而小开 空隙越少。
第3章岩石变形物理学(3)-岩石力学性质
地壳岩石严格讲也是一种粘弹性体，只不过不像蛋 清那样明显，这主要是它的流动需要在长时间载荷 下表现出来。对于固体或流体而言，温度越高，粘 度越低，反映易流动性越大。
地壳及地幔岩石具有非常缓慢的流动性。因而粘度 是衡量地球动力学的一个重要参数。
人们把物体具有的这些力学性质概括为物质的流变 性（rheological properties），并形成一门新兴学科 －流变学（rheology）。流变学是研究固体物质流 动的科学。
岩石力学性质－是指在应力和应变作用下，岩石发 生塑性变形（褶皱）或脆性变形（破裂）的条件；
岩石力学性质是约束岩石变形和构造几何特征的重 要条件。例如，同样的压应力作用在不同岩层的力 学表象明显不同：在柔性岩层中形成褶皱构造；在 相对硬岩层中形成断裂构造；在软硬相间岩层中形 成香肠构造
影响岩石力学性质的因素
X是活化了的化合物。 水弱化作用结果表现： 产生大量扩张应变，诱发裂纹尖端高应力； Si-O共价键被H-O代替，加速岩石塑性变形； H-O键加速热力学的反应； H2O含量增加，降低岩石熔点，加速熔体形成；
时间影响因素(5)
与实验室岩石力学研究不同，地质条件的岩石变形 时间很长，一个造山带变形要经历几百万年才完成。
岩石变形机制通常有三种： （1）碎裂作用（cataclasis） （2）晶内塑性（intracrystalline plasticity） （3）晶内扩散流动（flow by diffusive mass transfer）
脆-韧性转化－从宏观表象上描述 脆-塑性转化－从微观机制上描述 脆-塑(韧)性转换域是一个十分重要的
应力
理想粘性材料的力学行为
应力
σy
理想塑性材料的力学行为
弹塑性变形—指物体同时具有弹性和塑性的性能。 在弹塑性变形中，有一部分是弹性，其余部分为 塑性变形。
《岩石力学》(完整版)ppt课件
•
（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
• 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。 • 最前方的波面称为波前、波头和波阵面。
二、弹性波在固体中的传播
(
G
d
)
x
G 2u
u 2 t 2
拉梅运动方程 (不计体力)
(
Gd ) y
G 2v
u 2 t 2
(
G
d
)
z
G 2w
u 2
t 2
.
由上方程导出纵波在各向同性岩体中的传播速度：
CVp
(2Gd
1
)2
横波在各向同性岩体中的传播速度：
试验前的试件烘干质量 m r ；残留在筒内的试件烘
•
干质量 m s
.
（三）岩石的膨胀性
评价膨胀性岩体工程的稳定。
1、自由膨胀率：无约束条件下，浸水后胀 变形与原尺寸 之比
轴向自由膨胀 VHH/H （%）
H——试件高度
径向自由膨胀 VDD/D （%）
D——直径
返回
.
第三章 岩石动力学基础
第一节 岩石的波动特性 一、固体中应力波的种类
质 试
初始应力 岩体赋存条件分析
结构面几
何特征
介质的模型化 物理
岩石力学
1.岩石力学:岩石力学是一门研究岩石的物理、化学、力学性质的和岩体在环境条件下及荷载作用下应力、变形、和稳定性的学科，是固体力学的一个分支。
2.单轴抗压强度：岩石在单轴压缩荷载作用下达到破坏前所能承受的最大压应力。
三轴抗压强度：岩石在三轴压缩荷载作用下，达到破坏时所能承受的最大应力。
抗压强度：岩石在单轴压缩荷载作用下达到破坏时所能承受的最大抗应力。
抗剪强度：岩石在剪切荷载作用下达到破坏前所能承受的最大剪应力。
3.岩石的流变：岩石的应力—应变关系于试件因素有关的性质，主要变现为蠕变、松弛、弹性后效和粘性流动。
蠕变：当应力不变时变形随时间增长的现象。
4.蠕变：当应力不变时变形随时间增长的现象。
松弛：当应变不变时，应力随时间增加而减小的现象。
粘性流动是蠕变一段时间后卸载，部分应变永久不回复的现象。
5..国际岩石力学学会将直径为50mm的圆柱体试件径向加载点荷载试验的强度指标值Is（50）确定为标准试验值。
6.7.莫尔强度理论：岩石材料达到极限状态时，某剪切面上的剪应力达到一个取决于正应力于岩石材料性质的最大值。
8.剪切模量：发生单位剪切变形所需要施加的剪应力泊松比：横向应变值比纵向应变值.9。
弹性模量：岩石发生单位变形所需要施加的力。
扩容现象：在法向应力作用下沿着具有一定粗糙度的裂面剪切时所产生的体积膨胀现象。
10.尺寸效应：岩体的力学性质因试件的尺寸不同而变化的现象。
岩体的初始应力:岩体在天然状态下所存在的内在应力。
11.凯泽效应:当应力达到和超过历史最高水平后，则最大点产生省发射。
凯泽点：从很少产生发射到大量产生发射的转折点12.地下硐室：指人工开挖或天然存在于岩体中具有不同断面形态和尺度特征且有不同用途的地下岩体空间结构。
13.围岩压力：指硐室周围岩体作用于支护结构上的荷载。
围岩应力：应力重分布后岩体中形成的新的平衡应力场。
(狭义地压)围岩压力：指围岩作用在支架上的压力。
（广义地压）：地下岩体因开挖所引起的力学效应的总称。
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岩石力学岩石的物理性质 一、 岩石的分类火成岩：侵入岩和喷出岩。
沉积岩：砂岩（95%的油气储量）、页岩（待开采，如页岩气、煤层气）、石灰岩。
变质岩：不含油气。
二、 岩石的强度主要取决于：组成其矿物的强度、连接结构形式、岩石的结构和整体构造、胶结物的成分和胶结方式 三、岩石的物理性质孔隙度、渗透率、可压缩性、导电性、传热性的总称。
1、 孔隙度：绝对孔隙度：φ = V 孔/V 岩总 孔隙度越高，岩石的力学性质越差。
有效孔隙度： φ有效 =V 连通/V 孔总。
2、 渗透性：在一定压力作用下，孔隙具有让流体（油、气、水）通过的性质。
其大小用渗透率来描述，反映了流体在岩石孔隙中流动的阻力的大小。
达西定律：A LhK Q ∆=φ...K Φ——反应岩石性质系数 含义：以粘度为1厘泊的流体完全饱和于岩石孔隙中，在1个大气压差的作用下，以层流的方式用过截面积为1cm 2,长度为1cm 的岩样时，其流量为1cm 3/s 。
则渗透率为1达西（D ）。
3、 岩石中的油、气、水饱和度。
…4、 岩石的粒度组成和比表面积：粒度组成的分析方法：筛分析法和沉降法。
通过粒度得孔隙度。
比表面积：单位体积岩石内颗粒的总表面积。
通过粒度组成估算比面。
孔隙度、粒度、比表三者之二求一岩石的力学性质岩石的类型、组成成分、结构构造、围压、温度、应变率、载荷等对其力学性质都有影响 一、 岩石变形性质的基本概念1、 弹性：… 基本弹性参数E 、υ。
2、 塑性3、 黏性：物体受力后，变形不能在瞬时完成，且应变率随应力的增加而增加的性质。
4、 脆性：受力后变形很小就发生破裂的性质。
（ε>5%就发生破裂的称为塑性材料,小于的称脆性材料）5、 延性：发生较大塑性变形，但不丧失其承载能力的性质。
岩石在常温，常压下，并不是理想的弹性或塑性材料，而是几种的复合体，如塑弹性、塑弹塑、弹塑蠕。
其本构关系略。
6、常温常压下岩石的典型应力-应变曲线：（重点）OA---塑性，应力增加快，但应变增加不多。
原因：存在的孔隙和微裂隙被压实。
其刚度增加。
当围压大时，OA 段不明显。
AB---弹性；BC---塑性，应力增大不多，但应变增加多。
在BC 段间任一点卸载后再加载，其强度会提高，称为硬化。
B 点所对应的应力值为弹性极限。
到C 点，岩石没垮塌，还保持柱状，但有裂纹，不能加载，其承载能力变小，所以得到CD段。
为证明其承载能力变小，在CD段间取点G卸载，得曲线GK，再加载，得KH,σG<σH，所以，其还具有承载能力，但变小。
当变形到D点时，此点应力为残余强度, 是屈服应力的1.3～3倍。
二、围压对岩石力学性质的影响围压增大：岩石的抗剪强度增大，变形增大，弹性极限提高，应力-应变曲线发生形态变化，岩石的性质发生变化：弹脆——弹塑——应变硬化。
三、温度对岩石性质的影响随温度升高，岩石的屈服极限，强度降低，由脆性转化为塑性，延性；弹性模量变小。
四、孔隙、孔隙压力对岩石性质的影响孔隙：原生孔隙和次生孔隙孔隙压力：孔隙中有流体，所以液体对颗粒表面的垂直压力，称为孔隙压力。
（粒度和埋藏深度决定）1、孔隙压力对岩石应力的影响：有效围压取决于围压和孔隙压力之差，即孔隙压力抵消围压的影响。
延性随空隙压力的增大而减小，岩石由延性转化为脆性。
强度随孔隙压力的增大而减小2、孔隙度的影响孔隙度增加，岩石的强度减小，延性增加。
（强度下降的原因：随岩石孔隙度增加，集中应力便增加，承载面积减小，凸峰自由度减小。
延性增加原因是，孔隙闭合，造成类似的延性变形。
）五、应变率的影响（即作用的时间）造成岩石的破坏是内部裂纹扩展而成，若岩石裂纹发育时间充分，则其易破坏，强度降低。
总结：岩石的强度和测度一、岩石的破坏形式张性破坏、剪切破坏（破裂角和摩擦角的关系是：）和流动二、岩石的抗压强度及其影响因素（从实验的角度）1、组成岩石颗粒越细小，强度越高；容重越大，强度越高；胶结物胶结能力越强，强度越高。
平行于层理抗压强度最小，垂直于层理抗压强度最大。
（内因）2、端面应力集中，形状与大小，加载速率（如前）（外因）三、抗拉强度（采用巴西法测量）岩石的抗拉强度远低于抗压强度，主要是孔隙作用，对拉很敏感，还有组分的影响。
四、岩石的抗剪强度及影响因素1、抗剪强度的定义：限制性剪切强度：考虑了岩石内部的粘聚力和内摩擦力非限制性剪切强度：只考虑粘聚力。
内摩擦力和外载有关，粘聚力是本身具有。
2、经实验得莫尔强度包络线（略去），看出岩石的剪切强度曲线反应了影响剪切强度的两个参数：粘聚力C和内摩擦角Φ.C为包络线与纵轴的截距，Φ为包络线切线与横轴的夹角。
随围压增大的剪切破坏时，Φ减小，C增加。
3、莫尔强度包络线（后面有）的应用：包络线与应力圆相交——岩石破坏相切——岩石处于极限应力状态相离——岩石不破坏4、补充应力圆的画法（省掉）岩石的流变性一、流变性定义：在长期载荷下，应变、应力随时间变化的性质成为岩石的流变性。
弹性变形与时间无关概念区分塑性变形粘性流动：与时间有关蠕变：应力不变，但变形却随时间而变流变现象松弛：应变不变，应力随时间变小弹性后效：加载或卸载后，弹性应变之后于应力的现象。
二、岩石的蠕变性态的实验研究1、单轴、三轴实验2、表明在足够长的时间内，应力低于或高于弹性极限聚能产生蠕变现象，但不同的恒定载荷作用下，蠕变曲线不同。
3、蠕变图（重点）分三个阶段：过渡蠕变阶段——稳定蠕变阶段——加速蠕变阶段，任何一段的持续时间跟岩石的种类、所受载荷的大小、温度有关。
4、由岩石的蠕变引出岩石的长期强度岩石的长期强度是随外载的作用时间延长而降低的（即岩石在受到低于强度极限的载荷时，只要作用时间足够，岩石也破坏）。
一般长期强度和瞬时强度的比值为0.4～0.8。
三、影响蠕变性态的因素A——1/E,B——稳定阶段的应变率，C——加速蠕变阶段的应变率随水平应力的增加，B,C都增加；随温度的增加，岩石的应变显著增加，应变率也显著增加，稳定阶段的时间减小；岩石颗粒越大，应变率越小。
四、岩石蠕变的模型基本元件：弹性元件（虎克体）、粘性元件（牛顿体）、塑性元件（圣维南体）1、麦克斯韦尔模型：描述有瞬变，无弹性后效，有松弛，有蠕变，不稳定变形的情况。
（串联）2、开尔文模型：描述有弹性后效，没松弛，有稳定变形，没有蠕变的情况。
（并联）3、伯格斯模型：描述有瞬变，有过渡蠕变，稳态蠕变的岩石（串联+并联）岩石强度破坏准则一、库伦破坏准则认为岩石的破坏主要是剪切破坏，只能适用常温，低围压下。
岩石并不是沿最大剪应力方向破坏，而是沿τ和σ同时作用最厉害的面破坏。
Τ0——固有剪切力，f——tgΦ，σn——正应力，斜平面的法向与最大主应力的方向的夹角为α，θ为剪裂角，Φ为摩擦角小结：1、第一种需要记住，第二第三种本人未记2、若考虑孔隙压力，第一种表达变为：,则在σ～τ坐标中，应力圆向左平移了P，但形状不改变，则易和抗剪切包络线相切，岩石便处于极限应力状态，即孔隙压力抵消围压的影响，易使岩石破坏。
求此岩的内聚力？ 二、 摩尔准则摩尔准则的包络线型：斜直线（如前）、二次抛物线、双曲线型，此剪切强度理论适用于塑性、脆性的剪切破坏。
库伦是摩尔的特殊。
三、 平面格里菲斯准则（断裂破坏）（主要指脆性破坏）脆性材料的实际强度时理论强度的1/100～1/1000，是因为物体内部存在随机分布的裂隙，当加载到一定时，其有利于破裂的裂隙末端产生集中应力导致材料的提前破坏。
只要材料有缺陷，其疲劳强度远低于静强度1、 断裂学裂纹分为三类：张开型、滑开型、撕开性。
岩石的剪切破坏主要是后两种形式，拉伸破坏形式为第一种。
2、 格里菲斯理论1） 引用断裂学基本思想：岩石内部有裂纹，其形状为椭圆 2） 裂纹沿着最大拉应力的垂直方向扩展3） 强度判据：根据椭圆孔应力状态得出解析解a.0331>+σσ破坏条件：t σσσσσ-=+-)(8)(31231 危险裂纹方位角：)(22cos 3131σσσσβ+-= b.0331≤+σσ破坏条件：t σσ=3 危险裂纹方位角：02sin =β0=⇒β4）格里菲斯强度曲线：讨论：（1）单轴拉伸1=σ，03<σ，满足 0331≤+σσ，t σσ>3 则破坏，02sin =β0=⇒β （2）双向拉伸0331≤+σσ（同上）（3）单轴压缩01>σ，03=σ，满足0331>+σσ，则t σσσσσ-=+-)(8)(31231，6/πβ=（4）双向压缩 01>σ，03>σ，t σσσσσ-=+-)(8)(31231，2/0πβ→=缺点：格里菲斯只说裂纹会被拉开，但不能说明其怎么扩展，只能使用脆性材料。
例题：洞室：MPa 2.161=σ，MPa 1.193-=σ，MPa 7.8t =σ，MPa C 35=)57(54.1︒==φf ，用格里菲斯和摩尔理论分析其强度 解：格里菲斯：0)1.19(32.61331>-+=+X σσMPa MPa X t 7.815.19)1.192.61(8)1.192.61()(8)(231231=>=-+=+-σσσσσ∴不安全莫尔判据：2cot 2sin 3131σσϕσσϕ+++=C 得197.0sin =ϕφϕ>=⇒49.66∴不安全。