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
岩土力学教案第3章
岩土力学教案第3章教案第3章：岩土力学教学内容：本章主要介绍岩土力学的基本概念、岩土的物理性质和力学性质、岩土的应力状态和强度准则。
具体内容包括：1. 岩土力学的基本概念：岩土力学的定义、研究对象和内容。
2. 岩土的物理性质：岩土的密度、含水率、粒径分布等。
3. 岩土的力学性质：岩土的抗剪强度、抗压强度、弹性模量等。
4. 岩土的应力状态：单轴应力状态、三轴应力状态等。
5. 强度准则：莫尔库仑强度准则、抗剪强度准则等。
教学目标：1. 了解岩土力学的基本概念和研究对象。
2. 掌握岩土的物理性质和力学性质的测定方法。
3. 理解岩土的应力状态和强度准则的应用。
教学难点与重点：1. 岩土的物理性质和力学性质的测定方法。
2. 岩土的应力状态和强度准则的应用。
教具与学具准备：1. 教学PPT。
2. 岩土力学教材。
3. 岩石和土样的样品。
4. 压力计、含水率计等实验器材。
教学过程：1. 引入：通过展示实际工程中的岩土问题，引发学生对岩土力学的兴趣。
2. 讲解：介绍岩土力学的基本概念和研究对象，讲解岩土的物理性质和力学性质的测定方法。
3. 实验：学生分组进行岩土的物理性质和力学性质的实验，观察和记录实验结果。
4. 讨论：学生分组讨论岩土的应力状态和强度准则的应用，分享实验结果和发现。
5. 练习：学生完成教材中的练习题，巩固所学知识。
板书设计：1. 岩土力学的基本概念和研究对象。
2. 岩土的物理性质和力学性质的测定方法。
3. 岩土的应力状态和强度准则的应用。
作业设计：1. 解释岩土力学的基本概念和研究对象。
2. 描述岩土的物理性质和力学性质的测定方法。
3. 应用岩土的应力状态和强度准则解决实际问题。
课后反思及拓展延伸：1. 学生对岩土力学的基本概念和研究对象的掌握情况。
2. 学生对岩土的物理性质和力学性质的测定方法的掌握情况。
3. 学生对岩土的应力状态和强度准则的应用的理解和应用情况。
4. 针对学生的反馈，进行教学调整和改进。
《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。
岩石的物理力学性质
nb Vnb 100% V
(3)小开空隙率nl:即岩石试件内小开型空隙的体积（Vnl) 占试件总体积(V)的百分比。
nl Vnl 100% V
(4)总开空隙率（孔隙率）n0: 即岩石试件内开型空隙的 总体积（Vn0)占试件总体积(V)的百分比。
cf ） , 以
此强度下降值与融冻试验前的抗压强度 σ c之比的百
c cf Cf 100% c
可见：抗冻系数Cf 越小，岩石抗冻融破坏的能力越强。
7.岩石的碎胀性
岩石破碎后的体积VP 比原体积 V增大的性能称为岩石
的碎胀性，用碎胀系数ξ 来表示。
VP V
碎胀系数不是一个固定值，是随时间而变化的。 永久碎胀系数（残余碎胀系数）――不能再压密时 的碎胀系数称为永久碎胀系数.
岩石的软化性是指岩石在饱水状态下其强度相对 于干燥状态下降低的性能，可用软化系数η 表示。
软化系数指岩石试样在饱水状态下的抗压强度
σ
cb与在干燥状态下的抗压强度σ c之比，即
cb c c
各类岩石的η c=0.45～0.9之间。 η η
c c
Байду номын сангаас
>0.75,岩石软化性弱、抗水、抗风化能力强； <0.75，岩石的工程地质性质较差。
1 与 主 应 力 差 ( σ 1-
σ 3) 的关 系 曲 线 表 示 。
反复加卸载对岩石变形的影响
围压对岩石变形的影响
三轴应力状态下大理岩的应力－应变曲线
围压对岩石刚度的影响
砂岩：孔隙较多，岩性较软， σ3增大，弹性模量变大。 辉长岩：致密坚硬， σ3增大，弹性模量几乎不变。
岩体力学 第3讲 岩石的物理水理性质
岩石的吸水性: （２）岩石的吸水性: 岩石在一定的试验条件下吸收水分的能力。常用 吸水率，饱和吸水率 饱和吸水率与饱水系数等指标表示。 吸水率 饱和吸水率
1）、自然吸水率：岩石在自然状态下吸入水的质量与 ）、自然吸水率： 自然吸水率 固体质量之比 (m0 − mdr ) × 100% wa = mdr
常见岩石的物理性质指标值
（５）岩石的抗冻性 定义：岩石抵抗冻融破坏的能力，称为抗冻性。常 用抗冻系数和质量损失率表示。 抗冻系数 (Rd )：
σ c2 Rd = × 100% σ c1 岩样冻融前的干抗压强度
岩样冻融后干质量
岩样经反复冻融后的 干抗压强度 −20 20o C,25次以上
质量损失率 ( K m )：
I d 2 = mr / ms %
试验前的试件烘干质量 mr ；残留在筒内的试件烘 干质量 ms
吸水率( 吸水率( a ) W
mw1 Wa = ×100% ms
岩样在常温常压 常温常压条 常温常压 件下吸入水的质量
烘干温度： 烘干温度： 105～110° 105～110°C, 时间：24小时 时间：24小时
岩样烘干质量
水只能进入大开空隙，不能小开空隙和闭空隙
讨论：吸水率大小与哪些因素有关
岩石吸水率大小，主要决定于岩石中空隙的数量、 岩石吸水率 大小及其连通情况。空隙率愈大→空隙大、数量多、 连通性好→岩石吸水率越大→力学性质差。 。
吸水率是一个间接反映岩石内孔隙多少的指标
3)、饱水系数
Wa kw = × 100% Wp
吸水率
饱和吸水率
反映岩石中大、小开空隙的相对数量。一般情况下，饱水 系数愈大，余留的空隙愈少，岩石愈易被冻胀破坏。 几种岩石的吸水性指标值
《岩石力学》课件(完整版)-第三章岩石动力学基础
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。
岩石的基本物理力学性质
三. 格里菲斯强度理论
（1920、1921）
1）基本假设（观点）： ①物体内随机分布许多裂隙； ②所有裂隙都张开、贯通、独立； ③裂隙断面呈扁平椭圆状态； ④在任何应力状态下，裂隙尖端产生拉应力集 中，导致裂隙沿某个有利方向进一步扩展。 ⑤最终在本质上都是拉应力引起岩石破坏。
Et d / d
3）割线模量，由应力应变曲线的起始点与曲线上另一点作割线， 割线的斜率就是割线模量， 一般 选强度为50%的应力点
Es /
第四节 岩石的流变理论
流变现象：材料应力-应变关系与时间因素有关的性
质，称为流变性。材料变形过程中具有时间效 应的现象，称为流变现象。
1
即有蠕变现象
应，受力瞬间不变形， 随时间流逝变形趋于 无限的特点
描述流变性质的三个基本元件
(3)粘性元件
牛顿体的性能： b.无瞬变
1
d 本构方程 dt
o
t (b)应变-时间曲线
c.无松弛
t , 应变与时间有关系不能瞬时完成
应变-时间曲线
d 当＝ 0＝const时， 0, 代入本构方程 dt 得＝0，应力与时间无关，无松弛现象
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。
基本要求：
掌握岩石的基本物理性质，理解岩石的变形性质
掌握岩石的强度性质；
理解岩石的流变特性及分类，理解岩石介质模型 理解岩石的破坏机理，了解格里菲斯理论 掌握莫尔强度理论，掌握库仑—莫尔强度理论
岩石的基本物理力学性质及其试验方法
第一讲岩石的基本物理力学性质及其试验方法(之一)一、内容提要：本讲主要讲述岩石的物理力学性能等指标及其试验方法，岩石的强度特性。
二、重点、难点：岩石的强度特性，对岩石的物理力学性能等指标及其试验方法作一般了解。
一、概述岩体力学是研究岩石和岩体力学性能的理论和应用的科学，是探讨岩石和岩体对其周围物理环境(力场)的变化作出反应的一门力学分支。
所谓的岩石是指由矿物和岩屑在长期的地质作用下，按一定规律聚集而成的自然体。
由于成因的不同，岩石可分成火成岩、沉积岩、变质岩三大类。
岩体是指在一定工程范围内的自然地质体。
通常认为岩体是由岩石和结构面组成。
所谓的结构面是指没有或者具有极低抗拉强度的力学不连续面，它包括一切地质分离面。
这些地质分离面大到延伸几公里的断层，小到岩石矿物中的片理和解理等。
从结构面的力学来看，它往往是岩体中相对比较薄弱的环节。
因此，结构面的力学特性在一定的条件下将控制岩体的力学特性，控制岩体的强度和变形。
【例题1】岩石按其成因可分为( )三大类。
A.火成岩、沉积岩、变质岩B.花岗岩、砂页岩、片麻岩C.火成岩、深成岩、浅成岩D.坚硬岩、硬岩、软岩答案：A【例题2】片麻岩属于( )。
A.火成岩B. 沉积岩C. 变质岩答案：C【例题3】在一定的条件下控制岩体的力学特性，控制岩体的强度和变形的是( )。
A.岩石的种类B.岩石的矿物组成C.结构面的力学特性D.岩石的体积大小答案：C二、岩石的基本物理力学性质及其试验方法(一)岩石的质量指标与岩石的质量有关的指标是岩石的最基本的，也是在岩石工程中最常用的指标。
1岩石的颗粒密度(原称为比重)岩石的颗粒密度是指岩石的固体物质的质量与其体积之比值。
岩石颗粒密度通常采用比重瓶法来求得。
其试验方法见相关的国家标准。
岩石颗粒密度可按下式计算2岩石的块体密度岩石的块体密度是指单位体积岩块的质量。
按照岩块含水率的不同，可分成干密度、饱和密度和湿密度。
(1)岩石的干密度岩石的干密度通常是指在烘干状态下岩块单位体积的质量。
岩石物理力学性质-知识归纳整理
1 岩石的物理力学性质岩石是由固体相、液体相和蔼体相组成的多相体系。
理论以为，岩石中固体相的组分和三相之间的比例关系及其相互作用决定了岩石的性质。
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。
岩石物理性质：岩石由于其固体相的组分和三相之间的比例关系及其相互作用所表现出来的性质。
主要包括基本物理性质和水理性质。
岩石在受到外力作用下所表现出来的性质称为岩石的力学性质。
岩石的力学性质主要有变形性质和强度性质，在静荷载和动荷载作用时，岩石的力学性质是有所不同的，表如今性质指标的差异上。
岩石的物理力学性质通常经过岩石物理力学性质测试才干确定。
1.1 岩石的基本物理性质指标 反映岩石组分及结构特征的物理量称为岩石的物理性质指标，这里主要是指一些基本属性：密度、比重、孔隙性、水理性等。
反映了岩石的组分和三相之间的比例关系。
为了测定这些指标，一股都采用岩样在室内作试验，，必要时也可以在天然露头上或探洞(井)中举行现场试骀。
在选用岩样时应思量到它们对所研究地质单元的代表性并尽可能地保持其天然结构。
最好采用同一岩样逐次地测定岩石的各种物理性质指标。
下面分述各种物理性质指标。
1.1.1 岩石的密度和重度(容重)1、定义密度：单位体积岩石(包括岩石内空隙体积在内)所具有的质量。
重度(容重)：单位体积岩石所受的重力。
2、计算式密度：V M =ρ(g/cm 3，t/m 3)容重度：V MgV W ==ρ(kN/m 3)密度与重度的关系：γ=ρg。
上述各式中，M —岩石质量；W —岩石分量；V —岩石体积(包括空隙在内)；g 为重力加速度，g=9.8m/s 2，工程上普通取10m/s 2。
密度与容重的种类：天然密度ρ、干密度ρd 、饱和密度ρsat 。
天然密度与干密度的关系：ρ=ρd (1+0.01ω)(ω为含水率，以百分数计)。
3、影响因素 影响岩石密度大小的因素：矿物成分、孔隙及微裂隙发育程度、含水量。
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。
3-3 岩石的力学特性
D— 试件直径；cm。 试件直径1.27～3.05cm 要求:（由于离散性大），每组15个，取均值 岩石的抗拉强度远远小于其抗压强度，一般情况下，
1 1 t ( ~ ) c 10 50
23
抗拉强度 ：
t
MC I
峰值前应力-应变关系
(1965)
少裂隙、 致密、坚硬、少裂隙 岩性较软
致密、坚硬、多裂隙
较多裂隙、 岩性较软
13
峰值后应力-应变关系
瓦维斯基和法赫斯特根据后区曲线将岩石全过程曲线分为Ⅰ 型和Ⅱ型，Ⅰ型为稳定破裂传播型，峰值后外力做功才能使试件 进一步破坏； Ⅱ型为非稳定破裂传播型。
葛修润院士认为Ⅱ型是人为因素控制，控制轴线应变，峰后 曲线在P点之右。
30
变角板剪切试验缺点是α角不能太大或太小，太大易倾倒而 太小不易剪切破坏，一般在30°~60°间选取。
31
32
§3.4 岩石三轴压缩条件下的力学特性 一、岩石三轴抗压强度
岩石在三向压缩作用下达到破坏时的最大压应力。加
载方式包括真三轴和常规三轴加载两种。
33
一、岩石三轴抗压强度Fra bibliotek围压越大，岩石的三轴极限 强度σ1p (峰值强度)越大。
20.5MPa，25MPa）
44
二、岩石的流变模型
岩石的流变本构模型：用于描述岩石应力－应变关系随时 间变化的规律。它是通过试验－理论－应用证实而得到的。 本构模型分类： 1、经验公式模型：根据不同试验条件及不同岩石种类求得 的数学表达式，这种表达式通常采用幂函数、指数函数、 对数函数的形式表达。 2、积分模型：是在考虑施加的应力不是一个常数时的更一 般的情况下，采用积分的形式表示应力－应变－时间关系 的本构方程。 3、组合模型：将岩石抽象成一系列简单元件（弹簧、阻尼 器、摩擦块），将其组合来模拟岩石的流变特性而建立的 本构方程。 45
3 岩石的物理、水理性质(1)
岩石名称 花岗岩
石灰岩
片麻岩
辉绿岩、玄武岩 砂岩
页岩 片岩 石英岩
几种岩石的渗透系数值
空隙情况 较致密、微裂隙
含微裂隙 微裂隙及部分粗裂隙
致密 微裂隙、孔隙 空隙较发育
致密 微裂隙 微裂隙发育 致密 较致密 空隙发育 微裂隙发育 微裂隙发育 微裂隙
质量损失率 ( Km )： 岩样冻融后干质量
Km
=
ms1 − ms2 ms1
×100%
岩样冻融前干质量
抗冻性－－抗冻系数、质量损失率
岩石在冻融作用下强度降低和破坏的原因－－
① 岩石矿物组分的膨胀系数不同，及温度不均匀， 导致产生内应力；② 岩石空隙水的冻胀作用。使岩 石产生更多的裂隙，结构破坏，强度降低。
5. 隧道工程特征
⑴ 碳酸盐岩隧道达75座，长157.7km，岩溶 特别发育。
⑵ 隧道的埋深大，一般在500～600m，最大 埋深达800余米。
⑶ 在22座长、特长隧道中灰岩隧道达19座。 多座长大岩溶隧道穿越暗河，在地下水的水平 循环带中通过。
⑷ 多座隧道穿越区域大断裂。
⑸ 受地形影响，多座隧道设计为单面坡， 不利于隧道排水，增加施工难度。
透水性－－渗透系数
（cm/s） 1.1×10-12 ~ 9.5×10-11 1.1×10-11 ~ 2.5×10-11
2.8×10-9 ~ 7×10-8 3×10-12 ~ 6×10-10
2×10-9~ 3×10-6 9×10-5~ 3×10-4
<10-13 9×10-8~ 4×10-7 2×10-6~ 3×10-5
<10-13 10-13~ 2.5×10-10
岩体力学3 [岩体的物理水理热学性质]
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岩石的物理水理与热学性质第三章岩石的物理、水理与热学性质§ 3.1岩石的物理性质31一、岩石的密度二、岩石的空隙性§3.2岩石的水理性质32一、岩石的吸水性二、岩石的软化性三、岩石的抗冻性四、岩石的透水性§ 3.3岩石的热学性质岩的热学性质§3.1 岩石的物理性质z岩石和土一样，也是由固体、液体和气体三相组成的。
z定义：物理性质是指岩石由于三相组成的相对比例关系不同所表现的物理状态。
岩石的密度1、岩石的密度2、岩石的空隙性一、岩石的密度z1、颗粒密度(ρs)ρs m s/V s=mz2、块体密度(ρ)ρ=m/V/Vz注意：（1）ρs与ρ的区别(ρs>ρ)33（2）ρs与ρ的单位（g/cm kN/m）（3）测试方法（ρs---比重瓶法；ρ--量积法）常见岩石的物理性质指标值大开空隙小开空隙岩石的空隙V 总空隙率(n )V ρ岩总开空隙率(n o )%1000×=n v =vb 大开空隙率(n b )%100×n b 空V V 率V ρ§3.2 岩石的水理性质定义：岩石在水溶液作用下表现出来的性质，称为水理性质。
主要有：1.吸水性22.软化性3.抗冻性4.透水性一、岩石的吸水性称为岩石的吸水性分的能力，称为岩石的吸水性。
a 件自由吸入水的质量(与岩样质量(件下自由吸入水的质量(m )与岩样干质量(m )%1×=w W 100a V ρw22.饱和吸水率p 力为或空条件般压力为15MPa)或真空条件下吸入水的质量(m )s sm d 0Wp n ρρ3.V 饱水系数饱水系数它反映了岩石中大小开空隙的相对饱水系数。
它反映了岩石中大、小开空隙的相对几种岩石的吸水性指标值二、岩石的软化性与干抗压强度(σ)的比值ccw σR K =岩石中含有较多的矿物大开z亲水性和可溶性矿物，大开空075岩石的软化性弱工程地质性质较好zK ＞0.75，岩石的软化性弱，工程地质性质较好常见岩石的物理性质指标值z 抗冻系数(R d )：岩石试件经反复冻融后的干抗压强度(σ)与冻融前干抗压强度(σ)之比，用百分数表示2×c R σ%100=d 质量损失率1z (K m )：冻融试验前后干质量之差(m s121−s s m m R ％抗冻性高z＞75％，K ＜2％，抗冻性高08的岩石抗冻性高于0.8的岩石，抗冻性高。
02岩石的基本物理力学性质
Q Psin f cos
式中：
N Pcos f sin
p——压力机的总压力
α——试件倾角 f ——圆柱形滚子与上下压板的摩擦系数
抗剪断仪
Q Psin f cos
α Q
N Pcos f sin
fP
N N α P
Q
剪切破坏面上的正应力σ和剪应力τ为：
①近似对称性 ②B点后卸载有残余应变，重复加载沿另一曲线上 升形成滞环 (hysteresis) ，加载曲线不过原卸载 点，但邻近和原曲线光滑衔接。
③ C点后有残余应变，重复加载滞环变大，反复加 卸载随着变形的增加，塑性滞环的斜率降低，总 的趋势不变。 ④C点后，可能会出现压应力下的体积增大现象， 称此为扩容(dilatancy)现象。一般岩的 =0.15-0.35， 当 >0.5时，就是扩容. 体积应变 :
（2）应力、应变全过程曲线形态 在刚性机下，峰值前后的全部应力、应变曲线 分四个阶段：1-3阶段同普通试验机。 4阶段应变软化阶段
特点：
①岩石的原生和新生裂隙贯穿，到达D点，靠碎块间的摩擦 力承载，故 —称为残余应力。 D ②承载力随着应变增加而减少，有明显的软化现象。
（3）全应力——应变曲线的补充性质
( d ) / c （%）
吸水率是一个间接反映岩石内孔隙多少的指标
（二）渗透性 在一定的水压作用下，水穿透岩石的能力。反映 了岩石中裂隙向相互连通的程度，大多渗透性可用达 西（Darcy）定律描述：
qx
dh dx
dh k A dx
（m3/s）
——水头变化率；
qx——沿x方向水的流量；h——水头高度； A——垂直x方向的截面面积；k——渗透系数。
岩石力学-岩石物理力学性质.
1.2 岩石的基本构成和地质分类
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 。
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。
β =π +φ 42
液压入口
试件标准：
圆柱形试件：φ4.8－5.2cm (7cm)，高H=（2－3)φ 长方体试件：边长L= 4.8－5.2cm (7cm) , 高H=（2－2.5)L 试件两端不平度0.5mm；尺寸误差±0.3mm；两端面垂直于轴线 ±0.25o
单向压缩试件的破坏形态
破坏形态是表现破坏机理的重要特征； 其主要影响因素：①应力状态 ②试验条件
残余强度：是岩石在发生破坏后仍然具有的承载能力。其值可以 在岩石的应力——应变全过程曲线的峰值右侧线段所对应的应力 值测出。
岩石的抗压强度、抗剪强度及抗拉强度：岩石在压缩、剪切或拉 伸应力作用下表现出来的抗破坏能力各不相同，与之对应的强度 值分别为抗压强度、抗剪强度及抗拉强度。
岩石强度不是岩石的固有性质，而是一种指标值。凡是不受试件 的形状、尺寸、采集地、采集人等影响而保持不变的特征，如岩 石的颜色、密度等都是岩石的固有性质。
1.4 岩石的力学性质
1.4.1岩石的强度
1.4.1.1岩石强度试验的基本要求 岩石强度：岩石在各种荷载作用下达到破坏时所能承受的最大应力。 进行岩石力学试验所选用的试件必须是完整岩样。
峰值强度：是岩石在临近破坏时具有的最大承载能力。其值可以 根据岩石的应力——应变全过程曲线上的峰值测出。这一强度称 为极限强度或峰值强度。
岩石的力学性质
第一章岩石的力学性质岩石和岩体的力学性质，是矿山岩体力学的基本问题。
岩石的力学性质主要指：在各种载荷作用下，它们的变形特征，出现塑性流动和发生破坏的条件。
表征岩石力学性质的参数如下：变形参数：岩石的变形摸量，弹性摸量，切变摸量，泊松比和流变性等。
强度特性参数：岩石抗拉，抗弯，抗煎，抗压等各种强度极限。
第一节、岩石的成分及结构与其力学性质的关系岩石是多种矿物颗粒的集合体。
岩石一般有下列十余中主要矿物组成，即长石(正长石、斜长石)、石英、云母(黑云母、白云母)、角闪石、辉石、橄榄石、方解石、白云石、高岭土、赤铁矿等。
它们在矿石中的含量按岩石成因而异。
岩层按成因分类为：岩浆岩—系由岩浆在地壳内不同深度冷凝而成；沉积岩—是由已有岩体经风化、崩溃、搬迁、再胶结或化学作用而形成；变质岩—则由已有岩石在高温高压条件下经过改变而形成的。
基本概念(1)、岩石的结构：岩石的矿物颗粒的大小、形状、表面特征、颗粒相互关系、胶结类型等特征。
(2)、岩石的构造：岩石的组成部分在定向的排列情况。
如层面、断层（几何特征）。
晶体结构是岩浆岩和变质岩的最大特征，也是很多沉积岩的特征。
(3)、矿物的晶体：构成矿物的各种化学元素的原子（离子）在空间一定规律排列，使其具有规则的几何形状的固体称为晶体。
(4)、矿物的晶体的结构类型：等粒结构，不等粒结构，斑状结构。
图1-1是典型晶体结构类型岩浆岩和变质岩的晶体结构与岩石力学性质的关系：晶粒细小，等粒状，岩石强度大。
颗粒大的斑状结构晶体内部或晶粒间含有缺陷，岩石强度低。
沉积岩的结构与力学性质的关系沉积岩中的岩石碎屑之间由胶结物将连结在一起。
其力学性质取决于胶结物和胶结类型。
基质胶结：岩石碎屑被胶结物包围，强度取决于胶结物。
接触胶结：仅颗粒接触处有胶结物，胶结不牢，强度低，透水性强。
孔隙胶结：胶结物完全成部分地充填与颗粒孔隙之间。
胶结牢固，所以岩石强度和透水性主要由胶结物性质及充填程度确定。
胶层物分类：硅质和铁质强度高，钙质次之，泥质最低。
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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
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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
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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
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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
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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。
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第三章 岩石的基本力学性质
岩石力学是固体力学的一个分支。在固体力学的 基本方程中，平衡方程和几何方程都与材料性质无关， 而本构方程（物理方程/物性方程）和强度准则因材料 而异。 岩石的基本力学性质主要包括2大类，即岩石的变 形性质和岩石的强度性质。 研究岩石变形性质的目的，是建立岩石自身特有 的本构关系或本构方程(constitutive law or equation)，并确定相关参数。研究岩石强度性质的目 的，是建立适应岩石特点的强度准则，并确定相关参 数。
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3.1 岩石的强度性质
直剪试验装置图
值的示意图 确定C，
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3.1 岩石的强度性质
变角板剪力仪装置示意图
岩块强度包络线
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3.1.4 岩石三轴压缩强度
1．岩石三轴压缩强度试验
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3.1 岩石的强度性质
(a)拉伸破坏
(b)劈裂破坏 (c)剪切破坏 图3.1 岩石的破坏形式
(d)塑性流动
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3.1 岩石的强度性质
3.1.1 岩石的单轴抗压强度
岩石的单轴抗压强度指岩石试件在无侧限和单轴 压力作用下抵抗破坏的极限能力。其值由室内试验确 定。
岩石试件在三向压应力作用下能抵抗的最大 轴向压力称为岩块的三轴压缩强度(Triaxial compressive strength)
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Pm A
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3.1 岩石的强度性质
2．岩石三轴压缩试验的破坏类型
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3.1 岩石的强度性质
3．岩石三轴压缩强度的影响因素 除了类似于前述单轴强度的影响因素(包括尺 寸、加载速率等因素)以外，还有如下因素影响岩 石的三轴压缩强度。 （1）侧向压力的影响。 （2）加载途径对岩石三轴压缩强度的影响。
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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
常应力下弹塑性岩石加、卸 载循环时应力．应变曲线
弹塑性岩石在变应力水平下加、 卸载循环时的应力-应变曲线
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3.2 岩石的变形性质
3.2.3 三轴压缩状态下岩石的变形特征
常规三轴变形试验采用圆柱形试件，通常作法是在某一 侧限压应力作用下，逐渐对试件施加轴向压力，直至试件压 裂，记下压裂时的轴向应力值就是该围压下的。施加轴向压 力过程中，全过程记录所施加的轴向压力及相对应的三个轴 向应变，直到岩石试件完全破坏为止。
（3）孔隙水压力对岩石三轴压缩强度的影响。
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3.1 岩石的强度性质
4．岩石三轴压缩试验方法简介 三轴压缩应力试验根据施加围压状态的不同， 1 2 可分成真三轴试验( )和假三轴试验 3 1 2 ( )3，二者的区别在于围压。真三 轴试验的两个水平方向施加的围压不等，而假三 轴试验的两个水平方向施加的围压相等。
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3.1 岩石的强度性质
1．单向压缩荷载作用下试件的破坏形态
(a)圆锥形破坏
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(b)柱形劈裂破坏
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(c)圆锥形破坏应力分布
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2．岩石单轴抗压强度的影响因素 1.岩石内在因素，如矿物成分、结晶程度、颗粒大 小、颗粒联结及胶结情况、密度、层理和裂隙的 特性和方向、风化特征等； 2.试验方法方面因素，如试件的形状和加工精度、 端面条件、加载速度等；