岩石力学第三章
第3章岩石力学性质与分级
岩石抗压强度R1 节理间距R3 地下水状态R5
岩石质量指标R2 节理面状态R4 节理方向对工程影响修正参数R6
把上述各个参数的岩体评分值相加起来就得到岩体的RMR值：
RMR= R1 +R2+R3+R4 + R5 + R6
（1）由“岩石抗压强度”确定的岩体质量评分值R1（15）
分4级
岩体完 整性分 类
岩石质量指标 RQD
弹性波(纵波) 波速
分5级。100-90-75-50-25-0
分4级。 分7级。
适用范 围
特点
备注
初期
未考虑岩 我国早期使
体特点
用
初期
指标易得
伦敦地质学 会和富兰克 林
巷道
考虑岩石 荷载与稳 定性
1950年
地铁
岩石抗压、 工程地质、 稳定性
迪尔1963
中科院地质 所 日本池田和 彦
主要内容 §1 岩石（岩体）的基本力学性质 §2 矿山工程岩体分类
☆ 概述 ☆ 岩体坚固性分级 ☆ 工程地质RMR分类 ☆ 边坡稳定的SMR分级 ☆ 岩体分类实例 ☆ 作业
第二节 矿山工程岩体分类
一、概述
（一）工程岩体分类的目的
工程类比法的需要；为岩体工程建设的勘察、设计、 施工和编制定额等，提供必要的基本依据。
备注
南非工业和科 学委员会CSIR， 毕昂斯基 (Bieniawshi)
挪威土工所 (NGI),Baton
矿山边坡 Romana(1993)
综合 水利隧道
二、岩体坚固性分级
前苏联学者普罗特基雅柯诺夫(М.М. Протодьяконов)按 当时采掘工业水平提出的要求，对岩石进行定量分级的，被称 为普氏分级。根据岩石坚固性的不同，将岩石划分为十级。
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
《岩石力学》
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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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《岩石力学》
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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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《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
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《岩石力学》
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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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《岩石力学》
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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。
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。
第三章-3 影响岩石力学性质及概述
图5-5
溶液和温度对大理岩变形影响的 应力-应变曲线图
(Griggs，围压为1000MPa)
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图 5－ 6
溶液和温度对石英变形影响的应力-应变曲 线图 (围压为1400MPa)
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四、
孔隙压力
在地壳岩石中，常有孔隙流体存在。这 种孔隙流体的压力称为孔隙压力或孔隙液压。 存在于岩石中的流体可以促进岩石的重结晶作 用，并影响岩石的变形。如果不透水层阻挡含 水层中的孔隙流体流出，岩石中的孔隙压力就 会加大。孔隙压力的存在抵消了部分围压的影 响。即有效围压 (Pe)为围压 (Pc)与孔隙液压 (Pp) 之差: Pe = Pc－ Pe…………………..(5-1) 因此 ; 孔隙压力的存在也降低了岩石的强 度，使得岩石易于发生脆性破坏。
第三章（三） 影响岩石力学性质及 岩石变形的因素
岩石的力学性质并不是固定不变的， 主要决定于岩石本身的成分、结构和构 造等，但岩石所处的外界地质环境因素， 包括围压、温度、溶液和应力作用时间 及变形速度等，都对岩石的力学性质以 致岩石变形有着明显的影响。本章主要 阐述外界因素的影响。
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(据Paterson，1978)
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二、 温 度
随着温度增高，可以使常温常压下 脆性的岩石，变得强度降低，弹性减弱， 塑性增大，韧性增强，易于变形。也就 是说，提高温度，加速了岩石由脆性向 韧性的转化。但是，影响的程度随岩性 不同有所差异。
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矿物同岩石一样，温度升高，弹性极限和 抗压强度明显降低，易于形成塑性变形。图5-4 中的磁黄铁矿和闪锌矿在围压固定，温度从 25℃、100℃、200℃、300℃、400℃到500℃逐 渐升高的情况下，弹性极限等也逐渐降低，并 且温度升的越高，降得越快。 温度影响岩石力学特性的原因在于，随着 温度的升高，晶体质点的热运动增强，质点间 的凝聚力就减弱，质点容易位移;从而降低了岩 石的弹性极限与强度极限，提高了岩石的塑性 和韧性。
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
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3章
结果，所以，破坏实质上是破裂从量变到质变的一个过程。
第二节 围压对岩石力学性质的影响
一、围压(confining pressure )下的岩石 岩石在常温常压下一般产生脆性破坏(brittle failure)，但 深埋地下的岩石却表现为明显的延性(ductility )．岩石这一性 质的变化是由于所处物理环境的改变造成的。 所谓脆性与延性至今尚无十分明确的定义，一般所谓脆性
第六种类型为弹一塑一蠕变变形，曲线的直线部分很短， 随后产生非弹性变形和连续蠕变(creep )，例如盐岩和软泥岩 等。
四、岩石的弹性参数 岩石最基本的弹性参数是弹性模量（ Elastic modulus ）
与泊松比（Poisson’s ratio ）。
若应力一应变曲线是线性的（如第一类岩石），则其弹性
（crack ）数量，对致密岩石或在高围压下，这种现象不太明
显。
(2) AB曲线
一般AB线段呈近似直线，其斜率称为弹性模量E。加载是
在Ｂ点以下OB区间内时，若卸去载荷，则变形完全可恢复，没 有永久变形，所以OB区间为弹性变形阶段。曲线上B点是产生 弹性变形的应力极限值，称为弹性极限(elastic limit )。 事实上大多数岩石即使产生很小应变时，当卸完载荷后，
的应力超过岩石的强度极限(strength limit )（如图 3-2，应力 一应变曲线只能到C点）后，岩石会突然破坏。 在刚性实验机上可得到如图 3-2 所示的典型的全应力一应变 曲线（complete stress-strain diagram） 。
图 3-2
岩石应力应变全过程曲线
该曲线可分为四个阶段： (1)OA曲线 载荷由零逐渐增加到A点，曲线呈现微微向上弯曲的形状。 这是岩石试件内部存在一定微裂隙（crack ） ，当载荷增加时， 试件逐渐被压密所导致的结果。 该段曲线凹曲程度，取决于岩石中容易被压密的裂隙
《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。
岩石力学 第三章
14
17
（一）单轴压缩条件下的岩块变形 连续加载--变形特征
BC段：微破裂稳定发展阶段，变形随σ增加逐渐变为曲线关系 ¾ 变形主要表现为塑性变形 ¾ 试件内开始出现新的微裂隙，且随应力增加而逐渐发展 ¾ 载荷不变，微裂隙停止发展。微破裂出现，试件体积压缩 速率减缓，σ-εv曲线偏离直线向纵轴方向弯曲 ¾ 上界C点应力称为屈服极限
根据蠕变曲线的特征，岩石蠕变可划分为三个阶段
典型蠕变曲线
40
（三）岩石的蠕变性质
蠕变： ¾ 恒定荷载作用下，变形随时间逐渐增大的性质 ¾ 岩石蠕变现象十分普遍，在天然斜坡、人工边坡及地下洞 室中可以直接观测到
松弛：应变不变时，岩石中的应力随时间减少的现象 弹性后效：加载或卸载时，弹性应变滞后于应力的现象
岩心
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（二）三轴压缩条件下的岩块变形性
28
（二）三轴压缩条件下的岩块变形性 盐岩
29
（二）三轴压缩条件下的岩块变形性
30
5
（二）三轴压缩条件下的岩块变形性
（二）三轴压缩条件下的岩块变形性
σ3增大，弹性模量增大，软岩增大明显，致密的硬岩增大不明显 σ3增大，塑性不断增大，σ3增大到一定值，岩石由弹脆性转变为塑性 σ3增大，岩块从脆性劈裂破坏逐渐向塑性剪切及塑性流动破坏方式过渡
概念及测试方法
9 形状效应 9 尺寸效应 9 加荷速率 9 温度、湿度
36
6
（三）岩石的蠕变性质
外部条件不变时，岩石变形和应力受时间因素的影响 岩石变形或应力随时间而变化的现象-流变 岩石应力-应变关系与时间因素有关的性质-流变性 岩石的流变种类
¾ 蠕变 ¾ 松弛 ¾ 弹性后效
37
（三）岩石的蠕变性质
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
与时间有关： 弹性体 塑性体 粘性体
2023/9/13
《岩石力学》
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3.2.1 理想物体的本构模型
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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；
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3.1.1 蠕变
蠕变的三阶段和三水平
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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。
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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 。
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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。
岩石力学第3章 岩石的强度
• 4 试验大纲内容 ⑴工程概况及地质条件
⑵水工建筑物特点和主要岩石力学问题
⑶试验目的、试验内容和技术要求（方法、数量等）
⑷试验布置（代表性）
⑸仪器设备和人员安排
⑹计划进度
⑺提交的试验成果（试验报告）
• 试验成果的整理和分析要在了解建筑物布置方案、工程建筑类 型、持力方向、荷载大小以及地基、边坡和地下洞室岩体工程 地质条件与设计技术要求基础上，对资料逐项检查核对，分析 其代表性、规律性和合理性，并按照岩体类别、工程地质单元、 区段或层位进行归类、数理统计和综合分析，提出试验成果标 准值。
• 5 标准值的选取
⑴密度、单轴抗压强度、抗拉强度、点荷载强度、 波速等物理参数取算术平均值
⑵岩体变形模量用原位变形试验成果算术平均值
⑶软岩承载力取极限承载力的1/3与比例界限二者的 小值，（无）取（1/5-1/10）RC饱和或三轴试验； 坚硬岩、中硬岩（1/20-1/25、1/10-1/20） RC饱和
• 根据弹性力学知识，可以近似地计算岩样的 抗拉强度为：
• 优点：试验简单易行，仅用普通的压力机即 可， 可广泛应用。 缺点：试验结果与直接拉伸法存在差别。试 验可知，岩石的抗拉强度极限大致仅为同类 岩石抗拉强度的1/10-1/30，最坚硬的岩石的 抗拉强度也只有29.6MPa左右，而许多岩石 的抗拉强度小于1.96MPa。表3-1为某些岩石 的抗拉强度供参考。
• C 弱面剪切破坏
• 岩体中存在着许多软弱结构面，细微裂隙等弱面， 在荷载作用下，弱面上的剪应力一旦超过弱面的抗 剪强度时，岩体将弱面剪切破坏，致使岩体产生滑 移。（节理岩体中的地下洞室顶部岩块崩塌，洞侧岩石的 滑动、岩坡沿软弱面的失稳）
• 岩石的三种破坏形式
第三章 1 岩石的强度
第三章岩石的强度一、概述1．岩石强度岩石强度是指岩石的破坏形式以及岩石抵抗外力破坏的能力。
大坝建在岩基上，岩基是否能承受外加的荷载呢？高边坡陡峻耸立，它会不会发生坍塌呢？在岩体内开挖地下洞室，围岩是否会破坏？所有这些都与岩石强度密切相关。
主要问题就是外力多大时，以怎样的方式破坏。
2. 岩石强度的基本特点岩石强度：岩块强度和岩体强度。
岩块强度是岩体强度的基础，结构面则是对完整岩块强度的削弱。
因此，结构面的发育程度及产状和形态对岩体强度起重要影响作用。
岩性坚硬未风化的岩体：岩块强度很高，而结构面的强度则很低，这时岩体的强度主要取决于结构面的强度及产状；岩性软弱的(风化、破碎)岩体：其岩块强度很低，结构面的作用就不显著，这时岩体的强度就决定于岩石的强度。
有多条裂隙、并有地应力和渗流等作用时，岩体强度就产生较大变化。
因此，岩体的强度就变得十分复杂。
岩块强度与岩石性质的关系：完整岩块＞节理岩块（裂隙结构面上）结晶岩块＞碎屑岩（成因类型）结构致密＞非致密岩石（孔隙度）浅色矿物岩石＞深色矿物岩石（物质组成）细颗粒的结晶岩＞粗颗粒的结晶岩（岩石结构）3. 岩石的破坏形式岩石的破坏形式有以下几种：1).脆性破坏：在荷载作用下没有显著的变形就突然破坏。
大多数坚硬岩石在一定条件下都表现出脆性破坏的性质。
脆性破坏结果是产生裂缝，如，岩体的断层、裂隙等都属于脆性破坏。
2).延性破坏：岩石在破裂之前的变形很大，且没有明显的破坏荷载，表现出显著的塑性变形、流动或挤出。
塑性变形是岩石内结晶晶格错位的结果。
在一些软弱岩石中，这种破坏较为明显。
如洞底部及两侧围岩向洞内鼓胀。
坚硬岩石在高温影响下，也能产生延性破坏。
3).剪切破坏：由于岩层中存在裂隙、层理、软弱夹层等软弱结构面，岩体的整体性受到破坏。
在荷载作用下，这些软弱结构面上的剪应力大于该面上的强度时，岩体就发生沿着弱面的剪切破坏。
岩基和岩坡沿裂隙及软弱结构面滑动破坏均属此例，。
岩石力学-第三章01
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结构面实验方法
实验室试验法
倾 • 斜仪法 直 • 剪仪法 三 • 轴仪发
倾斜仪法
直剪仪法
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现场试验法
岩体、弱面、软夹层的现场压剪方法示意图
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岩体破碎程度的指标
裂隙度 o
o
裂隙度K是指沿着取样线方向，单位长度上节理 的数量。 设某节理取样线长度为L，沿L内出现节理的数 量为n，则 n K L
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岩体力学计算指标的选取与修正
原则上：岩体指标≈岩块指标，取岩块指标；岩体指
标<<岩块指标，取岩体指标； 岩体指标：有条件的，可作试验测定；不能试验的， 可暂先选取经验数据； 岩体内摩擦角≈岩块内摩擦角； 已知岩体的C和φ，可近似求得岩体单轴抗压强度： 2C cos Sc 1 sin 再根据格氏准则，可近似求得岩体抗拉强度： St 1 8 ~ 1 12 Sc 用岩体力学性质经验数据对工程进行的初步计算， 在工程开工后，应根据实测的应力，经资料加以适 当修正。
本摩擦角， 为结构面粗糙性系数。 JRC
当 JRC 0 ，上式变为
tanb
即转化成平滑节理（无黏结力）的库仑准则。
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3.2岩体的力学性质
3.2.1 岩体力学试验 一般概念
岩体与岩块的差异 o
o
组构方面：岩块含岩石材料及微小节理；岩体含 岩块及多组较大的节理； 力学性质方面 ：岩体比岩块弹模小、峰值强度 低、残值强度低、变形（蠕变）大、泊松比大、 各向异性；极端坚固完整岩体的强度≈岩块强度， 节理极端发育岩体的强度<< 岩块强度（几分 之一至几十分之一） 。
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第三章
3.1
1. 沉积岩中的沉积间断面属于哪一种类型的结构面？（）
（A）原生结构面（B）构造结构面（C）次生结构面
2. 断层属于哪一种类型的结构面？（）
（A）原生结构面（B）构造结构面（C）次生结构面
3. 卸荷作用下而形成的结构面属于哪一种类型的结构面? ( )
（A）原生结构面（B）构造结构面（C）次生结构面
简答
1. 在一定法向应力作用下，结构面在剪切作用下产生的切向变形形式有哪两种？
2. 影响结构面力学性质的因素。
3. 影响结构面剪切强度的因素。
判断：
1. 试验结果表明，对于较坚硬的结构面，剪切刚度一般是常数。
2. 试验结果表明，对于松软结构面，剪切刚度随法向应力的大小改变。
5. 结构面强度与试件尺寸成反比。
7. 当法向应力增大时，结构面尺寸效应将随之减小。
9. 随着结构面尺寸的增大，达到峰值强度的位移量增大；
10.随着结构面尺寸的增加，剪切破坏形式由脆性破坏向延性破坏转化。
11. 结构面尺寸加大，峰值剪胀角减小。
12.随结构面粗糙度减小，尺寸效应也减小。
13. 随着结构面尺寸的增大，达到峰值强度的位移量减小；
3.2
1.岩石质量指标RQD是指岩芯采取率。
2. 岩石质量指标RQD是指单位长度的钻孔中10cm以上的岩芯占有的比例。
选择
1. 我国工程岩体分级标准中是根据哪些因素对岩石基本质量进行修正的？（）。
①地应力大小；②地下水；③结构面方位；④结构面粗糙度。
（A）①，④（B）①，②（C）③（D）①，②，③
2.我国工程岩体分级标准中，岩石的坚硬程度指标为：（）
A）单轴抗压强度 B)饱和单轴抗压强度 C）抗压强度 D）抗剪强度
3.3
名词解释;
节理岩体
判断
1. 岩体是由各种形状的岩块和结构面组成的地质体。
2. 岩体中存在一组相互平行的结构面，垂直结构面和平行结构面，分别作抗压单轴试验时，在其它条件不多的情况下两者所对应的峰值强度大小相差很大。
3. 一般情况下，岩体的强度可由岩块强度来代表。
4. 岩体的强度不仅与组成岩体的岩石性质有关，而且与岩体内的结构面有关，此外，还与其所受的应力状态及地下水有关。
5. 结构面方位对岩体变形的影响随着结构面组数的增加而降低。
7. 结构面的密度对岩体变形的影响随着密度的增加而减少。
10．岩体的渗透系数是随应力增加而增加的。
11. 反复加卸载会使岩体的渗透系数降低，但是在三四个循环后，渗透系数基本稳定。
12. 反复加卸载次数越多，岩体的渗透系数越低。
13. 在低应力状态下，结构面的粗糙程度对结构面的抗剪强度有影响，即结构面粗糙度超高，
抗剪强度越大。
14. 在剪切破坏过程中，试件体积的变化是逐渐减小。
简答：
1. 岩体强度的决定因素。
2. 结构面方位对岩体强度的影响。
3. 岩体剪切变形曲线类型。
4. 影响岩体变形特性的主要因素。
选择：
1. 岩体的强度小于岩石的强度主要是由于（）。
（ A ）岩体中含有大量的不连续面（ B ）岩体中含有水
（ C ）岩体为非均质材料（ D ）岩石的弹性模量比岩体的大
2. 岩体的尺寸效应是指（）。
（ A ）岩体的力学参数与试件的尺寸没有什么关系（ B ）岩体的力学参数随试件的增大而增大的现象
（ C ）岩体的力学参数随试件的增大而减少的现象（ D ）岩体的强度比岩石的小
3. 影响岩体质量的主要因素为（）。
（A）岩石类型、埋深（B）岩石类型、含水量、温度
（C）岩体的完整性和岩石的强度（D）岩体的完整性、岩石强度、裂隙密度、埋深4. 地下水位以下测定岩体的渗透系数的方法有：（）
A）压水法B）抽水法C）注水法D）排水法
第四章
选择
1. 初始地应力主要包括（）。
（A）自重应力（B）构造应力（C）自重应力和构造应力（D）残余应力
2. 初始地应力是指（）。
（A）未受开挖影响的原始地应力（B）未支护时的围岩应力
（C）开挖后岩体中的应力（D）支护完成后围岩中的应力
3. 构造应力的作用方向为（）。
A、铅垂方向
B、近水平方向
C、断层的走向方向
D、倾斜方向
5. 下列关于岩石初始应力的描述中，哪个是正确的？（）。
（A）垂直应力一定大于水平应力（B）构造应力以水平应力为主
（C）自重应力以压应力为主（D）自重应力和构造应力分布范围基本一致
6. 测定岩体的初始应力时，最普遍采用的方法是（）
（A）应力恢复（B）应力解除法（C）弹性波法（D）模拟试验
7. 岩爆的防治措施有：（）
○1围岩加固○2改善围岩应力条件○3改变围岩性质○4施工安全措施
A）○1○2 B）○1○2○3 C）○1○2○3○4 D）○4
判断：
1. 地慢热对流引起的应力场是一种局部应力场。
2. 地心引力引起的应力场是地应力的主要组成部分。
3. 岩体中的自重应力和构造应力是初始应力场的主体。
4. 岩体中的自重应力和构造应力都是随着埋深呈线性增加的。
5. 最大水平主应力和最小水平主应力的值一般相差很大，显示出很强的方向性。
简答
1. 构造应力的总规律是以水平应力为主，我国地质学家李四光是如何解释的？
2. 高地应力区开挖地下洞室，有可能会遇到什么困难？
3. 岩爆产生的条件。
第五章
选择
1. 公路隧道把围岩分为几级：
A）四级B）五级C）六级D）七级
问答
1. 地下工程深浅埋分类的理论有哪些？我国是如何界定的？
2. 当围岩为弹性、连续、均匀、各项同性和微笑变形，圆形洞室开挖，地应力侧压力系数K为1时，洞周应力集中系数K为多少？侧压力系数满足什么情况下，洞壁不会出现拉应力？
3.下图为弹塑性围岩应力图，请解释图中分区的含义。
4. 请绘出水平和45 o节理分别在拉伸和压缩应力作用下节理裂隙扩展的方向。
5. 在弹性力学深埋圆形洞室解析解中侧压力系数K由0增长到1，在0°和90°位置，围岩应力的变化规律是什么？请给予解释。
6. 用自己的语言和图示解释围岩位移及支护特征曲线。
计算分析题：
1. 普氏理论围岩假定是什么？已知一块坚硬完整岩石的单轴抗压强度R c=21.Mpa ，容重γ=26KN/m3，C=5.Mpa,φ=60o，试求岩石的坚固性系数和似摩擦角。