岩石力学考试知识点

主要内容：岩石力学是研究岩石的力学性状的一门理论和应用学科，它是力学的一个分支，是探讨岩石对其周围物理环境中立场的反应。

岩石力学是一门认识和控制岩石系统的力学行为和工程功能的学科。

岩石力学是一门关于岩石的力学效应和工程岩体的力学行为规律的学科。

地应力：是存在于地层中的未受工程扰动的天然应力，也称岩体初始应力、绝对应力或原岩应力。

它是引起各种地下或露天岩石开挖工程变形和破坏的根本作用力。

决定洞室布置的决定性因素之一，稳定性分析的重要参数。

重力作用和构造运动是引起地应力的主要原因。

地应力的成因：大陆板块边界受压\地幔热对流\板块边界受压\岩浆侵入\岩体自重应力场地应力测量基本原理：测量原始地应力就是确定存在于拟开挖岩体及其周围区域的未受扰动的三维应力状态，这种测量通常是通过一点一点的量测来完成的。

岩体中一点的三维应力状态可由选定坐标系中的六个分量σx ，σy ，σz ，τxy ,τyz ,τxz 来表示。

直接测量法：由测量仪器直接测量和记录各种应力量，并由这些应力量和原岩应力的相互关系，通过计算获得原岩应力值。

间接测量法：借助某些传感元件或某些介质，测量和记录岩体中某些与应力有关的间接物理量的变化，然后由测得的间接物理量的变化，通过已知的公式计算岩体中的应力值。

应力解除法原理：当需要测定岩体中某点的应力状态时，人为的将该处岩体单元和周围的岩体分离，此时，岩体单元上所受的拉力将被解除。

同时，该单元体的几何尺寸也将产生弹性恢复。

应用一定的仪器，测定弹性恢复的应变值或变形值，并且认为岩体时连续、均质和各向同性的弹性体，于是就可以借助弹性理论的解答计算岩体单元所受的应力状态。

步骤:(1)在测试地点打大孔(2)从大孔底打同心小孔(3)在小孔中央位置安装测量探头(4)用薄壁钻头延伸大孔，使小孔周围岩芯实现应力解除（5）将岩芯与探头一并取回，进行围压率定和温度标定试验。

（6）数据修正和处理，计算地应力值直接测量法(水压致裂法)：原理：水压致裂系统将钻孔某段封隔起来，并向该段钻孔注入高压水，当水压超过3σ2-σ1和岩石抗拉强度T之和后，在θ＝0º处，也即所在方位将发生孔壁开裂。

设钻孔壁发生初始开裂时的水压为P i，则有P i=3σ2-σ1+T如果继续向封隔段注入高压水，使裂隙进一步扩展，当裂隙深度达到3倍钻孔直径时，此处已接近原岩应力状态，停止加压，保持压力恒定，将该恒定压力记为P s,P s应和原岩应力σ2相平衡，即P s2=σ2在钻孔中存在裂隙水的情况下，如封隔段处的裂隙水压力为P0,则Pi=3σ2-σ1+T-P0在初始裂隙产生后，将水压卸除，使裂隙闭合，然后再重新向封隔段加压，使裂隙重新打开，记裂隙重开时的压力为P r，则有P r=3σ2-σ1- P0由以上两式求σ1和σ2就无须知道岩石的抗拉强度。

因此，由水压致裂法测量原岩应力将不涉及岩石的物理力学性质，而完全由测量和记录的压力值来决定。

步骤：1）打钻孔到准备测量应力的部位，井将钻孔中待加压段用封隔器密封起来，钻孔直径与所选用的封隔器的直径相一致。

封隔器一般是充压膨胀式的，充压可用液体，也可用气体。

2）向二个封隔器的隔离段注射高压水，不断加大水压，直至孔壁出现开裂，获得初始开裂压力；然后继续施加水压以扩张裂隙，当裂隙扩张至3倍直径深度时，关闭高水压系统，保持水压恒定，此时的应力称为关闭压力，记为；最后卸压，使裂隙闭合。

在整个加压过程中，同时记录压力-时间曲线图和流量-时间曲线图，确定P i，P s值。

3）重新向密封段注射高压水，使裂隙重新打开并记下裂隙重开时的压力P r和随后的恒定关闭压力P s。

这种卸压-重新加压的过程重复2—3次，以提高测试数据的准确性。

P r和P s同样由压力-时间曲线和流量-时间曲线确定。

4）将封隔器完全卸压，连同加压管等全部设备从钻孔中取出。

5）测量水压致裂裂隙和钻孔试验段天然节理、裂隙的位置、方向和大小，测量可以采用井下摄影机、井下电视、井下光学望远镜或印模器。

岩石的孔隙性：天然岩石包含着数量不等，成因各异的孔隙和裂隙，是岩石的重要结构特征之一，统称为岩石的孔隙性。

用孔隙率n表示水理性：岩石与水相护作用时所表现的性质称为岩石的水理性。

包含岩石的吸水性，透水性，软化性和抗冻性。

软化性：岩石浸水后强度降低的性能称为岩石的软化性，岩石的软化性常用软化系数来表示。

软化系数是岩样保水状态的抗压强度与自然风干状态抗压强度的比值，用小数表示，ηc=σcw/σ c η（η≤1）越小，表示岩石受水的影响越大。

岩石的抗冻性：岩石抵抗冻（胀）融破坏的性能，通常用抗冻系数表示。

岩的抗冻系数是指岩样在±25℃的温度区间内，反复降温、冻结、升温、融解，其抗压强度有所下降，岩样抗压强度的下降值与冻融前的抗压强度之比：c f=(σc-σcf)/σ c c f 越大，抗冻性越差。

岩石的强度：岩石在各种荷载作用下达到破坏时所能承受的最大应力称为岩石的强度。

如在单轴压缩荷载作用下能承受的最大压应力称为单轴抗压强度。

进行岩石强度试验所选用的试件必须是完整岩块，而不应包含节理裂隙。

影响因素：试件尺寸、试件形状、试件三维尺寸比例、加载速率、湿度。

岩体的强度：岩体的强度是指岩体抵抗外力破坏的能力。

它有抗压强度、抗拉强度和抗剪强度之分。

水对岩石强度的影响：结合水：产生三种作用：连结作用、润滑作用、水楔作用。

连结作用：将矿物颗粒拉近、接紧，起连结作用。

润滑作用：可溶盐溶解，胶体水解，使原有的连结变成水胶连结，导致矿物颗粒间连结力减弱，摩擦力减低，水起到润滑剂的作用。

水楔作用：当两个矿物颗粒靠得很近，有水分子补充到矿物表面时，矿物颗粒利用其表面吸着力将水分子拉到自己周围，在两个颗粒接触处由于吸着力作用使水分子向两个矿物颗粒之间的缝隙内挤入。

孔隙压力作用：孔隙压力，减小了颗粒之间的压应力，从而降低了岩石的抗剪强度，使岩石的微裂隙端部处于受拉状态从而破坏岩石的连结。

溶蚀－潜蚀作用：岩石中渗透水在其流动过程中可将岩石中可溶物质溶解带走，有时将岩石中小颗粒冲走，使岩石强度大为降低，变形加大。

除了上述五种作用外，水在冻融时的胀缩作用对岩石力学强度破坏很大岩石强度理论：是研究岩石在各种应力状态下的强度准则的理论，强度准则又称破坏判据，它表征岩石在极限应力状态下(破坏条件)的应力状态和岩石强度参数之间的关系。

库仑准则：观点：①岩石破坏为剪切破坏；②岩石抗能力由两部分组成（内聚力、内摩擦力）。

③强度准则形式－直线型：τ=C+σtanφ应用：①判断岩石在某一应力状态下是否破坏（用应力圆）。

②预测破坏面的方向③进行岩石强度计算。

评价：①是最简单的强度准则，是莫尔强度理论的一个特例。

②不仅适用于岩石压剪破坏，也适用于结构面压剪破坏。

③不适用于受拉破坏。

莫尔强度理论的评价：优点：①适用于塑性岩石，也适用于脆性岩石的剪切破坏；②较好解释了岩石抗拉强度远远低于抗压强度特征；③解释了三向等拉时破坏，三向等压时不破坏现象；④简单、方便:同时考虑拉、压、剪,可判断破坏方向. 不足：①忽视了σ2 的作用，误差：±10％；②没有考虑结构面的影响；③不适用于拉断破坏；④不适用于膨胀、蠕变破坏。

格里菲斯强度理论基本假设（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。

优点：①岩石抗压强度为抗拉强度的8倍，反映了岩石的真实情况；②证明了岩石在任何应力状态下都是由于拉伸引起破坏；③指出微裂隙延展方向最终与最大主应力方向一致。

不足：①仅适用于脆性岩石，对一般岩石莫尔强度准则适用性远大于Griffith准则。

②对裂隙被压闭合，抗剪强度增高解释不够。

③Griffith准则是岩石微裂隙扩展的条件，并非宏观破坏。

流变：指材料的应力-应变关系与时间因素有关的性质，材料变形过程中具有时间效应的现象，称为流变现象。

岩石的变形不仅表现出弹性和塑形，而且也具有流变性质，岩石的流变包括蠕变、松弛、弹性后效。

蠕变是当应力不变，应变随时间增加而增长的现象。

蠕变三水平，蠕变三阶段（减速、等速、加速）不稳定蠕变稳定蠕变松弛是当应变不变，应力随时间增加而减小的现象。

弹性后效是加载或卸载时，弹性应变滞后于应力的现象。

锚杆的作用力锚杆支护是通过布置在岩体内的锚杆及其辅助构件所提供的各种作用力，使岩体中的应力状态得到一定改善，并使岩体的变形模量及强度指标得到一定的提高，从而对岩体变形及破坏产生一定的控制，最终达到加固、支护的效果。

概括起来，锚杆及其辅助构件对岩体的作用力包括锚杆的轴向作用力、锚杆的横（或斜）向作用力以及锚杆尾部辅助构件（如托盘、刚梁、锚网等）对岩体施加的托锚力等。

锚杆的轴向作用力轴向作用力是指锚杆作用于岩体的平行于杆体长度方向的作用力，是锚杆最主要的作用力，它是锚杆与岩体有机结合的保证，也是产生托锚力的必要条件。

轴向作用力情况主要可由锚杆的轴向正应力（锚杆横截面上的正应力）或轴力（锚杆横截面上轴向应力的合力）和粘锚力（锚杆与围岩接触面上的剪切作用力）来反映。

数值模拟研究结果表明，锚杆与围岩性能的相对差异程度、锚固体所处的应力场特征、锚固方式以及锚固长度等不相同时，轴向作用力的产生机理、作用力大小及其分布特征等也不尽相同。

通常，锚杆的轴向变形模量大于岩体的轴向变形模量，而锚杆的泊松比小于岩体的横向变形模量，由此导致在同一应力场作用下两者变形量大小及相对位移大小的差异，锚杆的轴向作用力即因此而产生。

通常，锚杆的作用效果就是对岩体在应力场作用下所发生的变形产生约束，即当岩体产生拉伸变形时锚杆给其以挤压作用，当岩体产生压缩变形时锚杆给其以拉伸作用。

轴向作用力的产生方式因锚固方式的不同而有所差异：机械式锚固时，轴向作用力主要靠锚杆与岩体间的摩擦作用产生；粘结式锚固时，轴向作用力靠由锚固剂所形成的锚杆与围岩间的粘结及摩擦作用而产生。

锚杆的横向作用力锚杆的横向作用力指锚杆因对围岩沿锚杆轴向以外的任意方向发生剪切变形及围岩间相对位移的约束作用而在横截面及斜截面上所产生的剪应力以及在粘结面（锚杆表面）上所产生的法向应力。

这种约束作用主要包括阻止围岩沿弱面滑移、阻止围岩中产生新的剪切破坏面以及阻止围岩中的块体产生相对回转等作用。

通常，在一定应力场的作用下岩体中会产生以下类型的横向位移或位移趋势：1）各部分间会沿弱面发生相对错动；2）沿特定方向产生新的剪切破坏面并沿此破坏面发生错动；3）碎块状岩体发生转动。

安装锚杆后这些横向位移将受到锚杆的约束，锚杆中的横向作用力也由此而产生。

横向作用力产生的条件可概括为三个：①锚固范围内的围岩产生一定量的横向（斜向）剪切变形甚至相对错动。