岩石力学 第三章
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岩石力学-第三章01
2013-11-19
《岩石力学》
8
结构面剪切变形曲线
2013-11-19
《岩石力学》
9
从下图模型可以看出，结构面的剪切变形与岩石强
度、结构面粗糙性和法向力有关。
结构面剪切力学模型
2013-11-19
《岩石力学》
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抗剪强度
结构面抗剪强度一般可以用库仑准则描述：
c n tan
3.1岩体结构面的力学性质
3.1.1概念 结构面
天然岩体中往往具有明显的地质遗迹，如假整合、
不整合、褶皱、断层、节理、劈理等。他们在岩体 力学中一般都统称为节理。由于节理的存在，造成 了介质的不连续，因而这些界面又称为不连续面或 结构面。 所有的结构面中，最危险的是未充填的开口的光滑 节理面。 节理岩体的强度介于节理强度和岩块强度之间。
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《岩石力学》
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单节理面理论
单结构面理论分析图
2013-11-19
《岩石力学》
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莫尔应力圆，有：
1 1 2 2 1 ( 1 3 ) sin 2 2
( 1 3 ) ( 1 3 ) cos 2
结构面强度服从库仑准则 c w tan w 沿结构面AB产生剪切破坏的条件： 2(cw 3 tanw ) 1 3 (1 tanw cot ) sin 2
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《岩石力学》
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尺寸效应 o
o o
岩体与岩块的尺寸界限，由尺度效应（scale effect）试验决定； 各种岩石的尺度效应不同； 大部分岩石在 A >0.5~1.0m时，性状即稳定，故 通常可认为在该尺寸以上即代表岩体；（A为试 件的横截面积）
第3章岩石力学性质与分级
岩体的RMR值取决于五个通用参数和一个修正参数，这五个通 用参数为：
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
2019/1/27
《岩石力学》
8
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
2019/1/27
《岩石力学》
7
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
2019/1/27
《岩石力学》
15
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
2019/1/27
《岩石力学》
16
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》
8
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
2018年12月 10
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)
11
2018年12月
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)
12
2018年12月
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。
2018年12月
(据Paterson，1978)
2018年12月 4
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。
2018年12月
5
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。
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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2018年12月
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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2018年12月
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。
2018年12月
(据Paterson，1978)
2018年12月 4
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。
2018年12月
5
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
抗压试验 抗拉试验-巴西实验
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
p r0 t
c
P A
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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》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3-5章2015hyr
第3章 岩体的力学特性
本章主要内容 3.1 岩体中的结构面； 3.2 工程岩体分类； 3.3 岩体的强度特性； 3.4 岩体的变形特性； 3.5 岩体的水力学性质。
1
3.1岩体中的结构面
本节内容
（1）结构面的类型 （2）结构面的自然特征 （3）结构面的力学性质
2
3.1岩体中的结构面
●第一级凹凸度称为起伏度； ●第二级凹凸度称为粗糙度。
23
3.1岩体中的结构面 起伏度
侧壁的起伏度可以用起伏角i表示：
3.1.2结构面的自然特征平均起伏差平均Fra bibliotek线长度
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； ● i=90°时，结构面为台阶型的。
Watkins（1970）根据结构面间距对结构面（不连续面） 进行的分类，如表3-2所示（P48）。
37
3.1岩体中的结构面
3.1.2结构面的自然特征
结构面密度（间距）的工程意义：控制着岩体的完整 性和岩块的块度，是反映岩体的完整程度和岩石块体 大小的重要指标。结构面发育愈密集，岩体的完整性 愈差，岩块的块度愈小，进而岩体的力学性质差，渗 透性增强。
3.1岩体中的结构面
3.1.1结构面的类型
软弱夹层的类型
从成因上，软弱夹层也可划分为三种类型：
●原生软弱夹层：是指在成岩过程中形成的软弱夹层。 ●构造软弱夹层：主要是沿原有的弱面或软弱夹层经构造错动而
形成的，也有的沿断裂面错动或再次错动而成，如断层破碎带 等。 ●次生软弱夹层：是沿着薄层状岩石、岩体间接触面或原有 软弱面或软弱夹层，由次生作用参与形成的软弱夹层。
本章主要内容 3.1 岩体中的结构面； 3.2 工程岩体分类； 3.3 岩体的强度特性； 3.4 岩体的变形特性； 3.5 岩体的水力学性质。
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3.1岩体中的结构面
本节内容
（1）结构面的类型 （2）结构面的自然特征 （3）结构面的力学性质
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3.1岩体中的结构面
●第一级凹凸度称为起伏度； ●第二级凹凸度称为粗糙度。
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3.1岩体中的结构面 起伏度
侧壁的起伏度可以用起伏角i表示：
3.1.2结构面的自然特征平均起伏差平均Fra bibliotek线长度
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； ● i=90°时，结构面为台阶型的。
Watkins（1970）根据结构面间距对结构面（不连续面） 进行的分类，如表3-2所示（P48）。
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3.1岩体中的结构面
3.1.2结构面的自然特征
结构面密度（间距）的工程意义：控制着岩体的完整 性和岩块的块度，是反映岩体的完整程度和岩石块体 大小的重要指标。结构面发育愈密集，岩体的完整性 愈差，岩块的块度愈小，进而岩体的力学性质差，渗 透性增强。
3.1岩体中的结构面
3.1.1结构面的类型
软弱夹层的类型
从成因上，软弱夹层也可划分为三种类型：
●原生软弱夹层：是指在成岩过程中形成的软弱夹层。 ●构造软弱夹层：主要是沿原有的弱面或软弱夹层经构造错动而
形成的，也有的沿断裂面错动或再次错动而成，如断层破碎带 等。 ●次生软弱夹层：是沿着薄层状岩石、岩体间接触面或原有 软弱面或软弱夹层，由次生作用参与形成的软弱夹层。
岩石力学 第三章
14
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（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
27
（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
与时间无关： 刚体；
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
0
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《岩石力学》
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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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《岩石力学》
4
3.1.1 蠕变
蠕变的三阶段和三水平
2023/9/13
《岩石力学》
5
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。
2023/9/13
《岩石力学》
6
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 。
2023/9/13
《岩石力学》
17
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。
与时间有关： 弹性体 塑性体 粘性体
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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
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，
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。
东北大学岩石力学第三章重点
(1)地应力(天然应力、初始应力等）人类工程活动之前存在于岩体中的应力。
重分布应力（二次分布应力、附加应力等）由于工程活动改变了的岩体中的应力。
(2)地应力的成因：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以引起相应的应力场。
（ppt上：岩体自重、构造运动、流体作用、地温、地球化学作用等）研究表明，重力作用和构造运动是引起地应力的主要原因，水平方向的构造运动对地应力的形成影响最大，地球经历了无数次的构造运动，应力场经过多次叠加、牵引和改造，以及其他因素的影响，造成地应力的状态的复杂性和多变性，因而地应力的大小和方向不能计算，只能测量。
(3)地应力分布的一般规律:地应力是一个具有相对稳定性的非稳定应力场，它是时间和空间的函数。
实测垂直应力基本等于上覆岩层的重量。
水平应力普遍大于垂直应力。
平均水平应力与垂直应力的比值随深度增加而减小，但在不同地区，变化的速度很不相同。
(4)地应力测量的基本原理：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。
(5)水压致裂：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，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。
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
岩石力学课件第三章 岩体力学性质
当多孔连续介质岩土体中 充满流动的地下水时， 施加孔隙静水压力和动水压力作用，其中，动水 压力为：
? d ? ?J
τd 动水压力，γ地下水容重，J地下水水力坡度
当裂隙岩体充满流动的地下水时，施加一垂直于裂
隙壁面的静水压力和平行于裂隙壁面的动水压力，其
中，动水压力为：
?d
?
b ?J
2
b： 裂隙的隙宽， τd ，γ，J意义同上
?1?? 3?
?
节理面的存在不削弱岩块强度
当 ? ? ? ? ? 2 可能结构面破坏
③对 ?
求一阶导数，并令其为零得 tg 2 ?
?
?
1 f
?
此时节理面对岩体的强度削弱最大
? ? 45 ? ? ?
2
? ? ? ? ? 1 ? ? 3 min ? 2 ?c ? f ? 3 ? 1 ? f 2 ? f
图解法 : 直接在图 2－20量取；
千斤顶加轴向荷载 压力枕加围压荷载
图3-26原位岩体三轴试验 1一混凝土顶座；2、4、6－垫板； 3一顶柱；5一球面垫；7一压力枕； 8一试件；9一液压表；10一液压枕
§3.6.2结构面的强度效应
一、单节理和多节理的力学效应
（一）单节理的力学效应
设结构面的强度条件 ? ? c ? ? tg?
设节理的方向角为β 节面上的应力(图）
3.8 岩体质量评价及其分类
为了在工程设计与施工中能区分出岩体质量的好坏和表现在 稳定性上的差别，需要对岩体作合理的分类，以作为选择工 程结构参数、科学管理生产以及评价经济效益的依据之一。
第三章 岩体的力学特性
? 本章内容 ? 3.1 概述 ? 3.2 岩体结构基本类型； ? 3.3 岩体的结构面及其自然特征； ? 3.4 结构面的力学性质 ? 3.5 岩体的变形性质 ? 3.6 岩体的强度特性 ? 3.7 岩体的水力学性质 ? 3.8 岩体质量评价及其分类
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，。
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（一）单轴压缩条件下的岩块变形 连续加载--变形特征
弹性变形至微破裂稳定发展阶段(A→C)：曲线呈近似直线关系 AB段
9变形随σ呈直线关系增加 9该阶段为弹性变形阶段，变形可恢复 9B点应力称为弹性极限
（一）单轴压缩条件下的岩块变形 连续加载--变形特征
破坏后阶段(D点以后段)： ¾ 试件承载力达到峰值后，内部结构完全破坏，但基本保持整体状 ¾ 裂隙快速发展、交叉且相互联合形成宏观断裂面 ¾ 岩块变形主要表现为沿宏观断裂面的块体滑移，试件承载力随变形 增大迅速下降，但并不降到零。说明破裂的岩石仍有一定承载能力
卸载点（P）应力高于岩石弹性极 限(A)：卸载曲线偏离原加载曲线 ，不再回到原点，变形除弹性变形 (εe)外，还将出现塑性变形(εp)
循环加载
24
4
（一）单轴压缩条件下的岩块变形 同一应力水平下多次循环加卸载
应力高于弹性极限，低于屈服极限 9 曲线随反复加、卸荷次数增加而逐渐变陡 9 回滞环逐渐面积变小 9 残余变形逐次增加，岩块的总变形等于各 次循环产生的残余变形之和-累积变形 9 岩块的破坏产生在反复加、卸荷曲线与应 力-应变全过程曲线交点处。这时的循环 加、卸荷试验所给定的应力-疲劳强度 9 疲劳强度比岩块单轴抗压强度低且与循环 持续时间等因素有关的值
稳定蠕变σC：低应力状态下 发生的蠕变
不稳定蠕变σA 、σB ：较高 应力状态下发生的蠕变
（三）岩石的蠕变性质 蠕变曲线特征—蠕变三个阶段
等速蠕变阶段/稳定蠕变阶段(BC段) 曲线呈近似直线，应变随时间近似等速增加，直到C点 若卸载，则应变将沿TUV线恢复，保留永久应变εp
加速蠕变阶段(CD段)：蠕变加速发展直至岩块破坏(D点)
在压力机上进行。将岩石样品置于压力机承压板之间轴向加荷，岩样破 坏时的应力值
实验样品
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第二节 岩块的强度性质及实验室测试方法
岩块的强度：岩块抵抗外力破坏的能力 根据受力状态不同，岩块的强度可分为：单轴抗压强度、
单轴抗拉强度、剪切强度、三轴压缩（抗压）强度等
一、岩石的抗压强度
概念及测试方法
类型F(弹性-蠕变型) ¾ 开始为一很小的直线段，随后出现不 断增长的塑性变形和蠕变变形 ¾ 盐岩等蒸发岩、极软岩等的特征曲线
（一）单轴压缩条件下的岩块变形 连续加载----峰值前岩块的变形特征
剪切模量(G) 体积模量(Kb)
（1）前过程曲线类型及特征
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（2）变形参数
23
（一）单轴压缩条件下的岩块变形 连续加载----峰值前岩块的变形特征
一、岩石的抗压强度 二、岩石的抗拉强度 三、岩石的抗剪强度 四、岩石的硬度及断裂韧性 五、岩石强度参数的矿场获取 六、影响岩石力学性质的因素
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一、岩石的抗压强度
概念及测试方法
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8
一、岩石的抗压强度
概念及测试方法
二、岩石的抗拉强度
9 岩石的单轴抗拉强度（抗拉强度）：单向拉伸条件下， 岩块能承受的最大拉应力
弹性模量E 9 应力-应变曲线中部直线段的斜率
泊松比(μ) 9 横向应变（εd）与轴向应变（εL）之比
9 一般采用σc/2处的εd与εL计算
（2）变形参数
21
（一）单轴压缩条件下的岩块变形
1、弹性岩石：加、卸载路径重合 2、非弹性岩石：
卸载点（P）应力低于岩石弹性极 限(A)：卸载曲线将基本沿加载曲 线回到原点-弹性恢复
岩心
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（二）三轴压缩条件下的岩块变形性
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（二）三轴压缩条件下的岩块变形性 盐岩
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（二）三轴压缩条件下的岩块变形性
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（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
9 巴西劈裂法：实验室常用方法
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一、岩石的抗压强度
概念及测试方法
二、岩石的抗拉强度
9 巴西劈裂法：沿着圆柱体直径方向施加集中载荷，试件受力后 沿着受力的直径方向裂开。 圆柱形岩样：
立方形岩样：
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一、岩石的抗压强度
常见岩石的单轴抗压强度
岩石名称 砂岩 页岩 灰岩 白云岩 砾岩
抗压强度（MPa） 20-200 10-100 20-200 80-250 10-150
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
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（二）三轴压缩条件下的岩块变形性
岩石破坏前应变随σ3增大而增大。 围压对变形破坏产生的影响 岩石的峰值强度随σ3增大而增大。
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本章第一次作业
1、利用文件“作业1-1.xls、作业1-2.xls”中的实验数据，完 成以下分析：
（1）两块岩心的尺寸（岩心直径、岩心长度） （2）两块岩心的峰值强度、实验围压 （3）计算两块岩心的弹性模量、泊松比 （4）根据计算机绘制出的应力-应变曲线特征，在作业本 上示意地画出应力-应变曲线（注意曲线典型特征），并分 析围压对变形及强度的影响。
线性应变
受力与变形
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二、岩块的受力与变形性质
9 荷载施加方式不同，岩石表现出的变形性质、强度特 征不同
9 力—变形
单轴加载
压缩 拉伸
连续加载 循环加载
逐级一次循环加载 重复循环加载
加载方式
三轴加载
加剪力
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一、基本概念
受力与变形
角度变化
Δx
τ
γ = Δx = tan Ψ
L
L 施加力后
Ψ
τ 剪应变
常见岩石的弹性模量和泊松比
岩石名称 砂岩 页岩 灰岩 白云岩 砾岩
弹性模量（×104MPa） 1-10 2-8 5-10 4-8 2-8
泊松比 0.2-0.3 0.2-0.4 0.2-0.35 0.2-0.35 0.2-0.3
（2）变形参数
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（一）单轴压缩条件下的岩块变形 连续加载----峰值前岩块的变形特征
（三）岩石的蠕变性质 蠕变曲线特征—蠕变三个阶段
初始蠕变阶段(AB段)/减速蠕变阶段
9 曲线下凹，应变最初随时间增大较快，但应变率随时间迅 速递减，B点达最小值
9 若卸载，则应变沿PQR下降至零。但卸荷后应力立即消失， 应变则随时间逐渐恢复，二者恢复不同步-弹性后效
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（三）岩石的蠕变性质
蠕变的两种类型
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（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
实验室试验标准（1972年国际岩石力学学会建议） 9 圆柱体直径最好不少于54mm；高径比约为2.5～3.0 9 圆柱体端面彼此平行并垂直于圆柱体的轴线，且磨平 9 试验机最少应当有一个球形接头，需要涂少量矿物润滑油 9 承压板必须磨光，样品必须放在承压板中心
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第二节 岩块的强度性质及实验室测试方法
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
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（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
点:峰值强度 9 破坏后阶段(DE)
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（一）单轴压缩条件下的岩块变形
孔隙裂隙压密阶段(O→A)：
连续加载--变形特征
¾ 原有张开性结构面或微裂隙逐渐闭合，岩石被压密，形成早
期非线性变形
¾ 曲线呈上凹型，曲线斜率随应力增加而逐渐增大。表明微裂
隙初始闭合较快，之后逐渐减慢 ¾ 裂隙化岩石，特别是低角度裂缝发育岩石较明显
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一、基本概念
受力与变形
应变：
9 应力作用下，物体变形（尺寸和形状）的度量
9 应力作用的结果
9 无因次量
9 常用符号
ε ：正应变
γ ：剪应变
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一、基本概念 体积变化
σx σy
V0
受力与变形
σz
σz 体积应变
σy σx V
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一、基本概念 长度变化-----伸长或缩短
ε=(L-L0)/L0=∆L/L0
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（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
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（三）岩石的蠕变性质
蠕变曲线特征
在加载的瞬间，岩块产生一瞬时应变(OA段)，随后便产生 连续不断的蠕变变形
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（三）岩石的蠕变性质
影响蠕变的因素---岩性
岩石在室温和10MPa压应力下的蠕变曲线
石膏在不同应力下的蠕变曲线
受岩石组成、结构 受温度、湿度影响
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一、岩石的抗压强度
岩石抗压强度
概念及测试方法
¾ 单轴抗压强度：单向压缩条件下，岩块能承受的最大压应力 ¾ 三轴抗压强度：三向压应力作用下，岩石能抵抗的最大的轴向应力