岩石力学实验

绪
论
四、岩石力学与工程的发展前景
水利枢纽工程，水电站大坝； 地下厂房、储油库； 露天矿边坡； 深井开采； 跨海隧道； 计算机数值模型，有限元位移反分析方法，有限元强度折减法 流变模型，流变实验，大变形理论，巷道流变大变形控制技术；
非线性模型的唯一性，非线性方法，人工智能；
第二章 岩石力学试验
2.1 岩石物理性质与 简单应力状态下的岩石力学实验
>2.5
3.0~4.0
0.3~0.5
>2
破碎镶 嵌结构
>60
>2.5
3.0~4.5
0.3~0.5
>2
主要工程地质特征 岩石强度指标 围岩 级别 岩体结构 构造影响程度，结构面发育情况和组 合状态 岩体声波指标 岩土强 度应力 比 毛硐稳定情况
单轴饱和抗压强度 σcw(MPa)
点荷载强度 （MPa）
绪 论
二、岩石力学的基本研究内容和研究方法
1、研究内容
（1）岩石与岩体的地质特征：物质组成与结构，结构面与岩体的性质， 岩体工程分级；
（2）岩石物理、水理与热力学性质；
（3）岩石的基本力学性质：变形与强度力学参数，测试技术，变形破坏 机理； （4）结构面力学性质：法向与切向变形与强度； （5）岩体力学性质：测试，结构弱化，水运移； （6）地应力测量； （7）岩体工程围岩稳定性及其控制； （8）工程岩体模拟实验方法 （9）岩体工程稳定性的数值模拟计算 （10）各种新理论、新方法、新技术的应用
绪 论
3、经典理论阶段（20世纪30—60年代）
这是岩石力学形成的重要阶段； 弹性力学、塑性力学和流变理论被引入岩石力学，导出经典计算公式；
形成围岩与支护体共同作用理论，结构面影响受到重视；
实验方法完善； 连续介质理论特点与不足；
后来的有限单元方法被引入；地应力测量受到重视；
地质力学理论；奥地利学派； 4、现代发展阶段（ 20世纪60年代至今） 现代力学、数学、计算机数值分析方法的广泛应用 流变学、断裂力学、非连续介质、数值方法、人工智能，神经网络，专家 系统； 损伤力学、离散元法、DDA法(数字微分分析法) 、数值流形分析； 非线性理论，分叉混沌理论等。
《锚杆喷射混凝土支护技术规范》（GBJ86—85）
围岩分级
主要工程地质特征 围 岩 级 别 岩石强度指标 岩体结 构 构造影响程度，结构面发育 情况和组合状态 单轴饱和抗压 强度 σcw(MPa) 点荷载强 度（MPa） 岩体声波指标 岩体纵波速 度（km/s） 岩体完整性 系数 岩土 强度 应力 比 毛硐稳定情况
3、岩石的地质成因： 岩浆岩 沉积岩
变质岩
2.1 岩石物理性质与 简单应力状态下岩石力学实验
源自文库
二、岩石的物理性质
1、岩石的容重（ ）, kN/m3，单位体积的重量。

W V
2、岩石的比重（ GS ）；岩石固体部分的重量与4°C同体积 纯水重量的比值。
GS Ws Vs w
3、岩石的孔隙率（n）：岩石中空隙体积与总体积之比。

4 2
金尼克（A.H.ΠHHHHK）的侧压理论：
2、经验理论阶段（ 20世纪初—20世纪30年代） 普罗托吉雅克诺夫—普氏理论：顶板围岩冒落的自然平衡拱理论（当开掘巷道以后,经过一定时间,巷 道顶板岩石总是自然而然成为某一种拱形而稳定下来。一方面,由于自然平衡拱对于支架受力大小有 密切关系;另一方面,利用自然平衡拱状态来维护巷道,可以大大节约支架材料,因此,对自然平衡拱的成 因、形状和尺寸的研究,有很大意义。众所周知,普氏提出的自然平衡拱抛物线形状）； 太沙基：塌落拱理论。
造岩矿物（具有一定化学成分和物理性质的自然元素和化合物）：正长石、斜长石、石英、 云母、角闪石、辉石、橄榄石、方解石、白云石、高岭石、赤铁矿等。
粘土矿物：蒙脱石、高岭石、伊利石。 岩石结构连结类型：结晶连结（如岩浆岩），胶结连结----硅质、铁质、钙质、泥质
岩石内部细观结构面：晶粒边界，粒间空隙，晶格缺陷；

岩石力学的主要课题是解明岩石力学性质；岩体状态的预测。 岩石力学的根基：力学、物理、实验等方面。
岩石力学：弹性力学、塑性力学、流变力学
岩石力学是一门新兴边缘学科，是一门应用性与实践性很强的应用基础学科。 应用涉及采矿、土木建筑、水利水电、铁路、公路、地质、地震、石油、地下工程、 海洋工程等工程领域。
n Vv 100% V
二、岩石的物理性质
4、岩石的水理性：
天然含水率（w） ，岩石空隙含水的质量与固体质量之比。
w mw 100% ms
m0 ms 100% ms mP ms 100% ms
岩石的吸水率（ wa ） ，岩石吸入水的质量与固体的质量之比。 自然吸水率
Wa Wsa
>2 毛硐跨度 5~10m时，围 岩能维持一个 月以上的稳定， 主要出现局部 掉块、塌落。
构造影响较重。结构面发育， 一般为3组，平均间距 0.2~0.4m，以构造解理为主， 解理面多数闭合，稍有泥质 >60(软岩>20) 充填。岩层为薄层或以硬岩 为主的软硬互层，层间结合 良好，少见软弱夹层、层间 错动和层面张开现象。 构造影响较重。结构面发育， 一般为3组以上，平均间距 0.2~0.4m，以构造结理为主， 结理面多数闭合，稍有泥质 充填，块体间牢固咬合。
同Ⅰ级围岩特性 构造影响较重，有少量断层。 结构面较发育。一般为3组， 平均间距0.4~0.8m，以原生 和构造解理为主，多数闭合， 偶有泥质充填 ，贯通性较 差，有少量软弱结构面。层 间结合较好，偶有层间错动 和层面张开现象。 30~60 1.25~2.5 3.7~5.2 >0.75
—
毛硐跨度 5~10m时，长 期稳定，一般 无碎块掉落

岩石力学的几个特点：
天然材料；非连续介质；释放载荷。
绪 论
一、岩石力学的发展历史与概况
1、初始阶段（19世纪末—20世纪初） 1912年海姆（A.Hmeim）提出了静水压力理论， 朗金（W.J.M.Rankine）的侧压理论：
H

H ， tan 2 ( ) H， 1
Ⅰ
整体状 及层间 结合良 好的厚 层状结 构
构造影响轻微，偶有小断层。 结构面不发育，仅有2~3组， 平均间距大于0.8m，以原生 《锚杆喷射混凝土支护技术规范》（GBJ86—85） >60 >2.5 >5 >0.75 和构造解理为主，多数闭合， 无泥质充填，不贯通。层间 结合良好，一般不出现不稳 定块体。
同Ⅰ级 围岩结 构
块状结 构和层 间结合 较好的 中厚层 或厚层 状结构
— 冒硐跨度 5~10m时，围 岩能较长时间 （数月至数年） 维持稳定，仅 出现局部小块 掉落
Ⅱ
>60
>2.5
3.7~5.2
>0.75
>2
主要工程地质特征 围 岩 级 别 岩石强度指标 岩体结 构 构造影响程度，结构面发育 情况和组合状态 单轴饱和抗压 强度 σcw(MPa) 20~30 点荷载强 度（MPa） 岩体声波指标 岩体纵波速 度（km/s） 岩体完整性 系数 岩土 强度 应力 比 毛硐稳定情况
2.4 岩石压缩变形破坏过程
2.5 岩石细观结构模型与压缩破坏机理 2.6 岩石的应力应变关系
主要参考书
[1] 《矿山岩体力学》，高延法、张庆松编著，中国矿业大学出版社，2000 [2] 《岩石力学与工程》，蔡美峰 主编，科学出版社，2002 [3] 《高等岩石力学》，周维垣主编，中国水利水电出版社，1990
饱和吸水率
mo_浸水48h的质量；mP—煮沸或真空抽气饱和后的质量。
cc 岩石的渗透系数k，岩石的软化系数。 Rcd v 渗透速率 Rcc饱和单轴抗压强度 k R 干燥单轴抗压强度 I 水头梯度
R
2.1 岩石物理性质与 简单应力状态下岩石力学实验
简单应力状态下岩石力学实验
>30
>1.25
>2.0
>0.15
>2
毛硐跨度5~10m时， 围岩能维持数日到 一个月的稳定，主 要失稳形式为冒落 或片帮
层间结合不 良的薄层、 中厚层和软 硬岩互层结 构
构造影响严重，结构面发育，一般为 3组以上，平均间距0.2~0.4m,以构造、 风化节理为主，大部分微张 （0.5~1.0mm）.部分张开（>1.0）， 有泥质充填，层间结合不良，多数夹 泥，层间错动明显 构造影响严重，多数为断层影响带或 强风化带。结构面发育，一般为3组 以上，平均间距0.2~0.4m,大部分微张 （0.5~1.0mm）.部分张开 （>1.0mm），有泥质充填，形成许 多碎块体。 构造影响很严重，多数为破碎带、全 强风带、破碎带交汇部位。构造及风 化节理密集，节理面及其结合杂乱， 形成大量碎块体。块体间多数为泥质 充填，甚至承石夹土或土夹石状
>30（软岩>10）
>1.25
2.0~3.5
0.2~0.4
>1
破碎状结构
>30
>1.25
2.0~3.5
0.2~0.4
>1
Ⅴ
散体状结构
—
—
<2.0
—
—
毛硐跨度5m时,围岩 稳定时间很短，约 数小时至数日
绪
2、研究方法
（1）工程地质研究方法 （2）科学实验方法 （3）数学力学分析方法 （4）整体综合分析方法
岩体纵波速度 （km/s）
岩体完整性系数
同Ⅱ级围岩 块状结构和 层间结合较 好的中厚层 或厚层状结 构
同Ⅱ级围岩块状结构和层间结合较好 的中厚层或厚层状结构特征
10~30
0.42~1.25
2.0~3.0
0.5~0.75
>1
Ⅳ
散块状结构
构造影响严重，一般为风化卸荷带。 结构面发育，一般为3组，平均间距 0.4~0.8m,以构造节理、卸荷、风化裂 隙为主，贯通性好，多数张开，夹泥、 夹泥厚度一般大于结构面的起伏高度， 咬合力弱，构成较多的不稳定块体
论
三、岩石力学研究的主要问题
1、水利水电工程 2、采矿工程 3、隧道工程 4、土木建筑工程 5、石油工程 6、海洋勘探与开发工程 7、核废料处理 8、地热开发 9、地震预报
三峡水利枢纽工程
长江三峡船闸，双线五级，是当 前世界级数最多、总水头和级间输 水水头最高的内河船闸，主体部分 由高山中深挖而成，于1994年开工 建设，2003年6月试通航。
[4] 《岩石力学基础》，张清、杜静编著，中国铁道出版社，1997
[5] 《岩石力学简明教程》，李世平等编．北京：煤炭 工业出版社，1996 [6] 《岩体力学》，沈明荣主编．上海：同济大学出版社，1999
第一章 绪 论

岩石力学是研究岩石的力学性质的一门理论与应用科学，它是力学的一个分支，它探
讨岩石对其周围物理环境中力场的反应。
同Ⅰ级 围岩结 构 同Ⅱ级 围岩块 状结构 和层间 结合较 好的中 厚层或 厚层状 结构 Ⅲ 层间结 合良好 的薄层 和软硬 岩互层 结构
同Ⅰ级围岩特征
0.85~1.25
3.0~4.5
>0.75
>2
同Ⅱ级围岩块状结构和层间 结合较好的中厚层或厚层状 结构特征
30~60
1.25~2.5
3.0~4.5
0.5~0.75
2.2 常规三轴压力试验与围压效应
2.3 真三轴压力试验与中间主应力效应 2.4 岩石压缩变形破坏过程 2.5 岩石细观结构模型与压缩破坏机理 2.6 岩石的应力应变关系
2.1 岩石物理性质与 简单应力状态下岩石力学实验 岩石物理性质
一、岩石的组成与结构
1、概述 由矿物和或岩屑在地质作用下按一定规律聚集而形成的自然体。 2、岩石的构成与成分
岩石单轴抗压强度：岩石试件在无侧限条件下，受轴向力 作用破坏时， 单位面积上所能承受的荷载。
P Rc A
2.1 岩石物理性质与 简单应力状态下岩石力学实验
简单应力状态下岩石力学实验 一、岩石单轴压缩试验
岩石单轴压缩试验是最简单的岩石力学试验，通常岩石试件做成
棱柱体或圆柱体，要求圆柱体高径比大于2～3，试件端面光洁、平整， 两端面平行且垂直于轴线。岩石的单轴抗压强度和弹性模量等力学参 数取决于岩石的组成结构、矿物颗粒性质以及微观裂隙等。虽然单轴 压缩是最简单的强度实验，但因与许多因素相关，岩石试件内的应力 分布，破坏方式和强度值都会受到影响。 ① 压力试验机的刚性； ② 承压板与试件端面的摩擦； ③ 试件几何形态(形状、高径比和尺寸)； ④ 加载速度。
研究生专业基础课
《矿山岩体力学》
试验
主讲 刘承论 山东科技大学 2010.5


预修课程：弹性力学、弹塑性力学
教学目的和要求： 主要讲授岩石和岩体的基本力学性质及其 研究方法、岩石工程稳定性分析的原理、 岩石工程支护设计的最新理论、岩石力学 研究的最新进展等。
内容提要
第一章 绪论
第二章 岩石力学试验 2.1 岩石物理性质与 简单应力状态下的岩石力学实验 2.2 常规三轴压力试验与围压效应 2.3 真三轴压力试验与中间主应力效应