岩体力学课件--岩体力学(1,2,4,5章)
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百度文库 《岩土力学》
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O
(a）直线型（弹脆性） （石英石）
O
（b）下凹型（弹塑性） （石灰石）
O
O
（c）上凹型（塑弹性） 片麻岩
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（d） S型（塑弹性） 大理岩
t 2 P / Dt
式中 P—试件破坏时的极限压力 ，D —试件的直径 t—试件厚度
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本试验要点：试验时所施加的线荷载必须通过试件的直径，
并在破坏时其破裂面亦通过该试件的直径。 （四）点荷载法 该方法的最大特点是可利用现场取得的任何形状的岩块，可以是 5cm的钻孔岩芯，也可以是开挖后掉落下来的不规则岩块，不作任 何岩样加工直接试验。 点荷载强度指数I可按下式求得：
（三）、岩石三向压缩强度的因素影响 1．侧向压力的影响
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2．加荷途径对岩石三向压缩强度的影响(图表-13) 影响不大
3．孔隙压力对岩石三向压缩强度的影响，孔隙压力 ，使真正作用在岩石上的围压值减少了，因而降低了 与其相应的极限应力值。“有效应力”原理。
岩体：在岩体力学中，通常将在一定工程范围内的自然 地质体称为岩体。岩体是由结构面和岩石块共同组成的 综合体。
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对岩体的强度和稳定能起作用的不仅是岩石志，而 是岩石块与结构面的综合体，而在大多数情况下，结构面 所起的作用更大。 §2 岩体力学的研究任务与内容 一、岩体的力学特征： （1）不连续性 （2）各向异性 （3）不均匀性 （4）岩石块单元的可移动性 （5）赋存地质因子的特性
二、力学学科在岩体力学中的作用 岩体力学学科中的一个分支，属固体力学范畴
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第二章 岩石的基本物理力学性质
基本要求
1．掌握岩石的基本物理性质，理解岩石的变形性质； 2．掌握岩石的强度特征； 3．理解岩石的破机理了解最大线应变理论，了解格里 菲斯理论； 4．掌握莫尔强度理论、库伦—莫尔强度理论；
1．承压板给予单轴抗压强度的影响 图
试件两端面与承压板间摩擦、承压板刚度。
2．试件尺寸及形状对单向轴抗压强度的影响 （1）岩石试件的形状 （2）岩石试件的尺寸 尺寸效应：试件的强度通常随其尺寸的增大而减小， 目前采用φ 5cm且直径大于最大矿物颗粒直径的10倍以 上的岩石试件。
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§1 岩石的基本物理性质
一、岩石的质量指标 （一）岩石的密度和比重 （1）天然密度 G
V
称重法
（2）饱和密度 （3）干密度
G1 VV w d V
c
G1 V
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（二）岩石的比重
G1 /( V )
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2．岩石吸水率
Wd ( d ) / c (%)
（二）岩石的渗透性
dh q x k A (m3 / s ) dx
式中qx 沿x方向水流量 h 水头高度 A 垂直于x方向的截面面积 K 岩石的渗透系数(m/s) 四、岩石的抗风化指标 （一）软化系数()
Rcc / Rcd
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(3) 岩石试件的高径比。 3．加载速率对单轴抗压强度的影响，加载速率快，强度 高。 4．环境对岩石单轴抗压强度的影响 （1）含水量：饱和状态下岩石抗压强度有所降低。 （2）温度：当对岩石试件进行加温时，岩石的单轴抗压 强度会有所变化。 二、岩石的抗拉强度 岩石的抗拉强度是指岩石试件在受到轴向拉应力后其 试件发生破坏时的单位面积所能承受的拉力。 （一）直接拉伸法
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第一章 绪论
岩体力学（Rock mass Mechanics）是一门研究岩体在各 种不同受力状态下产生变形和破坏的规律的学科。
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§1 岩石与岩体
岩石：是由矿物或岩屑在地质作用下按一定的规律聚集 而形成的自型物体。岩石有其自身的矿物成分、结构与 构造，岩石中的矿物成分和性质、结构、构造等的存在 和变化，都会对岩石的物理力学性质发生影响。
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二、岩体力学的研究任务 （1）基本原理 （2）试验 （3）实际应用：地下工程、采矿工程、地基工程、 斜坡工程、岩石破碎、岩体加固等方面。 （4）监测 三、岩体力学的研究内容 （1）岩体的地质力学模型及其特征方面 （2）岩石与岩体的物理力学性质方面 （3）岩体力学在各类工程上应用方面
Rt P / A
试验关键：①岩石试件与夹具间必须有足够的粘结力或摩 擦力；②所施加的拉力必须与岩石试件同轴心。
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（二）抗弯法
t MC / I
式中 t — 由三点或四点抗弯试验所求得的最大拉应力 M—作用在试件截面上的最大弯矩 C—梁的边缘到中性轴的距离 I—梁截面在绕中性轴的惯性矩。 此法应用比直接法少些。 （三）劈裂法（巴西法） 试件破坏时作用在试件中心的最大拉应力为：
VHP H1 / H (%)
式中 H
为有側向约束条件下所测得的轴向膨胀
变形 3．膨胀压力 指岩石试件浸水后，使试件保持原有体积所施加的最大 压力。 五、岩石的其它性质
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§2 岩石的强度特性
一、岩石的单轴抗压强度
Rc P / A
式中：Rc—单轴抗压强度，有时亦称无侧限强度（±中多 用） P—在无侧限条件下，轴向破坏荷载 A— 试件的截面面积 （一）单轴抗压强度的试验方法 岩体力学中，Rc是研究最早，最完善的特性之一 试件：直径或边长为4.8~5.2cm，高度为直径的2.0~2.5cm 倍。 （二）在单向压缩荷载作用下试件的破坏形态
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岩体力学在岩体工程中的应用有以下几方面： （1）地下洞室围岩的稳定性研究 岩体力学在岩体工程中的应用有以下几方面： （2）岩基的稳定性研究 （1）地下洞室围岩的稳定性研究 （3）岩坡的稳定性研究 （2）岩基的稳定性研究 （4）岩体力学的新理论新方法的研究 （3）岩坡的稳定性研究 §3 岩体力学的研究方法 （4）岩体力学的新理论新方法的研究 岩体力学的研究方法是采用科学实验、理论分析与工程紧密结合的方法。 §3 岩体力学的研究方法 为了有系统地获取各项数据，研究岩体力学的步骤可用如图1-1的框图表示。 岩体力学的研究方法是采用科学实验、理论分析与工程紧密结合的方法。 为了有系统地获取各项数据，研究岩体力学的步骤可用如图1-1的框图表示。
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（1）OA：压密阶段，存在于岩石内的微裂隙外力作用下 发生闭合所致。 （2）AB：弹性阶段 弹性模量E: 曲线中呈直线阶段的应力与应变之比; 割线弹性模量：指岩石峰值应一半的应力，应变之比值。 泊松比 : 弹性阶段中，岩石的横向应变与纵向应变之比 值。 （3）BC：塑性阶段 应力值超过屈服应力之后，随着应力的增大，明显表现 出应变增大（软化）的现象，坚硬岩石，脆性破坏。 2．反复循环加载曲线: 岩石的“记忆”功能，塑性滞环 随卸 载点的应力增大而增大。(图2-15) 3．岩石应力—应变曲线形态的类型。
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(二）三向压缩试验破坏类型 从变形的角度分析，围岩的增大使试件从脆性破坏向塑性流动 过渡。表2-3
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（三）、岩石三向压缩强度的因素影响 1．侧向压力的影响 (图2-12) 随围压的增大,最大主应力变大
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岩体力学在岩体工程中的应用有以下几方面： §3 岩体力学的研究方法
（1）地下洞室围岩的稳定性研究 （2）岩基的稳定性研究 （3）岩坡的稳定性研究 （4）岩体力学的新理论新方法的研究 §3 岩体力学的研究方法 岩体力学的研究方法是采用科学实验、理论分析与工 程紧密结合的方法。 为了有系统地获取各项数据，研究岩体力学的步骤可 用如图1-1的框图表示。
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1．圆锥形破坏： 由于试件两端面与试验机承压板之间摩擦力增大造成的。 环箍效应 2．柱状劈裂破坏 是岩石在单向压缩应力作用下自身所固有的破坏特性。
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（三）、单轴抗压强度的影响因素
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§4 岩体力学在其他学科中的地位
一、地质学科在在岩体力学中的作用 岩体力学与工程地质学紧密联系。
§4 岩体力学在其他学科中的地位 一、地质学科在在岩体力学中的作用 岩体力学与工程地质学紧密联系。 二、力学学科在岩体力学中的作用 岩体力学学科中的一个分支，属固体力学范畴。
比重瓶法
二、岩石的孔隙性 （一）岩石的孔隙比
e VV / Vc
G /(G1 )
（二）岩石的孔隙率
n VV / V
%
一般n可通过下式推出：
n 1 c /(G )
三、岩石的水理性质 （一）岩石的含水性质 1．含水量
G / G1 (%)
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室内抗剪切试验：作用于剪切平面上的法向压力N与切向力T按下 式计算 N P(cos f sin )
Q P(sin f cos )
式中
P —施加的总压力, —试件倾角 f — 圆柱形滚子与上、下盘压板的摩擦系数。
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以剪切面积除以上式，得受剪面上的法向力和剪应力
N / F P / F (cos f sin ) Q / F P / F (sin f cos )
许多组可建立岩石抗剪断强度 与压应力 间关系：
c tan
tan —岩石抗剪断内摩擦系数, c —岩石的粘结力（内聚力）。 四、岩石在三向压缩应力作用下的强度 岩石的三向压缩强度通常用一个函数表示为 或 f ( ) 1 f ( 2 , 3 ) 式中 （一）三向压缩试验方法简介 1．真三轴试验 (1> 2 > 3) 2．假三轴试验 (1> 2 = 3)
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§3 岩石的变形特性
一、岩石在单向压缩应力作用下的变形特性 （一）岩石在普通试验机中进行单向压缩试验时的变形特 性。 1．典型的岩石应力 应变曲线分析。 1 C (图2-14) B
A 1
图2-15
O
O
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图2-14
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(小于或等于1)
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（二）岩石耐崩解指数（Id）
I d 2 mr / ms
(%)
式中 Id2—表示经两次循环试验而求得的耐崩解性指数 m2—试验前试块的烘干质量 mr—残留在圆筒内试块的烘干质量 Gamble认为，Id2 与岩石成岩的地质年代无明显的关 系，而与岩石的密度成正比，与岩石的含水量成反比。 （三）岩石的膨胀性 1．岩石的自由膨胀率
I P / D2
( MPa)
式中 P—荷载与施加点之间的距离 D—试件破坏的极限压力 I与Rt之间的关系如下：
Rt 0.96 P / D 2
三、岩石的抗剪强度
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( MPa)
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（a）抗剪断试验
（b）抗切试验
（c）弱面抗剪切试验
图2-8 岩石的三种受剪方式示意图
VH H / H (%) VD D / D (%)
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式中： H , D —分别是浸水后岩石试件轴向、径向变 形量； H、D—分别是岩石试件试验前的高度、直径。 2．岩石的侧和风吹草动约束膨胀率（VHP） 与岩石自由膨胀率不同，计算式如下：
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O
(a）直线型（弹脆性） （石英石）
O
（b）下凹型（弹塑性） （石灰石）
O
O
（c）上凹型（塑弹性） 片麻岩
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（d） S型（塑弹性） 大理岩
t 2 P / Dt
式中 P—试件破坏时的极限压力 ，D —试件的直径 t—试件厚度
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本试验要点：试验时所施加的线荷载必须通过试件的直径，
并在破坏时其破裂面亦通过该试件的直径。 （四）点荷载法 该方法的最大特点是可利用现场取得的任何形状的岩块，可以是 5cm的钻孔岩芯，也可以是开挖后掉落下来的不规则岩块，不作任 何岩样加工直接试验。 点荷载强度指数I可按下式求得：
（三）、岩石三向压缩强度的因素影响 1．侧向压力的影响
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2．加荷途径对岩石三向压缩强度的影响(图表-13) 影响不大
3．孔隙压力对岩石三向压缩强度的影响，孔隙压力 ，使真正作用在岩石上的围压值减少了，因而降低了 与其相应的极限应力值。“有效应力”原理。
岩体：在岩体力学中，通常将在一定工程范围内的自然 地质体称为岩体。岩体是由结构面和岩石块共同组成的 综合体。
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对岩体的强度和稳定能起作用的不仅是岩石志，而 是岩石块与结构面的综合体，而在大多数情况下，结构面 所起的作用更大。 §2 岩体力学的研究任务与内容 一、岩体的力学特征： （1）不连续性 （2）各向异性 （3）不均匀性 （4）岩石块单元的可移动性 （5）赋存地质因子的特性
二、力学学科在岩体力学中的作用 岩体力学学科中的一个分支，属固体力学范畴
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第二章 岩石的基本物理力学性质
基本要求
1．掌握岩石的基本物理性质，理解岩石的变形性质； 2．掌握岩石的强度特征； 3．理解岩石的破机理了解最大线应变理论，了解格里 菲斯理论； 4．掌握莫尔强度理论、库伦—莫尔强度理论；
1．承压板给予单轴抗压强度的影响 图
试件两端面与承压板间摩擦、承压板刚度。
2．试件尺寸及形状对单向轴抗压强度的影响 （1）岩石试件的形状 （2）岩石试件的尺寸 尺寸效应：试件的强度通常随其尺寸的增大而减小， 目前采用φ 5cm且直径大于最大矿物颗粒直径的10倍以 上的岩石试件。
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§1 岩石的基本物理性质
一、岩石的质量指标 （一）岩石的密度和比重 （1）天然密度 G
V
称重法
（2）饱和密度 （3）干密度
G1 VV w d V
c
G1 V
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（二）岩石的比重
G1 /( V )
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2．岩石吸水率
Wd ( d ) / c (%)
（二）岩石的渗透性
dh q x k A (m3 / s ) dx
式中qx 沿x方向水流量 h 水头高度 A 垂直于x方向的截面面积 K 岩石的渗透系数(m/s) 四、岩石的抗风化指标 （一）软化系数()
Rcc / Rcd
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(3) 岩石试件的高径比。 3．加载速率对单轴抗压强度的影响，加载速率快，强度 高。 4．环境对岩石单轴抗压强度的影响 （1）含水量：饱和状态下岩石抗压强度有所降低。 （2）温度：当对岩石试件进行加温时，岩石的单轴抗压 强度会有所变化。 二、岩石的抗拉强度 岩石的抗拉强度是指岩石试件在受到轴向拉应力后其 试件发生破坏时的单位面积所能承受的拉力。 （一）直接拉伸法
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第一章 绪论
岩体力学（Rock mass Mechanics）是一门研究岩体在各 种不同受力状态下产生变形和破坏的规律的学科。
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§1 岩石与岩体
岩石：是由矿物或岩屑在地质作用下按一定的规律聚集 而形成的自型物体。岩石有其自身的矿物成分、结构与 构造，岩石中的矿物成分和性质、结构、构造等的存在 和变化，都会对岩石的物理力学性质发生影响。
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二、岩体力学的研究任务 （1）基本原理 （2）试验 （3）实际应用：地下工程、采矿工程、地基工程、 斜坡工程、岩石破碎、岩体加固等方面。 （4）监测 三、岩体力学的研究内容 （1）岩体的地质力学模型及其特征方面 （2）岩石与岩体的物理力学性质方面 （3）岩体力学在各类工程上应用方面
Rt P / A
试验关键：①岩石试件与夹具间必须有足够的粘结力或摩 擦力；②所施加的拉力必须与岩石试件同轴心。
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（二）抗弯法
t MC / I
式中 t — 由三点或四点抗弯试验所求得的最大拉应力 M—作用在试件截面上的最大弯矩 C—梁的边缘到中性轴的距离 I—梁截面在绕中性轴的惯性矩。 此法应用比直接法少些。 （三）劈裂法（巴西法） 试件破坏时作用在试件中心的最大拉应力为：
VHP H1 / H (%)
式中 H
为有側向约束条件下所测得的轴向膨胀
变形 3．膨胀压力 指岩石试件浸水后，使试件保持原有体积所施加的最大 压力。 五、岩石的其它性质
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§2 岩石的强度特性
一、岩石的单轴抗压强度
Rc P / A
式中：Rc—单轴抗压强度，有时亦称无侧限强度（±中多 用） P—在无侧限条件下，轴向破坏荷载 A— 试件的截面面积 （一）单轴抗压强度的试验方法 岩体力学中，Rc是研究最早，最完善的特性之一 试件：直径或边长为4.8~5.2cm，高度为直径的2.0~2.5cm 倍。 （二）在单向压缩荷载作用下试件的破坏形态
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岩体力学在岩体工程中的应用有以下几方面： （1）地下洞室围岩的稳定性研究 岩体力学在岩体工程中的应用有以下几方面： （2）岩基的稳定性研究 （1）地下洞室围岩的稳定性研究 （3）岩坡的稳定性研究 （2）岩基的稳定性研究 （4）岩体力学的新理论新方法的研究 （3）岩坡的稳定性研究 §3 岩体力学的研究方法 （4）岩体力学的新理论新方法的研究 岩体力学的研究方法是采用科学实验、理论分析与工程紧密结合的方法。 §3 岩体力学的研究方法 为了有系统地获取各项数据，研究岩体力学的步骤可用如图1-1的框图表示。 岩体力学的研究方法是采用科学实验、理论分析与工程紧密结合的方法。 为了有系统地获取各项数据，研究岩体力学的步骤可用如图1-1的框图表示。
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(二）三向压缩试验破坏类型 从变形的角度分析，围岩的增大使试件从脆性破坏向塑性流动 过渡。表2-3
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（三）、岩石三向压缩强度的因素影响 1．侧向压力的影响 (图2-12) 随围压的增大,最大主应力变大
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（1）地下洞室围岩的稳定性研究 （2）岩基的稳定性研究 （3）岩坡的稳定性研究 （4）岩体力学的新理论新方法的研究 §3 岩体力学的研究方法 岩体力学的研究方法是采用科学实验、理论分析与工 程紧密结合的方法。 为了有系统地获取各项数据，研究岩体力学的步骤可 用如图1-1的框图表示。
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§4 岩体力学在其他学科中的地位
一、地质学科在在岩体力学中的作用 岩体力学与工程地质学紧密联系。
§4 岩体力学在其他学科中的地位 一、地质学科在在岩体力学中的作用 岩体力学与工程地质学紧密联系。 二、力学学科在岩体力学中的作用 岩体力学学科中的一个分支，属固体力学范畴。
比重瓶法
二、岩石的孔隙性 （一）岩石的孔隙比
e VV / Vc
G /(G1 )
（二）岩石的孔隙率
n VV / V
%
一般n可通过下式推出：
n 1 c /(G )
三、岩石的水理性质 （一）岩石的含水性质 1．含水量
G / G1 (%)
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P —施加的总压力, —试件倾角 f — 圆柱形滚子与上、下盘压板的摩擦系数。
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c tan
tan —岩石抗剪断内摩擦系数, c —岩石的粘结力（内聚力）。 四、岩石在三向压缩应力作用下的强度 岩石的三向压缩强度通常用一个函数表示为 或 f ( ) 1 f ( 2 , 3 ) 式中 （一）三向压缩试验方法简介 1．真三轴试验 (1> 2 > 3) 2．假三轴试验 (1> 2 = 3)
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§3 岩石的变形特性
一、岩石在单向压缩应力作用下的变形特性 （一）岩石在普通试验机中进行单向压缩试验时的变形特 性。 1．典型的岩石应力 应变曲线分析。 1 C (图2-14) B
A 1
图2-15
O
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（二）岩石耐崩解指数（Id）
I d 2 mr / ms
(%)
式中 Id2—表示经两次循环试验而求得的耐崩解性指数 m2—试验前试块的烘干质量 mr—残留在圆筒内试块的烘干质量 Gamble认为，Id2 与岩石成岩的地质年代无明显的关 系，而与岩石的密度成正比，与岩石的含水量成反比。 （三）岩石的膨胀性 1．岩石的自由膨胀率
I P / D2
( MPa)
式中 P—荷载与施加点之间的距离 D—试件破坏的极限压力 I与Rt之间的关系如下：
Rt 0.96 P / D 2
三、岩石的抗剪强度
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（b）抗切试验
（c）弱面抗剪切试验
图2-8 岩石的三种受剪方式示意图
VH H / H (%) VD D / D (%)
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式中： H , D —分别是浸水后岩石试件轴向、径向变 形量； H、D—分别是岩石试件试验前的高度、直径。 2．岩石的侧和风吹草动约束膨胀率（VHP） 与岩石自由膨胀率不同，计算式如下：