1、岩石力学精品课程二、岩石力学学科的形成及定义二、岩石力学学科的形成及定义 1951年，J. Stini 和 L. Mller等在 Salzburg发起和举行了以岩体力学为主题的第一次国际岩石力学讨论会，为把工程地质与力学相结合、为建立岩石力学这门边缘学科跨出了重要的一步，并创办了Geologie und Bauwesen，1962年改名为Rock Mechanics & Rock Engineering1956年4月，在美国的科罗拉多矿业学院科罗拉多矿业学院举行的一次专业会议上，开始使用“岩石力学”这一名词，并由该学院汇编了“岩石力学论文集”。在论文集的序言中说：“它是与过去作为一门学科而发展
2、起来的土力学，有着相似的概念的一门学科，对这种有关岩石的力学方面的学科，现取名为岩石力学”。1957年在巴黎出版的塔洛布尔（J. Talobre）的专著“岩石力学”是这方面较早的一本较系统的著作。其后，开始形成了不同的岩石力学学派（如法国学派，偏重于从弹塑性理论方面来研究；奥地利学派，偏重于地质构造方面来研究）。 37年，首部岩石力学专著 (秦巴列维奇)岩石力学具体而言，研究岩石在荷载作用下的应力、变形和破坏具体而言，研究岩石在荷载作用下的应力、变形和破坏规律以及工程稳定性等问题。规律以及工程稳定性等问题。上述定义是把上述定义是把“岩石岩石”看成固体力学中的一种材料，然看成固体力学中的一种材料
3、，然而岩石材料不同于一般的人工制造的固体材料，它而岩石材料不同于一般的人工制造的固体材料，它是一种典型的是一种典型的“连续介质连续介质”，具有复杂的地质构造，具有复杂的地质构造和赋存条件的天然地质体。和赋存条件的天然地质体。岩石力学的定义（Rock MechanicsRock Mechanics)1964年年5月美国地质学会岩石力学专业委员会所下的定月美国地质学会岩石力学专业委员会所下的定义为：义为：“岩石力学是研究岩石的岩石力学是研究岩石的力学性状力学性状（behaviorbehavior）的一门的一门理论和应用理论和应用的科学，它是固体力学的一个分支，的科学，它是固体力学的一个分支，是探讨
4、岩石对其周围物理环境中是探讨岩石对其周围物理环境中力场反应力场反应的学科。的学科。”三、岩石力学理论的发展简史三、岩石力学理论的发展简史1. 初始阶段(19世纪末20世纪初) 岩石力学的萌芽时期岩石力学的萌芽时期A. Heim(1912)A. Heim(1912)提出了静水压力的理论提出了静水压力的理论W. J. M. RankineW. J. M. Rankine（朗肯）和（朗肯）和A.H.A.H.( (金金尼克尼克) )地层压力的修正理论，即地层压力的修正理论，即HHhv-1)24(2或tg2. 经验理论阶段(20世纪初20世纪30年代) 该阶段根据生产经验提出了经典的地压理论，具有代表性
5、的理论有：普罗托吉雅柯诺夫提出的自然平衡拱学说，即普氏理论 围岩开挖后自然塌落成抛物线拱形，作用在支架上的压力等于冒落拱内岩石的重量，仅是上覆岩石重量的一部分太沙基(KTerzahi)理论 围岩塌落成矩形，而不是抛物线型优点与缺点 上述理论在一定历史时期和一定条件下还是发挥了一定作用的，但是围岩的塌落并不是形成围岩压力的惟一来源，也不是所有的地下空间都存在塌落拱围岩和支护之间并不完全是荷载和结构的关系问题，在很多情况下围岩和支护形成一个共同承载系统，而且维持岩石工程的稳定最根本的还是要发挥围岩的作用3.经典理论阶段(20世纪世纪30年代年代20世纪世纪60年年代代)岩石力学学科形成的重要阶段岩
6、石力学学科形成的重要阶段弹性、塑性力学被引入，提出一些经典的解析计算公式弹性、塑性力学被引入，提出一些经典的解析计算公式重视结构面对岩体力学性质的影响重视结构面对岩体力学性质的影响形成围岩与支护共同作用理论形成围岩与支护共同作用理论实验方法的完善实验方法的完善一系列岩石力学文献和专著的出版一系列岩石力学文献和专著的出版 岩体工程问题的解决形成了岩体工程问题的解决形成了“连续介质理论连续介质理论”和和“地质力学理论地质力学理论”两大学派两大学派 连续介质理论连续介质理论 特点特点：以固体力学作为基础，从材料的基本力学性质以固体力学作为基础，从材料的基本力学性质出发来认识岩石工程的稳定问题。出发来
7、认识岩石工程的稳定问题。3030年代，萨文年代，萨文(P. H. (P. H. ) )采用无限大板孔应力集中的采用无限大板孔应力集中的弹性解弹性解分析分析围岩的应力分布；围岩的应力分布；5050年代，年代，弹塑性理论弹塑性理论应用于围岩稳定性研究；应用于围岩稳定性研究； R. Fenner R. FennerJ. TalobreJ. Talobre公式和公式和 H. Kastner H. Kastner 公式；公式；应用应用流变理论流变理论对隧洞围岩的进行粘弹性分析；对隧洞围岩的进行粘弹性分析； S. Serta S. Serta公式公式 不足不足：解析方法仅适合平面的圆形巷道，不能模拟开解析
8、方法仅适合平面的圆形巷道，不能模拟开挖过程；由于岩体中节理、裂隙的存在，围岩力学性挖过程；由于岩体中节理、裂隙的存在，围岩力学性质参数和准确的本构关系难以确定。质参数和准确的本构关系难以确定。 地质力学理论地质力学理论 特点特点：，强调对岩体节理、裂隙的研究，重视岩体，强调对岩体节理、裂隙的研究，重视岩体结构面对岩石工程稳定性的影响和控制作用。结构面对岩石工程稳定性的影响和控制作用。2020年代，由德国人年代，由德国人 H. Cloos H. Cloos 创立创立5151年，年，J. Stini J. Stini 和和 L. ML. Mller ller 创立了创立了“奥地利学派奥地利学派”：
9、在理论方面，在理论方面，指出指出工程围岩稳定性与原岩应力和开挖后岩体工程围岩稳定性与原岩应力和开挖后岩体的力学强度变化密切相关，的力学强度变化密切相关，重视重视岩石工程施工过程中应力、岩石工程施工过程中应力、位移和稳定性状态的监测，位移和稳定性状态的监测，重视重视支护与围岩的共同作用，支护与围岩的共同作用，特特别重视别重视利用围岩自身的强度维持岩石工程的稳定性利用围岩自身的强度维持岩石工程的稳定性在施工方面，提出了在施工方面，提出了“新奥法新奥法”，符合现代岩石力学理论，符合现代岩石力学理论 不足不足：过分过分强调节理、裂隙的作用，强调节理、裂隙的作用，过分过分依赖经验，依赖经验，而而忽视忽视
10、理论的指导作用理论的指导作用4.现代发展阶段(20世纪60年代现在) 特点：特点：用更为复杂多样的用更为复杂多样的力学模型分析力学模型分析岩石力学问题；把物岩石力学问题；把物理学、力学、系统工程、现代数理科学、现代信息技术等理学、力学、系统工程、现代数理科学、现代信息技术等最新最新成果成果引入了岩石力学；引入了岩石力学； 电子计算机的广泛应用电子计算机的广泛应用为流变学、断裂为流变学、断裂力学、非连续介质力学、数值方法、灰色理论、人工智能、非力学、非连续介质力学、数值方法、灰色理论、人工智能、非线性理论等在岩石力学与工程中的应用提供了可能线性理论等在岩石力学与工程中的应用提供了可能从从“材料材
11、料”概念到概念到“不连续介质概念不连续介质概念”是现代岩石力是现代岩石力学的第一步突破；学的第一步突破；进入计算力学阶段是第二步突破；进入计算力学阶段是第二步突破； 有限元、边界元、离散元、位移非连续法（有限元、边界元、离散元、位移非连续法（DDA)DDA)和流行法和流行法非线性理论、不确定性理论和系统科学理论进入实用非线性理论、不确定性理论和系统科学理论进入实用阶段，则是岩石力学理论研究及工程应用的第三步意阶段，则是岩石力学理论研究及工程应用的第三步意义更为重大的突破义更为重大的突破 耗散结构论、协同学、分叉和混沌理论，模糊数学、人工智能、耗散结构论、协同学、分叉和混沌理论，模糊数学、人工智
12、能、灰色理论灰色理论 四、岩石力学中的几个基本概念四、岩石力学中的几个基本概念1. 岩石岩石 (Rock) 定义：岩石是组成地壳的基本物质，它是由矿定义：岩石是组成地壳的基本物质，它是由矿物或岩屑在地质作用下按一定规律凝聚而成的天物或岩屑在地质作用下按一定规律凝聚而成的天然地质体。然地质体。 岩石按照其成因可分为三类：岩浆岩，沉积岩岩石按照其成因可分为三类：岩浆岩，沉积岩和变质岩，不同成因类型的岩石和变质岩，不同成因类型的岩石具有不同的物理具有不同的物理力学性质（自学、了解）力学性质（自学、了解）。2.岩块岩块 自然地质体的小块岩石称为岩块。我们平时所称的岩自然地质体的小块岩石称为岩块。我们平
13、时所称的岩石，在一定程度上都是指岩块。石，在一定程度上都是指岩块。 实验室通常用的岩石试件是由钻孔获取岩芯或在工程实验室通常用的岩石试件是由钻孔获取岩芯或在工程范围内用爆破或其他方法获得的岩石碎块加工而成。范围内用爆破或其他方法获得的岩石碎块加工而成。 岩石试件通常是不包含有显著弱面的、较均质的岩石岩石试件通常是不包含有显著弱面的、较均质的岩石块体，可看作连续介质及均质体。块体，可看作连续介质及均质体。3.岩体岩体 ( (Rock Mass) ) 岩体是指在一定地质条件下，含有诸如节理、断层、裂隙、层理、劈理等不连续结构面的复杂地质体。 岩石和岩体的重要区别就是岩体包含若干不连续面。由于不连续
14、面的存在，岩体的强度远低于岩石的强度。断层断层 （Fault） 褶皱褶皱 ( (Drape) ) 层理层理 ( (Lamina) ) 4.岩体结构岩体结构岩体结构：包括结构面和结构体两个基本要素。结构面：岩体内具有一定方向、延展较大、厚度较小的面状地质界面，包括物质的分界面和不连续面。结构体：被结构面所包围的完整岩石或隐蔽裂隙的岩石，由不同产状的结构面组合切割而形成的岩石块体。结构面对岩体结构类型的划分常起着主导作用。在研究结构面时，一方面要注意结构面的强度、密度及其延展性，另一方面还需注意结构面的规模大小和它们之间的组合关系。中国科学院地质研究所从岩体结构角度提出了岩体结构分类(P3,表1-
15、1)。我国还有不少专门为工程目的的岩体分类。例如为建造地下隧道和洞室的围岩分类(铁路隧道规范分类、岩石地下建筑技术措施分类等)，都是以岩体结构分类为基础。 岩体结构：由结构面的发育程度和组合关系或结构体的规模及排列形式决定的。岩体结构类型的划分反映出岩体的不连续性和不均一性特征。五、岩石力学的基本研究内容五、岩石力学的基本研究内容(1) (1) 岩石、岩体的地质特征岩石、岩体的地质特征 物质组成和结构特征物质组成和结构特征 结构面特征及其对岩体力学性质的影响结构面特征及其对岩体力学性质的影响 岩体结构及其力学特性岩体结构及其力学特性 岩体工程分类岩体工程分类(2) (2) 岩石的物理、水理与热
16、力学性质岩石的物理、水理与热力学性质(3) (3) 岩石的基本力学性质岩石的基本力学性质 变形、强度特征及力学指标参数变形、强度特征及力学指标参数 主要影响因素，包括加载条件、温度、湿度等主要影响因素，包括加载条件、温度、湿度等 变形破坏机理及其破坏判据变形破坏机理及其破坏判据 (4) (4) 结构面力学性质结构面力学性质(5) (5) 岩体力学性质岩体力学性质 岩体的变形、强度特征及其原位测试技术岩体的变形、强度特征及其原位测试技术 岩体力学参数的弱化处理与经验估计岩体力学参数的弱化处理与经验估计 主要因素影响主要因素影响 岩体中地下水赋存、运移规律及岩体的水力学特征岩体中地下水赋存、运移规
17、律及岩体的水力学特征(6) (6) 原岩应力分布规律及其测量理论与方法原岩应力分布规律及其测量理论与方法 结构面在法向压应力及剪应力作用结构面在法向压应力及剪应力作用 下的变形特征及参数确定下的变形特征及参数确定 结构面剪切强度特征及其测试技术和方法结构面剪切强度特征及其测试技术和方法(7) (7) 工程岩体的稳定性工程岩体的稳定性(8) (8) 岩石工程稳定性维护技术岩石工程稳定性维护技术 包括岩体性质的改善与加固技术等包括岩体性质的改善与加固技术等(9) (9) 新技术、新方法和新理论在岩石力学中的应用新技术、新方法和新理论在岩石力学中的应用(10) (10) 工程岩体的模型、模拟试验及原
18、位监测技术工程岩体的模型、模拟试验及原位监测技术 数值模型模拟数值模型模拟 物理模型模拟物理模型模拟 原位监测可检验岩体变形与稳定性分析成果的正确性原位监测可检验岩体变形与稳定性分析成果的正确性在开挖作用下的应力和位移分布特在开挖作用下的应力和位移分布特 征、变形破坏特征、稳定性分析与评价征、变形破坏特征、稳定性分析与评价六、岩石力学的研究方法(1)(1) 工程地质研究方法工程地质研究方法 岩矿鉴定方法岩矿鉴定方法 构造地质学及工程勘察方法构造地质学及工程勘察方法 水文地质学方法水文地质学方法(2) (2) 科学实验方法科学实验方法（科学实验是岩石力学发展的基础）（科学实验是岩石力学发展的基础
19、）实验室岩石力学参数测试、模型试验、现场岩体原位实验室岩石力学参数测试、模型试验、现场岩体原位试验及监测技术、地应力的测量和岩体构造的测定等试验及监测技术、地应力的测量和岩体构造的测定等地质构造的勘测、大地层的力学测定地质构造的勘测、大地层的力学测定 新实验技术：遥感技术、激光散斑和切层扫描技术、新实验技术：遥感技术、激光散斑和切层扫描技术、三维地震勘测成象和三维三维地震勘测成象和三维CT成象技术、微震技术等成象技术、微震技术等（3 3）数学力学分析方法）数学力学分析方法 力学模型：刚体、弹性、塑性、流变、细观、损力学模型：刚体、弹性、塑性、流变、细观、损伤、断裂、块体力学伤、断裂、块体力学
20、数值分析：有限差分法、有限元法、边界元法、数值分析：有限差分法、有限元法、边界元法、离散元法、无单元法、流形元法、不连续变形分析、离散元法、无单元法、流形元法、不连续变形分析、和反演分析法等和反演分析法等 模糊聚类和概率分析：随机分析、可靠度分析、模糊聚类和概率分析：随机分析、可靠度分析、灵敏度分析、趋势分析、时间序列分析和灰色系统灵敏度分析、趋势分析、时间序列分析和灰色系统分析等分析等 模拟分析：光弹应力分析、相似材料模型试验、模拟分析：光弹应力分析、相似材料模型试验、离心模型试验离心模型试验(4) (4) 整体综合分析方法整体综合分析方法 将实验、理论和工程监测以及经验相结合，利用将实验、
21、理论和工程监测以及经验相结合，利用信息、系统科学理论进行计算机科学决策信息、系统科学理论进行计算机科学决策七、岩石力学的应用范围七、岩石力学的应用范围(1) (1) 水利水电工程水利水电工程 坝基及坝肩稳定性、防渗加固理论和技术坝基及坝肩稳定性、防渗加固理论和技术 有压和无压引水隧道设计、施工及加固理论技术有压和无压引水隧道设计、施工及加固理论技术 大跨度高边墙地下厂房的围岩稳定及加固技术大跨度高边墙地下厂房的围岩稳定及加固技术 高速水流冲刷的岩石力学问题高速水流冲刷的岩石力学问题 水库诱发地震的预报问题水库诱发地震的预报问题 库岸稳定及加固方法库岸稳定及加固方法(2) (2) 采矿工程采矿工
22、程 露天采矿边坡设计及稳定加固技术露天采矿边坡设计及稳定加固技术 井下开采中巷道和采场围岩稳定性问题，井下开采中巷道和采场围岩稳定性问题，特别是软岩巷道和深部开采地压控制问题特别是软岩巷道和深部开采地压控制问题 矿柱稳定性及开采优化设计问题矿柱稳定性及开采优化设计问题( (采场结构、采场结构、开采顺序、开挖步骤等开采顺序、开挖步骤等) )设计问题设计问题 矿井突水预测、预报及预处理理论和技术矿井突水预测、预报及预处理理论和技术 岩爆、煤与瓦斯突出及预处理理论和技术岩爆、煤与瓦斯突出及预处理理论和技术 采空区处理及地面沉降问题采空区处理及地面沉降问题 岩石破碎问题岩石破碎问题(3) (3) 铁道
23、和公路建设工程铁道和公路建设工程 线路边坡稳定性分析线路边坡稳定性分析 隧道设计和施工技术隧道设计和施工技术 隧道施工中的地质超前预报及处理隧道施工中的地质超前预报及处理 隧道入口施工技术及洞脸边坡角的确定和加固措施隧道入口施工技术及洞脸边坡角的确定和加固措施 地铁及过江隧道施工技术地铁及过江隧道施工技术(4) (4) 土木建筑工程土木建筑工程 高层建筑地基处理与加固技术高层建筑地基处理与加固技术 大型地下硐室与建筑空间设计、施工与加固大型地下硐室与建筑空间设计、施工与加固 地面建筑物沉降、倾斜和纠偏技术地面建筑物沉降、倾斜和纠偏技术 山坡及临坡建筑物基础滑坡监测预报与防治技术山坡及临坡建筑物
24、基础滑坡监测预报与防治技术(5) (5) 石油工程石油工程(6) (6) 海洋勘探与开发工程海洋勘探与开发工程(7) (7) 核电站建设中核废料处理技术核电站建设中核废料处理技术(8) (8) 地层热能资源开发技术问题地层热能资源开发技术问题(9) (9) 地震预报中的岩石力学问题地震预报中的岩石力学问题(10) (10) 地下军事工程及防护问题地下军事工程及防护问题岩石应力与渗透性及采油技术岩石应力与渗透性及采油技术石油、天然气运输与储存工程对环境的影响石油、天然气运输与储存工程对环境的影响岩石力学与地球物理勘探综合研究岩石力学与地球物理勘探综合研究钻探技术与井壁稳定性钻探技术与井壁稳定性2
25、022-5-1124第二章 岩石的基本物理力学性质 本章内容 岩石的基本物理性质； 岩石的强度特性； 岩石的变形特性； 岩石的强度理论。 基本要求 掌握岩石的基本物理性质，理解岩石的变形性质； 掌握岩石的强度特性； 掌握莫尔强度理论、库伦莫尔强度理论； 了解格里菲斯理论；2022-5-1125第二章第二章 岩石的基本物理力学性质岩石的基本物理力学性质 第一节 基本物理性质 第二节 岩石的强度特性 第三节 岩石的变形特性 第四节 岩石的强度理论主要内容2022-5-1126 基本物理性质 一一、岩石的孔隙性 二二、岩石的水理性 三三、岩石的抗冻性 四四、岩石的质量指标返回返回岩石含：固相、液相、
26、气相（孔隙）。 三相比例不同，物理性质指标也有所不同。联系2022-5-1127 岩石的强度性质 一一、岩石的单轴抗压强度 二二、岩石的三轴抗压强度 三三、岩石的抗剪强度 四四、岩石的抗拉强度返回返回岩石强度: 岩石材料受力破坏时所能承受的最大荷载应力本节讨论问题工程师对材料提出两个问题 1. 最大承载力许用应力 ？ 2. 最大允许变形 许用应变？试验方法2022-5-1128 岩石的变形特性（弹，塑，粘） 一一、岩石在单轴压缩作用下的变形特性 （1）普通试验机下的变形特性普通试验机下的变形特性 （2）刚性试验机下的单向压缩的变形特性刚性试验机下的单向压缩的变形特性 二 岩石在三轴压应力下的变
27、形特性 三三、岩石的流变特性返回返回2022-5-1129VVnV/一、岩石的孔隙性一、岩石的孔隙性：（一）孔隙比VV孔隙体积孔隙体积(m(m3 3) ) Vs 岩石固体的体积岩石固体的体积(m(m3 3) )（二）孔隙率V=VV+Vs返回返回sVVVe/反映孔隙发育程度的指标V包含孔隙在内的岩石体积包含孔隙在内的岩石体积(m(m3 3) )2022-5-1130二、岩石的水理性质二、岩石的水理性质（一）含水性（一）含水性1、含水量：岩石孔隙中含水量(WW)与岩石烘干重量(Ws)比值的百分率w=Ww/Ws1002、吸水率：干燥岩石试样在一个大气压和室温条件下吸入水的重量与岩石烘干重量之比吸水率
28、是一个间接反映岩石内孔隙多少的指标WW0 0烘干岩样浸水烘干岩样浸水48h48h后的湿重后的湿重(kN)(kN)含水性 膨胀性 软化性渗透性 耐崩解性%1000SSSWaWWWWWWsWs：在：在105-110105-110C温度下烘干温度下烘干2424小时的重量小时的重量(kN)(kN) 2022-5-1131（二）（二）渗透性渗透性渗透性：在一定的水压作用下，岩石的孔隙和裂隙透过 水的能力，可用渗透系数来衡量。渗透系数是介质对某种特定流体的渗透能力，取决于岩体物理特性和结构特征，如孔隙和裂隙大小，开闭程度以及连通情况等大多渗透性可用达西（Darcy）定律描述：Adxdhkqxdxdh水头变
29、化率；水头变化率；qx沿沿x x方向水的流量方向水的流量，m3/s ；h水头高度，水头高度，m m； A垂直垂直x x方向的截面面积，方向的截面面积，m m2 2；k渗透系数，渗透系数，m/sm/s。2022-5-1132( (四四) ) 软化系数软化系数Rcw饱和单轴抗压强度； Rc干燥单轴抗压强度； （1）越小，表示岩石受水的影响越大(见表2-2）。ccwRR /轴向自由膨胀轴向自由膨胀 （%） HH试件高度试件高度 径向自由膨胀径向自由膨胀 （%） D D直径直径 HHVH/DDVD/（三）岩石的膨胀性（三）岩石的膨胀性自由膨胀率自由膨胀率：无约束条件下，浸水后膨胀变形与原尺寸之比202
30、2-5-1133342022-5-11( (五五) ) 耐崩解性耐崩解性 试验时，将烘干的试块，约500g，分成10份，放入带有筛孔(2mm)的圆筒内，使圆筒在水槽中以20rmin速度连续转10分钟，然后将留在圆筒内的石块取出烘干称重。如此反复进行两次，按下式计算耐崩解性指数：残留在筒内的试件烘干质量残留在筒内的试件烘干质量m mR R试验前的试件烘干质量试验前的试件烘干质量( (m mS S) )(%)/2SRdmmI耐崩解性指数是通过对岩石试件进行烘干，浸水循环试验所得的指标。返回返回352022-5-11三、岩石的抗冻性三、岩石的抗冻性抗冻性: 岩石抵抗冻（胀）融破坏的性能， 通常用抗冻
31、系数表示。返回返回岩石的抗冻系数是指岩样在岩石的抗冻系数是指岩样在2525的温度区间内，反复降温、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：下降值与冻融前的抗压强度之比：%100ccfcfRRRcC Cf f岩石的抗冻系数；岩石的抗冻系数；R Rcf cf岩石冻融后的抗压强度岩石冻融后的抗压强度(kPa)(kPa)2022-5-1136密度密度比重比重1、岩石的密度：单位体积内岩石的质量。四、岩石的质量指标四、岩石的质量指标（1 1）天然密度：自然状态下，单位体积质量）天然密度：
32、自然状态下，单位体积质量 VM /MM岩石总质量，岩石总质量，kgkg；V V总体积，总体积，m m3 3。（2 2）干密度：岩块中的孔隙水全部蒸发后的单位体积）干密度：岩块中的孔隙水全部蒸发后的单位体积质量（质量（108108烘烘2424h h） VMsd/MMs s岩石烘干后的质量，岩石烘干后的质量，kgkg。2022-5-11372、岩石的比重：岩石固体烘干重量（、岩石的比重：岩石固体烘干重量（W WS S）与与44时时同体积纯水的重量比同体积纯水的重量比 VC岩石实体部分(不包含孔隙）的体积； 一个大气压下44时时水的重度)/(WCVWSW返回返回（3 3）饱和密度：岩石中的孔隙被水充
33、填时的单）饱和密度：岩石中的孔隙被水充填时的单 位体积质量（水中浸位体积质量（水中浸4848小时）小时） VVMWVssatVV孔隙体积孔隙体积 W: :一个大气压下一个大气压下44时水的密度时水的密度(kg/m(kg/m3 3) )测定方法及适用条件：量积法、水中称重法、蜡封法。测定方法及适用条件：量积法、水中称重法、蜡封法。2022-5-1138一 岩石的单轴抗压强度1. 定义定义：指岩石试件在单轴压力作用下（无围压，只受轴向压力）所能承受的最大压应力，也即是岩石在达到破坏时承受的最大轴向荷载P除以试件的横截面积A。 APRc/2.2.试验方法：试验方法： 圆柱形试件： 4.85.2cm
34、，高H=（22.5) 长方体试件：边长L= 4.85.2cm , 高H=（22.5)L 两端面垂直于轴线0.25o 试件两端不平度0.05mm； 试件标准：试验装置：2022-5-11392022-5-11403.3.单向压缩试件的常见破坏形态（1）单斜面剪切破坏：最常见的破坏方式（2）圆锥形破坏 原因：压板两端存在摩擦力，箍作用（又称端部效应），原因：压板两端存在摩擦力，箍作用（又称端部效应）， 在工程中也会出现。在工程中也会出现。（3）柱状劈裂破坏 岩石单向压缩破坏的真实反映（消除了端部效应） 产生的是产生的是张拉张拉破坏（破坏（岩石的抗拉强度远小于抗压强度）岩石的抗拉强度远小于抗压强度）
35、 消除端部约束方法： 磨平端部、润滑试件端部（如垫云母片；涂黄油在端部）、加长试件2022-5-11414. 单轴抗压强度的主要影响因素岩石自身的因素：岩石自身的因素： 矿物成分、结晶程度、颗粒大小及胶结情况、 风化程度、含水情况和周围环境（温度、湿度） 层理和裂隙的特性和方向等； v 含水量：含水量越大强度越低，岩石越软越明显； 温 度：180以下不明显；大于180，温度越高强度越小。 （跟岩性有关，深部岩体力学）2022-5-1142（1）试件 形状：圆形试件不易产生应力集中，好加工 尺寸：宽度 大于矿物颗粒的10倍（50的依据）， 长度 不宜太长或太短，高径比 h/d(22.5)较合理(
36、受力均匀）（2）承压板 端部摩擦力 试验机 刚度（3）加载速率 加载速率越大，表现强度越高(见图25)(机理研究热点） 我国规定加载速度为0.51.0MPa/s实验方法上的因素：实验方法上的因素：2022-5-1143返回返回2022-5-1144二 岩石的三轴抗压强度 指在三向压缩荷载作用下岩石所能承受的最大压应力。321,f 2. 2. 三向压缩试验简介三向压缩试验简介 （1 1）真三轴）真三轴 （2 2）常规三轴）常规三轴 3213211 1.定义2022-5-11453212022-5-11463.三轴压缩试验的破坏类型2022-5-1147具体破坏形式的多样化2022-5-11484
37、.岩石三向压缩强度的影响因素（1）侧压力的影响 围压越大，轴向压力越大2022-5-1149（2）加载途径对岩石三向压缩强度影响 A、B、C三条虚线是三个不同的加载途径，加载途径对岩石的最终三轴压缩强度影响不大（？）。2022-5-1150（3）孔隙水压力对岩石三向压缩强度的影响 孔隙水压力使有效应力（围压）减小 强度降低无水有 水返回返回2022-5-1151三 岩石的抗剪强度1. 1. 定义定义 在剪切荷载作用下达到破坏前所能承受的最大剪应力2. 2. 常用试验方法常用试验方法直接剪切试验角模压剪试验522022-5-11n 直接剪切试验APATAA试样的剪切面面积。试样的剪切面面积。 给
38、定不同的给定不同的( (或或P P）进行多次试验，）进行多次试验，求出不同的求出不同的，近似直线近似直线得：得：cftan)( tantan 岩石抗剪切内摩擦系数；岩石抗剪切内摩擦系数；（ 内摩擦角）内摩擦角） c c 岩石的粘聚力岩石的粘聚力1.2.2022-5-1153n 角模压剪试验cossinsincosfPQfPNfPQNQNP其中，其中，P压力机的总压力压力机的总压力 试件倾角试件倾角 f 圆柱形滚子与上下压板的摩擦系数圆柱形滚子与上下压板的摩擦系数 试验装置试验装置: :楔形剪切仪楔形剪切仪荷载计算公式荷载计算公式cossinsincosfAPAQfAPAN 剪切破坏面上的正应力
39、剪切破坏面上的正应力和剪应力和剪应力：其中，其中，A 剪切面面积剪切面面积2022-5-1154岩石的抗剪断岩石的抗剪断曲线（强度曲线）曲线（强度曲线） ctan tantan 岩石抗剪切内摩擦系数岩石抗剪切内摩擦系数 c c 岩石的粘聚力岩石的粘聚力返回返回做一组（大于5次）不同的试验，记录所得的,值；由该组值作曲线,近似直线得方程改变夹具倾角：30度70度2022-5-1155四 岩石的抗拉强度1.1. 定义定义：在单轴拉力作用下岩石试件抵抗破坏的极限能力，在数值上等于破坏时的最大拉应力。直接拉伸法直接拉伸法间接拉伸法间接拉伸法2. 拉伸试验方法拉伸试验方法拉伸试验方法拉伸试验方法计算公式
40、不同不同（不易成功）2022-5-1156 直接拉伸试验方法应力集中两端破坏（强度)夹持力，联结力不足从中拔出应力集中两者变形？高强度水泥高强度树脂两者胶结力变形是否协调APRt/2022-5-1157巴西劈裂法（对称径向压裂法） 由巴西人Hondros提出实验思想：径向压缩导致劈裂,注意： 接触并非单线接触，有一定接触面积（弧高1/20D）试件：实心圆柱50mm;25mm换图蔡拉伸破坏拉伸破坏研究热点：平台加载 加载速度DtPt/2xy3 t:试件中心的最大 拉应力，即 R Rt t D: 试件的直径 t: 试件的厚度试验要求:沿平行于轴线的一条边缘线均匀加载破坏面必须通过试件直径2022-
41、5-1158点荷载试验法 是上世纪发展起来的一种简便的现场试验方法。试件：试件：任何形状（优点），尺寸大致50mm，不做任何加工。试验：试验：直接放到现场的点荷载仪上，加载劈裂破坏。2/ yPI IRt96.0计算计算：I 点荷载强度指标P 试件破坏时的极限荷载y 加载点试件的厚度统计公式统计公式：15196.0151iitIR要求要求:由于离散性大，每组15个，取均值建议：用50mm的钻孔岩芯为试件。返回返回592022-5-11第三节第三节 岩石的变形特性岩石的变形特性弹性弹性：物体受外力作用瞬间即产生全部变形，卸载后立即恢复原有形状和尺寸的性质塑性塑性：物体受力后产生变形，在卸载后变形不
42、能完全恢复的性质粘性粘性：物体受力后变形不能瞬时完成，且应变速率随应力增加而增加的性质，又称为流变性（蠕变，松弛，弹性后效）。屈服极限1 1. .基本概念基本概念 ：E：粘性系数dtd.2022-5-11602. 基本力学模型 ： 1、弹性模型、弹性模型 2、理想塑性、理想塑性 3、粘性模型、粘性模型 粘性系数（poise；poise=0.1NS/m2）E持续增长000tdtd变变形形与与时时间间无无关关卸载卸载后是后是否有否有残余残余变形变形变变形形与与时时间间有有关关无无有有变形特性( 0 ：屈服应力 )2022-5-11613.3. 基本元件基本元件2022-5-11622022-5-1
43、163牛顿粘性系数；单位: 泊。1posie=0.1Ns/m2返回2022-5-1164一、岩石在单轴压应力作用下的变形特性1 1、典型的岩石应力、典型的岩石应力- -应变曲线应变曲线（一）普通试验机下的变形特性（一）普通试验机下的变形特性特点： 11 曲线 ，应变率随应力增加而减小；塑性变形（变形不可恢复）原因：微裂隙闭合（压密）a.a.分三个阶段分三个阶段: :1）原生微裂隙压密阶段（原生微裂隙压密阶段（OAOA）特点： 11 曲线是直线； 弹性模量，E为常数（变形可恢复）原因：岩石固体部分变形，B点开始屈服，B点对应的B应力为屈服极限，超过B点卸载有塑性变形。2 2）弹性变形阶段（）弹性
44、变形阶段（ABAB）3 3）弹塑性）弹塑性（非线性非线性）变形阶段（变形阶段（BCBC）特点：特点： 11 曲线 ； 有塑性变形产生，变形不可恢复； 应变速率不断增大。原因：新裂纹产生，原生裂隙扩展。1脆性脆性：应力超出屈服应力后，并不呈现出明显的塑性变形而破坏，即为脆性破坏。 岩石越硬，BC段越短，脆性行为越明显。注意：半程压缩曲线注意：半程压缩曲线2022-5-11651. 1. 直线或近似直线（弹性体）直线或近似直线（弹性体）2. 2. 曲线向下弯曲（弹塑性体）曲线向下弯曲（弹塑性体）3. 3. 初向上弯曲后直线（塑初向上弯曲后直线（塑- -弹性弹性体）体）4. 4. 曲线似曲线似S S
45、型（塑型（塑- -弹弹- -塑性体）塑性体）5. 5. 初小段直线后进入非弹性的初小段直线后进入非弹性的曲线部分（弹曲线部分（弹- -粘性体）粘性体）b.b.实际应力实际应力- -应变曲线可分成五类应变曲线可分成五类: :2022-5-1166c.c.弹性常数的确定弹性常数的确定 弹性模量国际岩石力学学会（ISRM）建议三种方法 切线模量 ( ) 割线模量 ( ) 变形模量 ( ) cddEt21csE21peE02022-5-11672 2、岩石加、卸载特性、岩石加、卸载特性2022-5-11683 3、循环加卸载曲线、循环加卸载曲线特点：特点： 多次反复加、卸载，多次反复加、卸载，变形曲线
46、与单调加载变形曲线与单调加载曲线上升总趋势保持曲线上升总趋势保持一致（岩石的一致（岩石的“”）。）。 卸载应力卸载应力( (超过屈超过屈服点）越大，服点）越大，（原因：裂（原因：裂隙的扩大，能量的消隙的扩大，能量的消耗）；耗）；2022-5-1169等荷载循环加、卸载时的应力-应变曲线特点： 随着循环次数增多，随着循环次数增多，直到，直到没有塑性变形为止。没有塑性变形为止。当循环应力峰值低于某当循环应力峰值低于某一临界应力时，多次循环一临界应力时，多次循环不会导致试件破坏；不会导致试件破坏；当超过临界应力时，会当超过临界应力时，会发生疲劳破坏。发生疲劳破坏。（）返回702022-5-111 1
47、）刚性试验机工作原理）刚性试验机工作原理压力机加压（贮存弹性能）岩石试件达峰值强度（释放应变能）导致试件崩溃。AAO2O1面积峰值点后，岩块产生微小位移所需的能。ABO2O1峰值点后，普通机释放的能（贮存的能）。ACO2O1面积峰值点后，刚体机释放的能（贮存的能）。（二）刚性试验机下岩石单向压缩变形特性（二）刚性试验机下岩石单向压缩变形特性普通试验机得到峰值前的变形特性，多数岩石在峰值后工作。普通试验机得到峰值前的变形特性，多数岩石在峰值后工作。崩裂不崩裂 rmKK712022-5-112 2）应力应变全过程曲线形态）应力应变全过程曲线形态分四个阶段：前3阶段同普通试验机，第4阶段为应变软化阶
48、段 第第4阶段特点阶段特点： CD段：破裂岩块相互咬合成整体状而承载，原生和新生裂隙相互交叉、联合形成宏观断裂面，承载力随应变增加而减少（。 到达D点以后，靠碎块间的摩擦力承载， 称为。D全程压缩曲线2022-5-1172 C点后有残余应变，反复加卸载时，随变形增加，塑性滞环的斜率降低。 C点后，可能会出现压应力下的体积增大现象，称此为.2022-5-1173 岩石的体积应变特性岩石的体积应变特性 在压力作用下，岩石发生非线在压力作用下，岩石发生非线性体积变形可分为三个阶段：性体积变形可分为三个阶段：1 1 体积减小阶段体积减小阶段：弹性阶段内，体弹性阶段内，体积变形呈线性变化积变形呈线性变化
49、。2 2 体积不变阶段体积不变阶段：岩石体积虽有变岩石体积虽有变形，但应变增量接近于零，即岩石形，但应变增量接近于零，即岩石体积大小几乎没变化。体积大小几乎没变化。3 3 扩容阶段扩容阶段：在塑性段及峰后区，在塑性段及峰后区，主要是由于裂隙产生、贯穿、滑移、主要是由于裂隙产生、贯穿、滑移、错动、甚至张开造成。错动、甚至张开造成。321VVV321 2/10)21(1321V2022-5-1174获取全程试验曲线的处理方法 增加试验机刚度 使用刚性试验机，就没有大量的应变能贮存在试验机内，岩石在超过峰值强度破坏后就不会产生突发性破坏，这样就能获得峰后的变形、强度特征 为了减少在试验过程中软性(s
50、oft)试验机的弹性变形及贮存在其中的变形能，就必须增加试验机（钢构件、液压柱）的刚度，为此出现了刚性试验机(stiff testing machine) 2022-5-1175 采用液压伺服系统 伺服系统能根据岩石破坏和变形情况控制变形速度，使变形速度保持为恒定值变形速度保持为恒定值。：检查当前施加的荷载是否保持事先确定的变形速度，否则会自动地调整施加的荷载，以保持变形速度的恒定。,这个速度远大于裂隙传播速度，因而即使出现过量荷载，裂隙还未来得及传播，荷载就被减小了，岩石破坏得到有效控制。注意： 对于特别坚硬的岩石，除采用带有伺服系统的刚性试验机外，施加一定的围压是必要的，可以使破坏后的岩石
