图6.1 岩体的压力--变形曲线
第六章 岩体的力学性质
岩体的力学性质包括岩体的变形性质、强度性质、动力学性质和水力学性质等方面。 岩体在外力作用下的力学属性表现出非均质性、非连续、各向异性和非弹性。 岩体的力学性质取决于两个方面： 1）受力条件；
2）岩体的地质特征及其赋存环境条件。
其中地质特征包括岩石材料性质、结构面的发育情况及性质（影响岩体的力学性质不同于岩块的本质原因）；赋存环境条件包括天然应力和地下水。
第一节 岩体的变形性质
一、 岩体变形试验及其变形参数确定
变形参数包括变形模量和弹性模量。按静力法得到静E ，动力法得到动E 。
????
?
?
???????????????????法波地震声波法动力法轴压缩试验法双单水压洞室法
钻孔变形法扁千斤顶法狭缝法承压板法
静力法按原理和方法分原位岩体变形试验)()()( )(
1．承压板法
刚性承压板法和柔性承压板法 各级压力P －W （岩体变形值）曲线
按布西涅斯克公式计算岩体的变形模量E m （Mpa ）和弹性模量E me （Mpa ）。
???
?
???-=-=e m me
m m
W W PD E W W PD E )1()1(2
2
μμ 式中：P —承压板单位面积上的压力（Mpa ）； D —承压板的直径或边长（cm ）；
W ，W e —为相应P 下的总变形和弹性变形；
ω—与承压板形状、刚度有关系数，圆形板ω=0.785，方形板ω=0.886。 μm —岩体的泊松比。 ★定义：
岩体变形模量（E m ）：岩体在无侧限受压条件下的应力与总应变之比值。 岩体弹性模量（E me ）：岩体在无侧限受压条件下的应力与弹性应变之比值。 2．钻孔变形法 钻孔膨胀计
利用厚壁筒理论（弹性力学）得：
u
dP E m m )
1(μ+=
式中：d 为钻孔孔隙（cm ）；
P 为计算压力（Mpa ）；
u 为法向变形（cm ）。 与承压板比较其优点： ①对岩体扰动小；
②可以在地下水位以下笔相当深的部位进行；
③试验方向不受限制；
④可以测出几个方向的变形，便于研究岩体的各向异性。
缺点：涉及岩体体积小，代表性受局限。
3．狭缝法（狭缝扁千斤顶法） 水平的，也可以是垂直的。如图6.3所
示。
二、岩体变形参数估算
现场原位试验费用昂贵，周期长，一般只在重要的或大型工程中进行，因此，岩体变形参数的很多情况下必须进行估算。
图6.3 狭缝法试验装置
图6.2 钻孔变形试验装置示意图
两种方法：
① 现场地质调查→建立适当的岩体地质力学模型→室内小试件试验资料→进行估算； ② 岩体质量评价和大量试验资料→建立岩体分类指标与变形参数间的经验关系→进行估算。 1．层状岩体变形参数估算
E 、μ、G 为岩块参数，K n 、K s 为层面变形参数。
1）法向应力σn 作用下，如图6.4所示 沿n 方向加荷：
???
?
???
=
?=
?n n j n r K V s E V σσ::层面岩块
E
S V n r σ=? 岩体总变形：S E K S E
V V V mn
n
n
n
n
j r n σσσ=
+
=
?+?=?
nt
mn
nt n n t n mn E E
S
K E E μμσμσε?=
=
+
=?
1
11
沿t 方向加荷：
岩体的变形主要是岩块μμE
E mn
nt =
引起的 ????
?==μ
μmt mt E
E 2）剪应力作用下
岩体剪切变形Δu j =层面滑动变形Δu + 岩块的剪切变形Δu r
图6.4 层状岩体地质力学模型及变形参数估算示意图
???
???
?=?=?2K u S G u r ττ S G S G
K u u u mt
s
r j ?=
+
=
?+?=?∴τ
τ
τ
S
K G G s mt 1
11 +
=? 注：以上是假定岩块和结构面的变形参数及各岩层厚度均为常数的情况下推导出来的。 2．裂隙岩体变形参数的估算
1）比尼卫斯基（Bieniawski ，1978）（南非）
E m =2RMR -100 （RMR ＞55）
E m 变形模量，RMR 分类指标值。
RMR =9lg Q +44， SRF
J J J J RQD Q W a r n ??= （巴顿岩体质量分类）
Serafim 和Pereira （1983）
40
1010
-=RMR m E （RMR ≤55）
2）挪威的Bhasin 和Barton 等（1993）岩体分类指标Q 值—岩体质量分级（巴顿）
??
?
??-=
+=403500
1)(Q 3500lg 1000mp mean mp V E Q V ＞ 三、岩体变形曲线类型及其特征（岩体中存在结构面，与岩块的峰值前的变形曲线区分开来）
1．法向变形曲线
1）直线型，如图6.5a 所示→弹性岩体
dp /dw =k （岩体的刚度）
????
?),( ),,( 易变形刚度低缓直线型
弹性变形为主不易变形刚度大陡直线型 2）上凹型，如图6.5b 所示→弹塑性岩体
dw dp ＞0，dw
dp
值p ↑而↑，层状及节理岩体属于此种类型。 3）下凹型（上凸型），如图6.5c 所示→塑弹性岩体
dw
dp
随p ↑而↓，结构面发育且泥质充填的岩体或粘土岩、风化岩属于此种类型。 4）复合型→塑-弹-
塑性岩体 呈阶梯或“S ”型，如图6.5d 所示。
结构面发育不均或岩性不均匀的岩体多属于此种类型。 2．剪切变形曲线
比较复杂
根据τ-u 曲线的形状，残余强度（τr ）与峰值强度（τp ）的比值，可分为3类，如图
6.6所示：
1）峰前斜率小，破坏位移大，2～10mm ；峰后位移↑，强度降低或不变，如图6.6a 所示。 沿软弱结构面剪切时的情况。
2）峰前斜率较大，峰值强度较高，有较明显应力降，如图6.6b 所示。 沿粗糙结构面、软弱岩体及风化岩体剪切时的情况。
图6.6 岩体剪切变形曲线类型
图6.5 岩体变形曲线类型示意图
3）峰前斜率大，有较清晰的线性段和非线性段，峰值强度大，破坏位移小，1mm 左右， 残余强度（τr ）较低，如图6.6c 所示。 剪断坚硬岩体时的情况。
四、影响岩体变形性质的因素
岩体的岩性、结构面的发育特征、荷载条件、试件尺寸、试验方法和温度等等。 结构面的影响（结构面效应）：
方位：导致岩体变形的各向异性、变形模量E m 的各向异性； 密度：ρ↑，变形增大，E m ↓； 充填特征； 组合关系。
第二节 岩体的强度性质
岩体强度：指岩体抵抗外力破坏的能力。 包括抗压强度、抗拉强度和抗剪强度。
一、岩体的剪切强度
定义：岩体内任一方向剪切面，在法向应力作用下所能抵抗的最大剪应力。包括： 抗剪断强度（σn ≠0，预定剪切面）
抗剪强度 与岩块类似 （σn ≠0，沿已有破裂面） 抗切强度（σn =0的抗剪断强度）
1．原位剪切试验及其强度参数（C 、φ）确定
双千斤顶法直剪试验（在平巷中进行），如图6.7所示。
??
?
??---曲线曲线曲线στστw u 一般来说，岩体中的υm 与岩块的υ较接近；而岩体的C m 大大低于岩块的C 。这说明结构面的存在主要降低了岩体的连结能力，进而降低其内聚力。
为使剪切面上不产生力矩效应，合力通过剪切面中心O ，使其接近于纯剪破坏；另一千斤顶倾斜布置，α=15°，每组试件应有5个以上。
剪断面上：
???
???
?=+=ατασcos sin F T F
T p F 为试件受剪截面积 2．剪切强度特征
岩体的剪切强度主要受结构面、应力状态、岩块性质、风化程度及其含水状态等因素的影响。 1）高应力条件时，岩体的剪切强度较接近于岩块强度；
低应力条件下，岩体的剪切强度主要受结构面发育特征及其组合关系的控制。
图6.7 岩体抗剪试验
2）工程荷载一般小于10Mpa （低应力），故与工程活动有关的岩体破坏，基本上受结构面的控制。
3）岩体的剪切强度不是单一值，而是具有上限（Upper limit & bound ）和下限（Lower limit & bound ）的值域。其强度包络线也不是单一曲线，而是有一定上限和下限的曲线族，如图6.8所示。
（上限为岩体的剪断强度，下限是结构面的抗剪强度）
由图6.8可知：
σ较低时，τ变化范围较大，σ↑，τ变化范围变小；
σ↑→σ0时，包络线为一曲线，岩体强度τ将不受结构面的影响，趋向各向同性体。
二、裂隙岩体的压缩强度
包括单轴抗压强度和三轴压缩强度。 原位试验工期长，费用高。
因此，人们就开始从理论上分析研究裂隙岩体的压缩强度。
耶格（Jaeger ，1960）提出单结构面理论。→“结构面的强度效应” 单结构面强度效应
假定岩体中发育一组结构面AB ，AB 面（法线方向）与最大主应力方向夹角为β如图6.9（a ）所示。由Mohr 应力圆理论：
???
???
?
-=-++=β
σστβσσσσσ2sin )(212cos )(21)(21313131……………………………………………………① 结构面强度服从Coulomb-Navier 准则，如图6.9（b ）：
j j f C +=φστtg ……………………………………….②
①代入②得沿结构面AB 产生剪切破坏的条件：
β
βφφσσσ2sin )ctg tg 1()tg (2331j j j C -++
=……………………………③
图6.8 岩体剪切强度包络线
式中：C j ，υj 为结构面的粘聚力和摩擦角。 1）当β=υj 或2
π
β=
时，σ1→∞，岩体不可能沿结构面破坏，而只能产生剪断岩体破坏；
2）当β?［β1，β2］时，岩体才沿结构面破坏，如图6.9（c ）所示。
21,ββ? 略
结构面力学效应图给出了这两种破坏的强度包络线，如图6.9（d ）所示。 另外，由③可得：
岩体三轴压缩强度σ1m ：
β
βφφσσσ2sin )ctg tg 1()tg (2331j j j m C -++
=
当σ3=0时，得岩体单轴抗压强度σmc ：
β
βφσ2sin )ctg tg 1(2j j
mc C -=
当2
45j
φβ+
?=时，得岩体强度的最小值：
j
j j j C φφφσσσtg tg 1)tg (2)(2
3min 31-++=
-
如果岩体中含有两组以上结构面时，先给出每一组结构面单独存在的强度包络线（σ1－σ3
～
图6.9 单结构面理论示意图
β），取其中最小的包络线为该岩体的强度包络线，并以此确定岩体的强度。
三、裂隙岩体强度的经验估算
岩体强度是岩体工程设计的重要参数，而做岩体的原位试验又十分费时、费钱，难以大量进行。因此，如何利用地质资料及小试件室内试验资料，对岩体强度作出合理估算是岩石力学中重要研究课题。
下面介绍两种方法： 1．准岩体强度
该方法的实质：用某种简单的试验指标来修正岩石（块）强度，做为岩体强度的估算值。 节理、裂隙等结构面是影响岩体的主要因素。
引入弹性波知识，根据弹性波在岩体和岩块中的传播情况，可判断岩体中裂隙发育程度。 岩体的完整性（龟裂）系数，以K 表示：
2
???
?
??=p
mp
V V K 式中：mp V —岩体中弹性波纵波传播速度；
p V —岩块中弹性波纵波传播速度。
可以根据K 来计算准岩体强度。 1）准岩体抗压强度：σmc =K σc 2）准岩体抗拉强度：σmt =K σt
式中：σc 、σt 为岩石试件的抗压（拉）强度。 2．Hoek-Brown 经验方程
Hoek-Brown （1980）用试验法导出岩块和岩体破坏时主应力间的关系：
2331c c S m σσσσσ++=
式中：σ1、σ3为破坏时的最大（小）主应力； σc 为岩块的单轴抗压强度；
m 、S 为与岩性及结构面情况有关的常数，查教材P109表6-5。 上式的剪应力表达式为：
B c
c T A )(
-=σσ
στ
式中：τ为岩体的剪切强度；σ为法向应力；A 、B 为常数；
)4(2
1
2S m m T +-=
1）令σ3=0，则得岩体的单轴抗压强度σmc ：
c m c S σσ=
2）令σ1=0，则得岩体的单轴抗拉强度σmt ：
)4(2
12S m m c mt +-=σσ
适用条件：适用于受构造变动扰动改造及结构面较发育的裂隙化岩体。而对低围压下较坚硬完整的岩体，估算强度偏低→缺点和不足！
除此之外，另外有Sheory 、Bisw 和Choubeg （1989）等人的经验方程。
第三节 岩体的动力学性质
在动荷载作用下岩体的性质主要表现如下几个方面： 弹性波的传播规律（岩体中）； 岩体的动力变形； 岩体的强度性质。 何谓波？应力波呢？
波是指某种扰动（运动参数、状态）（如应力、变形、振动、温度、电磁场强度等）的变化在介质中的传播。
应力波是应力在固体（岩体）介质中的传播。
根据固体介质变形性质的不同，在固体中传播的应力波分为如下几类： ①弹性波：σ—ε关系服从虎克定理的介质中传播的波。
②粘弹性波：非线性弹性体中传播的波，除了弹性应力外还存在摩擦应力或粘滞应力。 ③塑性波：应力超过弹性极限的波。（只在振源处才能观察到，且不是所有岩体中都能产生这样的波。）
④冲击波：大扰动的传播速度远大于小扰动的传播速度的介质中传播的波。
一、岩体中弹性波的传播规律
????
?
???
?????
?????
?)()(:)(:)(波勒夫波波瑞利波面波剪切波波横波压缩波波纵波体波弹性波Q R S P 根据波动理论，连续、均匀、各向同性弹性介质中传播的V p 和V s ：
[][]???
???
?+=-+-=)1(2)21)(1()
1(d d s d d d d p E V E V μρμμρμ 式中：E d —动弹性模量；
μd —动泊松比； ρ—介质密度。 影响岩体传播的弹性波的因素：
（1）岩性：岩体愈坚硬，波速愈大；反之，愈小；
（2）结构面：对弹性波传播起隔波（垂直于结构面方向）或导波（平行于结构面方向）作用，从而导致波速及波动特性的各向异性；
（3）应力状态：压应力时，波速随应力增加而增加，波幅衰减少；拉应力时，波速随应力增加而降低，波幅衰增大。
（4）水：岩体中含水量的增加导致弹性波波速增加；
（5）温度：岩体处正温时，波速随T ↑而↓；处于负温时则随T ↑而↑。
二、岩体中弹性波速度的测定
d d d
s
jE E E V V =?????????????μρρ地震法声波法
式中：E ：静弹性模量
j ：折减系数 E d ：动弹性模量
（在设计和应用上常用静弹性模量E ，但它的获得费时、费事、费钱。）
三、岩体的动力变形与强度参数
1．动力变形参数
（E d 、μd 、G d ） 声波测试资料求取：
?????
??????=+=
--=+=--+=ρ
μμμρμμμρ
2
2222
2
2)
1(2)
(22)
1(21)
21)(1(ms d d d ms
mp ms mp
d d ms d d
d d mp d V E G V V V
V V E V E
2．动力强度参数
动态加载下的岩石强度比静态加载下的强度高→“时间效应” 王思敬等的经验公式：
岩体准抗压强度R m ：c rp mp
m V V R σ3
???
?
??= 式中：V mp 、V rp 分别为岩体和岩块的纵波波速。
第四节 岩体的水力学性质
岩体的水力学性质：指岩体与水共同作用所表现出来的力学性质。 水对岩体的作用包括两个方面：
1） 水对岩石的物理化学作用（软化系数R K 表示，c
cw
R K σσ=
）；（实际上包括软化和泥化作用）
2）水与岩体相互耦合作用下的力学效应。
一、单个结构面的水力特征
设结构面为一平直光滑无限延伸的面，张开度e 各处相等，如图6.10所示。
忽略岩块的渗透性，在稳定流的情况下，各层间的剪应力τ和静水压力P 之间关
系：
图6.10 平直光滑结构面的水力学模型
x
P
y ??=
??τ 又 y
u x
??=η
τ x
P
y u x ??=
??∴η122 ① 式中：u x 为沿x 方向的水流速度；
η为水的动力粘滞系数（0.1Pa.s ） 1）边界边条件：
????
??
?
==??±==0 ,02 ,0y y
u e y u x x
若e 很小，可忽略P 在y 方向上的变化，求解①得：
)41(822
2e
y x p e u x -??-=η ②
由②可知：水流速度在断面上呈二次抛物线分布。
x
p
e u e
dy
u u x e e x x
??-
=?=
?-η1222
/2
/ 又
??
??????==为水头差水力梯度为水头高度静水压力h x h
J h gh P w
ρ J K J g e u f w
x ?-=-=∴η
ρ122
γ
122
ge K f = 式中：γ为水的运动粘滞系数（cm 2
/s ）
w
ρηγ=
以上为平直光滑无充填贯通结构面导出的，但实际上岩体的结构面没有如此理想。于是，路
易斯（Louis ，1974）提出了修正公式：
J K J C
ge K u f x ?-=-=γ122
2
C
ge K K f γ122
2=
式中：K 2—结构面的面连续性系数；
C —结构面的相对粗糙修正系数：5.1)2(
8.81e
h C += h 为结构面的起伏差。
二、裂隙岩体的水力特征
1．含一组结构面岩体的渗透性能
如图6.11所示，一般结构面走向方向的等效渗透系数K 为：
m f K K S
e
K +=
K m 很小，可忽略，于是岩体的渗透系数K 为：
SC
ge K K S e
K f γ1232=
= 2．含多组结构面岩体的渗透性能（自阅） 3．岩体渗透系数的测试
???
???????
??)()(地下水位以下适用抽水试验地下水位以上适用压水试验现场水文地质试验测定理论公式计算渗透系数 1）压水试验
单孔、三段、注水试验等方法，如图6.12所示为一单孔压水试验。
P →P 后，5～10min 后测Q （L /min ），岩体单位吸水量W （L /min.m.m ）：
LP
Q
W =
巴布什金公式得：
lg
528.0γaL
W K =
图6.11 层状岩体的水力学模型
2）抽水试验
参见《地下水动力学》
三、应力对岩体渗透性能的影响
野外和室内试验研究表明：
结构面中的水流通量随受的正应力↑而↓，并且随着加、卸载次数的增加，岩体的渗透能力降低（主要是结构面受力闭合的结果）。
许多经验公式：
1）斯诺（Snow ，1966）：K =K 0+（K n t 2/s ）（P 0-P ）
K 0为初始应力P 0的渗透系数； K n 为结构面的法向刚度； P 为法向应力。
2）路易斯（Louis ，1974）：0
0ασ-=e K K 其中α为系数，σ0为有效应力。
3）孙广忠等（1983）：n
K e K K σ
20-=（K 0为附加应力σ=0时的渗透系数；K n 为结构面的法向
刚度）。
由公式可知：岩体的渗透系数K 是随应力的增加而降低的。并且随着岩体的埋深增大，结构面发育的密度和张开度都相应减小，故岩体的渗透性也减小。
工程实例中：①如地下洞室和边坡的开挖，改变了岩体中的应力状态，原来岩体中结构面的
张开度因应力释放而增大，岩体的渗透性能也增大。
②水库的修建→改变结构面中的应力水平→影响岩体的渗透性能。
四、渗流应力
位于地下水面以下的岩体，当存在渗透水流时，就受到渗流静水压力和动水压力的作用。
????
?==为地下水的水力坡度
渗流动水压力水头高度
渗流静水压力J gJ P h gh P w d w : :ρρ 在多孔介质如土体中时，对介质骨架作用的P d 为体积力。
当裂隙岩体中充满流动的地下水时，地下水对岩体裂隙壁施加一垂直于裂隙壁面的静水压力和平行与裂隙壁面的动水压力，动水压力为面力，即：
gJ b
J b P w d ργ2
2==
式中：b 为裂隙的隙宽。
(E, ν) 与(K, G)的转换关系如下： ) 21(3ν-= E K ) 1(2ν+= E G （7.2） 当ν值接近0.5的时候不能盲目的使用公式3.5，因为计算的K 值将会非常的高，偏离实际值很多。最好是确定好K 值(利用压缩试验或者P 波速度试验估计)，然后再用K 和ν来计算G 值。 表7.1和7.2分别给出了岩土体的一些典型弹性特性值。 岩石的弹性（实验室值）（Goodman,1980） 表7.1 土的弹性特性值（实验室值）（Das,1980） 表7.2 各向异性弹性特性——作为各向异性弹性体的特殊情况，横切各向同性弹性模型需要5 中弹性常量：E 1, E 3, ν12,ν13和G 13；正交各向异性弹性模型有9个弹性模量E 1,E 2,E 3, ν12,ν13,ν23,G 12,G 13和G 23。这些常量的定义见理论篇。 均质的节理或是层状的岩石一般表现出横切各向同性弹性特性。一些学者已经给出了用各向同性弹性特性参数、节理刚度和空间参数来表示的弹性常数的公式。表3.7给出了各向异性岩石的一些典型的特性值。 横切各向同性弹性岩石的弹性常数（实验室） 表7.3
流体弹性特性——用于地下水分析的模型涉及到不可压缩的土粒时用到水的体积模量K f ，如果土粒是可压缩的，则要用到比奥模量M 。纯净水在室温情况下的K f 值是2 Gpa 。其取值依赖于分析的目的。分析稳态流动或是求初始孔隙压力的分布状态（见理论篇第三章流体-固体相互作用分析），则尽量要用比较低的K f ，不用折减。这是由于对于大的K f 流动时间步长很小，并且，力学收敛性也较差。在FLAC 3D 中用到的流动时间步长,? tf 与孔隙度n ，渗透系数k 以及K f 有如下关系： ' f f k K n t ∝ ? （7.3） 对于可变形流体（多数课本中都是将流体设定为不可压缩的）我们可以通过获得的固结系数νC 来决定改变K f 的结果。 f 'K n m k C + = νν （7.4） 其中 3 /4G K 1 m += ν f 'k k γ= 其中，' k ——FLAC 3D 使用的渗透系数 k ——渗透系数，单位和速度单位一样（如米/秒） f γ——水的单位重量 考虑到固结时间常量与νC 成比例，我么可以将K f 的值从其实际值（Pa 9 102?）减少，利用上面得表达式看看其产生的误差。 流动体积模量还会影响无流动但是有空隙压力产生的模型的收敛速率（见1.7节流动与力学的相互作用）。如果K f 是一个通过比较机械模型得到的值，则由于机械变形将会产生孔隙压力。如果K f 远比k 大，则压缩过程就慢，但是一般有可能K f 对其影响很小。例如在土体中，孔隙水中还会包含一些尚未溶解的空气，从而明显的使体积模量减小。 在无流动情况下，饱和体积模量为： n K K K f u + = （7.5） 不排水的泊松比为：
一、绪论 一、解释下例名词术语 岩体力学：研究岩体在各种力场作用下变形与破坏规律的科学。. 二、简答题 1．从工程的观点看，岩体力学的研究内容有哪几个方面？ 答：从工程观点出发，大致可归纳如下几方面的内容： 1）岩体的地质特征及其工程分类。 2）岩体基本力学性质。 3）岩体力学的试验和测试技术。 4）岩体中的天然应力状态。 5）模型模拟试验和原型观测。 6）边坡岩体、岩基以及地下洞室围岩的变形和稳定性。 7）岩体工程性质的改善与加固。 2．岩体力学通常采用的研究方法有哪些？ 1）工程地质研究法。目的是研究岩块和岩体的地质与结构性，为岩体力学的进一步研究提供地质模型和地质资料。 2）试验法。其目的主要是为岩体变形和稳定性分析提供必要的物理力学参数。 3）数学力学分析法。通过建立岩体模型和利用适当的分析方法，预测岩体在各种力场作用下变形与稳定性。 4）综合分析法。这是岩体力学研究中极其重要的工作方法。由于岩体力学中每一环节都是多因素的，且信息量大，因此，必须采用多种方法考虑各种因素进行综合分析和综合评价才能得出符合实际的正确结论，综合分析是现阶段最常用的方法。 二、岩块和岩体的地质基础 一、解释下例名词术语 1、岩块：岩块是指不含显著结构面的岩石块体，是构成岩体的最小岩石单元体。有些学者把岩块称为结构体、岩石材料及完整岩石等。 2、波速比k v：波速比是国标提出的用来评价岩的风化程度的指标之一，即风化岩块和新鲜岩块的纵波速度之比。 3、风化系数k f：风化系数是国标提出的用来评价岩的风化程度的指标之一，即风化岩块和新鲜岩块饱和单轴抗压强度之比。 4、结构面：其是指地质历史发展过程中，在岩体内形成的具有一定的延伸方向和长度、厚度相对较小的地质面或带。它包括物质分异面和不连续面，如层面、不整合、节理面、断层、片理面等，国内外一些文献中又称为不连续面或节理。 5、节理密度：反映结构发育的密集程度，常用线密度表示，即单位长度内节理条数。 6、节理连续性：节理的连续性反映结构面贯通程度，常用线连续性系数表示，即单位长度内贯通部分的长度。 7、节理粗糙度系数JRC：表示结构面起伏和粗糙程度的指标，通常用纵刻面仪测出剖面轮廓线与标准曲线对比来获得。 8、节理壁抗压强度JCS：用施密特锤法（或回弹仪）测得的用来衡量节理壁抗压能力的指标。 9、节理张开度：指节理面两壁间的垂直距离。 10、岩体：岩体是指在地质历史过程中形成的，由岩块和结构面网络组成的，具有一定的结构，赋存于一定的天然应力状态和地下水等地质环境中的地质体。 11、结构体：岩体中被结构面切割围限的岩石块体。 12、岩体结构：岩体中结构面与结构体的排列组合特征。
1．构成岩石的主要造岩矿物有正长石、斜长石、石英、黑云母、白云母、角闪石、辉石、橄榄石、方解石、白云石、高岭石、赤铁矿。 2．为什么说基性岩和超基性岩最容易风化？答：基性岩石和超基性岩石主要由易风化的橄榄石、辉石及基性斜长石组成。所以基性岩石和超基性岩石非常容易风化。 3、常见岩石的结构连结类型有那几种？ 1.结晶连结：岩石中矿物颗粒通过结晶相互嵌合在一起，如岩浆岩、大部分变质岩以及部分沉积岩的结构连结。 2.胶结连结：指颗粒与颗粒之间通过胶结物质连结在一起的连结。如沉积碎屑岩、部分粘土岩的结构连结。 4．何谓岩石中的微结构面，主要指那些，各有什么特点？ 答：岩石中的微结构面（或缺陷）是指存在于矿物颗粒内部或矿物颗粒及矿物集合体之间微小的弱面及空隙。它包括矿物的解理、晶格缺陷、晶粒边界、粒间空隙、微裂隙等。矿物的解理面：是指矿物晶体或晶粒受力后沿一定结晶方向分裂成的光滑平面。晶粒边界：矿物晶体内部各粒子都是由各种离子键、原子键、分子键等相连结。由于矿物晶粒表面电价不平衡而使矿物表面具有一定的结合力，但这种结合力一般比起矿物内部的键连结力要小，因此，晶粒边界就相对软弱。微裂隙：是指发育于矿物颗粒内部及颗粒之间的多呈闭合状态的破裂迹线，也称显微裂隙。粒间空隙：多在成岩过程中形成，如结晶岩中晶粒之间的小空隙，碎屑岩中由于胶结物未完全充填而留下的空隙。粒间空隙对岩石的透水性和压缩性有较大的影响。晶格缺陷：有由于晶体外原子入侵结果产生的化学上的缺陷，也有由于化学比例或原子重排列的毛病所产生的物理上的缺陷。它与岩石的塑性变形有关。 5．自然界中的岩石按地质成因分类，可分为几大类，各大类有何特点？答：根据地质学的岩石成因分类可把岩石分为岩浆岩、沉积岩和变质岩。岩浆岩特点： 1）深成岩：常形成较大的入侵体。颗粒均匀，多为粗-中粒状结构，致密坚硬，孔隙很小，力学强度高，透水性较弱，抗水性较强。2）浅成岩：成分与深成岩相似，但产状和结构都不相同，多为岩床、岩墙和岩脉。均匀性差，与其他岩种相比，它的性能较好。3）喷出岩：结构较复杂，岩性不均一，连续性较差，透水性较强，软弱结构面比较发育。沉积岩特点：1）火山碎屑岩：具有岩浆和普通沉积岩的双重特性和过渡关系，各类火山岩的 性质差别很大。2）胶结碎屑岩：是沉积物经过胶结、成岩固结硬化的岩石。 其性质取决于胶结物的成分、胶结形式和碎屑物成分和特点。3）粘土岩：包括页岩和泥岩。其性质较差。4）化学岩和生物岩：碳酸盐类岩石，以石灰石分布最广。结构致密、坚硬、强度较高。变质岩特点：是在已有岩石的基础之上，经过变质混合作用后形成的。在形成过程中由于其形成的温度和压力的不同而具有不同的性质，形成了变质岩特有的片理、剥理和片麻结构等。据有明显的不均匀性和各向异性。变质岩特点1）接触变质岩：侵入体周围形成岩体。岩 体透水性强，抗风化能力降低。 2）动力变质岩：构造作用形成的断裂带及附近受到影响的岩石。它的胶结不好，裂隙、孔隙发育，强度低，透水性强。3）区域变质岩：这种变质岩的分布范围广，岩石厚度大，变质程度均一。一般块状岩石性质较好，层状片状岩石性质较差。 6．表示岩石物理性质的主要指标及其表示方式是什么？ 答：指由岩石固有的物理组成和结构特性所决定的比重、容重、孔隙率、水理性等基本属性。 7、岩石破坏有几种形式？对各种破坏的原因作出解释。 答：试件在单轴压缩载荷作用破坏时，在试件中可产生三种破坏形式: (1)X状共轭斜面剪切破坏，破坏面上的剪应力超过了其剪切强度，导致岩石破坏。 (2)单斜面剪切破坏，破坏面上的剪应力超过了其剪切强度，导致岩石破坏。 (3)拉伸破坏，破坏面
第一讲岩石的基本物理力学性质及其试验方法(之一) 一、内容提要： 本讲主要讲述岩石的物理力学性能等指标及其试验方法，岩石的强度特性。 二、重点、难点： 岩石的强度特性，对岩石的物理力学性能等指标及其试验方法作一般了解。 一、概述 岩体力学是研究岩石和岩体力学性能的理论和应用的科学，是探讨岩石和岩体对其周围物理环境(力场)的变化作出反应的一门力学分支。 所谓的岩石是指由矿物和岩屑在长期的地质作用下，按一定规律聚集而成的自然体。由于成因的不同，岩石可分成火成岩、沉积岩、变质岩三大类。岩体是指在一定工程范围内的自然地质体。通常认为岩体是由岩石和结构面组成。所谓的结构面是指没有或者具有极低抗拉强度的力学不连续面，它包括一切地质分离面。这些地质分离面大到延伸几公里的断层，小到岩石矿物中的片理和解理等。从结构面的力学来看，它往往是岩体中相对比较薄弱的环节。因此，结构面的力学特性在一定的条件下将控制岩体的力学特性，控制岩体的强度和变形。 【例题1】岩石按其成因可分为( )三大类。 A. 火成岩、沉积岩、变质岩 B. 花岗岩、砂页岩、片麻岩 C. 火成岩、深成岩、浅成岩 D. 坚硬岩、硬岩、软岩答案：A 【例题2】片麻岩属于( )。 A. 火成岩 B. 沉积岩 C. 变质岩 答案：C 【例题3】在一定的条件下控制岩体的力学特性，控制岩体的强度和变形的是( )。 A. 岩石的种类 B. 岩石的矿物组成 C. 结构面的力学特性 D. 岩石的体积大小答案：C 二、岩石的基本物理力学性质及其试验方法 (一)岩石的质量指标 与岩石的质量有关的指标是岩石的最基本的，也是在岩石工程中最常用的指标。 1 岩石的颗粒密度(原称为比重) 岩石的颗粒密度是指岩石的固体物质的质量与其体积之比值。岩石颗粒密度通常采用比重瓶法来求得。其试验方法见相关的国家标准。岩石颗粒密度可按下式计算 2 岩石的块体密度 岩石的块体密度是指单位体积岩块的质量。按照岩块含水率的不同，可分成干密度、饱和密度和湿密度。 (1)岩石的干密度 岩石的干密度通常是指在烘干状态下岩块单位体积的质量。该指标一般都采用量积法求得。即将岩块加工成标准试件(所谓的标准试件是指满足圆柱体直径为48～54mm，高径比为2.0～2.5，含大颗粒的岩石，其试件直径应大于岩石最大颗粒直径的10倍；并对试件加工具有以下的要求；沿试件高度，直径或边长的误差不得大于0.3mm；试件两端面的不平整度误差不得大于0.05mm；端面垂直于试件轴线，最大偏差不得大于0.25。)。测量试件直径或边长以及高度后，将试件置于烘箱中，在105～110℃的恒温下烘24h，再将试件放入干燥器内冷却至重温，最后称试件的质量。岩块干
岩石力学考试试题 1、岩体的强度小于岩石的强度主要是由于（） （ A ）岩体中含有大量的不连续 （ B ）岩体中含有水 （ C ）岩体为非均质材料 （ D ）岩石的弹性模量比岩体的大 2、岩体的尺寸效应是指（）。 （ A ）岩体的力学参数与试件的尺寸没有什么关系 （ B ）岩体的力学参数随试件的增大而增大的现象 （ C ）岩体的力学参数随试件的增大而减少的现象 （ D ）岩体的强度比岩石的小 3 、影响岩体质量的主要因素为（）。 （A）岩石类型、埋深 （B）岩石类型、含水量、温度 （C）岩体的完整性和岩石的强度 （D）岩体的完整性、岩石强度、裂隙密度、埋深 4、我国工程岩体分级标准中岩石的坚硬程序确定是按照（）。 （A）岩石的饱和单轴抗压强度 （B）岩石的抗拉强度 （C）岩石的变形模量 （D）岩石的粘结力 5、下列形态的结构体中，哪一种具有较好的稳定性？（） （A）锥形（B）菱形（C）楔形（D）方形 1、A 2、C 3、C 4、A 5、D 6、A 7、C 8、 B 9、A 10、D
6、沉积岩中的沉积间断面属于哪一种类型的结构面？（） （A）原生结构面（B）构造结构面 （C）次生结构面 7、岩体的变形和破坏主要发生在（） （A）劈理面（B）解理面（C）结构 （D）晶面 8、同一形式的结构体，其稳定性由大到小排列次序正确的是（） （A）柱状>板状>块状 （B）块状>板状>柱状 （C）块状>柱状>板状 （D）板状>块状>柱状 9、不同形式的结构体对岩体稳定性的影响程度由大到小的排列次序为（）（A）聚合型结构体>方形结构体>菱形结构体>锥形结构体 （B）锥形结构体>菱形结构体>方形结构体>聚合型结构体 （C）聚合型结构体>菱形结构体>文形结构体>锥形结构体 （D）聚合型结构体>方形结构体>锥形结构体>菱形结构体 10、岩体结构体是指由不同产状的结构面组合围限起来，将岩体分割成相对的完整坚硬的单无块体，其结构类型的划分取决于（） （A）结构面的性质（B）结构体型式 （C）岩石建造的组合（D）三者都应考虑 1、A 2、C 3、C 4、A 5、D 6、A 7、C 8、 B 9、A 10、D 选择题 1、在我国工程岩体分级标准中，软岩表示岩石的饱和单轴抗压强度为（）。（A）15~30MPa （B）<5MPa （C）5~15MPa （D）<2MPa 2、我国工程岩体分级标准中岩体完整性确定是依据（）。
岩块：不含显著结构面的岩石块体，是构成岩石的最小岩石单元体。岩体：通常是指一定工程范围内的自然地质体。 结构面：指地质历史发展过程中，在岩体内形成的具有一定的延伸方向和长度，厚度相对较小的地质界面或带。 岩石的结构：矿物颗粒的形状、大小和联结方式所决定的结构特征。 岩石的构造：各种不同结构的矿物集合体的各种分布和排列方式。 岩石的水理性质：岩石在含水或者浸水等条件下体现主来的的与水作用有关的性质。包括：吸水性，软化性，崩解性，膨胀性，抗冻性和渗透性。表征吸水率的指标：含水率、吸水率、饱和吸水率、饱水系数。 含水率：岩石空隙中含水的质量与固体质量之比。 吸水率：一定实验条件下岩石吸入水的质量和岩石固体质量之比，用百分数表示。 软化性：岩石在保水状态下强度相对降低的性能，用软化系数来表征。 软化系数：饱和岩石单轴抗压强度与干燥岩石单轴抗压强度的比值。 崩解性：岩石与水相互作用时失去粘结性并且变成完全丧失强度松散物质的性能。 膨胀性：岩石浸水后体积增大的性质。抗冻性：岩石地抗冻融破坏的能力。 岩石密度：单位体积内岩石的质量。岩石颗粒密度：岩石固体部分的质量与固体体积比值。 岩体和岩块的区别：块，强度高，无结构面，体积小，连续性均匀介质，研究方法简单，反应工程实际较差。体相反。 岩石应力应变全过程曲线：孔隙裂隙压密阶段 OA，弹性变形阶段 A B，微弹性裂隙稳定发展阶段 BC，非稳定破裂阶段 CD，破坏后阶段 DE。 岩石的拉伸破坏实验分为：直接拉伸实验法、抗弯法、劈裂法、点载荷实验法。后两种常用。 单轴抗压强度：岩石在单轴压缩荷载作用下所能承受的最大压应力。 单轴抗拉强度：岩石在单轴拉伸荷载作用下达到破坏是所能承受的最大拉应力。 泊松比：在材料的比例极限内，由均匀分布的纵向应力所引起的横向应变与相应的纵向应变之比的绝对值。 变形模量：在部分侧限条件下，其应力增量与相应的应变增量的比值。 残余强度：达到峰值强度之后，强度急剧下降并且不等于 0 的强度值。 岩石三周抗压强度：岩石在三周荷载作用下，达到破坏时所能承受的最大压应力。 脆性：在外力作用下(如拉伸、冲击等)仅产生很小的变形即断裂破坏的性质。 延性：结构，构件或构件的某个截面从屈服开始到达最大承载能力或到达以后而承载能力还没有明显下降期间的变形能力。 弹性：物体在外力作用下发生形变，当外力撤消后能恢复原来大小和形状的性质。 塑性：一种在某种给定载荷下,材料产生永久变形的材料特性。粘性：度量流体粘性大小的物理量。 抗剪强度：岩石的剪切荷载作用下达到剪切破坏前所能承受的最大切应力。岩石剪切试验分为：岩石抗剪实验、抗切试验以及弱面剪切试验。 抗剪断强度：一定正应力作用下的岩石试件沿预定剪切面剪断时的最大切应力。是岩石内聚力和内摩擦力的综合体现。岩石抗切试验通常有单（双）面剪切及冲孔试验。取决于岩石内聚力。 岩石流变包括：蠕变、松弛、弹性后效和粘性流动。 蠕变：应力保持不变应变随时间增长而增加的现象。 松弛：应变保持不变应力随时间增加而减小的现象。
―――岩体力学作业之二 一、名词释义 l.结构面：①指在地质历史发展过程中，岩体内形成的具有一定的延伸方向和长度，厚度相对较小的宏观地质界面或带。 ②又称弱面或地质界面，是指存在于岩体内部的各种地质界面，包括物质分异面和不连续面，如假整合、不整合、褶皱、断层、层面、节理和片理等。 2.原生结构面：在成岩阶段形成的结构面，根据岩石成因的不同，可分为沉积结构面、岩浆（火成）结构面和变质结构面三类。 3.构造结构面：指在构造运动作用下形成的各种结构面，如劈理、节理、断层面等。 4.次生结构面：指在地表条件下，由于外力(如风力、地下水、卸荷、爆破等)的作用而形成的各种界面，如卸荷裂隙、爆破裂隙、风化裂隙、风化夹层及泥化夹层等。 5.结构面频率：即裂隙度，是指岩体中单位长度直线所穿过的结构面数目。 6.结构体：结构面依其本身的产状，彼此组合将岩体切割成形态不一、大小不等以及成分各异的岩石块体，被各种结构面切割而成的岩石块体称为结构体。 7.结构效应：是指岩体中结构面的方向、性质、密度和组合方式对岩体变形的影响。 8.剪胀角（angle of dilatancy）：岩体结构面在剪切变形过程中所发生的法向位移与切向位移之比的反正切值。 9.节理化岩体：是指被各种节理、裂隙切割呈碎裂结构的岩体。 10.结构面产状的强度效应：指结构面与作用力之间的方位关系对岩体强度所产生的影响。 11.结构面密度的强度效应：指结构面发育程度(数量)对岩体强度所产生的影响。 12.岩体完整性指标：是指岩体弹性纵波与岩石弹性纵波之比的平方。 13.岩体基本质量：岩体所固有的、影响工程岩体稳定性的最基本属性，岩体基本质量由岩石坚硬程度和岩体完整程度决定。 14.自稳能力：在不支护条件下，地下工程岩体不产生任何形式破坏的能力。 15.体积节理数：是指单位岩体体积内的节理(结构面)数目。 16.岩石质量指标(RQD)：长度在10cm（含10 cm)以上的岩芯累计长度占钻孔总长的百分比，称为岩石质量指标RQD(Rock Quality Designation)。 二、填空题 1.岩体是指经历过多次反复地质作用，经受过变形，遭受过破坏，形成了一定的岩石成分和结构，赋存于一定地质环境中的地质体。因此，岩体力学性质与岩体中的、以及 2 密切相关。 2.岩体由结构面和结构体组成，结构面根据形成原因通常可分为三种类型：、 和。 3.在工程岩体范围内，结构面按贯通情况可分为、以及三种类型。 4.在岩体中被各种结构面切割而成的岩石块体称为结构体。结构体的形状主要有、、1 以及菱形和锥形等，如果风化强烈或挤压严重，也可形成、、 1 等。 5.岩体抵抗外力作用的能力称为岩体的力学性质。它包括岩体的特征、特征和1 特征等。 6.岩体结构面的剪切变形与、和有关。 7.岩体结构面的几何特性是反映节理的外貌，它的组成要素包括：、、、 以及和。 8.岩体的力学性质不仅取决于岩石本身及结构面的力学性质，也与密切相关。 9.岩体的强度不仅与组成岩体的的性质有关，而且与岩体内的有关，此外还与岩体有关。 10.岩体中存在各种结构面，结构面的变形大小主要由和控制的。
1、岩石力学:固体力学的一个新分支,用以研究岩石材料的力学性能和岩石工程的特殊设计方法。 岩石：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自然地质体。 岩体：岩体是指一定工程范围内的自然地质体,由岩块和各种不连续面组成的。 岩体具有如下三大特征: (1)它的边界是根据工程情况确定的。 (2)岩体经历了漫长的自然地质作用过程,并在地应力的长期作用下,在其内部保留了各种永久变形和各种各样的地质构造形迹。 (3)至今还受到地应力,以及水、温度等因素的影响。 结构面：结构面是指在岩体内形成的具有一定的延伸方向和长度,厚度相对较小的地质界面或带,即强度低、易变形的面或带,即弱面。 结构体：结构体是指由结构面在岩体中切割而成的几何体。 2、岩石的密度：岩石的比重就是岩石的干重量除以岩石的实体积(不包括岩石中孔隙体积),所得的量与一个标准大气压下4℃纯水容重的比值,又称相对密度。 重度：岩石在天然状态下岩石单位体积的重量。 干重度：岩石在105℃~110℃烘至恒重后，测定的岩石单位体积的重量。 饱和重度：岩石在吸水饱和状态下测定的重度。 碎胀系数：岩石的碎胀系数Kp是指岩石破碎后的体积与破碎前实体积的比。 残余碎胀系数：破碎岩石压实后体积与岩石破碎前体积V之比，用Kp’表示。（取决于岩石性质、载荷大小、载荷作用时间、含水状况等） 孔隙度率：岩石的孔隙率是指岩石中孔隙体积Vv(孔洞和裂隙之和)占岩石总体积V的百分比。 孔隙比：岩石的孔隙比是指岩石中孔隙的总体积Vv与固体(颗粒)实体积Vs之比。 吸水率：岩石的吸水率(自然吸水率的简称)指干燥后的岩石(样品)在一个大气压力和室温条件下,浸入水中定时间(48hr)吸入水分的质量与其干质量百分比。 饱水率：岩石的饱和吸水率(简称饱水率)又称强制吸水率,是指干燥后的岩样在强制状态下吸入水分的质量与其固体矿物质量的百分比。 膨胀性：岩石浸水后体积增大或体积不变时相应地引起应力增大的性能。 侧向约束膨胀率：处于径向约束的岩石试件，浸水膨胀后测得的轴向变形率。 饱和系数：岩石的饱和系数指岩石吸水率和饱和吸水率之比。 渗透系数：岩石的透水性是指水在一定压力作用下通过岩石的性能,岩石的透水性指标为渗透系数。K＝v/I＝Q/IA 软化性：岩石浸水后强度降低的性能。 软化系数：是岩石单轴饱和状态下的抗压强度与烘干状态的单轴抗压强度的比值。 崩解性：岩石浸水后发生的解体现象。 耐崩解指数：即指岩样在遭受干燥和湿润两个标准循环后,残留固体质量与试验前固体质量百分比。 3、岩石主要有哪些类型？脆性岩石和塑性岩石 弹性模量：弹模分为切线模量和割线模量，切线模量是指岩石应力应变关系为S 型时,该曲线上直线段的切线斜率。割线模量是指应力应变关系为S 曲线时,该曲线原点到某一特殊应力点连线的斜率。 泊松比：是指岩石试件在单轴压缩条件下横向(径向)应变εd和轴向应变εz的比值,又称为横向变形系数。 体积应变：是指岩石在压缩时,体积的缩小量与原体积的比值。 弹模获取的常用方法：巴西劈裂法 4、脆性岩石是指在外力作用下,岩石在破坏前变形很小(总变形小于3%),破坏面明显的岩石。 塑性岩石,通常是指在外力作用下,岩石在破坏前变形明显(总变形大于5%),而破裂面不明显的岩石,即延性。 刚性压力机是指试验机的刚度Km比岩石刚度Kr大。 全应力应变曲线是岩石应力应变全过程曲线的简称,是指在刚性压力机上获得的应力应变曲线,即包括峰前区和峰后区两部分。 典型全应力应变曲线由哪些阶段组成？ ①孔隙裂隙压密阶段OA②弹性变形阶段AB③微裂纹扩展阶段BD④破坏阶段 为什么说普通力学试验机不能获得应力应变全过程曲线？ 普通材料实验机整体刚度相对较小，对试件施加载荷产生的反作用力将使实验机构件产生较大变形（弹性能储存），当岩石试件被压坏时，试件抗压能力急剧下降，致使实验机弹性变形迅速恢复（弹性能释放）摧毁岩石试件，而得
岩石力学试卷（闭卷） 一、填空题（每空1分，共20分） 1、沉积岩按结构可分为（）、（），其中，可作为油气水在地下的良好储层的是（），不能储存流体，但是可作为油气藏的良好盖层的是（）。 2、为了精确描述岩石的复杂蠕变规律，许多学者定义了一些基本变形单元，它们是（）、（）、 （）。 3、在水力压裂的加压过程中，井眼的切向或垂向的有效应力可能变成拉应力，当此拉应力达到地层的（） 时，井眼发生破裂。此时的压力称为（）。当裂缝扩展到（）倍的井眼直径后停泵，并关闭液压系统，形成（），当井壁形成裂缝后，围岩被进一步连续地劈开的压力称为（）。如果围岩渗透性很好，停泵后裂缝内的压力将逐渐衰减到（）。 4、通常情况下，岩石的峰值应力及弹性模量随着应变率降低而（），而破坏前应变则随着应变率降低而（）。 5、一般可将蠕变变形分成三个阶段：第一蠕变阶段或称（）；第二蠕变阶段或称（）；第三蠕 变阶段或称（）。但蠕变并一定都出现这三个阶段。 6、如果将岩石作为弹性体看待，表征其变形性质的基本指标是()和()。 二、选择题（每题2分，共10分） 1、格里菲斯强度准则不能作为岩石的宏观破坏准则的原因是（） A、该准则不是针对岩石材料的破坏准则 B、该准则没有考虑岩石的非均质的特性 C、该准则忽略了岩石中裂隙的相互影响 2、在地下，岩石所受到的应力一般为（）。 A、拉应力 B、压应力 C、剪应力 3、一般情况下，岩石的抗拉强度（）抗压强度。 A、等于 B、小于 C、大于 4、地层坍塌压力越高，井壁越（）。 A、稳定 B、不稳定 C、无关 5、初始地应力主要包括（） A、自重应力和残余应力 B、构造应力和残余应力 C、自重应力和构造应力 三、判断改错题（每题2分，共10分）
概念 岩石：是由矿物或岩屑在地质作用下按一定的规律聚集而成的自然体。 岩石结构：是指岩石中矿物颗粒间的关系，包括颗粒大小、形状、排列、结构连结特点以及岩石中的微结构面。 岩石构造：岩石中不同矿物集合体之间及其与其他组成部分之间在空间的排列方式及充填方式。 岩石块体密度：单位体积岩石（包括岩石孔隙体积）的质量。 颗粒密度：岩石固相物质的质量与其体积的比值（不包括岩石孔隙体积）。 孔隙率：孔隙体积与总体积（包含孔隙）之比。 渗透系数：表征岩石透水性的重要标志，在数值上等于水力梯度为1时的渗流速度。 软化系数：岩石浸水后的饱和抗压强度与岩石干抗压强度之比。 膨胀性：岩石侵水后发生体积膨胀的性质。 岩石吸水性：岩石在一定的实验条件下吸收水分的能力。 扩容：岩石在外力作用下，形变过程中发生的非弹性的体积增长（岩石破坏的前兆）。 弹性模量：单向压缩条件下，弹性变形范围为轴向应力与试件轴向应变之比。 变形模量：岩石在单轴压缩条件下，轴向应力与总应变（弹性应变与塑性应变之和）的比值。泊松比：横向应变与纵向应变之比，也叫横向变形系数。 脆性度：对脆性程度的一种度量，脆性度愈小，材料抗断裂的抗力愈高；反之愈大。 尺寸效应：岩石试件尺寸越大，则强度越低，反之越高，这一现象。 常规三轴试验：试件处于σ1 >σ2=σ3应力状态下。 真三轴试验：试件处于σ1 >σ2 >σ3应力状态下。 岩石三轴压缩强度：岩石在三轴压缩荷载作用下，试件破坏时所承受的最大轴向压应力。流变性：介质在外力不变的条件下，应力与应变随时间而变化的性质。 蠕变：介质在大小和方向均不改变的外力作用下，其变形随时间变化而增大的现象。 松弛：介质的变形（应变）保持不变时，内部应力随时间变化而降低的现象。 弹性后效：介质加载或卸载时，弹性应变滞后于应力的现象。它是一种延迟发生的弹性变形和弹性恢复，外力卸除后最终不留下永久变形。 岩石长期强度：岩石的强度是随外载作用时间的延长而降低，作用时间t趋向于正无穷的强度（最低值）。 强度准则：表征岩石破坏条件的应力状态与岩石强度参数间的函数关系，通过它来判断岩石在什么样的应力应变条件下破坏。 岩石抗拉强度测定方法：直接拉伸法、抗弯法、劈裂法、点载荷法。 简答论述 1、岩石结构与岩石构造有什么区别？并举例加以说明。 岩石结构：是指岩石中矿物颗粒间的关系，包括颗粒大小、形状、排列、结构连结特点以及岩石中的微结构面。岩石构造：岩石中不同矿物集合体之间及其与其他组成部分之间在空间的排列方式及充填方式。如岩浆岩中的流线、流面、块状构造，沉积岩中的层理、叶片状构造，变质岩中的片理、片麻理和板状构造等。 2、岩石颗粒间的连接方式有哪几种？ 结晶连结：岩石中矿物颗粒通过结晶相互嵌合在一起，如岩浆岩、大部分变质岩以及部分沉积岩的结构连结。胶结连结：指颗粒与颗粒之间通过胶结物质连结在一起的连结。如沉积碎屑岩、部分粘土岩的结构连
一.岩石的物理力学性质 1.岩体：位于一定地质环境中，在各种宏观地质界面（断层、节理、破碎带等）分割下形成的有一定结构的地质体。 由结构面与结构体组成的地质体。 2.岩石：是经过地质作用而天然形成的一种或多种矿物的集合体。具有一定结构构造的矿物（含结晶和非结晶的）集 合体。 3.岩（体）石力学：是力学的一个分支学科，是研究岩（体）石在各种力场作用下变形与破坏规律的理论及其实际应 用的一门基础学科。 4.结构面：指在地质历史发展过程中，岩体内形成的具有一定的延伸方向和长度，厚度相对较小的宏观地质界面或带。 5.岩石质量指标（RQD）：指大于10cm的岩芯累计长度与钻孔进尺长度之比的百分数。 6.空隙指数：指在压力条件下，干燥岩石吸入水的重量与岩石干重量的比值。 7.软化性：软化性是指岩石浸水饱和后强度降低的性质。 8.软化系数：指岩石试件的饱和抗压强度与干燥状态下的抗压强度的比值。 9.膨胀性：是指岩石浸水后体积增大的性质。 10.单轴抗压强度：是指岩石试件在单轴压力下达到破坏的极限值。， ! 11.抗拉强度：是指岩石试件在单向拉伸条件下试件达到破坏的极限值。 12.抗剪强度：是指岩石抵抗剪切破坏的能力。 13.形状效应：在岩石试验中，由于岩石试件形状的不同，得到的岩石强度指标也就有所差异。这种由于形状的不同而 影响其强度的现象称为“形状效应”。 14.尺寸效应：岩石试件的尺寸愈大，则强度愈低，反之愈高，这一现象称为“尺寸效应”。 15.延性度：指岩石在达到破坏前的全应变或永久应变。 16.流变性：指在外界条件不变时，岩石应变或应力随时间而变化的性质。 17.蠕变：指在应力不变的情况下，岩石的变形随时间不断增长的现象。 18.应力松弛：是指当应变不变时，岩石的应力随时间增加而不断减小的现象。 19.弹性后效：是指在加荷或卸荷条件下，弹性应变滞后于应力的现象。 20.峰值强度：若岩石应力—应变曲线上出现峰值，峰值最高点的应力称为峰值强度。 21.长期强度：指长期荷载（应变速率小于10－6／s）作用下岩石的强度。 $ 22.扩容：在岩石的单轴压缩试验中，当压力达到一定程度以后，岩石中的破裂或微裂纹继续发生和扩展，岩石的体积 应变增量由压缩转为膨胀的力学过程，称之为扩容。 23.应变硬化：在屈服点以后（在塑性变形区），岩石（材料）的应力—应变曲线呈上升曲线，如要使之继续变形，需 要相应地增加应力，这种现象称之为应变硬化。 24.疲劳破坏：在循环荷载作用下，岩石会在比峰值应力低的应力水平下破坏的现象。 25.疲劳强度：是使岩石（材料）发生疲劳破坏时循环荷载的应力水平的大小（非定值）。 26.速率效应：是指在岩石试验中由于加载速率的不同而引起的岩石强度的变化现象。 27.延性流动：是指当应力增大到一定程度后，应力增大很小或保持不变时，应变持续不断增长而不出现破裂，也即是 有屈服而无破裂的延性流动。 28.脆性破坏：是指岩石在破坏前变形很小，出现急剧而迅速的破坏，且破坏后应力降很大。 29.延性破坏：是指岩石在破坏前发生了较大的永久塑性变形，并且破坏后应力降很小。 30.强度准则：表征岩石破坏时的应力状态和岩石强度参数之间的关系，一般可以表示为极限应力状态下的主应力间的 关系方程：σ1＝f（σ2，σ3）或τ＝f（σ）。 31.塑性变形：在外力撤去后不能够恢复的变形。2.岩体的力学性质及分类 ; 二.岩体的力学性质及分类 l.结构面：①指在地质历史发展过程中岩体内形成的具有一定的延伸方向和长度，厚度相对较小的宏观地质界面或带。 ②又称弱面或地质界面，是指存在于岩体内部的各种地质界面，包括物质分异面和不连续面，如假整合、不整合、 褶皱、断层、层面、节理和片理等。
岩石力学习题 第一章绪论 1.1 解释岩石与岩体的概念，指出二者的主要区别与联系。 1.2 岩体的力学特征是什么？ 1.3 自然界中的岩石按地质成因分类可分为几大类，各有什么特点？ 1.4 简述岩石力学的研究任务与研究内容。 1.5 岩石力学的研究方法有哪些？ 第二章岩石的物理力学性质 2.1 名词解释：孔隙比、孔隙率、吸水率、渗透性、抗冻性、扩容、蠕变、松弛、弹性后效、长期强度、岩石的三向抗压强度 2.2 岩石的结构和构造有何区别？岩石颗粒间的联结有哪几种？ 2.3 岩石物理性质的主要指标及其表示方式是什么？ 2.4 已知岩样的容重=22.5kN/m3，比重，天然含水量，试计算该岩样的孔隙率n，干容重及饱和容重。 2.5 影响岩石强度的主要试验因素有哪些？ 2.6 岩石破坏有哪些形式？对各种破坏的原因作出解释。 2.7 什么是岩石的全应力－应变曲线？什么是刚性试验机？为什么普通材料试 验机不能得出岩石的全应力－应变曲线？ 2.8 什么是岩石的弹性模量、变形模量和卸载模量？
2.9 在三轴压力试验中岩石的力学性质会发生哪些变化？ 2.10 岩石的抗剪强度与剪切面上正应力有何关系？ 2.11 简要叙述库仑、莫尔和格里菲斯岩石强度准则的基本原理及其之间的关系。 2.12 简述岩石在单轴压力试验下的变形特征。 2.13 简述岩石在反复加卸载下的变形特征。 2.14 体积应变曲线是怎样获得的？它在分析岩石的力学特征上有何意义？ 2.15 什么叫岩石的流变、蠕变、松弛？ 2.16 岩石蠕变一般包括哪几个阶段？各阶段有何特点？ 2.17 不同受力条件下岩石流变具有哪些特征？ 2.18 简要叙述常见的几种岩石流变模型及其特点。 2.19 什么是岩石的长期强度？它与岩石的瞬时强度有什么关系？ 2.20 请根据坐标下的库仑准则，推导由主应力、岩石破断角和岩石单轴抗压强度给出的在坐标系中的库仑准则表达式，式中。 2.21 将一个岩石试件进行单轴试验，当压应力达到100MPa时即发生破坏，破坏面与大主应力平面的夹角(即破坏所在面与水平面的仰角)为65°，假定抗剪强度随正应力呈线性变化(即遵循莫尔库伦破坏准则)，试计算： 1)内摩擦角。 2)在正应力等于零的那个平面上的抗剪强度。
岩石的基本物理力学性质 岩石的基本物理力学性质是岩体最基本、最重 要的性质之一，也是岩体力学中研究最早、最完善 的力学性质。 岩石密度：天然密度、饱和密度、 质量指标密度、重力密度 岩石颗粒密度 孔隙性孔隙比、孔隙率 含水率、吸水率 水理指标 渗透系数 抗风化指标软化系数、耐崩解性指数、膨胀率 抗冻性抗冻性系数 单轴抗压强度 单轴抗拉强度 抗剪强度 三向压缩强度 岩石的基本物理力学性质 ◆岩石的变形特性 ◆岩石的强度理论 试验方法参照标准：《工程岩体试验方法标准》（GB/T 50266-99）。 第二章岩石的基本物理力学性质 第一节岩石的基本物理性质 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 回顾----岩石的基本构成 岩石是自然界中各种矿物的集合体，是天然地质作用的产物，一般而言，大部分新鲜岩石质地均坚硬致密，空隙小而少，抗水性强，透水性弱，力学强度高。 岩石是构成岩体的基本组成单元。相对于岩体而言，岩石可看作是连续的、均质的、各向同性的介质。 岩石的基本构成：由组成岩石的物质成分和结构两大方面来决定的。 回顾----岩石的基本构成 一、岩石的物质成分 ●岩石是自然界中各种矿物的集合体。 ●岩石中主要的造岩矿物有：正长石、斜长石、石英、黑云母、角闪石、辉石、方解石、白云石、高岭石等。 ●岩石中的矿物成分会影响岩石的抗风化能力、物理性质和强度特性。 ●岩石中矿物成分的相对稳定性对岩石抗风化能力有显著的影响，各矿物的相对稳定性主要与化学成分、结晶特征及形成条件有关。 回顾----岩石的基本构成 二、岩石的结构 是指岩石中矿物（及岩屑）颗粒相互之间的关系，包括颗粒的大小、性状、排列、结构连结特点及岩石中的微结构面（即内部缺陷）。其中，以结构连结和岩石中的微结构面对岩石工程性质影响最大。 回顾----岩石的基本构成 ●岩石结构连结 结晶连结和胶结连结。 结晶连结：岩石中矿物颗粒通过结晶相互嵌合在一起，如岩浆岩、大部分变质岩及部分沉积岩的结构连结。这种连结结晶颗粒之间紧密接触，故岩石强度一般较大，但随结构的不同而有一定的差异。 胶结连结：指颗粒与颗粒之间通过胶结物在一起的连结。对于这种连结的岩石，其强度主要取决于胶结物及胶结类型。从胶结物来看，硅质铁质胶结的岩石强度较高，钙质次之，而泥质胶结强度最低。 回顾----岩石的基本构成 ●岩石中的微结构 岩石中的微结构面（或称缺陷），是指存在于矿物颗粒内部
岩体力学考试复习资料（2011/04/17） 一、名词释义 结构面:指地质历史发展过程中，在岩体内形成的具有一定的延伸方向和长度，厚度相对较小的地质界面或带. 岩体:在地质历史过程中形成的，由岩石单元体和结构面网络组成的，具有一定的结构并赋存于一定的天然应力状态和 地下水等地质环境中的地质体. 颗粒密度:岩石固体相部分的质量与其体积的比值。块体密度(岩石密度):指岩石单位体积内的质量。 弹性;在一定的应力范围内物体受外力作用产生的全部变形去除外力后能立即恢复原有形状和尺寸。塑性;物体受力后产生变形，在外力去除后不能完全回复的性质。 粘性;物体受力后变形不能再瞬时完成，且应变速率随应力增加而增加的性质。脆性; 物体受力后变形很小时就发生碎裂的性质。 延性;物体能承受较大塑性变形而不丧失其承载力的性质。 流变;在外部条件不变的情况下，岩石的变形或应力随时间的变化的现象弹性后效：应变恢复总是落后于应力的现象 单轴抗压强度：在单向压缩条件下，岩块能承受的最大压应力 法向刚度:在法向应力作用下，结构面产生单位法向变形所需的应力 剪切强度:岩体内任一方向剪切面在法向应力作用下所能抵抗的最大剪应力天然应力:人类工程活动之前存在于岩体中的应力重分布应力:岩体中由于工程活动改变后的应力 天然应力比值系数:岩体中天然水平应力与铅直应力之比 岩爆:高地应力地区由于洞壁围岩中应力高度集中使围岩产生突发性变形破坏的现象 围岩压力:地下洞室在重分布应力作用下产生过量的塑性变形或松动破坏，进而引起施加于支护衬砌上的压力围岩抗力:围岩对衬砌的反力 围岩抗力:使洞壁围岩产生一个单位径向变形所需要的内水压力蠕变:岩石在恒定的荷载作用下，变形随时间逐渐增大的性质尺寸效应：试件尺寸越大，岩块强度越低剪胀角：剪切位移线与水平的夹角 岩（体）石力学：是力学的一个分支学科，是研究岩（体）石在各种力场作用下变形与破坏规律的理论及其实际应用 的一门基础学科。 工程岩体力学：为各类建筑工程及采矿工程等服务的岩体力学 RQD(岩体质量指标)：指大于10cm的岩芯，累计长度与钻孔进尺长度之比的百分比软化性：岩石浸水饱和后强度降低的性质。 二、填空 岩体力学主要分支学科：工程岩体力学、构造岩体力学、破碎岩体力学。 岩体力学研究对象是：在各种地质作用下形成的天然岩体。 结构面连续性指标：线连续性系数、迹长、面连续性系数。 按充填厚度和连续性，结构面充填分为：薄膜充填、断续充填、连续充填、厚层充填。岩石软化性取决于岩石的：矿物组成、空隙性。流变包括：蠕变、松弛、弹性后效。 岩块抗拉强度测定方法：直接拉伸法和间接法；间接法有：劈裂法、抗弯法、点荷载法。影响抗剪强度因素：结构面的形态、连续性、胶结充填特征、壁岩性质。 岩体法向变形曲线分为：直线型、上凹型、上凸型、复合型；又称为弹性、弹-塑性、塑-弹性、塑-弹-塑性岩体。岩石天然应力测量方法：水压致裂法、扁千斤顶法、钻孔套应力解除法。铅直天然应力σv等于上覆岩体自重，σv=ρgh 水平天然应力σh=λσv，λ=μ/
岩石岩体区别：岩石可以看作是一种材料，岩体是岩石与各种不连续面的组合体；岩石可以看作是均质的，岩体是非均质的（在一定的工程范围内）；岩石具有弹、塑、粘弹性，岩体受结构面控制，性质更复杂，强度更低；岩体通常是指一定工程范围内的地质体，岩石则无此概念。 岩石力学是一门研究岩石在外界因素（如荷载、水流、温度变化等）作用下的应力、应变、破坏、稳定性及加固的学科。又称岩体力学，是力学的一个分支。研究目的在于解决水利、土木工程等建设中的岩石工程问题。它是一门新兴的，与有关学科相互交叉的工程学科，需要应用数学、固体力学、流体力学、地质学、土力学、土木工程学等知识，并与这些学科相互渗透。 研究对象：对象：岩石—对象—岩石材料—地壳中坚硬的部分； 复杂性：地质力学环境的复杂性（地应力、地下水、物理、化学作用等） 研究的基本内容： 基本理论岩体地应力 材料实验——三大部分→岩体的强度 工程应用岩体的变形 仅供学习与参考
裂隙水力学 研究方法：物理模拟→岩石物理力学性质常规实验，地质力学模型试验； 数学模型→如有限元等数值模拟； 理论分析→用新的力学分支，理论研究岩石力学问题； 由于岩石中存在各种规模的结构面（断裂带、断层、节理、裂隙）→致使岩石的物理力学性质→不连续、不均匀、各向异性→因此，有必要引入刻划不均一程度的参数。 各向异性：指岩石的强度、变形指标（力学性质）随空间方位不同而异的特性。 岩石的基本物理力学性质 岩石力学问题的研究首先应从岩石的基本物理力学性质研究入手， 1.岩石的容重：指单位体积岩石的重量。 2.比重（Gs）指岩石干重量除以岩石的实体积（不含孔隙体积）的干容重与4?c水的容重的比值。 3.孔隙率（n%）指岩石内孔隙体积与总体积之比。 4.天然含水量：指天然状态下，岩石的含水量与岩石干重比值的百分比。 5.吸水率：指岩石在常温条件下浸水48小时后，岩石内的含水量与岩石干容重的比值。 6.饱和含水率：指岩样在强制状态（真空、煮沸或高压）下，岩样最大吸水量与岩石干重量比值。 7.饱水 仅供学习与参考
练习题 三、简答题： 1、什么是全应力应变曲线？为什么普通材料试验机得不出全应力应变曲线？ 答：在单轴压缩下，记录岩石试件被压破坏前后变形过程的应力应变曲线。 普通材料实验机整体刚度相对较小，对试件施加载荷产生的反作用力将使实验机构件产生较大变形（弹性能储存），当岩石试件被压坏时，试件抗压能力急剧下降，致使实验机弹性变形迅速恢复（弹性能释放）摧毁岩石试件，而得不到岩石破坏后的应力应变曲线。刚性实验机在施加载荷时，自身变形极小，储存的弹性能不足以摧毁岩石试件，因此可以得到岩石破坏后的应力应变曲线。 2、简述岩石在三轴压缩下的变形特征。 答：E、μ与单轴压缩基本相同； 随围压增加——三向抗压强度增加；峰值变形增加；弹性极限增加；岩石由弹脆性向弹塑性、应变硬化转变。3、按结构面成因，结构面通常分为几种类型？ 答：按成因分类有三种类型：①原生结构面——成岩阶段形成的结构面；②构造结构面——在构造运动作用下形成的结构面；③次生结构面——由于风化、人为因素影响形成的结构面。 4、在巷道围岩控制中，可采取哪些措施以改善围岩应力条件？ 答：选择合理的巷道断面参数（形状、尺寸），避免拉应力区产生（无拉力轴比）； 巷道轴线方向与最大主应力方向一致； 将巷道布置在减压区（沿空、跨采、卸压）。 5、地应力测量方法分哪两类？两类的主要区别在哪里？每类包括哪些主要测量技术？ 答：分为直接测量法和间接测量法。 直接测量法是用测量仪器直接测量和记录各种应力量。 间接测量法，不直接测量应力量，而是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物理量的变化，通过其与应力之间存在的对应关系求解应力。 直接测量法包括：扁千斤顶法、水压致裂法、刚性包体应力计法和声发射法等。 间接测量法包括：套孔应力解除法、局部应力解除法、松弛应变测量法、孔壁崩落测量法、地球物理探测法。 1．岩石的塑性和流变性有什么不同? 答：塑性指岩石在高应力（超过屈服极限）作用时，产生不可恢复变形的性质。流变性指岩石在任何应力作用下，随时间增长而产生的不可恢复的变形。相同点：均为不可恢复变形；不同点：变形产生的原因、机理不同。 2．试叙述构造应力对原岩应力场的影响及其特点。 答：影响：加大了水平应力和应力不均衡分布。构造应力特点： 1）分布不均，在构造区域附近最大；2）水平应力为主，浅部尤为明显；3）具有明显的方向性；4）坚硬岩层中明显，软岩中不明显；5） 3．简述围压对岩石力学性质的影响。 围压可改变岩石的力学性状。围压增大致使塑性增大、峰值强度增高、破坏前变形加大。实验时加载速率大，导致弹性摸量大、强度指标高。 4．影响巷道围岩稳定的主要因素有哪些？ 围岩强度、应力集中程度、原始应力大小、巷道支架的支撑力 5．采用锚杆支护时如何选择锚杆的杆径？ 锚杆杆径确定：一般先确定锚固力，然后由拉断力≥锚固力确定拉断力，再确定杆径。 1．岩石受载时会产生哪些类型的变形? 岩石受载可发生弹性变形、塑性变形和粘性变形。一般岩石呈现粘弹性性质（滞弹性），即应变的产生和恢复滞后于应力变化。 2．程岩体比尼奥斯基分类法依据哪些指标对岩体进行分类？ 依据岩块强度、RQD、节理间距、节理条件、地下水条件五个指标进行分类。 3．岩体与岩石相比，其变形性质有何特点？ 岩体变形与岩石相比E低，峰值强度低，残余强度低，μ高；达到峰值后，岩体呈柔性破坏，并保留一定残余强度；各向异性显著，不同结构面分布呈现不同变形性质。 4．试分析支承压力的有利因素与不利因素。 有利：压酥煤体，便于落煤，节省能耗。不利：破坏煤体引起片帮，不利顶板管理；破坏顶板，生成采动裂隙，造成