第一章岩石及岩体的基本性质
第一节概述
岩石就是组成地壳的基本物质,它由各种造岩矿物或岩屑在地质作用下按一定规律(通过结晶或借助于胶结物粘结)组合而成。
一、岩石的分类
自然状态下的岩石,按其固体矿物颗粒之间的结合特征,可分为:
①固结性岩石:固结性岩石就是指造岩矿物的固体颗粒间成刚性联系,破碎后仍可保持一定形状的岩石。
②粘结性岩石、③散粒状岩石、④流动性岩石等。
在煤矿中遇到的大多就是固结性岩石。常见的有砂岩、石灰岩、砂质页岩、泥质页岩、粉砂岩等。
按岩石的力学性质不同,常把矿山岩石分为:
①坚硬岩石②松软岩石两类。
工程中常把饱水状态下单向抗压强度大于10MPa的岩石叫做坚硬岩石,而把低于该值的岩石称为松软岩石。
松软岩石具有结构疏松、密度小、孔隙率大、强度低、遇水易膨胀等特点。
从矿压控制角度瞧,这类岩石往往会给采掘工作造成很大困难。
二、岩石的结构与构造
岩石的强度与岩石的结构与构造有关。
1、岩石的结构指决定岩石组织的各种特征的总合。如岩石中矿物颗粒的结晶程度、颗粒大小、颗粒形状、颗粒间的联结特征、孔隙情况,以及胶结物的胶结类型等。
岩石中矿物颗粒大小差别很大,在沉积岩中,有的颗粒小到用肉眼难以分辩(如石灰岩、泥岩、粉砂岩中的细微颗粒),有的颗粒可大至几厘米(如砾岩中的粗大砾石)。组成岩石的物质颗粒大小,决定着岩石的非均质性。颗粒愈均匀,岩石的力学性质也愈均匀。一般来说,组成岩石的物质颗粒愈小,则该岩石的强度愈大。
2、岩石的构造就是指岩石中矿物颗粒集合体之间,以及与其它组成部分之间的排列方式与充填方式。主要有以下几种构造:
1、整体构造——岩石的颗粒互相紧密地紧贴在一起,没有固定的排列方向;
2、多孔状构造——岩石颗粒间彼此相连并不严密,颗粒间有许多小空隙;
3、层状构造——岩石颗粒间互相交替,表现出层次叠置现象(层理)。
岩石的构造特征对其力学性质有明显影响,如层理的存在常使岩石具有明显的各向异性。在垂直于层理面的方向上,岩石承受拉力的性能很差,沿层理面的抗剪能力很弱。受压时,随加载方向与层理面的交角不同,强度有较大差别。
第二节 岩石的物理性质
一、岩石的相对密度(比重)
岩石的相对密度就就是岩石固体部分实体积(不包括空隙)的质量与同体积水质量的比值。其计算公式为:
w c d
V G γ?=? (1-1)
式中 Δ—岩石的比重;
G d —绝对干燥时岩石固体实体积的重量,g;
V c —岩石固体部分实体积,cm 3;
γw —水的密度,g/cm 3
岩石比重的大小取决于组成岩石的矿物比重,而与岩石的空隙与吸水多少无关。岩石的比重可用于计算岩石空隙度与空隙比。煤矿中常见岩石的比重见表1-1。
二、岩石的质量密度
岩石的密度就是指单位体积(包括空隙)岩石的质量。
根据含水状态不同,岩石的密度分为天然密度、干密度、与饱与密度。
天然密度就是岩石在天然含水状态下的密度。
干密度就是岩石在105～110℃烘箱内烘至恒重时的密度。
饱与密度就是岩石在吸水饱与状态下的密度。
干密度、饱与密度与天然密度的表达式如下:
V
G d d =γ
V
G sat sat =γ (1-2) V
G =γ 式中 G d 、G sat 、G —分别就是干燥岩石、水饱与岩石与天然含水岩石的质量,g; γd 、γsat 、γ—岩石的干密度、饱与密度与天然密度,g/cm 3
V —岩石的体积,cm 3。
通常,不说明含水状态时,即指岩石的干密度。煤矿常见的岩石密度见表1-1。 对于遇水易膨胀的某些松软岩石,区分干密度与湿密度有重要意义。
三、岩石的空隙性
岩石的空隙性就是指岩石中孔隙与裂隙的发育程度,常用空隙度表示。所谓空隙度就是指岩石中各种空隙、裂隙的体积的总与与岩石总体积之比。按下式计算:
%1001???? ?
??-=d n γ (1-3) 式中 n —岩石的空隙度(也称空隙率);
γd —岩石的干密度,g/cm 3;
Δ—岩石的比重值。
岩石的空隙性也可用空隙比表示。空隙比就是指岩石中各种孔隙与裂隙体积 总与与岩石内固体部分实体积之比。表达式如下:
c
o V V e = (1-4) 式中 e —岩石的空隙比;
V o —岩石内各种空隙与裂隙体积的总与,cm 3;
V c —岩石内固体部分实体积,cm 3;
空隙比与空隙度之间有如下关系:
n
n e -=1 (1-5) 岩石的空隙性对岩石的其它性质有显著影响。一般来说,空隙度增大可使岩石密度与强度降低,使塑性变形与透水性增加。煤矿中常见岩石的空隙度与空隙比见表1-1。
四、岩石的碎胀性与压实性
岩石破碎以后的体积将比整体状态下增大,这种性质称为岩石的碎胀性。 碎胀系数——岩石的碎胀性可用岩石破碎后处于松散状态下的体积与破碎前处于整体状态下的体积之比来表示,该值称为碎胀系数。表达式如下:
V
V k p '
= (1-6) 式中 k p —岩石的碎胀系数;
V ’—岩石破碎膨胀后的体积,cm 3;
V —岩石处于整体状态下的体积,cm 3。
岩石的碎胀系数对矿山压力控制,特别就是采煤工作面的顶板管理有重要意义。碎胀系数与岩石的物理性质、破碎后块度的大小及其排列状态等因素有关。例如,坚硬岩石成大块破坏且排列整齐时,碎胀系数较小,如破碎后块度较小且排列较杂乱,则碎胀系数较大。煤矿中常见岩石的碎胀系数见表1-2。
岩石破碎后,在其自重与外加载荷的作用下会逐渐压实,体积随之减小,碎胀系数比初始破碎时相应变小。这种压实后的体积与破碎前原始体积之比,称为残余碎胀系数,以k ‘p 表示,其值见表1-2。
五、岩石的水理性质
1、岩石的吸水性。岩石的吸水性就是指遇水不崩解的岩石,在一定试验条件下(规定的试尺寸与试验压力)吸入水分的能力。
通常以岩石的自然吸水率与强制吸水率表示。
岩石的自然吸水率就是指试件在大气压力作用下吸入水分的质量与试件的烘干质量之比。
岩石的强制吸水率(也称饱与吸水率)就是指试件在加压(150个大气压)条件下吸入水分的质量与烘干质量之比。两种吸水率表达式如下:
(1-7) 式中 ω、ωsat —岩石的自然吸水率与强制吸水率; G w —岩石试件在大气压力下吸入水分的质量,g;
G d —岩石试件烘干后质量,g;
%100?=d w G G ω%100?=?d
s w sat G G ω
G w·s —岩石试件强制饱与吸水后质量,g 。
2、岩石的透水性。在地下水水力坡度(压力差)作用下,岩石能被水透过的性能称为岩石的透水性。
用渗透系数来表征岩石透水性能的大小。渗透系数的大小取决于岩石孔隙的大小、数量与相互贯通情况。根据达西定律:
KAI Q = (1-8)
式中 Q —单位时间透水量;
K —渗透系数;
A —渗透面积;
I —水力坡度(压力差);
3、岩石的软化性。岩石浸水后的强度明显降低,可用软化系数表示水分对岩石强度的影响程度。
软化系数就是水饱与岩石试件的单向抗压强度与干燥岩石试件单向抗压强度的比值,其关系式如下:
1≤=c
cw c R R η (1-9) 式中 ηc —岩石的软化系数;
R cw —水饱与岩石试件的单向抗压强度,MPa;
R c —干燥岩石试件的单向抗压强度,MPa 。
岩石浸水后的软化程度,与岩石中亲水矿物与易溶性矿物的含量、空隙的发育程度、水的化学成份,以及岩石浸水时间的长短等因素有关。亲水矿物与易溶矿物含量越多,张性裂隙越发育,则岩石浸水后强度降低程度越大。此外,岩石浸水时间越长,其强度降低程度也越大。如某些砂岩浸水3天后,单向抗压强度降低32～35%,浸水9天后降低51～59%。
研究岩石的软化性对用高压注水法控制坚硬难冒落顶板有重要意义。表1-3为煤矿中几种常见岩石的软化系数,由该表可瞧出,各种岩石的软化系数都小于1,说明岩石普遍具有软化性。
第三节 岩石的变形性质
变形就是岩石的主要力学性质。岩石受载时将首先发生变形,当载荷超过一
定数值(极限强度)时导致破坏。变形与破坏就是载荷作用下岩石的力学性质发展变化的两个阶段。
一、岩石的弹性与塑性
岩石受力后既可出现弹性变形,也可出现塑性变形。但岩石与一般固体材料不同,它的弹性变形与塑性变形往往同时出现。岩石就是兼有弹性与塑性的材料。
二、在单向压缩下岩石的变形特性
1、脆性岩石的变形性质。
图l－l a为脆性岩石的应力—应变曲线。其特点就是岩石在破坏前没有明显的塑性变形,总应变量也较小。通常把在外力作用下破坏前总应变小于3%的岩石,叫做脆性岩石。
可将图l－l a所示曲线分为三段:OA段表示岩石受载初期,由于岩石中的各种空隙受压闭合,曲线出现上弯,OA段称为岩石的压密阶段;AB段接近于直线,可近似地称为线弹性阶段,这时可认为岩石处于弹性状态;在BC段内,自B点开始岩石内部已有微破裂不断发生,到C点发生破坏,故BC段可称为破裂发展阶段。C点即为岩石的强度极限。
图l－1a就是利用具有普通刚度的试验机所得的结果,岩石破碎时发出巨大的声响,岩石碎块强烈弹出,这就就是一般所说的脆性破坏。
如果采用刚度很大的材料试验机(常称为刚性试验机)加压,就可以使原先呈炸裂性破坏的岩石试件平静地产生破坏,从而可使试验继续进行下去,并得出岩石的应力—应变全程曲线(图l－l b)。它说明岩石应力达到最大值以后,并不立即完全丧失承载能力,而就是要达到D点才完全破坏。D点称为完全破坏点,而该点所保持的某一较小的应力值称为残余强度。岩石具有残余强度的特性,对地下开采过程中合理地利用已经受到破坏的围岩(或煤体)的自承能力有重要意义。
图l－l 脆性岩石的应力应变曲线
2、塑性岩石的变形性质。
图l－2为塑性岩石的应力应变曲线,它的特点就是岩石在破坏之前的应变量较大。通常把外力作用下破坏前总应变大于5%的岩石叫做塑性岩石。
由图l－2可知,塑性岩石应变曲线的斜率开始较陡,以后逐渐平缓。工程上把
开始变缓的转折点称为屈服点,该点的应力值称为屈服极限σT。有时为了方便起
见,也将OEF曲线简化为OEG折线。认为岩石在达到屈服极限以前处于近似弹性状态,而σT表示塑性流动开始。塑性岩石产生的塑性变形要比弹性变形大得多。
图1-2 塑性岩石的应力应变曲线
三、三向压缩条件下岩石的变形特性
图l－3a、b为干砂岩与湿砂岩在常温与不同侧压(或称围压)三向压缩条件下的变形曲线。图中的纵坐标表示最大的主应力σ1(一般为垂直应力)与最小应力σ
,(一般为侧向应力)之差,横坐标表示轴向应变。试验时侧向应力σ2=σ3。由图可3
知:
(l)当岩石受三向压缩时,其应力应变的开始阶段,有一段近似于直线的关系,说明在主应力差值(σ1-σ3)的峰值前不远的范围内,岩石属弹性变形。
(2)岩石的脆性与塑性就是相对的,在单向应力或较低的三向应力状态下表现为脆性的岩石,在高压三向应力状态下破坏前也能表现出很大的塑性。
(3)三向压缩时,随着侧向应力σ3与主应力差值(σ1-σ3)的增加,强度极限(峰值)也随之增大。
(4)岩石在三向压缩条件下破坏以后,虽然其结构发生了变化,但仍然保留一定的承载能力。这对于在井下控制煤柱与岩体的稳定性很有实际意义。
图1-3 砂岩在常温与不同侧压三向压缩下的应变曲线
a－干砂岩;b－湿砂岩
四、岩石的蠕变性
在恒定载荷持续作用下,应变随时间增长而变化的现象称为蠕变,表示这一特征的曲线叫做蠕变曲线。图l－4就是岩石的典型蠕变曲线。由图可知,在开始加载时,试件立即产生一个瞬时应变(图中OA段),由于这一段作用的时间极短,故可近似地认为就是弹性变形。在AB段,应变不断增加,但应变速率不断降低,故曲线呈下凹型,这个阶段的蠕变称为第一阶段蠕变或短暂蠕变。在BC段,应变以稳定恒速增长,这个阶段的蠕变称为第二阶段蠕变或定常蠕变,且这个阶段的时间延续最长。在CD段,应变以加速增长,曲线呈上凹型,这个阶段的蠕变称第三阶段蠕变或加速蠕变。当应变达到某数值D时,最终引起试件破坏。
图1-4岩石的典型蠕变曲线
第四节 岩石的强度特性
在载荷的作用下,岩石变形达到一定程度就会破坏。岩石发生破坏时所能承受的最大载荷称为极限载荷,用单位面积表示则称为极限强度。在不同应力条件下,岩石具有不同的极限强度。
岩石的强度可分为单向抗压强度、单向抗拉强度、抗剪强度、抗弯强度、三向抗压强度等。
一、岩石的单向抗压强度
岩石试件在单向压缩时所能承受的最大应力值,称为岩石的单向抗压强度。它就是地下工程中使用最广的岩石力学特性参数,在煤矿中研究岩石分类、确定破坏准则以及表达围岩坚硬程度时,常采用这一指标。
测定岩石的单向抗压强度,通常采用直径5cm 与高径比为2的圆柱形试件,在压力机上以50～100N/s 的速度加载,直到试件破坏,然后按下式计算:
A
P R c = (1-10) 式中 R c —岩石试件的单向抗压强度,kPa;
P —岩石试件破坏时施加的载荷,kN;
A —试件初始截面积,m 2。
煤矿常见岩石的单向抗压强度见表1-4。
二、岩石的单向抗拉强度
岩石试件在单向拉伸时能承受的最大拉应力值,称为单向抗拉强度。它就是岩石力学性质中的重要指标。由于岩石的抗拉强度远小于抗压强度,在受载不大时就可能出现拉伸破坏,因此,它对研究井下巷硐失稳等问题有重要意义。
目前,测定岩石抗拉强度的基本方法基本上可分两类,即直接拉伸法与间接拉伸法。直接拉伸法与金属材料拉伸试验类似。可按下式求得岩石的抗拉强度:
A
P R t t = (1-11) 式中 R t —岩石试件的单向抗拉强度,kPa
P t —试件破坏时的总拉力,kN;
A —试件破坏断面积,m 2。
由于直接拉伸法的岩石试件加工复杂,目前广泛采用劈裂法间接地测定岩石的单向抗拉强度。这种方法就是用直径为5cm 与厚2、5cm 的圆盘形试件,在材料试验机上以3～5N/s 的速度加载,直至试件被压裂(图1-5)。此时,可按下式计算试件的抗拉强度: Dt P R p π2= (1-12) 式中 R p —圆盘形试件的抗拉强度,kPa;
P —试件裂开破坏时的竖向总压力,kN;
D 、t —圆盘形试件的直径与厚度,m 。
图1-5 劈裂法试验装置示意图
1-试件;2-钢丝垫条;3-承压板
图1-6 倾斜压模剪切装置
三、岩石的抗剪强度
岩石的抗剪强度就是指岩石抵抗剪切作用的能力。
目前广泛采用倾斜压模法测定岩石抗剪强度。如图1-6所示,将规格为5cm×5cm×5cm 的立方体试件放在两个钢制的倾斜压模之间,以50～100N/s 的速度加载迫使试件沿预定的剪切面AB 剪断。这时作用在破坏面上的应力为:
ατsin A P A T ==
(1-13) 式中 T 、N —作用在剪切破坏面上的剪应力与正应力,kN; τ—抗剪强度,kPa;
σn —剪切破坏面上的正应力,kPa;
P —试件发生剪切破坏时压力机施加的总压力,kN;
A —试件剪切破坏面的面积,m 2;
α—试件与水平面的夹角,(°)
四、岩石的三向抗压强度
岩石在三向应力作用下所能抵抗的最大轴向应力,称为岩石的三向抗压强度。它通常就是在轴对称应力组合方式(即σ1>σ2=σ3)的三向应力条件下,利用岩石三轴应力试验机测定的。
图1-7 三轴试验装置
1-压力室;2-密封设备;3-球面底座;4-压力液进口;5-排气口;6-侧向压力;7-试件
如图1-7所示,测定时将试件放在密闭的高压容器内,用油泵向压力室内送入高压油,对试件施加侧向压力(σ2=σ3),达到预定值后封闭压力室,然后以50～100N/s 的稳定速度,连续均匀地通过压力机活塞施加轴向载荷,直至试件破坏。试件在相应侧压力下的三向抗压强度可按下式计算: ασcos A
P A N n ==
(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。
几种常见岩石力学参数汇总 2010年9月2日 参考资料：《构造地质学》，谢仁海、渠天祥、钱光谟编，2007年第2版，P25-P37。 1.泊松比的变化范围： 2.弹性模量的变化范围：
3.常温常压下强度极限： 4.内摩擦角和内聚力的变化范围： 一、课程名称：中国戏曲介绍课时：2个学时 二、背景分析：戏曲是中国文化的瑰宝，同学们对中国戏曲 还不够了解，不能经常接触戏曲。 三、教学内容：中国戏曲 四、教学目标：初步了解中国戏曲的相关知识，并学会哼唱具有代表性的戏曲，简要说出
他们的起源 五、教学过程： 【引入课程】1、先介绍董永和七仙女的故事，然后放[天仙配]，为讲戏曲作铺垫，将同学们带入戏曲的氛围中 【初步了解】1、介绍戏曲相关知识中国戏曲主要是由民间歌舞、说唱和滑稽戏三种不同艺术形式综合而成。它起源于原始歌舞，是一种历史悠久的综合舞台艺术样式。经过汉、唐到宋、金才形成比较完整的戏曲艺术，它由文学、音乐、舞蹈、美术、武术、杂技以及表演艺术综合而成，约有三百六十多个种类。它的特点是将众多艺术形式以一种标准聚合在一起，在共同具有的性质中体现其各自的个性。[1]中国的戏曲与希腊悲剧和喜剧、印度梵剧并称为世界三大古老的戏剧文化，经过长期的发展演变，逐步形成了以“京剧、越剧、黄梅戏、评剧、豫剧”五大戏曲剧种为核心的中华戏曲百花苑。[2-5]中国戏曲剧种种类繁多，据不完全统计，中国各民族地区地戏曲剧种约有三百六十多种，传统剧目数以万计。其它比较著名的戏曲种类有：昆曲、粤剧、淮剧、川剧、秦腔、晋剧、汉剧、河北梆子、河南坠子、湘剧、黄梅戏、湖南花鼓戏等。放[刘海砍樵] 2、戏曲行当 生、旦、净、丑各个行当都有各自的形象内涵和一套不同的程式和规制；每个都行当具有鲜明的造型表现力和形式美。 3、艺术特色 综合性、虚拟性、程式性，是中国戏曲的主要艺术特征。这些特征，凝聚着中国传统文化的美学思想精髓，构成了独特的戏剧观，使中国戏曲在世界戏曲文化的大舞台上闪耀着它的独特的艺术光辉。 4、唱腔 第一种是抒情性唱腔，其特点为速度较缓慢，曲调婉转曲折，字疏腔繁，抒情性强。它宜于表现人物深沉而细腻的内心感情。许多剧种的慢板、大慢板、原板、中板均厉于这-类。放[女驸马] 第二种是叙事性唱腔，其特点为速度中等，曲调较平直简朴，字密腔简，朗诵性强。它常用于交代情节和叙述人物的心情。许多剧种的二六、流水等均属于这一类。放[花木兰] 第三种是戏剧性唱腔，其特点为曲调的进行起伏较大，节奏与速度变化较为强烈，唱词的安排可疏可密。它常用于感情变化强烈和戏剧矛盾冲突激化的场合。各戏剧中的散板、摇板等板式曲调都属于这一类。 5、国五大戏曲剧种
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
地应力是存在于地层中的为受工程扰动的天然应力。也称为岩体初始应力、绝对应力或原岩应力。地质软岩：单轴抗压强度小于25MPa的松散、破碎、软化及风化膨胀性一类岩体的总称。工程软岩：工程力作用下能产生显著性变形的工程岩体。声发射：材料在受到外载荷作用时，其内部贮存的应变能快速释放产生弹性波，发生声响。岩石岩石地下工程：地下岩石中开挖并临时获永久修建的各种工程。围岩：在岩石地下地下工程中，由于受开挖影响而发生应力状态改变的周围岩体。锚喷支护：锚杆与喷射混凝土联合支护的简称。边坡：岩体、土体在自然重力作用或人为作用而形成一定倾斜度的临空面。。岩石：自然界各种矿物的集合体，是天然地质作用的产物。容重：岩石单位体积的重量。根据含水情况将岩石的容重分为天然容重、干容重、饱和容重。孔隙性：天然岩石中包含着数量不等、成因各异的孔隙和裂隙。孔隙率：指岩石孔隙的体积与岩石总体积的比值，以百分数表示。分为总孔隙率、总开孔隙率、大开孔隙率、小开孔隙率、和闭孔隙率。孔隙率愈大，岩石力学性能越差。 水理性：岩石与水相互作用时所表现的性质。包括岩石的吸水性、透水性、软化性和抗冻性。岩石强度：岩石在各种载荷作用下达到破坏时所能承受的最大应力。单轴抗压强度：岩石在单轴压缩载荷作用下达到破坏前所能承受的最大压应力。岩石破坏形式：x状共轭斜面剪切破坏。这种破坏形式是最常见的破坏形式；单斜面剪切破坏。这两种破坏都是由于破坏面上的剪应力超过极限引起的。拉伸破坏：横向拉应力超过岩石抗拉极限引起的。流变破坏：岩石的三轴抗压强度：岩石在三向荷载作用下，达到破坏时所能承受的最大压应力。莫尔强度包络线：同一种岩石对应各种应力状态下破坏莫尔应力圆外公切线。直线型、抛物线型、双曲线型。点载荷试验：试验所获得的强度指标值可以用做岩石分级的一个指标。点载荷实验装置是便携式的，可带到岩土工程现场去做实验。点载荷试验对试件的要求不严格。缺点是要根据经验公式进行换算。抗拉强度：岩石在单轴拉伸荷载作用下达到破坏时所能承受的最大拉应力。拉伸试验分为直接试验和间接试验两类。间接试验著名的有劈裂试验。抗拉强度一般为抗压强度的1/4到1/25平均为1/10。 岩石的变形：岩石在外力或其他物理因素作用下发生形状或体积的变化。弹性、塑性、粘性、脆性、延性。扩容：岩石在载荷作用下，在其破坏之前产生的一种明显的非弹性体积变形。各向异性：岩石的全部或部分物理、力学性质随方向不同而表现出差异的现象。弹性模量：应力与应变的比率。泊松比：岩石的横向应变与纵向应变的比值。泊松比将随应力的增大而增大，直到0.5停止。滞回效应：卸载曲线不走加载曲线的路线滞回曲线：在反复作用下岩石的荷载－变形曲线记忆性：岩石在荷载超过上一次循环的最大荷载以后，变形曲线仍沿着原来的单调加载曲线上升，好像不曾受到反复加载的影响似的，这种现象称为岩石的记忆性。塑形滞回环：加载曲线与卸载曲线所形成的环。水楔作用：当两个矿物颗粒靠的很近，有水分子补充到矿物表面时，矿物颗粒利用其表面吸着力将水分子拉到自己周围，在两个颗粒接触处由于吸着力作用使水分子向两个矿物颗粒之间的缝隙内挤入的现象 结构面：不同成因、不同特性的地质界面的统称。原生结构面、构造结构面、次生结构面、整合面、不整合面、层理、劈理、节理、断层、结构体：被各种结构面切割而成的岩石块体。岩体结构：不同类型的岩体结构单元在掩体内的组合、排列形式称为岩体结构。岩体结构单元：结构体和结构面。裂隙度：沿取样线方向单位长度上的节理数量。切割度：岩体被节理割裂分离的程度。结构面的力学性质：法相变形、剪切变形、抗剪强度。为什么岩体的力学性质和岩石不同是因为结构面的存在。水力学性质：岩石的渗流特性及在渗流作用下所表现出的力学性质。质量指标（RQD）：长度在10cm（含10cm）以上的岩芯累计长度占钻孔总长的百分比。地应力方法：直接测量法扁千斤顶法、刚性包体应力计法、水压致裂法、声发射法。间接测量法：全应力解除法、局部应力解除法、孔径变形法、孔底应变法、孔壁应变法、空心包体应变法、实心包体应变法。流变：材料的应力-应变关系与时间因素有关的性质，材料变形过程中具有时间效应的现象称为流变现象。包括蠕变、松弛、弹性后效。弹性后效：材料在弹性范围内受某一不变载荷作用，其弹性变形随时间缓缓增长的现象岩石强度理论：研究岩石在各种应力状态下的强度准则的理论。表征岩石在极限应力状态下的应力状态和岩石强度参数之间的关系。数值分析常用方法：有限元法、边界元法、有限差分法、加权余量法、离散元法、刚体元法、不连续变形分析法、流形方 真三轴：真三轴加载试件为立方体，1为主应力，23为侧向压力，六个面均受摩擦力，对实验结果影响很大。伪三轴加载试件为圆柱体；轴向压力1的加载方式和单轴压缩试验时相同，但由于有了侧向压力，其加载时的端部效应比单轴加载时要轻微的多。侧向压力23相同，侧向压力均匀的施加到试件中。刚性试验机：由于传统试验机的刚度不够大，在试验过程中试件受压，试验机受拉，试验机产生的弹性变形以应变能的形式存在机器中，当施加的压缩应力超过岩石抗压强度后，试件破坏，机架迅速回弹，以便回到其原始位置，并将其内部贮存的应变能释放到岩石试件中，从而使试件急剧破裂和崩解。而刚性试验机提高了自身刚度，机架变形小，就不会引起试件的突发性破坏。采用液压伺服系统，伺服系统有一个反馈信号系统，它检查当前施加的载荷是否事先确定的变形速度，否则它会自动调整施加载荷，以保持变形素的的恒定。 地下水对岩体的物理作用：1.润滑作用，使岩体的摩擦角减小；软化和泥化作用，使岩体的力学性能降低，内聚力和摩擦角值减小。主要表现在对岩体结构面中充填物的物理性状的改变上，岩体结构中充填物随含水量的变化，发生由固态向塑态直至液化的弱化效应；结合水的强化作用，处于非饱和带的岩体中的有效应力大于岩体的总应力，强化了岩石的力学性能。 有限元步骤：确定计算模型，根据对称性、材料性质和所关心部位的边界尺寸等确定计算模型；划分单元；选择位移函数；建立单元刚度矩阵，并进行坐标转换；形成总体刚度矩阵；载荷等效移置，确定节点力列阵；列出有限元基本方程，并根据已知位移对方程进行修正；求解总体方程，可获得节点位移；利用几何关系和物理方程计算单元的应变和应力；绘制计算结果图，以便直观了解分析结果，给出定量的评价。 维护岩石地下工程稳定的基本原则：合理利用和充分发挥岩体强度；改善围岩应力条件；合理支护；强调监测和信息反馈。 地应力的组成地应力是存在于地层的未受扰动的天然应力。构造应力场和重力应力场是主要组成还有比如：大陆板块边界受压引起的应力场；地幔热对流引起的应力场；由地心引力的应力场；岩浆侵入引起的应力场；地温梯度引起的应力场；地表剥蚀产生的应力场。基本规律：1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；2实测垂直应力基本等于上覆岩层的重量；3水平应力普通大于垂直应力；4平均水平与垂直应力的比值随深度增加而减小；5最大水平主应力和最小水平主应力也随深度呈线性增长关系；6最大水平主应力和最小水平主应力之值一般相差较大，显示出很强的方向性；7还受地形、地表剥蚀、风化、岩体结构特征，岩体力学性质、温度，地下水等因素的影响，特别是地形和断层的扰动影响最大。
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/
浅谈岩石与岩体 一岩体与岩石的定义 I岩体： 在工程地质中，把工程作用范围内具有一定岩石成分，结构特征赋存于某种地质环境中的地质体叫做岩体。 岩体与完整的岩石材料不同，它是地质体的一部分，其中存在着断层，节理，层面等各种不连续面（结构面），岩体在这些不连续面的切割下，形成一定的岩石结构并赋存于一定的地质环境之中，因此岩体在力的作用下的变形与强度特征要比岩石材料复杂得多。 2岩石： 岩石是矿物的聚合体，具有复杂的成分与结构，明确点说，岩石是天然产出的矿物或矿物与其他物质（火山玻璃，生物骨骼，胶体和延续等）组成的固态集合物。 岩石根据成因可以分为火成岩（岩浆岩），沉积岩，变质岩。 火成岩（岩浆岩）是由高温熔融的岩浆在地表或地下冷凝所形成的岩石，也称火成岩或喷出岩。程吉燕是在地表条件下由风化作用，生物作用和火山作用的产物经水，空气和冰川等外力的搬运，沉积和成岩作用固结形成的岩石。变质岩是由先形成的岩浆岩，沉积岩，变质岩，由于其所处的地质环境的改变，经变质作用而形成的岩石。
二岩石与岩体的区别 岩石是天然产出的具有稳定外形的矿物，按照一定成因的方式结合而成，是构成地壳和以上地幔的物质基础。按成因分岩浆岩，沉积岩和变质岩。而岩石与大范围天然岩体的力学性质有很大差异，可分为3类： ①:岩体赋存于一定地质环境之中，地应力，地温，地下水等因素对其物理力学性质有很大影响。而岩石试件只是为了实验室实验而加工的岩块，已完全脱离了原来的地质环境。 ②岩体在自然状态下经历了漫长的地质作用过程，其中存在着各种地质构造和弱面，如不整合面，褶皱，断层，节理，裂隙等等。 ③一定数量的岩石组成岩体，且岩体中无特定自然边界，只能根据解决问题为需要来圈定范围。根据上述特征将岩石定义为地质体的一部分，并且是由处于一定地质环境中的各种岩性和结构特征岩石所组成的集合体，也可以看成是由结构面所包围的结构体和结构面所共同组成的。 岩体是在内部的联结力较弱的层面，片理和节理，断层的等切割下，具有明显的不连续性。这是岩体的重要特点。使岩体结构的力学效应减弱和消失。使岩体强度远远小于岩石强度，岩体变形远远大于岩石本身，岩体的渗透性远大于岩石的渗透性。 三岩体与岩石的联系 岩体是由各种岩石构成的，不同岩石构成成的岩体其特点是不一
(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。