黑龙江工业学院结课论文
《岩体力学》
姓名：邢海滨
学号：07071101009
年级：安全技术管理班
学科专业：安全技术管理专业
二级院系：安全与环境工程系
日期：
2012-2013年第二学期《岩体力学》科目考查卷
专业：安全技术管理班级：安全技术管理任课教师：吴祥业
姓名：邢海滨学号：07071101009 成绩：
岩体力学浅谈
摘要：
岩体力学是一门新兴的,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。研究内容岩体力学的内容分为基础理论和工程应用两个方面。土力学，研究土体在力的作用下的应力-应变或应力－应变-时间关系和强度的应用学科。工程力学的一个分支。为工程地质学研究土体中可能发生的地质作用提供定量研究的理论基础和方法。
关键词：
岩体力学概念、研究对象、土力学、岩体力学实验、渗流、破坏、稳定
一、与土力学概念与性质的区别
1、岩体力学的概念
研究岩体在外界因素(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体工程问题。
岩体力学是研究岩体的力学性态的理论和应用的科学，是探讨岩体对其周围物理环境中力场反应的学科，是一门应用型基础学科。通过对岩体力学性态的理论和实验研究，解决岩土工程领域的破坏和稳定问题。主要的研究方法围绕工程地质研究方法、数学和力学分析法以及综合评价法展开，衍生出各种应用手段和实验方法，较好的解决了岩土工程中所遇到的相关问题。
2、土力学的概念
土力学是研究土体在力的作用下的应力-应变或应力－应变-时间关系和强度的应用学科。工程力学的一个分支。为工程地质学研究土体中可能发生的地质作用提供定量研究的理论基础和方法。主要用于土木、交通、水利等工程。
3、土力学与岩体力学的相异性
可见，土力学与岩体力学研究的根本不同在于土和岩体性质的不同。
岩石：是经过地质作用天然形成的（一种或多种）矿物集合体；按成因可分为三类：岩浆岩、沉积岩和变质岩。
岩体：是指在一定地质条件下，含有裂隙、节理、层理、断层等不连续的结构面组成的现场岩体，它是一个复杂的地质体。
土体：是岩体经过风化后的生成的堆积物。从产生的来源上看，土与岩体有天然紧密的联系。
岩体力学是一门新兴的,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。研究内容岩体力学的内容分为基础理论和工程应用两个方面。土力学，研究土体在力的作用下的应力-应变或应力－应变-时间关系和强度的应用学科。工程力学的一个分支。为工程地质学研究土体中可能发生的地质作用提供定量研究的理论基础和方法。
二、岩体力学的基础理论
1、岩体力学的研究对象
①岩体应力，包括岩体内应力的来源、初始应力(构造应力、自重应力等)、二次应力、附加应力等。初始应力由现场量测决定，常用钻孔应力解除法和水压致裂法，有时也用应力恢复法。二次应力和附加应力的计算常用固体力学经典公式，复杂情况下采用数值方法。
②岩体强度，包括抗压、抗拉、抗剪（断）强度及岩体破坏、断裂的机理和
强度准则。室内用压力机、直剪仪、扭转仪及三轴仪，现场做直剪试验和三轴试验，以确定强度参数（凝聚力和内摩擦角）。强度准则大多采用库伦－纳维准则。这个准则假定对破坏面起作用的正应力会增加岩体的抗剪强度，其增加量与正（压）应力的大小成正比。其次采用莫尔准则，也可采用格里菲思准则和修正的格里菲思准则。
③岩体变形，包括单向和三向条件下的变形曲线特性、弹性和塑性变形、流变（应力-应变-时间关系）和扩容。岩体流变主要包括蠕变和松弛。在应力不等时岩体的变形随时间不断增长的现象称为蠕变。在应变不变时岩体中的应力随时间减少的现象称为松弛。岩体扩容是指在偏应力作用下，当应力达到某一定值时岩体的体积随偏应力的增大而增大的现象。研究岩体变形在室内常用单轴或三轴压缩方法、流变试验和动力试验等，多数试验往往结合强度研究进行。为了测定岩体应力达到峰值后的应力与应变关系，必须应用伺服控制刚性压力机。野外试验有承压板法、水压法、钻孔膨胀计法和动力法等。根据室内外试验可获得应力与应变关系和应力-应变-时间关系以及相应的变形参数，如弹性模量、变形模量、泊松比、弹性抗力系数、流变常数等。
④岩体渗流，包括渗透性、渗流理论、渗流应力状态和渗流控制等。对大多数岩体假定岩体中的水流为层流，流速与水力梯度呈线性关系,遵循达西定律。岩体渗透性用渗透系数表示,该系数在室内用渗透仪测定，在野外用压水和抽水试验测定。渗流理论借流体力学原理进行研究。稳定渗流满足拉普拉斯方程。多数岩体内的孔隙（裂隙）水压力可用K.泰尔扎吉有效应力定律计算。为了减小大坝底面渗透压力、提高大坝的稳定性，应当采取渗流控制措施，如抽水、排水、设置灌浆帷幕以延长渗流途径等。
⑤岩体动力性状，研究爆炸、爆破、地震、冲击等动力作用下岩体的力学特性、应力波在岩体内的传播规律、地面振动与损害等。动力特性在室内用动三轴试验研究，野外用地球物理性、爆炸冲击波试验等技术进行研究，波的传播规律借固体力学的理论进行研究。
2、土力学的研究对象
土力学，从研究对象上看，主要包括以下方面﹕研究土体的应力-应变和应力-应变-时间的本构关系﹐以及强度准则和理论﹔研究在均布荷载或偏心荷载
以及在各种形式基础的作用下﹐基础与地基土体接触面上的和地基土体中的应力分布﹐地基的压缩变形及其与时间的关系﹐以及地基的承载能力和稳定性﹔根据极限平衡原理用稳定性系数评价天然土坡的稳定性和进行人工土坡的设计﹔计算在自重和建筑物附加荷载作用下土体的侧向压力﹐为设计挡土结构物提供依据﹔改进和研制为进行上述研究所必需的技术﹑方法和仪器设备。
3、岩体力学的工程应用
岩体力学工程应用主要研究以下五个方面：
①地上工程建筑物的岩体地基，例如研究高坝、高层建筑、核电站以及输电线路塔等地基的稳定、变形及处理的问题。
②地表挖掘的岩体工程问题，如水库边坡、高坝岸坡、渠道、运河、路堑、露天开采坑等天然和人工边坡的稳定、变形及加固问题。
③地下洞室，如研究地下电站、水工隧洞、交通隧道、采矿巷道、战备地道、石油产品库等的围岩的稳定和变形问题，地下开挖施工以及围岩的加固（如固结灌浆、锚喷、预应力锚固等）问题。
可见，岩体的研究较土的研究，更复杂得多。土的工程研究，更多的是在地质构造简单的平原地区，而岩体的工程研究，更多的在水利工程，隧道工程，采矿工程等大型复杂工程。
三、土力学与岩体力学的研究方法
土力学和岩体力学在某些研究方法上有很相似的地方。下面取土的边坡稳定分析和岩坡的稳定分析为例给于比较。
土边坡稳定的主要研究方法有：
1 瑞典圆弧法
2 瑞典条分法
3 简化Bishop法
4 Janbu法
岩体边坡稳定的主要研究方法：
1 圆弧法岩坡稳定分析
2 平面滑动岩坡稳定分析
3 双平面滑动岩坡稳定分析
4 力多边形岩坡稳定分析
5 力的代数叠加法岩坡稳定分析
6 楔形滑动岩坡稳定分析
其中瑞典条分法和圆弧法岩坡稳定性分析是最具代表性的方法圆弧法岩坡稳定性分析
基本假定：
①破坏面是圆柱面
②作为平面问题来分析
③岩层抗剪力符合库仑理论
④破坏面上每点发挥最大抗剪力
⑤岩体分条上铅垂侧水平力不计
⑥边坡简化为如图8-12应力状态
瑞典圆弧滑动面条分法，是将假定滑动面以上的土体分成n 个垂直土条，对作用于各土条上的力进行力和力矩平衡分析，求出在极限平衡状态下土体稳定的安全系数。该法由于忽略土条之间的相互作用力的影响，是条分法中最简单的一种方法。
土力学中的瑞典条分法与岩体力学中的圆弧法岩坡稳定分析原理一致。 所谓瑞典条分法，就是将滑动土体竖直分成若干个土条，把土条看成是刚体，分别求出作用于各个土条上的力对圆心的滑动力矩和抗滑力矩，然后按公式
R s s M c AC R F M Wd ???===抗滑力矩滑动力矩
求土坡的稳定安全系数。
把滑动土体分成若干个土条后，土条的两个侧面分别存在着条块间的作用力(图7-7)。作用在条块i 上的力，除了重力Wi 外，条块侧面ac 和bd 上作用有法向力Ｐi 、Ｐi ＋１，切向力Ｈi 、Ｈi ＋１，法向力的作用点至滑动弧面的距离为hi 、ｈi ＋１。滑弧段cd 的长度li ，其上作用着法向力Ni 和切向力Ti ，Ti 包括粘聚阻力ci ·li 和摩擦阻力Ni ·tg φi 。考虑到条块的宽度不大，Wi 和Ni 可以看成是作用于cd 弧段的中点。在所有的作用力中，Pi 、Ｈi 在分析前一土条时已经出现，可视为已知量，因此，待定的未知量有Pi ＋１、Ｈi ＋１、hi ＋１、Ｎi 和Ｔi5个。每个土条可以建立三个静力平衡方程，即ΣＦxi ＝０，ΣＦzi ＝０和ΣＭi ＝０和一个极限平衡方程Ti ＝（Ni ·ｔｇφi ＋ｃi ·ｌi ）/ Fs 。
如果把滑动土体分成n 个条块，则n 个条块之间的分界面就有(n-1)个。分界面上的未知量为3(n-1)，滑动面上的未知量为2n 个，还有待求的安全系数Fs ，
未知量总个数为(5n-2)，可以建立的静力平衡方程和极限平衡方程为4n 个。待求未知量与方程数之差为(n-2)。而一般条分法中的n 在10以上。因此，这是一个高次的超静定问题。为使问题求解，必须进行简化计算。
瑞典条分法假定滑动面是一个圆弧面，并认为条块间的作用力对土坡的整体稳定性影响不大，故而忽略不计。或者说，假定条块两侧的作用力大小相等，方向相反且作用于同一直线上。图中取条块i 进行分析，由于不考虑条块间的作用力，根据径向力的静力平衡条件，有：
N i =W i cos i θ
根据滑动弧面上的极限平衡条件，有：
T i ＝T fi /F s =(c i ·l i ＋N i ·tg ?i )/ F s (1)
式中：Tfi ——条块i 在滑动面上的抗剪强度；
Fs ——滑动圆弧的稳定安全系数。
另外，按照滑动土体的整体力矩平衡条件，外力对圆心力矩之和为零。在条块的三个作用力中，法向力N i 通过圆心不产生力矩。重力W i 产生的滑动力矩为：
∑Ｗi ·di ＝∑Ｗi ·Ｒ·sin θi (2)
滑动面上抗滑力产生的抗滑力矩为：
R F N l c R T i i i i ?+=∑∑s i tg φ (3)
滑动土体的整体力矩平衡，即 ∑Ｍ＝０，故有：
∑Wi ·di ＝∑Ti ·R (4)
将式(2)和式(3)代入式(4)，并进行简化，得：
∑∑+=i
i i i i i i s W W l c F θφθsin )tg cos (
四、岩体力学的主要前沿方向和研究前景
1、边坡破坏
在很多工程建设中，会遇到岩体边坡。如公路或铁路的路堑边坡，露天开采的矿山边坡，水利水电工程中的库岸边坡，渠道边坡，隧洞进出口边坡等等。为某些工程边坡，边坡稳定问题是工程建设中经常遇到的问题之一。众所周知，岩体常被各种方位的地质结构面切割成不同形状的块体。因此，工程实践中所遇到的岩坡，多为岩块所组成。在一般情况下，结构面的强度远低于完整岩体的强度，岩坡中结构面的规模、性质及其组合方式在很大程度上决定着岩坡失稳时的破坏形式。结构面的形状或性质稍有改变，则岩坡的稳定性将会受到显著的影响。岩坡的失稳情况，按其破坏方式主要可分为崩塌与滑坡两种。
1、崩塌是指块状岩体与岩坡分离向前翻滚而下，其特点是：在崩塌过程中，岩体中无明显滑移面，同时下落岩块或未经阻挡而直接坠落于坡脚；或于斜坡上滚翻，滑移，碰撞，最后堆积于坡脚。
2、滑坡是指岩体在重力作用下，沿坡内软弱结构面产生整体滑动，其滑动面往往深入坡体内部，有时甚至延伸到坡脚以下。
边坡实际的破坏形式是很复杂的，除上述两种主要破坏形式外，还有介于崩塌与滑坡之间的坍滑以及倾倒、剥落等破坏形式，有时也可能出现以某种破坏方式为主，有其他若干破坏形式的综合破坏。特别是含有软弱结构面的高边坡工程，其失稳是一个渐进累积到突发破坏的过程。对岩体流变力学特性和流变模型的研究能够较好地描述岩体的粘弹塑性性质，修正从流变试验数据进行模型辩识和参数拟合的方法，并对高边坡的稳定性状况作出合理的评价。变形稳定是岩体高边坡安全稳定的一个重要方面，了解边坡在不同时期的变形状态对于评价边坡的安全稳定性具有重要的意义。安全监测作为正确评价边坡安全状态变化过程的手段，在岩体高边坡工程中逐步得到广泛的应用。由于边坡问题的复杂性，深入开展对边坡安全监控理论和方法的研究，系统的分析所获得的监测信息显得十分重要。
2、地下结构
随着水电建设、交通运输、军工建设、矿工开发等的发展，地下结构工程越
来越多，规模也越来越大，深入研究地下结构，并将其用于解决实际工程问题，具有重要的意义。人类对地下结构的认识经历了一个漫长的过程，从天然洞穴，到人工地下洞室，在观察、体验和推理中，逐步加深了对地下结构工程特性的认识，随着计算机技术的发展，利用有限元等方法更为精确地模拟地下结构物以及围岩特征成为可能。
岩体地下结构即埋置于岩层内部的机构，如水工建筑物中的隧洞、铁路及公路建筑中的隧道。修建时，首先按照要求在岩层中挖掘洞室，然后岩洞室周边修建永久性支护结构——衬砌。衬砌主要起承重和维护两方面作用，承重，即承受围岩压力、结构自重以及其他荷载作用；维护，即防止围岩风华、崩塌，防水、防潮等。
作为地下结构，衬砌在计算理论上与一般地表结构有很大区别，围岩不仅作为何在作用在衬砌上，而且约束其变形和位移，这种约束作用对衬砌计算有很大影响。目前工程上一般采用荷载结构法或地层结构法，且假定衬砌为线弹性体来计算内力，按规模公式计算钢筋用量和验算裂缝宽度。然后当结构处于承载能力极限状态时，裂缝已极大地开展，刚度发生变化，由于在受力前衬砌和围岩之间往往存在缝隙，这时的衬砌受力状态与按线弹性体计算得到内力会有很大不同。因而将衬砌假定为线弹性体计算得到的内力作为配筋依据是不合适的。其次规范中的裂缝宽度计算公式是根据表面无约束构件的实验数据得到，其受力变形特征与衬砌结构有较大不同，应用规范公式计算得到的衬砌裂缝宽度往往会大于实际值，即应用规范公式计算衬砌裂缝宽度也是不合适的。
4、损伤力学
随着岩体力学的发展，人们逐渐认识到，岩体的物理力学性质不仅有别于其它工程材料，而且与土或混凝土材料也存在较明显的差异。而近年来，损伤力学的发展为岩体材料的非弹性性质和破坏机理给出了一种可资借鉴的解释模式。人们已习惯称岩体为有初始损伤的材料，并采用某些特征参数来合理地描述岩体内部缺陷的分布状态。由于岩体材料的特殊性，即使在弹性状态下，也属于非线性问题。很多研究表明：岩体的非弹性变形就是由于其内部大量微裂纹的产生和发展造成的。目前国际上已经开始从岩体的细观尺度出发来研究其宏观的损伤与断裂问题。随着电子计算机的飞速发展和计算技术的逐步完善，对岩体强度理论和
本构关系提出了更高的要求，以便更真实地描述岩体力学特征，求解复杂的工程岩体力学问题。在水利工程中，岩体是一个复杂的地质体，它的强度不仅与组成岩体的岩体性质有关，而且与岩体内的软弱结构面(节理、裂隙、层理、断层等)有关，此外还与岩体所受应力状态有关。软弱结构面常常是岩体最薄弱的地方，几组软弱结构面可以将岩体分割成各种形状和大小不同的岩块。岩体的强度决定于这些岩块的强度和结构面的强度。当然，岩块本身也有一些微结构面(细微裂隙)，但这些微结构面甚小(肉眼不易觉察)，一般对试件强度影响甚微。通常所讲的岩体强度，一般是指岩体试件的强度，它实际上代表岩体内岩块的强度。
5、岩爆预防
21世纪将是人类开发利用地下空间的世纪，埋深大、地应力高的越岭、跨海工程越来越多，这为地下工程建设中经常遇到的世界性地质灾害——岩爆的发生提供了广阔的空间。岩爆可使水电洞室、交通隧道、矿山巷道等遭受破坏，损坏生产设备，威胁工程人员的人生安全。因此，加强对岩爆的发生机理、预测及防治的研究，不仅对地质灾害学术发展起到推动作用，而且具有较高的社会经济效益。而预防岩爆的形成原因，就必须分析岩爆的主要影响因素、机理，提出了岩爆的数值计算方法。进而讨论地应力、岩性、岩体结构、埋深等因素对岩爆产生概率的影响，将岩爆的影响因素归纳为岩体应力状态和岩性条件两类。通过室内常规三轴卸荷等试验方法，分析不同卸荷方式下岩体破坏的力学特征。最后，从数值分析角度出发，采用有限单元法进行岩爆计算的原理，提出考虑隧洞开挖卸荷作用的有限元计算方法，模拟开挖的计算更能反映实际洞周围岩的应力分布，在预测岩爆发生的烈度、深度和宽度方面，计算结果更准确。
6、温度损伤
温度作用下岩体的热力耦合效应理论研究是岩体力学研究中的新领域。在高放射性核废料的地层深埋处置、大都市圈的大深度地下空间开发利用、深部采矿、地热资源和石油资源的开发利用等工程中经常遇到的受高温作用的岩体。当岩体受到温度影响时，岩体受到温度应力作用引起损伤，岩体的抗压强度和变形特征将发生显著的变化，直接关系着工程的稳定性。这类问题的解决可以运用岩体力
学、损伤力学理论对试验结果进行了分析，建立热损伤演化方程和一维热力耦合损伤本构方程。探讨岩体热—粘弹塑性流变模型。
7、岩体流变力学
岩体的变形是指岩体在任何物理因素作用下形状和大小的变化。工程上最常研究的变形是由于荷载变化引起的。例如在岩体上建造一座大坝(相当于对基岩加载)或在岩体中开挖(相当于对岩体局部卸载)都会引起岩体变形。岩体的变形对工程建筑物的安全影响很大，因为当岩体产生变形时，建筑物的应力可能增加。例如，当大坝建造在多种岩体组成的岩基上，这些岩体的变形性质不同，则由于基岩在荷载(坝体重力)作用下的不均匀变形可以使坝体内的剪应力和主拉应力增长，造成开裂错位等不良后果，如果岩基中岩体的变形性质已知并且在岩基内这些性质的变化也已确定，那么在工程设计时或在施工中可以采取相应措施防止不均匀变形。在许多工程建设中，在设计时都要用到关于岩体变形的知识，因此，研究岩体的变形特性是岩体力学的重要研究内容之一。岩体的变形特性常用弹性模量E和泊松比μ两个常数来表示。如果把岩体当作弹性体，用E、μ来描述岩体的变形特性是足够的，因为根据弹性理论的知识，可以解决岩体力学的有关问题，但实际情况说明，仅仅用这些弹性常数来表征岩体的变形性质是不够的，因为许多岩体的变形是非弹性的，即荷载卸去后岩体变形并不能够完全恢复。特别是在现场条件下岩体有裂隙、破碎层理岩，粘土夹层等，大多数岩体不是完全弹性的，对于这类岩体为了表征岩体的总的变形，常用变形模量E0和侧胀系数μ0 。
岩体的变形指标及应力-应变的关系可在实验室内测定，也可在现场测定。岩体流变力学试验不仅是了解岩体流变力学特性的最重要手段，而且是构建岩体流变本构模型的重要基础。水利水电工程高坝坝基大多建于硬岩岩基上，高坝的建设往往伴随着岩体高陡边坡和大型地下洞室群的岩体工程问题，为了预测岩体工程的长期稳定性，硬岩的流变力学特性研究尤其是三轴流变试验研究具有重要意义。岩体流变力学理论作为岩体力学中的前沿课题，近年来，研究工作进展较快，特别是利用实测试验资料反演流变模型参数、进而发展到对未知模型的辨识等。但岩体流变力学理论至今还不很成熟，许多重大岩体工程的建设为岩体流变力学理论研究带来了严峻的挑战，当前岩体流变力学特性和本构模型理论的研究
仍是其难点和热点问题。此方法可以采用试验研究、理论分析和数值模拟相综合的研究方法，基于岩体的三轴流变试验，运用非线性力学与损伤力学理论探讨岩体流变力学特性，主要研究硬岩在不同围压作用下的流变力学特性，建立岩体非线性流变本构模型，并将岩体流变力学特性的研究成果应用到重大水利水电岩体工程实践中。
纵观历史，从1951年，在奥地利创建了地质力学研究组，岩体力学正式的走入了历史舞台，形成了独具一格的奥地利学派开始，到如今岩体结构与结构面的仿真模拟和岩体工程计算机辅助设计与图像自动生成处理等技术的引进，岩体力学借助更加现代化的工具和数值计算手段，得到了迅猛的长足的发展，在工程中也将得到更大程度的应用和良好的应用成果。但是同时，反观目前岩体力学发展的现状，岩土工程的研究依然处在半理论半实践的发展阶段。而其遗留问题的理论研究的主要增长点和突破口就是岩体力学，必将成为岩土乃至土木研究中重要的支撑和发展。
参考文献
1.《煤矿开采学》，1983年，人民出版社。
2.《煤矿安全规程》，1984年，煤炭工业出版社。
3.《矿井通风与安全》，1979年，冶金工业出版社。
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。
岩体力学复习重点 名词解释： 1、软化性：软化性是指岩石浸水饱和后强度降低的性质。 2、软化系数：是指岩石时间的饱和抗压强度于干燥状态下的抗压强度的比值。 3、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”。 4、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”。 5、延性度：指岩石在达到破坏前的全应变或永久应变。 6、流变性：指在应力不变的情况下，岩石的应变或应力随时间而变化的性质。 7、应力松弛：是指当应力不变时，岩石的应力随时间增加而不断减小的现象。 8、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。 9、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. 10、扩容:在岩石的单轴压缩试验中,当压力达到一定程度以后,岩石中的破列或微裂纹继续发生和扩展,岩石的体积应变增量有由压缩转为膨胀的力学过程,称之为扩容. 11、应变硬化:在屈服点以后(在塑性变形区),岩石(材料)的应力—应变曲线呈上升直线,如果要使之继续变形,需要相应的增加应力,这种现象称之为应变硬化. 12、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,应变持续增长而不出现破裂,也即是有屈服而无破裂的延性流动. 13、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). 14、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得延伸方向和长度,厚度相对较小的宏观地质界面或带. ②又称若面或地质界面,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. 15、原生结构面:在成岩阶段形成的结构面. 16、次生结构面:指在地表条件下,由于外力的作用而形成的各种界面. 17、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. 18、结构效应：岩体中结构的方向性质密度和组合方式对岩体变形的影响。 19、剪胀角：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。 20、岩体基本质量：岩体所固有的影响工程掩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石完整程度决定。 21、自稳能力：在不支护条件下，地下工程岩体不产生任何形式的能力。 22、地应力：自然状态下在原岩岩体中存在的由于岩石自重和构造应力形成的分布应力，也称天然应力 23、原岩应力：在工程中指天然存在于岩体中而与任何认为因素无关的应力。
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
岩体力学复习资料 1、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性质。 2、软化系数：饱水岩样抗压强度与自然风干岩样抗压强度的比值。 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。 3、软岩（地质定义）：单轴抗压强度小于25MPa的松散、破碎、软弱及风化膨胀类岩石。 4、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。 5、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。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。 6、崩塌：斜坡岩土体中被陡倾的张性破裂面分割的块体，突然脱离母体并以垂直运动为主，翻滚跳跃而下，这种现象或运动称为崩塌。 7、滑坡：斜坡岩土体在重力等因素作用下，依附滑动面（带）产生的向坡外以水平运动为主的运动或现象。 8、剪胀：在剪应力作用下，模型上半部沿凸台斜面滑动，除有切向运动外，还产生向上的移动。这种剪切过程中产生的法向移动分量称之“剪胀”。 剪胀现象：岩石受力破坏后，内部断裂岩块之间相互错动增加内部空间在宏观上表现体积增大现象。 剪胀角（angleofdilatancy）：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、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。 10、岩石的长期强度：岩石的强度是随外荷载作用时间的延长而降低的，通常把作用时间t→∞的强度S∞称为岩石的长期强度 11、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。 12、岩体强度:指岩体抵抗外力破坏的能力。 13、结构面类型：按形成原因分为原生结构面、构造结构面、次生结构面； 按贯通情况分为非贯通性结构面、半贯通性结构面、贯通性结构面。 14、流变性的表现:蠕变、松弛和弹性后效。 15、蠕变的类型：稳定蠕变和不稳定蠕变。 16、主动支护：地下开挖后，围岩不发生过度变形或破碎之前进行主动人为支护以避免过度 变形而破坏称为主动支护。 17、注浆的作用：防渗、堵漏、加固、纠偏。 18、边坡破坏的类型：松弛张裂、崩塌、倾倒、蠕动、滑坡 19、格里菲斯强度理论：脆性材料中，其材料断裂的起因是分布在材料中的微小裂纹尖端有 拉应力所致。 20、库伦强度理论：岩石的破坏主要是剪切破坏，岩石的强度，既抗摩擦强度等于岩石本身 抗剪切摩擦的粘结力和剪切面上的法向力产生的摩擦力。 21、莫尔强度理论：岩石到达极限状态时，滑动平面上的剪应力达到一个取决于正应力与材 料性质的最大值，即σ=f(τ)。对应于各种应力状态（单轴、双轴和三轴压缩）下的破坏的岩石的莫尔应力圆的包络线，称为莫尔强度 22、库伦-莫尔强度准则：库伦直线与莫尔应力圆包络线相结合。 23、ISRM指定的岩石力学试验标准：（单轴抗压）加载速率为0.5—1.0MPa/s；破坏时间一 般为5—10分钟。试件保存期不超过30天，试件形状为直径不小于50mm柱形试件，高径比2.5-3.0. 24、巷道周边不产生拉应力的条件：侧压系数为1/3
损伤力学研究的是材料内部缺陷的产生和发展引起的宏观力学效应以及缺陷最终导致材料破坏的过程和规律。1958年Kachanov在研究蠕变断裂时引入了损伤力学的概念，提出了“连续性因子”和有效应力。1963年Rabotonov在Kachanov基础上引入了“损伤变量”的概念，奠定了损伤力学的基础。在其后的二三十年中，各国学者对损伤力学的基本概念、研究方法、损伤变量的定义等做了大量的开创性工作，极大推动了损伤力学理论的进展。1976年Dougill将损伤力学从金属材料中引入到岩石材料，之后岩石损伤力学迅速发展，已成为当今岩石研究领域的热门课题之一。 岩石损伤力学的研究关键是定义材料的损伤变量及正确地给出演变规律的本构方程。能否得到合理的损伤演变方程和含损伤的本构方程关键是对损伤变量的定义是否合理，建立一个损伤模型的基本要求是能在实验中直接或间接确定与损伤演变规律有关的材料参数。 对损伤变量的定义，从损伤力学提出就开始进行广泛的研究，可从微观和宏观这两个方面选择。微观方面，可以选择裂纹数目、长度、面积和体积等；宏观方面，可以选择弹性模量、屈服应力、拉伸强度、密度等。 国内学者唐春安从岩体材料内部所含裂纹缺陷分布的随机性出发，利用岩石微元强度服从正态分布或Weibull分布的特征，用发生破坏的微元数在微元总数中所占的比例来定义损伤变量。 谢和平等将分形几何理论应用于岩石损伤研究中，将岩石损伤程度的增加看作是分形维数的增加，从损伤与断裂之间的联系方面定量的描述了损伤，从而创建了分形几何与岩石力学理论体系，提出了分形损伤力学理论。 从微观角度出发对损伤变量进行定义，不仅物理意义明确，而且能够比较真实地反映材料性能逐渐劣化，但是从微观角度定义的损伤变量难以量测。 Lamaitre基于弹性模量变化用无损杨氏模量和损伤杨氏模量定义损伤变量，谢和平和鞠杨等讨论了该损伤变量定义的适用条件，进行了修正。使基于宏观弹性模量定义的损伤变量在实际应用中比较方便，但这种定义方法需要事先知道材料的初始弹性模量，而且在实际的工程中很多材料都有具有初始损伤的。 谢和平、鞠杨等认为单元强度丧失实则为其粘聚力的丧失，即单元在经历一定的能量耗散后，其内部的损伤达到了最大值，与此同时微结构中的粘聚力完全丧失。国内外学者进行了大量通过能量分析的方法来描述岩体的破坏行为的研究。 另外还有学者使用CT技术在岩石损伤检测中的应用，并给出了一种基于
长沙理工大学 岩石力学试验报告 年级班号姓名同组姓名实验日期月日理论课教师：指导教师签字：批阅教师签字： 实验一 实验二 实验三 实验四 实验五 实验六 实验七
试验一、岩石单向抗压强度的测定 一、试验的目的： 测定岩石的单轴抗压强度Rc。当无侧限试样在纵向压力作用下出现压缩破坏时，单位面积上所承受的载荷称为岩石的单轴抗压强度，即试样破坏时的最大载荷与垂直于加载方向的截面积之比。 本次试验主要测定天然状态下试样的单轴抗压强度。 二、试样制备： 1、试料可用钻孔岩心或坑槽探中采取的岩块。在取料和试样制备过程中，不允许人为裂隙出现。 2、本次试验采用圆柱体作为标准试样，直径为5cm，允许变化范围为4.8～5.4cm，高度为10cm，允许变化范围为9.5～10.5cm。 3、对于非均质的粗粒结构岩石，或取样尺寸小于标准尺寸者，允许采用非标准试样，但高径之比宜为2.0～2.5。 4、制备试样时采用的冷却液，必须是洁净水，不许使用油液。 5、对于遇水崩解、溶解和干缩湿胀的岩石，应采用干法制样。 6、试样数量：每组须制备3个。 7、试样制备的精度。 (1)在试样整个高度上，直径误差不得超过0.3mm。 (2)两端面的不平行度，最大不超过0.05mm。 (3)端面应垂直于试样轴线，最大偏差不超过0.25。 三、试样描述： 试验前的描述，应包括如下内容： 1、岩石名称、颜色、结构、矿物成分、颗粒大小，风化程度，胶结物性质等特征。 2、节理裂隙的发育程度及其分布，并记述受载方向与层理、片理及节理裂隙之间的关系。 3、量测试样尺寸，检查试样加工精度，并记录试样加工过程中的缺陷。 试件压坏后，应描述其破坏方式。若发现异常现象，应对其进行描述和解释。 四、主要仪器设备：
一章： 1.叙述岩体力学的定义. 岩体力学主要是研究岩体和岩体力学性能的一门学科，是探讨岩石和岩体在其周围物理环境（力场、温度场、地下水等）发生变化后，做出响应的一门力学分支。 2.何谓岩石？何谓岩体？岩石与岩体有何不同之处？ （1）岩石：由矿物或岩屑在地质作用下按一定规律聚集而形成的自然物体。（2）岩体：一定工程范围内的自然地质体。（3）不同之处：岩体是由岩石块和各种各样的结构面的综合体。 3.何谓岩体结构？岩体结构的两大要素是什么？ （1）岩体结构是指结构面的发育程度及其组合关系；或者是指结构体的规模、形态及其排列形式所表现的空间形态。（2）结构体和结构面。 4.岩体结构的六大类型？ 块状、镶嵌、层状、碎裂、层状碎裂、松散结构。 5.岩体有哪些特征？ 6.（1）不连续；受结构面控制，岩块可看作连续。（2）各向异性；结构面有一定的排列趋势，不同方向力学性质不同。（3）不均匀性；岩体中的结构面方向、分布、密度及被结构面切割成的岩块的大小、形状和镶嵌情况等在各部位不同，各部位的力学性质不同。（4）赋存地质因子特性（水、气、热、初应力）都会对岩体有一定作用。 二章： 1.岩石物理力学性质有哪些？ 岩石的质量指标，水理性质指标，描述岩石风化能力指标，完整岩石的单轴抗压强度，抗拉强度，剪切强度，三向压缩强度和各种受力状态相对应的变形特性。 2.影响岩石强度特性的主要因素有哪些？ 对单轴抗压强度的影响因素有承压板、岩石试件尺寸及形状（形状、尺寸、高径比），加载速率、环境（含水率、温度）。对三相压缩强度的影响因素：侧向压力、试件尺寸与加载速率、加载路径、空隙压力。 3.什么是岩石的应力应变全过程曲线？ 所谓应力应变全过程曲线是指在刚性实验机上进行实验所获得的包括岩石达到峰值应力之后的应力应变曲线。 4.简述岩石刚性实验机的工作原理？：压力机加压（贮存弹性应能）岩石试件达峰点强度（释放应变能）导致试件崩溃。AA′O2O1面积—峰点后，岩块产生微小位移所需的能。ACO2O1面积——峰点后，刚体机释放的能量（贮存的能量）。ABO2O1——峰点后，普通机释放的能量(贮存的能量)。当实验机的刚度大于岩石的刚度，才有可能记录下岩石峰值应力后的应力应变曲线。 5.莫尔强度理论，格尔菲斯强度理论和E.hoek和E.T.brown提出的经验理论的优缺点？ 莫尔强度理论优点是使用方便，物理意义明确；缺点是1不能从岩石破坏机理上解释其破坏特征2忽略了中间主应力对岩石强度的影响；格尔菲斯强度理论优点是明确阐明了脆性材料破裂的原因、破裂所需能量及破裂扩展方向；缺点是仅考虑岩石开裂并非宏观上破坏的缘故。E.hoek和E.T.brown提出的经验理论与莫尔强度理论很相似其优点是能够用曲线来表示岩石的强度，但是缺点是表达式稍显复杂。 6.典型的岩石蠕变曲线有哪些特征？
1.岩体力学：是力学的分支学科，是研究岩体在各种立场作用下变形与破坏规律的理论及其实际应用的学科，是一门应用性学科 2.天然应力：人类工程活动之前存在于岩体中的应力。 3.研究方法：工程地质研究法，实验法，数学力学分析法，综合分析法 4.岩石质量指标(RQD)值：大于10cm的岩芯累计长度与钻孔进尺长度之比的百分数。 5.岩体：在地质历史过程中形成的，有岩石单元体和结构面网络组成，具有一定的结构并赋存一定的天然应力状态和地下水等地质环境中的地质体 6.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 7.结构面：地质历史发展过程中，在岩体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或带 8.造岩矿物：含氧岩，氧化物，氢氧化物，卤化物，硫化物，自然元素 9.粒间连接分类：结晶连接，胶结连接 10.风化程度指标：定性指标主要有颜色，矿物腐化程度。定量指标主要有风化孔隙率指标和波速指标 11.结构面成因分类：1地质成因类型原生结构面（沉积结构面，岩浆结构面，变质结构面）2力学成因：性结构面，剪性结构面12.机构面的影响因素：产状，连续性，密度，开度，形态，填充
胶结特征（贴硅胶结的强度最高），结构面的组合关系 13.岩石软化性：是指岩石浸水饱和后强度降低的性质。 14.岩体成因分类：岩浆岩体，沉积岩体（他生沉积岩，自生沉积岩），变质岩体 15.岩体工程分类：岩体质量分级，洞室围岩分类，岩体地质力学分类（RMR分类），巴顿岩石质量分类（Q分类） 16.岩石的物理性质：岩石的密度（颗粒密度，岩块密度），岩石的空隙性 17.岩石的水理性质：岩石的吸水性，岩石的软化性，岩石的抗冻性，岩石的透水性 18.岩石的吸水率：是指岩石在常温压下自由吸入水的质量与岩样干密度之比。岩石的饱和吸水率是指岩试件在高压或者真空的条件下吸收水的质量与岩式样干质量之比。饱水系数：岩石的吸水率与饱和吸水率之比 19.饱和吸水率：岩石试件在高压或真空条件下吸入水的质量与岩样干质量之比 20.质量损失率：是指冻容前后干质量之差与实验前干质量之比——百分数表示 21.剪切强度：在剪切荷载作用下，岩块抵抗剪切破坏的最大剪应力。 22.剪切（法向）刚度：是反应结构面剪切（法向）变形性质的重要参数
第一章绪论 1-1弹性力学的内容 1-2弹性力学中的几个基本概念 1-3弹性力学中的基本假定 习题 第二章平面问题的基本理论 2-1平面应力问题与平面应变问题 2-2平衡微分方程 2-3平面问题中一点的应力状态 2-4几何方程刚体位移 2-5物理方程 2-6边界条件 2-7圣维南原理及其应用 2-8按位移求解平面问题 2-9按应力求解平面问题相容方程 2-10常体力情况下的简化应力函数 习题 第三章平面问题的直角坐标解答 3-1逆解法与半逆解法多项式解答 .3-2矩形梁的纯弯曲 3-3位移分量的求出 3-4简支梁受均布荷载 3-5楔形体受重力和液体压力 习题 第四章平面问题的极坐标解答 4-1极坐标中的平衡微分方程 4-2极坐标中的几何方程及物理方程 4-3极坐标中的应力函数与相容方程 4-4应力分量的坐标变换式 4-5轴对称应力和相应的位移 4-6圆环或圆筒受均布压力 4-7压力隧洞 4-8圆孔的孔口应力集中 4-9半平面体在边界上受集中力 4-10半平面体在边界上受分布力 习题 要求：了解弹性力学的基本概念，发展历史与基本假设，理解两类平面问题的解法，掌握三大方程的建立，边界的确定，有限单元法在解弹性力学问题的应用，了解空间问题的求解的方法。
第1章绪论 1.1 岩石与岩体（二者的区别） 1.2 岩体力学的研究任务与内容（岩体的力学特征） 1.3 岩体力学的研究方法 1.4 岩体力学在其他学科中的地位 1.5 岩体力学的发展简史 基本要求：了解岩石力学、岩体力学定义及其它们的联系和区别；理解岩石力学的发展、研究对象和研究方法；了解岩石力学研究现状及热点问题。 重点与难点：岩石力学的定义、任务、研究方法。 第2章岩石的基本物理力学性质 2.1 岩石的基本物理力学性质 2.2 岩石的强度特性 2.3 岩石的变形特性 2.4 岩石的强度理论 基本要求：掌握岩石的成分、结构及其力学性质；了解岩石的变形特征和流变性；理解岩石的各种强度及其测定方法。 重点与难点：岩石的物理指标、强度与变形特征。 第3章岩石动力学基础 3.1 岩石的波动特性 3.2 影响岩体波速的因素 3.3 岩体的其他动力学特性 基本要求：理解岩石的波动特性，了解影响岩体波速的因素，了解岩体的其他动力学特性。重点与难点：岩石的动力学特性。 第4章岩体的基本力学性能 4.1 岩体结构面的分析 4.2 结构面的变形特性 4.3 结构面的力学效应 4.4 碎块岩体的破坏 4.5岩体的应力－应变分析 基本要求：理解岩石和岩体的区别，了解结构面的相关性质，了解岩体的变形特征和强度测定方法，理解岩体的破坏条件及应力-应变分析。 重点与难点：理解岩体的相关特性。
实验五岩石单轴压缩实验 一.实验目的 岩石单轴压缩是指岩石在单轴压缩条件下的强度、变形和破坏特征。通过该实验掌握岩石单轴压缩实验方法，学会岩石单轴抗压强度、弹性模量、泊松比的计算方法；了解岩石单轴压缩过程的变形特征和破坏类型。 二.实验设备、仪器和材料 1.钻石机、锯石机、磨石机； 2.游标卡尺，精度0.02mm； 3.直角尺、水平检测台、百分表及百分表架； 4.YE-600型液压材料试验机； 5.JN-16型静态电阻应变仪； 6.电阻应变片（BX-120型）； 7.胶结剂，清洁剂，脱脂棉，测试导线等。 三.试样的规格、加工精度、数量及含水状态 1. 试样规格：采用直径为50 mm，高为100 mm的标准圆柱体，对于一些裂隙比较发育的试样，可采用50 mm×50 mm×100 mm的立方体，由于岩石松软不能制取标准试样时，可采用非标准试样，需在实验结果加以说明。 2. 加工精度： a 平行度：试样两端面的平行度偏差不得大于0.1mm。检测方法如图5-1所示，将试样放在水平检测台上，调整百分表的位置，使百分表触头紧贴试样表面，然后水平移动试样百分表指针的摆动幅度小于10格。 b 直径偏差：试样两端的直径偏差不得大于0.2 mm，用游标卡尺检查。 c 轴向偏差：试样的两端面应垂直于试样轴线。检测方法如图5-2所示，将试样放在水平检测台上，用直角尺紧贴试样垂直边，转动试样两者之间无明显
缝隙。 3.试样数量： 每种状态下试样的数量一般不少于3个。 4.含水状态：采用自然状态，即试样制成后放在底部有水的干燥器内1～2 d ，以保持一定的湿度，但试样不得接触水面。 四.电阻应变片的粘贴 1.阻值检查：要求电阻丝平直，间距均匀，无黄斑，电阻值一般选用120欧姆，测量片和补偿片的电阻差值不超过0.5Ω。 2.位置确定：纵向、横向电阻应变片粘贴在试样中部，纵向、横向应变片排列采用“┫”形，尽可能避开裂隙，节理等弱面。 3.粘贴工艺：试样表面清洗处理→涂胶→贴电阻应变片→固化处理→焊接导线→防潮处理。 五.实验步骤 1. 测定前核对岩石名称和试样编号，并对岩石试样的颜色、颗粒、层理、 裂隙、风化程度、含水状态等进行描述。 2. 检查试样加工精度。并测量试样尺寸，一般在试样中部两个互相垂直方向测量直径计算平均值。 3. 电阻应变仪接通电源并预热数分钟后, 连接测试导线，接线方式采用公 1—百分表 2-百分表架 3-试样 4水平检测台 图5-1 试样平行度检测示意图 1—直角尺 2-试样 3- 水平检测台 图5-2 试样轴向偏差度检测示意图 图5-3 电阻应变片粘贴
20 ～20 学年第学期级专业试题 学号：姓名： ……………………………………密…………封……………线………………………………… 1、岩石的常用物理指标有哪些？它们与岩石的强度之间大致有什么关系？（5分） 2、现场测定岩体变形指标的试验方法有哪些？（5分） 3、简述水对岩石强度的影响。（5分） 4、影响岩石应力-应变曲线主要因素有哪些？是如何影响的？（5分） 5、什么是岩体初始应力场？岩体内产生应力的原因有哪些？（5分）
20 ～20 学年第学期级专业试题 学号：姓名： ……………………………………密…………封……………线………………………………… 6、何谓喷锚支护，它与传统的老式支护有何区别？（5分） 二、作图题（5分） 什么是岩石的蠕变？试作图说明岩石流变三阶段的特点： 三、填空题: （0.5/空）(共20分) 1、岩石力学是研究岩石的，是探讨岩石对 。岩石力学研究的主要领域可概括为、、。 研究方法主要有、、、。 2、岩石的破坏形式：、、。 3、影响岩石抗压强度的主要因素一般有：、和、、 、、、、、等。 4、格里菲斯理论把岩石看作为有材料，岩石之所以破坏是由于在 引起细小裂隙的发生发展所致。修正的格里菲斯理论则认为岩石破坏除拉
20 ～20 学年 第 学期 级 专业 试题 应力集中所致外，还可以是 引起裂隙沿裂隙长轴方向发生 。 5、已知材料的弹性模量E 和泊松比μ，用它们来表示G: λ： 、 K: 。 6、在1=o k 的四周等压地应力场rH v h ==σσ作用下，围岩中的径向应力r σ都 岩体中的初始应力；切向应力θσ则 岩体中的初始应力，在洞壁上达最大值 。由理论上可以证明，开挖洞室的影响范围是 。 7、岩压力是由于洞室开挖后岩体 和 而形成的。由于岩体 而对支护或衬砌的压力，称为“变形压力”；将由于岩体 而而对支护或衬砌的压力，称为“松动压力”。 8、按压力拱理论分析，在可形成压力拱的洞室内，压力拱的高度是 ，洞室顶部的最大垂直压力在拱轴线上大小为 ，洞室任何其它点的垂直山岩压力等于 。 四、选择题：（2/题）（共10分） 1、岩石与岩体的关系是（ ）。 （A ）岩石就是岩体 （ ） （B ）岩体是由岩石和结构面组成的 （ ） （C ）岩体代表的范围大于岩石 （ ） （D ）岩石是岩体的主要组成部分 （ ） 2、a.)(42 y xy Rt Rt στ+= （ ） b. )(42 y xy Rc Rt στ+= （ ） c. )(42 x xy Rt Rt στ+= （ ） d. )(42 x xy Rc Rt στ+= （ ） 3、岩质边坡的圆弧滑动破坏，一般发生在（ ）。 （A ）不均匀岩体 （B ）薄层脆性岩体 （C ）厚层泥质岩体 （D ）多层异性岩体 4、计算岩基极限承载力的公式中，承载力系数 主要取决于下列哪一个指标？ （ ） （A ） （B ）C （C ） （D ）E 5、下列关于岩石初始应力的描述中，哪个是正确的？（ ）。 （A ）垂直应力一定大于水平应力； （B ）构造应力以水平应力为主；
岩体力学的发展展望及发展方向 张永伟学号：201020407 岩石力学是研究岩石和由它组成的地质体在外力作用下力学行为的一门应用固体力学学科。岩体力学是在岩石力学的基础上发展起来的一门新兴学科，是一门的年轻的学科，特别是在中国前景广阔，“岩石力学的未来在中国”。 岩体力学作为岩土工程三大基础学科（岩体力学、土力学、基础工程学）之一，在工程设计和施工中，岩体力学问题往往具有决定性的作用，例如:英吉利海底隧道，日本青函海底隧道，美国赫尔姆斯水电站地下厂房，加拿大亚当贝克水电站地下压力管道，巴西伊太普水电站，尼亚加拉水电站，以及我国葛洲坝水利工程等的新建，都提出了许多岩体力学方面的棘手问题，而这些问题对工程的进行具有决定意义。因此，岩体力学的发展直接关系到工程开发的深度和广度。 一、岩体力学的发展 岩体力学是在岩石力学的基础上发展起来的一门学科，一般认为它形成于20世纪50年代末，其主要标志是1957年法国的J.Talobre 所著的《岩石力学》的出版，以及1962年国际岩石力学学会的成立。岩体力学的发展经历了如下几个阶段：（一）连续介质岩石力学阶段。二次世界大战之前至20世纪60年代为岩体力学的产生与早期发展阶段。在此阶段，人们仅简单地将岩体看作一种连续介质材料，利用固体力学理论进行岩体的力学特性分析，将岩体力学等同于材料力学，处理实际问题主要靠经验，往往效果较差。（二）裂隙岩体力学阶段。
大约在20世纪60-70年代，国际上正式将裂隙岩体的力学性质研究作为岩体力学的一个中心课题，并且提出了（碎裂）岩体力学概念，将岩体力学研究推向了一个崭新的阶段，即裂隙岩体力学阶段。（三）岩体结构力学阶段。20世纪60年代末，人们提出了“岩体结构”的概念，及至70年代中期“岩体结构”便在岩体力学研究中起指导作用，并且由此诞生了“岩体结构的力学效应”这一具有划时代意义的科研命题。（四）地质工程岩体力学阶段。随着各种大型或特大型岩体工程的兴建，例如超过300 m的高坝及跨海大桥或其他高架工程等，它们的规模、形状、分布及组合等变化很大，往往引出不少岩体力学问题，而要解决这些问题又涉及到很多地质问题，有时可能关系到面积超过十平方公里、深达几公里的地质体。而今的岩体力学与地质研究工作密切相关，必须是多学科协同操作，方能有所作为。因此岩体力学的发展进入地质工程岩体力学阶段。 二、岩体力学在地质灾害防治中的应用 今年舟曲泥石流地质灾害再次引起了人们对地质灾害的重视。 岩体力学在地质灾害防治中的应用，作为研究方向，开展崩塌、滑坡、泥石流和采空地面塌陷等地质灾害方面的研究，是岩体力学重要的发展方向之一，对于保护人民群众生命财产安全具有重要的意义。 地质灾害监测与预警、地质灾害危险性评估、地质灾害防治等都需要岩体力学的知识和手段。 对于山东省而言由于地下采矿而产生的采空地面塌陷，近几年频
岩石岩体区别:岩石可以瞧作就是一种材料,岩体就是岩石与各种不连续面的组合体;岩石可以瞧作就是均质的,岩体就是非均质的(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;岩体通常就是指一定工程范围内的地质体,岩石则无此概念。 岩石力学就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,就是力学的一个分支。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。它就是 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
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、饱与含水率: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、饱水分数:指岩石吸水
岩石力学数值试验实验报告 姓名：郑周立学号： 1108010103 班级：采矿111班指导教师：左宇军 同组人：郑周立、周义现、胡斌、朱红伟、高言、 王坤 实验名称：圆孔对岩石力学性质影响的数值加载 试验 2014年5月16日
圆孔对岩石力学性质影响的数值加载试验 一、实验目的: 1.通过对RFPA2D学习，知道RFPA2D基本使用方法。 2.了解RFPA2D模拟试验的条件和RFPA2D的基本功能。 3.通过操作端部效应对岩石力学性质影响的数值实验，了解每一步操作以及岩石破裂过程，最终完成实验得到结果。 二、实验原理: RFPA-2D是一种基于有限元应力分析和统计损伤理论的材料破裂过程分析数值计算方法，是一个能够模拟材料渐进破裂直至失稳全过程的数值试验工具。 三、 1、试样尺寸： 100mm*51mm 2、基元数: 100*51 3、应力分析模式: 平面应变 4、圆孔：半径10mm 5、加载方式：单轴压缩 6、加载条件：竖向位移加载 7、均质度m=2 8、加载量：每步0.002mm
9、实验内容： （1）、应力-应变曲线； （2）、强度； （3）、破坏模式 四、实验内容： (一)、操作步骤： 第一步启动RFPA，新建模型建立存放的根目录 第二步划分网格，单击在弹出的窗口中设置模型的大小，单击确定第三步选择施加荷载模式... （二）实验结果 弹性模量图 第1步
第4步（开始破坏） 第7步（开始横向破坏） 第32步（彻底破坏） 第200步
最大剪应力图第1步
第4步（开始破坏） 第33步（彻底破坏） 第200步 最大主应力图
20～20学年第学期级专业试题 学号：姓名： ……………………………………密…………封……………线………………………………… 一二三四五六七八九总分 一、简答题：（30分） 1、岩石的常用物理指标有哪些？它们与岩石的强度之间大致有什么关系？（5分） 2、现场测定岩体变形指标的试验方法有哪些？（5分） 3、简述水对岩石强度的影响。（5分） 4、影响岩石应力-应变曲线主要因素有哪些？是如何影响的？（5分） 5、什么是岩体初始应力场？岩体内产生应力的原因有哪些？（5分） 第1页共6 页
20～20学年第学期级专业试题 学号：姓名： ……………………………………密…………封……………线………………………………… 6、何谓喷锚支护，它与传统的老式支护有何区别？（5分） 二、作图题（5分） 什么是岩石的蠕变？试作图说明岩石流变三阶段的特点： 三、填空题: （0.5/空）(共20分) 1、岩石力学是研究岩石的，是探讨岩石对 。岩石力学研究的主要领域可概括为、、。研究方法主要有、、、。 2、岩石的破坏形式：、、。 3、影响岩石抗压强度的主要因素一般有：、和、、 、、、、、等。 4、格里菲斯理论把岩石看作为有材料，岩石之所以破坏是由于在 引起细小裂隙的发生发展所致。修正的格里菲斯理论则认为岩石破坏除拉 第2页共6 页20～20学年第学期级专业试题
应力集中所致外，还可以是引起裂隙沿裂隙长轴方向发生 。 5、已知材料的弹性模量E 和泊松比μ，用它们来表示G:λ：、 K:。 6、在1=o k 的四周等压地应力场rH v h ==σσ作用下，围岩中的径向应力r σ都岩体中的初始应力；切向应力θσ则岩体中的初始应力，在洞壁上达最大值。由理论上可以证明，开挖洞室的影响范围是。 7、岩压力是由于洞室开挖后岩体和而形成的。由于岩体而对支护或衬砌的压力，称为“变形压力”；将由于岩体而而对支护或衬砌的压力，称为“松动压力”。 8、按压力拱理论分析，在可形成压力拱的洞室内，压力拱的高度是 ，洞室顶部的最大垂直压力在拱轴线上大小为，洞室任何其它点的垂直山岩压力等于。 四、选择题：（2/题）（共10分） 1、岩石与岩体的关系是（ ）。 （A ）岩石就是岩体 （ ）（B ）岩体是由岩石和结构面组成的 （ ） （C ）岩体代表的范围大于岩石 （ ） （D ）岩石是岩体的主要组成部分 （ ） 2、a.)(42 y xy Rt Rt στ+=（ ） b.)(42 y xy Rc Rt στ+=（ ） c.)(42 x xy Rt Rt στ+= （ ） d.)(42 x xy Rc Rt στ+= （ ） 3、岩质边坡的圆弧滑动破坏，一般发生在（ ）。 （A ）不均匀岩体 （B ）薄层脆性岩体 （C ）厚层泥质岩体 （D ）多层异性岩体 4、计算岩基极限承载力的公式中，承载力系数主要取决于下列哪一个指标？ （ ） （A ） （B ）C （C ） （D ）E 5、下列关于岩石初始应力的描述中，哪个是正确的？（ ）。 （A ）垂直应力一定大于水平应力； （B ）构造应力以水平应力为主； （C ）自重应力以压应力为主 ； （D ）自重应力和构造应力分布范围基本一致； 第 3页 共 6 页 20～20学年 第学期 级专业 试题 学号： 姓名： ……………………………………密…………封……………线………………………………… 五、计算题：（35分）
岩石力学实验指导书及实验报告 班级 姓名 山东科技大学土建学院实验中心编
目录 一、岩石比重的测定 二、岩石含水率的测定 三、岩石单轴抗压强度的测定 四、岩石单轴抗拉强度的测定 五、岩石凝聚力及内摩擦角的测定（抗剪强度 试验） 六、岩石变形参数的测定 七、煤的坚固性系数的测定
实验一、岩石比重的测定 岩石比重是指单位体积的岩石（不包括孔隙）在105～110o C 下烘至恒重的重量与同体积4o C 纯水重量的比值。 一、仪器设备 岩石粉碎机、瓷体或玛瑙体、孔径0.2或0.3毫米分样筛、天平（量0.001克）、烘箱、干燥器、沙浴、比重瓶。 二、试验步骤 1、岩样制备：取有代表性的岩样300克左右，用机械粉碎，并全部通过孔径0.2（或0.3）毫米分样筛后待用。 2、将蒸馏水煮沸并冷却至室温取瓶颈与瓶塞相符的100毫升比重瓶，用蒸馏水洗净，注入三分之一的蒸馏水，擦干瓶的外表面。 3、取15g 岩样（称准到0.001克）得g 借助漏斗小心倒入盛有三分之一蒸馏水的比重瓶中，注意勿使岩样抛撒或粘在瓶颈上。 4、将盛有蒸馏水和岩样的比重瓶放在沙浴上煮沸后再继续煮1～1.5小时。 5、将煮沸后的比重瓶自然冷却至室温，然后注入蒸馏水，使液面与瓶塞刚好接触，注意不得留有气泡，擦干瓶的外表面，在天平上称重得g 1。 6、将岩样倒出，比重瓶洗净，最后用蒸馏水刷一遍，向比重瓶内注满蒸馏水，同样使液面与瓶塞刚好接触，不得留有气泡，擦干瓶的外表面，在天平上称重得g 2。 三、结果：按下式计算： s d g g g g d 1 2-+= 式中：d ——岩石比重； g ——岩样重、克； g 1——比重瓶、岩样和蒸馏水合重、克； g 2——比重瓶和满瓶蒸馏水合重、克； d s ——室温下蒸馏水的比重、d s ≈1
中南大学网络教育课程考试复习题及参考答案 岩石力学(专科) 一、名词解释： 1.岩体 2.围岩 3.稳定蠕变 4.柔性支护 5.塑性破坏 6.稳定蠕变 7.剪胀8.长期强度 9.脆性破坏10.端部效应 11.构造应力12.松脱地压 13.非稳定蠕变14.结构面充填度 15.变形地压16.延性 17.蠕变18.岩体结构 19.真三轴试验20.扩容 21.剪胀率 二、问答题： 1.解释锚杆支护的挤压加固作用，并指出其适用条件。 2.说明不连续面的起伏对不连续面抗剪强度的作用，写出无充填规则齿状不连续面的抗剪强度表达式。 3.解释锚杆支护的组合作用，并指出其适用条件。 4.什么是常规三轴压缩试验？试指出在常规三轴试验中，随围压增大，岩石的抗压强度和变形特征。 5.解释断层和水对露天矿边坡稳定性的作用。 6.说明岩石单轴压缩试验中产生端面效应的原因，如何消除端部效应对试验结果的影响？ 7.岩石有哪些基本破坏方式？莫尔-库论理论和格里菲斯理论分别适用于哪种破坏方式？ 8.对岩石进行三轴压缩试验，试问在不同的围压条件下，岩石的变形性质、弹性模量和强度可能发生的变化是什么？ 9.简述采用喷射混凝土对巷道进行支护的力学作用。 10.如何根据岩石的单轴压缩试验曲线确定岩石的三种弹模？岩石的三种弹模分别反映岩石的什么特征? 11.岩石在普通试验机上进行单轴压缩试验，试问有哪几种典型的应力应变曲线形式（要求画出相应的曲线）？ 三、判断题： 1.图1所示为被一组节理切割的岩体所处的受力状态（应力圆）以及组成岩体的岩石的强度曲线（a ）和节理强度曲线（b ），图中节理面法线与最大主应力之间的夹角为α。试判别图中表示的分析结果是否正确。 [ ] a.岩体沿节理剪切破坏( ) b. 岩体沿节理剪切破坏( ) 图1 2.设计一条水平坑道断面如图2所示，其长轴与原岩应力分量p 平行，短轴与原岩应力分量q 平行。已知1/>q p 。这样的坑道断面布置将使围岩处于较好的应力状态或是不好的应力状态。 [ ]