岩体力学特性及其参数确定

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 mem m W W PD E W W PD E )1()1(22μμ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。

图6.2 钻孔变形试验装置示意图②可以在地下水位以下笔图6.3 狭缝法试验装置如图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。

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。

岩体结构面几何参数的确定摘要：岩体是地质体的一部分，是非均质的、各向异性的不连续体。

岩体中力学强度较低的部位或岩性相对软弱的夹层，构成岩体的不连续面，称为结构面。

结构面实际上是地质发展历史中岩体内形成的具有一定方向、一定规模、一定形态和一定特征的地质界面。

关键词：岩体结构面几何参数确定岩体是地质体的一部分，是非均质的、各向异性的不连续体。

岩体中力学强度较低的部位或岩性相对软弱的夹层，构成岩体的不连续面，称为结构面。

结构面实际上是地质发展历史中岩体内形成的具有一定方向、一定规模、一定形态和一定特征的地质界面。

结构面的几何特征直接控制岩体中岩块的大小，同时控制岩质边坡稳定性分析和地下洞室围岩稳定性分析中的边界条件，即控制滑体的形状、规模及其趋势。

具有工程意义的岩体结构面主要包括地层层面和节理等。

在某抽水蓄能电站坝址区进行了大量的岩体结构面调查之后，利用所取得的资料，应用EXCEL软件，对有关几何参数进行统计分析，并利用数学模型和检验原理，确定了具有一定置信程度的置信区间。

1 结构面几何参数岩体结构面几何参数主要包括产状、间距、连通性等，结构面的产状由其走向、倾向和倾角组成，而结构面的走向和倾向可以相互换算，即只要确定其一即可（本文中以倾向为例）。

岩体结构面几何参数主要从天然露头、剖面（例如采矿剖面，道路剖面等）、平硐、钻孔中实测而得。

2 结构面倾向以结构面的倾向（方位角）为例，在工程区现场调查了二组结构面的305个数据，输入到EXCEL电子表后，得到的统计结果为：一组节理面（节理1）倾向的范围为80° ~147° ，其均值为111.4° ；另一组节理面（节理2）倾向的范围为154° ~270° ，其均值为200.9° 其分布见图1。

图1 结构面倾向统计图先对节理1进行分析，在模型的对比中可知，节理1服从伽马分布。

因此根据相对频率，计算数学期望S Ex 和方差S Dx ，然后可根据模型的特征计算其参数，a 和b 值可联立方程求得，G (a )可通过斯特林公式得到，计算结果为：a = 60.7627 和 b = 0.5279。

岩土工程中的岩土力学分析岩土力学是研究土体和岩体的物理性质、力学性质及其变形和破坏规律的学科，它是岩土工程的基础和核心。

岩土工程的岩土力学分析是岩土工程设计和施工的重要工作内容之一，对于保证岩土工程的安全和可靠性具有非常重要的意义。

一、岩土力学分析的意义在岩土工程中，岩土力学分析主要包括岩土物理力学分析和岩土力学参数确定两个方面。

物理力学分析是指分析固体物质以及固体物质与流体之间的相互作用规律，这是岩土力学分析的理论基础。

力学参数的确定是指在改变的土体和岩体性状及其受力情况下，确定土体和岩体力学性质和结构特征的方法。

岩土力学分析的意义主要有以下几个方面：1、为岩土工程设计和施工提供基础性理论和技术支持。

岩土力学分析是岩土工程设计和施工的必要依据，其准确性和可靠性直接决定着岩土工程的安全和可靠性。

2、为岩土工程的灾害预防和治理提供技术支持。

岩土灾害是严重影响人类生产和生活的大自然灾害之一，岩土力学分析为研究岩土灾害的成因和预测提供了理论和技术基础。

3、为国家和地方政府制定和实施岩土工程安全管理政策提供技术支持。

岩土力学分析提供岩土工程稳定性和安全性评价的理论和技术方法，为制定和实施岩土工程安全管理政策提供支持和依据。

二、岩土力学分析的方法岩土力学分析方法非常丰富多样，常见的方法有试验方法、统计方法、解析方法和数值方法等。

1、试验方法。

试验方法是通过岩土实验来获取岩土力学性质和特性参数的方法，常见的试验包括岩石力学试验、土力学试验、岩土蠕变试验、抗剪试验等。

试验方法的优点是直接、直观、真实，能够准确地反映岩土材料的力学性质和特性参数，但试验方法的缺点是费时、费力、成本高。

2、统计方法。

统计方法是通过大量的实验数据来得到岩土力学参数的方法，常见的统计方法包括回归分析、主成分分析、聚类分析等。

统计方法的优点是简单、快捷，能够有效地处理大量数据，但需要注意数据的可靠性和典型性，避免统计误差。

3、解析方法。

岩土体物理力学参数在边坡稳定性定量分析中，岩土体的物理力学参数往往直接控制着稳定系数和支护工程量。

常规的获取参数的方法主要有试验法、经验法、工程地质类比法、反演分析法等。

此外，当边坡稳定受成组结构面和岩桥共同控制时，仍常采用结构面连通率，即采用结构面和岩桥强度进行加权平均来求取潜在滑移面的综合抗剪强度。

以下对两种参数获取方法进行简单介绍。

1.试验法试验法一般可分为室内试验和现场试验两类。

现场试验试件尺寸一般较大，多为（50～70）cm×（50～70）cm，它能保持岩土体的原始状态，并能反映结构面二、三级起伏差对强度的影响，但加工困难，周期长，试验费用相对较高。

室内试验试件一般较小，多为扰动样，存在尺寸效应问题，但取样简单，可以开展各种不同工况下的试验，如三轴直剪试验、饱和固结快剪试验、饱和固结排水剪试验、慢剪试验等。

室内试验由于试验周期短，费用相对较低，可以大量开展。

目前，随着取样技术的发展，已具备取原状样的条件，且可在刚性伺服机上开展试验，能有效地确定有效正应力，控制剪切速度，试验成果较为真实可靠。

2.经验估算法可根据一些经验公式，如利用Hoek-Brown强度准则确定岩体的综合抗剪强度。

一般是在工程前期和缺乏试验的地区应用，该方法存在的问题是岩石强度权重偏大，应用在坚硬和极坚硬岩石中时，确定的抗剪强度常常偏高。

8.5.2 选择原则对于一些不重要或者工程前期缺乏试验资料的边坡，可通过经验法和工程地质类比法，初步确定岩土体的物理力学参数，以此估算边坡的稳定性和支护工程量。

对于一些已经失稳或正在变形的边坡，采用反演分析法来获取岩土体的物理力学参数是一种最有效的办法，但由于此时的抗剪强度已不是常规物理意义上的抗剪强度，而是岩土体抗剪强度参数、边界条件、地下水条件等因素的综合反映，因此，在应用时应严格注意条件的相似性。

同时，应考虑在工程有效期内工作条件的可能变化趋势对强度参数的影响，并适当进行调整。

《岩石力学》复习资料1.1 简述岩石与岩体的区别与联系。

答:岩石是由矿物或岩屑在地质作用下按一定的规律聚集而形成的自然物体,力学性质可在实验室测得；岩体是指由背诸如节理、裂隙、层理和断层等地质结构面切割的岩块组成的集合体，力学性质一般在野外现场进行测定，因此更接近岩体的实际情况，反映岩体的实际强度。

1.2 岩体的力学特征是什么？答：（1)不连续性：岩体受结构面的隔断,多为不连续介质，但岩块本身可作为连续介质看待；（2)各向异性：结构面有优先排列位向的趋势,随着受力岩体的结构趋向不同力学性质也各异；(3）不均匀性：结构面的方向、分布、密度及岩块的大小、形状和镶嵌状况等在各部位都很不一致，造成岩体的不均匀性；（4)岩块单元的可移动性：岩体的变形破坏往往取决于组成岩体的岩石块单元体的移动,这与岩石块本身的变形破坏共同组成岩体的变形破坏；（5）力学性质受赋存条件的影响：在一定的地质环境中，岩体赋存有不同于自重应力场的地应力场、水、气、温度以及地质历史遗留的形迹等。

1.3 岩石可分为哪三大类?它们各自的基本特点是什么?答：（1）岩浆岩：由岩浆冷凝形成的岩石，强度高、均匀性好；（2）沉积岩：由母岩在地表经风化剥蚀后产生，后经搬运、沉积和结硬成岩作用而形成的岩石,具有层理构造，强度不稳定，且具有各向异性；（3）变质岩：由岩浆岩、沉积岩或变质岩在地壳中受高温、高压及化学活动性流体的影响发生变质而形成的岩石.力学性质与变质作用的程度、性质以及原岩性质有关。

1.4 简述岩体力学的研究任务与研究内容。

研究任务：①建模与参数辨别;②确定试验方法、仪器与信息处理；③现场测试；④实际应用；研究内容：①岩石与岩体的物理力学性质(岩石的物质组成和结构特征，岩石的物理、水理性质，岩块在不同应力状态作用下的变形和强度特征,结构面的变性特征和强度参数的确定等）;②岩石和岩体的本构关系(岩块的本构关系，岩体结构面分类和典型结构面本构关系,岩体的本构关系）；③工程岩体的应力、变形和强度理论（岩体初始应力测量及分布规律，岩体中应力、应变和位移计算，岩体破坏机理、强度理论和工程稳定性维护与评价）：④岩石(岩块）室内实验（室内实验是岩石力学研究的基本手段）;⑤岩体测试和工程稳定监测（岩体原位力学实验原理和方法，岩体结构面分布规律的统计测试,岩体的应力、应变、位移检测方法及测试数据的分析利用,工程稳定准则和安全预测理论与方法)。

考虑地应力损伤的岩体质量分级和岩体力学参数的确定刘焕新;郭奇峰;郭乔盛【摘要】Traditional RMR rock mass quality classfication do not consider the effect of in‐situ stress . The IRMR rock mass quality classfication which have considered the effect of in‐situ stress and made the correction had been applied in the three middle's roadways and stopes of - 510m 、 - 555m 、 - 600m in Sanshan island gold mine .Compared with the results of RMR rock mass quality classfication ,we can find that most results of IRMR rock mass quality classfication are worse than former ,but the rock mass quality of - 510 travelling roadway ,553 # stope and 601 # stope are at the same level in two evaluation system .So , it is more safe in tackling high in‐situ stress rock mass engineering using IRMR rock mass quality classfication ,and it more resonable and effective .We had used the IRMR grade to determine the rock mechnical parameters in all the three middle ,it can provide a basic evidence for numerical simulation study on optimization of the structural parameters of the deep stope and engineering disaster prevention and control ,and so on .% 传统的 RMR 岩体质量分类法未考虑地应力的影响。

岩体力学参数确定的方法岩体力学参数的确定方法在岩石工程实践中，首先需要了解作为研究对象的工程岩体的力学性质，并确定其特征参数。

岩石力学参数的合理确定一直是岩石力学研究和发展的难点之一。

在应用工程力学领域，如果完整地使用经典理论力学的连续性假设和定义，就会存在理解上的问题。

必须考虑假设的合理使用范围和每个物理量的适用定义。

本文讨论了地下岩体工程中根据不同的重点确定岩体参数的方法。

1、确定岩体参数的传统方法地下巷道、硐室开挖后，围岩产生应力重分异作用,径向应力减少,切向应力增加,并且随着工程不断推进,岩体应力状态不断改变。

巷道、硐室围岩处于“三高一扰动”条件下,岩体表现的力学特性是破坏条件下的稳定失稳再平衡过程。

围岩体处于一种拉压相间出现的复杂应力状态。

该类工程岩体的力学参数的确定要进行岩体的卸荷试验研究,且要依据现场工程实际条件进行卸荷条件下的应力、渗流与温度三场耦合试验研究。

需要进行循环加卸载条件下的岩体力学特性研究,进而获得岩体的力学参数特征。

地下巷道和硐室工程岩体力学参数的确定方法如下：(1)三轴应力状态下的卸荷三场耦合力学试验,获得有关参数;(2)进行岩体流变特性试验研究,获得有关岩体的流变参数。

目前在该领域要进行大量的工作,包括设备仪器的研制等,同时还要利用新的计算机技术才会实现。

二．建立力学模型确定岩体力学参数建立工程岩体力学参数模型主要是解决复杂岩体力学参数的确定问题。

为了确定复杂岩体的力学参数，需要将工程岩体视为一个连续模型。

采用确定岩体力学参数的新方法，建立了层状斜节理岩体的力学模型，并进行了力学试验，确定了岩体的基本力学参数。

1．工程岩体力学参数模型目前，关于岩石的力学性质和划分基本上有两种观点：一种观点认为岩石本身是一种连续的非各向异性材料，另一种观点认为岩石是由多晶系统组成的，存在空洞和裂缝等缺陷，这使得岩石本身的结构表现出各向异性和不连续性。

岩体一般被视为不连续介质，但在一定条件下仍满足连续介质力学的基本假设。

1.岩体力学的定义：岩体力学主要是研究岩石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，作出响应的一门力学分支。

2.岩石的定义：岩石是矿物或岩屑地质作用下按一定的规律聚集而形成的自然物体。

3.岩体的定义：在岩体力学中，通常将在一定工程范围内的自然地质体称为岩体。

4.结构面的定义：所谓结构面，是指具有极低的或没有抗体强度的不连续面5.岩石的力学特征：1.不连续性.2.各向异性.3.不均匀性.4.赋存地质因子的特性.6.学派：1.地质力学的岩石力学派。

2.工程岩石力学派。

第二章1.岩石的基本物理性质：1.岩石的密度指标。

2.岩石的孔隙性。

3.岩石的水理性质。

4.岩石的抗风化指标。

5.岩石的其他特性。

2.岩石的强度特性：所谓强度，是指材料在荷载作用下，所能承受的最大的单位面积上的力。

通常研究岩石的单轴抗压强度（无侧限压缩强度）、抗拉强度、剪切强度、三轴压缩强度等。

在单向压缩荷载作用下试件的破坏形态：1.圆锥形破坏。

2.柱状劈裂破坏。

3.四种强度特性：1.岩石的单轴抗压强度。

2.岩石的抗拉强度。

3.岩石的抗剪强度。

4.岩石在三向压缩应力作用下的强度。

4.岩石三向压缩强度的影响因素：1.侧向压力的影响。

2.试件尺寸与加载速率的影响。

3.加载路径对岩石三向压缩强度的影响。

4.孔隙压力对岩石三向压缩强度的影响。

5.岩石应力应变全过程曲线（略）6.岩石的流变性包含着三部分的内容：岩石的蠕变、岩石的应力松弛、岩石的长期强度。

7.所谓的蠕变是指岩石在恒定的外力作用下，应变随时间的增长而增长的特性，也称作徐变。

8.典型蠕变曲线（略）。

9.影响岩石蠕变的主要因素：1.应力水平对蠕变的影响。

（不能太大也不能太小，中等应力水平（60%-90%）峰值）2.温度、湿度对蠕变的影响。

10.岩石介质力学模型：1.基本力学介质模型：弹性介质模型、塑性介质模型、粘性介质模型。

2.常用的岩石介质模型：弹塑性介质模型、粘弹性介质模型：马克斯韦尔模型、凯尔文模型。

岩石由矿物或岩屑在地质作用下按一定规律聚集而成的自然物体。

岩体 由岩块和结构面共同组成的具有一定结构并赋存于一定地质环境中的地质体。

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。

结构体 由不同产状的结构面组合切割而形成的单元体。

岩体结构1.结构面的发育程度及其组合关系。

2.结构体的规模、形态及其排列形式所表现的空间形态。

岩石的物理力学参数1.密度指标：岩石的颗粒密度s ρ、天然密度ρ、干密度d ρ、饱和密度sa ρ。

2.孔隙性：孔隙比e 、孔隙率n 。

3.水理性质：含水率ω、自由吸水率a W 、饱和吸水率sa W 、渗透系数K 。

4.抗风化特性：软化系数η、耐崩解性指数d I 、自由膨胀率H V 、侧向约束膨胀率HP V 、膨胀压力。

5.抗冻性：抗冻性系数f K 。

刚性试验机工作原理当试验机刚度Km 大于岩石刚度Ks 时，在相同的条件下，试验机附加给岩石的能量比岩石所能承受的能量小，要岩石继续产生应变必须依靠外荷载的加载做功才能实现。

因此，当试验机刚度大于岩石刚度时，才能记录下岩石峰值强度后的应力-应变曲线。

曲线形态 岩石特性 代表岩石直线型（弹脆性） 具有很明显的弹性特性的岩石 石英岩 玄武岩下凹型（弹塑性） 具有明显的塑形变形的岩石 石灰岩 粉砂岩上凹型（塑弹性） 具有较大的孔隙但较为坚硬的岩石 片麻岩S 型（塑弹塑型） 多孔且具有明显塑性的岩石大理石岩石应力—应变全过程曲线：指在刚性试验机上进行试验所获得的包括岩石达到峰值应力之后的应力—应变曲线。

压密阶段：岩石内的微裂隙在外力作用下发生闭合，岩石压密。

曲线上凹，应变率随应力增加而减小，为不可恢复的塑性变形。

弹性阶段：初期裂隙压密后，岩石强度暂趋稳定。

曲线近似呈直线，弹性模量为常熟，很大程度上为可恢复的弹性变形。

（弹性模量泊松比）塑性阶段：曲线呈下凹状，有应变软化现象；塑性变形，变形不可恢复。

应变软化阶段：曲线斜率为负，软化现象显著，试件承载力随变形的增大而迅速下降。

岩石力学参数手册第一章绪论本手册旨在为岩石力学领域的研究人员和工程师提供岩石力学参数的参考。

本手册主要包括岩石力学常用参数的定义和计算公式，以及它们在不同力学实验和工程应用中的应用范围和限制。

第二章岩石力学常用参数1. 弹性模量弹性模量是描述岩石本身抵抗变形能力的参数，也是岩石变形受力学响应的基础。

其定义为应力和应变之比，通常用“E”来表示，单位为千帕。

2. 泊松比泊松比是描述岩石沿某一方向的压缩（或伸长）应变与其在与该方向垂直的方向上相应的膨胀（或收缩）应变之比。

其定义为侧向应变和轴向应变之比，通常用“ν”来表示，无单位。

3. 抗拉强度抗拉强度是指岩石在拉伸状态下最大额外应力强度。

其计算公式为：σt = F/Aσt为抗拉强度，F为最小应变强度，A为岩石断面积。

5. 黏聚力黏聚力是指岩石在未承受分开应力的情况下的最小阻抗力。

其计算公式为：C = 2F/πDC为黏聚力，F为最小阻抗力，D为岩石的直径。

弹性模量试验是通过施加单轴应力或三轴应力来测定岩石的弹性模量。

单轴应力试验主要是通过塑性直线版或岩石试件测定岩石的应力-应变关系，然后确定弹性模量；而三轴应力试验则是通过在三个轴向上施加正、负应力，测定岩石的应力-应变关系，并计算弹性模量。

拉压强度试验是通过塑性直线版或岩石试件施加拉伸或压缩应力来测定岩石的抗拉强度和抗压强度。

拉伸试验通常使用高精度万能试验机，测定点状试件的应变和应力，然后计算抗拉强度；而压缩试验则是将岩石试件置于弹塑料中，测量其最小阻抗力，并计算抗压强度。

4. 断裂韧性试验断裂韧性试验是通过岩石试件施加脆性、韧性和折断初始应力来测定其断裂韧性。

该试验通常通过在岩石试件上使用弯曲粘着板，以爆破等方式施加应力，获得岩石试件的断裂韧性。

岩石力学参数的应用主要分为两个方向：一是在岩石力学基础研究方面，如岩石变形特性、岩石破裂机制研究等；二是在岩石工程实践中的应用，如隧道开挖稳定性评估、堆石坝安全分析等。