岩石力学

岩石力学定义：岩石力学是研究岩石的力学性状的一门理论和应用的科学，它是力学的一个分支，是探讨岩石对周围物理环境中力场的反应。

应力：应力指物体在所受面力作用下内部产生的内力的集度。

正应力：应力在其作用截面的法线方向的分量。

剪应力：应力在其作用截面的切线方向的分量。

体力：分布在物体体积内的力。

面力：分布在物体表面上的力。

内力：物体本身不同部分之间相互作用的力。

正面：外法线沿着坐标轴的正方向的截面。

正面上的应力分量与坐标轴方向一致为正，反之为负。

负面：外法线是沿着坐标轴的负方向的截面。

负面上的应力分量与坐标轴方向相反为正，反之为负。

主平面：单元体剪应力等于零的截面。

主应力：主平面上的正应力。

强度（峰值强度）：在一定条件下，岩石发生破坏时单位面积所能承受的最大载荷。

残余强度：岩石完全破坏后所能承受的一个较小的应力值。

应变软化：指岩石达到峰值强度以后继续变形，其强度随变形量增加而降低/减少的特性。

塑性变形：岩石失去承载能力以前所承受的永久的变形。

屈服：有些材料在开始出现塑性变形之后，常在应力不变或应力增加很小的情况下继续产生变形，这种现象称为屈服。

屈服点：岩石从弹性转变为塑性的转折点有效应力：一般意义，是指对多孔渗水材料总的力学特征起主导作用的应力。

有效应力是外加或总应力和孔隙压力的函数。

切线杨氏模量：应力－应变曲线上某一确定点的斜率，一般取50%峰值强度点的斜率。

平均杨氏模量：应力－应变曲线上近似直线部分的斜率平均值割线杨氏模量：坐标原点与某一定点连线的斜率扩容：岩石在塑性阶段的体积膨胀称为扩容现象，它主要由于变形引起裂隙发展和张开而造成的岩石：岩石是组成地壳的基本物质，它由各种岩矿或岩屑在地质作用下按一定规律通过结晶联结成或借助于胶结物粘结组合而成。

岩体：是指天然埋藏条件下大范围分布的，由结构面和结构体组成的地质体。

岩石结构面的产状：即结构面在空间的产生状态和方位，用结构面上倾斜度最大的倾斜线与水平面成的夹角，以及对应倾向线的方位（从真北方向顺时针测得）来描述结构面的间距：一组结构面在法线方向上两相邻面的距离。

岩石力学岩石的物理性质 一、 岩石的分类火成岩：侵入岩和喷出岩。

沉积岩：砂岩（95%的油气储量）、页岩（待开采，如页岩气、煤层气）、石灰岩。

变质岩：不含油气。

二、 岩石的强度主要取决于：组成其矿物的强度、连接结构形式、岩石的结构和整体构造、胶结物的成分和胶结方式 三、岩石的物理性质孔隙度、渗透率、可压缩性、导电性、传热性的总称。

1、 孔隙度：绝对孔隙度：φ = V 孔/V 岩总 孔隙度越高，岩石的力学性质越差。

有效孔隙度： φ有效 =V 连通/V 孔总。

2、 渗透性：在一定压力作用下，孔隙具有让流体（油、气、水）通过的性质。

其大小用渗透率来描述，反映了流体在岩石孔隙中流动的阻力的大小。

达西定律：A LhK Q ∆=φ...K Φ——反应岩石性质系数 含义：以粘度为1厘泊的流体完全饱和于岩石孔隙中，在1个大气压差的作用下，以层流的方式用过截面积为1cm 2,长度为1cm 的岩样时，其流量为1cm 3/s 。

则渗透率为1达西（D ）。

3、 岩石中的油、气、水饱和度。

…4、 岩石的粒度组成和比表面积：粒度组成的分析方法：筛分析法和沉降法。

通过粒度得孔隙度。

比表面积：单位体积岩石内颗粒的总表面积。

通过粒度组成估算比面。

孔隙度、粒度、比表三者之二求一岩石的力学性质岩石的类型、组成成分、结构构造、围压、温度、应变率、载荷等对其力学性质都有影响 一、 岩石变形性质的基本概念1、 弹性：… 基本弹性参数E 、υ。

2、 塑性3、 黏性：物体受力后，变形不能在瞬时完成，且应变率随应力的增加而增加的性质。

4、 脆性：受力后变形很小就发生破裂的性质。

（ε>5%就发生破裂的称为塑性材料,小于的称脆性材料）5、 延性：发生较大塑性变形，但不丧失其承载能力的性质。

岩石在常温，常压下，并不是理想的弹性或塑性材料，而是几种的复合体，如塑弹性、塑弹塑、弹塑蠕。

其本构关系略。

6、常温常压下岩石的典型应力-应变曲线：（重点）OA---塑性，应力增加快，但应变增加不多。

岩石力学1.岩石与岩体的区别和联系？答：岩石是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。

岩体，是指一定工程范围内的自然地质体，它经历了漫长的自然历史过程，经受了各种地质作用，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（不整合、褶皱、断层、层里、节理、劈理等不连续面。

岩体=岩块+结构面。

岩石和岩体的重要区别就是岩体包含若干连续面，岩体的强度远低于岩石强度。

2.简述岩石力学的研究内容和方法？研究内容：①岩石与岩体的物理力学性质②岩石和岩体的本构关系③工程岩体的应力、变形和强度理论④岩石室内实验⑤岩体测量和工程稳定监测。

研究方法：采用科学实验、理论分析与工程紧密结合的方法。

3.岩石的物理性质指标主要有哪些？它们是如何定义的？答：质量密度（单位体积的质量）；重度（单位体积的重量）；相对密度（岩石的干重量除以岩石的实体积所得的量与1个大气压下4摄氏度的纯水的重度的比值）；孔隙率（孔隙体积与总体积百分比）；孔隙比（孔隙体积与固体的体积之比）；含水率（天然状态下岩石中水的重量与岩石烘干重量的百分比）；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干重百分比）；饱水率（岩样在强制状态（真空、煮沸、高压）下，岩样的最大吸水重量与岩样烘干重量的百分比）；渗透性（在水压力作用下，岩石的孔隙和裂隙透过水的能力）；膨胀性（岩石浸水后体积增大的性质）；崩解性（岩石与水相互作用时失去黏结性并变成完全丧失强度的松散物质的性能）；软化性（岩石与水相互作用时强度降低的特性）；抗冻性（岩石抵抗冻融破坏的性能称为岩石的抗冻性）。

岩石容重：单位体积的岩石的重量分为天然容重、饱和容重、干容重。

4简述岩石在单轴压缩条件下的变形、破坏特征并说明原因(论述)？分为四段：①孔裂隙压密阶段：应力-应变曲线呈上凹形，其斜率随应力增加而逐渐增大，包含永久变形；原因：试件中原有微裂隙在压应力作用下逐渐闭合。

第一章1.什么是岩石力学？答：岩石力学是研究岩石岩石的力学性状的一门理论和应用科学，它是力学的一个分支，是研究岩石在不同物理环境的力场中各种力学效应的学科2.岩石力学的研究方法？答：1.工程地质研究法2.实验与测试法3.数学与力学分析法4.综合分析法（理论与实践结合）3. 岩石力学的研究对象？答：岩石：是一种或多种矿物组成的集合体，是构成地壳和上地幔的物质基础；2.岩体：在地质变化过程中形成，由岩石单元和结构面组成，具有一定的结构并赋存一定天然应力状态与地下水等，是地质环境中的地质体‘；3.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，简称结构体；4.矿物：是指存在于地壳中的具有一定化学成分和物理性质的自然元素和化合物；5.结构面：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，也称弱面4.岩石力学的研究任务或内容？答：1.岩体的地质特征2.岩块，结构面的力学性质3.岩石和岩体的力学性质4.岩体中天然应力5.岩体中重分布应力6.地下开挖空间围岩稳定性分析评价7.工程处理和加固5.岩体的特征？答：1.岩体是非均质各向异性的材料2.岩体内存在着原始应力场3.岩体内存在着一个裂隙系统4.岩石不是理想的弹性体5.岩石既不是连续介质，也不是松散介质6.岩石和岩土的关系？答：岩石是岩体的组成物质，岩体是岩石和结构面的统一体，岩体赋存于地质环境中，而岩石脱离地质环境，岩体无特定的边界，只能根据解决问题的需要来圈定范围第二章1.岩石的物理性质？答：岩石的三项比例指标；岩石密度的测量方法；量积法，水中称量法或蜡封法2.岩石的水理性质？答：1.岩石的吸水性：吸水率：岩石在常温常压条件下吸收水分的质量与岩石干质量之比；饱和吸水率：岩石在强制（真空，高压或煮沸条件下吸收水分的质量与岩石干质量之比）；饱水系数：岩石的吸水率与饱和吸水率之比2.岩石的软化性：软化系数，岩石试件在饱和单轴抗压强度与干燥状态下的单轴抗压强度的比值3.岩石的膨胀性：指岩石浸水面体积增大的性质4.岩石的崩解性：岩石在与水相互作用时失去黏性并变成完全丧失强度的松散体的性能5.岩石的抗冻性：抗冻性系数，岩石试件经反复冻融后的抗压强度与冻融前的比较3.岩石强度的定义？答：1.岩石单轴抗压强度：岩石在单轴压缩荷载作用下达到破坏前所能承受的最大压应力；2.岩石抗拉强度：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；3.岩石三轴抗压强度：在不同的侧向压力作用下能抵抗的最大主应力4.影响单轴抗压强度的因素？答：1.试件本身性质：矿物成分，颗粒大小，形态，颗粒间连接力，湿度等2.试件形状，尺寸，尺寸大，强度低3.高宽比，高径比，越大，强度越低4.加速荷载越快，强度越高5.全应力-应变曲线的描述？答：图略1.OA段：裂隙压实阶段：近似直线，有一点弹性后效，一般不产生不可恢复的变形；AB段：线弹性阶段；BC段：塑性形变阶段：试件内部产生新的裂隙，但裂隙发展稳定；CD段：裂隙发展不稳定阶段，新老裂隙开始快速传播；DE段：破坏阶段，应变软化2.A点：裂隙压密极限B点：弹性极限；C点：屈服极限D点：强度极限E点：残余极限6.全应力-应变曲线的工程意义？答：1.破坏后仍具有较高的残余强度2.判断是否产生岩爆，加载时积蓄的变形能大于卸载时的变性能，就可能产生岩爆3.预测蠕变破坏4.预测反复荷载作用下的破坏时间7.岩体的四种类型？（应力-应变）答：1.线弹性2.完全弹性3.弹性4.弹塑性8.岩体的流变性质？答：流变性：岩石在外荷载长期作用下，应力或变形随时间变化的性质，包括：1.瞬时弹性形变2.蠕变：在恒定荷载作用下，应变随时间增加而递增的现象3.应力松弛：在应变不变的情况下，应力随时间增加而降低的现象4.弹性后效：加载或卸载时，应变滞后于应力的现象5.流动：粘性流动：蠕变一段时间后卸载，部分或全部应变永久不可恢复的现象；塑性流动：指物种的应力超过屈服极限的才出现的流动9.蠕变曲线的描述？答：图略AB阶段：蠕变曲线上凸，应变速率逐渐减小，最后趋于某一常数；BC段：蠕变曲线为一条直线，应变速率近似与常数；CD段：蠕变曲线下凹，应变速率不断增大，最终导致岩石试件破坏第三章1.岩体强度是由结构体和结构面强度的综合体现2.岩体结构的定义:是指岩体中结构面与结构体的空间排列组合特征3.结构面：结构面是指岩体中具有一定方向，延展较大，厚度较薄的二维面状地质界面4.结构体：指被结构面在空间按不同的组合可将岩体切割成不同的形状和大小的，这些被结构面围陷的岩块5.岩体结构的分类：整体状结构，块状结构，层状结构，碎裂状结构，散体壮结构6.结构面强度的影响因素？答：1.结构面的粗糙程度2.结构物充填物的性能与分布3.两侧岩石强度4.地下水结构面两侧压力大小（结构面强度包括抗剪强度和抗摩擦强度）7.岩体强度的定义：是岩体抵抗外荷而不破坏的能力8.得到岩体强度的能力：1.现场原位测试2.准岩体强度法用室内岩块的强度代替3.强度图法9.岩体强度的特征：1.岩体强度比岩块强度小很多，随侧压增大，强度相应增加2.随侧压增加，结构面效应降低3.结构面与最小主应力夹角，对岩体强度有显著影响4.地下水和空气削弱岩石强度10.岩体变形的3个指标：1.弹性模量2.菱形模量3.侧胀系数D11.岩体与岩块的区别？答：1.结构方面a.岩块含岩石材料及微小裂痕b.岩体含岩石较大的组结构面2.力学方面：a.岩体力学性质取决于结构体和结构面共同作用b.岩体弹性模量小，峰值强度低，残余强度低，变形大，泊松比大，且各向异性3.岩体是一种多介质的裂隙体4.岩体是地质的一部分，他的边界条件就是周围的地质体12.岩体变形的定义及分类和适用情况？答：岩体变形是指岩体承受的外力不超过抗压，抗剪强度极限时表现出的结构的改变.岩体变形可分为：1.结构体变形（压缩变形，转动变形）2.结构面变形（结构面的压缩变形，结构面的剪切滑移）13.岩体结构面的分类：1.原生结构面（沉积结构面，岩浆结构面，变质结构面）2.构造结构面3.次生结构面第四章1.原岩定义：是指未受开挖影响，仍然处于自然平衡状态的岩体2.原岩应力定义：是原岩中自然赋存的应力3.围岩定义：指开挖后一定范围内的岩体发生应力状态改变4.围岩应力定义：是地下岩体被开挖后重新分布的应力（次生应力）5.原岩应力场定义：指原岩应力在岩体空间中的分布规律6.原岩应力的分类？答：1.自重应力，分布规律（均为压应力，垂直应力大于水平应力，水平和垂直应力随深度增加呈现线性分布）2.构造应力，分布规律（1有拉应力也有压应力，以水平应力为主，以地壳为主，应力主要方向为东西向和南北向）7.地应力测量方法分类：1.应力解除法2.小压致裂法8.应力解除法的原理及步骤？答：原理：破坏联系，解除应力，弹性恢复，测出变形，根据变形，转求应力步骤：1.孔底压力解除法2.孔径变形法9.水压致裂法及步骤：原理：以弹性力学为基础，以三个假设为前提10.水压致裂法的优缺点：优点：1.测量深度大2.设备简单3.操作方便4.测量结果可观5.测量结果具有代表性6.适应性强缺点：主应力方向不准11.地壳浅部地应力变化规律：1.地应力场是一个非稳定应力场2.测垂直应力基本上等于上覆岩体自重应力3.水平应力普遍大于垂直应力第五章1.广义地压：原岩作用于围岩上的压力，由围岩和支架共同承担2.狭义地压：围岩作用于支架上的压力，支架单独承担3.冒顶：上部矿岩层自然塌落的现象4.片帮：侧面大面积垮塌一。

一、名词解释：1、岩石力学：研究岩石的力学性状和岩石对各种物理环境的力场产生效应的一门理论科学，是力学的一个分支，同时它也是一门应用科学。

2、岩石：是由各种造岩矿物或岩屑在地质作用下按一定规律组合而成的多种矿物颗粒集合体，是组成地壳的基本物质。

3、岩体：是地质体，它的形成于漫长的地质年代有关，它是一定工程范围内的自然地质体，经过各种地质运动，内部含有构造和裂隙。

4、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。

5、岩石结构：结构面和结构体在岩体内的排列组合形式，称为岩体结构。

6、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7、弹性模量：弹性范围内轴向应力与轴向应变之比。

8、变形模量：岩石在单轴压缩条件下，轴向应力与轴向应变之比。

9、泊松比：岩石在单向受压条件下，横向应变与纵向应变之比10、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、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。

14、蠕变：在大小和方向都保持不变的外力作用下，变形随时间不断增长的现象。

15、准岩体强度：考虑裂隙发育程度，经过修正后的岩石强度称为准岩体强度。

16、完整性系数：是岩体中纵波速度和同种岩体的完整岩石中纵波速度之平方比。

17、普氏系数：岩石单轴抗压强度的十分之一。

18、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。

19、原岩应力：岩石是地球表层的物质，在漫长的地质年代里，由于地质构造运动等原因使地壳物质产生了内应力效应在，这种应力称为地应力或原岩应力。

20、自重应力：由于岩体自重而产生的天然应力叫自重应力。

岩石的1岩石的力学性质－岩石的变形岩石的强度：岩石抵抗外力作用的能力，岩石破坏时能够承受的最大应力。

岩石的变形：岩石在外力作用下发生形态（形状、体积）变化。

岩石在荷载作用下，首先发生的物理力学现象是变形。

随着荷载的不断增加，或在恒定载荷作用下，随时间的增长，岩石变形逐渐增大，最终导致岩石破坏。

岩石变形过程中表现出弹性、塑性、粘性、脆性和延性等性质。

▪ 1.5岩石变形性质的几个基本概念▪1）弹性(elasticity)：物体在受外力作用的瞬间即产生全部变形，而去除外力(卸载)后又能立即恢复其原有形状和尺寸的性质称为弹性。

▪弹性体按其应力－应变关系又可分为两种类型：▪线弹性体：应力－应变呈直线关系。

▪非线性弹性体：应力—应变呈非直线的关系。

▪2）塑性（plasticity）：物体受力后产生变形，在外力去除（卸载）后变形不能完全恢复的性质，称为塑性。

▪不能恢复的那部分变形称为塑性变形，或称永久变形，残余变形。

▪在外力作用下只发生塑性变形的物体，称为理想塑性体。

▪理想塑性体，当应力低于屈服极限时，材料没有变形，应力达到后，变形不断增大而应力不变，应力－应变曲线呈水平直线.▪3）黏性(viscosity):物体受力后变形不能在瞬时完成，且应变速率随应力增加而增加的性质，称为粘性。

▪应变速率与时间有关，－>黏性与时间有关▪其应力－应变速率关系为过坐标原点的直线的物质称为理想粘性体（如牛顿流体），▪4）脆性(brittle):物体受力后，变形很小时就发生破裂的性质。

▪5）延性(ductile):物体能承受较大塑性变形而不丧失其承载力的性质，称为延性。

▪ 1.7岩石变形指标及其确定▪岩石的变形特性通常用弹性模量、变形模量和泊松比等指标表示。

3）全应力－应变曲线的工程意义▪①揭示岩石试件破裂后，仍具有一定的承载能力。

▪②预测岩爆。

▪若A>B，会产生岩爆▪若B>A，不会产生岩爆▪③预测蠕变破坏。

▪当应力水平在H点以下时保持应力恒定，岩石试件不会发生蠕变。

名词解释：1.结构面：地质历史发展过程中，在岩体内部形成的具有一定方向、一定规模、一定形态、和特征的面状、缝状、层状、带状的地质界面。

2.重度r：岩石的单位体积（包括岩石孔隙体积）的重力。

3.比重Gs：岩石的干的重力除以岩石的实体体积（不包括孔隙），再与4℃时水的重度相比。

4.孔隙率：岩石中试样孔隙体积与岩石试样总体积的百分比，是反映岩石致密程度和岩石质量的重要参数。

5.吸水率：干燥岩石试样在一个大气压和室温条件下，岩石吸入水的重力对岩石干重力之比的百分率。

6.饱水率：岩石试样在高压或真空情况下，强制吸入水的重量对岩石干重之比的百分率。

7.抗冻性：岩石抵抗冻融破坏的能力。

8.渗透系数：介质对某种物体的渗透能力。

9.膨胀性：岩石浸水后体积增大的性质。

10.崩解性：岩石与水相互作用时失去粘结性并完全丧失强度的松散物质的性能。

11.模量比：弹性模量与单轴抗压强度的比值。

12.RQD：岩石质量指标。

岩心采取率：工程中采用直径为75mm的双层岩心管金刚石钻进，提取直径为54mm 的岩心长度大于10cm的岩心长度之和与钻孔总进尺的百分比。

13.体积模量K：平均应力与体积应变之比。

{[（σx +σy +σz ）/3 ]/(△V/V)}14.剪切模量G：材料在弹性变形阶段内剪应力和对应的剪应变的比值。

G=E/[2*(1+u)]15.弹性抗力系数k（岩石反力系数）：使隧洞周围的岩石达到一个单位变形时所需要的压力的大小。

16.测压比：平均水平应力σh,av与垂直应力σv的比值。

17.海姆假说：在岩体深处的初始垂直应力与其上覆岩体的重量成正比，而水平应力大致与垂直应力相等。

18.应力集中系数：地下洞室开挖后洞室上的一点切向应力与洞室开挖前洞壁上的天然应力的比值。

19.山岩压力：由于洞室围岩的变形和破坏而作用在支护或衬砌上的压力。

20.岩石的坚固系数：将岩石看作没有凝聚力的大块散粒体时的内摩擦系数，包括由于凝聚力推到的摩擦系数与原岩石中的内摩擦系数之和。