岩石力学与工程复习资料

岩⽯⼒学与⼯程复习资料

第⼀章 绪论1、岩⽯⼒学定义:岩⽯⼒学是研究岩⽯的⼒学性质的⼀门理论与应⽤科学；它是⼒学的

⼀个分⽀；它探讨岩⽯对其周围物理环境中⼒场的反应。2、岩⽯⼒学研究的⽬的：科学、合理、安全地维护井巷的稳定性，降低维护成本，减

少⽀护事故。3、岩⽯⼒学的发展历史与概况：

（1）初始阶段（19世纪末—20世纪初）1912年，海姆（A.Hmeim ）提出了静⽔压⼒理论： ⾦尼克（A.H.ΠHHHHK ）的侧压理论： 朗⾦（W.J.M.Rankine ）的侧压理论：

（2）经验理论阶段（ 20世纪初—20世纪30年代）

普罗托吉雅克诺夫—普⽒理论：顶板围岩冒落的⾃然平衡拱理论；

太沙基：塌落拱理论。4、地下⼯程的特点：

（1）岩⽯在组构和⼒学性质上与其他材料不同，如岩⽯具有节理和塑性段的扩容（剪

胀）现象等；

（2）地下⼯程是先受⼒（原岩应⼒），后挖洞（开巷）；

（3）深埋巷道属于⽆限域问题，影响圈内⾃重可以忽略；

（4）⼤部分较长巷道可作为平⾯应变问题处理；

（5）围岩与⽀护相互作⽤，共同决定着围岩的变形及⽀护所受的荷载与位移；

（6）地下⼯程结构容许超负荷时具有可缩性；

（7）地下⼯程结构在⼀定条件下出现围岩抗⼒；

（8）⼏何不稳定结构在地下可以是稳定的；5、影响岩⽯⼒学性质和物理性质的三个重要因素

矿物：地壳中具有⼀定化学成分和物理性质的⾃然元素和化合物；

结构：组成岩⽯的物质成分、颗粒⼤⼩和形状以及相互结合的情况；

构造：组成成分的空间分布及其相互间排列关系；

第⼆章 岩⽯⼒学的地质学基础1、岩⽯硬度

通常采⽤摩⽒硬度，选⼗种矿物为标准，最软是⼀度，最硬⼗度。这⼗种矿物由软到硬

依次为：l-滑⽯；2-⽯膏；3-⽅解⽯；4-萤⽯；5-磷灰⽯；6-正长⽯；7-⽯英；8-黄⽟； 9-刚

⽟；10-⾦刚⽯；2、解理：是指矿物受打击后，能沿⼀定⽅向裂开成光滑平⾯的性质，裂开的光滑平⾯

称为解理⾯。3、岩⽯的⼯程特性

4、影响岩⽯的⼯程性质的因素

包括矿物成分、结构、构造、⽔、风化等因素。H γ1νλν=-H λγH λγ

5、地下⽔的类型

分为：包⽓带⽔、潜⽔、承压⽔；

根据含⽔层的空隙性质可分为：孔隙⽔、裂隙⽔、岩溶⽔。

第三章 岩⽯⼒学实验1、岩⽯的物理性质

（1）岩⽯的重度和密度

岩⽯单位体积(包括岩⽯空隙体积)的重量，称为岩⽯的重度。根据岩⽯试样的含⽔情况

不同，岩⽯重度可以分为天然重度、⼲重度和饱和重度，分别⽤, , d sat γγγ表⽰。r w a r r r d a r r a w sat W W W V V V W W V V V W V W V V γγγγ+?==?+??==?+??+==??

式中，W 为岩⽯试样的总重量；r W 为岩⽯的重量；w W 为岩⽯试样空隙中⽔的重量；V 为岩⽯试样的总体积；r V 为岩⽯的体积(不包含岩⽯中空隙)；a V 为岩⽯试样中空隙的体积；w γ为⽔的重度。

岩⽯单位体积(包括岩⽯空隙体积)的质量称为岩⽯的密度。根据岩⽯试样的含⽔情况不

同，岩⽯密度可分为天然密度、⼲密度和饱和密度，分别⽤ρ，d ρ，sat ρ表⽰。如果设岩

⽯试样的总质量(包括空隙中的⽔)为m ，岩⽯的质量为r m ，岩⽯试样空隙中⽔的质量为w m ，w ρ为⽔的密度，则岩⽯的天然密度、⼲密度和饱和密度可分别⽤下式表⽰

r w a r r r d a r r

a w sat m m m V V V m m V V V m m m V V ρρρρ+?==?+??==?+??+==??

岩⽯密度与重度之间存在如下关系d d sat

sat g g g γργργρ=??=??=?

描述岩⽯的密度还有相对密度的概念。所谓岩⽯的相对密度是指岩⽯的⼲重⼒(或⼲质

量)除以岩⽯的实体体积(不包括空隙)所得值与4℃时纯⽔的重度w γ (或密度w ρ)之⽐值，可

⽤下式r r r w r w

W m d V V γρ== （2）岩⽯的孔隙性

岩⽯中空隙包括孔隙与裂隙，岩⽯中空隙性⼀般⽤孔隙率n 与孔隙⽐e 来描述。岩⽯的

孔隙⽐是指岩⽯试样中孔隙(包括裂隙)的体积a V 与岩⽯体积(不包括岩⽯中空隙) r V 之⽐，⼀般⽤⼩数表⽰，可⽤下⾯公式计算a r

V e V = 岩⽯的孔隙率是指岩⽯试样中孔隙(包括裂隙)的体积a V 与试样总体积V (包括岩⽯中空

隙)之⽐，⼀般⽤百分数表⽰，可⽤下⾯公式计算a r 100%100%V V V n V V

-=?=? 根据岩⽯中三相介质的关系，孔隙⽐与孔隙率存在如下关系

1n e n

=- （3）岩⽯的⽔理性质

岩⽯在⼀定的试验条件下吸收⽔分的能⼒，称为岩⽯的吸⽔性。常⽤吸⽔率、饱和吸⽔

率、含⽔量与饱⽔系数等指标表⽰。

（1）吸⽔率

岩⽯的吸⽔率a w 是指岩⽯试样在⼤⽓压⼒和室温条件下⾃由吸⼊⽔的质量w1m ，与岩

样⼲质量r m 之⽐，⼀般⽤百分数表⽰，即w1a r

100%m w m =? 实测时先将岩样烘⼲并测定⼲质量，然后浸⽔饱和。岩⽯吸⽔率的⼤⼩取决于岩⽯所含

孔隙数量和细微裂隙的连通情况，孔隙愈⼤、愈多，孔隙和细微裂缝连通情况愈好，则岩⽯

的吸⽔率愈⼤，因⽽岩⽯质量愈差。

（2）饱和吸⽔率

岩⽯的饱和吸⽔率sat w ⼜称饱⽔率，是指岩⽯试件在⾼压(⼀般压⼒为15MPa)或真空条

件下吸⼊⽔的质量w2m 与岩样⼲质量r m 之⽐，⼀般也⽤百分数表⽰，即w2sat r

100%m w m =? 在⾼压条件下，通常认为⽔能进⼊岩样中所有敞开的裂隙和孔隙中。国外采⽤⾼压设备，

压⼒已达15MPa ，但由于⾼压设备较为复杂，因此实验室常⽤真空抽⽓法或煮沸法使岩样

饱和。饱⽔率对于岩⽯的抗冻性具有较⼤的影响。饱⽔率愈⼤，表明岩⽯中含⽔愈多，因此

在冻结过程中就会对岩⽯中的孔隙、裂隙等结构产⽣较⼤的附加压⼒，从⽽引起岩⽯的破坏。

（3）岩⽯的含⽔量

岩⽯的含⽔量w 是指岩⽯空隙中含⽔的质量w m 与岩⽯质量r m (不包括孔隙中⽔)之⽐，

⼀般⽤百分数表⽰，即w r

100%m w m =

（4）饱⽔系数 岩⽯的吸⽔率a w 与饱和吸⽔率sat w 之⽐，称为饱⽔系数w K ，即

a w sat

w K w = （4）岩⽯的抗冻性

岩⽯的抗冻性就是岩⽯抵抗冻融破坏的性能。⽤抗冻系数和质量损失率来表⽰：

（1）抗冻系数岩⽯的抗冻系数d R 是指岩⽯试件反复冻融后的⼲抗压强度c2σ与冻融前⼲抗压强度c1σ之⽐，⽤百分数表⽰，即

c2d c1

100%R σσ=

（2）质量损失率 岩⽯的质量损失率m K 是指冻融试验前后⼲质量之差s1s2m m -与试验前⼲质量s1m 之

⽐，以百分数表⽰，即s1s2w s1

100%m m K m -=

（5）岩⽯的软化性 岩⽯浸⽔饱和后强度降低的性质，称为岩⽯的软化性，⽤软化系数R K 表⽰

cw R c

K σσ= 式中，cw σ试样饱和抗压强度；c σ为试样⼲抗压强度。

（6）岩⽯的崩解性

岩⽯在⽔中崩散解体的性质，称为岩⽯的崩解性，⽤耐崩解性指数表⽰。它直接反映了

岩⽯在浸⽔和温度变化的环境下抵抗风化作⽤的能⼒。

耐崩解性指数的试验是将经过烘⼲的试块(约重500g ，且分成10块左右)，放⼊⼀个带

有筛⼦的圆筒内，使该圆筒在⽔槽中以20 r/min 的速度，连续旋转10min ，然后将留在圆筒

内的岩块取出，再次烘⼲称重，如此反复进⾏两次后，按下式求得耐崩解性指数d2Ir d2s

100%m I m =? 式中，d2I 为表⽰两次循环试验⽽求得的耐崩解性指数；s m 为试验前试块的烘⼲质量；r m 为

残留在圆筒内试块的烘⼲质量。

（7）岩⽯的膨胀性（吸⽔膨胀）

岩⽯的膨胀性通常以岩⽯的⾃由膨胀率、岩⽯的侧向约束膨胀率、膨胀压⼒等来表述。

（1）岩⽯的⾃由膨胀率

岩⽯的⾃由膨胀率是指岩⽯试件在⽆任何约束的条件下浸⽔后所产⽣膨胀变形与试件

原尺⼨的⽐值。常⽤的有岩⽯径向⾃由膨胀率D V 和轴向⾃由膨胀率H VH 100%H V H

= D 100%D V D

= 式中，H ?、D ?为浸⽔后岩⽯试件轴向、径向膨胀变形量；H 、D 为岩⽯试件试验前的

⾼度和直径。

⾃由膨胀率的试验通常是将加⼯完成的试件浸⼈⽔中，按⼀定时间间隔测量其变形量，

最终按式(2.17)和(2.18)计算求得。

（2）岩⽯的侧向约束膨胀率

与岩⽯⾃由膨胀率不同，岩⽯侧向约束膨胀率HP V 是将具有侧向约束的试件浸⼈⽔中，

使岩⽯试件仅产⽣轴向膨胀变形⽽求得的膨胀率，其计算公式如下1HP 100%H V H= 式中，1H ?为有侧向约束条件下所测得的轴向膨胀变形量。

（3）膨胀压⼒

膨胀压⼒是指岩⽯试件浸⽔后，使试件保持原有体积所施加的最⼤压⼒。

（8）岩⽯的热学性质

体胀系数及线胀系数

岩⽯受热后体积或长度发⽣膨胀的性质称之为热胀性，常⽤体胀系数或线胀系数来度量。

岩⽯的体胀系数α是指温度上升1℃所引起体积的增量与其0℃时的体积之⽐。线胀系数β是

指温度上升l ℃所引起长度的增量与其0℃时的长度之⽐。⼆者的计算式为00

t V V V α-= 00

t L L L β-= 式中，0V 、0L 为岩⽯在0℃时的体积及线长度；t V 、t L 为岩⽯在t ℃时的体积及线长度。

热导率

岩⽯的热导率D 是指当温度上升1℃时，热量在单位时间内传递单位距离时的损耗值。

其计算式为Q D LtT

= 其中，L 为热量传递的距离；t 为热量传递L 距离所⽤的时间；T 为上升的温度。

地温梯度

地温梯度B 也称为地热增温率，是指深度每增加100m 时，地温上升的度数。此外，

也有采⽤地温梯级J 的。地温梯级J 是指地温每上升1℃时所需增加的深度，在数值上与地温梯度成反⽐，即1J B =。不同地区岩⽯中的地温梯度是不同的。

热流密度

岩⽯的热流密度(R )是指地温梯度(B )与岩⽯热导率(D )的乘积，即R BD =。⼀般情

况下，同⼀地区岩⽯的热流密度R 为⼀常数。2、单轴压缩试验

影响单轴压缩试验的因素：压⼒试验机的刚性；承压板与试件端⾯的摩擦；试件⼏何

形态（形状、⾼径⽐和尺⼨）；加载速度。

试件的破坏形态：剪切破坏、锥形破坏、劈裂破坏

事件端⾯摩擦约束效应：（1）承压板变形对试件端⾯周边的约束。由于试验机承压板

⼤于试件端⾯，加载时承压板因受⼒⽽变形，对试件的周边产⽣横向约束；同时承压板的变

形还会改变对试件作⽤的纵向应⼒分布（2）端⾯摩擦。试件发⽣横向变形时，承压板对试

件端⾯产⽣摩擦⼒，从⽽影响试件的应⼒分布。

减少端⾯摩擦的⽅法：可选⽤与试件端⾯相同、侧⾯膨胀相同(即泊松⽐υ/弹模E 值相

等)的⾦属块加于试件两端，以消除端⾯效应;

在试件端⾯与承压板之间嵌放适宜的薄层润

滑材料。3、岩⽯单轴拉伸试验