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岩石力学(rock mechenics)备课讲稿绪论一岩石力学的研究对象:岩体中由于地质构造，重力地热等作用而形成的内应力（地应力）由于岩石工程的开挖而以变形位移等方式重新分布，从而引起岩石工程发生变形，失稳及破坏，对这一过程进行研究，构成岩石力学的研究对象。
二岩石力学的发展状况:（1）初始阶段（19世纪末-----20世纪初）三向应力相等，皆为γH。
（2）经验理论阶段（20世纪初----20世纪30年代）自然平衡理论，并开始利用材料力学和结构力学方法分析支护结构。
（3）经典理论阶段（20世纪30年代——20世纪60年代）弹力和塑性力学初步引入岩石力学，认为围岩和支护共同形成稳定机制，并开始考虑机构面对岩体力学稳定的影响，形成两大学派：连续介质理论和地质力学理论。
（4）现代发展阶段（20世纪60年代——现在）流变力学，断裂力学，模糊数学，计算机技术，人工智能等现代数学力学理论引入岩石力学。
三岩石力学的基本研究内容和研究方法1 研究内容：岩石和岩体；岩石物质组成和结构特征，岩石的物理、水理、热力学性质，岩石的基本力学性质；岩体的力学性质及现场测试技术；原岩应力的分布规律及测量技术；岩体机构面的力学性质；岩体的工程分类；岩体的稳定性的研究。
2 理论，实验及工程经验总结相结合的方法①工程地质研究方法②室内实验和现场实验的方法③数学力学分析方法④综合系统分析方法四岩石力学研究的主要问题按工程分类①水利水电工程②采矿工程③交通工程（公路和铁路）④土木建筑工程⑤石油，海洋勘探，地震预报第一章岩石物理力学性质1.1岩石的主要物质成分及对岩石抗风化性能的影响（见P13表）1.2 岩石的主要结构类型。
结晶结构：主要发生在火成岩，变质岩及部分沉积岩中，强度较大，一般晶粒愈细，愈均匀，则强度愈高。
胶结结构：主要发生于部分沉积岩中，像灰岩，粘土岩等。
1.3 岩石的容重（γ） 一般而言，容重愈大，强度愈高，质量愈好。
1.4 岩石的孔隙率（n ） v v n p =1.5 岩石的含水率 (w) w= 烘干后的质量水的质量1.6 岩石的吸水率（a W ） a W =烘干后的质量吸入水的质量1.7 岩石的透水性：用透水系数定量衡量，见P 29表。
第一讲岩石的基本物理力学性质一、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。
岩石力学(rock mechenics)备课讲稿绪论一岩石力学的研究对象:岩体中由于地质构造，重力地热等作用而形成的内应力（地应力）由于岩石工程的开挖而以变形位移等方式重新分布，从而引起岩石工程发生变形，失稳及破坏，对这一过程进行研究，构成岩石力学的研究对象。
二岩石力学的发展状况:（1）初始阶段（19世纪末-----20世纪初）三向应力相等，皆为γH。
（2）经验理论阶段（20世纪初----20世纪30年代）自然平衡理论，并开始利用材料力学和结构力学方法分析支护结构。
（3）经典理论阶段（20世纪30年代——20世纪60年代）弹力和塑性力学初步引入岩石力学，认为围岩和支护共同形成稳定机制，并开始考虑机构面对岩体力学稳定的影响，形成两大学派：连续介质理论和地质力学理论。
（4）现代发展阶段（20世纪60年代——现在）流变力学，断裂力学，模糊数学，计算机技术，人工智能等现代数学力学理论引入岩石力学。
三岩石力学的基本研究内容和研究方法1 研究内容：岩石和岩体；岩石物质组成和结构特征，岩石的物理、水理、热力学性质，岩石的基本力学性质；岩体的力学性质及现场测试技术；原岩应力的分布规律及测量技术；岩体机构面的力学性质；岩体的工程分类；岩体的稳定性的研究。
2 理论，实验及工程经验总结相结合的方法①工程地质研究方法②室内实验和现场实验的方法③数学力学分析方法④综合系统分析方法四岩石力学研究的主要问题按工程分类①水利水电工程②采矿工程③交通工程（公路和铁路）④土木建筑工程⑤石油，海洋勘探，地震预报第一章岩石物理力学性质1.1岩石的主要物质成分及对岩石抗风化性能的影响（见P13表）1.2岩石的主要结构类型。
结晶结构：主要发生在火成岩，变质岩及部分沉积岩中，强度较大，一般晶粒愈细，愈均匀，则强度愈高。
胶结结构：主要发生于部分沉积岩中，像灰岩，粘土岩等。
1.3 岩石的容重（γ） 一般而言，容重愈大，强度愈高，质量愈好。
1.4 岩石的孔隙率（n ） v v n p=1.5 岩石的含水率 (w) w=烘干后的质量水的质量1.6 岩石的吸水率（a W ） a W =烘干后的质量吸入水的质量1.7 岩石的透水性：用透水系数定量衡量，见P 29表。
硕士研究生《岩石力学》课程教学大纲第一章岩石力学的发展历史和概论1.1岩石力学的定义和基本概念1.2岩石力学的发展历史1.2.1初始阶段1.2.2经验理论阶段1.2.3经典理论阶段1.2.4现代发展阶段1.3岩石力学的基本研究内容和研究方法1.3.1基本研究内容1.3.2主要研究方法1.4岩石力学研究的主要问题1.4.1水利水电建设工程1.4.2采矿工程1.4.3铁道和公路建设工程1.4.4土木建筑工程1.4.5石油工程1.4.6海洋勘探与开发工程1.4.7核废料处理工程1.4.8地热开发工程1.4.9地震预报1.5岩石力学与工程发展前景展望第二章岩石的物理力学性质2.1岩石的物理性质2.2岩石力学性质的试验和研究2.2.1非限制压缩强度试验2.2.2点荷载强度试验2.2.3 三轴压缩强度试验2.2.4拉伸强度试验2.2.5剪切强度试验2.2.6全应力—应变曲线及破坏后强度第三章岩石与岩体分类3.1 按地质条件分类3.1.1 具有结晶组织的岩石3.1.2 具有碎屑组织的岩石3.1.3 非常细颗粒的岩石3.1.4 有机岩石3.2 按力学效应分类3.2.1均质连续体3.2.2 弱面体3.2.3 散体3.3 按岩体结构分类3.3.1 完整块状结构3.3.2 层状结构3.3.3 碎裂结构3.3.4 散体结构3.4 CSIR Geomechanics Rock Mass Classification3.4.1 CSIR岩体质量分级指标体系3.4.2 RMR岩体质量评分标准3.5 NG1隧道岩体质量分级3.5.1 NG1岩体质量分级指标体系3.5.2 Q岩体质量评分标准第四章岩石破坏准则4.1莫尔—库仑破坏准则4.2经验破坏准则4.3格里菲斯（Griffith）强度理论4.4各向异性岩体的破坏第五章岩石流变理论5.1 岩石流变的基本概念5.2 三个流变原件模型5.3 组合体5.3.1圣维南体5.3.2马克斯威尔体5.3.3开尔文体5.3.4 广义开尔文体5.3.5饱依丁—汤姆逊体5.3.6 理想粘塑性体5.3.7 宾汉姆体5.3.8 伯格模型体第六章地应力测量原理与技术6.1 地应力的成因及其一般分布规律6.2 地应力测量的基本原理和方法6.3 直接测量法6.3.1 扁千斤顶法6.3.2 刚性包体应力计法6.3.3 水压致裂法6.3.4 声发射法6.4 间接测量法6.4.1 套孔应力解除法6.4.2 其他间接测量法6.5 应力解除法的主要测量技术和原理计算6.5.1 孔径变形法6.5.2 孔底应变法6.5.3 孔壁应变法6.5.4 空心包体应变法6.5.5 实心包体应变计法高等岩石力学ADV ANCED ROCK MECHANICS第一章岩石力学的发展历史和概论1.1岩石力学的定义和基本概念岩石力学是近代发展起来的一门新兴学科和边缘学科,是一门应用性和实践性很强的应用基础学科。
第2章 岩石物理力学性质例：某岩样试件，测得密度为1.9kg/cm3，比重为2.69，含水量为29%。
试求该岩样的孔隙比、孔隙率、饱和度和干容量。
解：孔隙比：83.019.1)29.01(69.21)1(=-+=-+∆=γωεd v孔隙度：%3.45%10083.0183.0%1001=⨯+=⨯+=v v n εε 饱和度：%9483.0%2969.2=⨯==εωG S r 干容重：)/(47.183.0169.213cm g d =+=+∆=εγ 例 某岩石通过三轴试验，求得其剪切强度c=10MPa ，φ=45°，试计算该岩石的单轴抗压强度和单轴抗拉强度。
解：由例 大理岩的抗剪强度试验，当σ1n=6MPa, σ2n=10MPa ，τ1n=19.2MPa, τ2n=22MPa 。
该岩石作三轴抗压强度试验时，当σa=0，则Rc=100MPa 。
求侧压力 σa=6MPa 时，其三轴抗压强度等于多少？ 解：（1）计算内摩擦角φφστtg C n n 11+= （1） φστtg C n n 22+= （2） 联立求解： 021212219.20.735106n n n n tg ττφφσσ--===⇒=--（2）计算系数K ：7.335sin 135sin 1sin 1sin 10=-+=-+=φφK（3）计算三轴抗压强度： 0100 3.7612.22C a S S K MPa σ=+=+⨯=第3章 岩石本构关系与强度理论例：已知岩石的应力状态如图，并已知岩石的内聚力为4MPa ，内摩擦角为35°。
求：（1）各单元体莫尔应力圆，主应力大小和方向； （2）用莫尔库仑理论判断，岩石是否发生破坏解：（1）A 单元： 主应力大小：122223 5.00 5.00 5.0()()002222x y x y xy MPa σσσσστσ+-+-=±+=±+= 方向：与x σ的夹角20tan 200 5.0xyx yτθσσ===--，0θ=︒莫尔应力图：圆心：135.002.522σσ++==半径：13 5.002.522σσ--==B 单元：主应力大小：122223 4.00000()() 4.0 4.02222x y x y xy MPa σσσσστσ+-+-=±+=±+=- 方向：与x σ的夹角2 4.0tan 20xyx yτθσσ===∞-，45θ=︒ 莫尔应力图：圆心：134.0 4.0022σσ+-==半径：13 4.0( 4.0)4.022σσ---==C 单元：主应力大小：122223 5.705.00 5.00()() 2.00.702222x y x y xy MPa σσσσστσ+-+-=±+=±+=-方向：与x σ的夹角22 2.0tan 20.85.00xyx yτθσσ⨯===--莫尔应力图：圆心：135.70.72.522σσ+-==半径：135.7(0.7)3.222σσ---==D 单元：主应力大小：122223 6.06.0 6.0 6.0 6.0()()0 6.02222x y x y xy MPa σσσσστσ+-+-=±+=±+=方向：与x σ的夹角20tan 206.0 6.0xyx yτθσσ===--，0θ=︒莫尔应力图：圆心：136.0 6.06.022σσ++==半径：13 6.0 6.0022σσ--==E 单元：主应力大小：12222310.9110.0 1.010.0 1.0()() 3.00.092222x y x y xy MPa σσσσστσ+-+-=±+=±+= 方向：与x σ的夹角22 3.0tan 20.6710.0 1.0xyx yτθσσ⨯===--莫尔应力图：圆心：1310.910.095.522σσ++==半径：1310.910.095.4122σσ--==A 岩石单元体没有破坏,B 不存在正应力，存在切应力。
C 单元体不破坏D 单元体不被破坏E 单元体不被破坏例 某岩块的剪切强度参数为：内聚力50MPa ，内摩擦角60°，设岩石强度服从直线型莫尔强度理论。
如果用该岩石试件做三轴试验，当围压和轴压分别加到50MPa 和700MPa 后，保持轴压不变，逐渐卸除围压，问围压卸到多少时，岩石发生破坏？第4章岩体力学性质例题：在勘探巷道岩壁上进行结构面测线详测，量得两组结构面沿测线的间距分别为0.45m和0.8m，与测线的夹角分别为40°和30°，且结构面的倾角分别为55°和20°。
求：（1）计算每组结构面的真间距，两组结构面测线的混合间距和线密度；（2）估算岩体岩测线方向的RQD值；（3）假定两组结构面的走向均垂直于巷道轴线，岩块的饱和单轴抗压强度为120MPa，结构面稍粗糙，张开度小于1mm。
岩体中地下水少（潮湿）。
试用RMR分类，提出修正以后的RMR值，岩体类别及其强度值。
例：一粗糙起伏无填充、规则锯齿形结构面，起伏角i=20°，基本摩擦角 35°，两壁岩内摩擦角 40°，剪断凸起所需正应力为20MPa，问剪切上滑阶段和剪断凸起阶段结构面壁岩的内聚力各为多少？例：如图所示为一带有天然节理的试件，结构面的外法线与最大主应力的夹角为40°，节理的基本摩擦角为36°，节理的粗糙度为4级，节理面壁的抗压强度为50MPa 。
问在多大的作用下岩样会沿结构面破坏？解：由题意，b =36ϕ︒，=40β︒ 查表，取7JRC =50=tan lg =tan 7lg36n b n n n JCS JRC τσϕσσσ⎡⎤⎡⎤⎛⎫⎛⎫++︒⎢⎥⎢⎥ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭⎣⎦⎣⎦13131131=0cos 2cos80=0.5872222n σσσσσσσσασ+-=+=+︒，131=sin 2sin8022σσστα-=︒根据以上式子解方程，有111500.492=0.587tan 7lg 360.587σσσ⎡⎤⎛⎫+︒⎢⎥ ⎪⎝⎭⎣⎦得： 1=21.47MPaσ例 假设洞室边墙处节理面倾角β=50°， Cj=0MPa ，φj=40°.由实测知洞室处平均垂直应力为2MPa ，计算岩石锚杆在边墙处要提供多大的水平应力才能维持边墙的稳定？例 岩体中有一结构面，其摩擦角为35°，内聚力为0，岩石内摩擦角为48°，内聚力为10MPa 。
岩体受围压10MPa ，最大主应力45MPa ，结构面与最大主应力夹角为45°，问岩体是否会沿结构面破坏？解：结构面的抗剪强度方程为： σστ7.035tan =︒=岩石的的抗剪强度方程为：1011.148tan +=︒+=σστC莫尔应力圆的中，结构面与1σ作用面夹角为45度，则该面上的应力状态为：MPa 5.2724510231=+=+=σσσ MPa 5.1721045231=-=-=σστ该点（27.5，17.5）与结构面的抗剪强度的位置关系为：0.7×27.5=19.25>17.5即抗剪能力大于剪应力，岩体不从结构面破坏。
第6章 岩石地下工程例 拟在地表以下1500米处开挖一水平圆形洞室，已知岩体的单轴抗压强度 σc=100Mpa ， 岩体天然密度ρ=2.75g/cm3，岩体中天然应力比值系数λ=1，试评价该地下洞室开挖后的稳定性。
()稳定所以，地下洞室开挖后3时，31在25.41100015001075.2∴〈-=〉=⨯⨯⨯===c v h v MPagh σσλσλρσσθΘ例 在地表以下200米深度处的岩体中开挖一洞径2R0=2米的水平圆形遂洞，假定岩体的天然应力为静水压力状态(即λ=1)，岩体的天然密度ρ=2.7g/cm3，试求： (1)洞壁、2倍洞半径、3倍洞半径处的重分布应力；(2)根据以上计算结果说明围岩中重分布应力的分布特征；(3)若围岩的抗剪强度Cm=0.4，φm=30°，试评价该洞室的稳定性； (4)洞室若不稳定，试求其塑性变形区的最大半径（R1） 解：（1）地表下200m 处岩体的铅直应力：gh v ρσ= =5.290 MPa 岩体处于静水压力状态，λ=1， h σ =5.290 Mpa 根据重分布应力公式：洞壁处 σr =0 Mpa σθ=10.584 Mpa τδθ =0 Mpa2倍洞径处 σr =3.969 Mpa σθ =6.615 Mpa τδθ =0 Mpa 3倍洞径处 σr =4.704 Mpa σθ =5.88 Mpa τδθ =0 Mpa（2）从以上结果可知：随着洞壁距离r 增大，径向应力逐渐增大，环向应力σθ逐渐减小，剪应力τδθ始终为0。
（3）围岩的强度为 将σr 带入公式得：=1.386 Mpa ＜σθ =10.584 Mpa 故该洞室不稳定，发生破坏。
（4）由修正芬纳-塔罗勃公式： 带入数据得， R1=2.196 m即塑性变形区的最大半径为2.196m 。
)245(2)245(231m o m m o tg C tg φφσσ+++=)245(2)245(21mo m mo r tg C tg φφσσ+++=mmm m i m m m ctg C p ctg C R R φφφφφσsin 2sin 1001)sin 1)((-⎥⎦⎤⎢⎣⎡+-+=。
