《岩石力学》全书复习资料

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；H1HH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。

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, , dsat表示。

rwarrrdarrawsatWWWVVVWWVVVWVWVV

式中，W为岩石试样的总重量；rW为岩石的重量；wW为岩石试样空隙中水的重量；V为岩石试样的总体积；rV为岩石的体积(不包含岩石中空隙)；aV为岩石试样中空隙的体积；w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，d，sat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rm，岩石试样空隙中水的质量为wm，w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

rwarrrdarrawsatmmmVVVmmVVVmmmVV

岩石密度与重度之间存在如下关系

ddsatsatggg

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 (或密度w)之比值，可用下式

rrrwrwWmdVV

（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aV与岩石体积(不包括岩石中空隙) rV之比，一般用小数表示，可用下面公式计算

arVeV

岩石的孔隙率是指岩石试样中孔隙(包括裂隙)的体积aV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

ar100%100%VVVnVV

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

1nen

（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aw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rm之比，一般用百分数表示，即

w1ar100%mwm

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satw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rm之比，一般也用百分数表示，即

w2satr100%mwm

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wm与岩石质量rm(不包括孔隙中水)之比，一般用百分数表示，即

wr100%mwm

（4）饱水系数

岩石的吸水率aw与饱和吸水率satw之比，称为饱水系数wK，即

awsatwKw

（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dR是指岩石试件反复冻融后的干抗压强度c2与冻融前干抗压强度c1之比，用百分数表示，即

c2dc1100%R

（2）质量损失率

岩石的质量损失率mK是指冻融试验前后干质量之差s1s2mm与试验前干质量s1m之比，以百分数表示，即

s1s2ws1100%mmKm

（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RK表示

cwRcK

式中，cw试样饱和抗压强度；c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d2I

rd2s100%mIm

式中，d2I为表示两次循环试验而求得的耐崩解性指数；sm为试验前试块的烘干质量；rm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DV和轴向自由膨胀率HV

H100%HVH

D100%DVD

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HPV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

1HP100%HVH

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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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

00tVVV

00tLLL

式中，0V、0L为岩石在0℃时的体积及线长度；tV、tL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

QDLtT

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1JB。不同地区岩石中的地温梯度是不同的。

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

岩石抗拉强度室内测试方法分为两类：一类是直接法；另一类是间接法。

直接法的缺点：在于试件如何夹持和如何保证平行于试件轴向施加拉伸荷载。

间接法的思想：一般是根据弹性力学理论，求出试件内的应力分布，再由试验测定的极限载荷求岩石试件的极限应力作为岩石的抗拉强度，如巴西法和水压致裂法。

根据格林菲斯理论分析巴西法试验得出如下结论：

1、加荷垫条角度（或宽度）较小时，计算公式为：

式中：F──荷载； r0 、t ──圆盘半径与厚度。

2、这样，测定抗拉强度取决于窄条的角度，抗拉强度对窄条的依赖性随压缩强度与拉伸强度比值的增加而减小。

3、较大窄条角度，临界受拉区就较大，则抗拉强度值更能代表整体试件的特征，而不是一个点。