岩体力学

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。

矿山岩体力学知识点岩体力学是矿山工程中的一个重要学科，它研究岩石的力学性质和其在地下开采中的变形和破坏规律。

了解岩体力学的知识点对于合理设计和稳定的矿山开采至关重要。

以下是一些岩体力学的主要知识点。

1.岩石的物理力学性质：包括岩石的密度、弹性模量、泊松比、抗拉强度、抗压强度、抗剪强度等。

这些物理力学性质对于岩石的变形和破坏具有重要影响，也是评估岩石力学性质的基本指标。

2.应力与应变：应力是指在力作用下岩石内部的应力状态，包括垂直和平行两个方向的应力。

应变是岩石在受力下发生的变形。

研究岩石的应力与应变关系有助于了解岩石在开采过程中的应力分布规律和力学特性。

3.岩石的变形与破坏规律：岩石在受到外力作用后会发生变形和破坏。

弹性变形是岩石在小应力作用下发生的可恢复变形，塑性变形是岩石在大应力作用下发生的不可恢复变形，破坏是岩石超过其承载能力导致破坏的过程。

了解岩石的变形与破坏规律可以指导矿山开采的安全与高效。

4.岩石力学参数的测定与试验方法：准确获取岩石力学参数是进行合理设计和分析的基础。

常用的试验方法包括岩石强度试验、应力-应变试验、岩石断裂试验等。

这些试验方法可以用于测定岩石的强度、变形特性和破坏特征，为岩石力学参数的确定提供依据。

5.岩体的稳定性分析：岩体的稳定性是矿山开采过程中一个重要的问题。

通过分析岩体力学参数、岩体结构、地应力等因素，预测和评估岩体的稳定性，选择合适的支护方法和措施，以确保矿山的安全运营。

6.岩石动力学：矿山开采中常伴随着岩爆、岩石震动等动力学问题。

了解岩石的动力学特性，包括岩爆的发生机制、岩石振动的传播规律等，对于预防和控制岩爆事故、减轻岩石震动的影响具有重要意义。

7.岩石支护与巷道设计：在矿山开采中，为了稳定岩体结构，需要进行巷道支护和巷道设计。

岩石力学的研究可以指导巷道的合理设计、支护方法的选择和支护结构的设计，提高巷道的稳定性和安全性。

8.岩层间的相互作用与岩爆防控：在矿山开采中，岩层间的相互作用对于岩体稳定性具有重要影响。

1.岩体力学：是研究岩体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，做出响应的一门力学分支。

2.岩石：由矿物或岩屑在地质作用下按一定规律聚集而形成的自然物体。

3.岩体：一定工程范围内的自然地质体。

4.岩石和岩体的不同之处：岩体是由岩石块和各种各样的结构面的综合体。

5.岩石的结构：组成岩石最主要的物质成分、颗粒大小和形状以及相互结合的情况。

6.岩石的构造：指组成岩石的成分在空间分布及其相互间的排列关系。

7.岩石按成因分：岩浆岩、沉积岩、变质岩8.岩体结构的两大要素：结构体和结构面9.岩体的力学特征：不连续性、各向异性、不均匀性、赋存地质因子特性、残余强度特性10.岩体力学的研究任务：1、基本原理方面2、实验方面3、实际工程应用方面4、监测方面11.岩石的质量指标：指描述岩石质量大小有关的参数，通常采用岩石单位体积质量的大小表示，包括岩石的密度和颗粒密度。

12.岩石的密度：指岩石试件的质量与岩石试件的体积之比13.岩石的颗粒密度P s：岩石固体物质的质量与固体的体积之比（P s=m s/V c）14.岩石的孔隙性：是反应了岩石中微裂隙发育程度的指标。

15.岩石的吸水率：指岩石吸入水的质量与试件固体的质量之比16.岩石的吸水率分为：自由吸水率3a和饱和吸水率3saasa17.软化系数：指岩石饱和单轴抗压强度的平均值与干燥状态下的单轴抗压强度平均值的比值18.岩石的膨胀特性：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19.岩石的单轴抗压强度：指岩石试件在无侧限条件下，受轴向里作用破坏时，单位面积承受的最大荷载，即R c=P/A20.岩石的抗拉强度：指岩石试件在受到轴向拉应力后其试件发生破坏时单位面积所能承受的最大拉力21.岩石抗拉强度试验方法：1、直接拉伸法2、抗弯法3、劈裂法4、点荷载试验法22.岩石的剪切强度：指岩石在一定的应力条件下所能抵抗的最大剪应力23.岩石抗剪强度的试验方法：1、抗剪断试验2、抗切试验3、弱面抗剪切试验24. --------------------------------------------------------- 三向压缩应力作用下的破坏形式：低围压劈裂；中围压斜面剪切；高围压---塑性流动25.岩石模量有：初始模量、切线模量、割线模量26.脆性破坏：指应力超出了屈服应力后不表现出明显的塑形变形特性，这类破坏是脆性破坏27.扩容：指岩石受到外力作用后，发生非线性的体积膨胀，且这一体积膨胀是不可逆的28.岩石的流变性包括：1、岩石的蠕变2、岩石的应力松弛3、岩石的长期强度29.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。

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。

一、绪论1、工程岩体力学研究的根本目的和任务。

根本目的：评价和研究岩体的稳定性。

任务：研究工程活动引起的岩体重分布应力以及在这种应力场作用下工程岩体的变形和稳定性。

2、工程力学的研究内容：（1）岩块、岩体的地质特征；（2）岩石的物理、水理及热学特性；（3）岩块的力学性质；（4）结构面的力学性质；（5）岩体的力学性质；（6）岩体的天然应力分布规律；（7）岩体工程问题：地基、边坡、洞室岩体；（8）岩体性质改善与加固。

3、岩体力学的研究方法：（1）工程地质方法：研究岩块、岩体的地质与结构特征，为岩体力学研究提供地质资料和地质模型。

分为：a、岩矿鉴定：了解岩石的岩性、矿物成分及结构构造及成因环境。

b、地层、构造：了解岩体的地质成因、空间分布及各种结构面的发育情况，分析岩体构造变形及应力状态。

c、赋水特性：了解岩体中水分的形成、赋存与运移规律。

（2）物理实验方法：提供岩体的物理力学参数；评价岩体的变形和稳定性；岩石力学的变形与强度的机制。

分为：室内岩石物理力学试验；原位岩体力学试验、监测；天然应力测量；工程岩体物理模型试验。

（3）数学力学分析方法：建立岩体力学模型，采用适当的分析方法预测岩体在不同力场作用下的变形与稳定性。

分为：a、力学模型：本构关系、强度准则刚体力学；弹性力学；弹塑性力学；断裂力学；损伤力学；流变力学等b、分析方法：块体极限平衡法；数值模拟法等系统论；信息论；人工智能专家系统；灰色系统等二、岩块和岩体的地质特征1、岩石：由具有一定结构构造的矿物集合体组成。

2、岩块：由地质作用形成的，具有一定的岩矿组合和较强的连接强度、不含显著结构面的岩石块体，是构成岩体的最小单元。

3、结构面：地质历史发展过程中，在地质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。

包括：物质分异面和不连续面。

软弱结构面：在结构面中，那些规模较大、强度低、易变形的结构面称为软弱结构面。

4、岩体：在地质历史过程中形成的、由岩石块体和结构面网络组成的、具有一定的岩石成分和结构，并赋存于一定的天然应力状态和地下水等地质环境中的地质体。

岩体：是位于一定地质环境中，在各种宏观地质界面分割下形成的有一定结构的地质体。

结构体：被结构面切割成的岩石块体。

结构面：是指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。

岩体复杂性表现：一.不连续性，二.非均质性，三.各向异性，四.岩体中存在着不同于自重应力场的天然应力场，五.岩体赋存于一定地质环境中，对岩体影响较大。

岩石的变形性状：1.塑性。

2.弹性。

3.粘性。

弹性：指材料在外力作用下产生变形，而撤去外力后立即恢复到它原有的形状和尺寸的性质。

弹性变形：外力撤去后能够恢复的变形。

如应力—应变关系呈直线关系，称线弹性，不呈直线关系称非线弹性。

塑性：指材料受力后，在应力超过屈服应力时仍能继续变形而不即行断裂，撤去外力后变形又不能完全恢复的性质。

不能恢复的变形，称塑性变形。

应变硬化：在屈服点之后，应力—应变关系呈上升曲线，说明晶粒滑到新位置后，导致粒间相嵌、挤紧和晶粒增大，如使之继续滑动，要相应增大应力的现象。

粘性：指材料受力后变形不能在瞬间完成，且应变的速率随应力的大小而改变的性质。

流动变形：应变速率随应力而变化的变形。

峰值前变形机理：1.以裂纹行为为主导的变形。

2.以弹性变形为主的变形。

3.以塑性变形为主的变形。

轴向应力—应变曲线：直线型（弹），下凹型（弹—塑），上凹形（塑—弹），S型（塑—弹—塑）。

扩容：随着裂纹的继续发生和扩展，岩石体积应变增量由压缩专为膨胀的力学过程。

弹性模量：E是指单轴压缩条件下轴向压应力与轴向应变之比。

有效弹性模量：包含裂纹的弹性模量。

固有弹性模量：E未受裂纹的存在所影响的岩石弹性模量。

刚性压力机：用岩石试件的变形作为控制变量，并用着一信号的反噬来控制机器压板的位移速率或加速速率的压力机。

单调加载：岩石在峰值前承受的荷载一直增加。

它可分为等加载速率加载和等应变速率加载两种方式。

循环加载：逐级循环加载：指在试验过程中，当荷载加到一定值时，将荷载全部卸除，然后又加载至比原来卸载点高的压力值，再卸载，如此不断循环的加载方式。

第一章绪论第一节岩体力学与工程实践岩体力学(rockmass mechanics)是力学的一个分支学科，是研究岩体在各种力场作用下变形与破坏规律的理论及其实际应用的科学，是一门应用型基础学科。

岩体力学的研究对象是各类岩体，而服务对象则涉及到许多领域和学科。

如水利水电工程、采矿工程、道路交通工程、国防工程、海洋工程、重要工厂(如核电站、大型发电厂及大型钢铁厂等)以及地震地质学、地球物理学和构造地质学等地学学科都应用到岩体力学的理论和方法。

但不同的领域和学科对岩体力学的要求和研究重点是不同的。

概括起来，可分为三个方面：①为各类建筑工程及采矿工程等服务的岩体力学，重点是研究工程活动引起的岩体重分布应力以及在这种应力场作用下工程岩体(如边坡岩体、地基岩体和地下洞室围岩等)的变形和稳定性。

②为掘进、钻井及爆破工程服务的岩体力学，主要是研究岩石的切割和破碎理论以及岩体动力学特性。

③为构造地质学、找矿及地震预报等服务的岩体力学，重点是探索地壳深部岩体的变形与断裂机理，为此需研究高温高压下岩石的变形与破坏规律以及与时间效应有关的流变特征。

以上三方面的研究虽各有侧重点，但对岩石及岩体基本物理力学性质的研究却是共同的。

本书主要是以各类建筑工程和采矿工程为服务对象编写的，因此，也可称为工程岩体力学。

在岩体表面或其内部进行任何工程活动，都必须符合安全、经济和正常运营的原则。

以露天采矿边坡坡角选择为例，坡角选择过陡，会使边坡不稳定，无法正常采矿作业，坡角选择过缓，又会加大其剥采量，增加其采矿成本。

然而，要使岩体工程既安全稳定又经济合理，必须通过准确地预测工程岩体的变形与稳定性、正确的工程设计和良好的施工质量等来保证。

其中，准确地预测岩体在各种应力场作用下的变形与稳定性，进而从岩体力学观点出发，选择相对优良的工程场址，防止重大事故，为合理的工程设计提供岩体力学依据，是工程岩体力学研究的根本目的和任务。

岩体力学的发展是和人类工程实践分不开的。