岩石物理学的基本理论及其应用

1、岩石力学定义:研究岩石的力学性状（behaviour）的一门理论科学，同时也是应用科学；

是力学的一个分支；研究岩石对于各种物理环境的力场所产生的效应。初期阶段（地应力）：海姆静水压力假说，朗金假说，金尼克假说：经验理论阶段：普世理论，太沙基理论。

2、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).深埋巷道属于无限城问题，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.

3、影响岩石力学性质和物理性质的三个重要因素：1).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;2).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；3).构造：组成成分的空间分布及其相互间排列关系。

4、岩石力学是固体力学的一个分支。在固体力学的基本方程中，平衡方程和几何方程都与材料性质无关，而本构方程（物理方程/物性方程）和强度准则因材料而异。

岩石的基本力学性质主要包括2大类，即岩石的变形性质和岩石的强度性质。

5、研究岩石变形性质的目的，是建立岩石自身特有的本构关系或本构方程(constitutive law or

equation)，并确定相关参数。

研究岩石强度性质的目的，是建立适应岩石特点的强度准则，并确定相关参数。

6、岩石强度：岩石介质破坏时所能承受的极限应力；单轴抗压强度、单轴抗拉强度、多轴强度、抗剪强度。

7、研究岩石强度的意义：1）.岩石分类、分级中的重要数量指标；2).作为强度准则判别：当前计算点处于全应力应变曲线哪个区；3).计算处或测定处的岩土工程是否稳定；4).在简单地下工程条件下，可作为极限平衡条件(塑性条件)，求解弹塑性问题的塑性区范围，以及弹性区和塑性区的应力与位移.

（1）质量指标 密度

比重 天然密度

饱和密度

干密度

孔隙比

孔隙率

相关式

含水性质

渗透性 含水量

吸水率

软化系数

耐崩解性指数

膨胀性 自由膨胀率

侧向约束膨胀率

膨胀压力 第一章 绪论

岩石和岩体都是岩体力学的直接研究对象。但在岩体力学中，这是两个既有联系又有区别的两个基本概念。

所谓岩石就是由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；所谓岩体则是指在一定的地质条件下，含有诸如节理、裂隙、层理和断层等地质结构面的复杂地质体。岩石就是指岩块，在一般情况下，不含有地质结构面。

因此，岩石和岩体的力学性质也是不同的，前者可在实验室条件下进行试验，而后者一般在野外现场的实验场地完成实验。从实验的精确度来看，后者更接近岩体的实际情况，反映了岩体的实际强度，前者则相差甚远。

第二章 岩石的基本物理力学性质

（一）岩石的基本物理性质

这部分内容比较直观、容易掌握，但要注意各性质指标的定义和归类，避免引起混淆。为便于记忆，列出基本物理力学性质的归类树，读者应将对应的公式（或注释）填充。

岩浆岩

１．岩石（按地质成因） 沉积岩

变质岩

２．岩体＝岩石（或岩块）＋结构面

（2）孔隙性

３．岩石的基本物理性质

（3）水理性质

（4）抗风化指标

（二）岩石的强度特性

1． 强度试验基本内容 直接法

间接法 圆盘劈裂法

三点弯曲法

点荷载试验法 抗剪断试验

抗切试验

常规三轴321

真三轴321 单向抗压强度试验

单向抗拉强度

抗剪强度

三轴抗压强度

2． 单向抗压强度试验

（1）试件：直径D＝50mm0.3mm；高H=(2～2.5)D0.3mm；两端法线与试件轴线偏差不大于025.0；端面不平整度不大于0.5mm。

岩石的基本物理力学性质

岩石的基本物理力学性质是岩体最基本、最重

要的性质之一，也是岩体力学中研究最早、最完善

的力学性质。

岩石密度：天然密度、饱和密度、

质量指标 密度、重力密度

岩石颗粒密度

孔隙性 孔隙比、孔隙率

含水率、吸水率

水理指标

渗透系数

抗风化指标 软化系数、耐崩解性指数、膨胀率

抗冻性 抗冻性系数

单轴抗压强度

单轴抗拉强度

抗剪强度

三向压缩强度

岩石的基本物理力学性质

 岩石的变形特性

 岩石的强度理论

试验方法参照标准：《工程岩体试验方法标准》（GB/T

50266-99）。

第二章 岩石的基本物理力学性质

第一节 岩石的基本物理性质

第二节 岩石的强度特性

第三节 岩石的变形特性 第四节 岩石的强度理论

回 顾----岩石的基本构成

岩石是自然界中各种矿物的集合体，是天然地质作用的产物，一般而言，大部分新鲜岩石质地均坚硬致密，空隙小而少，抗水性强，透水性弱，力学强度高。

岩石是构成岩体的基本组成单元。相对于岩体而言，岩石可看作是连续的、均质的、各向同性的介质。

岩石的基本构成：由组成岩石的物质成分和结构两大方 面来决定的。

回 顾----岩石的基本构成

一、岩石的物质成分

岩石是自然界中各种矿物的集合体。

岩石中主要的造岩矿物有：正长石、斜长石、石英、黑云母、角闪石、辉石、方解石、白云石、高岭石等。

岩石中的矿物成分会影响岩石的抗风化能力、物理性质和强度特性。

第二章 岩石的基本物理力学性质

第一节 概述

第二节 岩石的基本物理性质

一 岩石的密度指标

1 岩石的密度:岩石试件的质量与试件的体积之比，即单位体积内岩石的质量。

（1）天然密度：是指岩石在自然条件下，单位体积的质量，即

（2）饱和密度：是指岩石中的孔隙全部被水充填时单位体积的质量，即

（3）干密度：是指岩石孔隙中液体全部被蒸发，试件中只有固体和气体的状态下，单位体积的质量，即

（4）重力密度：单位体积中岩石的重量，简称重度。

2 岩石的颗粒密度：是指岩石固体物质的质量与固体的体积之比值。公式

二 岩石的孔隙性

1 岩石的孔隙比：是指岩石的孔隙体积与固体体积之比，公式

2 岩石的孔隙率：是指岩石的孔隙体积与试件总体积的比值，以百分率表示，公式

孔隙比和孔隙率的关系式：

三 岩体的水理性质

1 岩石的含水性质

（1）岩石的含水率：是指岩石孔隙中含水的质量与固体质量之比的百分数，即

（2）岩石的吸水率：是指岩石吸入水的质量与试件固体的质量之比。

2 岩石的渗透性：是指岩石在一定的水力梯度作用下，水穿透岩石的能力。它间接地反映了岩石中裂隙间相互连通的程度。

四 岩体的抗风化指标

1 软化系数：是指岩石饱和单轴抗压强度与干燥状态下的单轴抗压强度的比值。它是岩石抗风化能力的一个指标，反映了岩石遇水强度降低的一个参数：

2 岩石耐崩解性：岩石与水相互作用时失去粘结性并变成完全丧失强度的松散物质的性能。

岩石耐崩解性指数：是通过对岩石试件进行烘干，浸水循环试验所得的指数。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。

3 岩石的膨胀性：岩石浸水后体积增大的性质。

（1）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。

（2）岩石的侧向约束膨胀率：是将具有侧向约束的试件浸入水中，使岩石试件仅产生轴向膨胀变形而求得膨胀率。

（3）膨胀压力:岩石试件浸水后，使试件保持原有体积所施加的最大压力。