岩石力学讲义岩石的变形特征PPT讲稿

其线性应变达到10%时就算塑性破坏；
2020/12/3
岩石的破坏形式 (a)拉伸破坏；(b)劈裂破坏；(c)剪切破坏；(d)塑性破坏
《岩石力学》
3
2.1.2岩块的强度
1. 岩石单轴抗压强度
岩石单轴强度定义
➢ 定义：岩石试件在无侧限和单轴压力作用下抵抗破 坏的极限能力；
➢ 公式
c
P A
式中：—c —单轴抗压强度，MPa，也称无侧限强度；
➢ 缺点：试件结果的离散性较大。
➢ 公式
Is
Pt D
式中：—Pt —破坏荷载， —D—破坏时两加载点间的距离，mm； I S —点荷载强度，MPa ；
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《岩石力学》
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点荷载试验对试件形状和尺寸的要求
《岩石力学》
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ห้องสมุดไป่ตู้. 岩石抗剪强度
定义
➢ 岩石抵抗剪切的最大剪应力，由内聚力c和内摩擦
《岩石力学》
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岩石三轴压缩试验的破坏类型
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《岩石力学》
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2.1.3岩石的强度理论
定义
➢ 研究岩石在各种应力状态下的强度准则的理论；
➢ 一般为1f(2,3)
或 f()
➢ 它不仅要能解释岩石破坏的原因、破坏的形态，而 且要能确定岩石破坏时应力状态和变形状态；
强度准则与本构方程不同
➢ 测定方法：直接拉伸法、劈裂法、点荷载法
直接拉伸法
➢ 公式
Rt
P A
式中：R—t —岩石的抗拉强度，MPa
P——试件受拉破坏时的极限拉力； A——与所施加拉力相垂直的截面面积；
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《岩石力学》

第一章 岩石的力学特性
本章内容：
岩石的应力－应变关系(静力学瞬时和长期荷载荷载作用下); 岩石弹性参数确定;岩石的本构关系;岩石的破坏准则; 以及介绍影响岩石力学性质因素，常见岩石试验方法。
本章重点与难点：强度与变形特征 １.１ 静力学特性 １.２ 流变特性 １.３ 影响岩石力学性质的因素 １.４ 破坏判据
c c1 0.778 0.222 h
d
1
2
2.5
3
h/d
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点荷载强度指标(point load strength index)：
P D2 c ——为h/d为2的试件单轴抗压强度
c 24 I s I s
I s ——点荷载强度指标，
普通材料试验机： 柔性试验机； 刚度较小； 不能控制荷载和变形； 只能做出岩石受力在达 到极限强度以前的变形 特征。
类型Ⅰ弹性的
类型Ⅱ 弹塑性的
类型Ⅲ 塑弹性的
类型Ⅳ 塑－弹－塑性的
类型Ⅴ 塑－弹－塑的
类型Ⅵ 弹－塑－蠕变的
4
类型Ⅰ：直线型； 包括玄武岩，石英岩，辉绿岩，白云岩和非常坚硬的石灰岩 类型Ⅱ：直线＋弯曲下降； 石灰岩，粉砂岩，凝灰岩等致密但岩性较软的岩石 类型Ⅲ：下凹＋直线 ； 花岗岩和砂岩等具有孔隙和微裂隙坚硬岩石 类型Ⅳ：Ｓ型直线陡且长，曲线较短 坚硬致密的变质岩，如大理岩，片麻岩等 类型Ⅴ：Ｓ型直线平且短，曲线长； 压缩性较高的岩石，片岩在垂直片理方向受压 类型Ⅵ：直线＋弯曲； 盐岩
2P d2 d 2a
0.8 0.7 0.6 0.5
抛物线型压力分布 均匀压力分布 常位移条件压力分布 光弹试验
t
2P dh
P t 0.3 0.2 A

结构体：被结构面所包围的完整岩石或隐蔽裂隙的岩石，由
不同产状的结构面组合切割而形成的岩石块体。
结构面对岩体结构类型的划分常起着主导作用。
在研究结构面时，一方面要注意结构面的强度、
密度及其延展性，另一方面还需注意结构面的规
模大小和它们之间的组合关系。
.
21
岩体结构：由结构面的发育程度和组
合关系或结构体的规模及排列形式决定 的。岩体结构类型的划分反映出岩体的 不连续性和不均一性特征。
.
23
(4) 结构面力学性质
结构面在法向压应力及剪应力作用 下的变形特征及参数确定
结构面剪切强度特征及其测试技术和方法
(5) 岩体力学性质
岩体的变形、强度特征及其原位测试技术
岩体力学参数的弱化处理与经验估计
主要因素影响
岩体中地下水赋存、运移规律及岩体的水力学特征
(6) 原岩应力分布规律及其测量理论与方法
岩石力学的萌芽时期
A. Heim(1912)提出了静水压力的理论
W. J. M. Rankine（朗肯）和A.H.ДИННИΚ(金尼 克)地层压力的修正理论，即
v h
H H
tg 2 ( )
42
.
或 1-
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2. 经验理论阶段(20世纪初~20世纪30年代)
该阶段根据生产经验提出了经典的地压理论，具有代表性的理论有：
这两次事件促成了国际岩石力学学会（ISRM, International Society for Rock Mechanics） 在1963年于奥地利萨尔茨堡成立。
(1985年，中国岩石力学与工程学会正式成立)。
.
9
二、岩石力学学科的形成及定义
1951年，J. Stini 和 L. Müller等在 Salzburg发起和举行了以岩体力 学为主题的第一次国际岩石力学讨论会，为把工程地质与力 学相结合、为建立岩石力学这门边缘学科跨出了重要的一步， 并创办了《Geologie und Bauwesen》，1962年改名为《Rock Mechanics & Rock Engineering》

cd阶段：应变软化阶段，峰值应 力后，岩石仍有一定的承载能力，并
随着应变增大而减小。 d点以后为摩擦阶段，岩石产生
宏观断裂面后，其摩擦具有 抵抗外
ε 力的能力。
二、单轴压缩强度和变形试验
—成果整理 （三）计算岩石弹性模量和泊松比
Eav
=
σb ε lb
−σa − εla
μav
=
ε db ε lb
− ε da − εla
a
ε db
−
应力为σ
时的横向应变值；
b
二、单轴压缩强度和变形试验
—成果整理 （三）计算岩石弹性模量和泊松比
Eav
=
σb ε lb
−σa − εla
μav
=
ε db ε lb
− ε da − εla
水电：弹性模量
式中：Eav − 岩石平均弹性模量(MPa)；
μav − 岩石平均泊松比；
水电：弹性泊松比
环向引伸仪
CIRC－8、4、1.6、0.8mm（测量试件的环向位移）。
二、单轴压缩强度和变形试验
刚性试验机控制过程
—仪器设备
当岩石因破裂扩展发
伺
生大应变时，通过传感 服
控
器把这一信号输入伺服 制 控制器中，伺服控制器 器
试 件
伺服循环
给伺服阀信号，使伺服
阀打开，压力降低，使
试件保持恒定的变形速
控 制
12.0125 0.061649 7.04E-05 1.365458
15.05162 0.077154 9.18E-05 1.36601 18.02871 0.091625 0.000118 1.366285
21.02131 0.10334 0.000138 1.367112

VV ×100% V V na = Va ×100% V n= VV 0 n0 = ×100% V VVc nc = ×100% V nb = VVb ×100% V
• 孔隙比e是指岩石中孔隙的体积与 e = VV = n 孔隙比e Vs 1 − n 的体积之比。 岩石固体Vs的体积之比。
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• （4）含水率、吸水率、饱水含水率ω：岩石中水的含量Ww与岩石烘干重量Ws 比值的百分率。 比值的百分率。 Ww ω= ×100% Ws • 岩石的吸水率ωa是指干燥岩石试样在一个大气压和室温 条件下吸入水的重量Ww与岩石干重量Ws之比的百分率。 之比的百分率。
100是指干燥岩石试样在一个大气压和室温条件下吸入水的重量w岩石的饱和吸水率简称饱水率sa是指岩样在强制状态真空煮沸或高压下其最大吸入水的重量w与岩石干重量wwp为饱和岩样重量154含水率吸水率饱水率和饱水系数饱水系数是指岩石吸水率与饱水率比值的百分率
岩 体 力 学 1.岩石的变形及强度 1.岩石的变形及强度 主讲 林锋
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• ③ 变质岩
大面积变质的岩石为区域性的，但也有局部性的。 大面积变质的岩石为区域性的，但也有局部性的。 区域性的 局部性的 其中局部性的如果是因为岩浆涌出造成周围岩石的变质 其中局部性的如果是因为岩浆涌出造成周围岩石的变质 称为接触变质岩 接触变质岩； 称为接触变质岩；如果是因为地壳构造错动造成的岩石 变质为动力变质岩。 变质为动力变质岩。 动力变质岩
•
岩受变质作用的程度不同，变质情况也不同， 岩受变质作用的程度不同，变质情况也不同，一般 低级变质、 分为低级变质 中级和高级变质。变质级别越高， 分为低级变质、中级和高级变质。变质级别越高，变质 程度越深。 沉积岩粘土质岩石在低级作用下 形成板 在低级作用下， 程度越深。如沉积岩粘土质岩石在低级作用下，形成板 在中级变质时形成云母片岩 云母片岩； 岩；在中级变质时形成云母片岩；在高级变质作用下形 片麻岩。 成片麻岩。 • 变质岩的主要特征是这类岩石大多数具有结晶结构 主要特征是这类岩石大多数具有结晶结构、 变质岩的主要特征是这类岩石大多数具有结晶结构、 定向构造(如片理、片麻理等)和由变质作用形成的特征 定向构造(如片理、片麻理等)和由变质作用形成的特征 变质矿物变质岩力学性质与原岩、 变质矿物变质岩力学性质与原岩、变质作用的性质和程 度等有关系。 度等有关系。

（2）上凹型（塑-弹性岩体）
含软弱夹层的层状岩体及裂隙岩体 （3）上凸型（弹-塑性岩体）
结构面发育且有泥质充填的岩体。
（4）复合型：阶梯或“S”型（塑-弹-塑性岩体)
20结21/8构/17面发育不均或岩性不均匀的岩体。
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（二）剪切变形特征：
(a)沿软弱结 构面剪切
(b)沿粗糙结构面、 软弱岩体及强风
化岩体剪切
(c)坚硬岩体 受剪切
峰前变形平均斜 率小，破坏位移 大；峰后强度损 失小。
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峰前变形平均斜 率较大，峰值强 度较高；峰后有 明显应力降。
峰前变形斜率大，
峰值强度高，破坏
位移小；峰后残余 强度较低。
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（三）各向异性变形特征：（P101蔡）
岩石的全部或部分物理、力学特性随方向不同而 表现出差异的现象称为岩石的各向异性。
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2
§3.1 概述
岩体=结构面（弱面）+结构体（岩石块体） 结构面：断层、褶皱、节理……统称
影响岩体力学性质的基本因素：
结构体(岩石)力学性质、结构面力学性质、岩体 结构力学效应和环境因素(特别是水和地应力的作用)
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§3.2岩体结构的基本类型 （地质学、复习、了解）
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孔隙静水压力作用
（三）力学作用：
孔隙动水压力作用
当多孔连续介质岩土体中存在孔隙地下水时， 未充满孔隙的地下水使岩土体的有效应力增加：
p
σα有效应力，σ 总应力，p 孔隙静水水压力
当地下水充满多孔连续介质岩土体时，使有效 应力减小：
p
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σα，σ ，p ： 含义同上
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求系数A
A0
E
t 0
0
E
③卸载方程
e(t1t) 0 1
t=t1时卸载，σ＝0
蠕变曲线
0
E
卸载曲线
本构方程： E
o
0
t1
t
E 0 图3-35 开尔文体蠕变曲线和卸载曲线
E
e(t1t) 1
通解
lnEtC
Et
A1e
A1 eC
E
A1 1et1
E
1 A1et1
初始 t t1
（a）玄武岩
（b）花岗岩
（b）白云岩
图3-44 温度对岩石力学性质的影响(据Griggs)
(围压均为500MPa)
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3．加载速率对岩石力学性质的影响
σ 150 (MPa)源自100低50高 ε 0 0.05 0.10 0.15 0.20 (％)
图3-45 不同应变速率砂岩的应力应变关系
(据比尼奥斯基，1970)
10/35
2) 塑性元件 理想塑性体:力学模型 摩擦片(或滑块，如图3-29a)。 应力到达屈服极限时开场产生塑性变形，应力不增加，
变形仍增长
本构方程:
11/35
（ a） 力 学 模 型
（ b） 应 力 — 应 变 曲 线
图3-29 塑 性 元 件 力 学 模 型 及 其 性 态
当 s时 ，0 当 s时 ，
条件 1
23/35
卸载方程
0
E
0
蠕变曲线
卸载曲线
E
e(t1t) 1
o
t1
t
图3-35 开尔文体蠕变曲线和卸载曲线
说明: 阻尼器在弹簧收缩时，随之恢复变形，当t→∞时，弹

岩石的应力-应变关系
应力
指作用在岩石上的外力，包括压、 拉、剪等。
应变
指岩石在应力作用下发生的形变。
应力-应变曲线
描述岩石在受力过程中应力与应变 的关系曲线，通常呈现非线性的特 点。
岩石的破裂机制与强度准则
破裂机制
描述岩石在受力过程中如何达到破坏 状态的过程。
强度准则
用于预测岩石在不同应力状态下是否 会发生破坏的准则，如莫尔圆准则等 。
岩土体加固、滑坡治理等。
岩石力学的发展历程
19世纪初
20世纪80年代以来
岩石力学作为一门独立的学科开始形 成，最初的研究主要集中在岩石的强 度和变形特性方面。
数值计算和计算机技术的快速发展为岩 石力学提供了新的研究手段，推动了岩 石力学在理论和应用方面的深入研究。
20世纪50年代
随着工程建设的快速发展，岩石力学的 研究范围不断扩大，开始涉及到岩体的 稳定性分析、岩土工程设计等方面。
总结词
介绍岩石的变形和弹性模量，以及它们 对岩石力学性质的影响。
VS
详细描述
岩石的变形是指在外力作用下岩石发生的 形状变化，而弹性模量则表示岩石在受到 外力作用时抵抗变形的能力。变形和弹性 模量是衡量岩石力学性质的重要参数。一 般来说，变形较小、弹性模量较大的岩石 具有更好的承载能力和稳定性。
03 岩石的力学性质
岩石的强度准则是指岩石在 不同受力状态下的破坏准则 ，如库仑-纳维准则、莫尔库仑准则等。
能量守恒定律是自然界的基 本定律之一，它指出能量不 能凭空产生也不能凭空消失 ，只能从一种形式转化为另 一种形式。在岩石力学中， 能量守恒定律可以用来分析 岩石的破裂和变形过程。
05 岩石力学实验与案例分析

(3) 铁道和公路建设工程
线路边坡稳定性分析 隧道设计和施工技术 隧道施工中的地质超前预报及处理 隧道入口施工技术及洞脸边坡角的确定和加固措施 地铁及过江隧道施工技术 高层建筑地基处理与加固技术 大型地下硐室与建筑空间设计、施工与加固 地面建筑物沉降、倾斜和纠偏技术 山坡及临坡建筑物基础滑坡监测预报与防治技术
从“材料”概念到“不连续介质概念”是现代岩石力 学的第一步突破； 进入计算力学阶段是第二步突破；
有限元、边界元、离散元、位移非连续法（DDA)和流行法
非线性理论、不确定性理论和系统科学理论进入实用 阶段，则是岩石力学理论研究及工程应用的第三步意 义更为重大的突破．
耗散结构论、协同学、分叉和混沌理论，模糊数学、人工智能、 灰色理论
中国科学院地质研究所从岩体结构角度提出了岩体结 构分类(P3,表1-1)。
我国还有不少专门为工程目的的岩体分类。例如为建造
地下隧道和洞室的围岩分类(铁路隧道规范分类、岩石地下建
筑技术措施分类等)，都是以岩体结构分类为基础。
五、岩石力学的基本研究内容
(1) 岩石、岩体的地质特征 物质组成和结构特征 结构面特征及其对岩体力学性质的影响 岩体结构及其力学特性 岩体工程分类 (2) 岩石的物理、水理与热力学性质 (3) 岩石的基本力学性质 变形、强度特征及力学指标参数 主要影响因素，包括加载条件、温度、湿度等 变形破坏机理及其破坏判据
(4) 土木建筑工程
(5) 石油工程
岩石应力与渗透性及采油技术 钻探技术与井壁稳定性 岩石力学与地球物理勘探综合研究 石油、天然气运输与储存工程对环境的影响 (6) 海洋勘探与开发工程 (7) 核电站建设中核废料处理技术 (8) 地层热能资源开发技术问题 (9) 地震预报中的岩石力学问题 (10) 地下军事工程及防护问题

（m3/s）
dh
dx ——水头变化率； qx——沿x方向水的流量；h——水头高度； A——垂直x方向的截面面积；k——渗透系数。
四、岩石的抗风化指标（3类）
(1)软化系数（表示抗风化能力的指标）
Rcc——干燥单轴抗压强度、 Rcd——饱和单轴抗压强度；
Rcc / Rcd
（ 1 ）越小，表示
1.频率越低，跨越裂隙宽度俞大，反之俞小
图3-7
2. 裂隙数目越多，则纵波速度愈小
3.岩体的风化程度愈高弹性波的速度亦小
4.夹层厚度愈大弹性波纵波速度愈
三、岩体波速与岩体的有效孔隙率n及吸水 率 W f 有关
一些岩浆岩，沉积 岩和变质岩的纵 波速度与有效孔 隙率n之间的关系 见图3－9所示。
静泊松比代替）求 Ed ，则
Vp
/ Vs
[
2(1
)
]
1 2
1 2
• 若 ＝0.25时，
• 经过各方面试验验证， 之间。
Vp /Vs ＝1.73
Vp /Vs 一般在1.6～1.7
三、岩体弹性波速得测定
（一）岩块声波传播速度室内测定
测定时，把声源和接收器放在岩块试件得两端，通 常用超声波，其频率为1000Hz－2MHz。（示波见图3－1）
表3－1表示了各类岩石的弹性波速与岩石种 类之间的关系。 图3－5从实例统计的角度，表示了各类岩 石的弹性波速及密度之间的关系。
VP 0.35 1.88
二、岩体波速与岩体中裂隙或夹层的关系
弹性波在岩体中传播时，遇到裂隙，则视
充填物而异。若裂隙中充填物为空气，则弹 性波不能通过，而是绕过裂隙断点传播。在 裂隙充水的情况下，声能有5％可以通过， 若充填物为其他液体或固体物质，则弹性波 可部分或完全通过。弹性波跨越裂隙宽度的 能力与弹性波的频率和振幅有关.