第3章_岩石的力学性质与分级

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；

岩石质量分级

岩石质量分级是指根据岩石的物理力学性质和工程地质特征，将岩石划分为不同的等级。它是岩石工程设计和施工中非常重要的一项工作。岩石质量分级可以帮助工程师和施工人员了解岩石的强度、稳定性以及岩体的整体性能，从而采取相应的措施来保障岩石工程的安全和可靠性。

岩石质量分级的标准主要包括岩石的物理性质、结构特征、岩石的坚硬程度等。根据国家标准《岩土工程岩石分类标准》(GB/T 50205-2010)，岩石质量分为I~V级，其中I级岩石质量最好，V级岩石质量最差。具体标准如下：

- I级岩石：岩石质量极好，岩体均质致密，强度高，裂纹和空洞较少，结构稳定，适合于重要工程。

- II级岩石：岩石质量较好，岩体均匀致密，强度较高，裂纹和空洞较少，结构相对稳定，适合于一般工程。

- III级岩石：岩石质量一般，岩体存在少量的裂隙和空洞，结构不太稳定，适合于次要工程。

- IV级岩石：岩石质量较差，岩体存在大量裂隙和空洞，结构不稳定，适合于一些低要求的工程。

- V级岩石：岩石质量很差，岩体存在大量的裂隙和空洞，结构不稳定，不能用于工程中。

岩石质量分级对于岩石工程的实施具有重要意义。在岩石工程设计和施工过程中，应根据实际情况进行岩石质量分级，选择合适的岩石等级，从而保障岩石工程的安全和可靠性。

第一讲 岩石的基本物理力学性质及其试验方法(之一)

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。

岩石力学习题

第一章绪论

1.1 解释岩石与岩体的概念，指出二者的主要区别与联系。

1.2 岩体的力学特征是什么？

1.3 自然界中的岩石按地质成因分类可分为几大类，各有什么特点？

1.4 简述岩石力学的研究任务与研究内容。

1.5 岩石力学的研究方法有哪些？

第二章岩石的物理力学性质

2.1 名词解释：孔隙比、孔隙率、吸水率、渗透性、抗冻性、扩容、蠕变、松弛、弹性后效、长期强度、岩石的三向抗压强度

2.2 岩石的结构和构造有何区别？岩石颗粒间的联结有哪几种？

2.3 岩石物理性质的主要指标及其表示方式是什么？

2.4 已知岩样的容重=22.5kN/m3，比重，天然含水量，试计算该岩样的孔隙率n，干容重及饱和容重。

2.5 影响岩石强度的主要试验因素有哪些？

2.6 岩石破坏有哪些形式？对各种破坏的原因作出解释。

2.7 什么是岩石的全应力－应变曲线？什么是刚性试验机？为什么普通材料试验机不能得出岩石的全应力－应变曲线？

2.8 什么是岩石的弹性模量、变形模量和卸载模量？ 2.9 在三轴压力试验中岩石的力学性质会发生哪些变化？

2.10 岩石的抗剪强度与剪切面上正应力有何关系？

2.11 简要叙述库仑、莫尔和格里菲斯岩石强度准则的基本原理及其之间的关系。

2.12 简述岩石在单轴压力试验下的变形特征。

2.13 简述岩石在反复加卸载下的变形特征。

2.14 体积应变曲线是怎样获得的？它在分析岩石的力学特征上有何意义？

2.15 什么叫岩石的流变、蠕变、松弛？

2.16 岩石蠕变一般包括哪几个阶段？各阶段有何特点？

2.17 不同受力条件下岩石流变具有哪些特征？

2.18 简要叙述常见的几种岩石流变模型及其特点。

2.19 什么是岩石的长期强度？它与岩石的瞬时强度有什么关系？

2.20 请根据坐标下的库仑准则，推导由主应力、岩石破断角和岩石单轴抗压强度给出的在坐标系中的库仑准则表达式，式中。

2.21 将一个岩石试件进行单轴试验，当压应力达到100MPa时即发生破坏，破坏面与大主应力平面的夹角(即破坏所在面与水平面的仰角)为65°，假定抗剪强度随正应力呈线性变化(即遵循莫尔库伦破坏准则)，试计算：