岩石力学
岩体力学名词解释
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。
岩石力学岩石压力及其控制
一、基本概念
地压：泛指在岩体中存在的力，它既包括原岩对围岩的作用 力，也包括围岩间的相互作用力，又包括围岩对支架的作用 力。 狭义地压：把围岩因变形移动和岩块冒落作用在支架上的压 力称为狭义地压。 广义地压：将岩体内部原岩作用于围岩和支架上的压力称为 广义地压。
b1 a12
x2 dx
2a
3a1
3a12 a2
近似顶压= 2a1b1
（二）、侧压计算
当两帮不稳定时 f 2
1
p 2
pc pE'
H
pc
b1
tg 2 45
2
pE'
b1
H tg 2 45
2
合力作用点
y
H 3
2b1 H 3b1 H
（三）、底压计算
EA
BF
CT TD
K C
ex
sin
x
cosx
4 K
4EI
4 C
4EI
C : 充填体阻力系数 K :矿石阻力系数
由弹性地基梁理论可知，在充填体一侧顶板压力：
y
q0
1
e
x
sin
x
cosx
4 K
4EI
4 C
4EI
C : 充填体阻力系数 K :矿石阻力系数
地压活动影响因素：
1、自然因素：岩石、岩体的物理力学性质，原岩应力状态、开采深度、 地质构造发育程度、地下水活动、
2、人为因素：采矿方法、矿块结构参数、开采顺序、开采强度、支护 方式、爆破规模。
六、开采顺序对次生应力分布的影响
（一）、沿走向开采顺序
1、自矿体一端向另一端回采（单侧回采）：当采用单侧回采时，回采 空间周围岩体次生应力场取决于采场跨度、同时回采采场数目。
岩石力学
岩石力学岩石的物理性质 一、 岩石的分类火成岩：侵入岩和喷出岩。
沉积岩：砂岩（95%的油气储量）、页岩（待开采，如页岩气、煤层气）、石灰岩。
变质岩：不含油气。
二、 岩石的强度主要取决于：组成其矿物的强度、连接结构形式、岩石的结构和整体构造、胶结物的成分和胶结方式 三、岩石的物理性质孔隙度、渗透率、可压缩性、导电性、传热性的总称。
1、 孔隙度：绝对孔隙度：φ = V 孔/V 岩总 孔隙度越高，岩石的力学性质越差。
有效孔隙度： φ有效 =V 连通/V 孔总。
2、 渗透性：在一定压力作用下，孔隙具有让流体（油、气、水）通过的性质。
其大小用渗透率来描述，反映了流体在岩石孔隙中流动的阻力的大小。
达西定律：A LhK Q ∆=φ...K Φ——反应岩石性质系数 含义：以粘度为1厘泊的流体完全饱和于岩石孔隙中，在1个大气压差的作用下，以层流的方式用过截面积为1cm 2,长度为1cm 的岩样时，其流量为1cm 3/s 。
则渗透率为1达西（D ）。
3、 岩石中的油、气、水饱和度。
…4、 岩石的粒度组成和比表面积：粒度组成的分析方法：筛分析法和沉降法。
通过粒度得孔隙度。
比表面积：单位体积岩石内颗粒的总表面积。
通过粒度组成估算比面。
孔隙度、粒度、比表三者之二求一岩石的力学性质岩石的类型、组成成分、结构构造、围压、温度、应变率、载荷等对其力学性质都有影响 一、 岩石变形性质的基本概念1、 弹性：… 基本弹性参数E 、υ。
2、 塑性3、 黏性：物体受力后，变形不能在瞬时完成，且应变率随应力的增加而增加的性质。
4、 脆性：受力后变形很小就发生破裂的性质。
（ε>5%就发生破裂的称为塑性材料,小于的称脆性材料）5、 延性：发生较大塑性变形，但不丧失其承载能力的性质。
岩石在常温，常压下，并不是理想的弹性或塑性材料，而是几种的复合体，如塑弹性、塑弹塑、弹塑蠕。
其本构关系略。
6、常温常压下岩石的典型应力-应变曲线：（重点）OA---塑性，应力增加快，但应变增加不多。
岩石力学
岩石力学1.岩石与岩体的区别和联系？答：岩石是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。
岩体，是指一定工程范围内的自然地质体，它经历了漫长的自然历史过程，经受了各种地质作用，并在地应力的长期作用下，在其内部保留了各种永久变形和各种各样的地质构造形迹（不整合、褶皱、断层、层里、节理、劈理等不连续面。
岩体=岩块+结构面。
岩石和岩体的重要区别就是岩体包含若干连续面，岩体的强度远低于岩石强度。
2.简述岩石力学的研究内容和方法？研究内容：①岩石与岩体的物理力学性质②岩石和岩体的本构关系③工程岩体的应力、变形和强度理论④岩石室内实验⑤岩体测量和工程稳定监测。
研究方法：采用科学实验、理论分析与工程紧密结合的方法。
3.岩石的物理性质指标主要有哪些？它们是如何定义的？答：质量密度（单位体积的质量）；重度（单位体积的重量）；相对密度（岩石的干重量除以岩石的实体积所得的量与1个大气压下4摄氏度的纯水的重度的比值）；孔隙率（孔隙体积与总体积百分比）；孔隙比（孔隙体积与固体的体积之比）；含水率（天然状态下岩石中水的重量与岩石烘干重量的百分比）；吸水率（干燥岩石试样在一个大气压和室温条件下吸入水的重量与岩石干重百分比）；饱水率（岩样在强制状态（真空、煮沸、高压）下，岩样的最大吸水重量与岩样烘干重量的百分比）；渗透性（在水压力作用下，岩石的孔隙和裂隙透过水的能力）；膨胀性（岩石浸水后体积增大的性质）；崩解性（岩石与水相互作用时失去黏结性并变成完全丧失强度的松散物质的性能）；软化性（岩石与水相互作用时强度降低的特性）；抗冻性（岩石抵抗冻融破坏的性能称为岩石的抗冻性）。
岩石容重：单位体积的岩石的重量分为天然容重、饱和容重、干容重。
4简述岩石在单轴压缩条件下的变形、破坏特征并说明原因(论述)？分为四段：①孔裂隙压密阶段：应力-应变曲线呈上凹形，其斜率随应力增加而逐渐增大，包含永久变形；原因：试件中原有微裂隙在压应力作用下逐渐闭合。
岩石力学
1 RC 1 RC
•
1 最大正应力理论（朗肯理论）
• 假设材料的破坏只取决于绝对值最大的正应力， 因此当岩石内的三个主应力中只要有一个达到
单轴抗压强度或单轴抗拉强度时，岩石就算破
坏。准则为： 1 RC 3Rt
• 或 1 2 R 22 2 R 23 2 R 2 0
• 适用条件：单向应力状态及脆性岩石在二向应 力状态中受拉的情况，对复杂应力状态不适用。
• 2 试验方法上的因素或人为因素，如试件形 状、尺寸、大小，试件加工情况和加荷速 率等
• 各因素的影响见书中P33-34
第四节 岩石的抗拉强度
• 岩石的抗拉强度就是岩石试件在单轴 拉力作用下抵抗破坏的极限能力。或 者说极限强度在数值上等于破坏时的 最大拉应力。
• 岩石的抗拉强度比其抗压强度低得多。
• 实际的荷载形式是多种多样的，它使任何单一的 岩石破坏模式都不会居主要的地位。在荷载作用 下，岩体实际的破坏情况是相当复杂的，它可能 是由上述的一种或多种破坏模式。
第三节 岩石的抗压强度
• 岩石的抗压强度是岩石试件在单轴压力下抵抗破 坏的极限能力，或极限强度在数值上等于破坏时 的最大压应力。（分饱和和天然状态）
Rc---岩石单轴抗压强度(MPa) P---岩石试件破坏时的荷载(MN) A---试件的横断面面积(m)
• 表3-1 岩石的单轴抗压强度和抗拉强度
• 影响岩石的抗压强度的因素很多，这些因 素可分为两方面：
• 1 岩石本身的因素，如矿物成分、结晶程度 颗粒大小、颗粒联接及胶结情况、密度、 裂隙的特性和方向、风化程度和含水情况 等。
• 1直剪试验 • 直剪试验的受力方式示意图如下：
• 现场直接剪切实验示意图
• 直接剪切实验的注意事项：
第三章 岩石力学基本知识介绍
p r0 t
c
P A
t
抗剪试验
抗弯试验
P s A
3Pl b 2bh 2
表 1-4 岩石的抗压、抗拉、抗剪和抗弯强度
岩石 粗粒砂岩 中粒砂岩 细粒砂岩 页 岩 泥 岩 石 膏 含膏石灰岩 安山岩 白云岩 石灰岩 花岗岩 正长岩 辉长岩 石英岩 辉绿岩 抗压强度 σ cMpa 142 151 185 14－61 18 17 42 98.6 162 138 166 215.2 230 305 343 抗拉强度 σ tMpa 5.14 5.2 7.95 1.7－8 3.2 1.9 2.4 5.8 6.9 9.1 12 14.3 13.5 14.4 13.4 抗剪强度 τ sMpa － － － － － － － 98 118 145 198 221 244 316 347 抗弯强度 σ rMpa 10.3 13.1 24.9 36 3.5 6 6.5
d dt
弹性
塑性
粘性
材料的变形性质
弹性：一定的应力范围内，物体受外力作用产生变形，而 去除外力后能够立即恢复其原有的形状和尺寸大小的性质
产生的变形称为弹性变形 具有弹性性质的物体称为弹性介质
弹性按其应力和应变关系又可分为两种类型
应力和应变呈直线关系—即线弹性或虎 克型弹性或理想弹性 应力应变呈非直线的非线性弹性
l
xx
xx l x
xx
o
xx l x
xy
xy x
l
yx
yx y
l
yy
yy y
l
一点应力状态——剪应力互等定理
xy xy 2 2 M oz xy l 2l l xy l 2l l x x yx yx 2 2 yx l 2l l yx l 2l l y y
构造地质学05第五章岩石力学性质
τｍａｘ＝ τ０ …（１）
τ０为抗剪强度极限
理论上，破裂面应沿最大剪应力面产生，形成棋 盘格式构造。剪裂角＜ ４５０？
库伦解释是岩石抗剪强度与剪应力和正应力有 关，因此将（１）式改为：
De/dt 常量
撤出应力
t0 t1 t2
t3
时间
永久应变
t4 t5
松弛——保持应变不变，应力随时间而减小。 （相当于降低了岩石的弹性极限） （1）、应力随时间减小，松弛速度急剧下降。 （2）、应力经很长时间后可趋于一极限值
实践证明：在地质上岩石能否在很长时间的极 小差异应力下不断变形，需要一定的温度和压 力条件，因为它一般发生在地壳深层或它具备 有利于蠕变之条件的地方，如某些强变形带中。
剪切 脆性
挠曲
压扁
流动 温度
韧性
熔融 围 压
岩石随P-T条件的变化而呈现 变形习性及相应的主要变形机制
显理 示想 了的 各地 构壳 造一 层段 次剖 构面 造， 样剖 式面
三．岩石变形的时间因素
在地质条件下，岩石变形是长期的，通常要 以百万年为单位，因此评价时间因素对岩石变 形的效应具有关键意义。
σｙ＝０
完全塑性材料。没
有载荷，变形继续
增大。
如果超过屈服点，继 续塑性变形，需施加 更大的应力超过屈服 应力，这个过程称应 变硬化或加工硬化。 经过一段应变硬化的 塑性变形后卸载，应 力－应变曲线回到e２ 表明总的永久变形。
应变硬化
σｙ＞０ σｙ＝０
如果将同样应力继续 加上去，应力－应变 曲线则沿以前路径回 到塑性变形Ｐ位置上 ，好像增大了弹性范 围和增高了屈服应力 （σｙ／）。因此应变 硬化可以看作屈服强 度随递进变形而连续 升高。
岩石力学
一、名词解释：1、岩石力学：研究岩石的力学性状和岩石对各种物理环境的力场产生效应的一门理论科学，是力学的一个分支，同时它也是一门应用科学。
2、岩石：是由各种造岩矿物或岩屑在地质作用下按一定规律组合而成的多种矿物颗粒集合体，是组成地壳的基本物质。
3、岩体：是地质体，它的形成于漫长的地质年代有关，它是一定工程范围内的自然地质体，经过各种地质运动，内部含有构造和裂隙。
4、结构面：①指在地质历史发展过程中岩体内形成的具有一定的延伸方向和长度，厚度相对较小的宏观地质界面或带。
②又称弱面或地质界面，是指存在于岩体内部的各种地质界面，包括物质分异面和不连续面，如假整合、不整合、褶皱、断层、层面、节理和片理等。
5、岩石结构：结构面和结构体在岩体内的排列组合形式，称为岩体结构。
6、软化系数：指岩石试件的饱和抗压强度与干燥状态下的抗压强度的比值7、弹性模量：弹性范围内轴向应力与轴向应变之比。
8、变形模量：岩石在单轴压缩条件下，轴向应力与轴向应变之比。
9、泊松比：岩石在单向受压条件下，横向应变与纵向应变之比10、抗压强度：是指岩石试件在单轴压力下达到破坏的极限值。
11、抗拉强度：是指岩石试件在单向拉伸条件下试件达到破坏的极限值。
12、抗剪强度：是指岩石抵抗剪切破坏的能力13、流变性：指在外界条件不变时，岩石应变或应力随时间而变化的性质。
14、蠕变：在大小和方向都保持不变的外力作用下，变形随时间不断增长的现象。
15、准岩体强度：考虑裂隙发育程度，经过修正后的岩石强度称为准岩体强度。
16、完整性系数：是岩体中纵波速度和同种岩体的完整岩石中纵波速度之平方比。
17、普氏系数：岩石单轴抗压强度的十分之一。
18、RQD ：指大于10cm 的岩芯累计长度与钻孔进尺长度之比的百分数。
19、原岩应力：岩石是地球表层的物质，在漫长的地质年代里，由于地质构造运动等原因使地壳物质产生了内应力效应在，这种应力称为地应力或原岩应力。
20、自重应力：由于岩体自重而产生的天然应力叫自重应力。
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一、解释下列术语：
1.残余强度2岩体结构 3.塑性破坏 4.岩石的渗透性 5. 岩石的RQD 质量指标6.岩石的峰值强度7.隧道围岩应力 8.剪切破坏 9.岩石的渗透性 10. 蠕变11.结构面 1
2.原岩应力
12.长期强度 13.流变 14.岩石的渗透性 15.莫尔强度理论17.真三轴压缩实验18.塑性破坏19.各向同性体20.原生结构面21.残余变形22.空壁应变法23.应力变化系数24.膨胀地压
25.岩石的三向抗压强度 26.岩石的碎胀性 27. 矿山压力 28、岩石试件形态效应与尺寸效应29..假三轴实验30 岩石的强度31喷锚支护32.粘性33．围岩与支护共同作用34．泊松比35．应力重分布 36．岩石的饱和吸水率 37割线模量
二、问答题
1、设有一深埋的圆形巷道，半径为R0，围岩为均质、各向同性的无限弹性体，原岩的初始应力为p0，侧压力系数为1，围岩满足三类方程（忽略围岩自重）： 平衡方程：0=-+r dr d r r θσσσ 几何方程：
r u dr du r ==θεε, 本构方程：
⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛---=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛---=r r r E E σμμσμεσμμσμεθθθ111122 求：① 围岩内应力；② 确定巷道的影响范围。
2、 现有一个截面积为5000cm2的花岗岩柱，该岩石的内聚力c=20Mpa, 内摩擦角 φ=30˚。
试问该岩柱面承受多大荷载才发生破坏？
3、推导下列公式：
φσσσσφcctg 2sin 313
1++-=
4 设有一无限弹性的圆形巷道，初始应力为p ，侧压力系数为1，巷道半径为a ，试推导采动影响范围。
5、已知一个圆形巷道，原岩作用在巷道围岩周边上的压力分别为P 和q ，
时，试证明巷道的顶板和底板即
时，会出现拉应力。
已知巷道周边的径向应力和切向应力为：） 6、某均质岩石的强度曲线为：τ=σtg φ+c,其中c=40Mpa, φ=30˚。
在侧向围岩应力σ3=20 Mpa 的条件下，试求岩石的极限抗压强度，以及破坏面的方位。
7. 岩体处于100m 深，上部岩体的平均容重γ=2.5T/M3，泊松比μ=0.2，自重应力为多少？当侧压力系数为1.0时，自重应力为多少？
8某矿在距地表200米处的页岩中掘进半径为2.0M的巷道，上露岩层GAMA=25KN/M3围岩C的=2.5Mpa,FI=30,MU=0.5该巷道围岩时候会出现塑性区？
9在房柱法开采中，单一采场采完后，空区上履岩层的重力转移到采场左右两侧承压带中，使该两承压带中的垂直应力大幅度增加。
左右又各自采空一个采场后，原承压带（现称之为矿柱）的承载面积减小，而空区上履岩层。
10. 在岩石常规三轴试验中，已知侧压力σ3分别为5.1MPa、20.4MPa、0Mpa时，对应的破坏轴向压力分别是179.9MPa、329MPa、161Mpa，近似取包络线为直线，求岩石的c和φ值。
12. 已知某岩体的抗剪强度指标为粘结力c=2Mpa、内摩擦角φ＝30°，它的抗拉强度σt＝－1Mpa。
已测出该岩体中某点的最大主应力σ1＝12MPa，最小主应力σ3＝3Mpa。
试分别用莫尔――库仑强度理论和格里菲斯强度理论判断该点的岩石是否破坏。
13当测得一种岩石的单轴抗压强度为8Mpa。
在常规三轴试验中，当围压加到4Mpa时测得的抗压强度为16.4Mpa。
求这种岩石的粘结力c和内摩擦角φ的值。
14. 已知矿房顶板的最大主应力σ1＝611.97kg/cm2，最小主应力σ3＝－190.83kg/cm2。
矿石的单向抗拉强度St=-86kg/cm2。
试用格里菲斯强度理论判断矿房顶板的稳定性。
15. 有一半径为r=3m的圆形隧洞，埋藏深度H＝50m，岩石容重γ＝2.7t/m3，泊松比μ＝0.3，岩体弹性模量E=1.5×105kg/cm2。
试求θ＝0o、90o处的隧洞周边应力和位移。
16某矿大理岩试验成果如下：其单向抗压强度Sc=1200kg/cm2；当侧压力σ2＝σ3＝400kg/cm2时，其破坏时垂直压力为σ1＝2800kg/cm2；当侧压力为σ2＝σ3＝800kg/cm2，其破坏时垂直压力为σ1＝3800kg/cm2。
试问：（1）当侧压力为σ2＝σ3＝600kg/cm2时，垂直压力σ1＝2400kg/cm2，其试件是否破坏？（2）当侧压力为σ2＝σ3＝400kg/cm2时，垂直压力σ1＝3600kg/cm2时，其试件是否破坏？。