岩体力学特性及其参数确定
岩体力学-第8章岩体的力学性质--贺虎
2
σ3=0
1m
3
2(C j 3tg j ) (1 tg jctg )sin 2
当β＝45°＋φj／2时，岩体强度取得最低值
1 3 min
2(C j 3tg j ) 1 tg 2 j tg j
耶格（Jaeger）单结构面理论
含多组结构面，且假定各组结构面具有相同的性质时，可分步运用单结构面 理论确定岩体强度包线及岩体强度。
二、岩体变形参数估算
一是在现场地质调查的基础上，建立适当的岩体地质力学模型 ，利用室内小试件试验资料来估算。
二是在岩体质量评价和大量试验资料的基础上，建立岩体分类 指标与变形参数之间的经验关系，并用于变形参数估算。
1、层状岩体变形参数估算
层状岩体的地质力学模型 假设各岩层厚度相等为S，且性质
D—圆(方)板直径(边长)。
定，裂隙越不均匀则要求面积 越大，一般0.25~1.00m2。
ω是与承压板形状与刚度有关的系数。
对于圆形板ω＝0.785；对于方形板ω＝0.886
2、钻孔变形法
优点：①对岩体扰动小；②可以在 地下水位以下和相当深的部位进行；
Hale Waihona Puke Emdp(1 Um )
③试验方向基本上不受限制，而且
第六章 岩体的力学性质
§6.1 岩体的变形性质 §6.2 岩体的强度性质 §6.3 岩体的动力学性质 §6.4 岩体的水力学性质
§6.1 岩体的变形性质
•在受力条件改变时岩体的变形是岩块变形和结构变形的总和， 而结构变形通常包括结构面闭合、充填物的压密及结构体转动和 滑动等变形。从岩体的定义：岩块+结构面=>岩体 •岩体变形=岩块变形+结构面闭合+充填物压缩+其他变形 •在一般情况下，岩体的结构变形起着控制作用。
《岩体力学》第六章岩体的力学性质
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。
岩石力学数值模拟力学参数的确定与验证
Ｒ ｒ － 鲁＝
（ ３ ）
１ 岩体 强度 随岩 石 、 节理特 性的变化
基 于 强度 存 在 的差 异 ，可 以将 岩 体 划 分 为 均质 岩体 与非均质岩体 ， 其 中后者为包 含节理 的岩体 ， 可 假设 为 实 际工 程 中 的岩 层 。岩体 泊 松 比 、 弹性 模 量受 到 岩石 性 质 、 节 理 间距 、 刚 度 的影 响 。在 岩 体力 学参 数确定前 ， 首先对岩体泊松 比 、 弹性 模 量 与岩 石 、 节 理 的关 系 进行 研究 。
从x100处开始每步开挖10m运算至最大不平衡力小于初煤矿现代化2013年第5期总第116期岩石密度kgm3体积模量gpa剪切模量gpa抗拉强度mpa粘聚力mpa内摩擦角3号煤138082538104330148泥岩220098373703250263砂质泥岩24009959091126331细粒砂岩2520214113471351085276中粒砂岩25402107145112312632岩石rqd节理间距节理状态围岩含水性lmin总分状态评分涌水量评分3号煤62573591010稍粗糙180071054泥岩667102881010稍粗糙200071058砂质泥岩954102981010稍粗糙200071058细粒砂岩8991037101010粗糙250021570中粒砂岩7831037101215粗糙250021575岩石eskn值节理间距m15节理法向刚度gpa796节理切向刚度gpa306泥岩177060181631680砂质泥岩20906021733754细粒砂岩334028429711198中粒砂岩35401963140128760始最大不平衡力的103时运算停止进行下一步开挖计算
影响 ， 随着 Ｅ ／ （ ｓ ｋ ） 的增 大 ， 弹 性模 量 系数 逐 渐 减 小 ， 即岩体 强度 与岩 石强 度 差别 增大 。
岩体结构面几何参数的确定
岩体结构面几何参数的确定摘要：岩体是地质体的一部分，是非均质的、各向异性的不连续体。
岩体中力学强度较低的部位或岩性相对软弱的夹层，构成岩体的不连续面，称为结构面。
结构面实际上是地质发展历史中岩体内形成的具有一定方向、一定规模、一定形态和一定特征的地质界面。
关键词：岩体结构面几何参数确定岩体是地质体的一部分，是非均质的、各向异性的不连续体。
岩体中力学强度较低的部位或岩性相对软弱的夹层，构成岩体的不连续面，称为结构面。
结构面实际上是地质发展历史中岩体内形成的具有一定方向、一定规模、一定形态和一定特征的地质界面。
结构面的几何特征直接控制岩体中岩块的大小，同时控制岩质边坡稳定性分析和地下洞室围岩稳定性分析中的边界条件，即控制滑体的形状、规模及其趋势。
具有工程意义的岩体结构面主要包括地层层面和节理等。
在某抽水蓄能电站坝址区进行了大量的岩体结构面调查之后，利用所取得的资料，应用EXCEL软件，对有关几何参数进行统计分析，并利用数学模型和检验原理，确定了具有一定置信程度的置信区间。
1 结构面几何参数岩体结构面几何参数主要包括产状、间距、连通性等，结构面的产状由其走向、倾向和倾角组成，而结构面的走向和倾向可以相互换算，即只要确定其一即可（本文中以倾向为例）。
岩体结构面几何参数主要从天然露头、剖面（例如采矿剖面，道路剖面等）、平硐、钻孔中实测而得。
2 结构面倾向以结构面的倾向（方位角）为例，在工程区现场调查了二组结构面的305个数据，输入到EXCEL电子表后，得到的统计结果为：一组节理面（节理1）倾向的范围为80° ~147° ，其均值为111.4° ；另一组节理面（节理2）倾向的范围为154° ~270° ，其均值为200.9° 其分布见图1。
图1 结构面倾向统计图先对节理1进行分析，在模型的对比中可知，节理1服从伽马分布。
因此根据相对频率，计算数学期望S Ex 和方差S Dx ，然后可根据模型的特征计算其参数，a 和b 值可联立方程求得，G (a )可通过斯特林公式得到，计算结果为：a = 60.7627 和 b = 0.5279。
岩土工程中的岩土力学分析
岩土工程中的岩土力学分析岩土力学是研究土体和岩体的物理性质、力学性质及其变形和破坏规律的学科，它是岩土工程的基础和核心。
岩土工程的岩土力学分析是岩土工程设计和施工的重要工作内容之一，对于保证岩土工程的安全和可靠性具有非常重要的意义。
一、岩土力学分析的意义在岩土工程中，岩土力学分析主要包括岩土物理力学分析和岩土力学参数确定两个方面。
物理力学分析是指分析固体物质以及固体物质与流体之间的相互作用规律，这是岩土力学分析的理论基础。
力学参数的确定是指在改变的土体和岩体性状及其受力情况下，确定土体和岩体力学性质和结构特征的方法。
岩土力学分析的意义主要有以下几个方面：1、为岩土工程设计和施工提供基础性理论和技术支持。
岩土力学分析是岩土工程设计和施工的必要依据，其准确性和可靠性直接决定着岩土工程的安全和可靠性。
2、为岩土工程的灾害预防和治理提供技术支持。
岩土灾害是严重影响人类生产和生活的大自然灾害之一，岩土力学分析为研究岩土灾害的成因和预测提供了理论和技术基础。
3、为国家和地方政府制定和实施岩土工程安全管理政策提供技术支持。
岩土力学分析提供岩土工程稳定性和安全性评价的理论和技术方法，为制定和实施岩土工程安全管理政策提供支持和依据。
二、岩土力学分析的方法岩土力学分析方法非常丰富多样，常见的方法有试验方法、统计方法、解析方法和数值方法等。
1、试验方法。
试验方法是通过岩土实验来获取岩土力学性质和特性参数的方法，常见的试验包括岩石力学试验、土力学试验、岩土蠕变试验、抗剪试验等。
试验方法的优点是直接、直观、真实，能够准确地反映岩土材料的力学性质和特性参数，但试验方法的缺点是费时、费力、成本高。
2、统计方法。
统计方法是通过大量的实验数据来得到岩土力学参数的方法，常见的统计方法包括回归分析、主成分分析、聚类分析等。
统计方法的优点是简单、快捷，能够有效地处理大量数据，但需要注意数据的可靠性和典型性，避免统计误差。
3、解析方法。
岩土体物理力学参数
岩土体物理力学参数在边坡稳定性定量分析中，岩土体的物理力学参数往往直接控制着稳定系数和支护工程量。
常规的获取参数的方法主要有试验法、经验法、工程地质类比法、反演分析法等。
此外，当边坡稳定受成组结构面和岩桥共同控制时，仍常采用结构面连通率，即采用结构面和岩桥强度进行加权平均来求取潜在滑移面的综合抗剪强度。
以下对两种参数获取方法进行简单介绍。
1.试验法试验法一般可分为室内试验和现场试验两类。
现场试验试件尺寸一般较大，多为（50～70）cm×（50～70）cm，它能保持岩土体的原始状态，并能反映结构面二、三级起伏差对强度的影响，但加工困难，周期长，试验费用相对较高。
室内试验试件一般较小，多为扰动样，存在尺寸效应问题，但取样简单，可以开展各种不同工况下的试验，如三轴直剪试验、饱和固结快剪试验、饱和固结排水剪试验、慢剪试验等。
室内试验由于试验周期短，费用相对较低，可以大量开展。
目前，随着取样技术的发展，已具备取原状样的条件，且可在刚性伺服机上开展试验，能有效地确定有效正应力，控制剪切速度，试验成果较为真实可靠。
2.经验估算法可根据一些经验公式，如利用Hoek-Brown强度准则确定岩体的综合抗剪强度。
一般是在工程前期和缺乏试验的地区应用，该方法存在的问题是岩石强度权重偏大，应用在坚硬和极坚硬岩石中时，确定的抗剪强度常常偏高。
8.5.2 选择原则对于一些不重要或者工程前期缺乏试验资料的边坡，可通过经验法和工程地质类比法，初步确定岩土体的物理力学参数，以此估算边坡的稳定性和支护工程量。
对于一些已经失稳或正在变形的边坡，采用反演分析法来获取岩土体的物理力学参数是一种最有效的办法，但由于此时的抗剪强度已不是常规物理意义上的抗剪强度，而是岩土体抗剪强度参数、边界条件、地下水条件等因素的综合反映，因此，在应用时应严格注意条件的相似性。
同时，应考虑在工程有效期内工作条件的可能变化趋势对强度参数的影响，并适当进行调整。
《岩石力学》复习资料
《岩石力学》复习资料1.1 简述岩石与岩体的区别与联系。
答:岩石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,力学性质可在实验室测得；岩体是指由背诸如节理、裂隙、层理和断层等地质结构面切割的岩块组成的集合体，力学性质一般在野外现场进行测定，因此更接近岩体的实际情况，反映岩体的实际强度。
1.2 岩体的力学特征是什么？答：（1)不连续性：岩体受结构面的隔断,多为不连续介质，但岩块本身可作为连续介质看待；（2)各向异性：结构面有优先排列位向的趋势,随着受力岩体的结构趋向不同力学性质也各异；(3）不均匀性：结构面的方向、分布、密度及岩块的大小、形状和镶嵌状况等在各部位都很不一致，造成岩体的不均匀性；（4)岩块单元的可移动性：岩体的变形破坏往往取决于组成岩体的岩石块单元体的移动,这与岩石块本身的变形破坏共同组成岩体的变形破坏；（5）力学性质受赋存条件的影响：在一定的地质环境中，岩体赋存有不同于自重应力场的地应力场、水、气、温度以及地质历史遗留的形迹等。
1.3 岩石可分为哪三大类?它们各自的基本特点是什么?答：（1）岩浆岩：由岩浆冷凝形成的岩石，强度高、均匀性好；（2）沉积岩：由母岩在地表经风化剥蚀后产生，后经搬运、沉积和结硬成岩作用而形成的岩石,具有层理构造，强度不稳定，且具有各向异性；（3）变质岩：由岩浆岩、沉积岩或变质岩在地壳中受高温、高压及化学活动性流体的影响发生变质而形成的岩石.力学性质与变质作用的程度、性质以及原岩性质有关。
1.4 简述岩体力学的研究任务与研究内容。
研究任务：①建模与参数辨别;②确定试验方法、仪器与信息处理；③现场测试；④实际应用；研究内容：①岩石与岩体的物理力学性质(岩石的物质组成和结构特征，岩石的物理、水理性质，岩块在不同应力状态作用下的变形和强度特征,结构面的变性特征和强度参数的确定等）;②岩石和岩体的本构关系(岩块的本构关系，岩体结构面分类和典型结构面本构关系,岩体的本构关系）；③工程岩体的应力、变形和强度理论（岩体初始应力测量及分布规律，岩体中应力、应变和位移计算，岩体破坏机理、强度理论和工程稳定性维护与评价）：④岩石(岩块）室内实验（室内实验是岩石力学研究的基本手段）;⑤岩体测试和工程稳定监测（岩体原位力学实验原理和方法，岩体结构面分布规律的统计测试,岩体的应力、应变、位移检测方法及测试数据的分析利用,工程稳定准则和安全预测理论与方法)。
考虑地应力损伤的岩体质量分级和岩体力学参数的确定
考虑地应力损伤的岩体质量分级和岩体力学参数的确定刘焕新;郭奇峰;郭乔盛【摘要】Traditional RMR rock mass quality classfication do not consider the effect of in‐situ stress . The IRMR rock mass quality classfication which have considered the effect of in‐situ stress and made the correction had been applied in the three middle's roadways and stopes of - 510m 、 - 555m 、 - 600m in Sanshan island gold mine .Compared with the results of RMR rock mass quality classfication ,we can find that most results of IRMR rock mass quality classfication are worse than former ,but the rock mass quality of - 510 travelling roadway ,553 # stope and 601 # stope are at the same level in two evaluation system .So , it is more safe in tackling high in‐situ stress rock mass engineering using IRMR rock mass quality classfication ,and it more resonable and effective .We had used the IRMR grade to determine the rock mechnical parameters in all the three middle ,it can provide a basic evidence for numerical simulation study on optimization of the structural parameters of the deep stope and engineering disaster prevention and control ,and so on .% 传统的 RMR 岩体质量分类法未考虑地应力的影响。
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为了合理地进行岩土工程及地下工程设计和施工，必须确切了解岩土特性 及其由于自重、外部荷载或边界条件的变化而引起的岩体应力、变形及破坏的 发展规律，对岩体的稳定性做出正确的评价。 研究岩土力学问题，应以固体力学原理为基础，充分考虑其多相构造、加 载途径、时间效应、温度效应、胶结性质、节理裂隙、各向异性等特殊性质。 但由于岩体是含有大量裂隙、多相介质的复合体，含有地层形成过程中产生的 层理、节理、破碎带等异常地质结构，此外还有在采动过程中产生的裂隙以及 岩体的破碎等。要准确地把握这种材料的力学性能是异常艰难的。这就严重制 约着人们准确地获得问题的条件及岩体应力应变本构关系并建立相应的力学模 型，因此常常无法获得问题的精确解。 目前的处理方法大多只能是从宏观上来把握这种材料的力学特性，即把握 岩体的宏观力学特性，并在某种假定下对问题进行简化，如简化为平面应变问 题，或开展大量的现场试验研究。
第三节 岩石(体)力学参数的合理确定
由于岩体的力学参数受到岩块的力学性质、结构面的分布情况、结构面的性 质及地下水作用等因素的影响。 因此，采用岩体工程质量分级法对岩体力学参数进行选择，无疑是一种比较 实用的方法。 其中，RMR岩体分级法提供了计算岩体力学参数的公式，而《工程岩体分级
标准》所提供的分级法则提供了不同工程质量岩体力学参数的参考值，两者都
第一节 岩体的力学特性
岩石与岩体力学参数的关系，岩体力学参数与围压的关系，是岩石力学中 尚未很好解决的难题。 如何评价受采动影响岩体的力学特性是数值模拟结果可靠与否的关键。 一般都从岩体受力后表现的宏观表征来描述，即利用试验得出的岩体应力 一应变关系，应用曲线拟合或弹塑性理论及其他理论建立本构模型。这样可以 忽略岩块之间接触的所有细节，而采用状态参数来描述岩体力学特性，根据状 态参数建立起岩体应力一应变之间的联系。
第二节 岩石与岩体力学参数的关系
图5-3 岩体与岩石力学参数关系的统计分析 (a)杨氏模量；(b)单轴抗拉强度；(c)单轴抗压强度；(d)泊松比
第二节 岩石与岩体力学参数的关系
(1)现场测试的杨氏模量(y)和实验室测试的杨氏模量(x)之间符合方
程Y=0．469x；
(2)现场测试的单轴抗拉强度(y)和实验室测试的单轴抗拉强度(x)之 间符合方程y＝0．5x； (3)现场测试的单轴抗压强度(y)和实验室测试的单轴抗压强度(x)之 间符合方程y＝0．284x； (4)现场测试的泊松比(y)和实验室测试的泊松比(x)之间几乎符合方 程y＝x，即泊松比几乎没有什么变化。
第一节 岩体的力学特性
一、岩石单轴压缩试验
图5-1 不同岩性岩石单轴压缩试验的全应力-应变曲线 (a)泥岩；(b)砂质页岩；(c)细砂岩；(d)中砂岩
第一节 岩体的力学特性
二、岩石三轴压缩试验
图5-2 岩石全应力-应变曲线及体积应变曲线 (a)应力-应变曲线；(b)体积应变曲线
大量的岩石三轴试验表明：岩石的塑性软化特性和剪胀性是岩石材料的特 有性质，研究煤矿巷道围岩稳定性时，尤其要充分考虑这两大特性。
法。现场原位试验得到的参数固然准确可靠，但试验代价却很昂贵，只能在一
些相当重要的大型工程中进行。因此，对一般岩体工程来说，往往在室内岩块 试验基础上，通过折减的办法来估计岩体的力学参数，但这种方式主观性比较 强，选择的随意性大。由于岩体的力学参数表现出明显的随机性，且获得这些 参数十分困难，通常都采用数理统计方法来研究岩体的力学特性。
第三节 岩石(体)力学参数的合理确定
一、描述岩体力学特性的参数 假定岩石峰后软化阶段任一点的应力状态均满足强度准则，处于强度破坏的临 界状态，取岩石在峰后阶段任一点的应力状态(σ1、σ2、σ3)，认为岩石在该点 应力状态下由弹性状态达到塑性屈服的岩石具有相同的强度。岩石在峰后任一 点的广义粘聚力和广义内摩擦角与在该点应力状态下由弹性状态达到塑性屈服 岩石的粘聚力和内摩擦角具有相同的量值。岩石刚进入峰后应变软化状态和已 经处于残余应力状态时的屈服面不同。在相同围压作用下，由于岩体破碎程度 不同，使屈服面不相同，过屈服面的切线的斜率(内摩擦角)和纵坐标上的截距 (粘聚力)也不相同。这反应了岩体峰后应变软化的力学特性。广义剪胀角是用来
第二节 岩石与岩体力学参数的关系
由于数值模拟结果的可靠性很大程度上依赖于岩体力学参数的选取，选取不同 的力学参数将会产生不同的计算结果。若岩体力学参数选取不当，有时会产生错误
的结果，对工程实践会起误导作用。
如何选取节理岩体的力学参数，一个值得研究的问题。
然而由于岩体材料的复杂性，目前在力学参数选取方面还没有一套成熟的方
第一节 岩体的力学特性
岩体破坏可以分为脆性破坏和塑性破坏两种形式。
由于岩体赋存环境的变异性，不能期望得到岩体参数的精确值，只能通
过实验室试验或通过对岩体宏观特性的统计分析来预测或估算岩体强度和变 形的可能范围。 经过试验对比，一般都认为诸如弹性模量、粘聚力和抗拉强度等煤岩体 力学性质的参数取值往往只有煤岩块相应参数值的1／5~1／3，有的差别可能 更大，比值达到1／20～1／10，而煤岩体的泊松比一般为煤岩块泊松比的 1．2～1.4倍。
可以用于指导工程实践。
பைடு நூலகம்
第三节 岩石(体)力学参数的合理确定
一、描述岩体力学特性的参数
岩石的力学参数是通过实验室三轴压缩试验获得的，主要包括杨氏模量E、 材料的泊松比μ、抗拉强度σt、体积力γ、粘聚力C、内摩擦角、剪胀角ψ等。
在岩土工程中，一般常用粘聚力和内摩擦角描述岩石的力学特性。本文从 工程实用的角度出发，根据粘聚力和内摩擦角的概念，引入广义粘聚力、广 义内摩擦角和广义剪胀角，以此描述岩体的力学特性。
第一节 岩体的力学特性
岩石的力学特性是通过实验室的三轴压缩试验获得的，实验室三轴压缩 试验可分为常规试验和真三轴试验，其中常规三轴试验是在径向压力(围 压)σr(σr=σ2=σ3)不变的情况下，增加轴向压力σ1直到岩石试件破坏，得 到某一围压作用下的应力-应变曲线，通过改变围压大小，得到一组不同围 压作用下的全应力-应变曲线。而真三轴压缩试验是在不同的侧压作用下， 即σ2≠σ3时，获得的全应力一应变曲线。