岩石力学---第八章 岩体力学新进展
岩石力学重点提示3
岩⽯⼒学重点提⽰3第⼋章岩体⼒学在边坡⼯程中的应⽤（⼀）岩质边坡的应⼒分布特征由有限元法分析的结果知，形成边坡后，岩体中的应⼒有如下变化特性：1.由于应⼒重新分布，边坡周围的主应⼒迹线发⽣明显偏转，其总的特征为愈靠近临空⾯，最⼤主应⼒（1σ）愈接近平⾏临空⾯。
2.坡脚附近最⼤主应⼒（相当于临空⾯的切向应⼒）显著增⾼，且愈近表⾯愈⾼；最⼩主应⼒则显著降低，于表⾯处降为零，甚⾄转为拉应⼒。
3.坡缘（坡⾯与坡顶的交线）附近，在⼀定的条件下，坡⾯的径向应⼒和坡顶的切向应⼒可转化为拉应⼒，形成张⼒带。
4.坡体内最⼤剪应⼒迹线由原来的直线变为近似圆弧形，弧的凹⾯朝向临空⽅向。
5.坡⾯处于单向应⼒状态（不考虑坡⾯⾛向⽅向的2σ）向内渐变为两向（若考虑2σ则是三向）应⼒状态。
另外，应注意到，以上特征只能使⽤于均质各向同性的岩体中，如果边坡内存在⼤的断层或层状岩体，则应⼒分布必有较⼤的差异。
影响应⼒分布的主要因素有：原岩应⼒状态、岩坡形态、岩体的变形特征和结构特征等。
其中，以原岩应⼒状态的影响最为显著。
（⼆）岩质边坡的变形和破坏特征岩质边坡中未出现贯通性破裂⾯之前，坡体的变化特征属变形特征；出现贯通性破裂⾯后的坡体特征属破坏特征。
其发展过程是：坡⾯及附近岩体松动（⼜称松弛张裂）－岩体蠕动－加速蠕动－破坏。
其中，前三步的特征均属变形特征，最后⼀步的特征才是破坏特征。
1.变形特征在边坡形成的初始阶段，由于卸荷作⽤，岩体内的应⼒重新分布，使边坡表⾯及其附近岩体发⽣松动，形成表⾯张开裂隙，包括：回弹裂隙，坡⾯、坡顶张裂带裂隙，坡脚应⼒集中带的张开裂隙。
岩坡发⽣松动后，降低了岩体的强度，在外⼒（主要是⾃重）作⽤下，岩体向⾃由⾯⽅向缓慢变形，称之为岩坡的蠕动。
如果坡体中的应⼒⼩于岩体的长期强度，坡体的蠕动逐渐减速，最后趋于稳定；反之，坡体蠕动加速，最终导致破坏。
2.破坏特征由于边坡的破坏有各种各样的原因，⽽产⽣破坏后的形态和作⽤也极不⼀致，因⽽岩坡破坏形式的分类也是各种各样的。
岩土力学
岩体力学的发展可分为两个阶段： 连续介质力学阶段。把岩体视为一种完整的连续介质材料，将连 续介质力学的理论和方法，特别是把土力学理论移植过来，用于 解决在工程建设中遇到的岩体力学问题。 碎裂岩体力学阶段。在20世纪50年代末和60年代初，国际上发生 了几次大型水坝工程事故。在对这些重大事故研究过程中，逐渐 注意到岩体并不是完整一块，而是由节理、断裂等切割成的碎裂 岩体。在岩体力学研究中重视了节理、断裂面等力学作用，提出 了不连续性、不均匀性、各向异性是岩体的重要特征；注意到尺 寸效应等现象。在力学分析上出现了块体分析的理论和方法。 当 前，连续介质力学理论仍具有支配作用。同时，正在注意研究碎 裂介质岩体力学分析理论和方法；研究结构力学的理论和方法在 岩体力学研究中的应用；研究运用岩体变形观测反分析与岩体改 造措施相结合的实用岩体力学问题，不断地深入认识岩体，修改 设计，补充岩体改造措施，使岩体工程设计逐步完善，并有了一 套应用岩体力学的理论和方法。
拉伸破坏
劈裂破坏
剪切破坏
延性破坏
岩石材料的试验机
非刚性机
刚性机
岩石的强度
岩石的强度——表示岩石抵抗外力破坏能力的大小 峰值强度——在临近破坏时具有的最大承载能力。 残余强度——在发生破坏后仍然具有的承载能力。 岩石的抗压强度、抗剪强度及抗拉强度——岩石在
压缩、剪切或拉伸应力作用下的抗破坏能力各不相同，与 之相对应的强度值分别为抗压强度、抗剪强度和抗拉强度。
o B、沉积岩 o 是由风化剥蚀作用或火山作用形成的物质，在 原地或被外力搬运，在适当条件下沉积下来， 经胶结和成岩作用而形成的，具层理构造。
o C、变质岩 o 是在已有岩石的基础上，经过变质混合作用后 形成的。由于温度、压力的不同，则有高温变 质、中温变质及低温变质，再加上作用力的不 同，又有更多的组合的变质混合条件。
岩石力学-第八章01
《岩石力学》
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智能岩石力学及其特征
智能岩石力学及其研究方法 o
o
o
智能岩石力学是应用人工智能的思想，研究智能 化的力学分析与计算模型，研制具有感知、推理 学习、联想、决策等思维活动的计算机综合集成 智能系统。 智能岩石力学是将人工智能专家系统、神经网络、 模糊数学、非线性科学和系统科学的思想与岩体 力学进行交叉和综合而发展起来的一种新的学科 分支。因此，它是一个多学科交叉的综合体系。 智能岩石力学的研究方法采用自学习、非线性动 态处理、演化识别、分布式表达等非一对一的映 射研究方法以及多方法的综合集成研究模式。
2014-5-12
《岩石力学》
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确定分形维数比较使用的方法：改变粗视化程度
（尺寸）求分数维；根据测度关系求分数维；根据 相关函数求分数维；根据分布函数求分数维；根据 光谱求分数维。 分形主要是研究一些具有自相似性的不规则曲线， 具有自平演化的不规则曲线，具有自平方性的分形 变换和具有自仿射的分形集。 线性分形即具有自相似性的分形是分形几何的主要 内容，线性分形的维数变化是连续的。 简单地说，自相似就是局部是整体按比例缩小的性 质，也称尺度不变性或尺度无关性。
2014-5-12
《岩石力学》
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虽然DDA
的正分析方法看起来像离散元法，但是 DDA 的分析过程更接近有限元法。 DDA与有限元法(FEM)的不同之处是： o 单元界面之间的变形是可以不连续的； o 单元形状可以是任意的凸形、凹形或组合多边形； 单元之间的接触不一定要求角点与角点的接触； o 未知数是所有块体自由度的总和。 尽管离散元法(DEM)和不连续变形分析(DDA)都能 模拟相互作用离散块体的复杂本构性质，但两者在 理论上是不相同的。其不同之处在于：DDA是一种 位移方法，而离散元法是一种力法。
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：
《岩石力学》课件(完整版)第八章岩体力学在边坡工建中的应用
岩石崩塌
平移滑动 旋转滑移
岩块流动
岩层曲折
四、平移滑动的力学稳定性分析
1、单一连续滑致滑力
W sin
滑动面
W 滑动体
W cos
W cos tan
图8-8 平面剪切破坏
（1）滑动体的体积： W rH 2 sini 2 sin i sin
（2）滑移面AB上
总粘结力：C
4、存在裂隙水压力时
计算 K值公式中的Ni，Ti变成 Ni/和T/
其中：T/ --岩条单元重量引起的剪应力和
渗透力之和。
N
/ i
Ni
li
li和 --岩条单元滑动面长度和静水压力。
八、岩坡加固措施
岩坡失稳两方面因素
下滑力增加 抗滑力降低
措施：①排水②减荷③加固
挡墙 桩基 锚杆 注浆
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第八章 岩体力学在边坡工程中的应用
一、边坡中的应力分分析 现有方法：
（1）应力测量法； （2）室内光弹性和模拟实验法； （3）数值计法； （4）近似计算法
二、岩坡破坏形式与分类
1、岩石崩塌
从力学特性来 看分为五类
2、平移滑动 3、旋转滑移 4、岩块流动
5、岩层曲折
1、岩石崩塌(图8-6a)
原因：裂隙水压力、冻胀力致
2、平移滑动(图8-6b) 由于外界条件干扰（开挖、风化、震动）滑
移体沿弱面滑移
3、旋转滑动(图8-6c)
由于外界条件干扰，在均质页岩或泥岩中产生 新的圆弧破裂面，岩体沿此圆弧面产生滑移。
4、岩块流动(图8-6d)
高应力作用下，生产脆性破裂（破坏）面。 不规则。
5、岩层曲折(图8-6e) 在自重与裂隙水压力共同作用下岩层面发生
岩体力学概述
(1) 岩体和地质体是同一物体在不同场合的两个名词。 (2) 就具体问题研究而言，岩体即为地质体的一部分。 (3) 岩体是工程地质学和岩体力学的专有名词。有时将土 体作为一种特殊岩体对待。
岩体的组成要素
岩体——在地质历史过程中所形成的，已经遭受过变形和破坏，具 有一定物质成分和结构并赋存于一定地质环境中的地质体。岩体是 工程地质学和岩体力学的专有术语。
∵岩体是长期地质作用的产物 ∴其非均质性是绝对的，而均质性是相对的和有条件的。
∵岩体具有非均质性 ∴同一岩体不同部位的工程性质可有较显著的不同，表现为试验结
果具有较大的离散性。
各向异性
岩体的各向异性——岩体的物理力学性质随取向不同而具有明显方 向性差异的性质。
各向异性的主要原因是存在于岩体中的结构面具有优势方位 及岩体赋存环境具各向异性。
改造过程
在建造过程中形成的岩体，其岩石成分、原生岩体结构和赋存 环境是与当时的物理化学环境相适应的，而且只适应当时的环境。
当条件变化时，它们也随之改变，以适应新的环境条件。岩体 一经在建造过程中形成，就要遭受后期多次反复的内外动力地质作 用的巨大改变，这一过程称为岩体的改造过程。 经过内外动力地质作用，岩体得到了全面的改造，包括岩石成分、 岩体结构和赋存环境的改造。
物质成分
岩石结构、构造
岩 地质特征 成因类型
石
岩性岩相变化
的
成层条件、厚度变化
特 物理(水理)性质
性 力学性质
岩石＝结构体
结构体特性
结构面特征
岩
体 的
特 性
＝＞岩体力学中非常重视对岩石的物理力学性质及其影响因素的研究， 这是整个岩体力学基础之一。
必须对工程区地层有系统全面的了解
岩体力学
1.岩体力学的定义：岩体力学主要是研究岩石和岩体力学性能的一门学科。
是探讨岩石和岩体在其周围物理环境（力场、温度场、地下水等）发生变化后，作出响应的一门力学分支。
2.岩石的定义：岩石是矿物或岩屑地质作用下按一定的规律聚集而形成的自然物体。
3.岩体的定义：在岩体力学中，通常将在一定工程范围内的自然地质体称为岩体。
4.结构面的定义：所谓结构面，是指具有极低的或没有抗体强度的不连续面5.岩石的力学特征：1.不连续性.2.各向异性.3.不均匀性.4.赋存地质因子的特性.6.学派：1.地质力学的岩石力学派。
2.工程岩石力学派。
第二章1.岩石的基本物理性质：1.岩石的密度指标。
2.岩石的孔隙性。
3.岩石的水理性质。
4.岩石的抗风化指标。
5.岩石的其他特性。
2.岩石的强度特性：所谓强度，是指材料在荷载作用下，所能承受的最大的单位面积上的力。
通常研究岩石的单轴抗压强度（无侧限压缩强度）、抗拉强度、剪切强度、三轴压缩强度等。
在单向压缩荷载作用下试件的破坏形态：1.圆锥形破坏。
2.柱状劈裂破坏。
3.四种强度特性：1.岩石的单轴抗压强度。
2.岩石的抗拉强度。
3.岩石的抗剪强度。
4.岩石在三向压缩应力作用下的强度。
4.岩石三向压缩强度的影响因素：1.侧向压力的影响。
2.试件尺寸与加载速率的影响。
3.加载路径对岩石三向压缩强度的影响。
4.孔隙压力对岩石三向压缩强度的影响。
5.岩石应力应变全过程曲线（略）6.岩石的流变性包含着三部分的内容：岩石的蠕变、岩石的应力松弛、岩石的长期强度。
7.所谓的蠕变是指岩石在恒定的外力作用下，应变随时间的增长而增长的特性，也称作徐变。
8.典型蠕变曲线（略）。
9.影响岩石蠕变的主要因素：1.应力水平对蠕变的影响。
（不能太大也不能太小，中等应力水平（60%-90%）峰值）2.温度、湿度对蠕变的影响。
10.岩石介质力学模型：1.基本力学介质模型：弹性介质模型、塑性介质模型、粘性介质模型。
2.常用的岩石介质模型：弹塑性介质模型、粘弹性介质模型：马克斯韦尔模型、凯尔文模型。
岩石力学资料
一、岩石和岩体岩石⑴自然形成的产物；⑵由一种或几种矿物组成的具有一定结构构造的固体集合体。
岩体：地质历史过程中形成的，由岩块和结构面组成的，具有一定的结构并赋存于一定的天然应力状态和地下水等地质环境中的地质体。
岩体就是岩石和结构面的统一体。
结构面:地质历史发展过程中，在岩体内形成的具有一定的延伸方向和长度，厚度相对较小的地质界面或带。
（如节理、裂隙、褶皱等结构面。
）二、岩体的特征1、岩体是非均质各向异性的材料。
2、岩体内存在着原始应力场。
3、岩体内存在着一个裂隙系统4岩体既不是理想的弹性体，也不是典型的塑性体，既不是连续介质，又不是松散介质，而是一种特殊的复杂的地质体，这就造成了研究它的困难性和复杂性岩体力学研究的主要对象是岩体，研究岩体在力场作用下，所发生的变形、破坏和移动规律的理论及其实际应用的科学，是一门应用型基础学科。
岩石的强度：岩石抵抗外力作用的能力，岩石破坏时能够承受的最大应力。
a.单向抗压强度b.单向抗拉强度c.剪切强度d.三轴抗压强度岩石的变形：岩石在外力作用下发生形态（形状、体积）变化。
a.单向压缩变形b.反复加载变形c.三轴压缩变形d.剪切变形岩石单轴抗压强度1）定义：岩石在单轴压缩荷载作用下达到破坏前所能承受的最大压应力称为岩石的单轴抗压强度计算公式：σc=P/A5)水对单轴抗压强度的影响－软化系数：岩石的软化系数：饱和岩石抗压强度σb与干燥岩石抗压强度σc之比η=σb/ σc≤11.2岩石单轴抗拉强度定义：岩石在单轴拉伸荷载作用下达到破坏时所能承受的最大拉应力称为岩石的单轴抗拉强度。
试件在拉伸荷载作用下的破坏通常是沿其横截面的断裂破坏，岩石的拉伸破坏试验分直接试验和间接试验两类抗剪切强度定义：岩石在剪切荷载作用下达到破坏前所能承受的最大剪应力称为岩石的抗剪切强度剪切强度试验分为非限制性剪切强度试验和限制性剪切强度试验二类。
非限制性剪切试验在剪切面上只有剪应力存在，没有正应力存在；限制性剪切试验在剪切面上除了存在剪应力外，还存在正应力。
岩体力学
岩石力学岩石力学是一门认识和控制岩石系统的力学行为和工程功能的科学。
岩石力学是伴随着采矿、土木、水利、交通等岩石工程的建设和数学、力学等学科的进步而逐步发展形成的一门新兴学科，按其发展进程可划分四个阶段：（1）初始阶段（19 世纪末～20 世纪初）这是岩石力学的萌芽时期，产生了初步理论以解决岩体开挖的力学计算问题。
例如，1912 年海姆（A．Heim）提出了静水压力的理论。
他认为地下岩石处于一种静水压力状态，作用在地下岩石工程上的垂直压力和水平压力相等，均等于单位面积上覆岩层的重量，γH。
朗即金（W．J．M．Rankine）和金尼克也提出了相似的理论，但他们认为只有垂直压力等于γH，而水平压力应为γH 乘一个侧压系数，即λγH。
朗金根据松散理论认为；而金尼克根据弹性理论的泊松效应认为。
其中，λ、υ、φ分别为上覆岩层容重，泊松比和内摩擦角，H 为地下岩石工程所在深度。
由于当时地下岩石工程埋藏深度不大，因而曾一度认为这些理论是正确的。
但随着开挖深度的增加，越来越多的人认识到上述理论是不准确的。
（2）经验理论阶段（20 世纪初～20 世纪30 年代）该阶段出现了根据生产经验提出的地压理论，并开始用材料力学和结构力学的方法分析地下工程的支护问题。
最有代表性的理论就是普罗托吉雅柯诺夫提出的自然平衡拱学说，即普氏理论。
该理论认为，围岩开挖后自然塌落成抛物线拱形，作用在支架上的压力等于冒落拱内岩石的重量，仅是上覆岩石重量的一部分。
于是，确定支护结构上的荷载大小和分布方式成了地下岩石工程支护设计的前提条件。
太沙基（K．Terzahi）也提出相同的理论，只是他认为塌落拱的形状是矩形，而不是抛物线型。
普氏理论是相应于当时的支护型式和施工水平发展起来的。
由于当时的掘进和支护所需的时间较长，支护和围岩不能及时紧密相贴，致使围岩最终往往有一部分破坏、塌落。
但事实上，围岩的塌落并不是形成围岩压力的惟一来源，也不是所有的地下空间都存在塌落拱。
岩石力学研究新进展 ppt
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第五节 岩石力学中的耦合分析
• 是研究系统中多场相互制约、相互影响 的规律的科学。包括两场耦合和三场耦 合，如应力场与渗流场耦合，应力场、 温度场和渗流场耦合。
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第六节 深部岩体力学问题
• 地下空间不断走向深部:矿山、水电工程 的引水隧道、核废料的深埋处、深层地 下防护工程等。与浅部岩体工程相比具 有较大的差异，而用传统的连续介质力 学理论无法圆满解决，成为当前研究的 热点。
三、深部岩体工程施工设计特点
深部岩石力学关于岩爆、大变形以及 分区破裂化的机理和发生发展规律尚是 一个正在研究的课题，因此，此设计计 算理论的数学计算方法和软科学在岩石力学中的应用
1.分形几何及其在岩石力学中的应用
分形几何是近十年来发展起来的研究非线性现 象和图形不规律性的理论和方法，它在处理岩 石断裂形貌、岩石破碎、岩体结构、岩石颗粒 特征等过去认为难以解决的复杂问题，得到了 一系列准确的解释和定量结果。下面图表是分 形几何在岩体结构的分维中的应用。
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第四节 岩石断裂力学与损伤力学概论
一、岩体力学的发展与工程地质学等地质学科发 展紧密相关 今天随着科学技术的迅速发展，世界上在矿产 资源勘探，能源开发，工程建设的环境与安全 等方面的需要，对岩体力学提出了更多更高的 要求。大型，特大型的岩体工程修建，都使岩 体力学面临着前所谓遇的难题。这些问题的解 决，一方面要依靠岩体力学的理论与方法的进 一步完善，另一方面，也要求地质学科，尤
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2.统计岩石力学
3.系统分析、控制论等软科学在岩石力学 与工程中的应用
4.人工智能与专家系统在岩石力学中的应 用
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（二）、平面偏振场的光学-力学效应
光强表达式：
Ika2si2n2si2n
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I :光强 a:入射光振幅 k :与材料有关的常数
:最大主应力与检偏境 振偏 轴之间的夹角 :两分离折射光的相位差
等差线与等倾线
第二节 相似理论
某些时候，通过研究模型在受载情况下的变形、位移及破坏规律来推 测、判断原型在受载情况下的变形、位移及破坏规律，即承认模型和原 型间存在相似性，研究这些相似性质与规律的理论称之为相似理论。
岩石力学---第八章 岩体力学新 进展
（二）、双折射
当光照射到各向异性晶体（单轴晶体，如方解石、石英、红宝石等） 时，发生两个不同方向的折射；其中一个遵守折射定律的称为o光（寻 常光），另一束不遵从折射定律的称为e光（非常光），这两束光都是 平面偏振光。它们的振动方向互相垂直，并以不同的速度通过晶体。光 线从一个特殊的角度射入晶体是不会发生双折射现象，这一角度称为晶 体的光轴。对于双轴晶体（如云母、蓝宝石、结晶硫磺等），两束光都 不满足折射定理。
一、相似模拟应满足的条件
1、几何相似。 2、运动相似。 3、力学相似。
二、相似材料的制备
相似材料基本力学性质要求与原型的力学性质相似。
三、相似模拟试验的设计
三、光测弹性实验基本原理
（一）、应力-光学定律
暂时性双折射现象与应力之间的关系： 1、光线产生双折射的方向与该店的两个主应力方向一致。即一束光射 入双折射材料后，必沿着两个主应力方向产生两束光。 2、每一束光的折射率与该点主应力的大小成函数关系。其关系如下：
n1n0a1b3 n2n0a3b1
n0 : 模型受载前折射率 n1 :沿最大主应力方向的 射折 率 n2 :沿最小主应力方向的 射折 率 a,b:与材料有关的常数
（三）、1/4波片
在一块单轴双折射晶体从平行于光轴的方向切出一块薄片，并使两 晶面平行，这种晶片称波片。如果从此晶体折射出的两束平面偏振光产 生的光程差恰好为入射光波长的1/4 ，这种波片就称为1/4波片。 1/4 波片是产生圆偏振光的必要光学元件。
பைடு நூலகம்
（四）、光测弹性仪
1、平面偏振仪
2、圆偏振仪