岩石力学第三章
第3章岩石力学性质与分级
岩石抗压强度R1 节理间距R3 地下水状态R5
岩石质量指标R2 节理面状态R4 节理方向对工程影响修正参数R6
把上述各个参数的岩体评分值相加起来就得到岩体的RMR值：
RMR= R1 +R2+R3+R4 + R5 + R6
（1）由“岩石抗压强度”确定的岩体质量评分值R1（15）
分4级
岩体完 整性分 类
岩石质量指标 RQD
弹性波(纵波) 波速
分5级。100-90-75-50-25-0
分4级。 分7级。
适用范 围
特点
备注
初期
未考虑岩 我国早期使
体特点
用
初期
指标易得
伦敦地质学 会和富兰克 林
巷道
考虑岩石 荷载与稳 定性
1950年
地铁
岩石抗压、 工程地质、 稳定性
迪尔1963
中科院地质 所 日本池田和 彦
主要内容 §1 岩石（岩体）的基本力学性质 §2 矿山工程岩体分类
☆ 概述 ☆ 岩体坚固性分级 ☆ 工程地质RMR分类 ☆ 边坡稳定的SMR分级 ☆ 岩体分类实例 ☆ 作业
第二节 矿山工程岩体分类
一、概述
（一）工程岩体分类的目的
工程类比法的需要；为岩体工程建设的勘察、设计、 施工和编制定额等，提供必要的基本依据。
备注
南非工业和科 学委员会CSIR， 毕昂斯基 (Bieniawshi)
挪威土工所 (NGI),Baton
矿山边坡 Romana(1993)
综合 水利隧道
二、岩体坚固性分级
前苏联学者普罗特基雅柯诺夫(М.М. Протодьяконов)按 当时采掘工业水平提出的要求，对岩石进行定量分级的，被称 为普氏分级。根据岩石坚固性的不同，将岩石划分为十级。
岩石力学基础教程 作者 侯公羽 第3章 岩石的基本力学性质
《岩石力学》
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3.1 岩石的强度性质
3.1.3 岩石的抗剪强度
岩块抵抗剪切破坏的最大剪应力，称为抗剪强度 (shear strength)。岩块的抗剪强度是由内聚力和内 摩擦阻力两部分组成的。当岩石某一截面上的剪应力 大于上述两者的和时，岩石沿该截面产生剪切破坏。 岩石抗剪强度可通过直剪试验和变角板剪切试
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《岩石力学》
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3.1 岩石的强度性质
3.1.2 岩石的抗拉强度
岩石试件在单向拉伸时能承受的最大拉应力，称 为单轴抗拉强度(uniaxial tensile strength)，简 称抗拉强度 具体测试方法为： 1．直接拉伸法 2．抗弯法 3．劈裂法(巴西法) 4．点荷载法
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《岩石力学》
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3.1 岩石的强度性质
岩石介质破坏时所能承受的极限应力称为岩石强 度。岩石的破坏形式如下： ① 拉伸破坏：图 3.1(a)为直接拉坏的情况；图 3.1(b) 为劈裂破坏； ② 剪切破坏：截面剪应力达到某一极限值时，岩石在 此截面被剪断，如图3.1(c)所示； ③ 塑性流动：岩石在剪应力作用下产生塑性变形，其 线应变达到10%时就算塑性破坏，如图3.1(d)所示
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《岩石力学》
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3.2 岩石的变形性质
3.2.1 岩石在单轴压缩状态下的应力-应变曲线
岩石的典型应力-应变全过程曲线
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《岩石力学》
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3.2 岩石的变形性质
3.2.2 反复加载与卸载条件下岩石的变形特性
对于弹塑性岩石，在反复多次加载与卸载循环时，所 得的应力-应变曲线具有以下特点： （1）卸载应力水平一定时，每次循环中的塑性应变增量逐 渐减小，加、卸载循环次数足够多后，塑性应变增量将趋于零 。因此，可以认为所经历的加、卸载循环次数愈多，岩石则愈 接近弹性变形，如下图所示。 （2）加卸载循环次数足够多时，卸载曲线与其后一次再加 载曲线之间所形成的滞回环的面积将愈变愈小，且愈靠拢而又 愈趋于平行，如下图所示。这表明加、卸载曲线的斜率愈接近 。 （3）如果多次反复加载、卸载循环，每次施加的最大荷载 比前一次循环的最大荷载要大，则可得所示的曲线。
岩石力学第三章：岩石的力学特性及强度准则
常 见 岩 石 的 软 化 系 数
岩 石 名 称
花 岗 岩 闪 长 岩 辉 绿 岩 流 纹 岩
软化系数
0.72～0.97 0.60～0.80 0.33～0.90 0.75～0.95
岩石名称
泥 岩
软化系数
0.40～0.60 0.44～0.54 0.70～0.94 0.75～0.97
泥 灰 岩 石 灰 岩 片 麻岩
岩石名称
抗压强度 (MPa)
100～250
抗拉强 度 (MPa)
7～25
岩石名称
抗压强度 (MPa)
5～100
抗拉强度 (MPa)
2～10
常 见 岩 石 的 抗 压 及 抗 拉 强 度
花岗岩
页 岩
流纹岩
160～300
12～30
粘土岩
2～15
0.3～1
闪长岩
120～280
12～30
石灰岩
40～250
7～20
安山岩
140～300
10～20
白云岩
80～250
15～25
辉长岩
160～300
12～35
板 岩
60～200
7～20
辉绿岩
150～350
15～35
片 岩
10～100
1～10
玄武岩 砾岩 砂 岩
150～300 10～150 20～250
10～30 2～15 4～25
片麻岩 石英岩 大理岩
50～200 150～350 100～250
（二）岩石的水理性质
5．可溶性：是指岩石被水溶解的性能。它与岩石 的矿物成分、水中CO2 含量及水的温度等因素有 关。 6．膨胀性：岩石吸水后体积增大引起岩石结构破 坏的性能称膨胀性。
《岩石力学》课件(完整版)-第三章岩石动力学基础
能量吸收是指岩石在冲 击或振动载荷作用下吸 收能量的能力，与岩石 的破碎和变形有关。
疲劳是指岩石在循环载 荷作用下发生损伤和破 坏的现象，对地下工程 和边坡工程的稳定性有 重要影响。
03
岩石动力学的基本理论
弹性力学基础
01
弹性力学基本概念
弹性力学是研究弹性物体在外力作用下的应力、应变和位移的学科。它
理论分析方法。这些方法可用于求解各种复杂弹性力学问题。
塑性力学基础
塑性力学基本概念
塑性力学是研究塑性物体在外力作用下的应力、应变和位移的学科。塑性物体在达到屈服 点后会发生不可逆的变形，其应力-应变关系不再满足胡克定律。
塑性力学的基本方程
包括屈服准则、流动法则、增量理论和边界条件等。这些方程描述了塑性物体内部的应力 、应变和位移之间的关系，以及物体与周围介质之间的相互作用。
有限元法是一种将连续介质离 散化为有限个小的单元体，并 对每个单元体进行力学分析的 方法。
有限元法是一种将连续介质离 散化为有限个小的单元体，并 对每个单元体进行力学分析的 方法。
有限元法是一种将连续介质离 散化为有限个小的单元体，并 对每个单元体进行力学分析的 方法。
离散元法
离散元法是一种将连续介质离散化为一系列刚性或弹性 单元体的方法。
数据分析
对实验获取的大量数据进行处理和分 析，提取岩石的动力学特性，如阻尼 比、质量放大系数等。
结果解释
根据实验结果，解释岩石在动态载荷 作用下的破坏机制和演化过程，为工 程设计和安全评估提供依据。
实验研究的挑战与展望
挑战
岩石动力学实验技术难度大，需要克服实验条件苛刻、测量精度要求高等问题。 同时，岩石材料的非线性、各向异性等特性也给实验结果分析带来困难。
第三章-3 影响岩石力学性质及概述
图5-5
溶液和温度对大理岩变形影响的 应力-应变曲线图
(Griggs，围压为1000MPa)
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图 5－ 6
溶液和温度对石英变形影响的应力-应变曲 线图 (围压为1400MPa)
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四、
孔隙压力
在地壳岩石中，常有孔隙流体存在。这 种孔隙流体的压力称为孔隙压力或孔隙液压。 存在于岩石中的流体可以促进岩石的重结晶作 用，并影响岩石的变形。如果不透水层阻挡含 水层中的孔隙流体流出，岩石中的孔隙压力就 会加大。孔隙压力的存在抵消了部分围压的影 响。即有效围压 (Pe)为围压 (Pc)与孔隙液压 (Pp) 之差: Pe = Pc－ Pe…………………..(5-1) 因此 ; 孔隙压力的存在也降低了岩石的强 度，使得岩石易于发生脆性破坏。
第三章（三） 影响岩石力学性质及 岩石变形的因素
岩石的力学性质并不是固定不变的， 主要决定于岩石本身的成分、结构和构 造等，但岩石所处的外界地质环境因素， 包括围压、温度、溶液和应力作用时间 及变形速度等，都对岩石的力学性质以 致岩石变形有着明显的影响。本章主要 阐述外界因素的影响。
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(据Paterson，1978)
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二、 温 度
随着温度增高，可以使常温常压下 脆性的岩石，变得强度降低，弹性减弱， 塑性增大，韧性增强，易于变形。也就 是说，提高温度，加速了岩石由脆性向 韧性的转化。但是，影响的程度随岩性 不同有所差异。
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矿物同岩石一样，温度升高，弹性极限和 抗压强度明显降低，易于形成塑性变形。图5-4 中的磁黄铁矿和闪锌矿在围压固定，温度从 25℃、100℃、200℃、300℃、400℃到500℃逐 渐升高的情况下，弹性极限等也逐渐降低，并 且温度升的越高，降得越快。 温度影响岩石力学特性的原因在于，随着 温度的升高，晶体质点的热运动增强，质点间 的凝聚力就减弱，质点容易位移;从而降低了岩 石的弹性极限与强度极限，提高了岩石的塑性 和韧性。
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
岩体力学第3章
(2)弹性变形阶段(AB段) 经过初期的孔隙裂隙压密，岩石强度性能暂时趋于稳定，压应力作 用下岩石发生弹性变形，σ-ε曲线几乎为直线，岩石变形随应力增加 而成比例增加，并在很大程度上表现为可恢复的弹性变形，B点对 应的应力可称为岩石试件的弹性极限。
(3)微弹性裂隙稳定发展阶段(BC段) 随着压应力的增大，试件内微破裂开始发生与发展，但施加的荷载 不变时，微破裂发生与发展暂时停止。
(4)非稳定破裂发展阶段(CD段)
该阶段压应力大于屈服极限，微破裂的发展发生本质变化，由于破 裂过程中所造成的应力集中效应显著，即使施加的荷载保持不变， 破裂仍不断发展，形成微破裂的汇聚与扩大，并在试件中的薄弱部 位首先发生破坏，应力重新分布，再次引起次薄弱部位的破坏，直 至试件完全破坏。
(5)破坏后阶段(DE段) 又叫峰值后阶段，岩石试件承载力达到峰值强度后，其内部结构 遭到破坏，但试件基本保持整体状，并仍具有一定的承载能力。
3.4.1 岩石三轴抗压强度 3.4.2 常规三轴试验条件下的岩石变形与强度 3.4.3 岩石在真三轴试验条件下的力学特征
3.4.1 岩石三轴抗压强度
图3-19 岩石三轴试验示意图 a)真三轴试验 b)常规三轴试验
3.4.1 岩石三轴抗压强度
图3-20 岩石三轴试验 压力室结构示意图
1—密封装置 2—岩石试件 3—侧压力 4—球型底座 5—进油口 6—出油口
3.1.4 岩石峰值后的变形特征
0307
3.1.4 岩石峰值后的变形特征
0308
3.2 岩石单轴拉伸条件下的力学特性
3.2.1 3.2.2 3.2.3 3.2.4
直接拉伸试验法 劈裂试验法 点载荷试验法 抗弯法试验
3.2.1 直接拉伸试验法
岩石力学课件第三章 地应力测量.ppt
11
岩石力学
二、地应力认识的历史
哈斯特地应力实测
20世纪50年代，哈斯特最先在斯堪的纳维 亚半岛开展了地应力测量工作。
哈斯特发现存在于地壳上部的最大水平主 应力一般为垂直应力的1～2倍，其至更多； 在某些地表处测得的最大水平应力高达7MPa， 从根本上动摇了地应力是静水压力的理论和 以垂直应力为主的观点。
12
岩石力学
三、地应力的成因
(1)、大陆板块边界受压引起的应力场
13
岩石力学
三、地应力的成因
(2)、地成因
地幔热对流（碰撞、俯冲、海岸）
15
岩石力学
三、地应力的成因
(3)、由地心引力引起的应力场 (4)、地温梯度引起的应力场
16
岩石力学
三、地应力的成因
1926年，苏联学者金尼克修正了海姆的静
水压力假设，认为地壳中各点的垂直应力
等于上覆岩层的重量，而侧向应力(水平应
力)是泊松效应的结果，其值应为γH乘以
一个修正系数λ（侧压力系数）。他根据
弹性力学理论，认为：
1
v
H , h
H
1
H
9
岩石力学
二、地应力认识的历史
朗金假设
朗金认为地壳中各点的垂直应力等于上覆
岩层的重量，而侧向应力(水平应力) 应为
γH乘以一个修正系数λ（侧压力系数）。
他根据松散介质理论，认为：
tg 2 ( )
42
v
H , h
H
tg2 (
4
)
2
H
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岩石力学
二、地应力认识的历史
地质学家李四光
本世纪20年代，我国地质学家李四光指出， “在构造应力的作用仅影响地壳上层一定厚 度的情况下，水平应力分量的重要性远远超 过垂直应力分量” 。
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第三章
3.1
1. 沉积岩中的沉积间断面属于哪一种类型的结构面？（）
（A）原生结构面（B）构造结构面（C）次生结构面
2. 断层属于哪一种类型的结构面？（）
（A）原生结构面（B）构造结构面（C）次生结构面
3. 卸荷作用下而形成的结构面属于哪一种类型的结构面? ( )
（A）原生结构面（B）构造结构面（C）次生结构面
简答
1. 在一定法向应力作用下，结构面在剪切作用下产生的切向变形形式有哪两种？
2. 影响结构面力学性质的因素。
3. 影响结构面剪切强度的因素。
判断：
1. 试验结果表明，对于较坚硬的结构面，剪切刚度一般是常数。
2. 试验结果表明，对于松软结构面，剪切刚度随法向应力的大小改变。
5. 结构面强度与试件尺寸成反比。
7. 当法向应力增大时，结构面尺寸效应将随之减小。
9. 随着结构面尺寸的增大，达到峰值强度的位移量增大；
10.随着结构面尺寸的增加，剪切破坏形式由脆性破坏向延性破坏转化。
11. 结构面尺寸加大，峰值剪胀角减小。
12.随结构面粗糙度减小，尺寸效应也减小。
13. 随着结构面尺寸的增大，达到峰值强度的位移量减小；
3.2
1.岩石质量指标RQD是指岩芯采取率。
2. 岩石质量指标RQD是指单位长度的钻孔中10cm以上的岩芯占有的比例。
选择
1. 我国工程岩体分级标准中是根据哪些因素对岩石基本质量进行修正的？（）。
①地应力大小；②地下水；③结构面方位；④结构面粗糙度。
（A）①，④（B）①，②（C）③（D）①，②，③
2.我国工程岩体分级标准中，岩石的坚硬程度指标为：（）
A）单轴抗压强度 B)饱和单轴抗压强度 C）抗压强度 D）抗剪强度
3.3
名词解释;
节理岩体
判断
1. 岩体是由各种形状的岩块和结构面组成的地质体。
2. 岩体中存在一组相互平行的结构面，垂直结构面和平行结构面，分别作抗压单轴试验时，在其它条件不多的情况下两者所对应的峰值强度大小相差很大。
3. 一般情况下，岩体的强度可由岩块强度来代表。
4. 岩体的强度不仅与组成岩体的岩石性质有关，而且与岩体内的结构面有关，此外，还与其所受的应力状态及地下水有关。
5. 结构面方位对岩体变形的影响随着结构面组数的增加而降低。
7. 结构面的密度对岩体变形的影响随着密度的增加而减少。
10．岩体的渗透系数是随应力增加而增加的。
11. 反复加卸载会使岩体的渗透系数降低，但是在三四个循环后，渗透系数基本稳定。
12. 反复加卸载次数越多，岩体的渗透系数越低。
13. 在低应力状态下，结构面的粗糙程度对结构面的抗剪强度有影响，即结构面粗糙度超高，
抗剪强度越大。
14. 在剪切破坏过程中，试件体积的变化是逐渐减小。
简答：
1. 岩体强度的决定因素。
2. 结构面方位对岩体强度的影响。
3. 岩体剪切变形曲线类型。
4. 影响岩体变形特性的主要因素。
选择：
1. 岩体的强度小于岩石的强度主要是由于（）。
（ A ）岩体中含有大量的不连续面（ B ）岩体中含有水
（ C ）岩体为非均质材料（ D ）岩石的弹性模量比岩体的大
2. 岩体的尺寸效应是指（）。
（ A ）岩体的力学参数与试件的尺寸没有什么关系（ B ）岩体的力学参数随试件的增大而增大的现象
（ C ）岩体的力学参数随试件的增大而减少的现象（ D ）岩体的强度比岩石的小
3. 影响岩体质量的主要因素为（）。
（A）岩石类型、埋深（B）岩石类型、含水量、温度
（C）岩体的完整性和岩石的强度（D）岩体的完整性、岩石强度、裂隙密度、埋深4. 地下水位以下测定岩体的渗透系数的方法有：（）
A）压水法B）抽水法C）注水法D）排水法
第四章
选择
1. 初始地应力主要包括（）。
（A）自重应力（B）构造应力（C）自重应力和构造应力（D）残余应力
2. 初始地应力是指（）。
（A）未受开挖影响的原始地应力（B）未支护时的围岩应力
（C）开挖后岩体中的应力（D）支护完成后围岩中的应力
3. 构造应力的作用方向为（）。
A、铅垂方向
B、近水平方向
C、断层的走向方向
D、倾斜方向
5. 下列关于岩石初始应力的描述中，哪个是正确的？（）。
（A）垂直应力一定大于水平应力（B）构造应力以水平应力为主
（C）自重应力以压应力为主（D）自重应力和构造应力分布范围基本一致
6. 测定岩体的初始应力时，最普遍采用的方法是（）
（A）应力恢复（B）应力解除法（C）弹性波法（D）模拟试验
7. 岩爆的防治措施有：（）
○1围岩加固○2改善围岩应力条件○3改变围岩性质○4施工安全措施
A）○1○2 B）○1○2○3 C）○1○2○3○4 D）○4
判断：
1. 地慢热对流引起的应力场是一种局部应力场。
2. 地心引力引起的应力场是地应力的主要组成部分。
3. 岩体中的自重应力和构造应力是初始应力场的主体。
4. 岩体中的自重应力和构造应力都是随着埋深呈线性增加的。
5. 最大水平主应力和最小水平主应力的值一般相差很大，显示出很强的方向性。
简答
1. 构造应力的总规律是以水平应力为主，我国地质学家李四光是如何解释的？
2. 高地应力区开挖地下洞室，有可能会遇到什么困难？
3. 岩爆产生的条件。
第五章
选择
1. 公路隧道把围岩分为几级：
A）四级B）五级C）六级D）七级
问答
1. 地下工程深浅埋分类的理论有哪些？我国是如何界定的？
2. 当围岩为弹性、连续、均匀、各项同性和微笑变形，圆形洞室开挖，地应力侧压力系数K为1时，洞周应力集中系数K为多少？侧压力系数满足什么情况下，洞壁不会出现拉应力？
3.下图为弹塑性围岩应力图，请解释图中分区的含义。
4. 请绘出水平和45 o节理分别在拉伸和压缩应力作用下节理裂隙扩展的方向。
5. 在弹性力学深埋圆形洞室解析解中侧压力系数K由0增长到1，在0°和90°位置，围岩应力的变化规律是什么？请给予解释。
6. 用自己的语言和图示解释围岩位移及支护特征曲线。
计算分析题：
1. 普氏理论围岩假定是什么？已知一块坚硬完整岩石的单轴抗压强度R c=21.Mpa ，容重γ=26KN/m3，C=5.Mpa,φ=60o，试求岩石的坚固性系数和似摩擦角。