全应力应变曲线

④岩块单元的可移动性； ⑤地质因素影响特性（水、气、热、初应力） （上述特性导致岩石力学的研究方法以实验测试为主）
二、岩石的空隙性
空隙：岩石中孔隙和裂隙的总称。
空隙度：指岩石的裂隙和孔隙发育程度，其衡量指标为空
隙率(n)或空隙比（e）。
空隙
Байду номын сангаас
闭型空隙 开型空隙
大开型空隙 小开型空隙
闭型空隙：岩石中不与外界相通的空隙。 开型空隙：岩石中与外界相通的空隙。包括大开型空隙和小开型空隙。
• ① 孔隙裂隙压密阶段（OA段）：即试件中原有张开性结构面或微裂隙逐 渐闭合，岩石被压密，形成早期的非线性变形，σ－ε曲线呈上凹型。在 此阶段试件横向膨胀较小，试件体积随载荷增大而减小。本阶段变形对裂 隙化岩石来说较明显，而对坚硬少裂隙的岩石则不明显，甚至不显现。
• ② 弹性变形至微弹性裂隙稳定发展阶段（AC段〕：该阶段的应力—应变 曲线成近似直线型。其中，AB段为弹性变形阶段，BC段为微破裂稳定发 展阶段。
（粘性——变形不能在瞬间完成， 变形速率随应力变化。）
典型变形性质：
弹脆
直线型
弹塑
下凹型
塑弹
上凹型
弹粘
平缓 型
塑弹塑
S型
五、岩石单向压缩变形性质：
1、轴向变形： 2、横向变形：
1


E
2 1



E
普通试验机下岩石应力、应变曲线
刚性试验机下岩石应力、应变曲线
3、全应力应变曲线：
（1）0A段：微裂隙闭合阶段,微裂隙压密极限σA。 （2）AB段：近似直线，弹性阶段，σB 为弹性极限。 （3）BC段：屈服阶段，σC为屈服极限。 （4）CD段：破坏阶段，σD为强度极限，即单轴抗压强度。 （5）DE段：即破坏后阶段,σE为残余强度。
（节理、裂隙、空隙、边界、缺陷）
矿物、结构、构造 是影响岩石力学性质和物理性质的三个重要因素 。
2.岩石地质分类
岩浆岩：强度高、均质性好 沉积岩：强度不稳定，各向异性
变质岩：不稳定，与变质程度和岩性有关
3.沉积岩石的力学特性：
①不连续性；（物质不能充满空间，有空隙存在） ②各向异性；（任一点的物理、力学性质沿不同方向均不相同） ③不均匀性；（由不同物质组成，各点物理力学性质都不相同）
和作用在巷硐支护物上的力。 矿山压力显现：矿山压力作用下引起的各种力学现象，以及在岩体 中产生的动力现象。 矿山压力控制：减轻、调节、改变和利用矿山压力作用的各种方法。
采场矿山压力概述
回采工作面/采场：直接进行采煤或采其它矿物的工作空间称为回采工作面或 简称为采场。我国煤矿主要采用长壁采煤法，工作面煤壁长度通常150~ 200 m ，推进方向1000~2000m。最长的回采工作面已经达到400m，推进度最大的已 经达到11km 顶板：赋存在煤层之上的岩层称为顶板或称为上覆岩层。 底板：位于煤层下方的岩层称为底板。 直接顶：直接位于煤层上方的一层或几层性质相近的岩层称为直接顶。 直接 顶指采空区已经冒落岩层的总合。 伪顶：在煤层与直接顶之间有时存在厚度小于0.3～0.5 m、极易垮落（随采 随冒）的软弱岩层，称为伪顶。
1、格里菲斯强度理论的基本思想：
（1）在脆性材料内部存 在着许多杂乱无章的扁平 微小张开裂纹。 在外力 作用下，这些裂纹尖端附 近产生很大的拉应力集中 ，导致新裂纹产生，原有 裂纹扩展、贯通，从而使 材料产生宏观破坏。
（2）裂纹将沿着与最大拉应力作用方向相垂直的方向扩展。
tg tg2
• ④破裂后阶段（D点以后段）：岩块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。到本阶段，裂隙快速发展，交叉且 相互联合形成宏观断裂面。此后，岩块变形主要表现为沿宏观断裂面的 块体滑移，试件承载力随变形增大迅速下降，但并不降到零，说明破裂 的岩石仍有一定的承载力。
预测岩爆 • 若A>B，会产生岩爆
• ③非稳定破裂发展阶段，或称累进性破裂阶段（CD段）：C点是岩石从弹 性变为塑性的转折点，称为屈服点。相应于该点的应力为屈服极限，其 值约为峰值强度的2/3。进入本阶段后，微破裂的发展出现了质的变化， 破裂不断发展，直至试件完全破坏。试件由体积压缩转为扩容，轴向应 变和体积应变速率迅速增大。本阶段的上界应力称为峰值强度。
岩石力学基本性质及矿山压力
主讲老师：赵源
目录
岩石力学基本性质
相互关系 基础表现 宏观表现
矿山压力
岩石的物理力学性质是岩体最基本、最重要的性质之 一，也是岩石力学中研究最早、最完善的内容之一。
岩石力学基本性质
• 岩石的岩石的基本概念 ； • 岩石的空隙性； • 岩体力学特征及变形特性； • 岩石的破坏机理和强度理论；
脆性：物体在外力作用下变形很小时就发生破坏的性质。
延性：物体能够承受较大的塑性变形而不丧失其承载能力 的性质。
岩石的力学性质包括：
变形性质：研究岩石在受力情况下的变形规律 强度特性：研究岩石受力破坏的规律
四、岩石的弹性和塑性：
变形分析的重要性（直观、易测、建立模型、准则）
1、 弹性变形：
线弹性
非线弹性
式中： τf ——材料剪切面上的抗剪强度；
c——材料的粘结力； σ——剪切面上的正应力。
（四）莫尔强度理论
1、莫尔强度理论的基本思想 ： 莫尔强度理论是建立在试验数据的统计分析基础之
上的。 1910年莫尔提出材料的破坏是剪切破坏，材料在 复杂应力状态下，某一斜面上的剪应力达到一极限值， 造成材料沿该斜面产生剪切滑移破坏，且破坏面平行于 中间主应力σ2作用方向（即σ2不影响材料的剪切破坏） ，破坏面上的剪应力τf 是该面上法向应力σ的函数,即 ：
滞弹性体具有两个重要性质：
弹性滞后——由于内摩擦原因，岩石随应力变化出现的变形滞后。 弹性后效——由于热传导等原因，外力停止变化，而变形仍随时间而缓 慢变化。
2、塑性变形：
岩石塑性普遍存在； 岩石塑性与岩石的组成、结构、构造及外界环境有关。
（颗粒及胶结物物质成分、排列结合、含水、温度、应力等）
理想塑性——超过弹性极限，进入完全塑性状态（极少）； 应变硬化——超过弹性极限，承载能力随应变增加而增加。
• 应力-应变曲线的外包线与连续加载条件下的曲线基本 一致，说明加、卸荷过程并未改变岩块变形的基本习性， 这种现象称为岩石记忆。
每次加荷、卸荷曲线都不 重合，且围成一环形面积
称为回滞环
随循环次数增加，塑性滞回环的 面积有所扩大，卸载曲线的斜率 （代表岩石的弹性模量）逐次略 有增加，这个现象称为强化。
用极限应力表示的莫尔圆称为极限莫尔应力圆（简称极 限应力圆）。
莫尔强度包络线的意义：包络线上任意一点的坐标都
代表岩石沿某一剪切面剪切破坏所需的剪应力和正应力，
即任意一点都对应了一个与之相切的极限应力圆。
莫尔强度包络线的应用：运用强度曲线可以直接判断岩
石能否破坏。将应力圆与强度曲线放在同一个坐标系中，若
。 • 若B>A，不产生岩爆
预测蠕变破坏 • 当应力水平在H点以下时保持应力
恒定，岩石试件不会发生蠕变。 • 应力水平在G- H点之间保持恒定。
蠕变应变发展会和蠕变终止轨迹相 交，蠕变将停止，试件不会破坏。 • 若应力水平在G点及以上保持恒定， 则蠕变应变发展就和全应力—应变
曲线的右半部，试件将发生破坏。
2.破坏机理
只有两种基本类型：拉坏和剪坏
（三）库伦（Coulomb)准则
1773年库伦提出了一个重要的准则（“摩擦”准则） 。库伦认为，材料的破坏主要是剪切破坏，当材料某一斜 面上的剪应力达到或超过该破坏面上的粘结力和摩擦阻力 之和，便会造成材料沿该斜面产生剪切滑移破坏。
f c tg
一、岩石的基本概念
1.概念
岩石：矿物或岩屑在地质作用下按一定规律聚集形成的自然物体。 （岩石 = 矿物颗粒 + 胶结物 + 孔隙 + 水）
矿物：存在地壳中的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其相互结合的情况。
(结晶、胶结)
构造: 组成成分的空间分布及其相互间排列关系。
岩块的破坏产生在反复加、卸荷曲线与应力-应变 全过程曲线交点处。这时的循环加、卸荷试验所给 定的应力，称为疲劳强度。它是一个比岩块单轴抗 压强度低且与循环持续时间等因素有关的值。


第三节 岩石的破坏机理和强度理论
一、岩石的破坏机理
1.破坏形式
脆性破坏——围压小、温度较低、岩石坚硬的情况下发生的，特点是破 坏前变形小，当继续加载时岩石突然破坏，岩石碎块强烈弹出。通常把 在外力作用下破坏总应变小于3％的岩石称为脆性岩石。 塑性破坏——又称延性破坏、韧性破坏，多发生围压大、温度高、岩石 软的情况下发生的，特点是破坏前变形大，表现出明显的塑性变形。通 常把在外力作用下破坏总应变大于5％的岩石称为塑性岩石。
τf ＝ f (σ)
2、莫尔强度包络线： 指各极限应力圆的破坏点所组成的轨迹线。τf ＝
f(σ) 在τf ～σ坐标中是一条曲线，称为莫尔包络线， 表示材料受到不同应力作用达到极限状态时，滑动面上的 法向应力σ与剪应力τf 的关系。极限应力圆上的某点与 强度包络线相切，即表示在该应力状态下材料发生破坏。
莫尔应力圆在包络线之内，则岩石不破坏；若莫尔应力圆与
强度曲线相切，则岩石处于极限平衡状态；若莫尔应力圆与
强度曲线相交，则岩石肯定破坏。

f ( )
o

莫尔强度包络线与应力圆
3、莫尔－库仑强度理论
τf = f(σ)所表达的是一条曲线，该曲线的型式有： 直线型、抛物线型、双曲线型、摆线型。而直线型与库伦准 则表达式相同，因此，也称为库伦－莫尔强度理论。由库仑 公式表示莫尔包络线的强度理论，称为莫尔－库仑强度理论 。