岩石力学第三讲、岩体的变形与强度
弹性波的传播速度
当现场岩体受振动激发时，岩体内就产生应力波，即弹性波 动力法现场测试包括：激发、接收弹性波、记录弹性波的传播时间、 振幅和波形，假定岩石均值、弹性、各向同性，则：
Vp= √Ed(1-μd）/（ρ*（1+μd）*（1-2μd）） Vs= √Ed/（ρ*2（1+μd））
推导出： μd= （Vp2/Vs2-2）/（2（Vp2/Vs2-1）） Ed = 2（1+μd）ρVs2 或者：Ed = （1-2μd）（1+μd）/（1-μd）*ρVp2 岩体生成年代越老，岩体越完整，风化越弱，波速越高 结构面对弹性波的传播有很大影响。
岩石的情况
E p =σo /（εp +εe）
岩体的情况
二、岩体变形特性参数测定2
2、承压板法（静力法）： 一般在探洞内布置，确定试验位置、清理底板、做地质编录，安 装加载装置和传力装置、承压板、变形测量系统等。 承压板面积0.5~1.2m2, 加载吨位500~3000KN，高压试验可用压力枕。 加载方式可用大循环法（岩体完整时）和小循环法（裂隙岩体） 变形测量可用直接法和中心孔法，计算方法按弹性力学推导的公式。
3、岩体结构的基本概念：
岩体结构包括两个方面：结构面和结构体，岩体中结构面与结构 体的排列组合方式称为岩体结构。 结构面：即地质弱面，指岩体内具有一定方向、延伸较长、厚度 较小的二维地质界面，包括物质的分界面和不连续面，如断层、 节理、破碎带、接触带、片理等。 结构体：被结构面分割所包围的完整岩石单元。
结构体的几何形状
结 构 面 按 成 因 分 类 与 特 征
岩 体 结 构 类 型 的 划 分
二、结构面的状态
1、结构面的存在使岩体显现出不连续性和不均质性，并在很大程度 上决定着岩体的性质，其产状、形态、延展和发育程度是影响岩 体性质的重要因素。 结构面的产状导致各向异性，并对岩体沿结构面的滑动起控制作用 结构面形态（起伏度、粗糙度等）决定抗滑力的大小 结构面的延展尺度： 小的结构面：尺度＜1m 中等的结构面：1~10m 大的结构面：＞10m。 结构面的贯通情况： 非贯通、半贯通和贯通性 结构面的密集程度： 单位岩体内发育的结构面数量称为结构面密度 常以裂隙度、切割度等表示。 结构面的充填物对力学性能有很大的影响。
二、结构面的状态2
2、结构面密度统计： 裂隙度K：沿取样线方向 单位长度上节理的数量 节理的平均间距d：d=1/K， 按节理垂直间距可将岩体划分为： 整体结构：d＞180cm 块体结构：d=13~180cm 碎裂结构：d＜13cm 极碎裂结构：d＜ 6.5cm 按裂隙度K划分节理： 疏节理：0~1条/m，密节理：1~10条/m 非常密集节理：10~100条/m ，压碎或糜棱化节理：100~1000条/m 切割度：岩体某个假象断面上节理面积 与该断面面积的比值。 结构面的密集程度决定着结构体的尺寸 和形状，能表征岩体的完整程度，完整 程度有决定了岩体的强度等。
岩 石 力 学 第三讲 ROCK MECHANICS
主讲教师：汪家林 (6学时）
内容：岩体的基本力学性质及工程分类
（岩体变形、强度、原位试验
结构面的力学效应、岩体工程分类）
从岩块到岩体的示意图
上一章主要介绍岩石的 物理力学性质，本章讲 岩体的物理力学性质与 分类，岩体是一定范围 的天然地质体，岩石与 岩体的其物理力学性质 是有较大差异的。 影响岩体力学性的因素： 1、组成岩体的岩石材料性质 2、结构面力学性质 3、结构面的发育组合、岩体 经过结构类型 4、赋存环境如水、地应力
2
1
3
2
岩体变形的结构效应-结构面组合关系
节理的错缝式组合：1、围压较大而P较小时，岩体变形连续。 2、围压小而P大时，变形分区：直接压缩区1、压应力作用区2 连续变形区3、剪切变形区4。应变不连续性较小。 斜缝式组合：加载时的楔入作用使p –W曲线上凹，卸载时 的反楔体使变形恢复受阻，退压曲线先陡后缓。
三、岩体变形的结构效应
由于层理和节理 的存在，对同一种 岩体来讲，其弹性 模量和泊松比也是 随方向的不同而变 化的，这就是岩体 的变形各向异性。 或称为岩体变形的 结构效应：即岩体 中结构面的方向、 性质、密度和组合 方式对岩体变形的 影响。
岩体变形的结构效应
（一） 结构面方向的影响：岩体的变形因结构面与力的作 用方向之间角度的不同而不同，平行或垂直结构面加力的 变形表现有很大差异。结构面的压密变形。
3、岩体的压力-变形曲线分类
分为：直线型、上凹型、下弯型、复合型等； 直线型A：坚硬完整无裂隙岩体 上凹型B：较坚硬的裂隙岩体，有裂隙压密阶段 下弯型C：裂隙很发育的软弱岩体（或称上凸型） 复合型D：压缩较大的岩体，如垂直片理的片岩、变质岩
岩体的压力-变形曲线分类– 直线型A
p = f（W）= K W， d p/d W= K 为通过原点的直线。 A-1型 ： p – W曲线陡，刚度大；弹性为主变形可恢复， 完整、坚硬、致密、均匀岩体的特性。 A-2型： p – W曲线斜率缓，刚度小；有明显不可恢复变 形和滞回环，节理化但裂隙分布均匀的岩体的特性。
岩体的复杂性与基本特征
1、岩体为非均质的各向异性体，组成岩体的矿物成分各 不相同，矿物颗粒大小及空间排列方式有很大差异。 2、岩体内存在一个裂隙系统，使岩体的完整性和均匀性 遭到破坏，不连续但也不是散体。 3、岩体一般不严格服从虎克定律，力学性质复杂多变， 弹塑性并存，有时又表现为脆性 4、岩体内存在初始应力场 5、岩体赋存在一定的地质环境中，岩体中的水、温度、 应力场对岩体性质有较大影响。
一、岩体结构 二、结构面的状态 三、结构面强度指标 四、节理面的力学效应 五、岩体的强度
一、岩体结构
1、岩体结构：结构面与结构体形态和组合的特征 2、结构面特征 按成因分类： 原生结构面： 沉积结构面、火成结构面、变质结构面 沉积结构面：层面层理、软弱夹层、不整合面、间断面； 火成结构面：接触面、岩脉、原生冷凝节理等 变质结构面：片理、片岩软弱夹层 构造结构面：节理、断层、层间错动面、劈理等。 次生结构面：卸荷裂隙、风化裂隙、风化泥化次生夹层等 3、结构体：结构面将岩体分割，可按分割程度和结构体的体态特征 分类：整体块状结构、层状)2
＜0.65 后 EO/Ed在 0.14不再 明显减小.
岩体变形的结构效应
（四) 结构面组合关系的影响：当岩体中存在两组以上结构面 时，结构面的排列组合方式的不同对岩体变形有较大影响。
对缝式组合：1、围压较大而P较小时，岩体变形连续。
2、围压小而P大时，变形不连续且会产生剪切破裂面，并分 区：直接压缩区1、剪切连续变形区2、压应力连续变形区3
压力-变形曲线分类– 下弯型（或上凸型）C
p = f（W）， d2 p/d W2＜ 0，节理裂隙很发育且有泥质 充填的岩体、软岩、深部有软弱夹层的岩体，裂纹扩展、 泥质挤出、软岩压缩等都可能表现出C 型特征。
岩体的压力-变形曲线分类– 复合型
裂隙发育不均的岩体，岩石压密、裂隙闭合、节理移动等
二、岩体变形特性参数测定
三、结构面的强度指标
1、结构面的抗剪强度：垂直结构面施加恒定荷载，沿结构面施加推 力。可得到结构面的抗剪强度，一组试验的结果可绘制结构面的 强度曲线，用直线表达为：
Sj=σtgυj+Cj 2、结构面的抗摩擦强度：剪断后的试件Cj =0，重新试验得到抗摩 擦强度Sso，一组试验可得到通过原点的直线：
2、工程设计与变形控制、岩体变形阶段 变形控制是工程设计的需要。 岩体的变形性质主要地取决于岩体中的结构面 和结构体及充填物的性质，典型的应力应变全过 程大致可分为四个阶段：
OA段：裂隙压密段，弹塑性并存；
AB段：弹性变形段，压密后较连续。 BC段：塑性变形段，变形较大；
CD段：破坏阶段，有残余
以上为一般规律，不同结构类型的岩 体，变形特性会有差别。
Sso = σtgυj
平直光滑无充填结构面的力学特性
剪应力与剪位移的关系：σ较小时，初期为线性，后期为 流动，剪切峰值强度等于残余强度。抗剪强度： τ = σtgυb， υb一般在25~32度， 磨光面12~22度，干湿差异 3~10度。 σ较大时，会产生粘滑振荡。
粗糙起伏无充填结构面的力学特征
岩体的压力-变形曲线分类– 上凹型B
p = f（W）， d2 p/d W2＞ 0 B-1型 ： p – W曲线的斜率随压力和循环次数增大，弹 性变形较大， 垂直层面加压时岩体的特性。 B-2型： p – W曲线的斜率随压力和循环次数增大；卸 载时有明显的不可恢复变形和滞回环，高角度节理化 及垂直层面加压时的层状软岩体的特性。
承压板法计算变形模量的公式
按弹性力学的Boussinessq公式，推导变形与模量关系。
二、岩体变形特性参数测定3
3、狭缝法（刻槽法） 在被测试岩体中切割一条槽缝， 将压力枕置放在槽缝内并用水泥 砂浆浇注，给压力枕加载（泵入 油压），压力枕将施加压力于岩 壁，是岩壁产生位移，压力值由 压力表读出，岩壁的平均位移由 泵入压力枕内的液体量换算得到， 根据弹性理论，计算出变形模量。 4、岩体动弹性模量测定 根据波在弹性介质中传播规律， 测定岩体内纵波和横波的传播速 度，按波动力学的公式推导岩体 的动弹性模量、动泊松比等。 岩体的动力指标比静力指标好， 适用于动力荷载作用下的稳定性 分析（如地震）
（二） 结构面性质的影响：结构面的张开程度、充填程度、 充填物性质与岩体变形有密切关系。压力大小也对变形有 影响。
水平方向， 压力垂直 无充填的 张开裂隙。 灌浆前后 变形特征 有变化。
垂直片麻理
岩体变形的结构效应
（三）结构面密度的影响： 结构面密度越大，岩体变形 模量越小。岩体变形模量E0与岩石弹模E的比值随RQD 的增大而增大，但结构面密度达到一定程度后（如RQD 或波速比的平方大于65%）再加密，对岩体变形的影响 不再明显。
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第3讲-岩石力学-岩石的变形、破坏特征
岩石的微结构面
微结构面：指存在于矿物颗粒内部或矿物颗粒间的软弱面或 缺陷，包括矿物解理、晶格缺陷、粒间空隙、微裂隙、微层 理及片理面、片麻理面等。
① 降低岩石强度
② 导致岩石力学性质各向异性
1、岩石的组构特征
岩石的主要胶结类型：
基底型：彼此不发生接触的矿物颗粒埋在玻璃体中，这种情况下 胶结程度很高，岩石强度与胶结物有关。
岩石的饱和吸水率(Wp)：是指岩石试件在高压(一般压力为15MPa)或真空条
件下吸入水的质量(mw2)与岩样干质量(ms)之比，用百分数表示。 岩石的吸水率(Wa)与饱和吸水率(Wp)之比，称为饱水系数。它反映了岩石中
大、小开空隙的相对比例关系。
Wp
m w2 100 % ms
mw1 Wa 100% ms
2.岩石变形特征
变形参数的一般确定方法: 实验数据分析
2
2 1 Et 2 1
弹性模量：弹性段的斜率
50
割线模量：极限强度50%所 对应点的斜率
Ei
1 i o
50 50
Ei i i
1 50 2 i L
初始模量：初始段 应力-应变曲线的切 线的斜率
2、岩石的物理性质
岩石的水理性质
岩石在水溶液作用下表现出来的性质，称为水理性质。主要包括： 吸 水性、软化性、 抗冻性、 膨胀性、 崩解性。
吸水性：岩石在一定的实验条件下吸收水分的能力，称为岩石的吸水性。
吸水率(Wa)：岩石试件在大气压力和室温条件下自由吸入水的质量(mw1)与 岩样干质量(ms)之比，用百分数表示。
不能恢复的 当物体既有弹性变形又有塑性变形，且具有明显的弹性后效时，弹性变形 和塑性变形就难以区别了。
微结构面：指存在于矿物颗粒内部或矿物颗粒间的软弱面或 缺陷，包括矿物解理、晶格缺陷、粒间空隙、微裂隙、微层 理及片理面、片麻理面等。
① 降低岩石强度
② 导致岩石力学性质各向异性
1、岩石的组构特征
岩石的主要胶结类型：
基底型：彼此不发生接触的矿物颗粒埋在玻璃体中，这种情况下 胶结程度很高，岩石强度与胶结物有关。
岩石的饱和吸水率(Wp)：是指岩石试件在高压(一般压力为15MPa)或真空条
件下吸入水的质量(mw2)与岩样干质量(ms)之比，用百分数表示。 岩石的吸水率(Wa)与饱和吸水率(Wp)之比，称为饱水系数。它反映了岩石中
大、小开空隙的相对比例关系。
Wp
m w2 100 % ms
mw1 Wa 100% ms
2.岩石变形特征
变形参数的一般确定方法: 实验数据分析
2
2 1 Et 2 1
弹性模量：弹性段的斜率
50
割线模量：极限强度50%所 对应点的斜率
Ei
1 i o
50 50
Ei i i
1 50 2 i L
初始模量：初始段 应力-应变曲线的切 线的斜率
2、岩石的物理性质
岩石的水理性质
岩石在水溶液作用下表现出来的性质，称为水理性质。主要包括： 吸 水性、软化性、 抗冻性、 膨胀性、 崩解性。
吸水性：岩石在一定的实验条件下吸收水分的能力，称为岩石的吸水性。
吸水率(Wa)：岩石试件在大气压力和室温条件下自由吸入水的质量(mw1)与 岩样干质量(ms)之比，用百分数表示。
不能恢复的 当物体既有弹性变形又有塑性变形，且具有明显的弹性后效时，弹性变形 和塑性变形就难以区别了。
3岩石力学性质及强度解析
一些典型的破坏形态
岩石的变形特性，根据其破坏特征，可以分为弹 性、弹塑性、塑性、粘性等(粘性又可分为粘弹性 和粘塑性)等。
§3-2 岩石的变形特性
弹性：指物体在外力作用下发生变形，当外力撤出后变形
能够恢复的性质。
塑性：指物体在外力作用下发生变形，当外力撤出后变形 不能恢复的性质。 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
瓦威尔西克（Wawer Sik,1968）对岩石开始宏观破坏 后的性态做了仔细研究，所得结果如图所示。
类型1：试件仍有一定的强度。要使试件进一步破坏，试验机必须进 一步作功，这种类型为稳定破坏型。应力－应变曲线的破坏后区斜率 为负。这种类型为稳定破坏型；（孔隙率大的沉积岩和部分结晶岩） 类型2：试件受力达到其极限强度以前储存的弹性变形能就足以使试 件完全破坏，不但不需要试验机进一步作功，还要逐步卸载，才能作 出破坏后区应力－应变曲线。应力－应变曲线的破坏后区斜率为正。 这种类型为非稳定破坏型；（细粒结晶岩）
小 结：
1．无论岩石在什么状态的应力条件下( 压、拉、剪、弯、扭)，其破坏形式基本上只 有两种：拉伸和剪切。 2． 三向等压>三向不等压>双向压>单向 压>剪切(包括扭转)>弯曲>单向拉伸；
3．从试验数量来看，单向压缩试验、 圆盘劈裂试验最多。
岩石的破坏形式
就其破坏本质而言，岩石破坏有以下三种类型： 1、拉破坏 2、剪切破坏 3、塑性流动破坏
1 与 主 应 力 差 ( σ 1-
σ 3) 的关 系 曲 线 表 示 。
围压对岩石变形的影响
图2－6 三轴应力状态下大理岩的应力－应变曲线
围压对岩石刚度的影响
第三讲 岩石强度
下图。
2P X Dl
（2-22）
6P y （2-23） Dl
•计算公式：当P值达到峰值破坏荷载Pmax时，在垂直径向的
x方向（水平方向）产生均匀拉应力σxmax即为岩石的拉应力：
2 Pmax Rt Dl
（2-25）
（3）点荷载试验法
–是上世纪发展起来的一种简便的现场试验方法。 –试件：任何形状，尺寸大致50mm，不做任何加工。 –试验：在直接带到现场的点荷载仪上，加载劈裂破坏。
在实验过程中，如何预见岩石的宏观破坏形式呢？ 也就是说在试验过程中，能否通过某种方式预先知道 （预测）它的破坏结果？（声发射技术的应用）
abLeabharlann cdef
– 由上图可知，声发射技术是一门无损监（检）测技 术，被动声发射监测，可以用来监测了解材料的破 坏趋势。
• 室内实验中影响岩石抗压强度的主要因素：
– 岩石试件的形状：圆柱体形、立方块、长方块等不同 的形状影响岩石的抗压强度，立方块和长方块容易在 棱角上产生应力集中，影响岩样的强度。
1. 岩石抗压强度：是指岩石承受最大外荷载的能力。
（1）单轴抗压强度：无围压（无侧限）强度 –岩样：圆柱形（尺寸直径48~54mm、高径比=2~2.5） –计算公式：压力与受载面积的比。
Pc Rc A
（2-14）
非标准试样的抗压强度计算公式：
为非标准岩样的强度，d为岩 样的直径或边长，h为高度。
• 试验方法：直剪仪，垂向压力P作 用下的直接剪切； • 试样：一般为立方块（尺寸：棱 长50mm），有时也用长方块； • 计算方法：
P A
P
岩样
直剪仪剪切盒
（2-15） （2-16）
T A
岩石力学第三讲、岩体的变形与强度
岩体的压力-变形曲线分类– 上凹型B
p = f（W）， d2 p/d W2＞ 0 B-1型 ： p – W曲线的斜率随压力和循环次数增大，弹 性变形较大， 垂直层面加压时岩体的特性。 B-2型： p – W曲线的斜率随压力和循环次数增大；卸 载时有明显的不可恢复变形和滞回环，高角度节理化 及垂直层面加压时的层状软岩体的特性。
第一节、岩体的变形特征
一、岩体的应力应变曲线与变形指标 二、岩体变形特性参数测定 三、岩体变形的结构效应 四、岩体变形本构方程
一、岩体的应力（压力）-应变（变形）曲线
1、岩体是同时具有弹性、塑性和粘性的多裂隙的非连续 介质，其应力应变全过程曲线原则上与岩石的相似， 但弹性模量、峰值强度、残余强度有所降低、泊松比 则有所提高。岩体与岩石的最大不同点为：弱面的存 在引起岩体变形和强度上的各向异性。
岩 石 力 学 第三讲 ROCK MECHANICS
主讲教师：汪家林 (6学时）
内容：岩体的基本力学性质及工程分类
（岩体变形、强度、原位试验
结构面的力学效应、岩体工程分类）
从岩块到岩体的示意图
上一章主要介绍岩石的 物理力学性质，本章讲 岩体的物理力学性质与 分类，岩体是一定范围 的天然地质体，岩石与 岩体的其物理力学性质 是有较大差异的。 影响岩体力学性的因素： 1、组成岩体的岩石材料性质 2、结构面力学性质 3、结构面的发育组合、岩体 经过结构类型 4、赋存环境如水、地应力
（二） 结构面性质的影响：结构面的张开程度、充填程度、 充填物性质与岩体变形有密切关系。压力大小也对变形有 影响。
水平方向， 压力垂直 无充填的 张开裂隙。 灌浆前后 变形特征 有变化。
垂直片麻理
岩体变形的结构效应
（三）结构面密度的影响： 结构面密度越大，岩体变形 模量越小。岩体变形模量E0与岩石弹模E的比值随RQD 的增大而增大，但结构面密度达到一定程度后（如RQD 或波速比的平方大于65%）再加密，对岩体变形的影响 不再明显。
第3讲 岩石的力学性质-强度性质
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3.实验原理
消除方法: ①润滑试件端部（如垫云 母片；涂黄油在端部）机)
12
4.影响单轴抗压强度的主要因素
（1）承压板端部的摩擦力及其刚度（加垫块的依据） （2）试件的形状和尺寸 形状：圆形试件不易产生应力集中，好加工 尺寸：大于矿物颗粒的10倍； φ50的依据 高径比：研究表明；L/D≥(2.5－3)较合理 （3）加载速度 加载速度越大，表现强度越高) 我国规定加载速度为0.5～0.8MPa/s （4）环境 含水量：含水量越大强度越低；岩石越软越明显，对 泥岩、粘土等软弱岩体，干燥强度是饱和强度的2－3倍。 温度：180℃以下不明显：大于180℃，温度越高强度 越小。
34
2)实验加载方式：
a. 真三轴加载:试件为立方体，加载方式如图所示。 应力状态：σ1>σ2> σ3 这种加载方式试验装置繁杂，且六个面均可受到由加 压铁板所引起的摩擦力，对试验结果有很大影响，因而实 用意义不大。故极少有人做这样的三轴试验。
b.伪三轴试验:，试件为圆柱体，试件直径25~150mm，长 度与直径之比为2：1或3：1。轴向压力的加载方式与单 轴压缩试验相同。 但由于有了侧向压力，其加载上时的端部效应比单轴加 载时要轻微得多。 应力状态：
a.试验者和时间：意大利人冯· 卡门(Von· Karman) 于1911年完成的。 b.试验岩石：白色圆柱体大理石试件，该大理石 具有很细的颗粒并且是非常均质的。 c.试验发现： ①在围压为零或较低时，大理石试件以脆性方式 破坏，沿一组倾斜的裂隙破坏。 ②随着围压的增加，试件的延性变形和强度都不 断增加，直至出现完全延性或塑性流动变形，并 伴随工作硬化，试件也变成粗腰桶形的。 ③在试验开始阶段，试件体积减小，当达到抗压 强度一半时，出现扩容，泊松比迅速增大。
岩块的变形与强度性质
岩块的力学属性：1．弹性（elasticity）：在一定的应力范围内，物体受外力产生的全部变形当去除外力后能够立即恢复其原有的形状和大小的性质。
2．塑性（plasticity）：物体受力后产生变形，在外力去除（卸荷）后不能完全恢复原状的性质。
不能恢复的变形叫塑性变形或永久变形、残余变形。
3．粘性（viscosity）：物体受力后变形不能在瞬时完成，且应变速率随应力增加而增加的性质。
应变速率随应力变化的变形叫流动变形。
4．脆性（brittle）：物质受力后，变形很小时就发生破裂的性质。
5．延性（ductile）：物体能承受较大塑性变形而不丧失其承载力的性质。
第一节岩块的变形性质一、单轴压缩条件下的岩块变形性质1．连续加载下的变形性质（1）加载方式：单调加载（等加载速率加载和等应变速率加载）循环加载（逐级循环加载和反复循环加载）（2）四个阶段：①Ⅰ：OA段，孔隙裂隙压密阶段；②Ⅱ：AC段，弹性变形至微破裂稳定发展阶段（AB段和BC段）弹性极限→屈服极限③Ⅲ：CD段，非稳定破裂发展阶段（累进破裂阶段）→“扩容”现象发生“扩容”：在岩石的单轴压缩试验中，当压力达到一定程度以后，岩石中的破裂（裂纹）继续发生和扩展，岩石的体积应变增量由压缩转为膨胀的力学过程。
—峰值强度或单轴抗压强度④Ⅳ：D点以后阶段，破坏后阶段（残余强度）以上说明：岩块在外荷作用下变形→破坏的全过程，具有明显的阶段性，总体上可分为两个阶段：1）峰值前阶段（前区）2）峰值后阶段（后区）（3）峰值前岩块的变形特征（Miller，1965）①应力—应变曲线类型米勒（Miller，1965）6类（σ—εL曲线），如图4.3所示：Ⅰ：近似直线型（坚硬、极坚硬岩石）：如玄武岩、石英岩等；Ⅱ：下凹型（较坚硬、少裂隙岩石）：如石灰岩、砂砾岩；Ⅲ：上凹型（坚硬有裂隙发育）：如花岗岩、砂岩；Ⅳ：陡“S”型（坚硬变质岩）：如大理岩、片麻岩；Ⅴ：缓“S”型（压缩性较高的岩石）：如片岩；Ⅵ：下凹型（极软岩）。
岩石力学ppt课件第三章 岩体力学性质
（2）上凹型（塑-弹性岩体）
含软弱夹层的层状岩体及裂隙岩体 （3）上凸型（弹-塑性岩体）
结构面发育且有泥质充填的岩体。
（4）复合型：阶梯或“S”型（塑-弹-塑性岩体)
20结21/8构/17面发育不均或岩性不均匀的岩体。
23
（二）剪切变形特征：
(a)沿软弱结 构面剪切
(b)沿粗糙结构面、 软弱岩体及强风
化岩体剪切
(c)坚硬岩体 受剪切
峰前变形平均斜 率小，破坏位移 大；峰后强度损 失小。
2021/8/17
峰前变形平均斜 率较大，峰值强 度较高；峰后有 明显应力降。
峰前变形斜率大，
峰值强度高，破坏
位移小；峰后残余 强度较低。
24
（三）各向异性变形特征：（P101蔡）
岩石的全部或部分物理、力学特性随方向不同而 表现出差异的现象称为岩石的各向异性。
2021/8/17
2
§3.1 概述
岩体=结构面（弱面）+结构体（岩石块体） 结构面：断层、褶皱、节理……统称
影响岩体力学性质的基本因素：
结构体(岩石)力学性质、结构面力学性质、岩体 结构力学效应和环境因素(特别是水和地应力的作用)
2021/8/17
3
§3.2岩体结构的基本类型 （地质学、复习、了解）
36
孔隙静水压力作用
（三）力学作用：
孔隙动水压力作用
当多孔连续介质岩土体中存在孔隙地下水时， 未充满孔隙的地下水使岩土体的有效应力增加：
p
σα有效应力，σ 总应力，p 孔隙静水水压力
当地下水充满多孔连续介质岩土体时，使有效 应力减小：
p
2021/8/17
σα，σ ，p ： 含义同上
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含软弱夹层的层状岩体及裂隙岩体 （3）上凸型（弹-塑性岩体）
结构面发育且有泥质充填的岩体。
（4）复合型：阶梯或“S”型（塑-弹-塑性岩体)
20结21/8构/17面发育不均或岩性不均匀的岩体。
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（二）剪切变形特征：
(a)沿软弱结 构面剪切
(b)沿粗糙结构面、 软弱岩体及强风
化岩体剪切
(c)坚硬岩体 受剪切
峰前变形平均斜 率小，破坏位移 大；峰后强度损 失小。
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峰前变形平均斜 率较大，峰值强 度较高；峰后有 明显应力降。
峰前变形斜率大，
峰值强度高，破坏
位移小；峰后残余 强度较低。
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（三）各向异性变形特征：（P101蔡）
岩石的全部或部分物理、力学特性随方向不同而 表现出差异的现象称为岩石的各向异性。
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§3.1 概述
岩体=结构面（弱面）+结构体（岩石块体） 结构面：断层、褶皱、节理……统称
影响岩体力学性质的基本因素：
结构体(岩石)力学性质、结构面力学性质、岩体 结构力学效应和环境因素(特别是水和地应力的作用)
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§3.2岩体结构的基本类型 （地质学、复习、了解）
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孔隙静水压力作用
（三）力学作用：
孔隙动水压力作用
当多孔连续介质岩土体中存在孔隙地下水时， 未充满孔隙的地下水使岩土体的有效应力增加：
p
σα有效应力，σ 总应力，p 孔隙静水水压力
当地下水充满多孔连续介质岩土体时，使有效 应力减小：
p
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σα，σ ，p ： 含义同上
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岩体力学岩体的变形与强PPT学习教案
第17页/共87页
2.1.4 岩体变形的结构效应
（三）结构面密度的影响 反映结构面密度的指标主要有线（ 面、体 ）裂隙 率、岩 体质量 指标R QD， 岩体的 完整性 系数Ｉ 等。
对于较完整岩体，随着RQD降低 ，模量 降低系 数近似 线性减 小。 岩体的完整性系数Ｉ 较低时，模量比较低，且变化不大；I 值较高时，随着 I 值增加，模量比以线性关系迅速增大。
岩块力学性质结构效应基础坚硬结构面不连续的小节理隐节理层面三结构面综合分级221结构面的类型第30页共87页2222结构面及其力学性质结构面及其力学性质221221结构面的类型结构面的类型222222结构面的自然特性结构面的自然特性22212221结构面的结合状态及其充填物质结构面的结合状态及其充填物质22222222结构面的几何形态或形态特征结构面的几何形态或形态特征22232223结构面的空间分布结构面的空间分布22242224结构面两侧岩性及其差异结构面两侧岩性及其差异223223结构面的力学性质结构面的力学性质22312231无充填结构面无充填结构面22322232充填的结构面充填的结构面22332233复合结构面复合结构面22342234未贯通断续结构面未贯通断续结构面第31页共87页222222结构面的自然特性结构面的自然特性结构面的自然特性是结构面的自然特性是指结构面的现状特征指结构面的现状特征
2.1.0 概述
岩体变形控制量化分析的基础是正确获得岩体的变形 破坏规律及相应的变形参数及强度参数。岩体变形参数 需要通过岩体变形试验来获得。
岩体变形试验包括：承压板法，狭缝法、单（双）轴 压缩法、钻孔径向加压法、隧道液压枕径向加压法、隧 道水压法等。可以获得变形模量、弹性模量、泊松比等。
一、岩体变形试验分类 （一）按照施加荷载作用方向 (1)法向变形试验：承压板法、狭缝法、单双轴三轴压
2.1.4 岩体变形的结构效应
（三）结构面密度的影响 反映结构面密度的指标主要有线（ 面、体 ）裂隙 率、岩 体质量 指标R QD， 岩体的 完整性 系数Ｉ 等。
对于较完整岩体，随着RQD降低 ，模量 降低系 数近似 线性减 小。 岩体的完整性系数Ｉ 较低时，模量比较低，且变化不大；I 值较高时，随着 I 值增加，模量比以线性关系迅速增大。
岩块力学性质结构效应基础坚硬结构面不连续的小节理隐节理层面三结构面综合分级221结构面的类型第30页共87页2222结构面及其力学性质结构面及其力学性质221221结构面的类型结构面的类型222222结构面的自然特性结构面的自然特性22212221结构面的结合状态及其充填物质结构面的结合状态及其充填物质22222222结构面的几何形态或形态特征结构面的几何形态或形态特征22232223结构面的空间分布结构面的空间分布22242224结构面两侧岩性及其差异结构面两侧岩性及其差异223223结构面的力学性质结构面的力学性质22312231无充填结构面无充填结构面22322232充填的结构面充填的结构面22332233复合结构面复合结构面22342234未贯通断续结构面未贯通断续结构面第31页共87页222222结构面的自然特性结构面的自然特性结构面的自然特性是结构面的自然特性是指结构面的现状特征指结构面的现状特征
2.1.0 概述
岩体变形控制量化分析的基础是正确获得岩体的变形 破坏规律及相应的变形参数及强度参数。岩体变形参数 需要通过岩体变形试验来获得。
岩体变形试验包括：承压板法，狭缝法、单（双）轴 压缩法、钻孔径向加压法、隧道液压枕径向加压法、隧 道水压法等。可以获得变形模量、弹性模量、泊松比等。
一、岩体变形试验分类 （一）按照施加荷载作用方向 (1)法向变形试验：承压板法、狭缝法、单双轴三轴压
岩体力学结构面的变形与强度性质
（一）剪切变形特征
（二）剪切变形本构方程
卡尔哈韦（ Kalhaway）方程
通过大量试验，发现峰值前的剪应力-剪位移曲线可用双曲线拟合
（三）剪切刚度及其确定方法 K s
定义： 在剪切应力作用下，峰值前结构面产生单位剪切位移所需要的 应力，数值上等于峰值前 u曲线上一点的切线斜率，即：
意义：反映结构面剪切变形性质的重要 参数，是岩体力学性质参数估算及岩体 稳定性计算中必不可少的指标之一。
第三章 结构面的变形与强度性质
• 变形性质
法向变形、剪切变形（特征、本构方程）
•
平直无充填结构面、粗糙起伏无充填结构面、 非贯通断续结构面、有充填物的软弱结构面
3.1 概述
研究结构面变形和强度特性的意义如何？ 具有十分重要的工程实践意义 1） 岩石工程实践表明，有相当一部分工程岩体的失稳破 坏是沿软弱结构面破坏的。结构面的强度性质是评价岩体 稳定性的关键。 2） 结构面及其充填物的变形是岩体变形的主要组成部分， 控制着工程岩体的变形特性。 3） 结构面是岩体中渗透水流的主要通道。工程岩体结构面 的变形又将极大地改变岩体的渗透性、应力分布及其强度。 4） 工程岩体中应力的分布受结构面及其力学性质的影响。
陡坎
波状起伏，粗糙
39～40 0.12～0.15 36～37
平直，粗糙
38～39 0.07～0.11 35～36
平直，粗糙，有陡坎 40～42 0.25～0.35 38～39
起伏大，粗糙，有陡坎 43～48 0.35～0.50 40～41
波状起伏，粗糙
39～40 0.15～0.23 37～38
平直，粗糙
经验方程（巴顿和乔贝，1977）
结构面剪切刚度直剪试验结果
岩石力学第三章岩石的力学特性及强度准则精品PPT课件
－内摩擦系数
C－粘聚力
－内摩擦角
写在最后
经常不断地学习,你就什么都知道。你知道得越多,你就越有力量 Study Constantly, And You Will Know Everything. The More
You Know, The More Powerful You Will Be
密度是试验指标，只有通过试验才能得到具体数值,而 孔隙度和孔隙比是计算指标。
（二）岩石的水理性质
1.吸水性：在常压条件下，岩石浸人水中充分吸 水，被吸收的水质量与干燥岩石质量之比为吸 水率—岩石的容水性（已介绍）
2.透水性：是指岩石容许水透过的能力，用渗透 系数表示（已介绍）
3.软化性：岩石浸水后强度降低的性能称软化性。 软化性用软化系数表示，它是指岩石饱和状态 下与天然风干状态下单轴抗压强度之比。
岩石名称 泥岩 泥灰岩 石灰岩 片 麻岩
石英片岩、角闪片岩 云母片岩、 绿泥石片岩 千枚岩 硅质板岩 泥质板岩 石英岩
软化系数 0.40～0.60 0.44～0.54 0.70～0.94 0.75～0.97 0.44～0.84
0.53～0.69 0.67～0.96 0.75～0.79 0.39～0.52 0.94～0.96
研究生课程：石油工程岩石力学 第三章：岩石的力学特性及强度准则
第一节：岩石的力学性质
岩浆岩、沉积岩和变质岩是岩石的成因 分类，它主要讨论岩石的结构、构造和 矿物成分等地质特性。
对于工程技术人员，更应关注的是直接 用于工程设计的岩石工程性质：岩石的 物理性质、水理性质和力学性质。
一、岩石的工程性质
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 安山岩
C－粘聚力
－内摩擦角
写在最后
经常不断地学习,你就什么都知道。你知道得越多,你就越有力量 Study Constantly, And You Will Know Everything. The More
You Know, The More Powerful You Will Be
密度是试验指标，只有通过试验才能得到具体数值,而 孔隙度和孔隙比是计算指标。
（二）岩石的水理性质
1.吸水性：在常压条件下，岩石浸人水中充分吸 水，被吸收的水质量与干燥岩石质量之比为吸 水率—岩石的容水性（已介绍）
2.透水性：是指岩石容许水透过的能力，用渗透 系数表示（已介绍）
3.软化性：岩石浸水后强度降低的性能称软化性。 软化性用软化系数表示，它是指岩石饱和状态 下与天然风干状态下单轴抗压强度之比。
岩石名称 泥岩 泥灰岩 石灰岩 片 麻岩
石英片岩、角闪片岩 云母片岩、 绿泥石片岩 千枚岩 硅质板岩 泥质板岩 石英岩
软化系数 0.40～0.60 0.44～0.54 0.70～0.94 0.75～0.97 0.44～0.84
0.53～0.69 0.67～0.96 0.75～0.79 0.39～0.52 0.94～0.96
研究生课程：石油工程岩石力学 第三章：岩石的力学特性及强度准则
第一节：岩石的力学性质
岩浆岩、沉积岩和变质岩是岩石的成因 分类，它主要讨论岩石的结构、构造和 矿物成分等地质特性。
对于工程技术人员，更应关注的是直接 用于工程设计的岩石工程性质：岩石的 物理性质、水理性质和力学性质。
一、岩石的工程性质
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 安山岩