高等岩石力学_第二章
岩体力学第二章2.1
定义：岩石在自然条件下，单位体积的质量 自然条件下 定义：岩石在自然条件 计算公式：
ρ=
m V
g/cm3
ma=0
空气 水 固体
Va Vv Vw V
试验方法：称重法 试验方法：
m mw ms
精度 0.01g 质量
+
量尺 天平
Vs
体积
山东科技大学资源与环境工程学院
试验时，将烘干的试块约 试验时，将烘干的试块约500g，分成 份，放入带有筛孔的圆筒内，使圆筒在水槽 ，分成10份 放入带有筛孔的圆筒内， 中以20r／ 速度连续转 分钟，然后将留在圆筒内的石块取出烘干称重， 速度连续转10分钟 中以 ／s速度连续转 分钟，然后将留在圆筒内的石块取出烘干称重，如此反复进行 两次。 两次。
2.1 岩石的基本物理性质
②膨胀压力
定义：岩石试件浸水后，使试件保持原有体积所施加的最大压力。 最大压力。 定义：岩石试件浸水后，使试件保持原有体积所施加的最大压力 试验方法： 试验方法：
先加预压0.01MPa，变形稳定后，浸水，岩石遇水膨胀的变形量大于0.001mm时，施 ，变形稳定后，浸水，岩石遇水膨胀的变形量大于 先加预压 时 加一定的压力， 件保持原有的体积，测量试件保持不变时的最大压力。 加一定的压力，试件保持原有的体积，测量试件保持不变时的最大压力。
2.1 岩石的基本物理性质
某些岩石的渗透系数K（cm/s）
2.1 岩石的基本物理性质
岩石渗透试验仪（轴向渗透） 岩石渗透试验仪（轴向渗透）
2.1 岩石的基本物理性质
b、 径向渗透试验时，其渗透系数计算
径向渗透试验示意图
2.1 岩石的基本物理性质
第二章--岩石力学的地质学基础--02
1-地壳；2-地幔；3-地核；4-液态外部地核；5-固态内部地核；6-软流圈；7-岩石圈地球内部构造(a)(b)(c)(d)(a)(f)(g)(h)(i)(e)方解石钟乳状集合体（a）石盐的立方体完全解理（b）石英的贝壳状断口角砾岩片麻岩礁灰岩玄武岩浮石白云母方解石黄铜矿石英萤石自然硫沉积岩的构造层理的基本形态a-水平层理b-斜层理c-交错层理递变层理根据交错层理确定岩层的顶面和底面层理构造岩层形态a-顶面b-底面1-板状岩层2-变厚变薄3-尖灭4-透镜体波痕与泥裂构造波痕及其印模泥裂的示意立体图地层单位表一般采用同位素地质年代测定法。
根据地壳运动和生物的演变，将地质年代划分为宙、代、纪、世，相(a) 岩层水平变动层位岩层层序律(b) 岩层倾斜正常层位岩层产状要素褶曲要素根据轴面产状划分的褶曲形态类型根据枢纽产状划分的褶曲形态类型根据平面形态划分的褶曲形态类型断层类型阶状断层地堑与地垒断层的组合形式断层三角面a-整合b-平行不整合c–角度不整合渗透实验装置潜水、承压水及上层滞水潜水等水位线图1-隔水层2-含水层3-喷水钻孔4-不自喷水钻孔5-地下水流向6-测压水位7-泉自流斜地由岩性变化形成1-地形等高线2-含水层顶板等高线3-等水压线4-地下水流向5-承压水自溢区6-钻孔7-自流井8-含水层9-隔水层10-承压水位线11-钻孔12-自流井等水压线图。
岩石力学全
目录第一章岩石力学的研究进展 (3)第二章工程岩石的地质特性 (4)§2.1 基本概念 (4)§2.2 岩石的矿物学特性 (4)§2.3 岩体结构 (5)§2.4 岩体的天然应力 (5)§2.5 风化作用对岩体力学特征的影响 (6)§2.6 水对岩体特性的影响 (6)第三章工程岩体分级 (6)§3.1 概述 (6)§3.2 影响岩体工程性质的主要因素 (7)§3.3 岩体质量描述及其表达式 (8)第四章室内岩块试验分析 (11)§4.1 岩块的空隙性和水理性 (11)§4.2 岩块的单轴抗压试验 (12)§4.3 岩块三轴压缩试验 (13)第五章岩体天然应力及其测试原理与技术 (15)§5.1 概述 (15)§5.2 岩体天然地应力状态及高地应力现象 (15)§5.3 岩体天然地应力测试原理和方法 (16)第六章岩石的变形及其影响因素 (18)§6.1岩石的变形和强度特征及影响因素 (18)§6.2岩石的流变特性 (23)第七章岩体变形及强度.............................................................................. 错误！未定义书签。
§7.1 岩体变形测试................................................................................ 错误！未定义书签。
§7.2 岩体的强度.................................................................................... 错误！未定义书签。
岩体力学 第二章 岩石物理力学性质
Wa
mw1 mw2
100%
nb
VVb V
100%
dWa w
dWa
2、饱和吸水率(Wp)
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，即
循环加荷
加荷
加
单轴 p
荷 三轴 拉伸
方 加荷
反复循环加卸荷(c)
p
p
式
t
t
t
加剪力
(a)
(b)
(c)
单向受压
单向受拉
双向受力
压剪
岩石强度：岩石抵抗外力破坏的能力。
岩块破 坏方式
脆性破坏
拉破坏 剪切破坏
塑性破坏(延性破坏）
一、单轴抗压强度 受 力 二、单轴抗拉强度 状 三、剪切强度 态 四、三轴压缩强度
Wp
mw2 ms
100%
n0
VV 0 V
100%
dW p w
dWp
3、饱水系数(Wa)
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。
几种岩石的吸水性指标值
（二）岩石的软化性
岩石浸水饱和后强度降低的性质，称为软化性，
软化系数(KR)为岩石试件的饱和抗压强度(σcw)与 干抗压强度(σc)的比值
一、岩石(块)的物质组成
岩块的力学性质主要取决于组成岩石的矿物成分 及其相对含量
硅酸盐类矿物
组成岩石 的矿物
粘土矿物 碳酸盐类矿物
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岩石力学课件
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3.三轴压缩试验的破坏类型
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具体破坏形式的多样化
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4.岩石三向压缩强度的影响因素
（1）侧压力的影响
围压越大，轴向压力越大
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（2）加载途径对岩石三向压缩强度影响
A、B、C三条虚线是三个不同的加载途径，加载途径对岩石的 最终三轴压缩强度影响不大（？）。
我国规定加载速度为0.5－1.0MPa/s
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二 岩石的三轴抗压强度
1.定义
指在三向压缩荷载作用下岩石所能承受的 最大压应力。
1f2,3
2. 三向压缩试验简介
（1）真三轴 123（2）源自规三轴 1232020/4/8
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4. 单轴抗压强度的主要影响因素
岩石自身的因素： 矿物成分、结晶程度、颗粒大小及胶结情况、 风化程度、含水情况和周围环境（温度、湿度） 层理和裂隙的特性和方向等；
❖ 含水量：含水量越大强度越低，岩石越软越明显；
温 度：180℃以下不明显；大于180℃，温度越高强度越小。
D——直径
Rcw/Rc
Rcw——饱和单轴抗压强度； Rc——干燥单轴抗压强度；
η （η≤1）越小，表示岩石受水的影响越大(见表2-2）。
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(五) 耐崩解性
第2章岩石力学性质与分级
图2-1 岩石凿测器 1-钎头；2-承击台；3-插销；4-导向杆；5-落锤；
6-△形环；7-操作绳；8-导杆顶；9-转动把手
（1）凿碎比功 凿碎比功是指凿碎单位体积岩石所消耗的功，其值按下式计算：
A V
N A0 D2 H
480 39.2
(4.1)2 H
14252 H
表2-1 几种典型岩石的物理力学特性
2.1.1岩石的结构构造
矿物是构成岩石的主要成分，矿物颗粒愈细、密度愈大，愈坚固，则 愈难于爆破破碎。
岩石中矿物的结晶程度，晶粒大小，晶体形状及其之间的组合关系， 结构决定了岩石内部的连接情况，直接影响岩石的物理力学性质。
一般矿物晶粒愈细，愈致密，强度越大，凿爆越难，沉积岩还与胶结 成分有关；硅质，泥质不同，硅质页岩与炭质页岩不同。变质岩的组分和 结构与变质程度有关，一般变质程度高、致密的变质岩比较坚固，较难爆 破，反之则易爆破。
岩石强度是表示岩石抵抗压、剪、拉诸应力而导致岩石破坏的 能力,是材料力学中用以表示材料抵抗上述三种简单应力的常量， 往往是在单轴静载作用下的测定指标。爆破时，岩石受的是瞬时冲 击载荷，所以要强调在三轴作用下的动态强度指标，才能真实地反 映岩石的爆破性，但全围压（三轴）试验难度较大。
表2-2是用雷管模拟爆破和用材料试验机加载试验所得的几种岩石的 动、静载强度。可见，动载强度比静载强度为大。
2.1 影响岩石凿岩爆破性的因素
凿岩性岩石在钻孔中表现出的抵抗钻头等机械作用而破坏的性 质，爆破性则是指岩石在爆破作用下表现出的性质。
岩石自身物理力学性质在凿岩爆破工艺中的综合反映，影响着 整个凿岩爆破效率和效果，通常可以用岩石的单一物理力学指标来 表示。
第二章 岩石的力学性质
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现出一破料定裂。的。韧性。
破裂面
带状
材料的韧性程度不同， 其产生破裂的形式也
不同
二、岩石的脆性破裂
试验和自然界宏观破裂的主要形式
– 张裂——位移方向垂直于破裂面 – 剪裂——位移方向平行于破裂面
张裂面
特点剪：裂面 １）σ1平行于张裂面； ２）σ1是两组剪裂面的平分
线； ３）两组剪裂面相交于σ2轴.
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浅构造层次：相当于0～5km的深度范围，以断层和纵弯褶 皱为主导变形作用是作用。
中构造层次：5～15km，以塑性压扁和韧性剪切变形为主， 发育劈理和面理。该层次顶面以板劈理出现为界，即 板劈理前锋面。
深构造层次：15km以下，主导变形作用是流变作用和深熔 作用。代表性构造是柔流褶皱和韧性剪切带，深部发 生混合岩化，甚至形成深熔花岗岩。
μ为内摩擦系数。
φ 为内摩擦角，μ＝tanφ
τ０
上式可改写成
φ
σ
︱ τ ︱ ＝τ0＋σn· tanφ
φ
库仑剪破裂准则
麻烦的“角”
τ φ τ0
φ
2 2
φ——内摩擦角
——剪裂角
2 ——共轭剪裂面
之间的夹角 ——应力分析中斜
截面与主平面之间的 夹角，或主应力与截 面法线之间的夹角
σn 2 ＝90°－φ
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二、构造层次
随地壳深度增加温度压力升高，引起岩石力学性质变化而 产生的变形性质的垂向分带性。
总体上为上部为脆性破裂变形，向下出现弯曲、压扁和韧性 剪切，最深处为塑性流动变形
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二、构造层次
表构造层次：位于地表，主要表现为断层、断块等脆性变形，由 剪切破裂机制造 成。
东北大学岩石力学讲义第二章岩石破坏机制及强度理论.
第二章 岩石破坏机制及强度理论第一节 岩石破坏的现象在不同的应力状态下，岩石的破坏机制不同，常见的岩石破坏形式有以下几种一、拉破坏：岩石试件单向抗压的纵向裂纹，矿柱，采面片帮。
特点出现与最大应力方向平行的裂隙。
二、剪切破坏：岩石试件单向抗压的X 形破坏。
从应力分析可知，单向压缩下某一剪切面上的切向应力达到最大引起的破坏。
(a ) (b )三、重剪破坏：即沿原有的结构面的滑动、重剪破坏主要的机制：岩体受剪切作用或者受拉应力的作用、三向受压情况下多数为剪切应力的作用，侧向压力较小时可能是拉神破坏，实际工程中可能是不同机制的组合，但侧向应力较大时，可以认为剪切应力是岩石重剪破坏的主要破坏机制。
从岩石破坏的现象看，从小到几厘米的岩块到大的工程岩体，破坏形式雷同，并可归纳为两种，拉断与剪坏，因此有一定的规律可寻。
对岩石破坏的研究：在单向条件下可以从实验得到破坏的经验关系。
但是三向受力条件下，不同应力的组合有无穷多种，因此无法仅仅依靠实验得到破坏的经验关系，因此在一般应力状态，对岩石破坏的研究需要结合理论分析和试验研究两个方面。
现代关于岩石破坏的理论分析一般归结为、寻求破坏时的主应力之间的关系123(,)f σσσ=研究的方法有：理论分析；2、试验研究；3、理论研究结合试验研究。
第二节 岩石拉伸破坏的强度条件一、最大线应变理论该理论的主要观点是，岩石中某个面上的拉应变达到临界值时破坏，而与所处的应力状态无关。
强度条件为c εε≤ (2-1)c ε—拉应变的极限值，ε—拉应变。
若岩石在破坏之前可看作是弹性体，在受压条件下σ1>σ2>σ3下， 3ε是最小主应力。
按弹性力学有33E Eσμεσσ=-12（+），即33E εσμσσ=-12（+）。
若3ε<0则产生拉应变。
由于E >0，因此产生拉应变的条件是3σμσσ-12（+）<0，3μσσσ12（+）>若3ε=0ε<0则产生拉破坏，此时抗拉强度为0t Eσε＝⇒0t E σε＝。
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第 10 张
岩体的强度特性
岩体是由岩块和结构面组成的地质体，因此其强度必 岩体是由岩块和结构面组成的地质体， 然受到岩块和结构面强度及其组合方式(岩体结构)的控制。 然受到岩块和结构面强度及其组合方式(岩体结构)的控制。 一般情况下，岩体的强度不同于岩块的强度， 一般情况下，岩体的强度不同于岩块的强度，也不同于结 构面的强度，如果岩体中结构面不发育，呈完整结构， 构面的强度，如果岩体中结构面不发育，呈完整结构，则 岩体强度大致等于岩块强度， 岩体强度大致等于岩块强度，如果岩体将沿某一结构面滑 动时，则岩体强度完全受该结构面强度的控制， 动时，则岩体强度完全受该结构面强度的控制，这两种情 比较好处理。研究表明， 况，比较好处理。研究表明，裂隙岩体的强度介于岩块强 度和结构面强度之间。它一方面受岩石材料性质的影响， 度和结构面强度之间。它一方面受岩石材料性质的影响， 另一方面受结构面特征(数量、方向、间距、性质等) 另一方面受结构面特征(数量、方向、间距、性质等)和赋 存条件(地应力、 温度等)的控制。 存条件(地应力、水、温度等)的控制。
第二章 岩石强度及强度理论
邓 辉 成都理工大学
第 1 张
岩石的强度
岩石的强度： 岩石的强度：岩石在各种荷载作用下达到破坏时 所能承受的最大应力称为岩石的强度(strength 所能承受的最大应力称为岩石的强度(strength of rock)。 rock)。 在单轴压缩荷载作用下所能承受的最大压应力 称为单轴抗压强度 单轴抗压强度， 非限制性抗压强度； 称为单轴抗压强度，或非限制性抗压强度； 在单轴拉伸荷载作用下所能承受的最大拉应力 单轴抗拉强度； 称为单轴抗拉强度 称为单轴抗拉强度； 在纯剪力作用下所能承受的最大剪应力称为非 在纯剪力作用下所能承受的最大剪应力称为非 限制性剪切强度。 限制性剪切强度。
第 13 张
• 3. 岩体三轴压缩强度试验
第 14 张
二、结构面强度效应
• 1. 单结构面强度效应
由莫尔应力圆理论， 由莫尔应力圆理论，作 用于AB面上的法向应力 用于AB面上的法向应力 σ和剪应力τ为 和剪应力τ
结构面强度曲线服从库伦准则
Cw、φw分别为结构面的粘结力和内摩擦角
第 15 张
经整理，可得到沿结构面AB产生剪切破坏的条件： 经整理，可得到沿结构面AB产生剪切破坏的条件： 产生剪切破坏的条件
第 7 张
四、抗拉强度
劈裂试验加载和应力分布示意图 由劈裂试验求岩石 抗拉强度的公式为
第 8 张
五、抗剪切强度
• 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(shear 石的抗剪切强度(shear strength)
第 9 张
试验表明，剪切面上所受的正应力越大， 试验表明，剪切面上所受的正应力越大，试件被剪破坏 前剪切面上所能承受的剪应力也越大。 前剪切面上所能承受的剪应力也越大。因为剪切破坏发 生前一要克服粘结力(内聚力) 生前一要克服粘结力(内聚力)，二要克服剪切面上 的摩擦力，正应力越大，摩擦力也越大。 的摩擦力，正应力越大，摩擦力也越大。
第 21 张
（1）对岩体破坏机制的控制
沿结构 面滑动
部分沿结 构面滑动
产生张裂隙 面而破坏
岩结构 面张开
（2）结构面产状对岩体强度的影响 参见前面的介绍以及陈宗基的莫尔圆图示 和约翰图解法
第 22 张
• 3. 结构面密度对岩体强度的影响
①在其他条件相同的情况下，岩体内结构面数量愈 在其他条件相同的情况下， 密度愈大，其变形也愈大，同时强度也愈低。 多，密度愈大，其变形也愈大，同时强度也愈低。 ②岩体强度的降低随着n（单位岩体体积中岩块的数 岩体强度的降低随着n 的增大而减小，但有一定的临界值。 量）的增大而减小，但有一定的临界值。
第 5 张
二、三轴抗压强度
根据强度包络线可以求出岩石的粘结力（ 根据强度包络线可以求出岩石的粘结力（c）(或称内 聚力) 和岩石的内摩擦角（ 聚力) 和岩石的内摩擦角（φ）
第 6 张
三、点荷载强度指标
点荷载试验所获 得的强度指标
Is(50)为直径为 Is(50)为直径为50mm的标准试件的点荷载强度指标值(MPa)； 为直径为50mm的标准试件的点荷载强度指标值 的标准试件的点荷载强度指标值(MPa)； Is(D)为直径为 的非标准试件的点荷载强度指标值(MPa)； Is(D)为直径为D的非标准试件的点荷载强度指标值(MPa)； 为直径为D k为修正系数。 为修正系数。 点荷载强度标准值Is(50) 点荷载强度标准值Is(50) 可转换为单轴抗压强度 σc为L：D二2：1的试件单轴抗压强度值。 的试件单轴抗压强度值。
第 28 张
• 5. 围压对节理化岩体强度的影响
1 ．围压的大小，影响节理化岩体的破坏方式。在低围 围压的大小，影响节理化岩体的破坏方式。 压时，常呈轴向劈裂，沿结构面滑动或松胀解体破坏。 压时，常呈轴向劈裂，沿结构面滑动或松胀解体破坏。在 高围压时形成穿切岩石材料的共轭剪切面破坏。 高围压时形成穿切岩石材料的共轭剪切面破坏。 2．围压增大，岩体抗剪强度增大，但并非呈直线关系， 围压增大，岩体抗剪强度增大，但并非呈直线关系， 而是在围压低时增加得快，围压高时强度增加得慢。 而是在围压低时增加得快，围压高时强度增加得慢。 3．随着围压的增大，岩体中结构面的力学效应逐渐减 随着围压的增大， 当围压达到某一临界值时， 小，当围压达到某一临界值时，岩体中结构面效应完全消 这时岩体也从脆性破坏变成延性破坏。 失，这时岩体也从脆性破坏变成延性破坏。而这一临界值 的大小则因岩性不同而不同。 的大小则因岩性不同而不同。如罗森格伦对粒化大理石的 研究表明，当围压为20MPa时 研究表明，当围压为20MPa时，岩体的强度可以达到岩 石强度的80％。 石强度的80％。 4．变形模量随着围压的增高而显著增高。 变形模量随着围压的增高而显著增高。
在A区和B区，如果节理倾斜得合适的话， 区和B 如果节理倾斜得合适的话， 就沿原有节理发生滑动否则沿岩石材料和节理 混合剪切。 混合剪切。 在A区内，岩体包络线处于岩石材料包络 区内， 线和光滑节理（最软弱的结构面）之间。 线和光滑节理（最软弱的结构面）之间。而在 B区岩体破坏包络线平行于岩石材料包络线， 区岩体破坏包络线平行于岩石材料包络线， 并大约低5∽10° 由脆性破坏过渡到延性破 并大约低5∽10°，由脆性破坏过渡到延性破 岩体破坏与节理无关， 坏。在C区，岩体破坏与节理无关，且呈延性 破坏（围压增大) 破坏（围压增大)。
第 25 张
（2）岩石材料的莫尔包线，是节理化岩 岩石材料的莫尔包线， 石强度的上限， 石强度的上限，岩体中最光滑节理或最软 弱结构面的莫尔包线是其强度下限。 弱结构面的莫尔包线是其强度下限。
第 26 张
（3）郝希菲尔德等在石膏模型试验基础上对 节理岩体强度性状和特征边界进行如下的分析
第 27 张
当作用在岩体上的主应力值满足上方程时， 当作用在岩体上的主应力值满足上方程时，结构面 上的应力处于极限平衡状态。 上的应力处于极限平衡状态。
第 16 张
从上式可知： 从上式可知：
这说明当β=π/2和 这说明当β=π/2和β=φw时，试件不可能沿 结构面破坏， 不可能无穷大， 结构面破坏，但σ1不可能无穷大，在此条件 将沿岩石内的某一方向破坏。 将沿岩石内的某一方向破坏。 求导，并令一阶导 求导， 数等于零得。 数等于零得。
第 23 张
• 4. 节理化岩体强度
岩体强度十分复杂 对于两种极端情况比较简单 ①完整无结构面的岩体强度 =岩石材料的强度 ②当岩体沿结构面整体滑动破坏时， 当岩体沿结构面整体滑动破坏时， 其强度取决于结构面的强度。 其强度取决于结构面的强度。
对于节理较发育的岩体强度的特征得到以下认识
第 24 张
岩块的强度为
第 19 张
从而可得到岩体的 三轴压缩强度为： 三轴压缩强度为：
从而可得岩体单轴的压缩强度为： 从而可得岩体单轴的压缩强度为：
第 20 张
• 2. 结构面产状的强度效应
是指结构面与工程力之间方位的改变 对岩体强度性质的影响。 对岩体强度性质的影响。 它表现在两方面： 它表现在两方面： 控制岩块或岩体破坏机制 影响岩体强度(前面已介绍) 影响岩体强度(前面已介绍)
（1）节理岩体因结构面组合及受力状态不同， 节理岩体因结构面组合及受力状态不同， 其破坏方式也不同。 其破坏方式也不同。
①轴向劈裂，在具高角度结构面和低围压时发生。 发生。 轴向劈裂，在具高角度结构面和低围压时发生 ②沿结构面滑动破坏，它多在结构面与最大主应力呈 沿结构面滑动破坏， 30∽50° 且围压不高时发生。 30∽50°角，且围压不高时发生。 ③切穿岩石材料，多发生在高围压情况下，形成共轭间切 切穿岩石材料，多发生在高围压情况下， 面破坏。 面破坏。 ④部分沿结构面滑动，部分切岩石材料剪切破坏。 部分沿结构面滑动，部分切岩石材料剪切破坏。 ⑤由于岩体中裂隙在受力条件下发生扩展、张开，为裂隙 由于岩体中裂隙在受力条件下发生扩展、张开， 切割的岩石块体发生偏转、压碎等情况， 切割的岩石块体发生偏转、压碎等情况，使岩体发生松胀 破坏。 破坏。
第 3 张
一、单轴抗压强度
(b) X状共轭斜面剪切破坏 X状共轭斜面剪切破坏 (c) 单斜面剪切破坏 (d) 拉伸破坏