岩石力学-结构面的力学性质
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。
精品课程《岩石力学》PPT课件
(4) 整体综合分析方法
将实验、理论和工程监测以及经验相结合，利用信 息、系统科学理论进行计算机科学决策
七、岩石力学的应用范围
(1) 水利水电工程
坝基及坝肩稳定性、防渗加固理论和技术 有压和无压引水隧道设计、施工及加固理论技术 大跨度高边墙地下厂房的围岩稳定及加固技术 高速水流冲刷的岩石力学问题 水库诱发地震的预报问题 库岸稳定及加固方法
1956年4月，在美国的科罗拉多矿业学院举行的一次专业会议上， 开始使用“岩石力学”这一名词，并由该学院汇编了“岩石 力学论文集”。在论文集的序言中说：“它是与过去作为一 门学科而发展起来的土力学，有着相似的概念的一门学科， 对这种有关岩石的力学方面的学科，现取名为岩石力学”。
1957年在巴黎出版的塔洛布尔（J. Talobre）的专著“岩石力学”是 这方面较早的一本较系统的著作。其后，开始形成了不同的 岩石力学学派（如法国学派，偏重于从弹塑性理论方面来研 究；奥地利学派，偏重于地质构造方面来研究）。
(2) 采矿工程
露天采矿边坡设计及稳定加固技术 井下开采中巷道和采场围岩稳定性问题，特
别是软岩巷道和深部开采地压控制问题 矿柱稳定性及开采优化设计问题(采场结构、
开采顺序、开挖步骤等)设计问题 矿井突水预测、预报及预处理理论和技术 岩爆、煤与瓦斯突出及预处理理论和技术 采空区处理及地面沉降问题 岩石破碎问题
(5) 石油工程 岩石应力与渗透性及采油技术 钻探技术与井壁稳定性 岩石力学与地球物理勘探综合研究 石油、天然气运输与储存工程对环境的影响
(6) 海洋勘探与开发工程 (7) 核电站建设中核废料处理技术 (8) 地层热能资源开发技术问题 (9) 地震预报中的岩石力学问题 (10) 地下军事工程及防护问题
《岩石力学》复习资料
《岩石力学》复习资料1.1 简述岩石与岩体的区别与联系。
答:岩石是由矿物或岩屑在地质作用下按一定的规律聚集而形成的自然物体,力学性质可在实验室测得；岩体是指由背诸如节理、裂隙、层理和断层等地质结构面切割的岩块组成的集合体，力学性质一般在野外现场进行测定，因此更接近岩体的实际情况，反映岩体的实际强度。
1.2 岩体的力学特征是什么？答：（1)不连续性：岩体受结构面的隔断,多为不连续介质，但岩块本身可作为连续介质看待；（2)各向异性：结构面有优先排列位向的趋势,随着受力岩体的结构趋向不同力学性质也各异；(3）不均匀性：结构面的方向、分布、密度及岩块的大小、形状和镶嵌状况等在各部位都很不一致，造成岩体的不均匀性；（4)岩块单元的可移动性：岩体的变形破坏往往取决于组成岩体的岩石块单元体的移动,这与岩石块本身的变形破坏共同组成岩体的变形破坏；（5）力学性质受赋存条件的影响：在一定的地质环境中，岩体赋存有不同于自重应力场的地应力场、水、气、温度以及地质历史遗留的形迹等。
1.3 岩石可分为哪三大类?它们各自的基本特点是什么?答：（1）岩浆岩：由岩浆冷凝形成的岩石，强度高、均匀性好；（2）沉积岩：由母岩在地表经风化剥蚀后产生，后经搬运、沉积和结硬成岩作用而形成的岩石,具有层理构造，强度不稳定，且具有各向异性；（3）变质岩：由岩浆岩、沉积岩或变质岩在地壳中受高温、高压及化学活动性流体的影响发生变质而形成的岩石.力学性质与变质作用的程度、性质以及原岩性质有关。
1.4 简述岩体力学的研究任务与研究内容。
研究任务：①建模与参数辨别;②确定试验方法、仪器与信息处理；③现场测试；④实际应用；研究内容：①岩石与岩体的物理力学性质(岩石的物质组成和结构特征，岩石的物理、水理性质，岩块在不同应力状态作用下的变形和强度特征,结构面的变性特征和强度参数的确定等）;②岩石和岩体的本构关系(岩块的本构关系，岩体结构面分类和典型结构面本构关系,岩体的本构关系）；③工程岩体的应力、变形和强度理论（岩体初始应力测量及分布规律，岩体中应力、应变和位移计算，岩体破坏机理、强度理论和工程稳定性维护与评价）：④岩石(岩块）室内实验（室内实验是岩石力学研究的基本手段）;⑤岩体测试和工程稳定监测（岩体原位力学实验原理和方法，岩体结构面分布规律的统计测试,岩体的应力、应变、位移检测方法及测试数据的分析利用,工程稳定准则和安全预测理论与方法)。
岩石的变形力学性质[详细]
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▪ 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。
▪ ②弹性模量：直线的斜率,也即应力（ σ ） 与应变（ε）的比率被称为岩石的弹性模 量，记为E。
▪ ③其应力—应变关系：
▪
σ =Eε
▪ ④反复加卸载应力—应变曲线仍为直线。
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▪ b.完全弹性岩石
▪ ①岩石的应力—应变关系不是直线，而是曲线。
▪ ②对于任一应变ε，都有唯一的应力σ与之对应， 应力是应变的函数关系，即
▪
Et = dσ/dε;
Es = σ/ε
▪ ④反复加卸载当荷载逐渐施加到任何点P，得加
载曲线OP。如果在P点将荷载卸去，则卸载曲线
仍沿原曲线OP路线退到原点O。
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▪ c.弹性岩石
▪ ①岩石的应力—应变关系不是直线，而是曲线， 且卸载曲线不沿原加载路径返回原点。
▪ ②对于任一应变ε，不是唯一的应力σ与之对应， 应力不是应变的函数关系。
▪ 另一方面还和它的受力条件，如荷载的大小及其组 合情况、加载方式与速率及应力路径等密切相关。
▪ 例如，在常温常压下，岩石既不是理想的弹性材料， 也不简单的塑性和粘性材料，而往往表现出弹一塑 性、塑一弹性、弹一粘一塑或粘一弹性等性质。
岩石力学
一、名词解释：1、岩石力学：研究岩石的力学性状和岩石对各种物理环境的力场产生效应的一门理论科学，是力学的一个分支，同时它也是一门应用科学。
2、岩石：是由各种造岩矿物或岩屑在地质作用下按一定规律组合而成的多种矿物颗粒集合体，是组成地壳的基本物质。
3、岩体：是地质体，它的形成于漫长的地质年代有关，它是一定工程范围内的自然地质体，经过各种地质运动，内部含有构造和裂隙。
4、结构面：①指在地质历史发展过程中岩体内形成的具有一定的延伸方向和长度，厚度相对较小的宏观地质界面或带。
②又称弱面或地质界面，是指存在于岩体内部的各种地质界面，包括物质分异面和不连续面，如假整合、不整合、褶皱、断层、层面、节理和片理等。
5、岩石结构：结构面和结构体在岩体内的排列组合形式，称为岩体结构。
6、软化系数：指岩石试件的饱和抗压强度与干燥状态下的抗压强度的比值7、弹性模量：弹性范围内轴向应力与轴向应变之比。
8、变形模量：岩石在单轴压缩条件下，轴向应力与轴向应变之比。
9、泊松比：岩石在单向受压条件下，横向应变与纵向应变之比10、抗压强度：是指岩石试件在单轴压力下达到破坏的极限值。
11、抗拉强度：是指岩石试件在单向拉伸条件下试件达到破坏的极限值。
12、抗剪强度：是指岩石抵抗剪切破坏的能力13、流变性：指在外界条件不变时，岩石应变或应力随时间而变化的性质。
14、蠕变：在大小和方向都保持不变的外力作用下，变形随时间不断增长的现象。
15、准岩体强度：考虑裂隙发育程度，经过修正后的岩石强度称为准岩体强度。
16、完整性系数：是岩体中纵波速度和同种岩体的完整岩石中纵波速度之平方比。
17、普氏系数：岩石单轴抗压强度的十分之一。
18、RQD ：指大于10cm 的岩芯累计长度与钻孔进尺长度之比的百分数。
19、原岩应力：岩石是地球表层的物质，在漫长的地质年代里，由于地质构造运动等原因使地壳物质产生了内应力效应在，这种应力称为地应力或原岩应力。
20、自重应力：由于岩体自重而产生的天然应力叫自重应力。
岩石的基本物理力学性质及其试验方法
第一讲岩石的基本物理力学性质及其试验方法(之一)一、内容提要：本讲主要讲述岩石的物理力学性能等指标及其试验方法，岩石的强度特性。
二、重点、难点：岩石的强度特性，对岩石的物理力学性能等指标及其试验方法作一般了解。
一、概述岩体力学是研究岩石和岩体力学性能的理论和应用的科学，是探讨岩石和岩体对其周围物理环境(力场)的变化作出反应的一门力学分支。
所谓的岩石是指由矿物和岩屑在长期的地质作用下，按一定规律聚集而成的自然体。
由于成因的不同，岩石可分成火成岩、沉积岩、变质岩三大类。
岩体是指在一定工程范围内的自然地质体。
通常认为岩体是由岩石和结构面组成。
所谓的结构面是指没有或者具有极低抗拉强度的力学不连续面，它包括一切地质分离面。
这些地质分离面大到延伸几公里的断层，小到岩石矿物中的片理和解理等。
从结构面的力学来看，它往往是岩体中相对比较薄弱的环节。
因此，结构面的力学特性在一定的条件下将控制岩体的力学特性，控制岩体的强度和变形。
【例题1】岩石按其成因可分为( )三大类。
A. 火成岩、沉积岩、变质岩B. 花岗岩、砂页岩、片麻岩C. 火成岩、深成岩、浅成岩D. 坚硬岩、硬岩、软岩答案：A【例题2】片麻岩属于( )。
A. 火成岩B. 沉积岩C. 变质岩答案：C【例题3】在一定的条件下控制岩体的力学特性，控制岩体的强度和变形的是( )。
A. 岩石的种类B. 岩石的矿物组成C. 结构面的力学特性D. 岩石的体积大小答案：C二、岩石的基本物理力学性质及其试验方法(一)岩石的质量指标与岩石的质量有关的指标是岩石的最基本的，也是在岩石工程中最常用的指标。
1 岩石的颗粒密度(原称为比重)岩石的颗粒密度是指岩石的固体物质的质量与其体积之比值。
岩石颗粒密度通常采用比重瓶法来求得。
其试验方法见相关的国家标准。
岩石颗粒密度可按下式计算2 岩石的块体密度岩石的块体密度是指单位体积岩块的质量。
按照岩块含水率的不同，可分成干密度、饱和密度和湿密度。
岩石力学考试复习资料
岩石力学是研究岩石的力学性质的一门理论及应用科学；它是力学的一个分支；它探讨岩石对其周围物理环境中力场的反应。
岩石力学的几个特点：天然材料；非连续介质；释放载荷；工程岩石力学——为各类建筑工程及采矿工程等服务的岩石力学，重点是研究工程活动引起的岩体重分布应力以及在这种应力场作用下工程岩体（如地下工程、边坡工程、岩基工程等）的变形和稳定性。
构造岩石力学——为构造地质学、找矿及地震预报等服务的岩石力学，重点是探索地壳深部岩体的变形及断裂机理，为此需研究高温高压下岩石的变形及破坏规律以及及时间效应有关的流变特征。
破碎岩石力学——为掘进、钻井及爆破工程服务的岩石力学，主要是研究岩石的切割和破碎理论以及岩体动力学特性。
研究方法：工程地质研究方法、科学实验方法、数学力学分析方法、整体综合分析方法。
地下工程的特点：岩石在结构和力学性质上及其他材料不同，如岩石具有节理和塑性段的扩容（剪胀）现象等；地下工程是先受力（原岩应力），后挖洞（开巷）；深埋巷道属于无限域问题，影响圈内自重可以忽略；大部分较长巷道可作为平面应变问题处理；围岩及支护相互作用，共同决定着围岩的变形及支护所受的荷载及位移；地下工程结构容许超负荷时具有可缩性；地下工程结构在一定条件下出现围岩抗力；几何不稳定结构在地下可以是稳定的。
岩块：是指不含显著结构面的岩石块体，是构成岩体的最小岩石单元体。
岩体：是指地质历史过程中形成的，由岩块和结构面网络组成的，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。
内力地质作用：动力来自地球本身，并主要发生在地球内部，按其作用方式可分为四种：构造运动、岩浆作用、变质作用、地震。
外力地质作用：风化作用、剥蚀作用、搬运作用、沉积作用、固结成岩作用。
岩石的单轴抗压强度和弹性模量等力学参数取决于岩石的组成结构、矿物颗粒性质以及微观裂隙等。
影响因素：压力试验机的刚性；承压板及试件端面的摩擦；试件几何形态（形状、高径比和尺寸）；加载速度。
工程岩土学第五章
但弹性模量与围压的关系随岩石性质（强度） 不同而不同。
a.强度较高的岩石（如辉长岩，白云岩，苏长岩等）， 弹性模量基本为常数，不随围压变化而改变； b.强度较低的弱岩（如砂岩等），弹性模量随围压的 提高而增大。
辉长岩应力差－轴应变曲线
砂岩应力差－轴应变曲线
2.不等围压三轴状态（真三轴状态）
（σ1＞σ2 ＞ σ3 ）
岩石在真三轴状态下的变形特征资料较少，而且 对一些互相矛盾的现象还没有得到统一的解释
3.等压三轴状态（静水压力状态）
（σ1=σ2 = σ3 ） 静水压力状态可看作常规三轴状态的一 种特殊情况。岩石在各向相等的压力作用下 发生体积压缩变形，一般采用体积模量表征 岩石在静水压力下体积变形的特性。
§5.1
概述
一. 岩体的力学性质——岩体在力的作用下
所表现的性质 ①变形性—— 岩体承受力的作用而发生
包括：
变形的性能
②抗破坏性——岩体抵抗力的作用而保持
其自身完整性的性能
注意：1.岩体的变形和破坏不是两个截
然分开的阶段，而是一个统一的、连续的 过程，破坏是累进性的。 2.岩体的力学性质是由结构体（岩石） 和结构面的力学性质共同决定的，二者在岩 体力学性质中各自所占的地位，与岩体的完 整性有关。但当破坏面部分沿已有裂隙，部 分通过完整岩石时，并不能将岩石力学性质 和结构面力学性质按照它们在破坏面中各自 所占的比例简单地进行加权，用以表征岩体 的力学性质。参考《岩石力学》。
σ
B
C
A
0
εa
50 100 150 200
O 0
岩石典型的全应力－应变曲线
并非所有岩石都有以上明显的变形阶段
250 200 150
岩石力学发展史及力学特性简介
岩石力学发展历史与现状
初始阶段 19世纪末~20世纪初
经验理论阶段 20世纪初~20世纪30年代
经典理论阶段 20世纪30年代~20世纪60年代
现代发展阶段 20世纪60年代~现在
现代发展阶段 20世纪60年代~现在
特点：用更为复杂的多种多样的力学模型来分析岩石力 学问题，把力学、物理学、系统工程、现代数理科学、 现代信息技术等的最新成果引入了岩石力学；电子计算 机的广泛应用为流变学、断裂力学、非连续介质力学、 数值方法、灰色理论、人工智能、非线性理论等在岩石 力学与工程中的应用提供了可能
岩石在单向压缩应力 作用下的压缩变形特征
典型应力应变曲线
岩石在单向压缩应力 作用下的压缩变形特征
岩石在单向压缩应力 作用下的压缩变形特征
岩石在三向压缩应力下 的变形特征
岩石强度特性
• 为了研究岩石的强度特征，经常将岩石制备成试 件在实验室进行试验，依据试样应力状态的不同 分为：岩石单轴抗压强度试验，抗拉强度试验， 抗剪强度试验等。试验时将岩样制备成规定的试 件然后按相应的试验规程进行试验。
陈宗基教授把流变学引入岩石力学并推广到各向异性岩体， 提出了围岩应力场随时间而变化和由于岩体流变与回弹， 隧洞衬砌所受压力将随时间增加等概念。后来他又提出岩 石扩容和长期强度的本构方程，进一步发展了岩石流变扩 容理论
我国岩石力学研究状况
谷德振教授提出了“工程地质力学”观点，认为岩体与一 般岩石的差别在于它是受结构面纵横切割的多裂隙体，岩 体内结构面控制着岩体变形，破坏机制及力学法则，因此 必须重视结构面力学效应的研究；在研究结构面力学特性 时，必须以地质成因为基础对结构面自然特性做细致的研 究，掌握结构面的地质特点来指导岩石力学的研究工作是 岩体基本力学特性研究的基础。在此基础上提出岩体分为 块裂结构，完整结构，碎裂结构和散体结构，按照岩体结 构不同类型分别研究其力学特性
岩石结构面剪切强度研究现状及实验的研究
岩石结构面剪切强度研究现状及实验的研究◎符其山陈辉刘诗桐一、岩体构成及其强度影响因素天然存在的岩体经过多次的地质作用，岩体遭受变形和破坏，形成一定的成分和结构。
岩体内部又有着各式各样的地质界面，它包括物质分异面和不连续面，例如：假整合、不整合、褶皱和断层等。
由于它们形成的成因和特性不同，导致其物理性质也有所差异，我们把这些不同的地质界面统称为结构面（弱面）。
有的岩体通过被结构面切割形成岩块，又被称为结构体。
结构体（岩块）是岩体基本组成部分。
岩石就是由结构面和结构体（岩块）共同组成的。
结构面对岩体的力学性质起着非常关键的控制作用，由于结构面影响着岩体的力学性质以及连续性，大自然中各种自然灾害与结构面有关。
例如：山体崩塌、滑坡、岩爆等。
开展结构面的力学性质研究是评价岩体稳定性的重要因素。
山体的滑坡以及岩爆对人们的生产和生活存在这非常重大的影响，而发生诸多事故的影响因素主要为岩体结构面对岩体强度的影响，所以研究岩石结构面的抗剪切强度以及抗拉强度存在着重要的意义。
在工程中，岩体结构面的破坏主要为剪切破坏，而结构面的抗拉强度几乎可以被忽略，故研究岩体结构面的抗剪特性具有重大意义。
而岩石结构面剪切强度的影响因素也有很多，例如：JRC（岩石结构面粗糙度）、JCS（壁面强度）、法向应力以及结构面充填物等影响因素，而其中较为关键的JRC（结构面的粗糙度），其具有许多性质，二、国内外对岩石结构面剪切强度的研究现状早在1966年国外学者Bardon就提出齿状节理直剪实验，1977年又提出JRC 的概念，归纳了十条标准JRC曲线，从而建立了岩石剪切强度与粗糙度之间的关系。
在此模型基础上，B.I ndraratna在不同法向正应力下，对规则结构面岩体进行直剪实验，证明了法向应力与抗剪切强度的关系。
G.G rasselli（2003）为了力求更真实的结构面粗糙度，通过3D扫描、研究采样方向、采样精度、采样尺寸等评价结果的影响，提出了三维岩体结构面粗糙度评价方法。
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三、抗剪强度
库仑准则：
c n tan
式中：c / ——结构面上的粘结力 / 摩擦角
剪切刚度
2）剪切刚度Kt：弹性区内单位变形内的应力梯度。
剪切刚度：
Kt
t
1974年Goodman提出：
Kt
Kt0
1
s
式中：Kt0－初始剪切刚度 ts－产生较大剪力位移时的剪应力渐近值
剪胀现象
1）剪胀现象与剪断现象
①岩石强度↑，爬坡角i↓，法向力N↓，发生剪胀现象。 ②岩石强度↓，爬坡角i↑，法向力N↑，发生剪断现象。
2.4 结构面的力学性质
结构面的力学性质主要包括三个方面：
法向变形、 剪切变形、 抗剪强度。
一、法向变形
层面点、线接触，受压点挤压劈裂，层面间距 减小，压力增高，塑性变形导致层面间距继续 减小（减小速率降低），接触面积扩大（约达 40—70%）
结构面法向变形曲线
法向变形刚度
2）法向刚度kn ：结构面产生单位法向变形 的法向应力梯度。
2
Kn
Kn0
Kn0max n Kn0max
式中Kn0：结构面的初始刚度二、剪切变形2.4.2 剪切变形与剪切刚度 a.粗糙结构面（无充填物），
剪应力上升较快，当剪应 力达到峰值后抗剪能力下 降较大，并产生不规则的 峰后变形或滞滑现象。 b.平坦结构面（有充填物）， 初始阶段剪切变形曲线斜 率逐渐减小，曲线没有明 显的峰值出现，最恒定。