岩体力学第三章
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第3章岩石力学性质与分级
岩体的RMR值取决于五个通用参数和一个修正参数，这五个通 用参数为：
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。
第3章岩石结构面、力学性质岩体力学
nˆ =(sinαsinβ , sinαcosβ , conα )
岩石力学
3.3.1.2 结构面的连续性 结构面的连续性又称为结构面的延展性或贯通性，常用
迹长、线连续性系数和面连续性系数表示。 （1）迹长 结构面与勘测面交线的长度，称为迹长。 国际岩石力学学会(ISRM，1978年) 制订的分级标准(见
3.2.2 岩体结构的类型
在《岩土工程勘察规范（GB 50021-2001）》中，将岩体 结构划分为5大类（见下表）。
岩石力学
岩体结 构
类型 整体状
结构
块状结 构
层状结 构
岩体地质 类型
巨块状 岩浆岩和 变质岩
厚层状 沉积岩， 块状岩浆 岩和变质 岩 多韵律 薄层、中 厚层状沉 积岩，副
结构体 形状
岩石力学
3.1 概述
工程涉及的实际岩体与实验室内测试的岩石试件的力学 性能有着很大的差别，引起这种差别的主要因素有：
（1）岩体的非连续性； （2）岩体的非均质性； （3）岩体的各向异性； （4）岩体的含水性等。 其中最关键的因素是岩体的非连续性。
岩石力学
结构面（亦称弱面）：岩体内存在的各种地质界面，
巨块状
块状 柱状
层状 板状
结构面发育情况
以层面和原生、 构造节理为主， 多呈闭合型，间 距大于1.5m，一 般为1~2组，无 危险结构
有少量贯穿性节 理裂隙，结构面 间距0.7~1.5m， 一般为2~3组， 有少量分离体
有层理、片理、 节理，常有层间 错动
岩土工程特 征
岩体稳定， 可视为均质 弹性各项同 性体
岩石力学
当试件沿结构面发生剪切破坏时，作用在结构面上的应力有：
T A
P cos
岩石力学
3.3.1.2 结构面的连续性 结构面的连续性又称为结构面的延展性或贯通性，常用
迹长、线连续性系数和面连续性系数表示。 （1）迹长 结构面与勘测面交线的长度，称为迹长。 国际岩石力学学会(ISRM，1978年) 制订的分级标准(见
3.2.2 岩体结构的类型
在《岩土工程勘察规范（GB 50021-2001）》中，将岩体 结构划分为5大类（见下表）。
岩石力学
岩体结 构
类型 整体状
结构
块状结 构
层状结 构
岩体地质 类型
巨块状 岩浆岩和 变质岩
厚层状 沉积岩， 块状岩浆 岩和变质 岩 多韵律 薄层、中 厚层状沉 积岩，副
结构体 形状
岩石力学
3.1 概述
工程涉及的实际岩体与实验室内测试的岩石试件的力学 性能有着很大的差别，引起这种差别的主要因素有：
（1）岩体的非连续性； （2）岩体的非均质性； （3）岩体的各向异性； （4）岩体的含水性等。 其中最关键的因素是岩体的非连续性。
岩石力学
结构面（亦称弱面）：岩体内存在的各种地质界面，
巨块状
块状 柱状
层状 板状
结构面发育情况
以层面和原生、 构造节理为主， 多呈闭合型，间 距大于1.5m，一 般为1~2组，无 危险结构
有少量贯穿性节 理裂隙，结构面 间距0.7~1.5m， 一般为2~3组， 有少量分离体
有层理、片理、 节理，常有层间 错动
岩土工程特 征
岩体稳定， 可视为均质 弹性各项同 性体
岩石力学
当试件沿结构面发生剪切破坏时，作用在结构面上的应力有：
T A
P cos
岩石力学课件第三章 岩体力学性质
狭缝法、
1）承压板法
选具有代表性的试验地点
清除浮石，平整岩面
逐级一次循环法加压
岩体变形模量Em和弹性模量Eme公式：
Em ?
pD (1 ?
?
2 m
)?
?
(MPa)
E me ?
pD
(1
?
?
2 m
)?
?e
(MPa)
(J. Boussineq)
p－承受板单位面积上的压力 (MPa) ；
D－承压板直径或边长 (cm) ；
2
Kn
δ n0 max ? σn Kn0δmax
????
（Goodman,1974 ）
Kn0－结构面的初始刚度
Kn－法向变形刚度
趋势：σn ↑ ，Kn ↑
? 当荷载去除时，将引起明显的后滞和非弹 性效应。
2. 闭合变形量计算 ：
Goodman方法：
（1）基本假设
①节理无抗拉强度 ② 极限闭合量δ max ＜e（节理的厚度）
? 、 ? e－相应于p下的岩体总变形和弹性变形
（cm）；
ω－与承压板形状与刚度有关的系数，对圆形 板＝0.785；方形板＝0.886；
μm－岩体的泊松比。
2）钻孔变形法
岩体的变形模量（Em）
计算公式：
Em
?
dp (1 ? U
?m)
U－径向变形
μm－岩体的泊松比;
优点（相对于承压板法来说） ：
? 对岩体扰动较小； ? 可在地下水位以下和相当深的部位进行；
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 )
§3.2岩体结构的基本类型 （地质学、复习、了解）
1）承压板法
选具有代表性的试验地点
清除浮石，平整岩面
逐级一次循环法加压
岩体变形模量Em和弹性模量Eme公式：
Em ?
pD (1 ?
?
2 m
)?
?
(MPa)
E me ?
pD
(1
?
?
2 m
)?
?e
(MPa)
(J. Boussineq)
p－承受板单位面积上的压力 (MPa) ；
D－承压板直径或边长 (cm) ；
2
Kn
δ n0 max ? σn Kn0δmax
????
（Goodman,1974 ）
Kn0－结构面的初始刚度
Kn－法向变形刚度
趋势：σn ↑ ，Kn ↑
? 当荷载去除时，将引起明显的后滞和非弹 性效应。
2. 闭合变形量计算 ：
Goodman方法：
（1）基本假设
①节理无抗拉强度 ② 极限闭合量δ max ＜e（节理的厚度）
? 、 ? e－相应于p下的岩体总变形和弹性变形
（cm）；
ω－与承压板形状与刚度有关的系数，对圆形 板＝0.785；方形板＝0.886；
μm－岩体的泊松比。
2）钻孔变形法
岩体的变形模量（Em）
计算公式：
Em
?
dp (1 ? U
?m)
U－径向变形
μm－岩体的泊松比;
优点（相对于承压板法来说） ：
? 对岩体扰动较小； ? 可在地下水位以下和相当深的部位进行；
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 )
§3.2岩体结构的基本类型 （地质学、复习、了解）
岩体力学第三章PPt 刘佑荣 化学工业出版社1
JRC为结构面的粗糙度系数,可用标准剖面对比法(参考第1章图1-5)、倾斜试验及结构面推拉试验等方法求得。
ห้องสมุดไป่ตู้
法向刚度及其确定方法
（3）经验公式
JCS为结构面的壁岩强度,一般用L型回弹仪在野外测定,确定方法是用试验测得的回弹值R与岩石重度,查图3-9或用式(3-19)计算求得JCS(MPa)
3.2.2结构面的剪切变形性质
⚪大量的实验资料表明,一般结构面的基本摩擦角φu在25°-35°之间，。因此上式第二个式子右边第二项应当就是结构面的基本摩擦角，而第一项的系数取整数2。处理后变为： 再代入上式第一个式子得到巴顿不规则粗糙起伏结构面的抗剪强度公式：
壁岩强度
粗糙度系数
不规则起伏结构面
⚪莱旦依和阿彻姆包特：从理论和实验方法对结构面由剪胀到啃断过程进行全面研究提出经验方程：
古德曼提出双曲线拟合法向应力与闭合面变形间的本构方程：
Goodman方程所给曲线与实验曲线区别 Goodman方程所给曲线的起点不在原点而是在轴左边无穷远处。出现了一个所谓的初始应力σi适用范围：对于那些有一定滑错位移的非合性结构面,大致可以来描述其法向变形本构关系
法向变形本构方程
班迪斯在大量实验的基础上提出的本构方程：
一件含结构面的岩石试块（灰岩）
剪切仪上进行剪切试验。
得到应力应变曲线，如图(3-11）
剪切变形特征
卡尔哈韦方程
τ=△u/(m+n△u)式中，m，n为双曲线的形状系数，m=1/Ksi,n=1/τult,Ksi为初始剪切刚度 (定义为曲线 原点处的切线斜率)；τult为水平渐近线在τ轴上的截距。
剪切变形本构方程
将上式与库仑-纳维尔方程（τn =σntanφb）对比：
ห้องสมุดไป่ตู้
法向刚度及其确定方法
（3）经验公式
JCS为结构面的壁岩强度,一般用L型回弹仪在野外测定,确定方法是用试验测得的回弹值R与岩石重度,查图3-9或用式(3-19)计算求得JCS(MPa)
3.2.2结构面的剪切变形性质
⚪大量的实验资料表明,一般结构面的基本摩擦角φu在25°-35°之间，。因此上式第二个式子右边第二项应当就是结构面的基本摩擦角，而第一项的系数取整数2。处理后变为： 再代入上式第一个式子得到巴顿不规则粗糙起伏结构面的抗剪强度公式：
壁岩强度
粗糙度系数
不规则起伏结构面
⚪莱旦依和阿彻姆包特：从理论和实验方法对结构面由剪胀到啃断过程进行全面研究提出经验方程：
古德曼提出双曲线拟合法向应力与闭合面变形间的本构方程：
Goodman方程所给曲线与实验曲线区别 Goodman方程所给曲线的起点不在原点而是在轴左边无穷远处。出现了一个所谓的初始应力σi适用范围：对于那些有一定滑错位移的非合性结构面,大致可以来描述其法向变形本构关系
法向变形本构方程
班迪斯在大量实验的基础上提出的本构方程：
一件含结构面的岩石试块（灰岩）
剪切仪上进行剪切试验。
得到应力应变曲线，如图(3-11）
剪切变形特征
卡尔哈韦方程
τ=△u/(m+n△u)式中，m，n为双曲线的形状系数，m=1/Ksi,n=1/τult,Ksi为初始剪切刚度 (定义为曲线 原点处的切线斜率)；τult为水平渐近线在τ轴上的截距。
剪切变形本构方程
将上式与库仑-纳维尔方程（τn =σntanφb）对比：
第三章 岩石力学基本知识介绍
抗压试验 抗拉试验-巴西实验
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
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
3岩体力学性质(张子兴)
地理环境
瓦依昂山谷独特的地理条件，成为实现上 述构想的最佳地点：山谷呈葫芦型，谷口 狭窄便于修建大坝；山谷内腹宽阔、深度 大，能最大程度地多蓄水。根据规划，瓦 依昂大坝的坝身高达230米。
刚 竣 工 时 的 瓦 依 昂 大 坝
地质环境
数千万年前这里是一片海洋，形成了 石灰岩和粘土相互层叠的结构，石灰岩层 间的粘土层在受水浸润时极易形成泥浆， 使岩层间的摩擦力降低，存在导致滑坡的 隐患。
建设中的瓦伊昂大坝
设计变更
50年代末正值世界核电开发的黄金时 代，核电具有更高、更稳定的发电量，这 无疑是比水电更大的诱惑。1957年4月，罗 马的政客们放了一个大卫星：大坝改成为 核电站配套服务的抽水蓄能电站，高度从 初始的230米增加到264. 6米，这样就使水 位上升到722.5米高程，不但在双曲拱坝中 首屈一指，而且成为世界第二高的大坝； 库容也增加到初始设计的三倍，达1.65亿 立方米。
灾难降临
从滑坡开始到灾难发生，整个过程不 超过7分钟，共有1900余人在这场灾难中丧 命，700余人受伤。巨大的空气冲击波使电 站地下厂房内的行车钢梁发生扭曲剪断， 将廊道内的钢门推出12米，正在厂房内值 班和住宿的60名技术人员除1人幸存外，其 余全部死亡；正在坝顶监视安全的设计者 、工程师和工人们无一幸免。
第三章 岩体力学性质
3.4 结构面的力学性质
3.5 岩体的变形特性
3.6 岩体的强度特性
3.7 岩体的水力学性质
3.4 结构面的力学性质
上次课内容：
主要讲了岩体结构类型、岩体结构面的类型及其 形态
这节课接着讲： 结构面的力学性质、岩体的变形强度特征。 结构面力学性质主要包括三个方面： ①法向变形与刚度； ②剪切变形与刚度； ③抗剪强度。
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-第三章01
2013-8-23
《岩石力学》
1
结构面实验方法
实验室试验法
倾 • 斜仪法 直 • 剪仪法 三 • 轴仪发
倾斜仪法
直剪仪法
2013-8-23
《岩石力学》
2
现场试验法
岩体、弱面、软夹层的现场压剪方法示意图
2013-8-23
《岩石力学》
3
岩体破碎程度的指标
裂隙度 o
o
裂隙度K是指沿着取样线方向，单位长度上节理 的数量。 设某节理取样线长度为L，沿L内出现节理的数 量为n，则 n K L
2013-8-23
《岩石力学》
16
岩体力学计算指标的选取与修正
原则上：岩体指标≈岩块指标，取岩块指标；岩体指
标<<岩块指标，取岩体指标； 岩体指标：有条件的，可作试验测定；不能试验的， 可暂先选取经验数据； 岩体内摩擦角≈岩块内摩擦角； 已知岩体的C和φ，可近似求得岩体单轴抗压强度： 2C cos Sc 1 sin 再根据格氏准则，可近似求得岩体抗拉强度： St 1 8 ~ 1 12 Sc 用岩体力学性质经验数据对工程进行的初步计算， 在工程开工后，应根据实测的应力，经资料加以适 当修正。
本摩擦角， 为结构面粗糙性系数。 JRC
当 JRC 0 ，上式变为
tanb
即转化成平滑节理（无黏结力）的库仑准则。
2013-8-23
《岩石力学》
13
3.2岩体的力学性质
3.2.1 岩体力学试验 一般概念
岩体与岩块的差异 o
o
组构方面：岩块含岩石材料及微小节理；岩体含 岩块及多组较大的节理； 力学性质方面 ：岩体比岩块弹模小、峰值强度 低、残值强度低、变形（蠕变）大、泊松比大、 各向异性；极端坚固完整岩体的强度≈岩块强度， 节理极端发育岩体的强度<< 岩块强度（几分 之一至几十分之一） 。
《岩石力学》
1
结构面实验方法
实验室试验法
倾 • 斜仪法 直 • 剪仪法 三 • 轴仪发
倾斜仪法
直剪仪法
2013-8-23
《岩石力学》
2
现场试验法
岩体、弱面、软夹层的现场压剪方法示意图
2013-8-23
《岩石力学》
3
岩体破碎程度的指标
裂隙度 o
o
裂隙度K是指沿着取样线方向，单位长度上节理 的数量。 设某节理取样线长度为L，沿L内出现节理的数 量为n，则 n K L
2013-8-23
《岩石力学》
16
岩体力学计算指标的选取与修正
原则上：岩体指标≈岩块指标，取岩块指标；岩体指
标<<岩块指标，取岩体指标； 岩体指标：有条件的，可作试验测定；不能试验的， 可暂先选取经验数据； 岩体内摩擦角≈岩块内摩擦角； 已知岩体的C和φ，可近似求得岩体单轴抗压强度： 2C cos Sc 1 sin 再根据格氏准则，可近似求得岩体抗拉强度： St 1 8 ~ 1 12 Sc 用岩体力学性质经验数据对工程进行的初步计算， 在工程开工后，应根据实测的应力，经资料加以适 当修正。
本摩擦角， 为结构面粗糙性系数。 JRC
当 JRC 0 ，上式变为
tanb
即转化成平滑节理（无黏结力）的库仑准则。
2013-8-23
《岩石力学》
13
3.2岩体的力学性质
3.2.1 岩体力学试验 一般概念
岩体与岩块的差异 o
o
组构方面：岩块含岩石材料及微小节理；岩体含 岩块及多组较大的节理； 力学性质方面 ：岩体比岩块弹模小、峰值强度 低、残值强度低、变形（蠕变）大、泊松比大、 各向异性；极端坚固完整岩体的强度≈岩块强度， 节理极端发育岩体的强度<< 岩块强度（几分 之一至几十分之一） 。
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）
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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
10
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” 。
第三章 岩体的变形与破坏
第三章岩体的变形与破坏变形：不发生宏观连续性的变化，只发生形、体变化。
破坏：既发生形、体变化、也发生宏观连续性的变化。
1．岩体变形破坏的一般过程和特点（1）岩体变形破坏的基本过程及发展阶段①压密阶段（OA段）：非线性压缩变形—变形对应力的变化反应明显；裂隙闭合、充填物压密。
应力-应变曲线呈减速型（下凹型）。
②弹性变形阶段（AB段）：经压缩变形后，岩体由不连续介质转变为连续介质；应力-应变呈线性关系；弹性极限B点。
③稳定破裂发展阶段（BC段）：超过弹性极限（屈服点）后，进入塑性变形阶段。
a．出现微破裂，随应力增长而发展，应力保持不变、破裂则停止发展；b.应变：侧向应变加速发展，轴向应变有所增高，体积压缩速率减缓（由于微破裂的出现）；④不稳定破裂发展阶段（CD段）：微破裂发展出现质的变化：a.破裂过程中的应力集中效应显著，即使是荷载应力保持不变，破裂仍会不断地累进性发展；b. 最薄弱部位首先破坏，应力重分布导致次薄弱部位破坏，直至整体破坏。
“累进性破坏”。
c. 应变：体积应变转为膨胀，轴向及侧向应变速率加速增大；※结构不均匀；起始点为“长期强度”；⑤强度丧失、完全破坏阶段（DE段）：破裂面发展为宏观贯通性破坏面，强度迅速降低，岩体被分割成相互分离的块体—完全破坏。
应重视的问题：①各发展阶段的界限点，尤其是“长期强度”；②空隙压力曲线：a.空隙水压力～体积应变、变形发展阶段；b.工程意义：滑坡、地震等。
（2）岩体破坏的基本形式①张性破坏（图示）；②剪切破坏（图示）：剪断，剪切。
③塑性破坏（图示）。
破坏形式取决于：荷载条件、岩体的岩性及结构特征；二者的相互关系。
①破坏形式与受力状态的关系：a.与围压σ3有关：低围压或负围压—拉张破坏（图示）；中等围压—剪切破坏（图示）；高围压（150MN/m2=1500kg/cm2）—塑性破坏。
b.与σ2的关系：σ2/σ 3 <4（包括σ 2 =σ3），岩体剪断破坏，破坏角约θ=25°；σ2/σ 3 >8（包括σ 2 =σ1）：拉断破坏，破坏面∥σ1，破坏角0°;4≤σ2/σ3≤8：张、剪性破坏，破坏角θ=15°。
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岩石的各向异性
三向应力状态下岩石的应力应变关系：
x a11 y a 21 a z 31 xy a 41 yz a51 a zx 61 a12 a 22 a32 a 42 a52 a 62 a13 a 23 a33 a 43 a53 a 63 a14 a 24 a34 a 44 a54 a 64 a15 a 25 a35 a 45 a55 a 65 a16 x a 26 y a36 z a 46 xy a56 yz a 66 zx
单轴压缩条件下岩石变形性质
塑弹塑性变形特点： 压力较低时，曲线向上弯曲。当压力增 加到一定值后，变形曲线就成为直线。最后， 曲线向下弯曲。曲线似S形；具有这种变形类 型的岩石有：片麻岩、大理岩。
塑弹塑性
o
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单轴压缩条件下岩石变形性质
塑弹塑性变形特点： 基本上与第4种类型相同，也似S形，不 过曲线的斜率较平缓。一般发生在压缩性较 高的岩石中。压力垂直于片理的片岩具有这 种性质。
三轴试验特点:
⑤不同围压下，各峰值强 度连线为直线，初始弹性 段几乎重合。
σ
⑥岩石强度也与最大主应 力和最小主应力的差值有 关系。
o
ε
不同围压下全应力应变曲线
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岩石变形特性参数
岩石变形特性参数：
•弹性模量 •变形模量
•体积应变
•泊松比
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岩石变形特性参数
弹性模量：
切线弹性模量：过任意点的切线斜率。
Bx, y, z Ax, y, z
o
o
Z
弹性对称面
X
X
Z
正交各向异形体
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岩石的各向异性
正交各向异性体应力应变关系：
x a11 y a 21 a z 31 xy 0 yz 0 0 zx a12 a 22 a32 0 0 0 a13 a 23 a33 0 0 0 0 0 0 a 44 0 0 0 0 0 0 a55 0 0 x 0 y 0 z 0 xy 0 yz a 66 zx
0
z
y
G
x
D
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岩石的扩容
岩石扩容特点分析：
1、G点以下两横向变形曲线重合，说明在G点 以下两个方向变形协调。过了G点一个横向变 形快，一个横向变形慢，表现出明显的各向异 性。不同岩石在G点的应力最小为抗压强度的 2.76%,最大为62.2%，应力相差较大。
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岩石的变形
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岩石变形基本类型
岩石变形基本类型
•弹性 •塑性 •粘性
•脆性
•延性
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岩石变形基本类型
弹性（elasticity）：在一定的应力范围内， 物体受力后产生变形，当卸载后能够立 即恢复原有形状和尺寸大小的性质。
弹性
线弹性
完全弹性
滞弹性
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岩石变形基本类型
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岩石的各向异性
横观各向同性体：
在各向同性面上弹性相同，但在垂直此面 方向上弹性不同。 Y
o
Z
横观各向同性体
X
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岩石的各向异性
横观各向同性体应力应变关系：
1 E1 2 E2 1 E1 0 0 0
变形后体积
dV dV 1 x dx 1 y dy 1 z dz
体积增量
dV x y z dV
体积应变
dV V x y z dV
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岩石的扩容
由广义虎克定律
1 x E x y z 1 y y x z E z 1 z x y E
C
P
B
S U
A
D
o
p
T
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单轴压缩条件下岩石变形性质
典型岩石全应力应变曲线意义:
•破坏后的岩石仍具有一定的残余强度。
•预测高应力作用下是否发生岩爆。
•预测蠕变破坏。 •预测循环加载条件岩石的破坏。 •作岩石全应力应变曲线对于压力机的要求。
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单轴压缩条件下岩石变形性质
A B
o
预测岩爆示意图
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单轴压缩条件下岩石变形性质
A
G
B F
E
蠕变终止轨迹线 预测蠕变破坏示意图
o
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单轴压缩条件下岩石变形性质
A
G
B
o
预测循环加载破坏示意图
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单轴压缩条件下岩石变形性质
反复加载与卸载时岩石的变形特征:
o
o
等载荷循环加卸载应力应变曲线
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单轴压缩条件下岩石变形性质
反复加载与卸载时岩石的变形特征:
4、逐级加载条件下，其应力应变曲线外包络 线与连续加载条件下曲线基本一致，这种现 象也称为岩石记忆。
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三轴压缩条件下岩石变形性质
三轴试验类型:
1、常规三轴试验（假三轴试验）
轴对称三向压缩 轴对称三向拉伸
1 2 3 0
3
C
P
B
S U
A
D
o
p
T
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单轴压缩条件下岩石变形性质
③BC区段内，曲线向下弯曲，直至C点的最大 值，岩石呈塑性变化状态。此阶段岩石内部 开始产生大量裂隙；
C
P
B
S U
A
D
o
p
T
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单轴压缩条件下岩石变形性质
④下降段CD，属岩石破坏后阶段。此阶段岩 石完全破坏，破坏后的岩石仍具有一定的承 载能力。这一区段上曲线的斜率为负值，在 这一区段内卸载会产生很大的残余变形。
割线弹性模量：原点与其他任意点的割线斜率。
d E d
p
o
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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岩石变形特性参数
变形模量：
正应力与总应变（弹性应变与塑性应变 之和）的比值。
p
E0 p e
o p
e
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岩石变形特性参数
体积应变：
岩石变形后体积增量与原体积之比。
弹塑性
o
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单轴压缩条件下岩石变形性质
塑弹性变形特点： 在应力较低时，应力-应变曲线略向上弯 曲。当应力增加到一定数值后，应力-应变曲 线就逐渐变为直线，直至试样发生破坏。具 有这种变形性质的代表性岩石有：砂岩、花 岗岩、片理平行于压力方向的片岩以及某些 辉绿岩等。
塑弹性
o
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塑弹塑性
塑弹塑性
弹塑蠕变
o
o
o
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单轴压缩条件下岩石变形性质
弹性变形特点： 应力与应变的关系是一直线或者近似直线， 直到试样发生突然破坏为止。具有这种变形 类型的岩石有：玄武岩、石英岩、白云岩以 及极坚固的石灰岩。
弹性
o
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单轴压缩条件下岩石变形性质
弹塑性变形特点： 在应力较低时，应力-应变关系近似于直 线，当应力增加到一定数值后，应力-应变曲 线向下弯曲变化，且随着应力逐渐增加，曲 线斜率也愈来愈小，直至破坏，具有这种变 形类型的岩石有：凝灰岩、软弱灰岩、泥岩。
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岩石变形基本类型
脆性（brittle）：物体受力后产生变形，变 形很小就发生破裂的性质。
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岩石变形基本类型
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。
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单轴压缩条件下岩石变形性质
弹性
弹塑性
塑弹性
o
o
o
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单轴压缩条件下岩石变形性质
反复加载与卸载时岩石的变形特征:
2、等荷载循环加卸载情况下，当卸载应力水 平一定时，每次循环中的塑性应变逐渐减小。 3、等荷载循环加卸载情况下，当卸载应力不 超过屈服极限时,即使循环次数很多,岩石也 不会破坏,当超过屈服极限时,在某次循环中， 岩石可能破坏，破坏点为与全应力应变曲线 后半程相交处，此时对应的强度称疲劳 强度。
逐级加载循环加卸载应力应变曲线
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单轴压缩条件下岩石变形性质
反复加载与卸载时岩石的变形特征:
1、等荷载循环加卸载情况下，每次加载、卸 载曲线不重合，且围成一环行面积，称回滞 环。当卸载应力水平一定时，加、卸载循环 次数越多，卸载曲线与其后一次再加载曲线 之间形成的回滞环面积越来越小，其彼此逐 渐靠近，并趋于平行。
dV V V
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岩石变形特性参数
泊松比：
横向应变与纵向应变之比，也叫横向变形 系数。
x y
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岩石的扩容
岩石体积的变化