岩石力学重点提示1

第一章 绪论

岩石和岩体都是岩体力学的直接研究对象。但在岩体力学中，这是两个既有联系又有区别的两个基本概念。

所谓岩石就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；所谓岩体则是指在一定的地质条件下，含有诸如节理、裂隙、层理和断层等地质结构面的复杂地质体。岩石就是指岩块，在一般情况下，不含有地质结构面。

因此，岩石和岩体的力学性质也是不同的，前者可在实验室条件下进行试验，而后者一般在野外现场的实验场地完成实验。从实验的精确度来看，后者更接近岩体的实际情况，反映了岩体的实际强度，前者则相差甚远。

第二章 岩石的基本物理力学性质

（一）岩石的基本物理性质

这部分内容比较直观、容易掌握，但要注意各性质指标的定义和归类，避免引起混淆。为便于记忆，列出基本物理力学性质的归类树，读者应将对应的公式（或注释）填充。

岩浆岩 １．岩石（按地质成因） 沉积岩

变质岩

２．岩体＝岩石（或岩块）＋结构面

（1）质量指标 密度 比重 天然密度 饱和密度 干密度 （2）孔隙性 ３．岩石的基本物理性质

（3）水理性质

（4）抗风化指标

软化系数 耐崩解性指数 膨胀性 自由膨胀率 侧向约束膨胀率 膨胀压力 含水性质 渗透性 含水量 吸水率 孔隙比 孔隙率 相关式 （二）岩石的强度特性

1． 强度试验基本内容

单向抗压强度试验

单向抗拉强度

抗剪强度

直接法 间接法 圆盘劈裂法 三点弯曲法 点荷载试验法 抗剪断试验 抗切试验

三轴抗压强度

2． 单向抗压强度试验

常规三轴123 真三轴123 （1）试件：直径D＝50mm0.3mm；高H=(2～2.5)D0.3mm；两端法线与试件轴线偏差不大于0.250；端面不平整度不大于0.5mm。

（2）单向抗压强度 PA

P－岩石试件无侧限条件下的破坏载荷 A－试件承载面积

（3）试件破坏形态

圆柱单向压缩有两种可能的破坏形态：圆锥形破坏和圆柱形劈裂破坏（见图２-1）

（a）圆锥形破坏 （b）柱状劈裂破坏

图２-1 单轴压缩破坏形态

破坏原因：

①圆锥形破坏形状是由于试件两端与试验机承压板之间摩擦力增大造成的。

②柱状劈裂破坏，如图２-1b所示。若采用有效方法消除岩石试件两端面的摩擦力，则试件的破坏形态成为柱状劈裂破坏。

（4）试件单向抗压强度的主要影响因素

①试验机铁板的刚度；②试件的形状；③试件的尺寸；③试件的高径比；④加载速度 3. 单向抗拉强度试验 （1）直接拉伸法

对岩石试件直接施加拉力至破坏，抗拉强度为tPA

式中：P－试件破坏时承受的最大压力；A－与拉力垂直的横截面积。 （2）圆盘劈裂法

①试件：直径D=50mm，厚度25mm。加工要求同单向拉压强度试验 ②加载方式见图２-２ ③岩石抗拉强度t2PD，其中：P－试件劈裂时的最大荷载；其它符号同前

1. 承压板 2. 试件 3.钢丝 图２-2 劈裂试验加载示意图

（3）点荷载试验法

①试件 该试验方法最大的特点是可利用现场取得的任何从形状的岩块，可以是5cm的钻孔岩芯，也可以是开挖后掉落下的不规则岩块，不作任何岩样加工直接进行试验。

②加载与强度换算 施加点荷载，点荷载强度指数I可按下式求得：

IP/D(MPa)

2式中：P－试件破坏的极限荷载；D－荷载与施加点之间的距离。 点荷载强度指数与岩石抗拉强度之间的关系如下：

Rt0.96P/D

2要求：15个试件，最终按其平均值求得其强度指数并推算出岩石的抗拉强度。 4。抗剪强度试验

岩石的抗剪强度有三种：抗剪断强度、抗切强度和弱面抗剪强度（包括摩擦试验）这三种强度试验的受力条件不同，其示意图见图２-3。

图２-3 岩石的三种受剪方式示意图 重点应放在室内岩石抗剪切强度的试验上。

（1）室内抗剪试验试件 正六面体50mm50mm50mm,加工精度同单向压缩试件。 （2）加载方式

一般用楔行剪切仪，其主要装置如图２-4所示。 （3）岩石的抗剪断强度

N/FPcosfsin/FQ/FPsinfcos/F

式中：,－剪切面上的正应力和剪应力；F－剪切面面积；－试验模具的夹角；

P－压力机施加的总压力；f－圆柱形滚子与上下盘压板的摩擦系数。

图２-4 岩石抗剪断试验

（4）岩石剪切强度曲线的确定

用不同的模具进行试验一般为30至70，分别按上式求出相应的,值，再在

00坐标上做出其曲线，常岩石的强度曲线，如图２-5所示，通常把它简化为直线，并建

立如下方程

.tanc

式中：tan－岩石的抗剪断摩擦系数；c－岩石的粘结力（内粘聚力）

图２-5岩体抗剪强度曲线

5。岩石的强度准则

常用岩石的强度准则有：库仑准则、Hoek-Brown准则和格里菲斯准则 （1）库仑准则

①基本思想：该准则认为岩石的破坏属于压剪破坏，在破坏面上，剪切破坏力的一部分用来克服与正应力无关的粘结力，使材料颗粒间相脱离；另一部分用来克服与正应力成正比的摩擦力，使面间发生错动而最终破坏。

②库仑准则的一般表达式

ctg

式中：,－破坏面上的正应力和剪应力；其它符号同前。

③库仑准则的主应力表示

该准则在,坐标上是一条直线，若某点有一个斜面正好处于极限破坏状态，则该点应力圆与强度直线相切，如图２-6所示。由图的三角关系可以得出：

图２-6 库仑准则的几何表示

整理后，得：

122ccos1sin1sin1sin3

极限破坏角：450，为最大主应力与破坏面外法向的夹角；破坏面一般为一

对共轭面。

（2）Hoek-Brown强度准则

Hoek-Brown准则是通过统计分析提出的经验型强度准则，其表达式为：

13mic3c2

式中：mi－材料常数，回归系数（可查表求出）。其它符号同前。 该准则可用于任何应力条件下的强度验算。

（3）格里菲斯强度准则

①基本思想：格里菲斯认为，脆性材料是由于材料内的裂纹张拉、开裂引起的破坏。 ②格里菲斯强度准则

当1330时 3t 当1330时

132138t

s最先破裂的裂纹方向角： co213213

（三）岩石的变形特征 普通试验机中－峰值前应力-应变曲线 1。基本内容

岩石变形特征

2。单轴压缩下岩石的变形特征

（1）典型岩石应力－应变全过程曲线

岩石应力－应变全过程曲线只有在刚性试验中才能做出，如图２-7所示，典型岩石应力－应变全过程曲线一般可以分为5个阶段来描述其性质：

①OA阶段，通常被称为压密阶段。其特征是应力－应变曲线呈上凹型，即应变随应力的增大而减小，形成这一特性的主要原因是：存在于岩石内部的微裂隙在外力作用下发生闭合所致。

②AB阶段，弹性变形阶段。这一阶段的应力－应变曲线基本呈直线。

③BC阶段，塑性变形阶段。当应力值超出屈服应力之后，随着应力的增大曲线呈下凹状，明显的表现出应变增大（软化）的现象。进入了塑性阶段，岩石将产生不可逆的塑性变形。同时1,3应变速率1,3将同时增大但最小主应变的应变速率3的增大表现得更明显。 ④CD阶段，为应变软化阶段。虽然此时已超出了峰值应力，但岩石仍具有一定的承载能力，而这一承载力将随着应变的增大而逐渐减小，表现出明显的软化现象。

⑤D点以后为摩擦阶段。它仅表现了岩石产生宏观的断裂面之后，断裂面的摩擦所具有的抵抗外力的能力。

三轴压缩 常规三轴 真三轴 单轴压缩 刚性试验机中－全过程应力-应变曲线 流变特性（变形与时间有关）

图２-7 岩石应力－应变全过程曲线

（2）普通试验机中岩石的单轴压缩特性 在普通试验机中，岩石的应力－应变曲线只有全过程应力－应变曲线中的①②③段。这三段也不是在每种岩石中都能出现，不同的岩石有不同的变形特性，其应力－应变曲线可归纳为如下四类：

（a） 塑弹性（只有图２-7中的①②段）；

（b） 弹塑性（只有③④段）； （c） 弹脆性（只有②段）；

（d） 塑弹塑性（①②③段都有）

（3）单轴压缩试验中岩石试件爆裂的原因和防止爆裂的措施。

在普通试验机上，应力－应变曲线达到峰值点时，岩石试件就会爆裂。其原因主要是试验机的刚度比岩石试件的刚度小。

克服爆裂现象的途径主要有：（a）提高试验机刚度（刚性试验机）（b）改变峰值后的加载方式（c）通过伺服控制方式控制试件的位移。

3。岩石试件三轴压缩变形特性

重点了解常规三轴试验岩石的变形特性。常规三轴试验试件的应力－应变曲线随围压增加有如下特点：

① 弹性阶段斜率变化不大，与单轴压缩基本相同。

② 屈服应力，强化强度，峰值强度和残余强度等随围压的增大而增大。 ③ 围压达到一定值后，出现屈服平台，表现出塑性流动特性。 ④ 达到临界围压后，继续增加围压，也不再出现峰值强度。

⑤ 剪胀现象随围压的提高逐渐减弱，围压越大，体积增加越少。 4。岩石的流变特性

岩石的流变特性包括三部分：岩石的蠕变，它是指在恒定的压力作用下应变随时间的增长而增长的特性；岩石的应力松弛，它是指岩石加至一定的荷载后，使应变不变应力随时间的增长而减小的特性；长期强度，是指应变率为零时的最高应力水平。通常主要研究其蠕变特性。典型的蠕变曲线（如图２-8所示）可分为三个阶段：

图２-8 典型的流变曲线

①初始蠕变阶段（AB段）,在此阶段存在瞬时弹性阶段和弹性后效等特性。

②稳定蠕变阶段（BC段），在此阶段存在瞬时弹性变形，弹性后效和粘性流动（永久变形）

③加速蠕变阶段（C点以后），又称破坏蠕变阶段或非稳定蠕变阶段，一般过了C点以后岩石破坏（失稳）不可避免。

第五章 工程岩体分类

（一）分级的目的

1.为岩体的质量做出归类评价；

2.为工程设计、施工、成本预、结算，定额标准确定等方面提供必要的参数；

3.为岩体力学试验结果，施工经验，研究成果的交流提供参考标准

（二）分级的原则

1.不同的岩体工程应采用不同的分级方法或采取不同的修正参数，以正确的评价地质条件对各类工程的影响；

2.尽可能采用定性与定量相结合的方法确定分类指标综合评价岩体质量；

3.分级数不宜过多，一般5级为宜；

4.分级方法应简易、快速、便于实际操作； 5.尽可能采用相互独立因素作为分级的指标；

（三）我国工程岩体分级标准际（GB 50218-94）简介

工程岩体分级的基本方法

1．确定岩体基本质量

按定性、定量相协调的要求，最终定量确定岩体的坚硬与岩体完整性指数（Kv）。 岩石坚硬程度采用岩石单轴饱和抗压强度（Rc）。当无条件取得Rc时，亦可实测岩体的点荷载强度指数（Is(50)）进行换算，（Is(50)）指直径50mm圆柱形试件径向加压时的点荷载强度），Rc和Is(50)的换算关系见下式：

Rc与定性划分的岩石坚硬程度的对应关系，见表５－１。

表５－１ Rc与定性划分的岩石坚硬程度的对应关系

Rc22.82Is(50)0.75岩体完整性指数（Kv）可用弹性波测试方法确定：

KvVpmVpr22式中 Vpm－岩体弹性纵波速度（km/s）；Vpr

－岩石弹性纵波速度（km/s）。

当现场缺乏弹性波测试条件时，可选择有代表性露头或开挖面，对不同的工程地质岩组进行节理裂隙统计，根据统计结果计算岩体体积节理数（Jv）(条/m3) ；

式中 Sn－第n组节理每米长测线上的条数；Sk－每立方米岩体非成组节理条数。

Jv和Kv的对照关系见表５－２，Kv与岩体完整性程度定性划分的对应关系，

JvS1S2SnSk见表５－３。

表５－２ Jv与Kv对照表

表５－３ Kv与定性划分的岩体完整程度的对应关系

2岩体基本质量分级

①岩体基本质量指标（BQ）按下式计算：

式中：BQ－岩体基本质量指标；Rc－岩体单轴饱和抗压强度的兆帕数值；

Kv－岩体完整性指数值。

BQ903Rc250Kv注意，使用本式时，应遵守下列限制条件：

当Rc90Kv30时，应以Rc90Kv30和Kv代入计算BQ值； 当Kv0.04Rc0.4时，应以Kv0.04Rc0.4和Rc代入计算BQ值； ②按计算所得的BQ值，与表５－４，进行岩体基本质量分级。

表５－４ 岩体基本质量分级

基本质量级别 Ⅰ Ⅱ Ⅲ 岩体基本质量的定性特征 坚硬岩，岩体完整 坚硬岩，岩体较完整； 较坚硬岩，岩体完整 坚硬岩，岩体较破碎； 较坚硬岩或软硬岩互层，岩体较完整； 较软岩，岩体完整 坚硬岩，岩体破碎； 较坚硬岩，岩体较破碎～破碎； 较软岩或软硬岩互层，且以软岩为主，岩体较完整－较破碎； 软岩，岩体完整－较完整 较软岩，岩体破碎； 软岩，岩体较破碎－破碎； 全部极软岩及全部极破碎岩 岩体的基本质量指标（BQ） >550 550~451 450~351 Ⅳ 350~251 Ⅴ <250 3结合工程情况，计算岩体基本质量指标修正值[BQ]，并仍按表5-4所列的指标值确定本工程的工程岩体级别

岩体基本质量指标修正值[BQ]可按下式计算：

式中：[BQ]－岩体基本质量指标修正值；BQ－岩体基本质量指标；

K1－地下水影响修正系数；K2－主要软弱结构面产状影响修正系数；

K3BQBQ100K1K2K3－初始应力状态影响修正系数。

K1,K2,K3值，可分别按表５－５、表５－６、表５－７确定。无表中所列情况时，修

正系数取零。[BQ]出现负值时，应按特殊问题处理。

表５－５ 地下水影响修正系数K1

表5－6 主要软弱结构面产状影响修正系数K2

K2 0.4~0.6 0~0.2 0.2~0.4

表5－7 初始应力状态影响修正系数K3