精品课程《岩石力学》ppt课件（全）

1、岩石力学 （电子课件） 主要内容主要内容 第第1 1章章 绪论绪论 第第2 2章章 岩石的物理力学性质岩石的物理力学性质 第第3 3章章 岩体的力学特性岩体的力学特性 第第4 4章章 岩体地应力及其测量方法岩体地应力及其测量方法 第第5 5章章 岩石地下工程岩石地下工程 第一章 绪论 引言 岩石力学学科的形成及定义 岩石力学理论的发展简史 岩石力学中的基本概念 岩石力学的基本研究内容(what) 岩石力学中的研究方法(how) 岩石力学的应用范围(why) 一、引言 1. 人类活动与岩石工程（Rock Engineering） 远古远古 石器，穴居石器，穴居 约约47004700年前年前 金字

2、塔（金字塔（146.5m)146.5m) 公元公元16001600年年 火药采矿火药采矿 1919世纪世纪 铁路隧道技术铁路隧道技术 2020世纪世纪 大型水电工程大型水电工程 岩石圈是人类赖以生存的主要载体，人类的大部分活动岩石圈是人类赖以生存的主要载体，人类的大部分活动 都是在岩石圈上进行的：都是在岩石圈上进行的： 岩基、边坡，地下 洞室，隧道工程等 南水北调，西气东输，南水北调，西气东输， 三峡大坝工程三峡大坝工程 “高峡出平湖，当惊世界殊高峡出平湖，当惊世界殊” 2.经典的岩石工程与事故灾害(Catastrophe) 2.1 2.1 经典岩石工程经典岩石工程（金字塔，三峡工程，见上金字

3、塔，三峡工程，见上）: : 2.2. 2.2. 事故灾害事故灾害: : MalpassetMalpasset坝，坝，坝高坝高66m66m，于，于19541954 年末建成并蓄水。年末建成并蓄水。19591959年年1212月月2 2日日， 坝基突然失稳导致大坝溃决，仅坝基突然失稳导致大坝溃决，仅 右岸右岸基础部分有些残坝。洪水冲基础部分有些残坝。洪水冲 出峡谷流速达出峡谷流速达20km/h20km/h，下游，下游 FrejusFrejus城镇部分被毁，城镇部分被毁，死亡死亡421421人人， 财产损失达财产损失达300300亿法郎。亿法郎。 （1 1）2020世纪世纪5050年代末法国年代末法

4、国MalpassetMalpasset拱坝的失事拱坝的失事 （2 2）6060年代初意大利年代初意大利VajontVajont大坝水库高边坡的崩溃大坝水库高边坡的崩溃 意大利意大利VajontVajont拱坝，拱坝，坝高坝高262m262m， 于于19591959年建成，是当时世界上年建成，是当时世界上 最高的拱坝。最高的拱坝。19631963年年1010月月9 9日夜，日夜， 由于大坝上游山体突然滑坡，由于大坝上游山体突然滑坡， 约约2.52.5亿亿立方的山体瞬时涌入水立方的山体瞬时涌入水 库，涌浪摧毁上游及下游一个库，涌浪摧毁上游及下游一个 小镇与邻近几个村庄，造成小镇与邻近几个村庄，造成

5、约约 25002500人死亡人死亡，整个灾害的持续，整个灾害的持续 时间仅仅时间仅仅5 5分钟分钟。 这两次事件促成了国际岩石力学学会（ISRM, International Society for Rock Mechanics）在1963年于奥地利萨尔茨堡成立。 (1985年，中国岩石力学与工程学会正式成立)。 二、岩石力学学科的形成及定义二、岩石力学学科的形成及定义 1951年，J. Stini 和 L. Mller等在 Salzburg发起和举行了以岩体 力学为主题的第一次国际岩石力学讨论会，为把工程地质与 力学相结合、为建立岩石力学这门边缘学科跨出了重要的一 步，并创办了Geologi

6、e und Bauwesen，1962年改名为 Rock Mechanics 25mm 换图蔡 拉伸破坏拉伸破坏 研究热点：平台加载 加载速度 DtP t /2 xy 3 t:试件中心的最大 拉应力，即 R Rt t D: 试件的直径 t: 试件的厚度 试验要求: 沿平行于轴线的一条边缘线均 匀加载 破坏面必须通过试件直径 2021-4-2766 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：试件：任何形状（优点），尺寸大致50mm，不做任何加工。 试验：试验：直接放到现场的点荷载仪上，加载劈裂破坏。 2 / yPI IRt96.0 计算计算： I 点荷载强度指标 P 试件破

7、坏时的极限荷载 y 加载点试件的厚度 统计公式统计公式： 15 1 96.0 15 1 i it IR 要求要求:由于离散性大， 每组15个，取均值 建议：用50mm的钻孔岩芯为试件。 返回返回 672021-4-27 第三节第三节 岩石的变形特性岩石的变形特性 弹性弹性：物体受外力作用瞬间即 产生全部变形，卸载后立即恢 复原有形状和尺寸的性质 塑性塑性：物体受力后产生变 形，在卸载后变形不能 完全恢复的性质 粘性粘性：物体受力后变形不 能瞬时完成，且应变速率 随应力增加而增加的性质， 又称为流变性（蠕变，松 弛，弹性后效）。 屈服极限 1 1. .基本概念基本概念 ： E ：粘性系数 dt

8、d . 2021-4-2768 2. 基本力学模型 ： 1、弹性模型、弹性模型 2、理想塑性、理想塑性 3、粘性模型、粘性模型 粘性系数（poise；poise=0.1NS/m2） E 持续增长 0 0 0 t dt d 变变 形形 与与 时时 间间 无无 关关 卸载卸载 后是后是 否有否有 残余残余 变形变形 变变 形形 与与 时时 间间 有有 关关 无无 有有 变 形 特 性 ( 0 ：屈服应力 ) 2021-4-2769 3.3. 基本元件基本元件 2021-4-2770 2021-4-2771 牛顿粘性系数；单位: 泊。1posie=0.1Ns/m2 返回 2021-4-2772 一、

9、岩石在单轴压应力作用下的变形特性 1 1、典型的岩石应力、典型的岩石应力- -应变曲线应变曲线 （一）普通试验机下的变形特性（一）普通试验机下的变形特性 特点： 11 曲线 ，应变率随应 力增加而减小； 塑性变形（变形不可恢复） 原因：微裂隙闭合（压密） a.a.分三个阶段分三个阶段: : 1）原生微裂隙压密阶段（原生微裂隙压密阶段（OAOA） 特点： 11 曲线是直线； 弹性模量，E为常数（变形可 恢复） 原因：岩石固体部分变形，B点 开始屈服，B点对应的B应力为 屈服极限，超过B点卸载有塑性 变形。 2 2）弹性变形阶段（）弹性变形阶段（ABAB） 3 3）弹塑性）弹塑性（非线性非线性）变

10、形阶段（变形阶段（BCBC） 特点：特点： 11 曲线 ； 有塑性变形产生，变形不可恢复； 应变速率不断增大。 原因：新裂纹产生，原生裂隙扩展。 1 脆性脆性：应力超出屈服应力后， 并不呈现出明显的塑性变形 而破坏，即为脆性破坏。 岩石越硬，BC段越短，脆性 行为越明显。 注意：半程压缩曲线注意：半程压缩曲线 2021-4-2773 1. 1. 直线或近似直线（弹性体）直线或近似直线（弹性体） 2. 2. 曲线向下弯曲（弹塑性体）曲线向下弯曲（弹塑性体） 3. 3. 初向上弯曲后直线（塑初向上弯曲后直线（塑- -弹性弹性 体）体） 4. 4. 曲线似曲线似S S型（塑型（塑- -弹弹- -塑性

11、体）塑性体） 5. 5. 初小段直线后进入非弹性的初小段直线后进入非弹性的 曲线部分（弹曲线部分（弹- -粘性体）粘性体） b.b.实际应力实际应力- -应变曲线可分成五类应变曲线可分成五类: : 2021-4-2774 c.c.弹性常数的确定弹性常数的确定 弹性模量国际岩石力学学会（ISRM）建议三种方法 切线模量 ( ) 割线模量 ( ) 变形模量 ( ) c d d Et 2 1 c s E 2 1 pe E 0 2021-4-2775 2 2、岩石加、卸载特性、岩石加、卸载特性 2021-4-2776 3 3、循环加卸载曲线、循环加卸载曲线 特点：特点： 多次反复加、卸载，多次反复加、

12、卸载， 变形曲线与单调加载变形曲线与单调加载 曲线上升总趋势保持曲线上升总趋势保持 一致（岩石的一致（岩石的“ ”）。）。 卸载应力卸载应力( (超过屈超过屈 服点）越大，服点）越大， （原因：裂（原因：裂 隙的扩大，能量的消隙的扩大，能量的消 耗）；耗）； 2021-4-2777 等荷载循环加、卸载时的应力-应变曲线 特点： 随着循环次数增多，随着循环次数增多， ，直到，直到 没有塑性变形为止。没有塑性变形为止。 当循环应力峰值低于某当循环应力峰值低于某 一临界应力时，多次循环一临界应力时，多次循环 不会导致试件破坏；不会导致试件破坏； 当超过临界应力时，会当超过临界应力时，会 发生疲劳破坏

13、。发生疲劳破坏。（ ） 返回 782021-4-27 1 1）刚性试验机工作原理）刚性试验机工作原理 压力机加压（贮存弹性能） 岩石试件达峰值强度（释放 应变能）导致试件崩溃。 AAO2O1面积峰值点后， 岩块产生微小位移所需的能。 ABO2O1峰值点后， 普通机释放的能（贮存的能）。 ACO2O1面积峰值点后， 刚体机释放的能（贮存的能）。 （二）刚性试验机下岩石单向压缩变形特性（二）刚性试验机下岩石单向压缩变形特性 普通试验机得到峰值前的变形特性，多数岩石在峰值后工作。普通试验机得到峰值前的变形特性，多数岩石在峰值后工作。 崩裂 不崩裂 rm KK 792021-4-27 2 2）应力应变

14、全过程曲线形态）应力应变全过程曲线形态 分四个阶段：前3阶段同普通试验机，第4阶段 为应变软化阶段 第第4阶段特点阶段特点： CD段：破裂岩块相互咬合成 整体状而承载，原生和新生裂 隙相互交叉、联合形成宏观断 裂面，承载力随应变增加而减 少（。 到达D点以后，靠碎块间的摩 擦力承载， 称为。 D 全程压缩曲线 2021-4-2780 C点后有残余应变， 反复加卸载时，随变 形增加，塑性滞环的 斜率降低。 C点后，可能会出现压 应力下的体积增大现 象，称此为. 2021-4-2781 岩石的体积应变特性岩石的体积应变特性 在压力作用下，岩石发生非线在压力作用下，岩石发生非线 性体积变形可分为三个

15、阶段：性体积变形可分为三个阶段： 1 1 体积减小阶段体积减小阶段：弹性阶段内，体弹性阶段内，体 积变形呈线性变化积变形呈线性变化。 2 2 体积不变阶段体积不变阶段：岩石体积虽有变岩石体积虽有变 形，但应变增量接近于零，即岩石形，但应变增量接近于零，即岩石 体积大小几乎没变化。体积大小几乎没变化。 3 3 扩容阶段扩容阶段：在塑性段及峰后区，在塑性段及峰后区， 主要是由于裂隙产生、贯穿、滑移、主要是由于裂隙产生、贯穿、滑移、 错动、甚至张开造成。错动、甚至张开造成。 321 V V V 321 2/1 0)21( 1 321 V 2021-4-2782 获取全程试验曲线的处理方法 增加试验机

16、刚度 使用刚性试验机，就没有大量的应变能贮存在试验 机内，岩石在超过峰值强度破坏后就不会产生突发性 破坏，这样就能获得峰后的变形、强度特征 为了减少在试验过程中软性(soft)试验机的弹 性变形及贮存在其中的变形能，就必须增加试验机 （钢构件、液压柱）的刚度，为此出现了刚性试验 机(stiff testing machine) 2021-4-2783 采用液压伺服系统 伺服系统能根据岩石破坏和变形情况控制 变形速度，使变形速度保持为恒定值变形速度保持为恒定值。 ：检查当前施加的荷 载是否保持事先确定的变形速度，否则会自动地调 整施加的荷载，以保持变形速度的恒定。 ,这个速度远大于裂隙传 播速度

17、，因而即使出现过量荷载，裂隙还未来得及传 播，荷载就被减小了，岩石破坏得到有效控制。 注意： 对于特别坚硬的岩石，除采用带有伺服系统 的刚性试验机外，施加一定的围压是必要的，可以 使破坏后的岩石变形得到有效控制。 2021-4-2784 （1） 岩石的屈服应力、抗压强度、峰值时的 极限应变量、残余强度值显著增大； （2）随围压增大，岩石的力学性质发生转变： 弹脆性弹塑性应变硬化（见下页）； 二、岩石在三向压应力下的变形 特性 常规三轴压缩试验表明：有围压作用时，岩石的变形性质 与单轴压缩时不尽相同。 在三轴压缩下，随着围压的提高： 2021-4-2785 1）围压为零或较低： 脆性状态 2）围

18、压50MPa： 塑性状态 3)围压68.5MPa 塑性流动 4）围压165MPa 应变硬化现象 实 例 2021-4-2786 三、岩石的流变特性 蠕变：应力恒定，岩石应变随时间增大所发生 的变 形（又称为流变）。 松驰：应变恒定，岩石中的应力随时间减少， 这种 现象称“松驰”。 弹性后效：卸载时弹性应变滞后于应力的现象。 岩石变形 蠕变蠕变 松弛松弛 弹性（可恢复） 塑性（不可恢复） 与时间无关 与时间有关 流变 2021-4-2787 特点：应变率特点：应变率 为常量；为常量； 卸载：有瞬时弹性恢复，弹卸载：有瞬时弹性恢复，弹 后，有不可恢复的永久变形。后，有不可恢复的永久变形。 特点：特

19、点： 剧烈增加；剧烈增加； 曲线；一般此阶段比曲线；一般此阶段比 较短暂。较短暂。 、初始蠕变阶段初始蠕变阶段（ ABAB减速蠕变阶段）减速蠕变阶段） 、稳定蠕变阶段、稳定蠕变阶段（BC等速蠕变阶段）等速蠕变阶段） 、非稳定蠕变阶段、非稳定蠕变阶段（蠕变破坏阶段）（蠕变破坏阶段） 特点：特点： 有瞬时应变有瞬时应变 （OA）；）； ， 随时间增长而减小；随时间增长而减小； 卸载后，有部分瞬时弹性变形卸载后，有部分瞬时弹性变形 （PQ）恢复，接着产生弹性后效，）恢复，接着产生弹性后效， 变形逐渐恢复。变形逐渐恢复。 0 t （一）岩石的蠕变性质（一）岩石的蠕变性质 1 1、典型的蠕变曲线（分三阶

20、段）、典型的蠕变曲线（分三阶段） 2021-4-2788 2、长期强度的的确定方法 (,t) 方法二 方法一 岩石强度随外荷载作用时间延长而降低岩石强度随外荷载作用时间延长而降低(相对于瞬时强度相对于瞬时强度)，通通 常把作用时间常把作用时间tt的强度称为的强度称为 长期强度的确定方法长期强度的确定方法 由破坏由破坏-t-t关系曲线的关系曲线的水平渐近线水平渐近线获获t t的强度的强度 由蠕变试验作等时由蠕变试验作等时( (-) ) 曲线获曲线获t t的强度的强度 长时恒载蠕变破坏试验曲线长时恒载蠕变破坏试验曲线 2021-4-2789 (1)(1)立即松弛立即松弛变形保持恒定后，应力变形保持

21、恒定后，应力 立即消失到零，这时松弛曲线与立即消失到零，这时松弛曲线与 轴重轴重 合，如曲线合，如曲线 6 6。 (2)(2)完全松弛完全松弛变形保持恒定后，应力变形保持恒定后，应力 逐渐消失，直到应力为零，如曲线逐渐消失，直到应力为零，如曲线 5 5、 4 4 。 (3)(3)不完全松弛不完全松弛变形保持恒定后，应变形保持恒定后，应 力逐渐松弛，但最终不能完全消失，力逐渐松弛，但最终不能完全消失， 而趋于某一定值，如曲线而趋于某一定值，如曲线 3 3、 2 2。 (4) (4) 此外，还有一种极端情况：变形保持此外，还有一种极端情况：变形保持 恒定后应力始终不变，即恒定后应力始终不变，即不松

22、弛不松弛，松，松 弛曲线平行于弛曲线平行于t t轴，如曲线轴，如曲线 1 1。 （二）岩石的松弛性质（二）岩石的松弛性质 松弛特性可划分为三种类型：松弛特性可划分为三种类型： 返回 2021-4-2790 1 2 3 5 4 第四节 岩石的强度理论 一、一、莫尔强度理论莫尔强度理论（Mohr 1900年提出，莫尔强度准则） （一）基本思想（一）基本思想 以脆性材料（ 铸铁） 试验数据（单、三）统计分析为基础 由于剪应力达到f（取决于正应力和材料 特性）使岩石产生剪切破坏 莫尔极限应力圆包络线莫尔极限应力圆包络线 )(f （二）强度曲线（二）强度曲线莫尔包络线莫尔包络线 表达式：表达式： 1 3

23、 2021-4-2791 0 1 2 3 4 材料破坏判别材料破坏判别 用莫尔包络线判别材料的破坏用莫尔包络线判别材料的破坏 2021-4-2792 莫尔包络线向应力增大的莫尔包络线向应力增大的 方向开放，说明三向等压应方向开放，说明三向等压应 力状态下岩石不破坏；力状态下岩石不破坏； 受拉区闭合，说明受三向受拉区闭合，说明受三向 等拉应力时岩石破坏；等拉应力时岩石破坏； 单向抗拉区小于单向抗压单向抗拉区小于单向抗压 区；区； 特点特点 莫尔包络线莫尔包络线（多种形式）（多种形式） 没有考虑中间主应力没有考虑中间主应力2 2 对岩石强度的影响；对岩石强度的影响； 2021-4-2793 （2

24、2）破坏机理：）破坏机理：（基本思想不一样）材料属于压剪破坏， 剪切破坏力的一部分用来克服与正应力无关的粘聚 力，使材料颗粒间脱离联系；另一部分剪切破坏力 用来克服与正应力成正比的摩擦力，使面内错动而 最终破坏。 tgc （3 3）数学表达式：）数学表达式： 内摩擦系数 tgf （1 1）实验基础：）实验基础：岩土材料压剪或三轴试验。 c粘聚力 （三）库伦（三）库伦莫尔强度理论莫尔强度理论（ CACoulomb准则准则,1773年） 库仑库仑莫尔强度条件莫尔强度条件 是莫尔准则的一特例（拟合成直线）简洁、应用简便 intrinsic 2021-4-2794 2 45 0 破坏方向角破坏方向角

25、1 2sin 2 2cos 22 31 3131 1 2 1 1 1 2 2cos1 cos cos cos A A n 3 2 3 3 3 2 2cos1 sin sin sin B B n 破坏判定： 1 1n 力的分解 2 gct 2021-4-2795 （4）主应力表示 2 cot 2 sin 31 31 C （2-42） sin1 cos2 sin1 sin1 31 C sin1 sin1 sin1 cos2 C c 0 3 由式（2-42）推出： （2-43） 令称为塑性指数 ； 当时， c 1； （5 5）缺点：）缺点： 忽略了中间主应力的影响忽略了中间主应力的影响 （中主应力对

26、强度影响在（中主应力对强度影响在15%15%左右）左右） 所以 则 c 31 2021-4-2796 三、格里菲斯准则（Griffth 1921） 断裂力学21年提出，70年代应用于岩石力学领域 （1）实验基础：玻璃材料中的微裂纹张拉 扩展，连接，贯通，最后导致材料破坏试验。 （2）基本思想：在脆性材料的内部存在许多随机分布 的裂纹，在外力作用下，裂纹周围、特别是裂纹 尖端会产生应力集中现象，其中有一个方向最有 利于裂纹扩展，当超过材料的抗拉强度时，裂纹 首先在该方向产生张拉扩展。 2021-4-2797 两个关键点：两个关键点： 1.最大应力集中点 （危险点）； 2.最容易破坏的裂 隙方向。

27、 在压应力条在压应力条 件下裂隙开件下裂隙开 裂及扩展方裂及扩展方 向向 带椭圆孔薄 板的孔边应 力集中问题 示意图 2021-4-2798 数学式数学式 )(2 arccos 2 1 31 21 GriffthGriffth准则几何表示准则几何表示 t t 8 )( 03 03 31 2 31 31 331 时 时 最有利破裂的方向角最有利破裂的方向角 （3 3）GriffthGriffth（张拉）准则张拉）准则 在 坐标下 当 时， ，即压拉强度比为8。 31 0 3 t 8 1 2021-4-2799 GriffhGriffh准则是针对玻璃等脆性材料提出来的，准则是针对玻璃等脆性材料提出

28、来的， 材料的破坏机理是拉伸破坏，因而只适用于材料的破坏机理是拉伸破坏，因而只适用于 脆性岩石的破坏，对于一般岩石材料，莫尔脆性岩石的破坏，对于一般岩石材料，莫尔 库仑准则更适用。库仑准则更适用。 另外，在岩石力学中，还会遇到另外，在岩石力学中，还会遇到Drucker-Drucker- PragerPrager准则、准则、Hoek-BrownHoek-Brown准则和准则和MisesMises准则。准则。 返回返回 2021-4-27100 【作业】： 1.测得某岩石中一点的最大主应力测得某岩石中一点的最大主应力 1=61.2MPa，最小主应力，最小主应力3=-9.1MPa， 并且已知岩体的单

29、轴抗拉强度为并且已知岩体的单轴抗拉强度为t=- 8.7MPa，内聚力，内聚力c50MPa，内摩擦角，内摩擦角 57，试分别基于莫尔强度和格里菲斯，试分别基于莫尔强度和格里菲斯 强度准则判断岩体破坏与否？强度准则判断岩体破坏与否？ 2021-4-27101 1、在岩石单向抗压强度试验中，岩石试件 高与直径的比值h/d和试件端面与承压板 之间的磨擦力在下列哪种组合下，最容 易使试件呈现锥形破裂。（ ） （A）h/d较大，磨擦力很小 （B）h/d较小，磨擦力很大 （C）h/d的值和磨擦力的值都较大 （D）h/d的值和磨擦力的值都较小 选择题 2021-4-27102 2、岩石的弹性模量一般指（ ）。

30、 （A）弹性变形曲线的斜率 （B）割线模量 （C）切线模量 （D）割线模量、切线模量及 平均模量中的任一种 3、岩石的割线模量和切线模量计算时的应力水 平为（ ）。 （A） (B) （C） (D） 2 B 2 C D 50 2021-4-27103 4、由于岩石的抗压强度远大于它的抗拉强 度，所以岩石属于（ ）。 （A）脆性材料 （B）延性材料 （C）坚硬材料 （D）脆性材料，但围压 较大时，会呈现延性特征 5、剪胀（或扩容）表示（ ）。 （A）岩石体积不断减少的现象 （B）裂隙逐渐闭合的一种现象 （C）裂隙逐渐涨开的一种现象 （D）岩石的体积随压应力的增大逐渐增 大的现象 2021-4-27

31、104 6、剪胀（或扩容）发生的原因是由于（ ） （A）岩石内部裂隙闭合引起的 （B）压应力过大引起的 （C）岩石的强度大小引起的 （D）岩石内部裂隙逐渐张开的贯通引起的 7、岩石的抗压强度随着围岩的增大（ ）。 （A）而增大 （B）而减小 （C）保持不变 （D）会发生突变 8、劈裂试验得出的岩石强度表示岩石的（ ）。 （A）抗压强度 （B）抗拉强度 （C）单轴抗拉强度 （D）剪切强度 2021-4-27105 9、格里菲斯强度准则不能作为岩石的宏观破坏准则的原因是 （ ）。 （A）它不是针对岩石材料的破坏准则 （B）它认为材料的破坏是由于拉应力所致 （C）它没有考虑岩石的非均质特征 （D）它

32、没有考虑岩石中的大量伸长裂隙及其相互作用 10、岩石的吸水率是指（ ）。 （A）岩石试件吸入水的重量和岩石天然重量之比 （B）岩石试件吸入水的重量和岩石干重量之比 （C）岩石试件吸入水的重量和岩石饱和重量之比 （D）岩石试件天然重量和岩石饱和重量之比 2021-4-27106 12、当岩石处于三向应力状态且比较大的 时候，一般应将岩石考虑为（ ）。 （A）弹性体 （B）塑性体 （C）弹塑性体 （D）完全弹性体 13、在岩石抗压强度试验中，若加荷速率 增大，则岩石的抗压强度（ ）。 （A）增大（B）减小 （C）不变 （D）无 法判断 2021-4-27107 14、按照库仑莫尔强度理论，若岩石强

33、度曲线是一条直 线，则岩石破坏时破裂面与最大主应力作用方向的夹角 为（ ）。 （A）45 （B） （C） （D）60 15、在岩石的含水率试验中，试件烘干时应将温度控制在 （ ）。 （A）95105 （B）100105 （C）100110 （D）105110 16、按照格理菲斯强度理论，脆性岩体破坏主要原因是 （ ）。 （A）受拉破坏 （B）受压破坏 （C）弯曲破坏 （D） 剪切破坏 2 45 0 2 450 2021-4-27108 17、在缺乏试验资料时，一般取岩石抗拉强度为抗 压强度的（ ） （A）1/21/5 （B）1/101/50 （C）25倍 （D）1050倍 18、某岩石试件相对

34、密度ds=2.60，孔隙比e=0.05， 则该岩石的干密度d为（ ） （A）2.45 （B）2.46 （C）2.47 （D）2.48 19、下列研究岩石弹性、塑性和粘性等力学性质的 理想力学模型中，哪一种被称为凯尔文模型？ （ ） 2021-4-27109 （A）弹簧模型（B）缓冲模型（C）弹簧与 缓冲器并联（D）弹簧与缓冲器串联 20、格里菲斯准则认为岩石的破坏是由于 （ ）。 （A）拉应力引起的拉裂破坏 （B）压应力引起的剪切破坏 （C）压应力引起的拉裂破坏 （D）剪应力引起的剪切破坏 2021-4-27110 参考答案 1、 B 2、 D 3、 B 4 、 D 5、 D 6、 D 7、

35、A 8、 B 9、D 10、B 11、 A 12、 B 13、 A 14、C 15、D 16、 A 17、B 18、 D 19、C 20、A 返回返回 第三章 岩体的力学特性 本章内容 3.1 概述 3.2 岩体结构基本类型； 3.3 岩体的结构面及其自然特征； 3.4 结构面的力学性质 3.5 岩体的变形性质 3.6 岩体的强度特性 3.7 岩体的水力学性质 3.8 岩体质量评价及其分类 基本要求 了解岩体结构的基本类型，理解岩体结构面特征； 掌握结构面的力学性质及岩体的变形性质； 理解岩体的强度特性，了解岩体的水力学性质； 掌握岩体质量评价及其分类方法； 第三章第三章 岩体的力学性质岩体的

36、力学性质 第一节 概述 第二节 岩体结构的基本类型 第三节 岩体的结构面及其自然特征 第四节 结构面的力学性质 第五节 岩体的变形性质 第六节 岩体的强度特性 第七节 岩体的水力学性质 第八节 岩体质量评价及其分类 主要内容 岩体岩体= =结构面（弱面）结构面（弱面）+ +结构体（岩石块体）结构体（岩石块体） 结构面结构面：断层、褶皱、节理统称 影响岩体力学性质的基本因素：影响岩体力学性质的基本因素： 结构体结构体( (岩石岩石) )力学性质、结构面力学性质、岩体力学性质、结构面力学性质、岩体 结构力学效应和环境因素结构力学效应和环境因素( (特别是水和地应力的作用特别是水和地应力的作用) )

37、 3.1 3.1 概述概述 3.2岩体结构的基本类型 （地质学、复习、了解） 3.3岩体中的结构面及自然特征 次生结构面次生结构面 3.3.1结构面类型（自学、了解、提问）结构面类型（自学、了解、提问） 火成结构面火成结构面 沉积结构面沉积结构面 变质结构面变质结构面 成因及类型成因及类型 原生结构面原生结构面 构造结构面构造结构面 断层断层 节理节理 劈理劈理 3.3.23.3.2结构面的自然特征结构面的自然特征 1. 充填胶结特征 几何形态特征 有充填 无充填 薄膜充填薄膜充填（2mm以下） 断续充填断续充填 连续充填连续充填 厚层充填厚层充填（数十厘米至数米） 平直型 波浪型 锯齿型 台

38、阶型 凹凸度 （量化指标） 起伏度（起伏角i) 粗糙度(五级） 2. 3. 空间分布特征 产状（即方位）及其变化 延展性 密集程度 组合关系 p 结构面的产状及其变化：结构面的走向与倾向及其变化 p 结构面的延展性：结构面在某一方向上的连续性或结构 面连续段长短的程度。 分为非贯通性的、半贯通性及贯通性的结构面 p 结构面的结构面的密集程度密集程度 设取样线长度为l ，在l上 出现的节理条数为n，则 节理之间的平均间距为 裂隙度 K 切割度 Xe n K Kn l d 1 （1）裂隙度K :同一组结构面同一组结构面沿法线方向沿法线方向单位长度上的节理数量单位长度上的节理数量 l d180cm

39、整体结构 d=30180 块状结构 d30 破裂结构 d1， 平均水平应力系数多为平均水平应力系数多为0.81.5， 深部趋近深部趋近1。 地应力主要成分地应力主要成分 4.3 地应力的分布规律地应力的分布规律 1地应力是一个具有相对稳定性的非稳定应力场，它是时间和空间的地应力是一个具有相对稳定性的非稳定应力场，它是时间和空间的 函数。函数。 2实测垂直应力基本等于上覆岩层的重量。实测垂直应力基本等于上覆岩层的重量。 3水平应力普遍大于垂直应力。水平应力普遍大于垂直应力。 4平均水平应力与垂直应力的比值随深度增加而减小，但在不同地区，平均水平应力与垂直应力的比值随深度增加而减小，但在不同地区，

40、 变化的速度很不相同。变化的速度很不相同。 5最大水平主应力和最小水平主应力随深度呈线性增长关系最大水平主应力和最小水平主应力随深度呈线性增长关系（实测）。（实测）。 6 最大水平主应力和最小水平主应力之值一般相差较大，显示出很强最大水平主应力和最小水平主应力之值一般相差较大，显示出很强 的方向性。的方向性。 7. 地应力的上述分布规律还会受到地形、地表剥蚀、风化、岩体结构特地应力的上述分布规律还会受到地形、地表剥蚀、风化、岩体结构特 征、岩体力学性质、温度、地下水等因素的影响，特别是地形和断层的征、岩体力学性质、温度、地下水等因素的影响，特别是地形和断层的 扰动影响最大。扰动影响最大。 4.

41、4 地应力的测量方法地应力的测量方法 直接测量法 间接测量法 直接测量法：由测量仪器直接测量和记录各种直接测量法：由测量仪器直接测量和记录各种应力量应力量，如补偿，如补偿 应力、恢复应力、平衡应力，并由这些应力、恢复应力、平衡应力，并由这些应力量应力量和和原岩应力原岩应力的相的相 互关系，通过计算获得原岩应力值。互关系，通过计算获得原岩应力值。 扁千斤顶法、扁千斤顶法、水压致裂法水压致裂法、刚性包体应力计法、刚性包体应力计法和声发射法和声发射法均属直接测均属直接测 量法。量法。 间接测量法：借助某些传感元件或某些介质，测量和记录岩体中间接测量法：借助某些传感元件或某些介质，测量和记录岩体中 某

42、些与应力有关的某些与应力有关的间接物理量间接物理量的变化，然后通过已知的换算公式的变化，然后通过已知的换算公式 计算岩体中的应力值。因此，在计算应力时，必须首先确定岩体计算岩体中的应力值。因此，在计算应力时，必须首先确定岩体 的某些物理力学性质以及所测物理量和应力的相互关系。的某些物理力学性质以及所测物理量和应力的相互关系。 套孔应力解除法和其他的应力或应变解除方法以及地球物理方法等都是套孔应力解除法和其他的应力或应变解除方法以及地球物理方法等都是 常用的间接测量法，其中常用的间接测量法，其中套孔应力解除法套孔应力解除法应用最为普遍且发展较为成熟。应用最为普遍且发展较为成熟。 1 1 水压致裂

43、法水压致裂法 （1）测量原理 2cos2 2121 0 r 由弹性力学可知：无限体中的一个圆形钻孔受到 无穷远处二维应力场(1， 2) ，其钻孔周边的切 向应力和径向应力r为： 周边一点与1轴的夹角 当0时， 取得极小值， 3 2 1 当水压达到TPi 12 3孔壁发生初始开裂 当继续注水使裂隙深度扩展至3倍钻孔直径时，此处已接近原岩应力状态 停止加压，保持压力恒定，记此时压力为Ps 2 s P 无限体圆形钻孔 平面应变受力状态 32-1+T-p0 2 32-1-p0 假设钻孔中存在压力假设钻孔中存在压力P P0 0的裂隙水时，则初始开裂压力的裂隙水时，则初始开裂压力P Pi i 012 3P

44、TP i 在初始裂隙产生后，将水压卸除，使，然后重新注水加压， 使裂隙重新打开，记裂隙重开的压力为 Pr 012 3PPr (2) 测量步骤 1）打钻孔到准备测量应力的部位，用封闭器封闭待加压段。 2）向封闭段注水加压，记录初始开裂压力Pi；继续加压注水，使裂隙扩张 至3倍钻孔直径，关闭高压系统，保持水压恒定，记录此时关闭压力Ps；最 后卸压，使裂隙闭合。 3）重新向封闭段注水加压，记录裂隙重新打开的压力Pr和随后的恒定关闭 压力PS；重复此加压卸压的过程23次。 4）完全卸压，取出全部设备。 5）采用印模器等设备测量水压致裂裂隙的位置、方向和大小。 点评（直接法） 优点：优点： (1)(1)

45、设备简单。设备简单。 只需用普通钻探方法打钻孔，用双止水装置密封，用液压泵通过压裂装置压裂岩 体，不需要复杂的电磁测量设备。 (2)(2)操作方便操作方便 只通过液压泵向钻孔内注液以压裂岩体，观测压裂过程中泵压、液量即可。 (3)(3)测值直观。测值直观。 它可根据压裂时泵压(初始开裂泵压、稳定开裂泵压、关闭压力、开启压力) 计算出地应力值，不需要复杂的换算及辅助测试，同时还可求得岩体抗拉强 度。 (4)(4)测值代表性大。测值代表性大。 所测得的地应力值及岩体抗拉强度是代表较大范围内的平均值，有较好的代 表性。 (5)(5)适应性强。适应性强。 这一方法不需要电磁测量元件，不怕潮湿，可在干孔

46、及孔中有水条件下作试 验，不怕电磁干扰，不怕震动。 因此，这一方法越来越受到重视和推广。因此，这一方法越来越受到重视和推广。 缺点：缺点： (1) 准确的说，是一个二维地应力测量方法，它是假定钻孔方向是一个主应力方 向，因为一般垂直地应力是一个主应力，所以可以测另两个（原岩）主应力； (2) 主应力方向定得不准，适用于完整脆性岩体二维地应力测量（P145蔡） （3 3）水压致裂法的优缺点）水压致裂法的优缺点 2 2 声发射法声发射法 （1 1）测试原理）测试原理 材料在受到外荷载作用发生破坏时，其内部贮存的应变能快速释放产生材料在受到外荷载作用发生破坏时，其内部贮存的应变能快速释放产生 弹性波

47、，从而发出声响，称为弹性波，从而发出声响，称为 。19501950年，德国人凯泽年，德国人凯泽(J (JKaiser)Kaiser)发现发现 多晶金属的应力从其历史最高水平释放后，再重新加载，当应力未达到先前多晶金属的应力从其历史最高水平释放后，再重新加载，当应力未达到先前 最大应力值时，很少有声发射产生，而当应力达到和超过历史最高水平后，最大应力值时，很少有声发射产生，而当应力达到和超过历史最高水平后， 则大量产生声发射，这一现象叫做则大量产生声发射，这一现象叫做 。从很少产生声发射到大量产生。从很少产生声发射到大量产生 声发射的转折点称为声发射的转折点称为 ，该点对应的应力即为材料先前受到

48、的最大应力。，该点对应的应力即为材料先前受到的最大应力。 后来国外许多学者证实了在岩石压缩试验中也存在凯泽效应，许多岩石后来国外许多学者证实了在岩石压缩试验中也存在凯泽效应，许多岩石 如花岗岩、大理岩、石英岩、砂岩、辉长岩、闪长岩、片麻岩、辉绿岩、灰如花岗岩、大理岩、石英岩、砂岩、辉长岩、闪长岩、片麻岩、辉绿岩、灰 岩、砾岩等也具有显著的凯泽效应，从而为应用这一技术测定岩体初始应力岩、砾岩等也具有显著的凯泽效应，从而为应用这一技术测定岩体初始应力 奠定了基础。奠定了基础。 凯泽效应为测量岩石应力提供了一个途径，即如果从原岩中取回定凯泽效应为测量岩石应力提供了一个途径，即如果从原岩中取回定 向的

49、岩石试件，通过向的岩石试件，通过 进行加载声发射试进行加载声发射试 验，验， ，即可找出每个试件以前所受的最大应力，并进而求，即可找出每个试件以前所受的最大应力，并进而求 出取样点的原始出取样点的原始( (历史历史) )三维应力状态。三维应力状态。 声发射声发射 凯泽效应凯泽效应 凯泽点凯泽点 加工不同方向的岩石试件加工不同方向的岩石试件 测定凯泽点测定凯泽点 (2)(2)测试步骤测试步骤 1）试样制备 现场钻孔提取岩样，岩样在原环境中的方向必须确定。将岩样加工 成圆柱体试件，高径比为2：1-3：1。沿测点的六个不同方向制备试件。 为了获得测试数据的统计规律，每个方向的试件为15-25块。 为

50、了消除由于试件端部与压力试验机上、下压头之间摩擦所产生的 噪声和试件端部应力集中，试件两端可浇铸由环氧树脂或其他复合材料 制成的端帽。 2) 声发射测试 加压试件并同时监测产生的声发射现象。 附图421 (3)计算地应力 由每次试验得到的凯泽点可以确定该试件轴线方向先前受到的最大 应力值。 1525个试件获得一个方向的统计结果，六个方向的应力值即可确 定取样点的历史最大三维应力大小和方向。 注意：注意： 高强度的脆性岩石具有较明显的声发射凯泽效应，而高强度的脆性岩石具有较明显的声发射凯泽效应，而 多孔隙低强度及塑性岩体的凯泽效应不明显，不能用声发射多孔隙低强度及塑性岩体的凯泽效应不明显，不能用

51、声发射 法测定比较软弱疏松岩体中的应力。法测定比较软弱疏松岩体中的应力。 基本原理基本原理：人为地将需要测定岩体地应力状态处的岩体单元与周围 岩体分离，此时岩体单元上所受的应力被解除，将产生弹性恢复。应用一 定的仪器测定弹性恢复的应变值或变形值，根据连续、均质和各向同性的 线弹性理论的解答来计算岩体单元所受的应力状态。 3 3 应力解除法应力解除法 岩体应力测量中应用较广的方法岩体应力测量中应用较广的方法 适用条件适用条件 ( (一）孔底应力解除法一）孔底应力解除法（自学，P109） (1)测量原理测量原理进行岩体中某点应力量测时，先向该点钻进一定深度的超进行岩体中某点应力量测时，先向该点钻进

52、一定深度的超 前小孔，在此小钻孔中埋设钻孔传感器，再通过钻取一段同心的管状岩芯而前小孔，在此小钻孔中埋设钻孔传感器，再通过钻取一段同心的管状岩芯而 使应力解除，根据恢复应变及岩石的弹性常数，即可求得该点的应力状态。使应力解除，根据恢复应变及岩石的弹性常数，即可求得该点的应力状态。 发展时间最长，技术比较成熟；在发展时间最长，技术比较成熟；在 适用性和可靠性方面，目前还没哪适用性和可靠性方面，目前还没哪 种方法可以和应力解除法相比。种方法可以和应力解除法相比。 (2)测量步骤测量步骤：附图3-12 P149蔡 1）打大孔：从岩体表面打大孔至岩体应力测量部位，磨平孔底，清 洗钻孔； 大孔直径一般为

53、130150mm，大孔深度为巷道跨度的2.5倍以上， 一定的同心度； 2）打小孔并放水冲洗钻孔： 小孔直径由选用探头直径决定，一般为3638mm，小孔深度一般 为孔径的10倍左右。 3）安装测量探头至小孔中央部位： 4）岩石打孔，实现应力解除： 通过量测系统（测量探头等）测得的小孔变形或应变，根据有关计 算公式求出小孔周围原岩应力。 (3) 适用范围适用范围： 因为该方法要求取出足够长的完整岩芯，一方面因为该方法要求取出足够长的完整岩芯，一方面 是保障直径变化测量的可靠性，确保处于弹性状态，是保障直径变化测量的可靠性，确保处于弹性状态， 弹性理论才是适用的；另一方面要用它测定岩石的弹弹性理论才

54、是适用的；另一方面要用它测定岩石的弹 性模量。性模量。 该方法要求在取得完整岩芯的岩体中进行，一般该方法要求在取得完整岩芯的岩体中进行，一般 至少要能取出达到大孔直径至少要能取出达到大孔直径2 2倍长度的岩芯，因此在倍长度的岩芯，因此在 破碎和弱面多的岩体中，或在极高的原岩应力区岩破碎和弱面多的岩体中，或在极高的原岩应力区岩 芯发生芯发生“饼状饼状”断裂的情况下不宜使用。断裂的情况下不宜使用。 (4)注意注意 4 4 应力恢复法应力恢复法（直接法，与应力解除法区别）（直接法，与应力解除法区别） (1) 适用范围适用范围 32 246 11 2 32 24 11 ) 1( 133 ) 1( 14

55、 2 y x (2)基本原理基本原理1 1y 32 4 2 32 24 2 ) 1( 13 2 ) 1( 14 2 p p y x (3)测试步骤测试步骤 2) 记录量测元件应变计的初始读数。 3) 开凿解除槽，记录应变计读数。 4) 埋设压力枕，并用水泥砂浆充填空隙。 5) 达到一定强度以后，连接油泵，施压。随着加压p的增加，岩体变形 逐步恢复。逐点记录压力p与恢复变形(应变)的关系。 6) 假设岩体为理想弹性体，当应变计恢复到初始读数时，此时施加的压 力p即为所求岩体的主应力。 1) 选定试验点，在预开解除槽（宽B, 深B 2 )的中垂线上安装测量元件（B3 ）。 测量元件可以是千分表、钢

56、弦应变计或电阻 应变片等。 掌握次生应力的概念 了解深埋圆形洞室二次应力状态的弹性分布 了解椭圆形及矩形巷道周边应力状态 了解古典和现代地压理论 掌握围岩与支护共同作用原理 掌握维护地下工程稳定的基本原则 了解地下工程的监测 第五章第五章 岩石地下工程岩石地下工程 本章主要内容及要求： 具有一定断面和尺寸，在地应力条件下构筑的洞室； 地下工程结构载荷不确定性； 受开挖影响，原岩应力重新分布（次生应力场）； 地下工程周围岩体(围岩)的稳定性决定着地下工程的 安全和正常使用 。 5.1 概述概述 1 地下工程定义定义： 岩石地下工程是指在地下岩石中开挖并临时或永久修建的各种工程，（如地下 井巷、隧

57、道、地下仓库，地下发电厂，地下飞机等）。 2 地下工程特点： （P117，表，表5-1) 与地面工程所处环境条件截然不同与地面工程所处环境条件截然不同 围岩围岩：应力重分布影响范 围的岩石 稳定：稳定：在服务年限内， 安全所需最小断面得以 保证 地下工程自身影响达不到地表的，称为深埋深埋。反之浅埋浅埋 当埋深大于或等于巷道半径R0(或其宽、高) 的20倍以上时，巷道影响范围 （35 R0 ）以内的岩体自重可以忽略不计；原岩水平应力可以简化为均匀 分布，通常误差不大（10以下）； 深埋地下工程的特点为： 可视为无限体中的孔洞问题，孔洞各方向无穷远处，仍为原岩应力； 3 地下工程分类地下工程分类

58、3.1 按地下工程影响范围分类 深埋的水平巷道长度较大时，可作为平面应变问题处理。 3.2 地下工程稳定性分类 自稳自稳：不需要支 护围岩自身能保 持长期稳定 人工稳定：人工稳定：需要 支护才能保持围 岩稳定 地下工程开挖地下工程开挖打破平衡打破平衡寻求平衡（应力重分布）寻求平衡（应力重分布） (人工稳定人工稳定) maxmax,U 自稳自稳 maxmax UU maxmax UU 不自稳不自稳 围岩内围岩内 危险点危险点 的应力的应力 和位移和位移 计计 算算 围围 岩岩 压压 力力 稳稳 定定 问问 题题 4 地下工程的实质：地下工程的实质： 在巷道侧帮，愈接近自由表面，径向应力越小，至洞

59、在巷道侧帮，愈接近自由表面，径向应力越小，至洞 壁处变为零；切向应力愈大，至洞壁处达最高值，即产壁处变为零；切向应力愈大，至洞壁处达最高值，即产 生所谓压应力集中。生所谓压应力集中。 在巷道顶部，愈接近自由表面，切向应力愈低，在巷道顶部，愈接近自由表面，切向应力愈低，有时有时 甚至于在洞壁附近出现拉应力，产生所谓拉应力集中。甚至于在洞壁附近出现拉应力，产生所谓拉应力集中。 理论与实验表明：地下洞室开挖，洞壁处的应力集理论与实验表明：地下洞室开挖，洞壁处的应力集 中现象最明显；地下工程围岩应力重分布特点主要中现象最明显；地下工程围岩应力重分布特点主要 取决于地下工程取决于地下工程的形状和岩体的初

60、始应力状态。 围岩应力重分布主要特征围岩应力重分布主要特征 (圆形巷道）： =0.25 =0.25 R0 P0 P0 在应用解析方法时，对于不同的物理状态应选用不同的物理关系式： 对于地下工程围岩能够自稳，围岩状态一般处于全应力应变曲线的峰前 段，可采用变形体力学方法。 (当岩体的应力不超过弹性范围时，最适宜用弹性力学方法；否则宜采用 弹塑性力学或损伤力学方法。) 当围岩应力进入峰后段，岩体可能发生刚体滑移或者张裂状态，变形体 方法不适宜，宜采用块体力学或一些初等力学方法。 5.3 地下工程围岩应力分析 1 1 弹性应力分析弹性应力分析 2 2 弹塑性应力分析弹塑性应力分析（轴对称圆巷）（轴对