岩体力学第二章 复习

岩体力学

RockMassMechanics第二章复习岩石的基本物理力学性质李旺林

岩石密度：天然密度、干密度、重力密度质量指标

岩石颗粒密度孔隙性孔隙比、孔隙率含水率水理指标

渗透系数抗风化指标软化系数抗冻性抗冻性系数第一节岩石的基本物理性质岩石基本物理性质指标岩石三相gasVsVvmsmwmasswater岩石三相gasVsVvmsmwmasswater一岩石的质量指标一岩石的质量指标1.颗粒密度(比重)

岩石固相的质量与固相体积之比

:岩石固相的质量:固相的体积:4℃水的密度一岩石的质量指标2、天然密度 岩石在自然条件下，单位体积的质量

:岩石试件总质量:试件总体积一岩石的质量指标3、饱和密度 岩石中的孔隙都被水填充时单位体积的质量

:孔隙体积一岩石的质量指标4、干密度岩石孔隙中的液体全部被蒸发，试件中仅有固相和气相的状态下，单位体积的质量一岩石的质量指标5、重力密度（γ）重力密度指单位体积中岩石重量，简称重度，单位kN/m3，可用计算自重应力。天然重度、干重度、饱和重度。二岩石的孔隙性6.孔隙比

e

孔隙的体积与固体的体积之比7.孔隙率

n

孔隙的体积与总体积的比值二岩石的孔隙性8.孔隙比和孔隙率的关系9.孔隙率的推求三岩石的水理性质10.含水率 岩石孔隙中含水的质量与固体质量之比的百分数测试方法：烘干称重法。

:孔隙中含水的质量三岩石的水理性质11.岩石的渗透性 岩石在一定的水压力作用下，水穿透岩石的能力

:沿x方向水的流量h:水头的高度A:垂直x方向的截面面积K:岩石的渗透系数(cm/s)

单轴抗压强度

单轴抗拉强度

抗剪强度

三向压缩强度

第二节岩石的强度特性岩石基本力学性质指标一岩石的单轴抗压强度一岩石的单轴抗压强度Rc

指岩石试件在无侧限条件下受轴向力作用达到破坏的极限强度。Rc——单轴抗压强度，也称无侧限强度；P——无侧限条件下，轴向破坏荷载；A——试件与轴向荷载垂直的截面面积。一岩石的单轴抗压强度2.主要仪具

（1）压力试验机：加载范围为300～2000kN。

一岩石的单轴抗压强度(二)试件破坏后的形态1.圆锥形破坏

试验端部与加载板之间有摩阻条件下2.柱状劈裂破坏

试验端部与加载板之间涂牛油去除端部摩阻

岩石自身特性；利用形态特征分析试验结果可靠性。一岩石的单轴抗压强度(三)主要影响因素承压板试件尺寸和形状的影响加载速率环境的影响一岩石的单轴抗压强度1.承压板 试件端面与承压板之间的摩擦力影响外，还有承压板的刚度也影响应力分布2.试件尺寸和形状的影响尺寸效应：尺寸效应越大强度越低（微裂纹概率随尺寸而增大）3.加载速率 单轴抗压强度通常随加载速率的提高而增大二岩石的抗拉强度1.直接拉伸对试件直接施加拉力,按下式求抗拉强度指标: P:试件受拉破坏时的极限拉力

A:与所施加拉力想垂直的横截面积三岩石的抗剪强度（二）三种抗剪强度:1.抗剪断强度2.抗切强度3.弱面抗剪强度三岩石的抗剪强度莫尔强度理论：任意一点的应力圆若与极限曲线相接触，则材料即将屈服或剪断。

三岩石的抗剪强度（四）岩石抗剪强度与压应力关系（莫尔----库仑公式）:

c—内聚力（凝聚力）—内摩擦角抗剪强度特征（与抗压强度、抗拉强度）（1）两个参数，c、（2）强度大小与正应力有关三岩石的抗剪强度岩石抗剪强度c—内聚力（凝聚力）来源：颗粒之间的电分子吸引力结晶和胶结作用—内摩擦角来源：克服颗粒间互相镶嵌、联锁作用产生的咬合力颗粒间摩擦力三岩石的抗剪强度3.三轴压缩试验直剪试验缺陷：

剪切面人为固定。怎样克服？岩石三轴自动试验系统:四岩石的三向压缩强度直剪试验缺陷：

剪切面人为固定。实际岩体受力状态是三向压缩应力作用。三轴压缩试验，研究三向压缩强度 真三轴？复杂

假三轴？简单四岩石的三向压缩强度真三轴试验和假三轴试验真三轴试验：两个水平力不等，试验复杂反映真实应力情况假三轴试验：两个水平力相等试验简单四岩石的三向压缩强度（三）三向压缩试验岩石破坏类型

1.柱状劈裂破坏(低围压)2.斜面剪切(中等围压)3.腰鼓状破坏(高围压) 四岩石的三向压缩强度（四）三向压缩抗剪强度

莫尔强度包线：确定参数C、φ四岩石的三向压缩强度确定参数C、φ其他方法：四岩石的三向压缩强度 5.孔隙水压力-----孔隙水压力————围压值减小——有效应力降低——应力圆左移——强度降低第二章岩石的基本物理力学性质单向压缩变形岩石的变形特性三向向压缩变形流变特性

一岩石在单向压缩应力作用下的压缩变形特征1.典型的应力应变曲线 (1)压密阶段 (2)弹性阶段 (3)塑性阶段一岩石在单向压缩应力作用下的压缩变形特征2.循环加卸载曲线岩石——带有缺陷（内部微裂隙）的介质塑性滞环 加卸荷过程中，应力-应变所围成的面积能量消耗于裂隙的扩展和部分闭合的裂隙面之间的摩擦所做的功一岩石在单向压缩应力作用下的压缩变形特征3.应力应变全过程曲线及类型在刚性试验上进行试验所获得的包括岩石达到峰值应力之后的应力-应变曲线.(1)压密阶段(2)弹性阶段(3)塑性阶段(4)应变软化阶段(5)摩擦阶段一岩石在单向压缩应力作用下的压缩变形特征(1)岩石达到峰值应力后，仍然具有一定的承载能力，岩石突然的崩溃是一种假象(2)在反复加-卸载情况下，曲线也会形成塑性滞环，而且塑性滞环的平均斜率是在逐渐降低，表现出应变软化的特征曲线特征二岩石在三向压缩应力下的变形特征3.随围压增加，峰值对应的应变值有所增大，表现出低围压下脆性特性向高围压的塑性特性转变的规律（一）普通三轴应力应变曲线变形规律二岩石在三向压缩应力下的变形特征日本茂木清夫山口县大理岩（二）真三轴应力应变全过程曲线四岩石的流变特性流变研究的三大课题1.蠕变岩石在恒定外力作用下，应变随时间而增长的特性。2.应力松弛 应变不变,应力随时间而减小3.长期强度 荷载在长期应力作用下的强度四岩石的流变特性(一)典型的蠕变曲线1.AB阶段，瞬态蠕变阶段2.BC阶段，稳定蠕变阶段3.C点以后阶段，非稳态蠕变五岩石变形指标(一)弹性模量E五岩石变形指标(二)变形模量E0五岩石变形指标(三)泊松比μ五岩石变形指标(五)剪切模量G六岩石介质的力学模型(一)基本的力学介质模型1.弹性体本构方程：现岩石的应力-应变在卸载时可恢复且呈线形关系的特性 表达式：弹簧六岩石介质的力学模型2.塑性体理想的塑性变形当摩擦器具有硬化特性的塑性变形六岩石介质的力学模型3.粘性体牛顿粘性体定律η—粘滞系数粘壶六岩石介质的力学模型(二)岩石介质的力学模型1.弹塑性体(1)无塑性硬化作用六岩石介质的力学模型理想弹塑性材料的应力-应变曲线六岩石介质的力学模型(2)有塑性硬化作用六岩石介质的力学模型(二)粘弹性介质1.马克斯韦尔模型弹簧和粘壶串连六岩石介质的力学模型马克斯韦尔模型反映岩石具有应力松弛的特征应变保持不变应力保持不变马克斯韦尔模型反映岩石蠕变与时间呈直线的特征六岩石介质的力学模型2.凯尔文型弹簧和粘壶并联六岩石介质的力学模型凯尔文模型反映恒力作用下应变与时间的变化规律六岩石介质的力学模型凯尔文模型反映卸载后，弹性后效的变形特征六岩石介质的力学模型若获得初始弹性应变后，保持总应变不变应力不衰减，则凯尔文模型又称非松弛模型，他不能反映应力的松弛现象。第二章岩石的基本物理力学性质莫尔强度理论岩石的强度理论格里菲斯强度理论屈服准则

一一点的应力状态(四)基本计算公式任意角度截面的应力计算公式:最大主应力和最小主应力:一一点的应力状态最大主应力与作用面的夹角按下式求:分析任意角度的应力状态时,常用最大、最小应力的表示法:一一点的应力状态莫尔应力圆的表示方法:

其中为圆心半径为三莫尔强度理论1.莫尔理论假说 物体是在正应力和剪应力组合作用下产生破坏 与无关 莫尔包络线 极限应力圆上破坏点的轨迹线三莫尔强度理论2.库仑-莫尔直线型强度线1)

破坏角2)不同坐标下的表达式坐标下三莫尔强度理论在坐标下σc—理论上的单轴抗压强度值三莫尔强度理论3)孔隙水压力的影响有效应力四格里菲斯强度理论(一)基本思想

1.裂缝存在

2.裂缝扩展方向单轴压缩应力作用下，劈裂破坏是本质现象

3.扩展的能量在压应力条件下裂