岩石力学PPT完整全套教学课件

岩体力学高等学校土木工程专业先修课程：材料力学、理论力学、工程地质学等后续课程：隧道工程、地铁工程、道路边坡工程等适用专业：土木工程课程设置：课内总学时:36课程考核：平时作业、上课纪律：20分；课程论文：80分。隧道地铁道路边坡绪论课程性质和任务性质：土木工程专业技术基础必修课程。任务：学习岩石的基本力学性质、实验研究方法、岩体的质量评价方法及其分类理论、地应力及其测量理论和方法、岩石的流变理论和强度理论。在此基础上学习岩石地下工程和边坡工程中岩体稳定性的分析评价及加固处理理论和方法。绪论课程教学基本要求

课程重点：岩石的基本力学性质及其实验研究方法、岩体的质量评价及其分类理论方法、地应力及其测量理论和方法、岩石的流变理论和强度理论、岩石地下工程、岩石边坡工程。

课程难点：岩石的流变理论和强度理论、节理面的力学性质，岩体工程分析评价理论和方法。

能力培养要求：岩石力学的实验技能，岩石力学的研究方法，地下工程和边坡工程中岩体稳定性的分析评价及加固处理理论和方法。绪论绪论岩石力学是近代发展起来的一门新兴学科和边缘学科，是一门应用性和实践性很强的应用基础学科。

岩石力学是研究岩石的力学性状的一门理论和应用科学，它是力学的一个分支，是探讨岩石对其周围物理环境中力场的反应。（1966年，美国科学院岩石力学委员会定义）

经验与理论相结合才是学习岩石力学的科学做法。（１）初始阶段（19世纪末~20世纪初）

1912，瑞典，海姆，提出了静水压力的理论。

1926，苏联，金尼克，基于弹性力学理论提出了只有垂直压力等于ρH，而水平压力应为ρ

H乘一个侧压系数，即λρH一、岩石力学的发展历史和概貌（２）经验理论阶段（20世纪初~30年代）最有代表性的理论，苏联，普罗托吉雅柯诺夫，自然平衡拱学说，即普氏理论。太沙基，提出相同的理论，只是认为塌落拱的形状是矩形，而不是抛物线型。（３）经典理论阶段（20世纪30年代~60年代）弹性力学和塑性力学被引入岩石力学，标志岩石力学已经形成了一门独立的学科。形成了“连续介质理论”和“地质力学理论”两大学派。连续介质理论是以固体力学作为基础，从材料的基本力学性质出发来认识岩石工程的稳定问题。连续介质理论存在的问题：1）边界加载－远处的位移大，而开挖体内边缘位移小。2）传统连续介质理论过分注重对岩石“材料”的研究，追求准而又准的“本构关系”。3）连续介质理论的计算方法只适用于圆形巷道。一、岩石力学的发展历史和概貌（３）经典理论阶段（20世纪30年代~60年代）地质力学理论注重研究地层结构与力学和岩石工程稳定性的关系。

1951年6月在奥地利成立了以斯梯尼（J.Stini）和米勒(L.Müller)为首的“地质力学研究组”，在萨尔茨堡举行了第一届地质力学讨论会，形成了“奥地利学派”，提出了著名的“新奥法”。

地质力学理论的缺陷：1）是过分强调节理、裂隙的作用，过分依赖经验，而忽视理论的指导作用。2）该理论完全反对把岩体作为连续介质看待，也是不正确的和有害的，这种认识阻碍现代数学力学理论在岩石工程中的应用。一、岩石力学的发展历史和概貌（４）现代发展阶段（20世纪60年代~现在）多手段、多方法、多学科应用到岩石力学的研究中来。认为：岩石工程是一个“人—地”系统，用系统论的方法来进行岩石力学与工程的研究。一、岩石力学的发展历史和概貌从“材料”概念到“不连续介质概念”是现代岩石力学的第一步飞跃；引入电子计算机（快速计算），进入计算力学阶段是第二步飞跃；

而非线性理论、不确定性理论和系统科学理论进入实用阶段，则是岩石力学理论研究及工程应用的第三步意义更为重大的飞跃。二、岩石力学的基本研究内容和研究方法1.研究内容(1)岩石、岩体的地质特征(2)岩石的物理、水理与热力学性质(3)岩石的基本力学性质(4)结构面力学性质(5)岩体力学性质(6)原岩应力(地应力)分布规律及其测量理论与方法(7)工程岩体的稳定性(8)岩石工程稳定性维护技术(9)各种新技术、新方法与新理论在岩石力学中的应用(10)工程岩体的模型、模拟试验及原位监测技术二、岩石力学的基本研究内容和研究方法2.研究方法(1)工程地质研究方法(2)科学实验方法(3)数学力学分析方法(4)整体综合分析方法三、岩石力学研究的主要问题（1）水利水电工程三、岩石力学研究的主要问题（2）采矿工程（3）铁道和公路建设工程三、岩石力学研究的主要问题（4）土木建筑工程三、岩石力学研究的主要问题（5）石油工程三、岩石力学研究的主要问题（6）海洋勘探与开发工程YuccaMountain,Nevada,USA

三、岩石力学研究的主要问题（7）核电站建设中核废料处理技术三、岩石力学研究的主要问题（8）地层热能资源开发技术问题Wairakeigeothermalpowerstation,NewZealand

三、岩石力学研究的主要问题（9）地震预报中的岩石力学问题三、岩石力学研究的主要问题（9）地震预报中的岩石力学问题随着岩石工程建设的发展，还会有新问题不断提出。2008.06.14，Japan，7.2级2008.05.12，中国，8级四、岩石力学与工程发展前景展望

1）我国大规模的基本建设高层建筑、隧道桥梁、城市地铁、其他基本设施等。

2）四大工程建设三峡水电工程、南水北调工程、青藏铁路工程、西气东输工程。

3）矿业开采固体资源开采、液体资源开采、气体资源开采。

4）海底隧道建设渤海海底隧道、台湾海峡海底隧道。本章结束第1章岩石物理力学性质§1.1概述§1.2岩石的基本构成和地质分类§1.3岩石的物理性质§1.4岩石的力学性质§1.5影响岩石力学性质的主要因素

本章将从岩石的基本构成及岩石的成因分类入手，然后介绍岩石的物理、力学性质，最后介绍影响岩石物理、力学性质的主要因素。本章所涉及的只是对岩石，即通常所称的岩块的基本认识。§1.1

概述§1.2

概述岩石是自然界中各种矿物的集合体，是天然地质作用的产物。岩石是构成岩体的基本单元。相对于岩体而言，岩石可看作是连续的、均质的、各向同性的介质。岩石中存在的矿物解理、微裂隙、粒间空隙、晶格缺陷、晶格边界等内部缺陷，统称微结构面。§1.2

岩石的基本构成和地质分类1.2.1

基本构成岩石的基本构成是由组成岩石的物质成分和结构两大方面来决定的。岩石中主要的造岩矿物有：正长石、斜长石、石英、黑云母、白云母、角闪石、辉石、橄榄石、方解石、白云石、高岭石、赤铁矿等。他们的含量，因不同成因的岩石而异。岩石中的矿物成分会影响岩石的抗风化能力、物理性质和强度特性。§1.2

概述1.2.1

基本构成主要造岩矿物抗风化相对稳定性§1.2

岩石的基本构成和地质分类1.2.1

基本构成新鲜岩石的力学性质主要取决于岩石的矿物成分和颗粒间的连结。对于具有结晶连结的岩石，其矿物成分的影响要大一些。岩石中矿物的硬度和岩石的强度是两个既有联系而又不同的概念。

岩石的结构是指岩石中矿物(及岩屑)颗粒相互之间的关系，包括颗粒的大小、形状、排列、结构连结特点及岩石中的微结构面(即内部缺陷)。其中，以结构连结和岩石中的微结构面对岩石工程性质影响最大。岩石中结构连结的类型主要有两种，分别为结晶连结和胶结连结。§1.2

岩石的基本构成和地质分类1.2.1

基本构成1.结晶连结岩石中矿物颗粒通过结晶相互嵌合在一起，这种连结使晶体颗粒之间紧密接触，故岩石强度一般较大，但随结构的不同而有一定的差异。花岗岩§1.2

岩石的基本构成和地质分类1.2.1

基本构成2.胶结连结指颗粒与颗粒之间通过胶结物在一起的连接。其强度主要取决于胶结物及胶结类型。碎屑岩胶结类型1为胶结物质2为颗粒3为未充填之孔隙基质胶结类型接触胶结类型孔隙胶结类型§1.2

岩石的基本构成和地质分类1.2.1

基本构成3.岩石中的微结构面是指存在于矿物颗粒内部或矿物颗粒及矿物集合体之间微小的弱面及空隙。解理面：指矿物晶体或晶粒受力后沿一定结晶方向分裂成的光滑平面。晶粒边界：矿物晶粒的表面。微裂隙：指发育于矿物颗粒内部及颗粒之间的多呈闭合状态的破裂迹线。粒间空隙：多在成岩过程中形成的晶粒之间的空隙。晶格缺陷：由于晶体外原子入侵结果产生的化学上的缺陷。§1.2

岩石的基本构成和地质分类1.2.2

岩石的地质成因分类自然界中有各种各样的岩石，不同成因的岩石具有不同的力学特性，因此有必要根据不同成因对岩石进行分类。根据地质学的岩石成因分类可把岩石分为岩浆岩、沉积岩和变质岩三大类。岩浆岩§1.2

岩石的基本构成和地质分类1.2.2

岩石的地质成因分类自然界中有各种各样的岩石，不同成因的岩石具有不同的力学特性，因此有必要根据不同成因对岩石进行分类。根据地质学的岩石成因分类可把岩石分为岩浆岩、沉积岩和变质岩三大类。粉砂岩砾岩沉积岩§1.2

岩石的基本构成和地质分类1.2.2

岩石的地质成因分类自然界中有各种各样的岩石，不同成因的岩石具有不同的力学特性，因此有必要根据不同成因对岩石进行分类。根据地质学的岩石成因分类可把岩石分为岩浆岩、沉积岩和变质岩三大类。片麻岩片岩变质岩§1.3

岩石的物理性质1.2.2

岩石的地质成因分类自然界中有各种各样的岩石，不同成因的岩石具有不同的力学特性，因此有必要根据不同成因对岩石进行分类。根据地质学的岩石成因分类可把岩石分为岩浆岩、沉积岩和变质岩三大类。片麻岩片岩变质岩§1.3

岩石的物理性质1.3.1

岩石的容重

岩石的物理性质是指由岩石固有的物质组成和结构特征所决定的比重、容重、孔隙率等基本属性。岩石单位体积(包括岩石内孔隙体积)的重量称为岩石的容重。根据岩石的含水状况，将容重分为天然容重、干容重和饱和容重。测定岩石的容重可采用量积法(又叫直接法)、水中法或蜡封法。§1.3

岩石的物理性质1.3.2

岩石的比重

岩石的比重是岩石固体部分的重量和4℃时同体积纯水重量的比值。岩石的比重，可采用比重瓶法进行测定。岩石的比重一般为2.50~3.30。§1.3

岩石的物理性质1.3.3

岩石的孔隙性天然岩石中包含着数量不等、成因各异的孔隙和裂隙，在工程实践中很难将二者分开，因此通称为岩石的孔隙性。岩石的孔隙性常用孔隙率n表示。岩石的孔隙率n是指岩石孔隙的体积与岩石总体积的比值，以百分数表示。岩石的孔隙性指标，应根据孔隙、裂隙的类型加以区分，分为：总孔隙率、总开孔隙率、大开孔隙率、小开孔隙率和闭孔隙率。五种孔隙率可按公式分别计算。孔隙率是衡量岩石工程质量的重要物理性质指标之一。§1.3

岩石的物理性质1.3.4

岩石的水理性岩石与水相互作用时所表现的性质称为岩石的水理性。包括岩石的吸水性、透水性、软化性和抗冻性。（1）岩石的天然含水率天然状态下岩石中水的质量与岩石的烘干质量的比值，称为岩石的天然含水率，以百分率表示，即§1.3

岩石的物理性质1.3.4

岩石的水理性岩石与水相互作用时所表现的性质称为岩石的水理性。包括岩石的吸水性、透水性、软化性和抗冻性。（2）岩石的吸水性岩石在一定条件下吸收水分的性能称为岩石的吸水性。表征岩石吸水性的指标有吸水率、饱和吸水率和饱水系数。吸水率§1.3

岩石的物理性质1.3.4

岩石的水理性岩石与水相互作用时所表现的性质称为岩石的水理性。包括岩石的吸水性、透水性、软化性和抗冻性。（2）岩石的吸水性岩石在一定条件下吸收水分的性能称为岩石的吸水性。表征岩石吸水性的指标有吸水率、饱和吸水率和饱水系数。饱和吸水率§1.3

岩石的物理性质1.3.4

岩石的水理性岩石与水相互作用时所表现的性质称为岩石的水理性。包括岩石的吸水性、透水性、软化性和抗冻性。（2）岩石的吸水性岩石在一定条件下吸收水分的性能称为岩石的吸水性。表征岩石吸水性的指标有吸水率、饱和吸水率和饱水系数。饱水系数§1.3

岩石的物理性质1.3.4

岩石的水理性岩石与水相互作用时所表现的性质称为岩石的水理性。包括岩石的吸水性、透水性、软化性和抗冻性。（3）岩石的透水性岩石能被水透过的性能称为岩石的透水性。水只能沿连通孔隙渗透。岩石透水性大小可用渗透系数衡量，它主要决定于岩石孔隙的大小、方向及其相互连通情况。§1.3

岩石的物理性质1.3.4

岩石的水理性岩石与水相互作用时所表现的性质称为岩石的水理性。包括岩石的吸水性、透水性、软化性和抗冻性。（4）岩石的软化性岩石浸水后强度降低的性能称为岩石的软化性。岩石的软化性常用软化系数。§1.3

岩石的物理性质1.3.4

岩石的水理性岩石与水相互作用时所表现的性质称为岩石的水理性。包括岩石的吸水性、透水性、软化性和抗冻性。（5）岩石的抗冻性岩石抵抗冻融破坏的性能称为岩石的抗冻性。岩石的抗冻性，通常用抗冻系数表示。§1.4

岩石的力学性质1.4.1

岩石的强度1.4.1.1岩石强度试验的基本要求岩体试件取样示意图§1.4

岩石的力学性质1.4.1

岩石的强度岩石在各种荷载作用下达到破坏时所能承受的最大应力称为岩石的强度。如单轴抗压强度、单轴抗拉强度和抗剪强度。进行岩石强度试验所选用的试件必须是完整岩块，而不应包含节理裂隙。通过试验所确定的各种岩石强度指标值却要受下列因素的影响：

1、试件尺寸；2、试件形状；3、试件三维尺寸比例；4、加载速率；5、湿度。国际岩石力学学会(ISRM)对岩石强度试验所使用的试件的形状、尺寸、加载速率和湿度等先后制定了标准。1.4.1.1岩石强度试验的基本要求§1.4

岩石的力学性质1.4.1

岩石的强度岩石在单轴压缩荷载作用下达到破坏前所能承受的最大压应力称为岩石的单轴抗压强度。1.4.1.2单轴抗压强度试件在单轴压缩荷载作用下破坏时，在测件中可产生三种破坏形式：§1.4

岩石的力学性质1.4.1

岩石的强度1.4.1.2单轴抗压强度(1)X状共扼斜面剪切破坏§1.4

岩石的力学性质1.4.1

岩石的强度1.4.1.2单轴抗压强度(2)单斜面剪切破坏§1.4

岩石的力学性质1.4.1

岩石的强度1.4.1.2单轴抗压强度(3)拉伸破坏这种类型的破坏就是横向拉应力超过岩石抗拉极限所引起的。§1.4

岩石的力学性质1.4.1

岩石的强度1.4.1.2单轴抗压强度试验测得的单轴抗压强度值与试件L/D比之间的关系示意图ISRM(国际岩石力学学会)建议进行岩石单轴抗压强度试验时所使用的试件长度(L)与直径(D)之比为2.5~3。进行压缩试验时，试件的端部效应也必须予以注意。§1.4

岩石的力学性质1.4.1

岩石的强度1.4.1.3三轴抗压强度岩石在三向压缩荷载作用下，达到破坏时所能承受的最大压应力称为岩石的三轴抗压强度。真三轴试验伪三轴试验§1.4

岩石的力学性质1.4.1

岩石的强度1.4.1.3三轴抗压强度岩石在三向压缩荷载作用下，达到破坏时所能承受的最大压应力称为岩石的三轴抗压强度。常规三轴试验装置图伪三轴试验§1.4

岩石的力学性质1.4.1

岩石的强度1.4.1.3三轴抗压强度第一个经典性的三轴压缩试验是由意大利人冯·卡门于1911年完成的，试验使用的是白色圆柱体大理石试件。试验发现：①在围压为零或较低时，大理石试件以脆性方式破坏，沿一组倾斜的裂隙破坏。②随着围压的增加，试件的延性变形和强度都不断增加，直至出现完全延性或塑性流动变形，并伴随工作硬化，试件也变成粗腰桶形的。§1.4

岩石的力学性质1.4.1

岩石的强度1.4.1.3三轴抗压强度第一个经典性的三轴压缩试验是由意大利人冯·卡门于1911年完成的，试验使用的是白色圆柱体大理石试件。试验发现：③在试验开始阶段，试件体积减小，当达到抗压强度一半时，出现扩容，泊松比迅速增大。§1.4

岩石的力学性质1.4.1

岩石的强度1.4.1.3三轴抗压强度莫尔强度包络线§1.4

岩石的力学性质1.4.1

岩石的强度1.4.1.3三轴抗压强度三轴试验岩石强度参数的确定：1、直线形

τ轴的截距称为岩石的粘结力（或称内聚力），记为C（MPa），与σ轴的夹角称为岩石的内摩擦角，记为φ（度）。2、曲线形：①一种方法是将包络线和τ轴的截距定为C，将包络线与τ轴相交点的包络线外切线与σ轴夹角定为内摩擦角。②另一种方法建议根据实际应力状态在莫尔包络线上找到相应点，在该点作包络线外切线，外切线与σ轴夹角为内摩擦角，外切线及其延长线与τ轴相交之截距即为C。实践中采用第一种方法的人数多。§1.4

岩石的力学性质1.4.1

岩石的强度1.4.1.4点荷载强度指标点荷载强度指标试验是布鲁克和弗兰克林1972年发明的，这是一种最简单的岩石强度试验，其试验所获得的强度指标值可用做岩石分级的一个指标，有时可代替单轴抗压强度。§1.4

岩石的力学性质1.4.1

岩石的强度1.4.1.4点荷载强度指标点荷载试验对试件形状和尺寸的要求点荷载试验所获得的强度指标用IS

表示，其值等于：§1.4

岩石的力学性质1.4.1

岩石的强度1.4.1.5抗拉强度岩石在单轴拉伸荷载作用下达到破坏时所能承受的最大拉应力称为岩石的单轴抗拉强度，或简称为抗拉强度。直接拉伸试验加载和试件示意图§1.4

岩石的力学性质1.4.1

岩石的强度1.4.1.5抗拉强度间接拉伸试验加载和试件示意图巴西试验法（Braziliantest），俗称劈裂试验法。试件：为一岩石圆盘，加载方式如图所示。实际上荷载是沿着一条弧线加上去的，但孤高不能超过圆盘直径的1/20。§1.4

岩石的力学性质1.4.1

岩石的强度1.4.1.5抗拉强度间接拉伸试验加载和试件示意图巴西试验法（Braziliantest），俗称劈裂试验法。式中：RL——

岩石单向抗拉强度，MPa

P——

试件破坏载荷，N

D——

试件直径，mm

L——

试件厚度，mm§1.4

岩石的力学性质1.4.1

岩石的强度1.4.1.5抗拉强度三点加载弯曲试验示意图（圆柱梁试件）（长方形截面棱柱梁）§1.4

岩石的力学性质1.4.1

岩石的强度1.4.1.6抗剪切强度岩石在剪切荷载作用下达到破坏前所能承受的最大剪应力称为岩石的抗剪切强度。四种典型的非限制性剪切强度试验：（a）单面剪切试验；（b）冲击剪切试验；（c）双面剪切试验；（d）扭转剪切试验。分别见图。§1.4

岩石的力学性质1.4.1

岩石的强度1.4.1.6抗剪切强度岩石在剪切荷载作用下达到破坏前所能承受的最大剪应力称为岩石的抗剪切强度。四种典型的限制性剪切强度试验。（a）直剪仪（剪切盒）压剪试验（单面剪）；（b）立方体试件单面剪试验；（c）试件端部受压双面剪试验；（d）角模压剪试验（变角剪切试验）。§1.4

岩石的力学性质1.4.1

岩石的强度1.4.1.6抗剪切强度Hoek直剪仪试验装置：§1.4

岩石的力学性质1.4.1

岩石的强度1.4.1.6抗剪切强度角模压剪试验及受力分析示意图在压力P的作用下，剪切面上可分解为沿剪切面的剪力Psinα/A和垂直剪切面的正应力Pcosα/A，如图所示。§1.4

岩石的力学性质1.4.1

岩石的强度1.4.1.6抗剪切强度限制性剪切强度试验结果及其分析①试验结果：剪切面上正应力越大，试件被剪破坏前所能承受的剪应力也越大。原因：剪切破坏一要克服内聚力，二要克服摩擦力，正应力越大，摩擦力也越大。将破坏时的剪应力和正应力标注到σ-τ应力平面上就是一个点，不同的正、剪应力组合就是不同的点。将所有点连接起来就获得了莫尔强度包络线，如图所示。§1.4

岩石的力学性质1.4.1

岩石的强度1.4.1.6抗剪切强度限制性剪切强度试验结果及其分析②残余强度：当剪切面上的剪应力超过了峰值剪切强度后，剪切破坏发生，然后在较小的剪切力作用下就可使岩石沿剪切面滑动。能使破坏面保持滑动所需的较小剪应力就是破坏面的残余强度。正应力越大，残余强度越高，如图所示。所以只要有正应力存在，岩石剪切破坏面仍具有抗剪切的能力。§1.4

岩石的力学性质1.4.1

岩石的强度1.4.1.7破坏后强度单轴压缩试验应力一应变曲线研究岩石超过其峰值强度破坏后的强度特征对岩石工程本身具有重要意义。为此，必须改进实验系统，将图所示的半程压缩试验，变成全程压缩试验。§1.4

岩石的力学性质1.4.1

岩石的强度1.4.1.7破坏后强度压缩试验系统受力图使用刚性试验机，就能获得岩石在受压过程中的全应力一应变曲线，获得岩石在超过峰值强度破坏后的变形和强度特征。§1.4

岩石的力学性质1.4.1

岩石的强度1.4.1.7破坏后强度全应力－应变曲线除能全面显示岩石在受压破坏过程中的应力、变形特征，特别是破坏后的强度与力学性质变化规律外，还有以下三个用途。(1)预测岩爆全应力－应变曲线预测岩爆示意图§1.4

岩石的力学性质1.4.1

岩石的强度1.4.1.7破坏后强度(2)预测蠕变破坏全应力－应变曲线预测蠕变破坏§1.4

岩石的力学性质1.4.1

岩石的强度1.4.1.7破坏后强度(3)预测循环加载条件下岩石的破坏全应力－应变曲线预测反复加载条件下的破坏根据岩石本身已有的受力水平，循环荷载的大小、周期、可根据全应力一应变曲线来预测循环加载条件。§1.4

岩石的力学性质1.4.2

岩石的变形性质1.4.2.1概述岩石在荷载作用下，首先发生的物理现象是变形，随着荷载的不断增加，或在恒定荷载作用下，随时间的增长，岩石变形逐渐增大，最终导致岩石破坏。岩石变形有弹性变形、塑性变形和粘性变形三种。弹性（elasticity）：物体在受外力作用的瞬间即产生全部变形，而去除外力（卸载）后又能立即恢复其原有形状和尺寸的性质称为弹性。（线弹性体；非线性弹性体。）塑性（plasticity）：物体受力后产生变形，在外力去除（卸载）后变形不能完全恢复的性质，称为塑性。不能恢复的那部分变形称为塑性变形，或称永久变形、残余变形。在外力作用下只发生塑性变形的物体，称为理想塑性体。§1.4

岩石的力学性质1.4.2

岩石的变形性质1.4.2.1概述粘性（viscosity）：物体受力后变形不能在瞬时完成，且应变速率随应力增加而增加的性质，称为粘性。其应力－应变速率关系为过坐标原点的直线的物质称为理想粘性体(牛顿流体)。脆性（brittle）：物体受力后，变形很小时就发生破裂的性质。工程上一般以5％为标准进行划分，总应变大于5％者为塑性材料，反之为脆性材料。材料的变形性状示意图§1.4

岩石的力学性质1.4.2

岩石的变形性质1.4.2.1概述弹性体线弹性体非线弹性体§1.4

岩石的力学性质1.4.2

岩石的变形性质1.4.2.1概述岩石是矿物的集合体，具有复杂的组成成分和结构，因此其力学属性也是很复杂的。同时，岩石的力学属性还与受力条件、温度等环境因素有关。在常温常压下，岩石既不是理想的弹性体，也不是简单的塑性体和粘性体，而往往表现出弹－塑性，塑－弹性，弹－粘－塑或粘－弹性等复合性质。§1.4

岩石的力学性质1.4.2

岩石的变形性质1.4.2.2单轴压缩条件下岩石变形特征由全应力－应变曲线可将岩石的变形分为下列四个阶段：岩石变形的典型全应力－应变曲线§1.4

岩石的力学性质1.4.2

岩石的变形性质1.4.2.2单轴压缩条件下岩石变形特征由全应力－应变曲线可将岩石的变形分为下列四个阶段：（1）孔隙裂隙压密阶段(OA段)：即试件中原有张开性结构面或微裂隙逐渐闭合，岩石被压密，形成早期的非线性变形，曲线呈上凹型。（2）弹性变形至微弹性裂隙稳定发展阶段(AC段)：该阶段的应力一应变曲线成近似直线型。其中，AB段为弹性变形阶段，BC段为微破裂稳定发展阶段。§1.4

岩石的力学性质1.4.2

岩石的变形性质1.4.2.2单轴压缩条件下岩石变形特征由全应力－应变曲线可将岩石的变形分为下列四个阶段：（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应力(屈服极限)，其值约为峰值强度的三分之二。（4）破裂后阶段(D点以后段)：岩块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。到本阶段，裂隙快速发展，交叉且相互联合形成宏观断裂面。此后，岩块变形主要表现为沿宏观断裂面的块体滑移，试件承载力随变形增大迅速下降，但并不降到零，说明破裂的岩石仍有一定的承载力。§1.4

岩石的力学性质1.4.2

岩石的变形性质1.4.2.2单轴压缩条件下岩石变形特征岩石的应力—应变曲线随着岩石性质不同有各种不同的类型。米勒（Müller）采用28种岩石进行大量的单轴试验后，据峰值前应力－应变曲线将岩石分成六种类型，如图所示。§1.4

岩石的力学性质1.4.2

岩石的变形性质1.4.2.2单轴压缩条件下岩石变形特征类型Ⅰ

应力与应变关系是一直线或者近似直线，直到试件发生突然破坏为止。由于塑性阶段不明显，这些岩石被称为弹性岩石。例如：玄武岩、石英岩、白云岩以及极坚固的石灰岩。类型Ⅱ

应力较低时，应力—应变曲线近似于直线，当应力增加到一定数值后，应力—应变曲线向下弯曲，随着应力逐渐增加而曲线斜率也就越变越小，直至破坏。由于这些岩石低应力时表现出弹性，高应力时表现出塑性，所以被称为弹－塑性岩石。例如：较弱的石灰岩、泥岩以及凝灰岩等。§1.4

岩石的力学性质1.4.2

岩石的变形性质1.4.2.2单轴压缩条件下岩石变形特征类型Ⅲ

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—应变曲线逐渐变为直线，直至发生破坏。由于这些岩石低应力时表现出塑性，高应力时表现出弹性，所以被称为塑－弹性岩石。例如：砂岩、花岗岩以及某些辉绿岩等。类型Ⅳ

应力较低时，应力－应变曲线向上弯曲，当压力增加到一定值后，变形曲线成为直线，最后，曲线向下弯曲，曲线似S型。由于这些岩石低应力时表现出塑性，高应力时表现出弹性，破坏前又表现出塑性，所以被称为塑－弹－塑性岩石。例如：大多数为变质岩（大理岩、片麻岩等）。§1.4

岩石的力学性质1.4.2

岩石的变形性质1.4.2.2单轴压缩条件下岩石变形特征类型Ⅴ

基本上与类型Ⅳ相同，也呈S型，不过曲线斜率较平缓。一般发生在压缩性较高的岩石中。应力垂直于片理的片岩具有这种性质。类型Ⅵ

应力—应变曲线开始先有很小一段直线部分，然后有非弹性的曲线部分，并继续不断地蠕变。这类材料被称为弹－粘性岩石。例如：岩盐、某些软弱岩石。§1.4

岩石的力学性质1.4.2

岩石的变形性质1.4.2.3反复加载与却载(循环荷载)条件下的岩石变形特征①等荷载循环加载：如果多次反复加载与卸载，且每次施加的最大荷载与第一次施加的最大荷载一样。②塑性滞回环：则每次加、卸载曲线都形成一个塑性滞回环。这些塑性滞回环随着加、卸载的次数增加而愈来愈狭窄，并且彼此愈来愈近，岩石愈来愈接近弹性变形，一直到某次循环没有塑性变形为止，如图中的HH‘环。§1.4

岩石的力学性质1.4.2

岩石的变形性质1.4.2.3反复加载与却载(循环荷载)条件下的岩石变形特征③临界应力：当循环应力峰值小于某一数值时，循环次数即使很多，也不会导致试件破坏；而超过这一数值岩石将在某次循环中发生破坏（疲劳破坏），这一数值称为临界应力。此时，给定的应力称为疲劳强度。④变形记忆：每次卸载后再加载，在荷载超过上一次循环的最大荷载以后，变形曲线仍沿着原来的单调加曲线上升(图1-30中的OC线)，好像不曾受到反复加载的影响似的，这种现象称为岩石的变形记忆。§1.4

岩石的力学性质1.4.2

岩石的变形性质1.4.2.4三轴压缩条件下的岩石变形特征不同围压下大理岩的应力－应变曲线§1.4

岩石的力学性质1.4.2

岩石的变形性质1.4.2.4三轴压缩条件下的岩石变形特征不同围压下花岗岩的应力－应变曲线§1.4

岩石的力学性质1.4.2

岩石的变形性质1.4.2.4三轴压缩条件下的岩石变形特征围压对岩石变形的影响得出如下结论：

①随着围压的增大，岩石的抗压强度显著增加；

②随着围压的增大，岩石的变形显著增大；

③随着围压的增大，岩石的弹性极限显著增大；

④随着围压的增大，岩石的应力－应变曲线形态发生明显改变，岩石的性质发生了变化：由弹脆性→弹塑性→应变硬化。通常把岩石由脆性转化为塑性的临界围压称为转化压力。§1.4

岩石的力学性质1.4.2

岩石的变形性质1.4.2.5岩石变形指标及其确定1、弹性模量线性弹性材料直线的斜率，也即应力与应变的比率被称为岩石的弹性模量，记为E。其应力－应变关系为下列直线方程：§1.4

岩石的力学性质1.4.2

岩石的变形性质1.4.2.5岩石变形指标及其确定1、弹性模量完全弹性材料如果岩石的应力－应变关系不是直线，而是曲线，但应力与应变之间有着惟一的关系，即则这种材料称为完全弹性的。§1.4

岩石的力学性质1.4.2

岩石的变形性质1.4.2.5岩石变形指标及其确定1、弹性模量完全弹性材料对于曲线上任一点的值，都有一个切线模量和割线模量§1.4

岩石的力学性质1.4.2

岩石的变形性质1.4.2.5岩石变形指标及其确定1、弹性模量加、卸载形成滞回环的弹性材料如果卸载曲线不走加载曲线OP的路线，如图中虚线所示，这时产生了所谓滞回效应，则这种材料称为弹性的。卸载曲线P点的切线PQ′的斜率就是相应于该应力的卸载切线模量，它与加载切线模量不同。而加卸载的割线模量相同。§1.4

岩石的力学性质1.4.2

岩石的变形性质1.4.2.5岩石变形指标及其确定1、弹性模量弹塑性材料如果不仅卸载曲线不走加载曲线的路线，而且应变也不恢复到零(原点)，见图中的N点，则这种材料称为弹塑性的。能够恢复的变形叫弹性变形，而不可恢复的变形，称为塑性变形或残余变形或永久变形。加载曲线与卸载曲线所组成的环，叫做塑性滞回环。§1.4

岩石的力学性质1.4.2

岩石的变形性质1.4.2.5岩石变形指标及其确定1、弹性模量弹塑性材料弹性模量就是加载曲线直线段的斜率，而加载曲线直线段大致与卸载曲线的割线相平行，因此，一般可将卸载曲线的割线斜率作为弹性模量，即：而岩石的变形模量为：§1.4

岩石的力学性质1.4.2

岩石的变形性质1.4.2.5岩石变形指标及其确定2、泊松比岩石的横向应变与纵向应变的比值称为泊松比，即在岩石的弹性工作范围内，泊松比一般为常数，但超越弹性范围以后，泊松比将随应力的增大而增大，直到0.5为止。常见岩石的泊松比在0.1~0.4之间。§1.4

岩石的力学性质1.4.2

岩石的变形性质1.4.2.5岩石变形指标及其确定2、泊松比除变形模量和泊松比两个最基本的参数外，还有一些从不同角度反映岩石变形性质的参数。如剪切模量、拉梅常数及体积模量等。§1.4

岩石的力学性质1.4.2

岩石的变形性质1.4.2.6岩石的扩容岩石在弹性范围内试件的体积变形符合以下关系：（为应力第一不变量，也称体积应力）§1.4

岩石的力学性质1.4.2

岩石的变形性质1.4.2.6岩石的扩容岩石的体积变形实验表明，对于弹性模量和泊松比为常数的岩石，其体积应变曲线可以分为三个阶段：（1）体积变形阶段；（2）体积不变阶段；（3）扩容阶段。§1.4

岩石的力学性质1.4.2

岩石的变形性质1.4.2.7岩石的各向异性岩石的全部或部分物理、力学性质随方向不同而表现出差异的现象称为岩石的各向异性。用矩阵式可写成§1.4

岩石的力学性质1.4.2

岩石的变形性质1.4.2.7岩石的各向异性1.极端各向异性体的应力－应变关系在物体内的任一点沿任何两个不同方向的弹性性质都互不相同，这样的物体称为极端各向异性体。§1.4

岩石的力学性质1.4.2

岩石的变形性质1.4.2.7岩石的各向异性2.正交各向异性体的应力－应变关系如果在弹性体中存在着三个互相正交的弹性对称面，在各个面两边的对称方向上，弹性相同，但在这个弹性主向上弹性并不相同，这种物体称为正交各向异性体。§1.4

岩石的力学性质1.4.2

岩石的变形性质1.4.2.7岩石的各向异性3.横观各向同性体的应力－应变关系横观各向同性体是各向异性体的特殊情况，在岩石某一平面内的各方向弹性性质相同，这个面称为各向同性面，而垂直此面方向的力学性质是不同的，具有这种性质的物体称为横观各向同性体。4.各向同性体若物体内的任一点沿任何方向的弹性都相同，则这样的物体称为各向同性体。§1.5

影响岩石力学性质的主要因素1.5.1

水对岩石力学性质的影响岩石中的水通常以两种方式赋存，一种称之为结合水或称束缚水，一种为重力水或称为自由水，它们对岩石力学性质的影响，主要体现在以下5个方面，即，连结作用、润滑作用、水楔作用、孔隙压力作用、溶蚀及潜蚀作用等。岩石试件的湿度，即含水量大小也显著影响岩石的抗压强度指标值，含水量越大，强度指标值越低。§1.5

影响岩石力学性质的主要因素1.5.2

温度对岩石力学性质的影响温度对高压下岩石变形的影响(据格雷格斯Griggs)一般来说，随着温度的增高，岩石的延性加大，屈服点降低，强度降低。§1.5

影响岩石力学性质的主要因素1.5.3

加载速度对岩石力学性质的影响加载速率愈大，弹性模量愈大；加荷速率愈小，弹性模量愈小。加载速率越大，获得的强度指标值越高。国际岩石力学学会（ISRM）建议：加载速率为0.5~1MPa/秒，一般从开始试验直至试件破坏的时间为5~10分钟。1.5.4

围压对岩石力学性质的影响岩石的脆性和塑性并非岩石固有的性质，它与其受力状态有关，随着受力状态的改变，其脆性和塑性是可以相互转化的。在三轴压缩条件下，岩石的变形、强度和弹性极限都有显著增大。§1.5

影响岩石力学性质的主要因素1.5.5

风化对岩石力学性质的影响风化作用降低岩体的物理力学性质：①降低岩体结构面的粗糙程度，产生新的裂隙，破坏岩体的完整性。岩石结构连结被削弱，坚硬岩石变为半坚硬岩石、疏松土。②在化学风化过程中，矿物成分发生变化，原生矿物经受水解、水化、氧化等作用，逐渐为次生矿物，特别是产生粘土矿物（如蒙脱石、高岭石等）。并随着风化程度的加深，这类矿物逐渐增加。③成分结构和构造的变化，导致抗水性降低、亲水性增高（如膨胀性、崩解性、软化性增强）；力学强度降低，压缩性加大。§1.5

影响岩石力学性质的主要因素1.5.5

风化对岩石力学性质的影响风化对岩石力学性质的影响可以通过岩石风化程度的评价来进行，岩石的风化程度可以通过室内岩石物理力学性质指标评定的方法，也可以用声波及超声波的方法。

1964年以来，水电部成都勘察设计研究院科研所提出用岩石风化程度系数来评定岩石的风化程度。式中：（孔隙率系数）（强度系数）（吸水率系数）§1.5

影响岩石力学性质的主要因素1.5.5

风化对岩石力学性质的影响剧风化强风化弱风化微风化新鲜岩石利用分级如下：第二章

岩体的力学性质

结构体

图1岩体素描图结构面不连续面包括:

节理、裂隙、孔隙、断面、孔洞、层面.基本概念

图2自然界中的岩体岩体:通常指地质体中与工程建设有关的那一部分岩石，它处于一定的地质环境、被各种结构面所分割。岩体具有一定的结构特征，它由岩体中含有的不同类型的结构面及其在空间的分布和组合状况所确定。结构面:是指岩体中具有一定方向、力学强度相对较低、两向延伸（或具有一定厚度）的地质界面（或带）。如岩层层面、软弱夹层、各种成因的断裂、裂隙等。由于这种界面中断了岩体的连续性，故又称不连续面。结构体：结构面在空间的分布和组合可将岩体切割成形状、大小不同的块体，称结构体。基本概念基本概念岩体结构单元结构体软弱结构面（夹泥的，夹层）结构面坚硬结构面（干净的）板状结构体（长厚比大于15的）块状结构体（短轴的）结构体和结构面称为岩体结构单元或岩体结构要素。不同类型的岩体结构单元在岩体内的组合、排列形式称为岩体结构。四种结构单元在岩体内组合、排列形式不同，构成不同的岩体结构。结构面的主要类型及特征

结构面的成因分类：原生结构面、构造结构面及浅表生结构面。沉积结构面：层理，层面，软弱夹层，不整合面，假整合面，古冲刷面等。原生结构面火成结构面：侵入体与围岩接触面，岩脉、岩墙接触面，喷出岩的流线、流面，冷凝节理变质结构面：片理，片麻理，板劈理，片岩软弱夹层。节理（X型节理，张节理）。构造结构面断层（正断层，逆断层，走滑断层）。层间破碎夹层，羽状裂隙，破劈理。卸荷裂隙卸荷断裂爆破裂隙次生结构面爆破裂隙风化裂隙泥化夹层风化夹层结构面分级及其特性级序分级依据地质类型力学属性对岩体稳定性的作用Ⅰ级延伸数十公里，深度可切穿一个构造层，破碎带宽度在数米至数十米以上主要指区域性深大断裂或大断裂属于软弱结构面，构成独立的力学介质单元影响区域稳定性，山体稳定性。如直接通过工程区，是岩体变形或破坏的控制条件，形成岩体力学作用边界Ⅱ级延伸数百米至数公里，破碎带宽度比较窄，几厘米至数米主要包括不整合面、假整合面、原生软弱夹层、层间错动带、断层侵入接触带、风化夹层等属于软弱结构面，形成块裂边界控制山体稳定性，与Ⅰ级结构面可形成大规模的块体破坏，即控制岩体变形和破坏方式Ⅲ级延展十米或数十米，无破碎带，面内不含泥，有的具泥膜，仅在一个地质时代的地层中分布，有时仅仅在某一种岩性中分布各种类型的断层、原生软弱夹层、层间错动带等多数属于坚硬结构面，少数属软弱结构面控制岩体的稳定性，与Ⅰ、Ⅱ级结构面组合可形成不同规模的块体破坏。划分Ⅱ类岩体结构的重要依据。Ⅳ级延展数米，未错动，不夹泥，的呈弱结合状态，统计结构面节理、劈理、片理、层理、卸荷裂隙、风化裂隙等坚硬结构面划分Ⅱ类岩体结构的基本依据，是岩体力学性质结构效应的基础。破坏岩体的完整性，与其他结构面结合形成不同类型的边坡破坏方式Ⅴ级连续性差，刚性接触的细小或隐微裂面，统计结构面微小节理，隐微裂隙和线理等硬性结构面分布随机，降低岩块强度，是岩块力学性质效应基础。若十分密集，又因风化，可形成松散介质结构面状态（a）非贯通（b）半贯通（c）贯通图3岩体内结构面贯通类型结构面切割岩体破碎程度分类（一）裂隙度K

设勘测线长度为，在上出现的节理的个数为n，

则

节理之间的平均间距为1.单组节理10m实例：k=4/10=0.4/md=1/k=2.5md>180cm整体结构

d=30~180块状结构

d<30破裂结构

d<6.5极破裂结构

K=0~1/m疏节理

K=1~10/m密节理

K=10~100/m很密节理

K=100~1000/m糜棱节理

按间距分类按裂隙度分类

结构面切割岩体破碎程度分类2.多组节理

结构面切割岩体破碎程度分类图4两组节理的裂隙计算图结构面切割岩体破碎程度分类（二）切割度Ｘe

节理并非在岩体内全部贯通，用“切割度”来描述节理贯通度。当岩体中仅含一个节理时，沿节理面在岩体中取一贯通整体的假想平直断面，总截面积为A，其中被节理面切割的面积为a；则切割度为:

多处不连续切割叠加：式中：

——岩体内由一个节理组所产生的实际切割度，单位为m-1切割度与裂隙度的关系结构面切割岩体破碎程度分类名称

完整的0.1~0.2

弱节理化0.2~0.4

中等节理化0.4~0.6

强节理化0.6~0.8

完全节理化0.8~1.0结构面连续性对形成岩体的影响图5结构面连续性对形成岩体的影响自然界中岩体多半如图5所示。有的切割成分离的块体（如A），有的并未切割成分离的块体（如B）。在剖面上呈贯通性切割，在层面上呈不连续切割。而且结构面连续性越大，切割性越高；结构面连续性越低，切割贯通越低。ABlllmmpgppr（a）（b）（c）（d）（e）（f）（g）（h）（i）（j）图6结构体典型形状（a）、（b）、（c）为柱状结构体（d）、（e）为短柱状或板状结构体（f）（g）（h）为楔形或锥状结构体（j）为板状结构体结构体典型形状各类岩体结构的地质特征（a）（b）（c）（d）（e）图7岩体结构类型（a）完整结构岩体（b）块裂结构岩体（c）板裂结构岩体（d）碎裂结构岩体（e）散体结构岩体岩体结构特征

现场岩体照片即墨市国家地质公园岩体结构分类依据第一依据：结构面类型软弱结构面——Ⅰ级岩体结构坚硬结构面——Ⅱ级岩体结构第二依据：结构面切割程度及结构体类型Ⅰ级岩体结构Ⅱ级岩体结构过渡岩体结构：块状结构体——块裂结构板状结构体——板裂结构结构面贯通切割——碎裂结构结构面断续切割——断续结构无显结构面切割——完整结构软硬结构面混杂、结构面无序状排列岩体结构类型分类表级序结构类型划分依据亚类划分依据ⅠⅠ块裂结构多组软弱结构面切割，块状结构体块状块裂结构原生岩体结构呈块状层状块裂结构原生岩体结构呈层状Ⅰ板裂结构一组软弱结构面切割，板状结构体块状板裂结构原生岩体结构呈块状层状板裂结构原生岩体结构呈层状ⅡⅡ完整结构无显结构面切割块状完整结构原生岩体结构呈块状板状完整结构原生岩体结构呈层状Ⅱ断续结构显结构面断续切割块状断续结构原生岩体结构呈块状层状断续结构原生岩体结构呈层状Ⅱ碎裂结构坚硬结构面贯通切割，结构体为块状块状碎裂结构原生岩体结构呈块状层状碎裂结构原生岩体结构呈层状过渡型散体结构软、硬结构面混杂结构面无序分布碎屑状散体结构结构体为角砾，原生岩体结构特征已消失糜棱化散体结构结构体为糜棱质，原生岩体结构特征已消失１２１２３岩体结构的相对性岩体结构是相对的，只有在确定的地质条件和工程尺寸下，工程岩体结构才是唯一的。工程岩体结构不同，岩体的力学机制和工程的稳定性分析方法是不一样的。岩体结构的相对性图8岩体结构与峒室工程尺寸之间的关系（1）为完整结构；（2）为板裂结构；（3）为块裂结构岩体；（4）为断续结构；（5）为碎裂结构1234512345结构面的力学性质

测定结构面的抗剪强度参数结构面的法向变形齿状接触，开始是齿顶的压缩→压碎→闭合。下面介绍Goodman方法：（1）基本假设①张开节理无抗拉强度②结构面在压应力下存在极限闭合量称为原位应力；是最大闭合量；s，t是与结构面几何特征、岩石力学性质有关的两个参数。（２）法向应力与结构面闭合量间的关系结构面的法向刚度结构面法向变形刚度，反映结构面产生单位法向变形的法向应力梯度。根据Goodman(1974)的研究，法向变形刚度可由下式表达：是结构面的初始刚度数。啮合结构面非啮合结构面图9结构面法向变形曲线结构面的剪切变形在一定法向应力作用下，结构面在剪切作用下产生切向变形，通常有两种基本形式（图10所示）：

A：当达到应力峰值后，结构面抗剪能力出现较大的下降，并产生不规则的峰后变形或滞滑现象。

B：随着剪切变形的持续发展，剪切应力逐渐升高但没有明显的峰值出现，最终达到恒定值。图10结构面剪切变形曲线结构面的剪切刚度通常将“弹性区”单位变形内的应力梯度称为剪切刚度：根据Goodman(1974)的研究，剪切刚度可以由下式表示：结构面的抗剪强度大量试验结果表明，结构面抗剪强度一般可以用库仑准则表述:式中：,分别是结构面上的粘结力和摩擦角,是作用在结构面上的法向应力。剪胀剪断凸台完全接触图11凸台模型的剪力与法向力的关系曲线

Barton和Choubey（1977)考虑法向力、粗糙度JRC、结构面强度JCS三个基本因素的影响，提出结构面的抗剪强度公式为:

Barton和Choubey（1976)给出的10种典型剖面，JRC值根据结构面的粗糙性在0~20间变化，如图11。123456789100~22~44~66~88~1010~1212~1414~1616~1818~201050cm

典型JRC

剖面对于具体的结构面，可以对照JRC典型剖面目测确定JRC值。岩体的变形特性

岩体的单轴和三轴压缩变形特征图13现场岩体循环压缩应力—应变全过程曲线岩体在加载过程中，由于岩体内部结构调整、结构面压密下闭合，应力—应变曲线呈如图13的上凹型；中途卸载回弹变形有滞后现象，并出现不可恢复的残余变形。岩体的单轴和三轴压缩变形特征岩体在循环荷载作用下，而卸载时荷载又不降至零时，相应的变形过程将出现闭环形式。随着外荷载加大或循环次数的增多，闭环曲线逐渐向后移动。应力—应变全过程曲线如图14。图14现场岩体变形模量测量过程曲线图中：b段为岩体的弹性变形量；

a段为岩体的残余变形量。岩体剪切变形特征下图展示了岩体剪切变形的特征。在屈服点以下，变形曲线与抗压变形相似。屈服点之后，岩体内某个结构体或结构面可能首先剪坏，随之出现一次应力降，峰值前可能出现多次应力降，应力下降程度与被剪坏的结构体或结构面有关。图15岩体原位抗剪试验曲线剪应力剪应变岩体各向异性变形特征构成岩体变形的各向异性的两个基本要素：①物质成分和物质结构的方向性；②节理、结构面和层面的方向性。节理岩体各方向力学性质的差异均由引产生。下图说明岩体内节理方向对岩体强度和变形模量的影响。图16岩体结构面方位对岩体强度(a）和变形模量（b）的影响百分率百分率10075502502550751000°15°30°45°60°75°90°百分率百分率10075502502550751000°15°30°45°90°75°岩体各向异性变形特征1977年在Karsruhe大学对节理岩体的模型进行了真三轴大力试验．岩体有三组贯通节理，即ＫＫ１，ＫＫ２，ＫＫ３．如下图所示．0°15°60°30°45°75°图17岩体各向异性试验变形破坏特点岩体各向异性变形特征从试验结果的轴向应力—应变关系曲线可能看到以下特点：①当结构面KK1与方向成15°和75°角时，岩体出现脆性破坏；②当结构面KK1与方向成60°、45°和30°角时，岩体出现暂短的弹性，随着应力增大，变形模量降低，出现延性破坏；③围压升高，变形模量增大；④破坏形式因β角的不同，表现形式也不同；⑤在最不利方位（主要结构面平行中间应应力），中间主应力对强度影响不大；但在其他方位的影响是很明显的。岩体的强度特性

测定岩石的单轴抗压强度测定岩石的剪切强度岩体强度是指岩体抵抗外力破坏的能力。它有抗压强度、抗拉强度和抗剪强度之分。岩体的强度一方面受岩石材料性质的影响，另一方面受结构面特征和赋存条件的控制。岩体单轴抗压强度的测定根据试体破坏时千斤顶施加的最大荷载及试体受载截面积,计算岩体的单轴抗压强度.方木工字钢千斤顶工字钢方木水泥砂浆图18岩体单轴抗压强度测定岩体抗剪强度的测定15°式中，P，T分别为垂直及横向千斤顶施加的荷载；

F为试体受剪截面积。图19岩体抗剪试验岩体三轴压缩强度试验现场岩体三轴试验装置如下图所示。1234567108图20原位岩体三轴试验1、混凝土顶座2、垫板3、顶柱3、垫板5、球面垫6、垫板7、压力枕8、试件9、液压表（千斤顶）10、液压枕结构面的强度效应为从理论上用分析法研究裂隙岩体的压缩强度，耶格（Jaeger）提出单结构面理论，可作为研究的起点。如下图所示岩体中发育一组结构面AB．图21单结构面理论分析图当作用在岩体上的应力值满足本方程时，结构面的上应力处于极限平衡状态。AB当β取值满足下式时，取得极小值。此时，取得极小值：式中：此时的莫尔圆与结构面的强度包络线相切，如图13所示。当β取值满足下式：此时，试件不会沿节理面破坏。但如应力莫尔圆和岩石强度包络线相切，试件将沿的一个岩岩石截面破坏，如下图所示。若应力莫尔圆落在岩石强度包络线之下，那么此时试件将不发生破坏。0图22单结构面岩体强度分析下图给出了当为定值时，岩体的承载强度与β的关系。图23结构面力学效应（=常数时，与β的关系）1、完整岩石破裂2、沿结构面滑动多组结构面岩体强度如果岩体中含有二组或二组以上结构面，岩体强度的确定方法是分步运用单结构面理论，分别绘出每一组结构面单独存在时的强度包络线和应力莫尔圆。岩体到底沿哪组结构面破坏，由与各组结构面的夹角所决定。下图所示为含有三组结构面的岩体试件。图24多组结构面岩体强度分析第一组结构面与的夹角满足:岩体沿第一组结构面破坏；岩体不沿第一组结构面破坏；第二组结构面与的夹角满足:岩体沿第二组结构面破坏；岩体不沿第二组结构面破坏；第三组结构面与的夹角满足:岩体沿第三组结构面破坏；岩体不沿第三组结构面破坏；如果岩体不沿三组结构面破坏，而莫尔圆已和岩石的强度包络线相切，则沿岩石截面破坏。否则，此时岩体将不发年破坏。岩体强度的估算由于做岩体的原位试验即费力、费时又费钱。所以对岩体强度作出合理估算是岩体力学研究中的重要课题。下面介绍两种方法：（1）准岩体强度式中，K为岩体完整性（龟裂）系数；为岩体中弹性波纵波传播速度；为岩体块中弹性波纵波传播速度。准岩体强度抗压强度：准岩体强度抗拉强度：式中，

为岩石试件的抗压强度；为岩石试件的抗拉强度。（2）Hoek-Brown经验方程岩体抗压强度：岩体抗拉强度：Hoek和Brown根据岩体性质的理论与实践经验，用试验法导出了岩块和岩体破坏是主应力之间的关系为：式中，

为破坏时的最大主应力；为作用在岩石试样的最小主应力；为岩块的单轴抗压强度；m，s为下岩性及结构面情况有关的常数，可查表求得．分别令，可得：岩体抗拉强度公式的剪应力表达式为：式中，

为岩体的剪切强度；为岩体法向应力；Ａ，Ｂ为常数，可查表求得；可查表求得．岩体的水力学性质

岩体的渗流特点岩体的水力学性质是指岩体的渗透特性及在渗流作用下所表现出的力学性质.其渗流特点:①岩体渗透性大小取决于岩体中结构面的性质及岩块的岩性；②渗流以裂隙导水,微裂隙和岩石孔隙储水为其特色；③岩体裂隙网络渗流具有定向性；④岩体一般看作非连续介质；⑤岩体的渗流具有高度的非均质性和各向异性;⑥一般岩体中的渗流符合达西定律;⑦岩体渗流受应力场影响明显;⑧复杂裂隙系统中的渗流,在裂隙交叉处,具有“偏流效应”。岩体空隙的结构类型岩体的空隙是地下水赋存场所和运移的通道，其分布形状、大小、连通性以及空隙的类型等影响着岩体的力学性质的渗流特性:按岩体空隙形成的机理划分：原生空隙结构次生空隙结构按岩体空隙表现形式划分：准孔隙结构裂隙网络结构孔隙-裂隙双重结构孔洞-裂隙双重结构溶隙-管道（或暗河）双重结构按结构面的连续性划分：连续介质非连续介质等效连续介质岩体的渗流问题岩体的渗透性，是指岩体允许透过流体（气体和液体）的能力。其定量指标可用渗透率、渗透系数、渗透率张量和渗透系数张量描述。岩体的渗透率是表征岩体介质特征的函数，表示岩体介质传导流体的能力。（1）均质各向同性多孔介质，其渗透率为：式中，为岩体在应力为σ时的渗透率；α为待定系数；σ为岩体的应力；ｄ为岩体颗粒的有效粒径ｄ10；ｃ为比例常数。（2）单裂隙介质，其渗透率为：式中，为岩体在应力为σ时的渗透率；λ是与岩体裂隙粗糙度有关的参数；b为初始应力状态单裂隙隙度。（3）对裂隙系统而言，岩体的等效渗透率为：式中，为岩体中裂隙的平均间距；为岩体的等效法向应力。岩体的渗透系数，是岩体介质特征和流体特性的函数。它描述了岩体介质和流体的一种平均性质。对于岩体裂隙介质，其渗透系数可表示为：式中，为岩体在应力为σ时渗透系数。岩体的渗透系数，是岩体介质特征和流体特性的函数。它描述了岩体介质和流体的一种平均性质。对于岩体裂隙介质，其渗透系数可表示为：式中，为岩体在应力为σ时渗透系数。地下水渗流对岩体力学性质的影响(1)地下水对岩体的物理作用:①润滑作用；②软化和泥化作用；③结合水的强化作用.④水解作用；⑤氧化还原作用.(2)地下水对岩体的化学作用:①离子交换；②溶解作用和溶蚀作用；③水化作用.(3)地下水对岩体产生的力学作用:①垂直于裂隙壁的空隙水压力(面力),该力使裂隙产生垂向变形；③平行于裂隙壁的空隙动水压力(面力),该力使裂隙产生切向变形.岩体质量评价及其性质

按岩体质量指标(RQD)分类按岩石质量指标分类是笛尔(Deer)于1964年提出的.它是根据钻探时的岩芯完好程度来判断岩体的质量,对岩体进行分类.分类很差差一般好很好RQD(%)<2525~5050~7575~90>90按岩石质量指标分类表按岩体结构类型分类中国科学院地质研究所谷德振教授等根据岩体结构划分岩体类型.中国科学院地质研究所岩体分类表岩体结构类型岩体完整性主要结构面及其抗剪特性岩块湿抗压强度/10Pa类亚类结构面间距/cm完整性系数I级别类型主要结构面摩擦系数f代号名称代号名称Ⅰ整体块状结构Ⅰ整体结构>100>0.75存在Ⅳ、Ⅴ级刚性结构面>0.60>600Ⅰ块状结构100~500.75~0.35以Ⅳ、Ⅴ级为主刚性结构面局部为破碎结构面0.4~0.6>300,一般大于600Ⅱ层状结构Ⅱ层状结构50~300.6~0.3以Ⅲ、Ⅳ级为主刚性结构面、柔性结构面0.3~0.5>300Ⅱ薄层状结构<30<0.40以Ⅲ、Ⅳ级显著柔软结构面0.30~0.40300~100Ⅲ碎裂结构Ⅲ镶嵌结构<50<0.36Ⅳ、Ⅴ级密集刚性结构面破碎结构面0.40~0.60>600Ⅲ层状碎裂结构<50(骨架岩层中较大)<0.40Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级均发育泥化结构面0.20~0.40<300,骨架岩层在300上下Ⅲ碎裂结构<50<0.30破碎结构面0.16~0.40<300Ⅳ散体结构<0.20节理密集呈无序状分布，表现为泥包块或块夹泥<0.20无实际意义岩体质量分级岩体质量表基本质量级别岩体质量的定性特征岩体基本质量指标（BQ）Ⅰ坚硬岩，岩体完整>550Ⅱ坚硬岩，岩体较完整；较坚硬岩，岩体完整550~451Ⅲ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450~351Ⅳ坚硬岩，岩体破碎；较坚硬岩，岩体较破碎或破碎；较软岩或较硬岩互层，且以软岩为主，岩体较完整或较破碎；350~251Ⅴ较软岩，岩体破碎；软岩，岩体较破碎或破碎；全部极软岩及全部极破碎岩<250岩体稳定性分级各级岩体物理力学参数和围岩自稳能力表级别密度ρ（g/cm3)抗剪强度变形模量泊松比围岩自稳能力Ф/°C/MPaⅠ>2.65>60>2.1>330.2跨度≤20m，可长期稳定，偶有掉块，无塌方Ⅱ>2.6560~502.1~1.533~200.2~0.25跨度10~20m，可基本稳定，局部可掉块或小塌方；跨度<10m，可长期稳定，偶有掉块Ⅲ2.65~2.4550~391.5~0.720~60.25~0.3跨度10~20m，可稳定数日至1个月，可发生小至中塌方；跨度5~10m，可稳定数月，可发生局部块体移动及小至中塌方；跨度<5m，可基本稳定Ⅳ2.45~2.253