【岩土结构基础岩石力学和岩体工程】第1讲岩石的性质和岩体分级

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设计岩土结构基础犁海班第1讲

：

岩石的性质和岩体分级主讲：任老师网络授课

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及时答疑专有题库15.1

岩石的基本物理、力学性能及其试验方法岩石的物理力学性能等指标及其试验方法

岩石的强度特性、变形特性、强度理论15.2

工程岩体分级工程岩体分级的目的和原则国标工程岩体分级标准（GB50218）简介15.3

岩体的初始应力状态初始应力的基本概念；量测方法简介；主要分布规律十五、

岩体力学（2题）21.密度：单位体积（含孔隙体积）岩石的质量，kgm-3

。按含水状态不同分为天然密度、干密度和饱和密度。

（容重）天然密度：在天然状态下岩石单位体积（一立方米）的质量，

表示为：Y=G

/V

γ—岩石的天然容重，kg/m3

；

G—岩石总质量；V—总体积。

岩石天然密度的大小，不仅与组成岩石的矿物成分和裂隙发

育情况有关外，而且与天然状态下岩石内含水状况有关。一、岩石的基本物理性质3式中

:

γd——岩石的干密度，kg/m3

；Ms——干燥状态下岩石的质量，kg；其它符合同前。

岩石的干容重主要反映了岩石质量的好坏，干容重大的岩

石通常质量好，强度高、抗变形能力强。干密度：岩块中的孔隙水全部蒸发后的单位体积质量

(M

108℃烘24h）4面水后测定的质量。

式中:γsat——岩石的饱和容重，kN/m3；ρw——标准大气压下4℃纯水的密度，即1000kg/m3

；

Vv——岩石中孔隙的体积，m3；Mp——岩石在水饱和状态下的质量，kg；其它符号同前。饱和密度对研究遇水膨胀的松软岩石尤其显得重要。

岩石容重的测量：量积法（标准试件）；水中称重法（非标

试件）；理蜡封法（阿基米德原理）。饱和密度：

岩石在吸水饱和状态下测定的密度。即岩石采

用48小时浸水、煮沸法或真空抽气法达到水饱和，擦去试件表5称相对密度

式中

:

Δ——岩石的比重；γw——1个标准大气压下4℃纯水的容重；Vs

——岩石固体颗粒体积（不含孔隙体积），m3

，其它

符号同前。岩石比重的大小与岩石内的孔隙和孔隙发育程度无关，仅取

决于组成岩石的矿物成分和相对含量。例如石灰岩的颗粒密度

接近于方解石（CaCO3

）的密度。岩石比重测定方法常用比重瓶法。比重：岩石的干重量除以岩石的实体积（不包括岩石中孔隙

体积），所得的量与一个标准大气压下4℃纯水容重的比值，又6式中：γ

、γ

′——胀系数和残余碎胀系数表示。碎胀系数与重度的关系：分别表示某岩石实体和破碎后的重度。2.岩石的碎胀性岩石的碎胀性指岩石破碎后体积增大的性质，常用初始碎V,

1

7

作用下，碎胀系数变小。载荷越大、作用时间越长，碎胀系数越小。破碎岩石压实后体积V″与破碎前体积V之比为岩石的残余碎胀系数。大小取决于岩石性质、载荷大小、载荷作用时间、含水状况等。残余碎胀系数采用全部垮落法的采空区内的冒落岩石，在上方岩石压力V,,

8ne

=1

-

n孔隙比：岩石中孔隙的总体积Vv与固体（颗粒）实体积VS

之比。

岩石的孔隙率或孔隙比是衡量岩石工程质量的重要物理指标

之一。大说明岩石中孔隙裂隙发育，含水透水性好，而强度低

,

变形大。3.岩石的孔隙性孔隙性反映岩石中孔隙发育程度，指标:孔隙率、孔隙比。空隙率：岩石中孔隙体积Vv（孔洞和裂隙之和）

占岩石总

体积V的百分比。

n

=

Vv

×

100%V9式中：wa——岩石的吸水率，%；MW——岩石中所吸入水分的质量，g；M0——岩石一定时间内吸水后的质量，g；Ms——岩石干燥（105℃~110℃烘24h）后的质量，g。吸水率是评价岩石质量的重要指标。因为岩石的吸水率能

有效反映岩石孔隙和裂隙发育的程度，吸水率愈低，岩石质量

愈好。岩石吸水率也是评价岩石抗冻性能的重要指标。一般认

为当wa<0.5%时，该岩石是耐冻的。吸水率（

自然吸水率）：干燥后的岩石（样品）在一个大

气压力和室温条件下，浸入水中一定时间（48h）吸入水分的质量与其干质量百分比。

4.岩石的吸水性10式中

wsa——岩石的强制吸水率，%；Mp——干燥后的岩石在强制（煮沸12h或真空800Pa以下

)

状态下吸入水分后的质量，g；其它符号同前。吸水率和饱水率主要取决于岩石中孔隙裂隙发育程度、开老，吸水率愈小。闭连通程度，其次是岩性和岩龄，与岩石的天然状态无关。孔

隙愈大、愈多，细微裂隙开口连通情况好，岩石吸水多，数值

就愈大，反之就愈小；

岩石类别不同，如花岗岩、砂岩、页岩

,

吸水也各不相同；对于同种岩石，与岩石年代有关，岩石愈岩石的饱和吸水率（简称饱水率）又称强制吸水率，是指

干燥后的岩样在强制状态下吸入水分的质量与其固体矿物质量

的百分比。

11增大9％

，充满水的岩石受冻后其膨胀应力很大。当kω<0.91时

,

在冻结过程中还有未被水充满的小的敞开裂隙，岩石中的水尚有膨胀和挤入小的敞开裂隙的余地，岩石不会冻坏。当k

ω

>0.91时，在冻结过程中形成的冰就会对岩石的裂隙产生很

大的膨胀应力，从而破坏。工程上，考虑其他因素采用饱水系

数为0.8作为判别岩石是否抗冻。一般岩石kw=0.5～0.8。岩石的饱水系数是岩石抗冻性重要指标。水结冰后体积约饱水系数：岩石吸水率（自然）和饱和吸水率之比，反映

两种试验方法的关系。

12

岩石含水率与天然状态、岩石的孔隙裂隙发育程度及其开

口和连通程度有关。含水率：天然状态下岩石中所含水重量与其干重量百分比

。岩石含水率与容重的关系：

13数。如果岩石孔隙中的水在孔隙两端有压力差，会从低压处流

出。由达西定律：式中：

K——岩石的渗透系数，cm/s或m/d；I——水力梯度，υ——渗透速度，cm/s或m/d，A——渗透方向上的截面积，cm2或m2

；

Q——通过的流量，cm3/s或m3/d。渗透系数与孔隙程度、孔隙和微裂隙贯通程度有关。随有

效压力增大而急剧减小。室内用渗透仪测定，野外用压水、抽

水试验。5.岩石的透水性透水性：水在一定压力下通过岩石的性能，指标为渗透系费群283982936

14

l

岩土基础免D

=

KIh应力增大的性能。指标：膨胀应力、膨胀变形。膨胀应力：在实验室采用膨胀应力测定仪，将岩石试样全

部浸没于水中保持原状（径向约束，轴向控制）而体积不变时

,

测定所需要的压力与试件面积的比值。P

——试验时记录的最大轴向膨胀力，N；A

——（正圆柱）试样断面面积，mm2。国际岩石力学学会建议：测定膨胀应力的

试件为圆片，厚度不小于15mm，且大于最大颗

粒直径

δ

的10倍，试件直径大于厚度2.5倍6.岩石的膨胀性膨胀性是指软岩浸水后体积增大或体积不变时相应地引起岩

样

膨胀应力测定仪

P多孔板

、

d

多孔板15h式中：VHP——侧向约束膨胀率；ΔH

——轴向膨胀变形量；H

——干燥试件沿轴向尺寸。国际岩石力学学会：测定的试件为圆片，厚度不小于15mm，且大于最大颗粒直径δ的10倍，试件直径大于厚度4倍。影响岩石的膨胀性因素：

岩石中亲水性矿物的多少和岩石的

胶结程度。含有较多粘土矿物（蒙脱石，高岭石，水云母等）膨胀性强。巷道底鼓原因之一，岩层内含有粘土矿物。侧向约束膨胀率：处于径向约束的岩石试件，浸水膨胀后测

得的轴向变形率VHP=ΔH/H×100%16试验方法：把烘干的岩样（选10块，每块重40～60g）装

入在水中转动的筛子(筛辊直径140mm，宽100mm,筛孔2mm，到

水槽底40mm，水面到轴20mm)里，浸水10min（旋转200圈，约

3s一圈）后烘干(2～6h)，再重复浸水烘干试验后，所剩岩样

（干燥）质量与试验前岩样（干燥）质量百分比。Id2——岩石耐崩解性指数，%；Md2——两个标准循环后剩余干岩样质量，g

;

Md0

——试验前干岩样质量，g。影响岩石的崩解性因素同样为：

岩石中7.岩石的崩解性是指岩石浸水后发生的解体现象。指标：耐崩解性指数。即指岩样在遭受干燥和湿润两个标准循环后，残留140mm亲水性矿物的多少和岩石的胶结程度。固体质量与试验前固体质量百分比。

岩石崩解实验筛100mm40mm20mm17软化系数愈大，岩石愈难以软化。岩石软化系数与岩石中亲水和易溶矿物的含量，孔隙裂隙的发育程度，以及水的化学成分和岩石浸水时间等因素有关。亲水易溶矿物多、裂隙发育、水PH小和浸水时间长，

ηc都会变

小。当

ηc>0.75时，岩石软化性弱，抗冻和抗风化能力强。指标为软化系数ηc

，是某岩石单轴饱和抗压强度Rc.W与其干

燥岩石试件的单轴抗压强度RC

比值。8.岩石的软化性：岩石浸水后强度降低的性能。

18国标：试件的最小尺寸（直径或边长）与岩石内最大颗粒尺寸的比值至少10：1，高径比或高边

比为2.0～2.5的圆柱体或棱柱体，标准试件的直径

或边长为50mm。(1)岩石的单轴抗压强度岩石单轴抗压强度是岩石单向压缩时能承受的

最大压应力。试验方法简单可信度高，是研究岩石二、岩石的强度1.抗压强度：单轴抗压强度、三轴抗压强度。、岩体分类、岩体工程设计最常用指标。

岩石的单

轴压缩zzt

σ(MPa)!

σ19岩石的三轴抗压强度是指岩石试件在三向压应力作用下所能抵抗的最大压应力。式中：R3C——在一定侧压作用下的三轴抗压强度，MPa；PC——试件破坏时的轴向载荷，N；A——试件的初始横截面积，mm2。地下的岩石大多处于三向应力状态，对工程岩石力学，三

轴抗压强度更有意义。岩石的三轴抗压试验有真三轴和假三轴（常三轴）。

(2)岩石的三轴抗压强度20应力，即最大主应力σ

1

，中间主应力σ2，最小主应力σ3

，

σ1

＞

σ2

＞

σ3＞0。试件破坏时获得的最大轴压（单位面积的载荷）即真三轴抗压强度。常规三轴（或常三轴）：三个轴向应力

σ1

＞

σ2=

σ3＞0，圆柱体试件，侧面（外围）施加不变的围压

(

σ2=σ3）上下端面施加不断增大的轴压（最大主

应力

σ1

），

由偏差应力

(

σ1-σ3

）使试

件破坏，并获取最大轴压，即岩石常三

轴抗压强度R3C。真三轴压缩

常三轴压缩

机，棱柱体试件，三个轴向施加不同压真三轴抗压强度测定：真三轴压力21随岩石的地质特征、孔隙率、含水率等有明显差异。

同一岩石在各种抗压强度中单轴抗压强度最小。当

σ2

=

σ3＞0，随围压增大，岩石的抗压强度呈非线性增大。当

σ1

＞

σ2

＞

σ3＞0，随σ3增大岩石抗压强度明显增大，

随σ2提高抗压强度也有所增大。

σ2影响程度随σ3增大而减小。（3）

岩石抗压强度特性22A.

增大

B.

减小

C.保持不变

D.

会发生突变岩石的抗强压度随着围压的增大如何变化?23抗切强度是指剪切面上的正应力等于0时的抗剪强度，又

称纯剪强度。主要取决于岩石

的内聚力C

。该指标反映岩石内颗粒间粘结力，又称粘结力或粘聚力。C=0表明岩石松散。抗剪强度即岩石抵抗剪切破坏的能力，即岩石能承受的最大剪应力。可分为抗切强度、抗剪断强度、摩擦强度等。2.岩石的抗剪强度试件岩石抗切试验原理图24σττC岩石试件上有载荷时，沿已破断面

进行的剪切试验测得的抗剪强度是摩擦

强度。剪切面上内聚力C等于0，仅存

在颗粒间的摩擦力，其剪应力大小为试

件剪切面上的正应力σ与摩擦系数f乘

积。摩擦强度曲线在σ-τ坐标系上为通

过坐标原点的一条斜直线。剪应力与试件上的压应力成正比，

摩擦强度与试件上施加正应力有关。ф是岩石摩擦角，它是岩石抗剪另一参数。τ=

σ

f

=

σ

tan

φ!σφ岩石摩擦试验原理图摩擦强度：25τστ系上为存在截距C的一条斜直线。此时岩石有内聚力和内摩擦力。抗剪强度大小与剪切面上正应力大小有关，正应力愈大，

抗剪强度愈高。抗剪强度：岩石试件的剪切面上施加一定正应力时的抗剪

强度称为抗剪断强度。它是压剪试验中得到的。在

σ-

τ坐标τ=C+

σtgφa岩石抗剪断试验原理图σττ

φ

26σ!C直剪试验、楔形剪切试验和三轴压缩剪切试验。直接剪切试验采用直接剪切仪。由上、下两个刚性匣子

组成，试件放入匣子，固定于地面的上匣子施加法向力，产

生压力，下匣子受水平拉力作用移动，上下匣的错动面就是

岩石的剪切面。加载速率控制在0.5～0.8MPa/s。剪切破坏时剪切面上的正应力和剪应力（即抗剪强度）式中：P—试件上所加载荷，N；T—试件所受的水平拉力，N；A—试件原始剪切面的面积，mm2。P

Tσ

=

τ

=

max

A

A,

max抗剪强度测定方法试

件

直剪试验装置（MPa)为：27P\T试验的优点：简单方便，不需要特殊设备；缺点：试件尺寸较小，不易反映岩石中裂隙、层理等弱面

的影响。摩擦强度测定，一般同抗剪断强度测定一次完成，即当抗

剪断试验的位移达1cm时，剪切载荷稳定后，剪切面上的剪应

力。法向力，得到各块破坏时不同正应力和剪应力（3～5组），然后把各对应点标

注在σ-

τ坐标上用光滑曲线连接，得到

岩石强度曲线，再根据工程应力大小，选择一直线替代该曲线的一段。直线在τ轴上的截距为岩石粘聚力C，与

σ轴的

夹角φ

,

即岩石的内摩擦角。对同一组试件（3～5块）施加不同抗剪参数确定28φστC楔形剪切试验是在所谓楔形（变角）剪切仪上进行的。这

种仪器的主要装置如下图所示，把装有岩石试件的这种装置放

在压力机上进行加压，直至试件沿着剪切面发生剪切破坏。根据力的平衡原理，可由作用于剪切面上的法向力N和切向

力Q解得剪切破坏时剪切面上的正应力和剪应力。A——试件原剪切面面积，mm2；τ——试件剪切面上的剪应力，MPa；σ——试件剪切面上的正应力，MPa；

P——试验机施加的压力，N；α——试件与水平面的夹角，

(

°

)

;f——滚柱板的摩擦系数。τ

=

=

(sin

α

-f

cosα)Pσ

==

(cosα

+f

sin

α)变角剪切试验装置

f

试

件29αPQN。由不同斜面极限应力在σ-τ坐标找到对应点，把全部极限应力状态的点用光滑曲线连

接，得到该岩石的强度曲线，

简化成直线后得到该岩石的内

聚力和内摩擦角。0岩石强度曲线α角度小需要的载荷就大

;

α角过大，装置容易倾倒应

在55

°~65

°。为获得内聚力和内摩擦角,

常采用3～5个试件分别采用

不同倾角α测定。每个角度α

都可获得一剪切面上一对正应

力和剪应力，即极限应力状态变角剪切试验采用的试件多为7×7×7cm3或10×10×10

cm3立方体试件。α....Cσ--φ30τ试件在单向拉伸时能承受的最大拉应力，称为岩石的单轴抗拉强度，习惯称抗拉强度。同单轴抗压强度一样是岩石力学中重要指标。岩石抗拉强

度远小于单轴抗压强度，地下工程的破坏多为拉伸破坏，为此

岩石抗拉强度指标更重要。测定可分为直接测定抗拉强度和间接测定抗拉强度。3.岩石的抗拉强度31岩石的直接拉伸岩石抗拉强度等于作用在试件上的最大拉力除以试件的原始由于试件安装要求高，难度大，成功率低，采用直接法测

定岩石单向抗拉强度很少，多采用间接测定。

（1）岩石抗拉强度的直接测定横截面积。32（2）劈裂法间接测定岩石抗拉强度试验方法（巴西劈裂法）岩石抗拉强度测定我国多采用一

组厚度小于直径一半的圆片（短圆柱

)

试件，在专用劈裂法抗拉夹具进行

试验。劈裂夹具由夹具座、刀承，上

、下刀刃和左右夹持螺钉组成。测定

时把试件放入夹具内，用两侧夹持螺钉调整好试件位置，保证上下刀刃间

连线通过圆柱中心轴，再放在试验机

承压板间，使试件中心线与压力机中

心线重合后加载。试件此时，试件受

力状态为刀劈。刀承

钢丝试验机试承压板试

件夹具座

劈裂试验试验机承压板简易劈裂试验夹持螺钉件33式中:Rti

——第i个试件的单轴抗拉强度，MPa；

Pi——第i个试件破坏时的载荷,N；Di

——第i个试件直径，mm；

ti

——第i个试件的厚度，mm；Rt

——一组试件平均抗拉强度，MPa；n

——每组试件个数。试验的优点是简便易行，只需普通压力机，无需特殊设备

,

工程上广泛应用。试件内应力分布较为复杂，结果只能代表

某种条件下的特征值，不能反映岩石真正抗拉强度。劈裂不是

对试件进行简单的张拉作用，是在三向应力条件下的张性破裂。

岩石抗拉强度

:34设备：

点载荷仪。小型点载荷仪仅由一个手

动液压泵、一个液压千斤顶和

一对圆锥形加压头组成，可以

带到岩土工程现场去做试验。简易、快速、廉价。获得的强度可用做岩石分级的指标，也

可作为单轴抗压和抗拉强度的间接测定。携带式点载荷仪示意图1-框架；2-手摇卧式油泵；3-千斤

顶；4-球面压头（加荷锥）

；5-油

压表；6-游标卡尺；7-试件74.点载荷试验41356235试件多采用高径比为1～1.4的圆柱体的岩芯（或不规则岩

块），在其中部对径的两点施加点载荷（压头顶端圆弧半径P——试件破坏载荷，N；D——加载两点间距离（圆柱试件的

直径），mm。开。点载荷试验获得的强度指标r=5mm，锥体侧面与轴线夹角为30

°

)

至沿纵截面或横截面劈

试件的破坏形态36直径为50mm的圆柱体试件径向点载荷试验的点载荷指标值IS（50）确定为标准试验值，其他尺寸结果应修正。k—修正系数,当D≤55mm时，

k＝0.2717+0.01457D；当D＞55mm时，

k＝0.7540+0.0058D。式中：

IS（50）—岩芯直径50mm试件的点载荷指数，MPa

；

37作用下产生的形状和大小的变化。岩石在外载荷作用下变形，当载荷增加到某一数值，随时

间增长，岩石破坏。防止岩石工程破坏应从控制岩石变形入手

。岩石的变形和稳定是非常重要的问题。卸载后的受力物体产生变形恢复的性质为弹性；把物体受

力达到屈服应力后，产生不可恢复变形的性质为塑性；把物体内应力或应变随着时间增长而变化的性质称为流变性。岩石具有弹性、塑性，很多岩石有流变性。是指岩石在物理因素（主要是外力，其次温度、湿度等）三、岩石的变形性质381.普通力学试验机下的岩石变形米勒根据单轴试验，将岩石应力-应变关系曲线划分为六种

类型。c.塑-弹性（微裂隙发

育的坚硬岩）如：砂岩、花岗岩、片岩

（平行片理加载）e.塑-弹-塑性的（压缩性高岩石)如：垂直片理加载的片岩f.弹塑蠕变性的(极软岩）如：岩盐、蠕变性软岩b.弹塑性（较坚硬岩）如

：凝灰岩、软石灰岩、

泥岩d.塑弹塑性的（坚硬的变质岩）如：大理岩、片麻岩a.弹性(坚硬岩）如

：石英岩、

玄武岩、

白云岩39为准弹性、半弹性和非弹性。①脆性岩石变形曲线脆性岩石：在外力作用下破坏前变形很

小（总变形小于3%），破坏面明显的岩石。脆性岩石应力应变曲线OA段，变形模量小且不是常数，是由于岩石中孔隙受压闭合而造成，接近弹性阶段,

称压密阶段，A点为压密极限；AB段，随着应力增大应变对应增大，变

形模量基本为常数，岩石处于线弹性状态，该阶段称线弹性阶段，B点为弹性极限σe；BC段，变形模量逐渐变小而趋于零，因

为过B点后岩石中微裂隙在不断发生和发展，

塑性变形增大，直至C点发生破坏，该段称破

裂发展阶段，C点为强度极限σC。BA准弹性（如花岗岩）半弹性（如砂岩）法默根据峰前应力应变关系把岩石划分σCσeo脆性岩石的变形曲线非弹性（如页岩）法默岩石分类40σεC5%），而破裂面不明显的岩石，即延性。塑性岩石应力应变曲线，在工程上，常按开始变缓的转折点E分为两段：OE段近似弹性阶段，E称屈服点，对应的应力称屈服极限σT；EF段塑性阶段，处于塑性流动阶段，OEF曲线简化为OEG折线。另外，对于单向应力作用下破坏前轴向总应变在3～5%之间的岩

石称作半脆性岩石或脆—塑性岩石。塑性岩石：外力作用下，岩石在破坏前变形明显（总变形大于②塑性岩石变形曲线塑性岩石应力应变曲线41岩石的变形参数岩石的弹性模量、泊松比等。

42（1）弹性模量，分为切线模量、割线模量、平均模量。①切线模量：

岩石应力应变关系为S型时，该曲线上直线段的

切线斜率。ISRM建议岩石的切线模量应为应力应变曲线在岩石

式中

:

Et—岩石的切线模量；σB-σA—应变曲线直线段任两点的应力差；εB-

εA

—对应于σB-σA的应变差。强度极限的一半处切线的斜率。切线模量的确定43应力应变关系为S曲线时，该曲线原点到某一特殊应力点

连线的斜率。这个特殊应力点应取强度极限的一半处（初裂

点），如图。应力值，MPa；ε50——对应于σ50处的应变值。式中

:

E50——岩石的割线模量，MPa；

σ50——岩石抗压强度50％处的

②割线模量割线模量的确定44O5050③平均模量：

岩石应力应变关系为S型时，该曲线上直线段的

斜率。《工程岩体试验方法标准》

（GB/T50266-2013）。

式中

:

Et——岩石的平均模量；

平均模量的确定σb-σa——应变曲线直线段任两点的应力差；

εb-

εa

——对应于σb-σa的应变差。45

εz

的比值，又称为横向变形系数。

设试件直径为D，径向变形为ΔD；轴

向长为L，轴向变形为

ΔL，则

岩石的泊松比一般为0.15～0.35

。随数值增大，岩石由硬到软。实验提供的泊松比取自应力应变

曲线直线段，强度极限的二分之一处

,

此时泊松比为一常数，如图。σRc≈Rc/2

εdεz

εz岩石的泊松比是指岩石试件在单轴压

缩条件下横向(径向）应变

εd和轴向应变D（2）

岩石的泊松比

μ

岩块变形示意图泊松比计算

σ

σ↓ΔL46εdD+

ΔDL刚性压力机是指试验机的刚度Km

比岩石刚度Kr大。物体的

刚度愈大，在载荷作用下变形愈小。刚度大的压力机的弹性变

形很小，加载超过强度极限后，试验机积聚的能量释放，小于

岩石继续变形需要的能量，保证岩石在抵抗能力降低时继续进

行试验。在刚性压力机上可得应力应变全过程曲线。（1）

岩石的刚度与弹性变形能

刚度K：

K

=

Pu弹性变形能W：

W

=

Pu

=

式中：K——物体的刚度，kN/mm

;p——外力，N;u——在外力作用下的位移。（2）刚性压力机原理2.刚性压力机下的岩石变形岩石刚度和弹性能47Pu力。

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，

σ

-

ε

曲线呈上

凹型。在此阶段试件横向膨胀较小，试件体积随载荷增大而减小。

本阶段变形对裂隙化岩石来说较明显，而对坚硬少裂隙的岩石则不

明显，甚至不显现。

弹性变形阶段（AB段）：该阶段的应力—应变曲线成近似直线。

微裂纹扩展阶段（BD段）：或称破裂发展阶段，

σ

-

ε

曲线呈下

凹型。其中BC段称微裂纹稳定发展阶段，曲线斜率较大，C点为屈

服点，该段以弹性变形为主；CD段称微裂纹不稳定发展阶段（塑性

阶段），D点（初始破坏点）应力为峰值强度。是岩石应力应变全过程曲线的简称，

是指在刚性压力机上获得的应力应变曲线，

即包括峰前区和峰后区两部分，如图。1）峰值前区曲线即岩石的应力应变全

过程曲线中OD段，表现了岩石的应变强

化特性，即要想增加变形，就需增加外CBA（3）全应力应变曲线DE岩石的应力应变全程曲线σO48ε陡，软岩石该段长而平缓。

破坏阶段特点：岩石承载力达到峰值强度后，内部结构破坏，

但岩石基本保持整体状。本阶段内，裂隙交叉且相互联合形成

宏观断裂面，岩石变形主要表现为沿宏观断裂面的块体滑移，

岩石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。

其机理是因为破碎的岩块间有摩擦力的存在，使得岩块在完全

破坏前还具有一定的承载能力。这该曲线段的发现，在岩石工

程上有重要意义。应变软化（

strain

softening）

是指材料进一步变形所需的应力比原来的要小，

即应变

后材料变软的现象。

应变软化过程中，

随着应力的加大，

应变增长的速率加快。2）峰值后区曲线指强度极限点D以后的DE段，称为

破坏阶段，E点是完全破坏点，其应力

值为该岩石的残余强度。该段表现出

岩石应变软化特性。硬岩石该段短且CBADE岩石的应力应变全程曲线σO49ε设岩石试件在高为h

，直径为d，变形后高的增量(压缩量）为Δh

，直径增量（压缩量）Δd。求解变形后的体积应变εV。

岩石的体积应变是指岩石在压缩时，体积的缩小量与原体

积的比值。即：

3.岩石的扩容εv

=

ε1

+

ε2

+

ε350积应变为正，且呈线性增长。②

体积不变阶段：当轴向应力位于弹性极限和屈服极限之间时

,

体积应变不再是线性增长，其增量趋近于0。③

扩容阶段：当轴向应力超过屈服极限，岩石体积开始大幅增

加，增长速率越来越大，最终导致岩石破坏。岩石体积应变的三个阶段①

体积变形阶段：当轴向应力小于弹性极限时，体积缩小，体51岩石扩容发生在应力超过屈服极限后，即微裂纹不稳定扩

展阶段（塑性阶段），其应力上限就是强度极限，初始破坏点

。岩石扩容时即将破坏。岩石工程发生扩容时，及时采取有效措施可防止工程的失

稳破坏。岩石扩容：

当应力达到某值时，岩石的体积不缩小反而增

大的力学现象。

52B.

裂隙逐渐闭合的一种现象C.

裂隙逐渐张开的一种现象D.

岩石的体积随压应力的增大而逐渐增大的现象

答案：D

剪胀(或扩容)的发生是由什么因素引起的?A.

岩石内部裂隙闭合引起的B.

压应力过大引起的C.

岩石的强度太小引起的D.

岩石内部裂隙逐渐张开和贯通引起的答案：D

剪胀(或扩容)表示的是下列哪种现象?A.

岩石体积不断减小的现象53。完全弹性岩石（非线弹性岩

石）：加载、卸载曲线完全重合，

应力-应变关系是曲线。多次反复加载、卸载时仍服从此曲线。滞弹性岩石（弹性岩石）：

加载与卸载曲线不重合，但是反

复加载、卸载时，应力-应变服

从环路规律。弹性岩石的变形弹性岩石分为线弹性岩石、完全弹性岩石和滞弹性岩石。线弹性岩石：加载曲线与卸载曲线为完全重合的直线，多

次反复加载、卸载时，岩石的应力-应变曲线都沿同一直线往返4.循环载荷作用下岩石的变形岩石矿物成分、结构和构造不同，故岩石变形性质不同。理想弹性材料的应力应变曲线b.完全弹性a.线弹性c.滞弹性54外力作用停止后，岩石恢复变形包

括：立刻消失的弹性变形（瞬时弹性变

形）、永不消失的残余变形（塑性变形

)

、随时间而缓慢消失的变形（后效弹

性变形）

。岩石弹性后效不明显，一般占弹性变形的百分之几。(2)

岩石的弹塑性变化岩石的残余变形随卸载水平增大

而增大。弹塑性岩石的变形(1)岩石弹、塑、粘性共存一般岩石的变形曲线55岩石具有“记忆

”性。(3)塑性滞环存在与变化岩石加载和卸载曲线不重合，形成

曲线环即塑性滞环。原因是外力加载的

一部分功消耗于岩石中裂隙的扩展和裂

隙间的摩擦。卸载点应力水平一样时，随加卸载

次数增多，塑性滞环变小。随卸载点应力水平增大，塑性环增

大。(4)岩石具有“记忆

”性卸载后再加载曲线，似乎始终沿着

原应力—应变曲线规律发展，故有人说岩石循环加载变形曲线岩石循环加载变形56σε随围压的增大:度增大；变化明显于硬岩；•

脆性岩石向塑性转化，进而向

应变硬化发展。

围压增大到一

定程度，应力应变曲线上没有

明显的峰值。弹性极限、强度极限、剩余强变形模量和泊松比增大，软岩弹、塑性变形都增大；三轴压缩变形曲线左为辉长岩，右为软砂岩，数字1、2

、3、4、5表示围压增大顺序号常三轴

(

σ2=σ3

）压缩时随围压的增大岩石变形特性53431

25.岩石的三轴压缩变形性质•••σ1-

σ3σ1-

σ357εε4251（2）岩石的真三轴压缩变形性质

σ2=σ3时，变形特性（如图a）随σ3增大，岩石的的屈服应力、峰

值应力、剩余强度都增大；弹性模量基

本不变；弹、塑性应变都增大，塑性区

强化明显；

σ3为常数时，变形特性（图b）随σ2增大，岩石的的屈服应力、峰

值应力增大；岩石的弹性阶段增长，弹

模不变；塑性阶段变短，

由塑性向脆性转化；

σ2为常数时，变形特性（图c）随σ3增大，岩石的的屈服应力不变，

峰值应力增大，剩余强度略有增大；弹

性模量不变；塑性变形增大。σ3=70MPa

σ3=55MPaσ3=25MPa3σ2=108MPaε（%）

(c)真三轴压缩岩石变形10782σ2=53MPa0

1

2

3

4

ε（%）σ3=0MPa

0

1

20

1

2

3

42001005525231167σ3=55MPaσ

=40MPaε（%）σ1-

σ3σ1-

σ3σ-

σ58133(b)(a)431随围压增大，岩石扩容被

推迟，且扩容率降低。该现象

在应力应变全过程曲线的峰值

后阶段表现明显。处于破坏阶

段的岩石，轴向应变增大，而

径向应变变小，即有效限制了

岩石的扩容。1ε2+ε3注：序号表示围压增大规律围压对岩石体积应变的关系（2）围压对岩石扩容的关系43243259σ1ε

10①

蠕变：岩石在不变载荷长期作用下，变形随时间而增长的

现象。它与塑性变形不同点在于，塑性变形一般出现在应

力超过弹性极限后，而蠕变变形只要应力作用时间相当长

,

在应力小于弹性极限的情况下也能出现。②

松弛：当应变保持不变时，其应力随着时间增长而减小的

现象。又分为完全松弛和不完全松弛两类。③

弹性后效：它是指在加载或卸载时弹性应变滞后于应力的

现象。物的岩石流变性更明显，严重影响岩石工程的稳定。包括岩石

的蠕变、弹性后效、松弛等。岩石应力-应变关系与时间因素有关的性质。含有粘土矿

606.岩石的流变性为零，OA段产生的变形为瞬时弹性应变

εe

，蠕变曲线分三段。

AB段——第一阶段蠕变（

瞬态、初始或减速蠕变阶段）。特点：蠕变速率随时间增长而减小，曲线下凹。此段卸载应变能恢复，顺序为立刻恢复的瞬时弹性应变和随时间增长缓慢恢复剩余应变——弹性后效现象。BC段——第二阶段蠕变(等速蠕变或定常蠕变阶段)。特点：应变与时间基本为直线，蠕变速率基本为常数，持续时间较

长。在该阶段内卸载和第一阶段雷同，不同的是变形为残余变

形。曲线斜率取决于施加载荷和岩石的性质（粘滞系数η

)

。CD段——第三阶段蠕变(加速蠕变阶段)，是流变的破坏阶

段，曲线上凹，变形也为残余变形。D点是破坏点，C点为蠕变

的极限应力点，相当于屈服应力。CBtⅠ

Ⅱ

Ⅲ岩石蠕变的典型曲线的起始点A不岩石典型蠕变曲线εAO61D大小与载荷大小和温度有关，通常εU=1.2～1.3εe

。多见较坚硬的岩石，如砂岩、石灰岩等。不稳定蠕变：在定载荷作用下的岩石，

同样先产生瞬时应

变，

以后应变量随时间增加而不断增加，不能稳定于某一极限

值，直至破坏。多见松软的粘土岩类。ε

泥岩页岩t不稳定蠕变曲线

62稳定蠕变：岩石在定载荷作用下，先出现瞬时应变，此后出现蠕变第一阶段，蠕变量逐渐趋于一个极限值εU

。极限值的影响岩石蠕变的因素岩性、压力、温度、湿度蠕变的分类稳定蠕变曲线ε

euεε砂岩对某种岩石试验时，随长期恒定应力减小，蠕变曲线逐渐

由不稳定蠕变过渡到稳定蠕变，临界应力即长时强度。岩石的长时强度曲线可用指数型经验公式表示σ

=

A

+

Be—at

或

σt

=

σ∞

+

(σ0

—σ∞

)e—at式中

a——试验确定的经验常数。在长期恒定载荷作用下岩石破坏时的强度值称长时强度，

又称长期强度。

长期恒载破坏试验确定长期强度63σ

∞σ0σttt强度之比为0.4～0.8，其中软岩和中等坚固岩石为0.4～0.6，

坚固岩石为0.7～0.8。

在等速蠕变阶段，岩石会产生什么变形?A.

弹性变形B.

塑性变形C.

弹性变形和永久变形D.

弹粘塑性变形答案：D分析：从卸载曲线的形态可以看出，在等速蠕变阶段，卸载

时部分弹性变形会迅速恢复.

部分弹性变形的恢复则需一个过

程，

还有一部分变形会残留下来.

所以共有三种变形.即弹性

变形、粘性变形以及塑性变形。在恒定荷载长期作用下，岩石会比瞬时强度小得多的情况下

破坏，根据目前试验资料，对于大多数岩石，长时强度与瞬时64岩石在外载作用下常处于复杂应力状态，岩石的强度及其

在载荷作用下性状（脆性或塑性）与岩石的应力状态有很大关

系，如单向应力状态下表现出脆性的岩石，在三向应力状态下

又有塑性的显现，强度也明显提高。岩石的破坏类型：张裂破坏：拉应力引起的；剪切破坏：剪应力引起的。岩石强度理论：库仑准则——剪切破坏理论；莫尔强度理论——剪切破坏理论；格里菲斯强度理论——张裂破坏理论四、岩石的强度理论65①

材料破坏为剪切破坏；②

岩石抗剪切能力由两部分组成（岩石本身的内聚力、

剪切面上法向力产生的内摩擦力）。③

强度准则形式－直线型：τ

=

c

+

σ

tan

φ式中

τ——材料的抗剪强度；

σ——斜截面上正应力；

φ——材料的内摩擦角；c——材料的内聚力（粘结力）。库仑准则可由

AL

直线表示1.库仑准则66当任意斜截面为破坏面时，

α

=

θ

其上应力满足库仑准则。

任意斜截面上应力为：67应用：①判断岩石在某一应力状态下是否破坏（用应力圆）。②预测破坏面的方向：（与最大主平面

）；③进行岩石强度计算。

评价：①是最简单的强度准则，是莫尔强度理论的一个特例。②不仅适用于岩石压剪破坏，也适用于结构面压剪破坏。③不适用于受拉破坏。强度准则：剪切式：

τ

=

c

+

σ

tanφ三向应力式：

σ1

=

2c45

0

+

φ268①材料破坏实质：材料某一面上剪应力达到限值（不是最大剪应力）②剪应力与材料本身性质和正应力在破坏面上产生的摩擦力有关。材料发生破坏取决于该点的剪应力，与该点正应力相关。因为剪切会使岩石内部相对滑动，滑动面上产生摩擦力，正应力越大，摩擦力越大。③破坏时剪切面上的极限剪应力是该面上正应力的函数，该函数在σ-

τ坐标中为一条曲线（莫尔包络线），它的变化取决于材料的性质，岩

性不同则曲线不同。④该曲线的具体形式仅能从实验中获得。⑤某材料失效时，必有某点的应力状态所对应的应力圆与该材料的极限包络线相切。⑥破坏仅与最大和最小主应力有关，而与中间主应力无关。2.莫尔强度理论莫尔在试验数据统计分析的基础上提出，把库仑准则推广到考虑三向应力状态。69③用宏观唯象的处理方法建立失效条件。莫尔强度曲线绘制：（由单拉、单压、三

压强度实验得到）特点：

曲线左侧闭合，向右侧开放（耐压、不耐拉）；

曲线的斜率各处不同（内摩擦角、似内聚力变化，与所受应力有关）；

曲线对称于正应力轴（破坏面成对出现，形成X型节理）；

不同岩石其强度曲线不同（不同岩石具有不同的强度性）。莫尔理论建立与古典理论区别：①不致力于寻找材料失效的共同力学原因；②尽可能多地占有不同应力状态下材料失效的试验资料，极限应力状态；

70a)

直线型：

(与库仑准则相同）双直线型τ

=

c

+

σ

tanφ

τ

=

c

+

σtgφ

单直线型cφ（不同岩石具有不同的强度性质，其强度曲线可分为三个类型）莫尔包络线的三种形式：71表达式：τ2

=n(σ

+σt

)式中：

σt—单向抗拉强度n

—待定系数由图：N点坐标及NM半径为

岩性较坚硬到较弱的岩石，如泥灰岩、砂岩、

泥页岩等强度包络线近似于二次抛物线Nb)

二次抛物线型：2α72

主、剪应力表达式：主应力表达式：n系数：确定n系数的方法：N单轴压缩条件下有σ3=0，

σ1=

σc，

代入主应力表达的mohr强度准则由上式和右图求得:73c)

双曲线型：表达式：

（强度条件）τ2

=

(σ

+σt

)2

tan2

φ1+

(σ

+σt

)σt

灰岩、花岗岩等坚硬岩石强度包络线近似于双曲线74对莫尔强度理论的评价：优点：①适用于塑性岩石，也适用于脆性岩石的剪切破坏；②较好解释了岩石抗拉强度远远低于抗压强度特征；③解释了三向等拉时破坏，三向等压时不破坏现象；④简单、方便:同时考虑拉、压、剪,可判断破坏方向.

不足：①忽视了σ2

的作用，误差：

±10%;②不适用于拉断破坏；③不适用于膨胀、蠕变破坏。754.格里菲斯强度理论认为脆性材料断裂的起因是分布在

材料中的微小裂纹尖端有拉应力集中(

这种裂纹现在称之为Griffith裂纹)所致假设:①材料内部有许多随机分布的微裂

隙。②微裂隙均张开，彼此独立。③视为非常扁平的椭圆.④当物体受力，处不利方位的微裂

隙端部产生高度应力集中.⑤当集中处的拉应力达到分子的结

合力，微裂隙扩展，材料破坏。

↓↓↓↓↓试件中原有裂隙扩展σ1__

!↓↓!↓↓!↓↓!

.-σx

σyτyx

τxy

r

'

σ格里菲斯裂纹及受力图↓↓↓↓↓↓↓↓↓↓76σyσ3σ3σ1x上述公式是格里菲斯破坏判据的

主应力表达式。我们知道，单轴抗

压试验，满足该准则的前一个条件

,

即σ3=0

，σ1=RC代入方程解得①压拉比接近岩石特性；②解释了

非约束条件下脆性岩石的破坏；③解释

了试验中微裂纹发展方向。由椭圆分析得：当

σ1

+

3σ3

≥0时,3σ3C

0

3Rt

M(

σ

,

τ

)

R2Rt

σ

σ3

σ

格里菲斯准则在主应力

平面的图形σ1

+

σ3

＜0时

σ3

=

一

A

Rt

BRC

=

8Rt格里菲斯判据强度曲线τ

2

=4Rt

(σ

+

Rt

)评价：τ

Rt\\2

θ77σ1t1①岩石抗压强度为抗拉强度的8倍，反应脆性材料的基本力学特征；

（数量级上是合理的）②证明了岩石在任何应力状态下都是由于拉伸引起破坏，即材料的破

坏机理是拉伸破坏；③指出微裂隙延展方向与最大主应力方向斜交，最终与最大主应力方

向一致。不足：①仅适用于脆性岩石，对一般岩石莫尔强度准则适用性远大于

Griffith准则。②对裂隙被压闭合，抗剪强度增高解释不够。③Griffith准则是岩石微裂隙扩展的条件，并非宏观破坏。Grriffith强度准则评价：优点：78答案：A解析：格里菲斯准则认为，不论岩石应力状态如何，岩石的破

坏都是由于微裂纹附近的拉应力超过了岩石的抗拉强度所致。

所以，

岩石的破坏都是拉应力引起的裂破坏。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79n方法：通过岩体的一些简单和容易实测的指标，把工程地质

条件和岩体力学性质与参数联系起来，并借鉴已建工程设

计、施工和处理等方面成功与失败的经验教训，对岩体进

行归类的一种工作方法。n目的：通过分类，概括地反映各类工程岩体的质量好坏，预

测可能出现的岩体力学问题。为工程设计、支护衬砌、建

筑物选型和施工方法选择等提供参数和依据。五、岩体基本质量的分级80（1）岩石材料的质量（强度指标）。（2）岩体的完整性，密集度、切割度、连续性等。（3）岩体结构面产状与岩体工程的相对空间位置关系等。（4）地下水（软化、冲蚀、降低有效正应力、c、

φ

)（5）地应力（大小、最大主应力方向）（6）其它因素（

自稳时间、位移率）其中（1）

（2）

是岩石基本质量，

（3）

－（6）

是考虑工程岩体特点的其它因素分类的独立因素81l

迪尔（Deere,D.U.),

1964年提出,

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l

规定：

内径56mm

金刚石钻头l

RQD是选用坚固完整的、其长度大于等于10cm的岩芯

总长度与钻孔长度的比，百分数表示为：工程实践说明，RQD是一种比岩芯采取率更好的指标。岩芯采取率

：钻探取出的完整岩石+破碎岩石总长度与回次进尺比值。

按岩石质量指标RQD

分类82例

某钻孔的长度为250cm

，其

中岩芯采取总长度为200cm,

而

大

于

1

0

c

m的

岩

芯

总

长

度

为157cm(如图所示)，则岩芯采取率：200/250=80%RQD=

157/250=63%83依据：弹性波速度变化来反映岩体结构特性和完整性。以弹性波（纵波）速度分类84l南非科学和工业研究委员会提出的CSIR分类指标值

RMR(RockMassRating)l分类指标：岩块强度、RQD值、节理间距、节理条件

及地下水l

分类方法：（1）根据各类指标的数值，按表2-20A的标准评分，求和得总分RMR值。（2）按表2-20B和表2-21的规定对总分作适当的修正。（3）用修正后的总分对照表2-20C求得岩体的类别及

相应的无支护地下洞室的自稳时间和岩体强度指标(c，

φ)值。岩体地质力学分类(RMR分类)85岩

基

费群2

2

36（1）根据各类指标的

数值，按右

表的标准评

分，求和得

总分RMR值。公共

础免

群24846非常不利-12-25-60走向与隧道轴垂直沿倾向掘进倾角45

°~90

°倾角20

°~45

°非常有利有利（2）按下表的规定对总分作适当的修正。与走向无关节理走向或倾向评分值倾角0

°~20

°反倾角45

°~90

°一般节理走向和倾角对隧道开挖的影响按节理方向修正评分值非常有利隧道有利0地基一般-20边坡不利-5-10-2-7-150-5-25-50倾角20

°~45

°倾角20

°~45

°倾角45

°~90

°走向与隧道轴