岩石力学.doc

第一章 绪论
岩石力学 是一门研究岩石在外界因素（如荷载、水流、温度变化等）作用下的应力、应变、破坏、稳定性及加固的学科。又称岩体力学，是力学的一个分支。研究目的在于解决水利、土木工程等建设中的岩石工程问题。它是一门新兴的，与有关学科相互交叉的工程学科，需要应用数学、固体力学、流体力学、地质学、土力学、土木工程学等知识，并与这些学科相互渗透。应用： 水利水电 道路建设 采矿工程 等
煤与瓦斯突出预测及处理理论和技术 铁路隧道设计和施工技术 水库诱发地震的预报问题 地震预报中的岩石力学问题
岩体力学的研究对象： 岩石 由矿物或岩屑在地质作用下按一定规律聚集而形成的自然物体

岩体力学的发展历程：
20世纪以前萌芽阶段 宋应星《天工开物》 古德恩维地表移动范围
20世纪初到20世纪50年代第二阶段 松散介质学派 卡曼型三轴试验机 三下开采
20世纪50年代到现在现代阶段 弹塑性理论 流变理论
百花齐放 世界各国成立岩石力学学会 论文的发表 数值模拟方法
矿山岩体力学的特点及其研究范围
采深大 计算精度低 位置受限 不断移动
由于大面积开采还会引起采空区上方大量岩层移动和破坏，研究这些岩层的运动、破坏和平衡规律及其控制方法，是矿山岩石力学的重要课题，这也是区别于其他应用性岩石力学学科的重要内容。
矿山岩体力学的研究目的和方法
在安全、经济、高强度、高指标的原则下最大限度地开采地下资源。
矿山岩石力学的研究方法是科学实践和理论分析相结合，二者互相联系，互相促进。
岩石的物理性质
密度、视密度、孔隙性、碎胀性和压实性、吸水性、透水性、软化性、膨胀性和崩解性
密度是指单位体积的岩石（包括空隙）的质量
容重是指单位体积的岩石（包括空隙）的重量 通常，岩石的容重愈大则它的性质就愈好
孔隙度是岩石中各种孔洞、裂隙体积的总和与岩石总体积之比，常用百分数表示，故也称为孔隙率 通常根据岩石的密度和干视密度经计算而求得
孔隙比是指岩石中各种孔洞和裂隙体积的总和与岩石内固体部分实体积之比
碎胀性是岩石破碎以后的体积将比整体状态下增大的性质
吸水性是指遇水不崩解的岩石在一定的试验条件下(规定的试样尺寸和试验压力)吸入水分的能力，通常以岩石的自然吸水率和强制吸水率表示。岩石的自然吸水率是试件在大气压力作用下吸入水分的质量与试件的干质量之比
透水性是岩石能被水透过的性能。达西定律可知Q=KAI
软化系数是指水饱和岩石试件的单向抗压强度与干燥岩石试件单向抗压强度之比
膨胀性和崩解性主要取决于其胶结程度及造岩矿物的亲水性，一般含有大量粘土矿物(如蒙脱石、高岭土和水云母等)的软岩遇水后极易产生膨胀和崩解。岩石的膨胀性可用膨胀应力和膨胀率来表示。岩石与水进行物理化学反应后，随时间变化会产生体积增大现象，这时使试件体积保持不变所需要的压力称为岩石的膨胀应力，而增大后的体积与原体积的比率称为岩石的膨胀率。
岩石的崩解性是用耐崩解性指数表示，它是指岩样在承受干燥和湿润两个标准循环之后，岩样对软化和崩解作用所表现出的抵抗能力。
第二章
岩石的强度：岩石抵抗外力作用的能力，岩石破坏时能够承受的最大应力。
a.单向抗压强度b.单向抗拉强度c.剪切强度d.三轴抗压强度
a.单向压缩变形b.反复加载变形c.三轴压缩变形d.剪切变形
l 单轴抗压强度：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
l 单轴抗拉强度：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
l 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
l 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
端部效应其消除方法：润滑试件端部（如垫云母片；涂黄油在端部）加长试件
岩石的变形：岩石在外力作用下发生形态（形状、体积）变化。
岩石变形过程中表现出弹性、塑性、粘性、脆性和延性等性质

弹性： 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。
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。 在外力作用下只发生塑性变形的物体，称为理想塑性体
§ 理想塑性体的应力－应变关系:
§ 当σ <σs 时， ε=0
§ 当σ ≥σs 时， ε－＞∞
黏性 (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
脆性 (brittle): 物体受力后，变形很小时就发生破裂的性质。 5%
岩石的延性与脆性是相对的，在一定的条件下可以相互转化
延性 (ductile): 物体能承受较大塑性变形而不丧失其承载力的性质，称为延性
单轴压缩条件岩石应力－应变曲线6种类型
类型Ⅰ 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 弹—塑性岩石。例如：较弱的石灰岩、泥岩以及凝灰岩
类型Ⅲ 塑—弹性岩石。例如：砂岩、花岗岩、片理平行于压力方向的片岩以及某些辉绿岩
类型Ⅳ 塑—弹—塑性岩石。例如：大多数为变质岩
类型Ⅴ 与类型Ⅳ相同 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 弹—粘性岩石。例如：岩盐、某些软弱岩石

名词解释（已知）
1、弹性模量：直线的斜率,也即应力（ σ ）与应变（ε）的比率被称为岩石的弹性模量，记为E

线弹性岩石 应力—应变曲线具有近似直线的形式
完全弹性岩石 岩石的应力—应变关系不是直线，而是曲线
弹性岩石 岩石的应力—应变关系不是直线，而是曲线，且卸载曲线不沿原加载路径返回原点O 滞回效应
弹塑性岩石 岩石的应力—应变关系不是直线，而是曲线，卸载曲线不沿原加载路径返回，且应变也不能恢复到原点O 塑性滞回环：加载曲线与卸载曲线所组成的环，叫做塑性滞回环
弹塑性岩石等荷载循环加载变形特征
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。
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。
弹塑性岩石增荷载循环加载变形特征
§ ①增荷载循环加载：如果多次反复加载、卸载循环，每次施加的最大荷载比前一次循环的最大荷载为大。
§ ②塑性滞回环：每次加、卸载曲线都形成一个塑性滞回环。随着循环次数的增加，塑性滞回环的面积也有所扩大，卸载曲线的斜率（它代表着岩石的弹性模量）也逐次略有增加，表明卸载应力下的岩石材料弹性有所增强。
§ ③岩石的记忆性：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载曲线上升（图中的OC线），好象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。

全应力－应变曲线的特征
孔隙裂隙压密阶段（OA段）
弹性变形至微弹性裂隙稳定发展阶段（AC段
非稳定破裂发展阶段，或称累进性破裂阶段（CD段）
破裂后阶段（D点以后段）
§ 其工程意义：揭示岩石试件破裂后，仍具有一定的承载能力。
§ 预测岩爆。
§ 预测蠕变破坏。
§ 预测循环加载条件下岩石的破坏。
§ 围压对岩石变形的影响 ：随着围压的增大，岩石的抗压强度、变形、弹性极
显著增大，岩石的性质发生了变化：由弹脆性→弹塑性→应变硬化
按照结构面的形成原因可以划分为：原生、构造、以及次生结构面
结构面状态按照贯通情况可划分为：非贯通、半贯通、贯通
或者：
产状：倾向、倾角、走向（与工程关系）
形态：起伏度、粗造度（影响抗滑力）
延展度： 相对工程岩体范围内
充填物：断层泥（硅质、钙质、泥质） 水对其的力学性质有很大影响
密集度： 裂隙度（K） 切割度（Xe）
迹长
张开度
裂隙度（K）：沿取样线方向单位长度的节理数
（面）切割度Xe ：节理面积与该断面面积之比称为切割度。
迹长：结构面露出表面的长度
张开度具体可以划分为闭合、裂开、张开结构面
结构面形态按照JRC划分为10种
结构面的力学性质：法向、剪切、抗剪强度。
岩石分类评价 1. 岩石普氏系数(f=σc/10)分类法
2. 岩石质量指标 RQD
3. RMR(Rock Mass Rating)值分类法 六个参数 完整岩石强度 岩芯质量指标 节理间距 节理条件 地下水条件 节理走向或倾向
4. 巴顿岩体质量分类（Q分类)
5.岩体基本质量分级－－计算BQ BQ=90+3σC+250KV
第三章
地应力：是存在于地层中的未受工程扰动的天然应力 。岩石是地球表面的物质在漫长的地质年代里由于地质构造运动等原因使地壳物质产生了内应力效应，这种应力称为地应力

地应力的成因：1）板块边界受压 2）地幔热对流 3）岩体自重应力场 4）岩浆侵入 5）水压力、热应力 6）地形、地表剥蚀对地应力影响
地壳浅部（3000m以内）地应力分布的主要规律
1）地应力是一个具有相对稳定性的非稳定应力场，它是时间和空间的函数。
2）垂直应力随深度的变化规律：垂直应力随深度线性增加
3）水平应力普遍大于垂直应力；
4）平均水平应力与垂直应力之比随深度增加而减小，且趋近于1
5）最大水平主应力与最小水平主应力随深度增加线性增长
6）最大水平主应力与最小水平主应力之差随深度增加而增大
地应力测量的方法
直接测量法: 1 扁千斤顶法 2刚性包体应力记法 3 水压致裂法 4 声发射法
间接测量法:1全应力解除法2局部应力解除法3松弛变量测量法4孔壁崩落测量法5地球物理勘探法
材料力学─研究杆件（如梁、柱和轴） 的拉压、弯曲、剪切、扭转和组合变形等问题。
结构力学─在材料力学基础上研究杆系结构如 桁架、刚架等
弹性力学─研究各种形状的弹性体，如杆件、平面体、空间体、板壳、薄壁 结构等问题。
弹力研究方法：在区域V内严格考虑静力学、几何学和物理学三方面条件，建立三套方程; 在边界s上考虑受力或约束条件，并在边界条件下求解上述方程，得出较精确的解答。
外力─其他物体对研究对象（弹性体）的作用力。
体力─（定义）作用于物体体积内的力。以单位体积内所受的力来量度。坐标正向为正。
面力─（定义）作用于物体表面上的力。坐标正向为正 。
应力─截面上某一点处，单位截面面积上的内力值 正面正向，负面负向为正
正应变，以伸长为正。 切应变 , 以直角减小为正,用弧度表示。
形变—用线应变 和切应变表示，
弹性力学中的五个基本假定。
（1）连续性 ─ 假定物体是连续的。
（2）完全弹性
（3）均匀性 ─ 假定物体由同种材料组成。
（4）各向同性 ─ 假定物体各向同性。
（5）小变形假定 ─ 假定位移和形变为很
小。
弹力基本假定，确定了弹力的研究范围: 理想弹性体的小变形问题。
解法：在弹性体区域V 内，
根据微分体上力的平衡条件，建立平衡微分方程；根据微分线段上应变和位移的几何条件，建立几何方程；根据应力和应变之间的物理条件，建立物理方程。
在弹性体边界s上，
根据面力条件，建立应力边界条件，
根据约束条件，建立位移边界条件。
然后在边界条件下，求解区域内的微分方程，得出应力、形变和位移。
广义胡克定律