岩石力学讲稿.docx

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1、硕士研究生岩石力学课程教学大纲第一章岩石力学的发展历史和概论1.1岩石力学的定义和基本概念1.2岩石力学的发展历史1.2.1初始阶段1.2.2经验理论阶段1.2.3经典理论阶段1.2.4现代发展阶段1.3岩石力学的基本研究内容和研究方法1.3.1基本研究内容1.3.2主要研究方法1.4岩石力学研究的主要问题1.4.1水利水电建设工程1.4.2采矿工程1.4.3铁道和公路建设工程1.4.4 土木建筑工程1.4.5石油工程1.4.6海洋勘探与开发工程1.4.7核废料处理工程1.4.8地热开发工程1.4.9地震预报第二章岩石的物理力学性质2.1岩石的物理性质2.2岩石力学性质的试验和研究2.2.1非

2、限制压缩强度试验2.2.2点荷载强度试验2.2.3三轴压缩强度试验2.2.4拉伸强度试验2.2.5剪切强度试验2.2.6全应力一应变曲线及破坏后强度第三章岩石与岩体分类3.1按地质条件分类3.1.1具有结晶组织的岩石3.1.2具有碎屑组织的岩石3.1.3非常细颗粒的岩石3.1.4有机岩石3.2按力学效应分类3.2.1均质连续体3.2.2弱面体3.2.3散体3.3按岩体结构分类3.3.1完整块状结构3.3.3碎裂结构3.3.4散体结构3.4 CSIR Geomechanics Rock Mass Classification3.4.1 CSIR岩体质量分级指标体系3.4.2 RMR岩体质量评分标

3、准3.5 NG1隧道岩体质量分级3.5.1 NG1岩体质量分级指标体系3.5.2 Q岩体质量评分标准第四章 岩石破坏准则4.1莫尔一库仑破坏准则4.2经验破坏准则4.3格里菲斯（Griffith）强度理论4.4各向异性岩体的破坏第五章岩石流变理论5.1岩石流变的基本概念5.2三个流变原件模型5.3组合体5.3.1圣维南体5.3.2马克斯威尔体5.3.3开尔文体5.3.4广义开尔文体5.3.6理想粘塑性体5.3.7宾汉姆体5.3.8伯格模型体第六章地应力测量原理与技术6.1地应力的成因及其一般分布规律6.2地应力测量的基本原理和方法6.3直接测量法6.3.1扁千斤顶法6.3.2刚性包体应力计法6

4、.3.3水压致裂法6.3.4声发射法6.4间接测量法6.4.1套孔应力解除法6.4.2其他间接测量法6.5应力解除法的主要测量技术和原理计算6.5.1孔径变形法6.5.2孔底应变法6.5.3孔壁应变法6.5.4空心包体应变法6.5.5实心包体应变计法高等岩石力学ADVANCED ROCK MECHANICS第一章岩石力学的发展历史和概论1.1岩石力学的定义和基本概念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。它的应用范围涉及采 矿、土木建筑、水利水电、铁道、公路、地质、地震、石油、地 下工程、海洋工程等众多的与岩石工程相关的工程领域。一方面, 岩石

5、力学是上述工程领域的理论基础；另一方面，正是上述工程 领域的实践促使了岩石力学的诞生和发展。岩石力学是随着开采和岩土工程的不断发展而成长起来的， 充分使采矿和岩土工程从skill technology上升到science，从经验 类比设计上升到科学定量计算、优化设计的有力工具。岩石力学是一门多学科的科学(Muti-disciplinery Science)， 涉及大量的力学、数学和地学学科：工程地质、水文地质、材料 力学、固体力学、流体力学、断裂力学、结构力学、热力学、计 算力学、数理统计、优化理论、系统工程、非线性理论、耗散结 构理论、信息论、控制论、协同论、人工智能、数值分析、灰色 系统理

6、论等传统的简单概念：采矿和岩石工程中的数学力学理论 就是岩石力学。美国科学院岩石力学委员会定义(1966年)：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。缺点：从材料的概念出发的，带有材料力学或固体力学的 深深烙印。岩石力学的特点： 不能把岩石看成固体力学中的一种材料，所有岩石工程 中的岩石是一种天然地质体，或者叫做岩体，它具有复杂的地 质结构和赋存条件，是一种典型的不连续介质。 岩体中存在地应力，它是由于地质构造和重力作用等形成 的内应力。由于岩石工程的开挖引起地应力的释放，正是这种 释放荷载”才是引起岩石工程变形和破坏的

7、作用力。岩石力学的 研究忠路和研究方法与以研究“外载荷作用”为特征的材料力学、 结构力学等有本质的不同。 岩体是自然系统，工程岩体是人地系统，其行为和功 能与施工因素密切相关。 岩体和岩石工程中存在着大量的不确定性因素，必须改变 传统的固体力学的研究方法（牛顿理论），从“系统”的概念出 发，采用不确定性方法进行岩石力学研究。重新定义：岩石力学是一门认识和控制岩石系统的力学行为 和工程功能的科学。1.2岩石力学的发展历史1.2.1初始阶段（Initial period, 19世纪末-20世纪初）这是岩石力学的萌芽时期，产生了初步理论以解决岩体开挖 的力学计算问题。静水压力的理论（海姆A.Heim

8、，1912）：地下岩石处于一种静 水压力状态，作用在地下岩石工程上的垂直压力和水平压力相 等，均等于单位面积上覆岩层的重量，即b=yH。朗金（W.J.M.Rankine金尼克也提出了相似的理论。但他们 认为只有垂直压力等于YH，而水平压力应为yH乘一个测压系 数，即 Q=XyHo朗金根据松散理论认为X = tan2（彳-*）；而金尼克根据弹性理 论的泊松效应认为。1-U1.2.2经验理论阶段（Emperical theory, 20世纪初-30年代）该阶段出现了根据生产经验提出的地压理论，并开始用材料 力学和结构力学的方法分析地下工程的支护问题。普氏理论（普罗托吉雅柯洛夫，1926）：围岩开挖

9、后自然塌落 成抛物线拱形，作用在支架上的压力等于冒落拱内岩石的重量， 仅是上覆岩石重量的一部分。普氏理论也称为自然平衡拱学说。（附图1）太沙基（K.Terzahi）也提出相同的理论，只是他认为塌落拱的 形状是矩形，而不是抛物线型。普氏理论是相应于当时的支护型式和施工水平提出来。事实 上，围岩的坍塌并不是围岩压力的唯一来源。围岩和支护并不完 全是荷载和结构的关系，围岩和支护应形成一个共同承载系统。 维持岩石工程稳定性最根本的是要发挥围岩自身的承载作用。1.2.3经典理论阶段（Classical theory, 20世纪30年代-60年代）这是岩石力学学科形成的重要阶段，弹性力学和塑性力学被 引入

10、岩石力学，确立了一些经典计算公式，形成圈岩和支护共同 作用的理论：结构面对岩体力学性质的影响受到重视；岩石力学 发展到该阶段已经形成了一门独立的学科。在经典理论发展阶段，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（continuous theory）: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，这是认 识方法上的重要进展，抓住了岩石工程计算的本质性问题。早期的连续介质理论忽视了对地应力作用的正确认识，忽视 了开挖的概念和施工因素的影响。采用固体力学或结构力学的外 边界加载方式，往往得出远离开挖体处的位移大，而开挖体内边 缘位移小的计算结果，这显然与事

11、实不符。多数的岩石工程不是一次开挖完成的，而是多次开挖完成的。由于岩石材料的非线性，其受力后的应力状态具有加载途径 性，忽视施工过程的计算结果将很难用于指导工程实践。在岩石工程的计算中存在大量不确定性因素，如岩石的结 构、性质、节理、裂隙分布、工程地质条件等均存在大量不确定 性，所以传统连续介质理论作为一种确定性研究方法过分强调岩 石材料特性、本构关系(constitutive equations)的研究，向精确 性发展是不适合用于解决岩石工程问题的。早期的连续性介质理论的计算方法只适用于圆形(椭圆形) 巷道等个别情况，而对普通的岩石开挖工程无能为力，因为没有 现成的弹性或弹塑性理论解析解(c

12、losed form solution)可供应 用。现代计算机和数值分析技术的发展为岩石力学的定量计算和 分析创造了条件。地质力学理论(geomechanics theory)：注重研究地层结构 与力学和岩石工程稳定性的关系。反对把岩体当作连续介质简单 地利用固体力学的原理进行岩石力学特性的分析；强调要重视对 岩体节理、裂隙的研究，重视岩体结构面对岩石工程稳定性的影 响和控制作用。该理论对岩石工程的最重要贡献是提出了 研究工程围岩的 稳定性必须了解原岩应力和开挖后岩体的力学强度变化以及 节理裂隙对岩石工程稳定性的影响等观点。该理论同时重视岩 石工程施工过程中应力、位移和稳定性状态的监测，这是现

13、代信 息岩石力学的雏形。强调理论和工程结合(阿尔卑斯山隧道)在岩石工程施工方 面，提出 了著名的“新奥法(NATM，New Austrain Tunnelling Method)，该方法特别符合现代岩石力学理论，至今仍被国内 外广泛应用。1962年，国际岩石力学学会成立，L.Muller为第一任主席。该理论的缺陷是过分强调节理、裂隙的作用，过分依赖经验, 而忽视理论的指导作用。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。1.2.4现代发展阶段（Modern development, 20世纪60年代-现在）此阶段是岩石力学理论和实践的新进展阶段。主要特点：把 力学、物理学、系

14、统工程、现代数理科学、现代信息技术等的最 新成果引入了岩石力学。而电子计算机的广泛应用为流变学、断 裂力学、非连续介质力学、数值方法、灰色理论、人工智能、非 线性理论等在岩石力学与工程中的应用提供了可能。现代岩石力学理论认为：由于岩石和岩体结构及其赋存状 态、赋存条件的复杂性和多变性，岩石力学既不能完全套用传统 的连续介质理论，也不能完全依靠以节理、裂隙和结构面分析为 特征的传统地质力学理论，而必须把岩石工程看成是一个人一 一地系统，用系统论的方法来进行岩石力学与工程的研究。用 系统概念来表征岩体，可使岩体的复杂性得到全面的科学的 表述。从系统来讲，岩体的组成、结构、性能、赋存状态及边界 条件

15、构成其力学行为和工程功能的基础，岩石力学研究的目的是 认识和控制岩石系统的力学行为和工程功能。20世纪60-70年代，“不连续性”成为岩石力学的研究重点， 岩体和岩块的区别得到重视，随着计算机科学的进步，从材料 概念到不连续介质概念是岩石力学理论上的飞跃。20世纪60年代和70年代开始出现用于岩石工程稳定性计 算的数值计算方法，主要是有限元法；20世纪80年代，数值计 算发展很快，有限元、边界元、离散元及其混合模型得到广泛应 用；20世纪90年代，数值方法终于在岩石力学和工程学科中扎 根，岩石力学专家建立起自己独到的分析原理和计算方法。20世纪80和90年代，现代计算机科学技术的进步也带动 了

16、信息技术的发展。岩石工程三维信息系统、人工智能、神经网 络、专家系统、工程决策支持系统等迅速发展起来，并得到普通 的重视和应用。20世纪90年代现代数理科学的重要渗透是非线性科学在岩 石力学中的应用。本质上讲非线性和线性是互为依存的。耗散结 构论、协同论、分叉和混沌理论正在被试图用于认识和解释岩体 力学过程的重要依据。针对岩体结构及其赋存状态、赋存条件的复杂性和多变性， 岩石力学和工程所研究的目标和对象存在着大量不确定性，20 世纪80年代末提出不确定性研究理论，目前已被越来越多的人 认识和接受。现代科学技术手段如模糊数学，人工智能、灰色理 论和非线性理论等为不确定分析研究方法和理论体系的建立

17、提 供了必要的技术支持。系统科学虽然早已受到岩石力学界的注意，但直到8090年 代才成为共识，并进入岩石力学理论和工程应用。系统论强调复 杂事物的层次性、多因素性及相互作用特征，并认为认为认识是 多源的，是多源知识的综合集成，这些为岩石力学理论和岩石工 程实践的结合提供了依据。结论：从材料概念到不连续介质概念是现代岩石力学的 第一步突破；进入计算力学阶段是第二步突破；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突破。1.3岩石力学的基本研究内容和研究方法1.3.1岩石力学的基本研究内容(1) 岩石、岩体地质特征的研究： 岩石的物

18、质组成和结构特征； 结构面特征及其对岩体力学性质的影响； 岩体结构及其力学特征； 岩体工程分类。(2 )岩石的物理、水理与热学性质的研究。(3) 岩石的基本力学性质的研究： 岩块在各种力学作用下的变形和强度特征以及力学指标参数； 影响岩石力学性质的主要因素，包括加载条件、温度、湿度等； 岩石的变形破坏机理及其破坏判据。(4) 结构面力学性质的研究： 结构面在法向压应力及剪应力作用下的变形特征及其参数 确定； 结构面剪切强度特征及其测试技术和方法。(5) 岩体力学性质的研究： 岩体变形与强度特征及其原位测试技术与方法； 岩体力学参数的弱化处理与经验估计； 影响岩体力学性质的主要因素； 岩体中地下

19、水的赋存、运移规律及岩体的水力学特征。(6 )原岩应力(地应力)分布规律及其测量理论与方法的研究。(7) 工程岩体的稳定性研究： 各类工程岩体在开挖荷载作用下的应力、位移分布特征； 各类工程岩体在开挖荷载作用下的变形破坏特征； 各类工程岩体的稳定性分析与评价等。(8) 岩石工程稳定性维护技术的研究。(9) 各种新技术、新方法与新理论在岩石力学中的应用研究。(10) 工程岩体的模型、模拟试验及原位监测技术的研究。1.3.2岩石力学的主要研究方法(1) 工程地质研究方法。着重于研究与岩石和岩体的力学性质 有关的岩石和岩体地质特征。岩矿鉴定方法、地层学方法、水文 地质学方法等。(2) 科学实验方法。

20、科学实验是岩石力学发展的基础，它包括 实验室岩石力学参数的测定，模型实验，现场岩体的原位实验及 监测技术，地应力的测定和岩体构造的测定等。近代发展起来的新的实验技术都已不断地应用于岩石力学 领域，如遥感技术、激光散斑和切层扫描技术、三维地震勘测成 像和三维地震CT成像技术，微震技术，等等，都已逐渐为岩石 工程服务。(3) 数学力学分析方法。数学力学分析是岩石力学研究中的一 个重要环节。他是通过建立工程岩体的力学模型和利用适当的分 析方法，预测工程岩体在各种力场作用下的变形与稳定性，为岩 石工程设计和施工提供定量依据。常用的力学模型：刚体力学模型、弹性及弹塑性力学模型、 流变模型、断裂力学模型、

21、损伤力学模型、渗透网络模型、拓扑 模型等。常用的分析方法： 数值分析方法，包括:有限差分法、有限元法、边界元法、 离散元法、无界元法、流形元法、不连续变形分析法、块体力学 和反演分析法等； 模糊聚类和概率分析，包括:随机分析、可靠度分析、灵 敏度分析、趋势分析、时间序列分析和灰色系统理论等； 模拟分析，包括:光弹应力分析、相似材料模型试验、离 心模型试验等。(4) 整体综合分析方法。就整个工程进行多种方法并以系统工程为基础的综合分析。这是岩石力学与岩石工程研究中极其重要 的一套工作方法。由于岩石力学与工程研究中每一环节都是多因素的，且信息 量大，因此必须采用多种方法并考虑多种因素（包括工程的、

22、地 质的及施工的等）进行综合分析和综合评价，特别注重理论和经 验相结合，才能得出符合实际情况的正确结论。就岩石工程而言，整体综合分析方法又必须以不确定性分析 方法为指导。用系统论、信息论、不确定性理论指导岩石力学研究由于岩石和岩体结构的复杂性和多变性，岩石力学既不能套 用连续介质理论，也不能只是根据节理裂隙的分析就能确定岩体 结构的稳定性。根据现代岩石力学的观点，采矿、土木、水利水电、交通等 岩石开挖工程是一个力学问题，而力学分析的基础是地应力的存 在，确定地应力是研究一切岩石工程问题的首先任务。第二步要 弄清岩石材料的物理力学性质和岩体的结构，构造特征。这二步 是采矿和岩石工程力学分析的基本

23、前提条件，只根据这二个条件 进行分析则远远不够，分析过程中必须考虑到下列因素： 地应力是一种内应力，它与传统的荷载的概念不同。由于 岩体开挖引起内应力的释放，才引起岩体的变形和破坏，影响岩 体结构的稳定性。 除了地应力和岩石材料性质外，工程施工因素对采矿和其 他岩土工程的稳定性有重大影响。因为开挖引起的力学效应具有 加载途径性。采矿的开挖不是一次完成的，而是分多次完成的， 前一次的开挖对以后多次开挖都会产生影响，不同的开挖过程、 开挖步骤，不同的支护方式、支护结构、支护施工形式和支护时 间等等具有不同的应力-应变历史变化过程和不同的最终力学效 应。即最终不同的工程稳定性状态。 采矿过程力学分析

24、的基本条件，包括地应力、岩石的性质、 岩体结构、节理裂隙等具有不确定性（模糊性、随机性），应力- 应变关系和力学效应也同样具有不确定性。用1+1=2的方法解决 不了采矿问题，必须用统计分析的方法进行系统优化分析，通过 对多种不通方案的综合分析比较，找出最优的设计方案，同时通 过监测将施工过程中的多种信息返回到设计中去，对设计反复地 进行修正和补充，使之跟完善、更合理。1.4岩石力学研究的主要问题1.4.1水利水电工程 坝基及坝肩稳定性，防渗加固理论和技术； 有压和无压引水隧道设计、施工及加固理论技术； 大跨度高边墙地下厂房的围岩稳定及加固技术； 高速水流冲刷的岩石力学问题； 水库诱发地震的预报

25、问题； 库岸边坡稳定及加固方法。 南水北调工程（附图2）西线从金沙江、雅碧江、大渡河调水170亿m3到黄河。全长 约350400km，7坝14洞，隧洞总长321km （长洞最长72km）， 施工问题，运行稳定性问题1.4.2采矿工程 露天采矿边坡设计及稳定加固技术；（附图3） 地下矿山开采设计优化；（附图4） 井下开采中巷道和采场围岩稳定性问题（附图5），特别是 软岩巷道和深部开采地压控制问题； 深部开采动力灾害评价，预测及防治； 矿井突水预测、预报及预处理理论和技术； 煤与瓦斯突出预测及预处理理论和技术； 采空区处理及地面沉降问题； 排土场、尾矿库稳定性及加固问题 岩石破碎问题。1.4.3铁

26、道和公路建设工程 铁道和公路穿过特殊地层（青藏铁路） 线路边坡稳定性分析； 隧道设计和施工技术； 隧道施工中的地质超前预报及处理； 高地应力区的岩爆理论及处理； 隧道入口施工技术及洞脸边坡角的确定和加固措施； 地铁施工技术。1.4.4 土木建筑工程 高层建筑地基处理与加固技术； 大型地下硐室、地下建筑空间设计、施工与加固理论技术; 地面建筑物沉降、倾斜控制和纠偏技术； 山城或山坡及临陡建筑物基础滑坡监测预报与防治技术。（附图6）1.4.5石油工程： 岩石应力与岩石渗透性； 岩石力学与地球物理勘探综合研究； 钻探技术与钻井稳定性； 岩石力学与采油技术（水压致裂、水平钻孔）； 油层压缩及地表沉陷；

27、 石油、天然气运输、储存工程及环境影响。1.4.6海洋勘探与开发工程1.4.7核电站建设中核废料处理技术1.4.8地层热能资源开发技术问题1.4.9地震预报中的岩石力学问题汶川地震的若干问题(附图7)1.5岩石力学与工程发展前景展望(1) 由于矿产资源勘探开发、能源开发、交通运输工程、城市 建设和人向地下空间发展的需要，工程的规模越来越大，所涉及 的岩石力学问题也越来越复杂。例如：在水电工程中，岩石大坝 高度可达300m以上，如我国三峡工程大坝高度达到350m，装 机容量1768万kw，为当前世界上最大的岩石建设工程；采矿工 程中，露天矿边坡不断加高加陡；如我国太钢峨口铁矿最终边坡 垂直高度达

28、到720m，新西兰某露天矿边坡垂直高度达到1000m； 澳大利亚大型露天矿的最终开采境界达到1020km2，矿石产量 达到1亿吨/年；南非地下黄金矿山的开采深度已超过4000m， 我国一些有色金属矿山、黄金矿山和煤矿的开采深度也已经超过 1000m；瑞典吉鲁纳地下铁矿的矿石生产能力达到3000万吨/年。在隧道工程中，已建成的英吉利海峡隧道长达50km；日本 青函跨海隧道长达53.85km；拟建的美俄海峡隧道，穿越白令海 峡，总长约90km；欧非大陆海底隧道，穿越直布罗陀海峡，全 长60km；日韩海底隧道，穿越东对马海峡和西对马海峡，全长 约250km；大陆-台湾海底隧道，广东-海南岛海底隧道。

29、这些都对岩石力学提出了更高的要求，使岩石力学面临许多 前所未有的问题和挑战，急需要发展和提高岩石力学理论和方法 的研究水平，以适应工程实践的需要。(2) 传统的岩石力学分析方法，不论是理论分析还是数值方 法，都是一种正向思维或确定性思维，这是牛顿时代的思维模式， 即从事物的必然性出发，根据试验建立模型，处理本构关系，在 特定的有限的条件下求解。这种传统的方法不可能将错综复杂的 岩石力学与工程问题的研究提高到一个全新的高度。只有将岩体 视为一个不确定系统，用系统思维、反馈思维、全方位思维(包 括逆向思维、非逻辑思维、发散思维甚至直觉思维)对工程岩体 的行为进行研究，才能在复杂的岩石力学问题的解决

30、方面取得新 的突破。思维方法的变革是岩石力学与工程研究取得突破的关 键。(3) 20世纪70年代中后期发展起来的、基于实测位移反演岩 体力学参数和初始地应力的位移反分析法是逆向思维在岩石力 学研究中的一次尝试。到目前为止，对线性问题的反分析是成功 的。而对于非线性岩体，由于其具有加载途径性，反分析的解往 往不具有唯一性，这是今后反分析需要解决的关键问题。(4) 岩体归属各项异性流变介质。许多大的岩石工程项目，其 服务年限都在几十年甚至上百年的时间，因此，现代岩石工程项 目不仅要考虑施工期间的安全，而且要确认在日后运营长时期间 内的安全，即在工程投入运营以后，是否会随着时间的增长而产 生破裂与失

31、稳，这便是岩石流交和粘性时效研究的任务(5) 不确定性系统分析方法首先将工程岩体看成为人地系统 。用系统概念来表征岩体可使岩体的复杂性得到全面科学 的表达。岩石或岩石工程系统不仅是因为多因子、多层次组合而 具有复杂性，而且还在于他们大多具有很强的不确定性，即 模糊性和随机性。岩石或岩石工程系统的复杂性还来源于它的 非线性特性。将整个系统的非线性过程掌握住，才能做出正确的 理解和描述。这样一个自然或人为非线性系统不是死的，而是 活的。只有在动力学水平上研究它的动态规律，才能谈得上对 它的过程作出可靠的预测和有效的控制。(6) 岩体是天然的地质体，而非人工设计加工的，首先要认识 它，然后才能利用它

32、。由于岩体结构及其赋存条件和赋存环境的 复杂性、多变性，并且受到工程施工因素的影响等，因此不可能 在事先把它们搞得非常清楚，其中必然存在大量认识不清，认识 不准的不确定性因素。这种内部结构或初始状态不清楚或不完全 清楚的系统，就是所谓的黑箱或灰箱问题。必须采用黑箱 灰箱f白箱的研究方法，在整个岩石工程设计、施工过程中不 断减小黑度，增加白度，达到工程设计和施工的逐步优化。(7) 为促进不确定性系统分析方法的进一步发展，使之更完 善、更实用，在岩石工程系统的研究中，还必须强调以下两方面 的工作： 系统扎实的岩石力学基础资料的收集、调查、试验和研究 工作。只有把基础资料的采集工作做扎实，才能减少岩

33、石工程 灰箱”系统的”黑”度或”灰”度，缩短”黑箱f灰箱f白箱”的分析、 研究过程，提高工程规划、决策的准确性，加快工程设计和施工 的进度。 岩石工程施工和运行过程中的全方位多手段的现场监测 工作。丰富的监测资料将为黑箱f灰箱f白箱系统分析和研究 系统的功能与特性提供必要的信息资料。随着信息技术的发达和 应用，工程师们完全可以对工程过程监测的信息进行高效的理论 分析和经验判断，将多源知识综合集成，并及时向工程执行系统 反馈，进行工程决策，逐步优化设计和施工工艺。这样做，就将 使工程实践和岩石力学理论分析达到高度融合，形成岩石工程普 遍适用的现代岩石工程原理和方法。第二章岩石的物理力学性质Phy

34、sical and mechanical properties of Rock2.1岩石的物理性质2.1.1 孔隙度（porosity）n =匕VtV :岩石试样内的空隙体积；V :岩石试样的总体积。孔隙度与岩石力学性质有密切关系，一般来说空隙度大，岩 石力学性质就差。代表性结果（附表1）2.1.2 密度（density），容重 （weight density）单位体积岩石的重量kN/m3水：9.8kN/m3比重：岩石的密度和水的密度的比值。G 二二 r wr = Gr （1 一 n）岩石比重平均为2.7代表性结果附表22.1.3 渗透性（permeability）岩石渗透性对许多岩石工程有决

35、定性意义，如对大坝、水库、 地下隧道（临水、高地下水地区等）、石油、核废料储存、瓦斯 突出等。渗透性与岩石孔隙度、岩石中的裂隙和应力水平有很大关 系。达西定律（Darcys lbwq =K 虫 Ax H dxq :在X方向的流量速率； （m 3/s）p :流体压力，p = rH （ MPa）y：流体容重（kN/m3）H :流体（渗透体）柱高度 （m）H :流体的粘度；（N -S / m 2）对于水，20C 时， =1.005x10-3N.S/m2 ； r =9.80 kN/m3。A :垂直于x方向的横截面积；（m 2）K :渗透系数，与流体（渗透体）的性质无关，与岩石性质 有关，单位为面积（m

36、 2）达西定律的另一种形式（渗透体为20C的水）q = kdhAx dxh :渗透体高度（水头高度），单位：mk :渗透系数，单位为速度（cm/s）代表性k系数值附表3K和k互换：K = k 叶dhdp渗透性单位：1darcy=9.87x10-9cm2 （ k ）1Darcy=10-3cm/s （k）2.1.4声波速度（在岩石中的传播速度）（Sonic Velocity in Rock ）用于了解岩石中的裂隙程度1 v C=乙V*.V.:岩石没有孔隙纵波速度C.: i成份在岩石中的比例各种矿物成份的纵波速度附表4典型岩石的纵波速度附表5iq （Index quality of rock）:表明

37、岩体中裂隙程度。iq %=（匕）X100%Vl匕：所测岩石试样中的声波传播速度（岩体中的声波传播速 度）IQ %=（100-1.6Xnp）%np：没有裂隙的岩石孔隙度，即孔隙对：q有影响，应从裂隙 度中剔除其影响，综合考虑。岩石中的裂隙度分为5级：第1级：无裂隙或非常轻微裂隙第2级：较轻微裂隙第3级：较严重裂隙第4级：严重裂隙第5级：非常严重裂隙裂隙等级分类图（附图8）由iq%和孔隙度共同决定，因为iq不但受裂隙影响，也受孔 隙影响。2.2岩石力学性质的试验和研究2.2.1 非限制压缩强度试验（Unconfined compressive strength）这是最早的和最基本的岩石强度试验试样

38、选择：完整的岩体，不含有节理、裂隙，因为在一个小 试样中的节理裂隙是随机的、不具代表性，要做含节理裂隙的强 度试验需作现场岩体大试验（附图9）试验指标值：UCS，是完整岩石试样的试验，它从一个方面 反映岩体强度。UCS值不是岩石的固有性质，什么是岩石的固有性质？如 颜色、密度、不管试样的形状、尺寸和采集地点、采集的人，如 石英石，白色、致密等。而UCS与下列因素有关：试验尺寸、形状（立方、圆柱形、长方体等，各不相同）三维尺寸比例（如长度与直径之比），加载速率，温度、湿 度度等，可能还有一些未被认识的因素，还取决于试验机钢材和 岩石试样的弹性参数的差异，低高宽比（L/W）试样的UCS大 于高宽比

39、的试样。高加载速率下的UCS大于低加压速率下的 UCS。水饱和下的页岩和某些沉积岩的UCS均为干试样的一半 左右。端部效应（barreling effect）：当圆柱试样由两个加压铁板加 压时，由于铁板和试样之间的摩擦力，试样中的应力不是非限制 性的，在铁板和试样端部之间有剪切应力存在，并阻止试样端部 的侧向变形，只有在离开端部的地方，才产生侧向变形（泊松效 应），并且只有在铁板和试样端面无摩擦力时，均匀应力分布才 能在试样中出现。如此，在铁板和试样之间需要加润滑剂。同时 对试样高度和宽度之比有一定要求，在有润滑剂的情况下，在离 开端面一定距离的横截面上均匀应力将会出现。UCS与L/D的关系（

40、附图10）当L/D为2.53.0时，（UCS）的变化很小，为ISRM规定的试件尺寸比例。加载速率（loading rate），UCS值与加载速率成正比。ISRM建议加载速率为0.51MPa/sec，或从开始到试样破坏 为510分钟。湿度（moisture）保证现场湿度，试样需蜡封或塑料纸包 装。UCS不是一个岩石的内在的绝对值，它只是一个指标性质（index property），它只给出一个相对强度值，如花岗岩的强度高于砂岩、页岩等。代表性岩石的UCS值(附表6)2.2.2 点荷载强度试验(point load strength index test)这是一种最简单岩石强度试验，其试验值可和其

41、他强度指标 联系起来，可用作岩石分级的一个指标，试件不需要精心准备(如 UCS)，石块也可。有时可代替UCS。1972 年，发明人：Brock and Franklin.试验设备简便，可携带。二个圆锥形 加压头施加相对 的点荷载，荷载 最高可达 50100KN (附图 11)定义：i = ps y2I (50) = II (50) = 140 P D-1.5MPa进行岩石分级时用I (50)作指标。试样可为圆柱(径向、轴向试验)也可为岩块，最好用岩芯， 来自现场，并保持在一定的温度和湿度下，对各向异性岩样，有 节理面、层面、软弱面，垂直、平行方向均要作。y 尺寸：25mm100mm.。二241

42、 (50) L:D=2:1时的单轴抗压强度。2.2.3 三轴压缩强度试验(Triaxial compressive strength test)真三轴：立方试样三向气，2，3不等。伪三轴：圆柱试样加围压，:,广气L:D=23. D： 25150mm三轴压缩试验首次由意大利人Von Karma于1911年完成， 他用一个大理石试样，他发现在0或低围压时，大理石以脆性方 式破坏，沿一组或两组倾斜的裂隙破坏。随着围压加大，岩石的延性变形和强度（包括峰值强度和残余强度，peak strength,residual strength）随之增高，弹性区也增大，最终出现完全延性 的或塑性的变形并伴之工作硬化

43、，在实验开始阶段，试件体积减 小，.达到强度一半时，出现扩容，泊松比逐渐增大。三轴压缩试验的最重要的成果是对于同一种岩石的不同试 样得出几乎恒定的强度参数指标，其强度指标以莫尔强度曲线（Mohrs strength envelope）的形式给出。莫尔强度曲线是一系列莫尔圆的包络线，至少为5、6个莫 尔圆，一般包括抗拉，单轴抗压试验的莫尔圆，包络线以下为稳 定，包络线上或以上为非稳定的（附图12）某些岩石及土呈现线性破坏包络线（附图13）此时：t = C + otan（莫尔一库伦强度准则）匚：剪切强度；C：粘结内聚力；卜内摩擦角。当 C=0 时，t = o tan。这就是库仑强度准则（Coulo

44、mb-Navier）。格里菲斯（Griffith）强度准则曲线（附图14）t 2 + 4Tb 4T 2 = 0绘制出包络线和某些岩石的莫尔强度曲线是一致的。如：b = 0，贝U T 2 = 4T 2T = 2T即：C = 2T这和多数岩石的粘结系数测定值相符。2.2.4 拉伸强度试验（Tensile strength test）岩石的抗拉强度为抗压强度的1上，平均为1 O4 2510岩石的抗拉强度很低，要尽量避免出现拉应力，但有时避免 不了，巷道、采场、地下工程还要根据实用设计。直接拉伸试验(附图15)圆柱试件：T = P /兀r2“狗骨头”试件：a = P(d ；一叩3 d 21间接抗拉试验

45、(Brazilian Test)(附图16)a = 2P ； d :圆盘直径；t :圆盘厚度。t,b ndt由于岩石的抗拉强度大大低于抗压强度，虽然压应力集中比 拉应力集中高许多倍，但试样仍由于拉伸而破坏，破坏从圆盘中 心开始，然后慢慢向两端扩展。弯曲拉伸试验：上部压缩，下部拉伸(附图17)弯曲强度(Flexual Strength)或称破裂模量(modulus of rupture)即试件底部的抗拉强度。弯曲强度为直接抗拉强度的23倍。对柱形试件：R =丛02ba 22.2.5 剪切强度试验(Shear strength test)非限制剪切试验，只有剪切力，没有正应力(附图18)四种：Si

46、ngle shear: S0 = Fc / A ；Double shear: S0 = Fc / 2A ；Punch shear: S0 = Fc / 2兀ra (a-试件原件；r-冲锤半径)；Torsional shear: S0 = 16Mc / 兀D3 (Mc-破坏时的扭矩；D-试件 直径）限制剪切试验，有正应力，这比非限制更重要，因为通常岩 石是在正应力和剪应力共同作用下破坏的，正如莫尔理论所述一 样。试验简图（附图19,附图20）一个应力平行于破坏面，一个应力垂直于破坏面。试验结果可用于绘制莫尔包络线，和三轴压缩试验所得包络 线相一致的（附图21）弱面剪切试验：Shear box （附图22）过了峰值剪切强度后，岩体沿弱面开始滑动，而且只要较小 的剪切力（已克服了摩擦阻力）克服残余剪切强度。开始阶段弹 性位移很小，超过峰值剪切强度后位移加快，在高垂直限制应力 下（和在低垂直限制应力下，几乎在相同弹性位移处开始滑 动，但需要更大的剪切力（附图23）2.2.6全应力一应变曲线及破坏后强度（post-failure strength）在通常试验机条件下，在单轴压缩试验时，在试样破坏前变 形是逐步的和缓慢的，当超过峰值强度后，试样急剧破坏，崩裂。 试验停止（附图24