高等岩石力学

1、岩石（体）力学特性专题第一节 刚性压力机的作用原理及在试验中岩石变形破裂机理一、岩石在普通试验机中进行单向压缩试验时的变形特性岩石的变形特性通常可从试验时所记录下来的应力-应变曲线中获得。岩石的应力-应 变曲线反映了各种不同应力水平下所对应的应变(变形)规律。以下介绍具有代表性的典型 的应力-应变曲线。1. 典型的岩石应力-应变曲线分析图1例示了典型的应力-应变曲线。根据应力-应变曲线的形态变化c可将其分成OA，AB，BC三个阶段。三个阶段各自显示了不同的变形特性。(1)0A阶段，通常被称为压密阶段。其特征是应力-应 变曲线呈上凹型，即应变随应力的增加而减少，形成这一特性 的主要原因是:存在于

2、岩石内的微裂隙在外力作用下发生闭 合所致。(2)AB阶段，也就是弹性阶段c从图1可知，这一阶 段的应力-应变曲线基本呈直线。若在这一阶段卸荷的话其应变可以恢复，由此而称为弹性阶段。这一阶段常用两个弹性常数来描述其变形特性。即弹性模量E和泊松比。所谓 弹性模量，是指应力-应变曲线中呈直线阶段的应力与应变之比值(或者是该曲线在直线段的斜率)被称作平均模量。就模量的概念而言，岩石的模量还有初始模量、切线模量、割线模量等。在岩石力学中比较常用的是平均弹性模量和割线模量。割线模量是指岩石峰值应力一半的应力、应变之比值。其实质代表了岩石的变形模量。 所谓泊松比，是指在弹性阶段中，岩石的横向应变与纵向应变之

3、比值。这是描述岩石侧向变形特性的一个参数。最近几年来，经过大量的试验发现，在AB阶段，由于受荷后不断地 出现裂纹扩展，岩石将产生一些不可逆的变形。因此从某种意义上来说，它并不属于真正的 弹性特性，只能是一种近似的弹性介质。B点是该岩石的屈服点，当应力超过B点，则将进入第三阶段。(3)BC阶段，也被称作塑性阶段。当应力值超出屈服应力之后，随着应力的增大曲线呈下凹状，明显地表现出应变增大(软化）的现象。进人了塑性阶段，岩石将产生不可逆的塑性变形。同时应变速率将同时增大，但最小主应变的应变速率的增大表现得更明显。应该指出，对于坚硬的岩石来说，这一塑性阶段很短，有的几乎不存在，它所表现的是脆性破坏的特

4、征。所谓脆性，是指应力超出了屈服应力却并不表现出明显的塑性变形的特性，而因此达到破坏，即为脆性破坏。二、刚性压力机的作用原理及在试验中岩石变形破裂机理上面介绍了岩石在普通试验中进行单向压缩试验时所得到的变形特性。这些变形特性反映了岩石“破坏”前的力学特性。绝大多数岩石的变形属脆性，使得“破坏”无明显前兆， 不出现明显的塑性变形，岩石试件突然崩溃，无法记录下崩溃后的应力-应变曲线。那么有人提出了这样的问题：岩石在试验过程中发生崩溃现象是否是岩石所固有的特性？岩石达到“破坏”后的性态是怎样的？经过大量的试验研究发现:达到“破坏”的瞬间，试验机给予岩石试件的附加应力是加剧岩石试件崩溃的主要原因。19

5、70年，沙拉蒙首先全面论述了由于试验机的刚度不同对岩石变形特性的影响，提出了用刚度较大的试验机来减少作用于岩石的附加应力，进而可求得峰值应力后的应力-应变曲线C以后,这一观点被从事岩石力学工作的研究人员和工程技术人员所接受。刚性试验机和应力-应变全过裎曲线这两个全新的概念进人了岩石力学领域。(1)刚性试验机工作原理简介试验机主要是由出力系统和金属框架组成。当进行岩石压缩试验时，试验机的金属框架则承受了与出力系统大小相同的拉力。此时，框架中将贮存着一定数量的弹性应变能。当岩石达到峰值应力时，由于已超出岩石所能承受的极限应力，将产生一个较大量级的应变。正是因为这一应变的产生促使试验机框架向岩石释放

6、出贮存在机内的弹性应变能。显然，岩石的突然崩溃是由于这附加的能量所致。图2是分析试验机刚度大小给予试验结果影响的示意图。假设：岩石的刚度用表示，并在达峰值应力后仍具有一定的承载能力，且用 表示.试验机的刚度用和表示且<。前者代表小刚度的试验机，后者代表大刚度的试验机。当试验机加载至岩石的峰值应力之后，若产生一个微小量的应变，则其应力- 应变曲线应沿着AA'移动。这时岩石所能承受的能量为围成的而积。当试验机为柔性机()即试验机的刚度小于岩石的刚度。由于加载作用，贮存在试验机内的弹性能为所围成的面积。当应力加至峰值应力时，岩石会突然出现一微小的应变。与此同时，试验机也将恢复部分能量，

7、并将其作用在岩石上。此时，岩石所能承受的能量比试验机释放的能量小，其大小如图2中所示的由A B A'所围成的面积c因此，由于附加能量的作用，使岩石的裂纹扩展加剧，并发生崩溃的现象。与此相反，当试验机的刚度大于岩石的刚度，则在相同的条件下，试验机附加给岩石的能量为所围成的面积，比岩石所能承受的能量小AA'C。要岩石继续产生应变必须依靠外荷载的加载才能实现。因此，当试验机的刚度大于岩石的刚度时，才有可能记录下岩石峰值应力区的应力-应变曲线。 这就是刚度试验机的工作原理。(2)应力-应变全过程曲线形态由上述可知，所谓应力-应变全过程曲线，是指在刚性试验上进行试验所获得的包括岩石达到峰

8、值应力之后的应力-应变曲线。由图3可知，除了上面已介绍的曲线可分成0A，AB，BC三个阶段之外，当应力值过C点之后还存在着另外两个阶段图2。CD阶段，又被称作应变软化阶段。虽然此时已超出了峰值应力，但岩石仍具有一定的承载能力，而这一承载力将随着应变的增大而逐渐减小，表现出明显的软化现象。D点以后为摩擦阶段。它仅表现了岩石产生宏观的断裂面之后，断裂面的摩擦所具有 的抵抗外力的能力。(3)达到峰值应力后，应力-应变曲线所具有的特征及其类型a)岩石达到峰值应力之后，仍然具有一定的承载能力，而岩石突然的“崩溃”是一种假象。因此，以前将应力达峰值应力时，称作岩石“破坏”是不够严密的。其实质并非完全破坏，

9、仅仅表现为承载能力的降低。b)在反复加-卸载的情况下，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。此外，曲线仍具有记忆能力，反复加-卸载试验对岩体的变形特性并无多大的影响。岩石在刚性试验机上进行试验其曲线类型根据岩性的不同可以分成两种类型。第一种类型为稳定型。当试件所受的荷载超过其峰值应力后，只有在外力继续作功的情况下，才能使其破损进一步发展。如图3中的类型I。第二种类型为图中的类型II。 该类试件将出现不稳定的裂纹扩展，试件无需外力继续作功破裂会持续发展，直至丧失承载能力。这类曲线被称作非稳定型曲线。第二节 水对岩石（体）力学特性的影响()岩石的含水性质

10、1.岩石的含水量（）岩石的含水量是指岩石孔隙中含水的质量与固体质量之比的百分数：根据试件含水量状态的不同，可分成岩石在天然状态下的含水量和饱和状态下的含水量。其试验方法类似于密度试验的方法。其差别在于必须求出含水的质量。岩石的含水量对于软岩来说是一个比较重要的参数。组成软岩的矿物成分中往往含有较多的粘土矿物，而这些粘土矿物遇水软化的特性，将对岩石的变形、强度有很大的影响。 对于中等坚硬以上的岩石而言，其影响就显得并不重要。2.岩石的吸水率（）岩石的吸水率是指岩石吸人水的质量与试件固体的质量之比：岩石吸水率的试验方法类似于饱和密度的试验方法。可通过饱和密度的试验，得到岩 石的吸水率。吸水率是一个

11、间接反映岩石内孔隙多少的指标,与岩石的含水量一样，对于软岩它是一个比较重要的参数。(二）岩石的渗透性岩石的渗透性是指岩石在一定的水压力作用下，水穿透岩石的能力。它反映了岩石中裂隙间相互连通的程度。大多数岩石的渗透性可用达西定律来描述：式中沿x方向水的流量； h水头的髙度； A垂直于x方向的截面面积； K岩石的渗透系数。就一般工程而言，所关心的是渗透系数K的大小。通常，渗透系数K是利用径向渗透试验而得到。所谓径向渗透试验，是采用钻有一同轴孔的岩芯，使这空心圆柱体试样能够产生径向流动。当液体表面作用着恒定的压力时，使液体沿着岩石内的裂隙网流动，测得各系数，进而求得岩石的渗透系数。岩石的渗透性对于解

12、决一些实际问题具有直接的意义，例如：将水、油或者气体泵入多孔隙的岩体中；为了能量转换而在地下洞室中贮存液体；评价水库的不透水性；排除深埋洞室的渗水等等。但是，就渗透性而言，岩体的渗透特性远远比岩石的渗透性来得重要。其原因是岩体中存在着的不连续面，使其渗透系数要比岩石的大得多而引人注。目前，国外已有人正在进行现场岩体的渗透性试验研究，看来这才是研究岩石渗透性的最佳方向。 (三）软化系数（)软化系数是指岩石于燥状态下的单轴抗压强度和饱和单轴抗压强度的比值。它 是表示岩石抗风化能力的一个指标：软化系数卩是一个小于或等于1的系数，该值越小，则表示岩石受水的影响越大。(四）岩石耐崩解性指数（)耐崩解性指

13、数是通过对岩石试件进行烘干，浸水循环试验所得的指数。它直接反映了岩石在浸水和温度变化的环境下抵抗风化作用的能力。耐崩解性指数的试验是将经过烘干的试块(约重500g，且分成十块左右），放人一个带有筛孔的圆筒内，使该圆筒在水槽中以 20r/min的速度，连续旋转l0min，然后将留在圆筒内的岩块取出再次烘干称重。如此反复进行两次后，按下式求得耐崩解性指数：式中表示经两次循环试验而求得的耐崩解性指数，该指数在0 100%内变化； 试验前试块的烘干质量； 残留在圆筒内试块的烘干质量。甘布尔认为:耐崩解性指数与岩石成岩的地质年代无明显的关系，而与岩石的密度成正比，与岩石的含水量成反比。并列出了表2-1的

14、分类，对岩石的耐崩解性进行评价。表21甘布尔的崩解酎久性分类绀 名次lOmin旋转后留下的丑分数（)(按十宽计）两次lOmin旋转后留下的冇分数()(按干重计）极离的耐久性>99>98高耐久件98-9995-98中等高的耐久性95-9885-95中等的耐久性85-9560-85低耐久性60-8530-60极低的耐久性<60<30(五）岩石的膨胀性含有粘土矿物的岩石，遇水后会发生膨胀现象。这是因为粘土矿物遇水促使其颗粒间的水膜增厚所致，因此，对于含有粘土矿物的岩石，掌握经开挖后遇水膨胀的特性是十分必要的。岩石的膨胀特性通常以岩石的自由膨胀率、岩石的侧向约束膨胀率、膨胀压力

15、等来表述。1.岩石的自由膨胀率岩石的自由膨胀率是指岩石试件在无任何约束的条件下浸水后所产生膨胀变形与试件原尺寸的比值。常用的有岩石的径向自由膨胀率（）和轴向自由膨胀率（)。这一参数适用于不易崩解的岩石：式中分别是浸水后岩石试件轴向、径向膨胀变形量； H，D分别是岩石试件试验前的髙度、直径。自由膨胀率的试验通常是将加工完成的试件浸人水中，按一定的时间间隔测量其变形量，最终按公式计算而得。2.岩石的侧向约束膨胀率（)与岩石自由膨胀率不同，岩石侧向约束膨胀率是将具有侧向约束的试件浸人水中,使岩石试件仅产生轴向膨胀变形而求得的膨胀率。其计算式如下：式中为有侧向约束条件下所测得的轴向膨胀变形量。3.膨胀

16、压力膨胀压力是指岩石试件浸水后，使试件保持原有体积所施加的最大压力。其试验方法类似于膨胀率试验。只是要求限制试件不出现变形而测量其相应的最大压力。上述三个参数从不同的角度反映了岩石遇水膨胀的特性，进而可利用这些参数，评价建造于含有粘土矿物岩体中的洞室的稳定性，并为这些工程的设计提供必要的参数。第三节 岩石流变力学特性及其对岩体工程耐久性的影响岩石的流变性是指岩石在恒定的外力作用下，应变随时间面增大,所产生的变形称为流变。流变也称作蠕变。(一）典型的流变曲线图2-27表示r典型的蠕变曲线。从曲线形态上看，可将该曲线分成三个阶段：1. AB阶段，称作为瞬态蠕变阶段。在施加外荷载之后，首先岩石将产生

17、瞬时的弹性应 变，这一应变是与时间无关的，如图中所示的OA段。当外荷载维持一定的时间后，岩石将产生一部分随时间而增大的应变,此时的应变速率将随时间的增长逐渐减小，曲线呈下凹型，并向直线状态过渡。在此阶段，若卸去外荷载则岩石的瞬时弹性应变最先恢复，如图中的PQ段。之后，随着时间的增加，其剩余应变亦能逐渐地恢复，如图中的QR段。QR段曲线的存在，说明岩石具有随时间的增长应变逐渐恢复的特性,这一特性被称作为弹性后效。2. BC阶段，被称作为稳定蠕变阶段。在这一阶段最明显的特点是应变与时间的关系近似地呈直线变化，应变速率为一常数。若在这第二阶段，也将外荷载卸去，则也会出现与第一阶段卸载时一样的特性，弹

18、性后效仍然存在，但是这时的应变已无法全部恢复，存在着部分不能恢复的永久变形第二阶段的曲线斜率与作用的外荷载的大小和介质的粘滞系数有关。3.C点以后阶段，为非稳态蠕变。当应 变达到C点后，岩石将进入非稳态蠕变阶段。这时岩石的应变速率剧烈增加，整个曲线呈上凹型，经过短暂的时间后试件将发生破坏。C点往往被称作为蠕变极限应力，其意义类似于屈服应力。(二）岩石蠕变的影响因素岩石蠕变的影响因素除了岩石自身矿物 成分不同将造成一定的差异之外，对于试验环境而言，主要表现为以下几个方面：1. 应力水平的影响图2-28例示了在不同的应力水平作用 下的雪花石膏的蠕变曲线。由曲线可知，当在稍低的应力作用下，蠕变曲线只

19、存在着前两个阶段，并不产生非稳态蠕变。它表明了在这样的应力作用下，试件不会发生破坏。变形最后将趋向于一个稳定值。相反，在较髙应力作用下，试件经过短暂的第二阶段，立即进人非稳态蠕变阶段，直至破坏。而只有在中等应力水平（大约为岩石峰值应力的 60%80%)的作用下，才能产生完整的螨变曲线。这对于进行蠕变试验而言，选择试验应施加的应力水平是必定要给予考虑的重要条件。此举可以避免这种试验得不到预期结果的现象出现。2.温度、湿度对蠕变的影响不同的温度将对蠕变的总变形踅以及稳定蠕变的曲线斜率产生较大的影响。有人在相同荷载、不同温度条件下进行了蠕变对比试验，得出了如下的结论：第一，在高温条件下，总应变量低于

20、较低温度条件下的应变量；第二，蠕变曲线第二阶段的斜率则是高温条件下要比低温时小得多。在不同的湿度条件下，同样对蠕变特性产生较大的影响。通过试验可知,饱和试件的第二阶段蠕变应变速率和总应变量都将大于干燥状态下试件的试验结果。因此，对于岩石蠕变试验来说，由于试验时所测得的应变量级都很小，故要求严格控制式验室的温度和湿度，以免由于环境的变化而改变了岩石的蠕变特性。(三）岩石蠕变特性和常规变形特性的联系常规变形特性和蠕变特性，虽然代表了两种不同的试验条件下岩石所产生的变形特性。但是二者最终的应变量却有着惊人的相同之处。图2-29所示二者试验结果的比较。在应力-应变全过程曲线中，蠕变试验的轨迹应该是一条

21、水平线。 如以C点作为施加在试件上的应力水平，则其应力-应变曲线如图中的CD所示。而D 点即为该应力水平下蠕变破坏的最终应变量。这几乎与应力-应变全过程曲线在相同应力水平下的应变量相同，而图中斜线IH表 示了蠕变试验在低应力水平作用下最终应变量的轨迹线。若以E点的应力水平进行蠕变 试验，那么，F点则可近似地看成在这一应力水平作用下，可能产生的最大应变量。第四节 岩石及岩体结构对岩石及岩体强度特性的影响一、结构面的概念一个天然岩体，从宏观上来说，它是由节理或裂隙切割成一块一块的、互相排列与咬合着的岩块所组成的。岩体中往往具有明显的地质遗迹,如假整合、不整合、榷皱、断层、节理、劈理等。它们在岩体力

22、学中一般都统称为节理。由于节理的存在，造成了介质的不连续，因 而，这些界面又称为不连续面或结构面。它造成了岩体的不连续性和各向异性，同时还反映 了区域地质构造和自然应力场的特征。由于岩体中有结构面的存在，使岩体与岩石的力学特性之间有很大的差异。从岩体的力学属性来看，可认为：完整的岩体属连续介质力学范畴；面碎屑岩体或糜棱岩体则属土力学范畴；介于上列二者之间的裂隙体或破裂体也统称节理岩体，因它受节理切割的影响，可 认为是有地质力学的属性即由地质的特点面决定其力学性能的，其力学属性被认为部分属从岩体的力学强度来看,岩石的强度与组成此岩体的岩块 和节理的力学性能有很大不同，图本1给出了节理岩体的强度区

23、别。从该图中可见，节理的强度低于岩石的强度，面节理岩体的强度在节理的强度和岩块的强度之间。所以，研究节理岩体的力学性能要从非节理岩石、节理及节理岩体这三方面的力学 性能来考虑。可见，如果工程设计仅凭室内岩样试验指标来代表野外天然岩体的力学性能，将会造成很大的误差。二、结构面的分类按照工程的要求，岩体中结构面的分类有以下几方面。(一）结构面的绝对分类和相对分类绝对分类是建立于结构面的延展长度基础上的。一般将结构面分为：细小的结构面，其延长小于1m；中等的其延长为110m；巨大的其延长大于10m。绝对分类的缺点是没有与工程结构相结合面所谓结构面的大小，都是相对于工程而言的。相对分类是建立于地质不连

24、续面尺寸的基础上。所谓相对，是指结合工程结构类型而言。按工程结构类型和大小的不同，可将结构而分为细小的、中等的及大型的。(二）按力学观点的结构分类一个自然地质体，当其形成和受到地质因素作用后，特别是受到构造力作用后，在地质体内产生的各种结构而，它可以是稀疏的，也可以是密集的；可以是充填各种各样的砂砾粘土，也可以是互相有规律地排列或贯通。总之，自然地质体内存在有各种各样的结构面，千变万化，而且又在很大的程度上决定了岩体的力学性能。为了便于研究岩体的力学性能，按力学观点可将岩体的地质破坏分为三大类:第一类为破坏面，它是属于大面积的破坏，以大的和粗的节理为代表。一般认为这种破坏是由缓慢的地质作用所形

25、成。第二类为破坏带，它是属于小面积的密集的破坏，以细节理、局部节理、风化节理等为代表。一般认为是由快速的地质作用所形成。第三类为破坏面与破坏带的过渡类型，它具有破坏面和破坏带的力学特点。缪勒按上述地质破坏特点将结构面分为五大类型。即单个节理、节理组、节理群、节理带以及破坏带或糜棱岩。在此五大类型基础上，又按充填节理中的材料性质和程度以及糜棱岩化程度将每种类型分成三个细类。这样，共将结构面分为十五个细类。这里应注意到：粗节理可以成单个节理形式出现，也可以成节理组出现。对于后一种情况，粗节理经常地很明显占有主要位置，因而可作为主要破坏被确定，而其他则作为伴随破坏。在粗节理(和大的节理）中经常发现有

26、磨碎的充填物，如裂隙粘质土和细粒粉状岩石(糜棱岩）与其他充填物，它们的形成往往由于节理或断层两壁发生重复和相反方向运动而使其间的岩体被压晬和磨碎。其破碎程度，在带状破坏情况时，占优势的块体尺寸为10100mm;在粗糜棱岩中，其颗粒尺寸一般为0.02 l.0mm，糜棱岩中，颗粒直径为0.0020.02cm或更小些。三、岩体破碎程度的分类上述介绍了各种结构面的形式，现在，我们讨论有关岩体破碎程度的鉴别。为了区分岩体的破碎程度，在这里先介绍有关岩体中节理的两个定量指标。(一）裂隙度K裂隙度尺是指沿着取样线方向，单位长度上节理的数量。设有一取样直线,其长度为，在沿长度内出现节理的数量为n，则那么，沿着

27、取样线，节理的平均间距d为当取样线垂直节理的走向时，则为节理走向的垂直间距。当节埋垂真间距d>180cm 时，岩体的连续性具有整体的结构性质；d = 30 180cm时，则为块状结构；d<30cm时，则为碎裂结构，而当d<6.5cm时，则称为极碎裂的结构。当岩体上有几组方向的节理时，如图4-3，有两组节理和和。则沿取样线 x上的节理平均间距和为 ，该取样线上的裂隙度尺为各组节理的裂隙度之和。即式中，各组节理的裂隙度，即按裂隙度K的大小，可将节理分成:疏节理（K = 01）；密节理（K = 110)；非常密集节理（K = 10100）；压碎或糜棱化带（K =10 01000）。

28、(二）切割度切割度是指节理在岩体中分离的程度，有些节理可将整个岩体完全切割，而有些节理由于其伸延不长，则只能切割岩体中的一部分，没有将整个岩体分离开。现在来讨论仅从一个节理确定岩体被切割的程度。首先，假设有一平直断面，它与岩体中该节理面重叠，而且完全地横贯所考虑的岩体体积，该平直断面的面积令其为A。那么，这个平直断面的面积A与节理面的面积a之间的比率就是连续面和不连续面之间的比率,称其为切割度 。切割度一般以百分数表示。当比率为0.5时，表示横贯岩体的平直断面有50% 是被切割（或分离）的。在该情况下，说明这岩体在此平直断面内有50%没有分离，是连续的。当为1时，沿着该断面的岩体完全地被节理切

29、割。相反，如果为零时，则岩体为完整体，是连续的。岩体中经常地出现成组的平行的节理。若在同一平直面上出现的节理面积为则(3） 岩体破碎程度分类按照岩体的裂隙度K和切割度X,的关系，可将岩体的破碎程度划分为如表4-3所示。 从表4-3中可见，由于裂隙度火与切割度Xe的关系不同，而得出岩体的破碎程度不同。在该表中分出五种不同破碎程度的岩体；似均质性；弱节理化节理化；强节理化及完全节理化。四、结构面的几何特征结构面的几何特征是反映节理的外貌，它由下列要素所组成：1.走向。它是指节理面与水平面相交的交线方向。一般用方位角表示，例如N30°E。2.倾斜。它包括有节理而的倾斜角度与倾斜方向。所谓倾

30、斜角度，系指水平面与节理面间所夹的最大角度，它是垂直节理面走向的倾角。而倾斜方向是与走向成垂直的方向，它是节理面上倾斜线最陡的方位，也等于节理面的走向加上或减去90°而得。3.连续性。它包括节理倾斜连续性和走向连续性。它是根据现场节理面沿着节理走向和倾斜方向而测量的尺寸。连续性是给切割度的计算作为依据。4.粗糙度。它指节理表而的粗糙程度。平滑的表面较粗糙表面有较低的摩擦角。5.起伏度。节理表面经常成波状起伏，它可增加岩体滑移时的爬坡或顺坡的能力。因而建立了起伏度的概念。起伏度包括两个要素:幅度及长度。起伏波的幅度是指相邻两波峰连线与其下波槽的最大距离a，起伏波的长度是指两相邻波峰之距离当幅度越大面波长越小，则表示节理表面起伏越急峻。四、碎块岩体的破坏碎块岩体是指岩体内节理、裂隙、层理、片理等结