一、引言人類活動與巖石工程（RockEngineering）遠古石器，穴居約4700年前金字塔（146.5m)公元1600年火藥采礦19世紀鐵路隧道技術20世紀大型水電工程

巖石圈是人類賴以生存的主要載體，人類的大部分活動都是在巖石圈上進行的：巖基、邊坡，地下洞室，隧道工程等南水北調，西氣東輸，三峽大壩工程

“高峽出平湖，當驚世界殊”

經典的巖石工程與事故災害(Catastrophe)

2.1經典巖石工程（金字塔，三峽工程，見上）:2.2.事故災害:Malpasset壩，壩高66m，于1954年末建成并蓄水。1959年12月2日，壩基突然失穩(wěn)導致大壩潰決，僅右岸基礎部分有些殘壩。洪水沖出峽谷流速達20km/h，下游Frejus城鎮(zhèn)部分被毀，死亡421人，財產損失達300億法郎。（1）20世紀50年代末法國Malpasset拱壩的失事（2）60年代初意大利Vajont大壩水庫高邊坡的崩潰

意大利Vajont拱壩，壩高262m，于1959年建成，是當時世界上最高的拱壩。1963年10月9日夜，由于大壩上游山體突然滑坡，約2.5億立方的山體瞬時涌入水庫，涌浪摧毀上游及下游一個小鎮(zhèn)與鄰近幾個村莊，造成約2500人死亡，整個災害的持續(xù)時間僅僅5分鐘。這兩次事件促成了國際巖石力學學會（ISRM,InternationalSocietyforRockMechanics）在1963年于奧地利薩爾茨堡成立。

(1985年，中國巖石力學與工程學會正式成立)。二、巖石力學學科的形成及定義

1951年，J.Stini和L.Müller等在Salzburg發(fā)起和舉行了以巖體力學為主題的第一次國際巖石力學討論會，為把工程地質與力學相結合、為建立巖石力學這門邊緣學科跨出了重要的一步，并創(chuàng)辦了《GeologieundBauwesen》，1962年改名為《RockMechanics&RockEngineering》1956年4月，在美國的科羅拉多礦業(yè)學院舉行的一次專業(yè)會議上，開始使用“巖石力學”這一名詞，并由該學院匯編了“巖石力學論文集”。在論文集的序言中說：“它是與過去作為一門學科而發(fā)展起來的土力學，有著相似的概念的一門學科，對這種有關巖石的力學方面的學科，現取名為巖石力學”。1957年在巴黎出版的塔洛布爾（J.Talobre）的專著“巖石力學”是這方面較早的一本較系統(tǒng)的著作。其后，開始形成了不同的巖石力學學派（如法國學派，偏重于從彈塑性理論方面來研究；奧地利學派，偏重于地質構造方面來研究）。37年，首部巖石力學專著(秦巴列維奇)《巖石力學》具體而言，研究巖石在荷載作用下的應力、變形和破壞規(guī)律以及工程穩(wěn)定性等問題。上述定義是把“巖石”看成固體力學中的一種材料，然而巖石材料不同于一般的人工制造的固體材料，它是一種典型的“連續(xù)介質”，具有復雜的地質構造和賦存條件的天然地質體。巖石力學的定義（RockMechanics)1964年5月美國地質學會巖石力學專業(yè)委員會所下的定義為：“巖石力學是研究巖石的力學性狀（behavior）的一門理論和應用的科學，它是固體力學的一個分支，是探討巖石對其周圍物理環(huán)境中力場反應的學科?！比?、巖石力學理論的發(fā)展簡史初始階段(19世紀末~20世紀初)

巖石力學的萌芽時期A.Heim(1912)提出了靜水壓力的理論W.J.M.Rankine（朗肯）和A.H.ДИННИΚ(金尼克)地層壓力的修正理論，即經驗理論階段(20世紀初~20世紀30年代)

該階段根據生產經驗提出了經典的地壓理論，具有代表性的理論有：普羅托吉雅柯諾夫提出的自然平衡拱學說，即普氏理論．圍巖開挖后自然塌落成拋物線拱形，作用在支架上的壓力等于冒落拱內巖石的重量，僅是上覆巖石重量的一部分．太沙基(K．Terzahi)理論

圍巖塌落成矩形，而不是拋物線型．優(yōu)點與缺點

上述理論在一定歷史時期和一定條件下還是發(fā)揮了一定作用的，但是圍巖的塌落并不是形成圍巖壓力的惟一來源，也不是所有的地下空間都存在塌落拱．圍巖和支護之間并不完全是荷載和結構的關系問題，在很多情況下圍巖和支護形成一個共同承載系統(tǒng)，而且維持巖石工程的穩(wěn)定最根本的還是要發(fā)揮圍巖的作用．經典理論階段(20世紀30年代~20世紀60年代)

巖石力學學科形成的重要階段彈性、塑性力學被引入，提出一些經典的解析計算公式重視結構面對巖體力學性質的影響形成圍巖與支護共同作用理論實驗方法的完善一系列巖石力學文獻和專著的出版巖體工程問題的解決形成了“連續(xù)介質理論”和“地質力學理論”兩大學派連續(xù)介質理論

特點：以固體力學作為基礎，從材料的基本力學性質出發(fā)來認識巖石工程的穩(wěn)定問題。30年代，薩文(P.H.Савин)采用無限大板孔應力集中的彈性解分析圍巖的應力分布；50年代，彈塑性理論應用于圍巖穩(wěn)定性研究；R.Fenner－J.Talobre公式和H.Kastner公式；應用流變理論對隧洞圍巖的進行粘彈性分析；S.Serta公式

不足：解析方法僅適合平面的圓形巷道，不能模擬開挖過程；由于巖體中節(jié)理、裂隙的存在，圍巖力學性質參數和準確的本構關系難以確定。地質力學理論

特點：，強調對巖體節(jié)理、裂隙的研究，重視巖體結構面對巖石工程穩(wěn)定性的影響和控制作用。20年代，由德國人H.Cloos創(chuàng)立51年，J.Stini和L.Müller創(chuàng)立了“奧地利學派”：在理論方面，指出工程圍巖穩(wěn)定性與原巖應力和開挖后巖體的力學強度變化密切相關，重視巖石工程施工過程中應力、位移和穩(wěn)定性狀態(tài)的監(jiān)測，重視支護與圍巖的共同作用，特別重視利用圍巖自身的強度維持巖石工程的穩(wěn)定性在施工方面，提出了“新奧法”，符合現代巖石力學理論不足：過分強調節(jié)理、裂隙的作用，過分依賴經驗，而忽視理論的指導作用現代發(fā)展階段(20世紀60年代－現在)

特點：用更為復雜多樣的力學模型分析巖石力學問題；把物理學、力學、系統(tǒng)工程、現代數理科學、現代信息技術等最新成果引入了巖石力學；電子計算機的廣泛應用為流變學、斷裂力學、非連續(xù)介質力學、數值方法、灰色理論、人工智能、非線性理論等在巖石力學與工程中的應用提供了可能．從“材料”概念到“不連續(xù)介質概念”是現代巖石力學的第一步突破；進入計算力學階段是第二步突破；

有限元、邊界元、離散元、位移非連續(xù)法（DDA)和流行法非線性理論、不確定性理論和系統(tǒng)科學理論進入實用階段，則是巖石力學理論研究及工程應用的第三步意義更為重大的突破．

耗散結構論、協(xié)同學、分叉和混沌理論，模糊數學、人工智能、灰色理論四、巖石力學中的幾個基本概念巖石(Rock)定義：巖石是組成地殼的基本物質，它是由礦物或巖屑在地質作用下按一定規(guī)律凝聚而成的天然地質體。巖石按照其成因可分為三類：巖漿巖，沉積巖和變質巖，不同成因類型的巖石具有不同的物理力學性質（自學、了解）。巖塊

自然地質體的小塊巖石稱為巖塊。我們平時所稱的巖石，在一定程度上都是指巖塊。

實驗室通常用的巖石試件是由鉆孔獲取巖芯或在工程范圍內用爆破或其他方法獲得的巖石碎塊加工而成。巖石試件通常是不包含有顯著弱面的、較均質的巖石塊體，可看作連續(xù)介質及均質體。巖體

(RockMass)

巖體是指在一定地質條件下，含有諸如節(jié)理、斷層、裂隙、層理、劈理等不連續(xù)結構面的復雜地質體。巖石和巖體的重要區(qū)別就是巖體包含若干不連續(xù)面。由于不連續(xù)面的存在，巖體的強度遠低于巖石的強度。斷層（Fault）

褶皺

(Drape)

層理

(Lamina)

巖體結構巖體結構：包括結構面和結構體兩個基本要素。結構面：巖體內具有一定方向、延展較大、厚度較小的面狀地質界面，包括物質的分界面和不連續(xù)面。結構體：被結構面所包圍的完整巖石或隱蔽裂隙的巖石，由不同產狀的結構面組合切割而形成的巖石塊體。結構面對巖體結構類型的劃分常起著主導作用。在研究結構面時，一方面要注意結構面的強度、密度及其延展性，另一方面還需注意結構面的規(guī)模大小和它們之間的組合關系。中國科學院地質研究所從巖體結構角度提出了巖體結構分類(P3,表1-1)。我國還有不少專門為工程目的的巖體分類。例如為建造地下隧道和洞室的圍巖分類(鐵路隧道規(guī)范分類、巖石地下建筑技術措施分類等)，都是以巖體結構分類為基礎。

巖體結構：由結構面的發(fā)育程度和組合關系或結構體的規(guī)模及排列形式決定的。巖體結構類型的劃分反映出巖體的不連續(xù)性和不均一性特征。五、巖石力學的基本研究內容(1)巖石、巖體的地質特征

物質組成和結構特征結構面特征及其對巖體力學性質的影響巖體結構及其力學特性巖體工程分類(2)巖石的物理、水理與熱力學性質(3)巖石的基本力學性質

變形、強度特征及力學指標參數主要影響因素，包括加載條件、溫度、濕度等變形破壞機理及其破壞判據

(4)結構面力學性質(5)巖體力學性質

巖體的變形、強度特征及其原位測試技術巖體力學參數的弱化處理與經驗估計主要因素影響巖體中地下水賦存、運移規(guī)律及巖體的水力學特征(6)原巖應力分布規(guī)律及其測量理論與方法

結構面在法向壓應力及剪應力作用下的變形特征及參數確定結構面剪切強度特征及其測試技術和方法(7)工程巖體的穩(wěn)定性(8)巖石工程穩(wěn)定性維護技術

包括巖體性質的改善與加固技術等(9)新技術、新方法和新理論在巖石力學中的應用(10)工程巖體的模型、模擬試驗及原位監(jiān)測技術

數值模型模擬物理模型模擬原位監(jiān)測可檢驗巖體變形與穩(wěn)定性分析成果的正確性在開挖作用下的應力和位移分布特征、變形破壞特征、穩(wěn)定性分析與評價六、巖石力學的研究方法(1)

工程地質研究方法

巖礦鑒定方法構造地質學及工程勘察方法水文地質學方法(2)科學實驗方法（科學實驗是巖石力學發(fā)展的基礎）實驗室?guī)r石力學參數測試、模型試驗、現場巖體原位試驗及監(jiān)測技術、地應力的測量和巖體構造的測定等地質構造的勘測、大地層的力學測定新實驗技術：遙感技術、激光散斑和切層掃描技術、三維地震勘測成象和三維CT成象技術、微震技術等（3）數學力學分析方法

力學模型：剛體、彈性、塑性、流變、細觀、損傷、斷裂、塊體力學數值分析：有限差分法、有限元法、邊界元法、離散元法、無單元法、流形元法、不連續(xù)變形分析、和反演分析法等模糊聚類和概率分析：隨機分析、可靠度分析、靈敏度分析、趨勢分析、時間序列分析和灰色系統(tǒng)分析等模擬分析：光彈應力分析、相似材料模型試驗、離心模型試驗(4)整體綜合分析方法

將實驗、理論和工程監(jiān)測以及經驗相結合，利用信息、系統(tǒng)科學理論進行計算機科學決策七、巖石力學的應用范圍(1)水利水電工程

壩基及壩肩穩(wěn)定性、防滲加固理論和技術有壓和無壓引水隧道設計、施工及加固理論技術大跨度高邊墻地下廠房的圍巖穩(wěn)定及加固技術高速水流沖刷的巖石力學問題水庫誘發(fā)地震的預報問題庫岸穩(wěn)定及加固方法(2)采礦工程

露天采礦邊坡設計及穩(wěn)定加固技術井下開采中巷道和采場圍巖穩(wěn)定性問題，特別是軟巖巷道和深部開采地壓控制問題礦柱穩(wěn)定性及開采優(yōu)化設計問題(采場結構、開采順序、開挖步驟等)設計問題礦井突水預測、預報及預處理理論和技術巖爆、煤與瓦斯突出及預處理理論和技術采空區(qū)處理及地面沉降問題巖石破碎問題(3)鐵道和公路建設工程線路邊坡穩(wěn)定性分析隧道設計和施工技術隧道施工中的地質超前預報及處理隧道入口施工技術及洞臉邊坡角的確定和加固措施地鐵及過江隧道施工技術(4)土木建筑工程高層建筑地基處理與加固技術大型地下硐室與建筑空間設計、施工與加固地面建筑物沉降、傾斜和糾偏技術山坡及臨坡建筑物基礎滑坡監(jiān)測預報與防治技術(5)石油工程(6)海洋勘探與開發(fā)工程(7)核電站建設中核廢料處理技術(8)地層熱能資源開發(fā)技術問題(9)地震預報中的巖石力學問題(10)地下軍事工程及防護問題巖石應力與滲透性及采油技術石油、天然氣運輸與儲存工程對環(huán)境的影響巖石力學與地球物理勘探綜合研究鉆探技術與井壁穩(wěn)定性第二章巖石的基本物理力學性質本章內容巖石的基本物理性質；巖石的強度特性；巖石的變形特性；巖石的強度理論?；疽笳莆諑r石的基本物理性質，理解巖石的變形性質；掌握巖石的強度特性；掌握莫爾強度理論、庫倫—莫爾強度理論；了解格里菲斯理論；2025/10/933第二章巖石的基本物理力學性質第一節(jié)基本物理性質第二節(jié)巖石的強度特性第三節(jié)巖石的變形特性第四節(jié)巖石的強度理論主要內容2025/10/934基本物理性質一、巖石的孔隙性二、巖石的水理性三、巖石的抗凍性四、巖石的質量指標返回巖石含：固相、液相、氣相（孔隙）。

三相比例不同，物理性質指標也有所不同。聯(lián)系2025/10/935巖石的強度性質一、巖石的單軸抗壓強度二、巖石的三軸抗壓強度三、巖石的抗剪強度四、巖石的抗拉強度返回巖石強度:巖石材料受力破壞時所能承受的最大荷載應力本節(jié)討論[σ]問題工程師對材料提出兩個問題1.最大承載力——許用應力[σ]？2.最大允許變形——許用應變[ε]？試驗方法2025/10/936巖石的變形特性（彈，塑，粘）一、巖石在單軸壓縮作用下的變形特性（1）普通試驗機下的變形特性（2）剛性試驗機下的單向壓縮的變形特性二巖石在三軸壓應力下的變形特性三、巖石的流變特性返回2025/10/937一、巖石的孔隙性：（一）孔隙比VV—孔隙體積(m3)

Vs

—巖石固體的體積(m3)（二）孔隙率V=VV+Vs返回——反映孔隙發(fā)育程度的指標V—包含孔隙在內的巖石體積(m3)2025/10/938二、巖石的水理性質（一）含水性1、含水量：巖石孔隙中含水量(WW)與巖石烘干重量(Ws)比值的百分率

w=Ww/Ws×100％2、吸水率：干燥巖石試樣在一個大氣壓和室溫條件下吸入水的重量與巖石烘干重量之比吸水率是一個間接反映巖石內孔隙多少的指標W0－烘干巖樣浸水48h后的濕重(kN)含水性膨脹性軟化性滲透性耐崩解性Ws：在105-110°C溫度下烘干24小時的重量(kN)

2025/10/939（二）滲透性滲透性：在一定的水壓作用下，巖石的孔隙和裂隙透過水的能力，可用滲透系數來衡量。滲透系數是介質對某種特定流體的滲透能力，取決于巖體物理特性和結構特征，如孔隙和裂隙大小，開閉程度以及連通情況等大多滲透性可用達西（Darcy）定律描述：——水頭變化率；qx——沿x方向水的流量，m3/s

；h——水頭高度，m；A——垂直x方向的截面面積，m2；k——滲透系數，m/s。2025/10/940(四)軟化系數Rcw——飽和單軸抗壓強度；

Rc——干燥單軸抗壓強度；η

（η≤1）越小，表示巖石受水的影響越大(見表2-2）。軸向自由膨脹（%）

H——試件高度

徑向自由膨脹（%）

D——直徑

（三）巖石的膨脹性自由膨脹率：無約束條件下，浸水后膨脹變形與原尺寸之比2025/10/9412025/10/942(五)耐崩解性試驗時，將烘干的試塊，約500g，分成10份，放入帶有篩孔(2mm)的圓筒內，使圓筒在水槽中以20r／min速度連續(xù)轉10分鐘，然后將留在圓筒內的石塊取出烘干稱重。如此反復進行兩次，按下式計算耐崩解性指數：殘留在筒內的試件烘干質量mR試驗前的試件烘干質量(mS)耐崩解性指數是通過對巖石試件進行烘干，浸水循環(huán)試驗所得的指標。返回2025/10/943三、巖石的抗凍性抗凍性:巖石抵抗凍（脹）融破壞的性能，通常用抗凍系數表示。返回巖石的抗凍系數是指巖樣在±25℃的溫度區(qū)間內，反復降溫、凍結、升溫、融解，其抗壓強度有所下降，巖樣抗壓強度的下降值與凍融前的抗壓強度之比：Cf—巖石的抗凍系數；Rcf—巖石凍融后的抗壓強度(kPa)2025/10/944密度比重1、巖石的密度：單位體積內巖石的質量。四、巖石的質量指標（1）天然密度：自然狀態(tài)下，單位體積質量

M——巖石總質量，kg；V——總體積，m3。（2）干密度：巖塊中的孔隙水全部蒸發(fā)后的單位體積質量（108℃烘24h）

Ms——巖石烘干后的質量，kg。2025/10/9452、巖石的比重：巖石固體烘干重量（WS）與4℃時同體積純水的重量比

VC——巖石實體部分(不包含孔隙）的體積；——一個大氣壓下4℃時水的重度

返回（3）飽和密度：巖石中的孔隙被水充填時的單位體積質量（水中浸48小時）VV——孔隙體積ρW:一個大氣壓下4℃時水的密度(kg/m3)測定方法及適用條件：量積法、水中稱重法、蠟封法。2025/10/946一巖石的單軸抗壓強度1.定義：指巖石試件在單軸壓力作用下（無圍壓，只受軸向壓力）所能承受的最大壓應力，也即是巖石在達到破壞時承受的最大軸向荷載P除以試件的橫截面積A。2.試驗方法：圓柱形試件：Ф4.8－5.2cm，高H=（2－2.5)Ф長方體試件：邊長L=4.8－5.2cm,高H=（2－2.5)L兩端面垂直于軸線±0.25o試件兩端不平度0.05mm；試件標準：試驗裝置：2025/10/9472025/10/9483.單向壓縮試件的常見破壞形態(tài)（1）單斜面剪切破壞：最常見的破壞方式（2）圓錐形破壞

原因：壓板兩端存在摩擦力，箍作用（又稱端部效應），在工程中也會出現。（3）柱狀劈裂破壞巖石單向壓縮破壞的真實反映（消除了端部效應）

產生的是張拉破壞（∵巖石的抗拉強度遠小于抗壓強度）

消除端部約束方法：磨平端部、潤滑試件端部（如墊云母片；涂黃油在端部）、加長試件2025/10/9494.單軸抗壓強度的主要影響因素巖石自身的因素：

礦物成分、結晶程度、顆粒大小及膠結情況、風化程度、含水情況和周圍環(huán)境（溫度、濕度）

層理和裂隙的特性和方向等；

含水量：含水量越大強度越低，巖石越軟越明顯；

溫度：180℃以下不明顯；大于180℃，溫度越高強度越小。

（跟巖性有關，深部巖體力學）2025/10/950（1）試件

形狀：圓形試件不易產生應力集中，好加工尺寸：寬度大于礦物顆粒的10倍（Ф50的依據），長度

不宜太長或太短，高徑比

h/d≥(2－2.5)較合理(受力均勻）（2）承壓板端部摩擦力試驗機剛度（3）加載速率

加載速率越大，表現強度越高(見圖2－5)(機理研究熱點）

我國規(guī)定加載速度為0.5－1.0MPa/s實驗方法上的因素：2025/10/951返回2025/10/952二巖石的三軸抗壓強度指在三向壓縮荷載作用下巖石所能承受的最大壓應力。

2.三向壓縮試驗簡介（1）真三軸（2）常規(guī)三軸1.定義2025/10/9532025/10/9543.三軸壓縮試驗的破壞類型2025/10/955具體破壞形式的多樣化2025/10/9564.巖石三向壓縮強度的影響因素（1）側壓力的影響圍壓越大，軸向壓力越大2025/10/957（2）加載途徑對巖石三向壓縮強度影響

A、B、C三條虛線是三個不同的加載途徑，加載途徑對巖石的最終三軸壓縮強度影響不大（？）。2025/10/958（3）孔隙水壓力對巖石三向壓縮強度的影響孔隙水壓力使有效應力（圍壓）減小強度降低返回2025/10/959三巖石的抗剪強度1.定義

在剪切荷載作用下達到破壞前所能承受的最大剪應力2.常用試驗方法直接剪切試驗角模壓剪試驗2025/10/960直接剪切試驗A—試樣的剪切面面積。

給定不同的σ(或P）進行多次試驗，求出不同的τ，近似直線得：

tanφ－巖石抗剪切內摩擦系數；（φ－內摩擦角）

c－巖石的粘聚力1.2.2025/10/961角模壓剪試驗fPQNαQNPα其中，P——壓力機的總壓力

α——試件傾角

f——圓柱形滾子與上下壓板的摩擦系數

①試驗裝置:楔形剪切儀②荷載計算公式③剪切破壞面上的正應力σ和剪應力τ：其中，A剪切面面積2025/10/962巖石的抗剪斷σ－τ曲線（強度曲線）

tanφ－巖石抗剪切內摩擦系數

c－巖石的粘聚力返回做一組（大于5次）不同α的試驗，記錄所得的σ,τ值；由該組值作曲線,近似直線得方程改變夾具傾角α：30度～70度2025/10/963四巖石的抗拉強度定義：在單軸拉力作用下巖石試件抵抗破壞的極限能力，在數值上等于破壞時的最大拉應力。直接拉伸法間接拉伸法2.

拉伸試驗方法拉伸試驗方法巴西劈裂法點荷載法計算公式不同（不易成功）2025/10/964直接拉伸試驗方法應力集中兩端破壞（強度)夾持力，聯(lián)結力不足從中拔出應力集中兩者變形？高強度水泥高強度樹脂兩者膠結力變形是否協(xié)調2025/10/965巴西劈裂法（對稱徑向壓裂法）

由巴西人Hondros提出實驗思想：徑向壓縮導致劈裂,注意：接觸并非單線接觸，有一定接觸面積（弧高≤1/20D）試件：實心圓柱Φ50mm;δ25mm換圖蔡拉伸破壞研究熱點：平臺加載加載速度

σt:試件中心的最大拉應力，即RtD:試件的直徑t:試件的厚度δ試驗要求:①沿平行于軸線的一條邊緣線均勻加載②破壞面必須通過試件直徑2025/10/966點荷載試驗法

是上世紀發(fā)展起來的一種簡便的現場試驗方法。試件：任何形狀（優(yōu)點），尺寸大致50mm，不做任何加工。試驗：直接放到現場的點荷載儀上，加載劈裂破壞。計算：I——點荷載強度指標P——試件破壞時的極限荷載y

——加載點試件的厚度統(tǒng)計公式：要求:由于離散性大，每組15個，取均值

建議：用Ф50mm的鉆孔巖芯為試件。返回2025/10/967第三節(jié)巖石的變形特性彈性：物體受外力作用瞬間即產生全部變形，卸載后立即恢復原有形狀和尺寸的性質塑性：物體受力后產生變形，在卸載后變形不能完全恢復的性質粘性：物體受力后變形不能瞬時完成，且應變速率隨應力增加而增加的性質，又稱為流變性（蠕變，松弛，彈性后效）。屈服極限1.基本概念：η：粘性系數2025/10/9682.

基本力學模型：

1、彈性模型

2、理想塑性

3、粘性模型

η—粘性系數（poise；poise=0.1N·S/m2）變形與時間無關卸載后是否有殘余變形變形與時間有關無有變形特性(σ0

：屈服應力)2025/10/9693.

基本元件2025/10/9702025/10/971η牛頓粘性系數；單位:泊。1posie=0.1N·s/m2返回2025/10/972一、巖石在單軸壓應力作用下的變形特性1、典型的巖石應力-應變曲線（一）普通試驗機下的變形特性特點：①σ1－ε1曲線，應變率隨應力增加而減??；②塑性變形（變形不可恢復）原因：微裂隙閉合（壓密）a.分三個階段:1）原生微裂隙壓密階段（OA）特點：①σ1－ε1

曲線是直線；②彈性模量，E為常數（變形可恢復）原因：巖石固體部分變形，B點開始屈服，B點對應的σB應力為屈服極限，超過B點卸載有塑性變形。2）彈性變形階段（AB）3）彈塑性（非線性）變形階段（BC）特點：①σ1－ε1

曲線；②有塑性變形產生，變形不可恢復；③應變速率不斷增大。原因：新裂紋產生，原生裂隙擴展。脆性：應力超出屈服應力后，并不呈現出明顯的塑性變形而破壞，即為脆性破壞。巖石越硬，BC段越短，脆性行為越明顯。注意：半程壓縮曲線2025/10/9731.直線或近似直線（彈性體）2.曲線向下彎曲（彈塑性體）3.初向上彎曲后直線（塑-彈性體）4.曲線似S型（塑-彈-塑性體）5.初小段直線后進入非彈性的曲線部分（彈-粘性體）b.實際應力-應變曲線可分成五類:2025/10/974c.彈性常數的確定

彈性模量國際巖石力學學會（ISRM）建議三種方法

切線模量

()

割線模量()

變形模量

()

2025/10/9752、巖石加、卸載特性2025/10/9763、循環(huán)加卸載曲線特點：①多次反復加、卸載，變形曲線與單調加載曲線上升總趨勢保持一致（巖石的“變形記憶功能”）。②卸載應力(超過屈服點）越大，塑性滯回環(huán)越大（原因：裂隙的擴大，能量的消耗）；2025/10/977等荷載循環(huán)加、卸載時的應力-應變曲線特點：①隨著循環(huán)次數增多，塑性滯回環(huán)愈來愈窄，直到沒有塑性變形為止。②當循環(huán)應力峰值低于某一臨界應力時，多次循環(huán)不會導致試件破壞；③當超過臨界應力時，會發(fā)生疲勞破壞?！ㄆ趶姸龋┓祷?025/10/9781）剛性試驗機工作原理壓力機加壓（貯存彈性能）巖石試件達峰值強度（釋放應變能）導致試件崩潰。AA′O2O1面積——峰值點后，巖塊產生微小位移所需的能。ABO2O1——峰值點后，普通機釋放的能（貯存的能）。ACO2O1面積——峰值點后，剛體機釋放的能（貯存的能）。（二）剛性試驗機下巖石單向壓縮變形特性普通試驗機得到峰值前的變形特性，多數巖石在峰值后工作。2025/10/9792）應力－應變全過程曲線形態(tài)

分四個階段：前3階段同普通試驗機，第4階段為應變軟化階段

第4階段特點：①CD段：破裂巖塊相互咬合成整體狀而承載，原生和新生裂隙相互交叉、聯(lián)合形成宏觀斷裂面，承載力隨應變增加而減少（軟化現象）。

②到達D點以后，靠碎塊間的摩擦力承載，稱為殘余應力。全程壓縮曲線2025/10/980③C點后有殘余應變，反復加卸載時，隨變形增加，塑性滯環(huán)的斜率降低。④

C點后，可能會出現壓應力下的體積增大現象，稱此為擴容現象.2025/10/981巖石的體積應變特性在壓力作用下，巖石發(fā)生非線性體積變形可分為三個階段：1體積減小階段：彈性階段內，體積變形呈線性變化。2體積不變階段：巖石體積雖有變形，但應變增量接近于零，即巖石體積大小幾乎沒變化。3擴容階段：在塑性段及峰后區(qū)，主要是由于裂隙產生、貫穿、滑移、錯動、甚至張開造成。一般巖石：μ=0.15-0.35，當μ>0.5時，就是擴容。2025/10/982獲取全程試驗曲線的處理方法增加試驗機剛度

使用剛性試驗機，就沒有大量的應變能貯存在試驗機內，巖石在超過峰值強度破壞后就不會產生突發(fā)性破壞，這樣就能獲得峰后的變形、強度特征．為了減少在試驗過程中軟性(soft)試驗機的彈性變形及貯存在其中的變形能，就必須增加試驗機（鋼構件、液壓柱）的剛度，為此出現了剛性試驗機(stifftestingmachine)．2025/10/983

采用液壓伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)能根據巖石破壞和變形情況控制變形速度，使變形速度保持為恒定值。伺服系統(tǒng)有一個反饋信號系統(tǒng)：檢查當前施加的荷載是否保持事先確定的變形速度，否則會自動地調整施加的荷載，以保持變形速度的恒定。反饋信號響應的時間為2-3μs,這個速度遠大于裂隙傳播速度，因而即使出現過量荷載，裂隙還未來得及傳播，荷載就被減小了，巖石破壞得到有效控制。注意：對于特別堅硬的巖石，除采用帶有伺服系統(tǒng)的剛性試驗機外，施加一定的圍壓是必要的，可以使破壞后的巖石變形得到有效控制。2025/10/984（1）巖石的屈服應力、抗壓強度、峰值時的極限應變量、殘余強度值顯著增大；（2）隨圍壓增大，巖石的力學性質發(fā)生轉變：彈脆性→彈塑性→應變硬化（見下頁）；二、巖石在三向壓應力下的變形特性常規(guī)三軸壓縮試驗表明：有圍壓作用時，巖石的變形性質與單軸壓縮時不盡相同。在三軸壓縮下，隨著圍壓的提高：2025/10/9851）圍壓為零或較低：—脆性狀態(tài)

2）圍壓50MPa：—塑性狀態(tài)3)圍壓68.5MPa—塑性流動4）圍壓165MPa

—應變硬化現象

實例2025/10/986三、巖石的流變特性

蠕變：應力恒定，巖石應變隨時間增大所發(fā)生的變形（又稱為流變）。松馳：應變恒定，巖石中的應力隨時間減少，這種現象稱“松馳”。彈性后效：卸載時彈性應變滯后于應力的現象。巖石變形蠕變松弛彈性（可恢復）

塑性（不可恢復）與時間無關

與時間有關—流變2025/10/987Ⅱ特點：①應變率為常量；②卸載：有瞬時彈性恢復，彈后，有不可恢復的永久變形。Ⅲ特點：①劇烈增加；②曲線；③一般此階段比較短暫。Ⅰ、初始蠕變階段（AB減速蠕變階段）Ⅱ、穩(wěn)定蠕變階段（BC等速蠕變階段）Ⅲ、非穩(wěn)定蠕變階段（蠕變破壞階段）Ⅰ特點：①有瞬時應變（OA）；②，隨時間增長而減小；③卸載后，有部分瞬時彈性變形（PQ）恢復，接著產生彈性后效，變形逐漸恢復。（一）巖石的蠕變性質1、典型的蠕變曲線（分三階段）2025/10/9882、長期強度的的確定方法(σ,ε,t)方法二方法一巖石強度隨外荷載作用時間延長而降低(相對于瞬時強度)，通常把作用時間t→∞的強度稱為巖石的長期強度長期強度的確定方法①由破壞σ-t關系曲線的水平漸近線獲t

∞的強度

②由蠕變試驗作等時(σ-ε)曲線獲t

∞的強度長時恒載蠕變破壞試驗曲線2025/10/989(1)立即松弛——變形保持恒定后，應力立即消失到零，這時松弛曲線與σ軸重合，如曲線ε6。(2)完全松弛——變形保持恒定后，應力逐漸消失，直到應力為零，如曲線ε5、ε4。(3)不完全松弛——變形保持恒定后，應力逐漸松弛，但最終不能完全消失，而趨于某一定值，如曲線ε3、ε2。(4)此外，還有一種極端情況：變形保持恒定后應力始終不變，即不松弛，松弛曲線平行于t軸，如曲線ε1。（二）巖石的松弛性質松弛特性可劃分為三種類型：返回2025/10/990第四節(jié)巖石的強度理論一、莫爾強度理論（Mohr1900年提出，莫爾強度準則）（一）基本思想①以脆性材料（

鑄鐵）試驗數據（單、三）統(tǒng)計分析為基礎②由于剪應力達到τf（取決于正應力和材料特性）使巖石產生剪切破壞

莫爾極限應力圓包絡線

（二）強度曲線—莫爾包絡線表達式：σ1σ32025/10/991材料破壞判別用莫爾包絡線判別材料的破壞2025/10/992①莫爾包絡線向應力增大的方向開放，說明三向等壓應力狀態(tài)下巖石不破壞；②受拉區(qū)閉合，說明受三向等拉應力時巖石破壞；③單向抗拉區(qū)小于單向抗壓區(qū)；特點莫爾包絡線（多種形式）④沒有考慮中間主應力σ2對巖石強度的影響；2025/10/993（2）破壞機理：（基本思想不一樣）材料屬于壓剪破壞，剪切破壞力的一部分用來克服與正應力無關的粘聚力，使材料顆粒間脫離聯(lián)系；另一部分剪切破壞力用來克服與正應力成正比的摩擦力，使面內錯動而最終破壞。（3）數學表達式：

——內摩擦系數（1）實驗基礎：巖土材料壓剪或三軸試驗。c——粘聚力（三）庫倫·莫爾強度理論（C·A·Coulomb準則,1773年）庫侖·莫爾強度條件是莫爾準則的一特例（擬合成直線）——簡潔、應用簡便intrinsic2025/10/994破壞方向角θ破壞判定：

θσ1σ1n力的分解2θ2025/10/995（4）主應力表示

（2-42）

由式（2-42）推出：（2-43）令稱為塑性指數；當時，；（5）缺點：忽略了中間主應力的影響（中主應力對強度影響在15%左右）所以則2025/10/996三、格里菲斯準則（Griffth1921）斷裂力學21年提出，70年代應用于巖石力學領域（1）實驗基礎：玻璃材料中的微裂紋張拉擴展，連接，貫通，最后導致材料破壞試驗。（2）基本思想：在脆性材料的內部存在許多隨機分布的裂紋，在外力作用下，裂紋周圍、特別是裂紋尖端會產生應力集中現象，其中有一個方向最有利于裂紋擴展，當超過材料的抗拉強度時，裂紋首先在該方向產生張拉擴展。2025/10/997兩個關鍵點：1.最大應力集中點（危險點）；2.最容易破壞的裂隙方向。在壓應力條件下裂隙開裂及擴展方向帶橢圓孔薄板的孔邊應力集中問題示意圖2025/10/998①數學式

③Griffth準則幾何表示

②最有利破裂的方向角（3）Griffth（張拉）準則在坐標下當時，，即壓拉強度比為8。①②③④①②③2025/10/999Griffh準則是針對玻璃等脆性材料提出來的，材料的破壞機理是拉伸破壞，因而只適用于脆性巖石的破壞，對于一般巖石材料，莫爾－庫侖準則更適用。另外，在巖石力學中，還會遇到Drucker-Prager準則、Hoek-Brown準則和Mises準則。返回2025/10/9100【作業(yè)】：1.測得某巖石中一點的最大主應力σ1=61.2MPa，最小主應力σ3=-9.1MPa，并且已知巖體的單軸抗拉強度為σt=-8.7MPa，內聚力c＝50MPa，內摩擦角φ＝57°，試分別基于莫爾強度和格里菲斯強度準則判斷巖體破壞與否？2025/10/91011、在巖石單向抗壓強度試驗中，巖石試件高與直徑的比值h/d和試件端面與承壓板之間的磨擦力在下列哪種組合下，最容易使試件呈現錐形破裂。（）（A）h/d較大，磨擦力很小（B）h/d較小，磨擦力很大（C）h/d的值和磨擦力的值都較大（D）h/d的值和磨擦力的值都較小選擇題2025/10/91022、巖石的彈性模量一般指（）。（A）彈性變形曲線的斜率（B）割線模量（C）切線模量（D）割線模量、切線模量及平均模量中的任一種3、巖石的割線模量和切線模量計算時的應力水平為（）。（A）(B)（C）(D）2025/10/91034、由于巖石的抗壓強度遠大于它的抗拉強度，所以巖石屬于（）。（A）脆性材料（B）延性材料（C）堅硬材料（D）脆性材料，但圍壓較大時，會呈現延性特征5、剪脹（或擴容）表示（）。（A）巖石體積不斷減少的現象（B）裂隙逐漸閉合的一種現象（C）裂隙逐漸漲開的一種現象（D）巖石的體積隨壓應力的增大逐漸增大的現象2025/10/91046、剪脹（或擴容）發(fā)生的原因是由于（）（A）巖石內部裂隙閉合引起的（B）壓應力過大引起的（C）巖石的強度大小引起的（D）巖石內部裂隙逐漸張開的貫通引起的7、巖石的抗壓強度隨著圍巖的增大（）。（A）而增大（B）而減?。–）保持不變（D）會發(fā)生突變8、劈裂試驗得出的巖石強度表示巖石的（）。（A）抗壓強度（B）抗拉強度（C）單軸抗拉強度（D）剪切強度2025/10/91059、格里菲斯強度準則不能作為巖石的宏觀破壞準則的原因是（）。（A）它不是針對巖石材料的破壞準則（B）它認為材料的破壞是由于拉應力所致（C）它沒有考慮巖石的非均質特征（D）它沒有考慮巖石中的大量伸長裂隙及其相互作用10、巖石的吸水率是指（）。（A）巖石試件吸入水的重量和巖石天然重量之比（B）巖石試件吸入水的重量和巖石干重量之比（C）巖石試件吸入水的重量和巖石飽和重量之比（D）巖石試件天然重量和巖石飽和重量之比2025/10/910612、當巖石處于三向應力狀態(tài)且比較大的時候，一般應將巖石考慮為（）。（A）彈性體（B）塑性體（C）彈塑性體（D）完全彈性體13、在巖石抗壓強度試驗中，若加荷速率增大，則巖石的抗壓強度（）。（A）增大（B）減?。–）不變（D）無法判斷2025/10/910714、按照庫侖—莫爾強度理論，若巖石強度曲線是一條直線，則巖石破壞時破裂面與最大主應力作用方向的夾角為（）。（A）45°（B）（C）（D）60°15、在巖石的含水率試驗中，試件烘干時應將溫度控制在（）。（A）95~105℃（B）100~105℃（C）100~110℃（D）105~110℃16、按照格理菲斯強度理論，脆性巖體破壞主要原因是（）。（A）受拉破壞（B）受壓破壞（C）彎曲破壞（D）剪切破壞

2025/10/910817、在缺乏試驗資料時，一般取巖石抗拉強度為抗壓強度的（）（A）1/2~1/5（B）1/10~1/50（C）2~5倍（D）10~50倍

18、某巖石試件相對密度ds=2.60，孔隙比e=0.05，則該巖石的干密度ρd為（）（A）2.45（B）2.46（C）2.47（D）2.4819、下列研究巖石彈性、塑性和粘性等力學性質的理想力學模型中，哪一種被稱為凱爾文模型？（）

2025/10/9109（A）彈簧模型（B）緩沖模型（C）彈簧與緩沖器并聯(lián)（D）彈簧與緩沖器串聯(lián)20、格里菲斯準則認為巖石的破壞是由于（）。（A）拉應力引起的拉裂破壞（B）壓應力引起的剪切破壞（C）壓應力引起的拉裂破壞（D）剪應力引起的剪切破壞

2025/10/9110

參考答案1、B2、D3、B4、D5、D6、D7、A8、B9、D10、B11、A12、B13、A14、C15、D16、A17、B18、D19、C20、A返回2025/10/9111第三章巖體的力學特性本章內容3.1概述3.2巖體結構基本類型；3.3巖體的結構面及其自然特征；3.4結構面的力學性質3.5巖體的變形性質3.6巖體的強度特性3.7巖體的水力學性質3.8巖體質量評價及其分類基本要求了解巖體結構的基本類型，理解巖體結構面特征；掌握結構面的力學性質及巖體的變形性質；理解巖體的強度特性，了解巖體的水力學性質；掌握巖體質量評價及其分類方法；第三章巖體的力學性質第一節(jié)概述第二節(jié)巖體結構的基本類型第三節(jié)巖體的結構面及其自然特征第四節(jié)結構面的力學性質第五節(jié)巖體的變形性質第六節(jié)巖體的強度特性第七節(jié)巖體的水力學性質第八節(jié)巖體質量評價及其分類主要內容

巖體=結構面（弱面）+結構體（巖石塊體）結構面：斷層、褶皺、節(jié)理……統(tǒng)稱影響巖體力學性質的基本因素：結構體(巖石)力學性質、結構面力學性質、巖體結構力學效應和環(huán)境因素(特別是水和地應力的作用)§3.1概述§3.2巖體結構的基本類型

（地質學、復習、了解）§3.3巖體中的結構面及自然特征次生結構面§3.3.1結構面類型（自學、了解、提問）火成結構面沉積結構面變質結構面成因及類型原生結構面構造結構面斷層節(jié)理劈理§3.3.2結構面的自然特征1.充填膠結特征幾何形態(tài)特征有充填無充填薄膜充填（2mm以下）斷續(xù)充填連續(xù)充填厚層充填（數十厘米至數米）平直型波浪型鋸齒型臺階型凹凸度（量化指標）起伏度（起伏角i)粗糙度(五級）2.3.空間分布特征

產狀（即方位）及其變化延展性密集程度組合關系結構面的產狀及其變化：結構面的走向與傾向及其變化結構面的延展性：結構面在某一方向上的連續(xù)性或結構面連續(xù)段長短的程度。分為非貫通性的、半貫通性及貫通性的結構面結構面的密集程度

設取樣線長度為l

，在l上出現的節(jié)理條數為n，則節(jié)理之間的平均間距為裂隙度K切割度Xe20m實例：k=4/20=0.2/md=1/k=5ma.單組節(jié)理(具有同一走向）（1）裂隙度K:同一組結構面沿法線方向單位長度上的節(jié)理數量ld>180cm整體結構d=30~180塊狀結構d<30破裂結構d<6.5極破裂結構

K=0~1/m疏節(jié)理K=1~10/m密節(jié)理K=10~100/m很密節(jié)理K=100~1000/m糜棱節(jié)理

按間距分類按裂隙度分類

兩組節(jié)理的裂隙度計算圖b.兩組節(jié)理ma:

沿取樣線節(jié)理平均間距;da:節(jié)理垂直間距；c.多組節(jié)理（2）切割度Xe：節(jié)理在巖體內的貫通程度。多處不連續(xù)切割疊加：假設在巖體中取一平直斷面，總截面積為A，其中被節(jié)理面切割的面積為a；則切割度為§3.4結構面的力學性質

法向變形切向變形

變形性質強度性質(一）法向變形1.變形特性

在法向荷載作用下，結構面間隙呈非線性減小，應力與法向變形呈指數關系。(原因）

當荷載去除時，將引起明顯的后滯和非彈性效應。

Kn－法向變形剛度

Kn0－結構面的初始剛度趨勢：σn

↑

，Kn↑（Goodman,1974）Goodman方法：①節(jié)理無抗拉強度②極限閉合量δmax＜e（節(jié)理的厚度）（1）基本假設（2）狀態(tài)方程2.閉合變形量計算：－原始應力，由測量時的初始條件決定；δn,δmax－結構面閉合量，最大閉合量;A,t－回歸參數，與結構面幾何特征、巖石力學性質有關。（二）節(jié)理的切向變形通常有兩種形式：A）粗糙（或非充填）結構面剪切變形曲線；B）平坦（或有充填物）的結構面區(qū)別及原因見下頁力學模型結構面的剪切變形:與巖石強度、結構面粗糙性和法向力有關法向力不足夠大沿凸臺斜面滑動剪脹（或擴容）法向力足夠大沿凸臺剪斷不產生明顯剪脹

（三）抗剪強度

i服從庫侖準則:影響抗剪強度的三個基本因素：法向力σn粗糙度JRC結構面強度JCS結構面抗剪強度公式（Barton和choubey,1977)：粗糙度JRC（目測）分維數§3.5巖體的變形性質法向變形特征剪切變形特征各向異性變形特性巖體的變形（一）法向變形特征：1.法向變形試驗：承壓板法、鉆孔變形法、狹縫法、1）承壓板法選具有代表性的試驗地點清除浮石，平整巖面逐級一次循環(huán)法加壓巖體變形模量Em和彈性模量Eme公式：

p－承受板單位面積上的壓力(MPa)；

D－承壓板直徑或邊長(cm)；

?、?

e－相應于p下的巖體總變形和彈性變形（cm）；

ω－與承壓板形狀與剛度有關的系數，對圓形板＝0.785；方形板＝0.886；

μm－巖體的泊松比。(J.Boussineq)2）鉆孔變形法巖體的變形模量（Em）計算公式：U－徑向變形μm－巖體的泊松比;厚壁圓筒理論對巖體擾動較?。豢稍诘叵滤灰韵潞拖喈斏畹牟课贿M行；試驗方向基本不受限制，試驗壓力大；可以同時測量幾個方向的變形，便于研究各向異性；優(yōu)點（相對于承壓板法來說）：缺點：涉及的巖體體積小，代表性差。3）狹縫法：p－作用于槽壁上的壓力（MPa）；?－量測點A1、A2的相對位移值(cm)，?=y2-y1。

μm－巖體的泊松比;2.法向變形曲線及特征：（1）直線型（彈性巖體）巖性均勻且結構面不發(fā)育或結構面分布均勻的巖體（2）上凹型（塑-彈性巖體）含軟弱夾層的層狀巖體及裂隙巖體（3）上凸型（彈-塑性巖體）結構面發(fā)育且有泥質充填的巖體。（4）復合型：階梯或“S”型（塑-彈-塑性巖體)結構面發(fā)育不均或巖性不均勻的巖體。（二）剪切變形特征：峰前變形平均斜率小，破壞位移大；峰后強度損失小。(a)沿軟弱結構面剪切峰前變形平均斜率較大，峰值強度較高；峰后有明顯應力降。(b)沿粗糙結構面、軟弱巖體及強風化巖體剪切峰前變形斜率大，峰值強度高，破壞位移??；峰后殘余強度較低。(c)堅硬巖體受剪切（三）各向異性變形特征：（P101蔡）造成巖體變形各向異性的兩個基本因素：①物質成分和物質結構的方向性；②節(jié)理、結構面和層面的方向性。巖石的全部或部分物理、力學特性隨方向不同而表現出差異的現象稱為巖石的各向異性?！?.6巖體的強度特性§3.6.1巖體強度的測定（一）巖體單軸抗壓強度的測定圖3-24巖體單軸抗壓強度測定1－方木；2－工字鋼；3－千斤頂；4－水泥砂漿現場原位切割較大尺寸試體（邊長0.5～1.5m的立方體）；為了保持原有的力學條件，試塊附近不能爆破，機械破巖。千斤頂和液壓枕（扁千斤頂）加載。水泥砂漿抹平試體表面→墊方木、工字鋼→加載→計算強度試件（二）巖體抗剪強度的測定雙千斤頂法：1.正壓力P和橫推力T的合力通過剪切面中心。3.試驗5組以上2.橫推千斤頂成15°角傾斜布置。計算公式：

P、T－垂直及橫向千斤頂施加的荷載；

S－試體受剪截面積。（三）巖體三軸強度試驗地下工程的受力狀態(tài)是三維的，所以三軸力學試驗非常重要。千斤頂加軸向荷載壓力枕加圍壓荷載準三軸（等圍壓）：實用性更強。圖3-26原位巖體三軸試驗1一混凝土頂座；2、4、6－墊板；3一頂柱；5一球面墊；7一壓力枕；8一試件；9一液壓表；10一液壓枕真三軸：中間主應力在巖體強度中起著重要作用，在多節(jié)理巖體中尤為重要。試體

§3.6.2結構面的強度效應

一、單節(jié)理和多節(jié)理的力學效應（一）單節(jié)理的力學效應設結構面的強度條件設節(jié)理的方向角為β節(jié)面上的應力(圖）

①當

（巖石塊體破壞，結構面不破壞）②當節(jié)理面的存在不削弱巖塊強度③對

求一階導數，并令其為零得

此時節(jié)理面對巖體的強度削弱最大并令得：

當可能結構面破壞

巖石節(jié)理同時破壞，巖體強度等于巖塊強度巖塊先破壞，巖體強度等于巖塊強度或節(jié)理先破壞，巖體強度小于巖塊強度

或圖解法:

直接在圖2－20量?。灰部梢杂烧叶赏瞥觯?見圖2－20）（二）多節(jié)理的力學效應（疊加）

兩組以上的節(jié)理同樣處理，只不過巖體總是沿一組最有利破壞的節(jié)理首先破壞。圖3－21兩組節(jié)理力學模型圖3－20σ1與β的關系曲線二、當C=0時節(jié)理面的力學效應這時庫侖準則用主應力表示上式，得：

已知σ1,由上式可計算出維持破裂巖體極限穩(wěn)定的側向壓力σ3，即巖體所需的最小支護力此時巖體的強度只靠碎塊之間的摩擦力來提供。

3.7巖體的水力學性質巖體的水力學性質：巖體與水共同作用所表現出來的力學性質。巖體與水的相互作用，一方面水改變著巖體的物理、化學及力學性質，另一方面巖石也改變著地下水自身的物理、力學性質及化學組份。地下水對巖體的作用物理作用化學作用力學作用（一）物理作用：巖體結構面上的摩阻力減小改變巖體結構面充填物的物理性狀，內聚力和摩擦角減小?！浕禂郸菂^(qū)別于重力水的潤滑，軟化作用。（二）化學作用：離子交換、溶解和溶蝕作用（黃土濕陷及巖溶）、水化作用（膨脹巖的膨脹）、水解作用、氧化還原作用、沉淀作用以及超滲透作用等。潤滑作用：軟化和泥化作用：結合水的強化作用：泥石流、山體滑坡（三）力學作用：孔隙靜水壓力作用孔隙動水壓力作用

當多孔連續(xù)介質巖土體中存在孔隙地下水時，未充滿孔隙的地下水使巖土體的有效應力增加：σα有效應力，σ

總應力，p

孔隙靜水水壓力

當地下水充滿多孔連續(xù)介質巖土體時，使有效應力減?。害姚?，σ

，p

：含義同上當多孔連續(xù)介質巖土體中充滿流動的地下水時，施加孔隙靜水壓力和動水壓力作用，其中，動水壓力為：τd

動水壓力，γ地下水容重，J地下水水力坡度

當裂隙巖體充滿流動的地下水時，施加一垂直于裂隙壁面的靜水壓力和平行于裂隙壁面的動水壓力，其中，動水壓力為：b：裂隙的隙寬，τd

，γ，J意義同上

3.8巖體質量評價及其分類為了在工程設計與施工中能區(qū)分出巖體質量的好壞和表現在穩(wěn)定性上的差別，需要對巖體作合理的分類，以作為選擇工程結構參數、科學管理生產以及評價經濟效益的依據之一。（一）普氏分級法：f=σc/10常沿用但具有嚴重局限性。(二）巖石質量指標RQD分類(笛爾Deer，1964)：RQD＜2525～5050～7575～90＞90巖石質量描述很差差一般好很好等級IIIIIIIVVRockQualityDesignation:沒反映出節(jié)理的方位、充填物的影響等，在更完備的巖體分類中作重要參數應用。不足：（三）巖體地質力學分類（CSIR分類,P56）CSIR分類指標值RMR(RockMassRating)：南非科學和工業(yè)研究委員會(CouncilforScientificandIndustrialResearch)提出。分類時，根據表3-6得RMR初值P57,然后據節(jié)理、裂隙的產狀變化按表3-7和表3-8對RMR初值修正，最后對照表3-9求得巖體的類別。由巖塊強度、RQD值、節(jié)理間距、節(jié)理條件及地下水5種指標組成。不足：對擠壓、膨脹和涌水的極其軟弱的巖體問題時，此分類法難于使用。（四）巴頓巖體質量分類（Q類）：由挪威地質學家巴頓(Barton，1974)等人提出

RQD：Deer的巖石質量指標；Jn:節(jié)理組數；Jr:節(jié)理粗糙度系數；Ja:節(jié)理蝕變影響系數；Jw:節(jié)理水折減系數；SRF——應力折減系數。Bieniawski(1976)：表3-10巖體質量Q值分類表Q值＜0．010．01~0.10．1~1.01．0~4.04．0~1010~4040~100100~400＞400巖體類型特別壞異常差極壞極差壞很差不良差中等一般好好良好很好極好極好特別好異常好定性與定量相結合，目前比較好的巖體分類方法，軟、硬巖體均適用。（五）巖體BQ分類第一步：根據BQ初步分為5級（考慮了巖體的堅硬程度和完整性）國標《工程巖體分級標準》GB50218-94提出兩步分級法Rcw為巖體飽和單軸抗壓強度（MPa）；Kv為巖體的完整性系數；（可用聲波測試資料或結構面條數來確定）第二步：考慮其他因素影響，對BQ進行修正后詳細分級K1：主要軟弱結構面產狀影響修正系數，表3-15

K2：地下水影響修正系數，表3-16K3：天然應力影響修正系數，表3-17（六）按巖體結構類型分類（中科院地質所，谷德振）：某巖塊強度符合庫侖準則，C=5MPa,

=300。如果三軸應力狀態(tài)下的3=10MPa保持常數，求極限平衡時1

若此時1和3分別鉛直和水平，巖塊內有一條節(jié)理。節(jié)理的C=0，

=300。節(jié)理與水平傾角或為300（或450、或600、750、900），問以上情況中：在何種情況下節(jié)理不破壞，僅巖塊破壞？在何種情況下節(jié)理不破壞，僅節(jié)理破壞，或節(jié)理和巖塊都破壞，且?guī)r塊破壞面與節(jié)理面重合？在何種情況下，節(jié)理與巖塊都破壞，但巖塊破裂面與節(jié)理面不重合？作業(yè)：第四章

地應力及其測量基本要求1．掌握初始應力的概念，了解構造應力的概念，掌握自重應力的計算方法；2．了解原巖應力的一般規(guī)律及影響原巖應力分布的因素；3．了解地應力的實測方法。第四章地應力及其測量§4.1概述地應力:指巖體在天然狀態(tài)下所存在的內應力,通常又稱為原巖應力、初始應力。與此相對應，受井巷開挖、礦產資源開采等工程影響，在影響范圍(3-5R0)以內的原巖應力平衡狀態(tài)被破壞后的應力稱為次生應力或誘發(fā)應力。這一轉換過程稱為應力重分布。

1.地應力定義2.研究地應力的重要性地應力是各種巖石工程變形和破壞的根本作用力；是影響巖石開挖工程穩(wěn)定性的最重要最根本的因素之一；是進行大規(guī)模科學計算分析，實現開挖設計和決策科學化的必要前提條件。同時，地應力狀態(tài)對地震預報、區(qū)域地殼穩(wěn)定性評價、油田油井的穩(wěn)定性、核廢料儲存、巖爆、煤和瓦斯突出的研究以及地球動力學的研究等也具有重要意義。3.地應力認識簡史

1912年瑞士地質學家海姆（A.Heim），根據大量實際施工觀測和分析，首次提出地應力概念，并假定地應力是一種靜水應力狀態(tài)。σh－水平應力；σv－垂直應力；γ－上覆巖層重量；H－深度

1926年，蘇聯(lián)學者金尼克修正了地應力靜水壓力架設，認為地殼中各點的垂直應力等于上覆巖層的重量，而側向應力(水平應力）是泊松效應的結果，應乘以一個修正系數λ。即其中，λ為側壓系數υ－上覆巖層泊松比

早在20世紀20年代，我國地質學家李四光就指出：“在構造應力的作用僅影響地殼上層一定厚度的情況下，水平應力分量的重要性遠遠超過垂直應力分量。”

1958年，瑞典工程師哈斯特(N．Hast)在斯堪的納維亞半島進行地應力測量工作時發(fā)現：在地殼上部的最大主應力幾乎處處是水平或接近水平的，最大水平主應力一般為垂直應力的1—2倍以上；在某些地表處，測得的最大水平應力高達7MPa，從根本上動搖了靜水壓力理論和以垂直應力為主的觀點。

后期研究進一步表明：重力作用和構造運動是引起地應力的主要原因，其中尤以水平方向的構造運動對地應力的形成影響最大。當前的地應力狀態(tài)主要由最近的一次構造運動所控制，但也與歷史上的構造運動有關。地應力場還受到其他多種因素的影響，造成地應力狀態(tài)的復雜性和多變性，因而，只有通過對某點進行地應力實測才能了解該地的地應力狀態(tài)?！?.2地應力的成因(1)大陸板塊邊界受壓引起的應力場(2)由地心引力引起的應力場(3)地幔熱對流引起的應力場(4)巖漿侵入引起的應力場(5)地溫梯度引起的應力場(6)地表剝蝕產生的應力場地應力主要成分：自重應力和構造應力(1)自重應力場豎直方向、普遍存在，可以計量(與深度成線性關系)

在25~2700m范圍內：

v=

H(H/m，平均容重≈27kN/m3)(2)構造應力場

1)成因（有增有減）：