岩石力学 考试知识点

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1、主要内容：岩石力学是研究岩石的力学性状的一门理 论和应用学科，它是力学的一个分支，是探讨岩石对 其周围物理环境中立场的反应。 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学科。 岩石力学是一门关于岩石的力学效应和工程岩体的 力学行为规律的学科。地应力：是存在于地层中的未受工程扰动的天然应 力，也称岩体初始应力、绝对应力或原岩应力。它是 引起各种地下或露天岩石开挖工程变形和破坏的根 本作用力。决定洞室布置的决定性因素之一，稳定性 分析的重要参数。重力作用和构造运动是引起地应力 的主要原因。地应力的成因：大陆板块边界受压地幔热对流板块 边界受压岩浆侵入岩体自重应力场 地应力测量基本原理

2、：测量原始地应力就是确定存在 于拟开挖岩体及其周围区域的未受扰动的三维应力 状态，这种测量通常是通过一点一点的量测来完成 的。岩体中一点的三维应力状态可由选定坐标系中的 六个分量O，O ，O，T ,T ,T来表示。直接测量法x由测量仪器直接y则量和记录各种应力 量，并由这些应力量和原岩应力的相互关系，通过计 算获得原岩应力值。 间接测量法：借助某些传感元 件或某些介质，测量和记录岩体中某些与应力有关的 间接物理量的变化，然后由测得的间接物理量的变 化，通过已知的公式计算岩体中的应力值。 应力解除法原理：当需要测定岩体中某点的应力状态 时，人为的将该处岩体单元和周围的岩体分离，此时， 岩体单元上

3、所受的拉力将被解除。同时，该单元体的 几何尺寸也将产生弹性恢复。应用一定的仪器，测定 弹性恢复的应变值或变形值，并且认为岩体时连续、 均质和各向同性的弹性体，于是就可以借助弹性理论 的解答计算岩体单元所受的应力状态。步骤: （1）在测试地点打大孔 （2）从大孔底打同心小孔 （3）在小孔中央位置安装测量探头 （4）用薄壁钻头延 伸大孔，使小孔周围岩芯实现应力解除 （5）将岩芯 与探头一并取回，进行围压率定和温度标定试验。 （6）数据修正和处理，计算地应力值 直接测量法（水压致裂法）：原理：水压致裂系统将钻 孔某段封隔起来，并向该段钻孔注入高压水，当水压 超过3O -O和岩石抗拉强度T之和后，在e

4、 =0 处，也即所2 在1方位将发生孔壁开裂。设钻孔壁发生初 始开裂时的水压为P，则有P=3O -O +T 如果继续向封隔段注入高压水，使裂隙进一步扩展， 当裂隙深度达到3倍钻孔直径时，此处已接近原岩应 力状态，停止加压，保持压力恒定，将该恒定压力记 为P,P应和原岩应力O相平衡，即P =O 在钻孔中存在裂隙水的情况下，如封隔段处的裂隙 水压力为 P ,则 Pi=3O -O +T-P在初始0裂隙产生后， 1将水0压卸除，使裂隙闭合， 然后再重新向封隔段加压，使裂隙重新打开，记裂隙 重开时的压力为P，则有P=3O -O -P 由以上两式求O和O r就无须知道岩石的抗拉 强度。因此，由水压致1裂法

5、测2 量原岩应力将不涉及岩 石的物理力学性质，而完全由测量和记录的压力值来 决定。 步骤：1）打钻孔到准备测量应力的部位，井将钻孔 中待加压段用封隔器密封起来，钻孔直径与所选用的 封隔器的直径相一致。封隔器一般是充压膨胀式的， 充压可用液体，也可用气体。 2）向二个封隔器的隔 离段注射高压水，不断加大水压，直至孔壁出现开裂， 获得初始开裂压力；然后继续施加水压以扩张裂隙， 当裂隙扩张至3倍直径深度时，关闭高水压系统，保 持水压恒定，此时的应力称为关闭压力，记为；最后 卸压，使裂隙闭合。在整个加压过程中，同时记录压 力-时间曲线图和流量-时间曲线图，确定P，P值。 3）重新向密封段注射高压水，使

6、裂隙重新打开并记 下裂隙重开时的压力P和随后的恒定关闭压力P。 这种卸压-重新加压的过程重复23次，以提高测试 数据的准确性。P和P同样由压力-时间曲线和流量- 时间曲线确定。4）将封隔器完全卸压，连同加压管 等全部设备从钻孔中取出。 5）测量水压致裂裂隙和 钻孔试验段天然节理、裂隙的位置、方向和大小，测 量可以采用井下摄影机、井下电视、井下光学望远镜 或印模器。岩石的孔隙性：天然岩石包含着数量不等，成因各异 的孔隙和裂隙，是岩石的重要结构特征之一，统称为 岩石的孔隙性。用孔隙率 n 表示 水理性：岩石与水相护作用时所表现的性质称为岩石 的水理性。包含岩石的吸水性，透水性，软化性和抗 冻性。软

7、化性：岩石浸水后强度降低的性能称为岩石的软化 性，岩石的软化性常用软化系数来表示。软化系数是 岩样保水状态的抗压强度与自然风干状态抗压强度 的比值，用小数表示，n =o /on（nsi）越小，表示岩石受水的影响越大。c 岩石的抗冻性：岩石抵抗冻（胀）融破坏的性能，通 常用抗冻系数表示。岩的抗冻系数是指岩样在土 25C 的温度区间内，反复降温、冻结、升温、融解，其抗 压强度有所下降，岩样抗压强度的下降值与冻融前的 抗压强度之比： cf=（O c-O cf）/O c cf 越大，抗冻性越f c cf c f差。岩石的强度：岩石在各种荷载作用下达到破坏时所能 承受的最大应力称为岩石的强度。如在单轴压

8、缩荷载 作用下能承受的最大压应力称为单轴抗压强度。进行 岩石强度试验所选用的试件必须是完整岩块，而不应 包含节理裂隙。影响因素：试件尺寸、试件形状、试件三维尺寸比例、 加载速率、湿度。岩体的强度：岩体的强度是指岩体抵抗外力破坏的能 力。它有抗压强度、抗拉强度和抗剪强度之分。 水对岩石强度的影响： 结合水：产生三种作用：连结作用、润滑作用、水楔 作用。连结作用：将矿物颗粒拉近、接紧，起连结作用。 润滑作用：可溶盐溶解，胶体水解，使原有的连结变 成水胶连结，导致矿物颗粒间连结力减弱，摩擦力减 低，水起到润滑剂的作用。水楔作用：当两个矿物颗粒靠得很近，有水分子补充 到矿物表面时，矿物颗粒利用其表面吸

9、着力将水分子 拉到自己周围，在两个颗粒接触处由于吸着力作用使 水分子向两个矿物颗粒之间的缝隙内挤入。 孔隙压力作用：孔隙压力，减小了颗粒之间的压应力， 从而降低了岩石的抗剪强度，使岩石的微裂隙端部处 于受拉状态从而破坏岩石的连结。溶蚀潜蚀作用：岩石中渗透水在其流动过程中可将 岩石中可溶物质溶解带走，有时将岩石中小颗粒冲 走，使岩石强度大为降低，变形加大。 除了上述五种作用外，水在冻融时的胀缩作用对岩石 力学强度破坏很大 岩石强度理论：是研究岩石在各种应力状态下的强度 准则的理论，强度准则又称破坏判据，它表征岩石在 极限应力状态下 （破坏条件 ）的应力状态和岩石强度 参数之间的关系。库仑准则：观

10、点：岩石破坏为剪切破坏；岩石抗 能力由两部分组成（内聚力、内摩擦力）。强度准 则形式一直线型：T =C+O tanu 应用：判断岩 石在某一应力状态下是否破坏（用应力圆）。预测 破坏面的方向进行岩石强度计算。评价：是最 简单的强度准则，是莫尔强度理论的一个特例。不 仅适用于岩石压剪破坏，也适用于结构面压剪破坏。 不适用于受拉破坏。莫尔强度理论的评价：优点：适用于塑性岩石，也适用于脆性岩石的剪切 破坏； 较好解释了岩石抗拉强度远远低于抗压强 度特征；解释了三向等拉时破坏，三向等压时不破 坏现象；简单、方便:同时考虑拉、压、剪,可判断 破坏方向.不足:忽视了。2的作用，误差：10%； 没有考虑结构

11、面的影响； 不适用于拉断破坏； 不适用于膨胀、蠕变破坏。格里菲斯强度理论基本假设（观点）：物体内随机分布许多裂隙； 所有裂隙都张开、贯通、独立；裂隙断面呈扁平椭 圆状态；在任何应力状态下，裂隙尖端产生拉应力 集中，导致 裂隙沿某个有利方向进一步扩展。 最终在本质上都是拉应力引起岩石破坏。优点：岩石抗压强度为抗拉强度的8倍，反映了岩 石的真实情况;证明了岩石在任何应力状态下都是 由于拉伸引起破坏;指出微裂隙延展方向最终与最 大主应力方向一致。 不足：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 贝聽对裂隙被压闭合，抗剪强度增高解释不够。 Griffith 准则是岩

12、石微裂隙扩展的条件，并非宏观破 坏。 流变：指材料的应力-应变关系与时间因素有关的性 质，材料变形过程中具有时间效应的现象，称为流变 现象。岩石的变形不仅表现出弹性和塑形，而且也具 有流变性质，岩石的流变包括蠕变、松弛、弹性后效。 蠕变是当应力不变，应变随时间增加而增长的现象。 蠕变三水平，蠕变三阶段（减速、等速、加速） 不 稳定蠕变 稳定蠕变 松弛是当应变不变，应力随 时间增加而减小的现象。 弹性后效是加载或卸载 时，弹性应变滞后于应力的现象。锚杆的作用力 锚杆支护是通过布置在岩体内的锚杆及其辅助构件 所提供的各种作用力，使岩体中的应力状态得到一定 改善，并使岩体的变形模量及强度指标得到一定

13、的提 高，从而对岩体变形及破坏产生一定的控制，最终达 到加固、支护的效果。概括起来，锚杆及其辅助构件 对岩体的作用力包括锚杆的轴向作用力、锚杆的横（或斜）向作用力以及锚杆尾部辅助构件（如托盘、 刚梁、锚网等）对岩体施加的托锚力等。 锚杆的轴向作用力轴向作用力是指锚杆作用于岩体的平行于杆体 长度方向的作用力，是锚杆最主要的作用力，它是锚 杆与岩体有机结合的保证，也是产生托锚力的必要条 件。轴向作用力情况主要可由锚杆的轴向正应力（锚 杆横截面上的正应力）或轴力（锚杆横截面上轴向应 力的合力）和粘锚力（锚杆与围岩接触面上的剪切作 用力）来反映。数值模拟研究结果表明，锚杆与围岩 性能的相对差异程度、锚

14、固体所处的应力场特征、锚 固方式以及锚固长度等不相同时，轴向作用力的产生 机理、作用力大小及其分布特征等也不尽相同。通常，锚杆的轴向变形模量大于岩体的轴向变形 模量，而锚杆的泊松比小于岩体的横向变形模量，由 此导致在同一应力场作用下两者变形量大小及相对 位移大小的差异，锚杆的轴向作用力即因此而产生。 通常，锚杆的作用效果就是对岩体在应力场作用下所 发生的变形产生约束，即当岩体产生拉伸变形时锚杆 给其以挤压作用，当岩体产生压缩变形时锚杆给其以 拉伸作用。轴向作用力的产生方式因锚固方式的不同 而有所差异：机械式锚固时，轴向作用力主要靠锚杆 与岩体间的摩擦作用产生；粘结式锚固时，轴向作用 力靠由锚固

15、剂所形成的锚杆与围岩间的粘结及摩擦 作用而产生。锚杆的横向作用力锚杆的横向作用力指锚杆因对围岩沿锚杆轴向 以外的任意方向发生剪切变形及围岩间相对位移的 约束作用而在横截面及斜截面上所产生的剪应力以 及在粘结面（锚杆表面）上所产生的法向应力。这种 约束作用主要包括阻止围岩沿弱面滑移、阻止围岩中 产生新的剪切破坏面以及阻止围岩中的块体产生相 对回转等作用。通常，在一定应力场的作用下岩体中会产生以下 类型的横向位移或位移趋势： 1）各部分间会沿弱面 发生相对错动； 2）沿特定方向产生新的剪切破坏面 并沿此破坏面发生错动； 3）碎块状岩体发生转动。 安装锚杆后这些横向位移将受到锚杆的约束，锚杆中 的横

16、向作用力也由此而产生。横向作用力产生的条件 可概括为三个:锚固范围内的围岩产生一定量的横 向（斜向）剪切变形甚至相对错动。锚杆与围岩紧 密接触，以使锚杆与岩体之间具备良好的传力性能。 锚杆要具有一定的抗剪切强度及刚度，以使锚杆对 岩体的横向变形产生较强的灵敏性和控制作用。 锚杆的托锚力托锚力是指锚杆辅助构件（托盘、刚梁、锚网等） 给围岩表面施加的挤压作用力。托锚力的大小等于锚 尾处锚杆的轴力，因此，其影响因素与锚杆轴力分布 特征的影响因素基本相同，主要包括锚杆与围岩的性 质差异、锚固方式、锚固后围岩应力场的改变等，同 时还与预应力大小以及锚杆辅助构件的配置及其性 能等因素有关。通常，在锚杆最大

17、轴力相等的条件下， 端锚时的托锚力大于全长锚固时的托锚力。 锚杆对岩土体作用的力学本质在不同岩、土体条件下锚杆表现出不同的作用机 理，如对层状岩体的组合作用、对松碎岩、土层的挤 压作用、对节理岩体的楔固作用以及对软弱危石的悬 吊作用等。尽管锚杆的作用机理因岩、土体条件的不 同而有所差异，但是，其作用本质可归结为改善被锚 岩、土体的应力状态，提高其强度指标，形成具有较 高强度指标及较强变形适应性的锚固体。因此，锚杆 的作用效果很大程度上可由锚固体力学性质指标的 改变情况来衡量。迄今为止，国内外关于锚杆作用可提高岩、土体强度 的观点已趋于一致，但对其途径及机理的认识还有待 商榷。锚杆支护作用原理

18、悬吊理论悬吊理论认为:锚杆支护的作用就是将硐室较软弱 岩层悬吊在上部稳定岩层上，以增强较软弱岩层的 稳定性。硐室开挖以后，由于应力状态的改变，围 岩中一定区域内的松软岩层可能发生松动和破裂现 象，或由于被弱面切割的岩块因失去约束而成为关 键块体，即出现危石，此时锚杆的作用就是利用其 抗拉能力将松软岩层或危石悬吊于上部稳定岩层之 上。悬吊理论直观的揭示了锚杆的悬吊作用，在分析过 程中不考虑围岩的自承能力，而且将被锚固体与原岩 体分开，与实际情况存在一定差距。如果顶板中没有 坚硬稳定岩层或顶板软弱岩层较厚，围岩破碎区范围 较大，无法将锚杆锚固到上面坚硬岩层或者未松动岩 层，悬吊理论就不适应。组合梁

19、理论组合梁理论认为：顶板锚杆的作用，一方面体现 在锚杆的锚固力增加了各岩层间的接触压力，避免各 岩层间出现离层现象；另一方面增加了岩层间的抗剪 刚度，阻止岩层间的水平错动，从而将作用范围内的 几个岩层锚固成一个较厚的组合岩梁。这种组合岩梁 在上覆岩层载荷的作用下，其最大弯曲应变和应力大 大减小，挠度也显著减小，且组合梁越厚，梁内的最 大应力、应变和梁的挠度也就越小 组合梁理论适用于顶板由多层小厚度连续性岩 层组成的巷道，其原理是通过锚杆的轴向作用力将顶 板各分层夹紧，以增强各分层间的摩擦作用，并借助 锚杆自身的横向承载能力提高顶板各分层间的抗剪 切强度以及层间粘结程度，使各分层在弯矩作用下发

20、生整体弯曲变形，呈现出组合梁的弯曲变形特征，从 而提高顶板的抗弯刚度及强度。组合梁理论很好的解 释了层状岩体锚杆的支护作用，但在分析中，将锚杆 作用与围岩的自稳作用分开，与实际情况有一定差 距。并且，随着围岩条件的变化，在顶板较破碎、连 续性受到破坏时，组合梁也就不存在了。 组合拱理论 研究表明，在弹性体上安装具有预应力的锚杆，能形 成以锚头和紧固端为顶点的锥形体压缩区。它不仅能 保持自身的稳定，而且能承受地压，阻止围岩的松动 和变形，这就是挤压加固拱。其原理是通过锚杆的轴 向作用力在围岩中形成拱形压缩带，即通过锚杆的轴 向作用力将围岩中一定范围岩体的应力状态由单向 （或双向）受压转变为三向受

21、压，从而提高其环向抗 压强度指标，使该压缩带既可承受其自身重量，又可 承受一定的外部载荷。锚杆一方面在锥形体压缩区内产生压应力，增加 节理裂隙面或岩块间的摩擦阻力，防止岩块的转动和 滑移，亦即增大了岩体的粘结力，提高了破碎岩体的 强度；另一方面，锚杆产生的压应力，改善了围岩应 力状态，使压缩带内的岩石处于三向受力状态，从而 使岩体强度得到提高，这就是挤压加固拱的力学特 征。组合拱理论在一定程度上揭示了锚杆支护的作 用机理，但在分析过程中没有深入考虑围岩支护的 相互作用，只是将各支护结构的最大支护力简单相 加，从而得到复合支护结构总的最大支护力，缺乏对 被加固岩体本身力学行为的进一步探讨，计算也

22、与实 际情况存在一定差距，一般不能作为准确的定量设 计，但可作为锚杆设计和施工的重要参考。 围岩与支架的共同作用： 支架所受的压力及变形，来自于围岩在自身平衡过程 中的变形或破裂，而导致的对支架的作用。因此，围 岩性态及其变化状态对支护的作用有重要影响。另一 方面，支护以自己的刚度和强度抑制岩体变形和破裂 的进一步发展，而这一过程同样也影响支护自身的受 力。于是，围岩与支护形成一种共同体；共同体两方 面的耦合作用即称为围岩-支架共同作用 喷射混凝土支护原理及其作用 喷射混凝土支护是以压缩空气为动力，用喷枪将细骨 料混凝土以喷射的方法覆盖到需要维护的岩面上，凝 结硬化后形成混凝土层结构的支护方式

23、，它除了起一 定的支护作用外，还有及时封闭岩面，隔绝水、湿气 和风化对岩体的不利作用，防止岩体强度降低。其作 用主要表现在以下四个方面： 1）加固与防止风化作 用 2）改善围岩应力状态作用 3）柔性支护结构作用 4）保持围岩的整体结构 与锚杆联合使用时，主 要是用于避免锚头部位锚杆间土体的风化和松脱，可 以起到加强锚杆锚固的作用。 狭义地压：指围岩作用在支架上的压力 广义地压：巷道顶板、底板或两侧的移近，收敛 ,底 鼓，围岩的微观或宏观破裂，岩层移动，片帮冒顶、 支架破坏，采场垮塌等 全应力应变曲线的特征： 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

24、，形成早期的非线性变形，O - 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。弹性变形至微弹性裂隙稳定发展阶段（AC 段：该阶段的应力应变曲线成近似直线型。其中， AB段为弹性变形阶段，C段为微破裂稳定发展阶段。 非稳定破裂发展阶段，或称累进性破裂阶段（CD 段）： C 点是岩石从弹性变为塑性的转折点，称为屈 服点。破裂不断发展，直至试件完全破坏。试件由体 积压缩转为扩容，轴向应变和体积应变速率迅速增 大。破裂后阶段（D点以后段）：岩块承载力达到 峰值强度后，其内部结构遭到破坏，但试件基本保持

25、 整体状。到本阶段，裂隙快速发展，形成宏观断裂面。 此后，岩块变形主要表现为沿宏观断裂面的块体滑 移，试件承载力随变形增大迅速下降，并降到零。 岩体稳定性：是指处于一定时空条件的岩体在各种力 系的作用下可能保持其力学平衡状态的程度，同时包 含了人工施筑的结构物的稳定，以及围岩自身的稳 定。两者往往是共存的。 影响因素：1岩体内的应力及其强度是决定围岩稳定 的首要因素，当岩体应力超过强度而设置支护时，支 护应力与支护强度便成了岩石工程稳定的决定性因 素。 2 空间特征（水文地质条件）地下水状态影响 岩石的力学性质，主要软弱结构面产状的组合关系影 响工程轴线或走向线的方位，若某一陡倾角结构面， 走

26、向近乎平行工程轴线方位，对地下工程稳定很不 利；结构面的发育程度、规模大小、组合形式等是决 定结构体的形状、方位、大小，控制岩体稳定性的重要因素，尤以结构面的规模是最重要的因素。3 岩体 完整性，岩体内以裂隙为主的各类地质界面的发育程 度是岩体质量好坏的重要标志之一。 4 地应力场， 地应力影响岩体承载能力，对岩体形成的围压越大， 承载力越大；影响岩体的变形和破坏机制，赋存条件 不同，岩体本构关系也不同，影响岩体中的应力传播 法则，地应力可使不连续变形的岩体转化为连续变形 的岩体。维护地下工程稳定基本原则：1 合理利用和充分发挥 岩体强度 2 改善围岩应力条件 3 合理支护 4强调监 测和信息

27、反馈。 软岩是一种特定环境下的具有显著塑性变形的复杂 岩石力学介质，可分为地质软岩和工程软岩两大类 另U。地质软岩是指单轴抗压强度小于25MPa，具有松 散、破碎、软弱及风化膨胀性等特征的岩体的总称。 工程软岩是指在工程力作用下能产生显著塑性变形、 相应工程围岩稳定性控制具有相当难度的工程岩体。 岩爆是岩体一种失稳现象，也称为冲击地压，属于岩 石动力学问题。岩爆的突出特点是围岩失稳时的突发 性和动态性。岩爆发生时会伴随有较大的声响、破碎、 抛掷、冲击波、热能释放等能量形式的转换，尤其是 势能向动能的转换。岩爆的本质机理是部分围岩突然 发生脆性破裂并瞬间脱离原来的母体部分，以块状和 粉状抛射到周围空间，通常还会伴随空气冲击波的产 生。 岩石地下工程是指地下岩石中开挖并临时或永久修 建的各种工程，如地下井巷、隧道、硐室等。在岩石 地下工程中，由于受开挖影响而发生的应力状态改边 的周围岩体，称为围岩