岩体力学考试重点(经典)

第二章 岩石的基本物理力学性质

1、全应力—应变曲线（岩石试件在（刚性试验机）单轴压缩载荷作用下产生变形的全过程） （1）OA阶段，通常被称为孔隙裂隙压密阶段。其特征是应力—应变曲线呈上凹型，在此阶段岩石试件中原有的张开型结构面和微裂隙逐渐闭合，横向膨胀较小，试件体积随载荷的增大而减小。本阶段对节理裂隙丰富的岩石表现较为明显，对坚硬少裂隙的岩石不明显。

（2）AC阶段，通常称此阶段为弹性变形阶段。其中AB阶段为线弹性变形阶段；BC为非线性变形阶段。BC阶段中出现了微裂隙的破裂，因此也称为破裂稳定发展阶段。

（3）CD阶段，非稳定破裂发展阶段或称累积性破坏阶段。C点是岩石从弹性变为塑性的转折点，称为屈服点，其相应的应力称为屈服应力（屈服极限），数值约为峰值应力的三分之二左右。

进入此阶段后，微破裂的发展出现了质的变化，它们不断聚合形成了宏观裂隙，直至岩石试件完全破坏。此时，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。当达到D点时，岩石已经破坏，此时的强度称为峰值强度。

（4）DE阶段称为破坏后阶段。当载荷达到D点后，岩石试件内部结构已遭到破坏，但试件基本保持整体形状。进入本阶段后，宏观裂隙快速发展，并且相互交叉联合形成宏观断裂面，岩块的变形主要表现为沿宏观断裂面的块体滑移，

试件的承载能力迅速下降，但不会到零，岩石仍具有一定的承载能力。

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。

2、单轴压缩条件下的岩石变形特征：

①岩石的变形特性通常可以从试验时所记录下来的应力—应变曲线中获得；②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；③岩石试件在（刚性试验机）单轴压缩载荷作用下产生变形的全过程，可全应力-应变曲线来表示。 3、三轴压缩条件下的岩石变形特征 A、 2   3 时岩石变形特征

①岩石的强度随围压（ 2   3 ）的增加，岩石的屈服应力随之提高；②总体来说，岩石的弹性模量变化不大，有随围压增大而增大的趋势；③随着围压的增加，峰值应力所对应的应变值

有所增大，其变形特征表现出低围压的脆性向高围压的塑性转换的规律。 B、 3 为常数时岩石变形特征

①随着  2 的增大，掩饰的屈服应力有所提高；②弹性模量基本不变，不受 2 变化的影响；

③当  2 不断增大时，岩石由塑性逐渐向脆性转换。

C、 2 为常数时岩石变形特征

①其屈服应力几乎不变；②掩饰的弹性模量基本不变；③岩石始终保持塑性破坏的特征，只是随  3 的增大，其塑性变形量也随之增大。

4、限制性剪切实验

5、岩石在弹性阶段时的本构关系称为弹性本构关系；岩石在塑性阶段的本构关系称为塑性本构关系，弹性与塑性本构关系与时间无关，属于即时变形。

如果外界条件不变，岩石的应变或应力随时间而变化，则称该岩石具有流变性，此时的本构关系称为岩石的流变本构关系。

6、岩石的流变包括蠕变、松弛和弹性后效。 7、蠕变的三个阶段

岩石的蠕变曲线如图所示，图中三条蠕变曲线是在不同应力下得到的，其

中  A   B  C 。

蠕变试验表明，当岩石在某一较小的恒定载荷持续作用下，其变形量虽然随时间增长有所增加，但蠕变变形的速率则随时间增长而减小，最后变形趋于一个稳定的极限值，这种蠕变称为稳定蠕变。

当载荷较大时，如图中的abcd曲线所示，蠕变不能稳定于某一极限值，而是无限增长直至破坏，这种蠕变称为不稳定蠕变。

这是典型的蠕变曲线，根据应变速率不同，其蠕变过程可分为三个阶段：

第一蠕变阶段：ab段所示，应变速率随时间增加而减小，故称为减速蠕变阶段或初始蠕变阶段；第二蠕变阶段：曲线中bc段所示，应变速率保持不变，故称为等速蠕变阶段；第三蠕变阶段：曲线中cd段所示，应变速率迅速增加直到岩石破坏，故称为加速蠕变阶段。 8、一种岩石既可发生稳定蠕变也可发生不稳定蠕变，这取决于岩石应力的大小。

当应力超过某一临界值时，蠕变向不稳定蠕变发展；当应力小于该临界值时，蠕变按稳定蠕变发展。通常称此临界应力为岩石的长期强度。

通过各种应力水平长期恒载蠕变试验得出。设在载荷试验的基础上，绘得非衰减蠕变的曲线簇，确定每条曲线加速蠕变达到破坏时的应变值以及载荷作用所经历的时间，

如图（a）所示。以纵坐标表示应力，横坐标表示破坏前所经历的时间，作出其关系曲线，即长期强度曲线，如图（b）所示。所得曲线的水平渐近线在纵轴上的截距所

对应值，即为所求长期强度极限值

9、蠕变：指岩石在恒定的荷载（应力）条件下，变形随时间增长的现象（或性质）。 松弛：指应变一定时（不变），应力随时间增加而减小的现象。 弹性后效：指加载或卸载时，弹性应变滞后于应力的现象。 粘性流动：即蠕变一段时间后卸载，部分应变永久不恢复的现象。 10、莫尔强度理论

优点：①适用于塑性岩石，也适用于脆性岩石的剪切破坏；②较好解释了岩石抗拉强度远远低于抗压强度特征；③解释了三向等拉时破坏，三向等压时不破坏现象；④简单、方便:同时考虑拉、压、剪,可判断破坏方向.

不足：①忽视了σ2 的作用，误差：±10％；②没有考虑结构面的影响；③不适用于拉断破坏；④不适用于膨胀、蠕变破坏。 相关公式： Ctgcf

12ccos31sin 1sin1sin c2ccos/(1sin)

45/2tg2 c31

11、库伦准则：

  tan  材料破坏主要是剪切破坏，当材料某一斜面上的剪应力达到或超过该破坏c 面上的粘结力和摩擦阻力之和，便会沿该斜面产生剪切滑移破坏。

12、格里菲斯强度理论的基本思想：在脆性材料内部存在着许多杂乱无章的扁平微小张开裂纹。 在外力作用下，这些裂纹尖端附近产生很大的拉应力集中，导致新裂纹产生，原有裂纹扩展、贯通，从而使材料产生宏观破坏。裂纹将沿着与最大拉应力作用方向相垂直的方向扩展。 优点：①岩石抗压强度为抗拉强度的8倍，反映了岩石的真实情况；②证明了岩石在任何应力状态下都是由于拉伸引起破坏；③指出微裂隙延展方向最终与最大主应力方向一致。 不足：①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准则。②对裂隙被压闭合，抗剪强度增高解释不够。③Griffith准则是岩石微裂隙扩展的条件，并非宏观破坏。 13、结构面的变形包括法向变形和剪切变形两个方面。

14、影响结构面抗剪强度的因素：结构面的形态、连续性、胶结充填特征及壁岩性质、次生变化和受力历史等等。

根据结构面的形态、充填情况及连续性等特征，将其划分为四类：平直（光滑）无填充的结构面；粗糙起伏无填充的结构面（硬性结构面）；非贯通断续的结构面；有充填的软弱结构面。 15、地应力：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。（指岩体在天然状态下所存在内在应力；人类工程活动之前存在于岩体中的应力。）

二次应力：人类的工程活动将会扰动原岩内地应力场的自然平衡状态，使一定范围内的原岩应力状态发生改变，形成新的应力分布状态，这种变化称为应力重分布，变化后的应力称为次生应力(二次应力场）。

16、原岩：未受工程影响而处入自然平衡状态的岩体称为原岩。

地应力场：地壳中的岩体在漫长的地质年代里始终处在不断的运动和变化中，由于重力和地壳中构造运动等因素的影响，原岩在空间上存在着按一定规律分布的初始应力场，称为原岩应力场(天然应力场）或地应力场。

自重应力场：自重应力在空间有规律的分布状态。 17、地应力分布基本规律：

（1）地应力是个相对稳定的非稳定应力场，它是时间和空间的函数。 （2）实测铅垂应力基本等于上覆岩层重量 （3）水平应力普遍大于铅垂应力

（4）平均水平应力与铅垂应力的比值随深度增加而减小（趋近于1），但在不同地区，变化的速度很不相同。

18、地应力直接测量方法：扁千斤顶法、刚性包体应力计法、 水压致裂法、声发射法 19、声发射：材料在受到外载荷作用时，其内部存储的应变能快速释放产生弹性波，发生声响，称为声发射。

凯泽效应：1950年，德国人凯泽（J.Kaiser）发现多晶金属的应力从历史最高水平释放后，再重新加载，当应力未达到先前最大应力值时，很少有声发射产生，当应力达到或超过历史最高应力水平后，则大量产生声发射，这一现象叫凯泽效应。

凯泽点：从很少产生声发射到大量产生声发射的转折点称为凯泽点，该点对应的应力水平即为材料先前受到的最大应力。

声发射与弹性波传播有关，所以高强度的脆性岩石有较明显的声发射凯泽效应出现，而多孔隙低强度及塑性岩体的凯泽效应不明显，所以不能用声发射法测定比较软弱疏松岩体中的应力。 20、空心包体测量步骤：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。 21、岩芯质量指标 Rock quality designation index --RQD RQD（%） 岩石质量 ﹤25 很差 25～50 差 50～75 一般 75～90 好 90～100 优秀 RQD是一修正的岩芯取出率，仅考虑长度大于100mm的完整岩芯。

优点：能够反映岩石结构非连续性及易碎性等特点，简单易行，能经济、快速地评价岩石质量。 缺点：没有考虑不连续面的刚度、方向、连续性及充填材料的影响，因而不能单独提供对岩体的充分描述。

22、工程岩体分级标准（BQ分级）：按岩体的基本质量指标BQ进行初步分级，然后按修正后

的BQ值进行详细分级。

修正包括地下水、主要软弱结构面、初始地应力场等方面。

23、岩体基本质量（rock mass basic guality）（BQ）：岩体所固有的影响工程岩体稳定性的最基本属性。由岩石坚硬程度和岩体完整程度两个因素确定。共Ⅴ级

岩石的坚硬程度和岩体的完整程度，应采用定性划分和定量指标两种方法确定。 岩石坚硬程度划分表 岩石饱和单轴抗压强度 坚硬程度 岩体完整程度划分表 岩体完整性系数Kv 完整程度 >0.75 完整 0.75～0.55 0.55～0.35 0.35～0.15 较完整 较破碎 破碎 <0.15 极破碎 >60 坚硬岩 60~30 较坚硬岩 30~15 较软岩 15~5 软岩 <5 极软岩 24、岩石在一定条件下吸收水分的性能称为岩石的吸水性，它取决于岩石孔隙的数量、大小、开闭程度和分布情况。表征岩石吸水性的指标有：吸水率、饱和吸水率与饱水系数。 岩石吸水率：是岩石在常温常压下吸入水的质量与其烘干质量mdr的比值，以百分数表示。 岩石的饱和吸水率：亦称饱水率，是岩石在强制状态（高压或真空、煮沸）下，岩石吸入水的质量与岩样烘干质量的比值，以百分数表示。

25、劈裂法(巴西法)：劈裂法也称作径向压裂法，试验使它承受径向压缩荷载至破坏，求出岩石的抗拉强度。

26、围岩：是指在地下工程中，由于受开挖影响周围的应力状态发生改变的那部分岩体。 27、地下结构的稳定性分析主要包括两个方面：①由于应力集中造成的围岩变形破坏；②由不连续结构面切割形成的块体失稳等方面。 28、应力集中系数：

K=开巷后应力/开巷前应力=次生应力/原岩应力 巷道周边：K=2，为次生应力场的最大应力集中系数。

29、当埋深≥20 R0时，忽略巷道影响范围3R0—5 R0内的岩石自重 30、巷道位移只和应力变化量有关，与原岩应力无关。 周边只与P0有关，与R0无关

31、扁千斤顶法：又称“压力枕”，由两块薄钢板沿周围焊接而成。在周边处有一个油压入口和一个出气阀。扁千斤顶法只是一种一维应力测量法。

32、刚性包体应力计的主要组成部分是一个由钢、铜合金或其他硬质金属材料制成的空心圆柱，在其中心部位有一个压力传感器元件。当刚性包体的弹性模量大于岩体弹性模量的5倍时，在岩体中任何方位的应力变化会在包体重相同方向引起1.5倍的应力。因此，只要测量出刚性包体中的应力变化就可以知道岩体中的应力变化。

刚性包体应力计具有很高的稳定性，可用于现场的长期监测。刚性包体应力计法只能测量垂直于钻孔平面的单向或双向应力变化情况，不能用于测量原岩应力；另外它的灵敏度较低。 33、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；水压致裂测量结果只能确定垂直于钻孔平面内的最大主应力和最小主应力的大小和方向，所以从原理上讲，它是一种二维应力测量方法。水压致裂法较为适用于完整的脆性岩石中。

测量原理：水压致裂法的基本点是通过液压泵向钻孔内拟定测量深度处加液压将孔壁压裂，测定压裂过程中的各特征点压力及开裂方位，然后根据测得的压裂过程中泵压表头读数，计算测点附近岩体中地应力大小和方向。 34、椭圆巷道围岩的弹性应力状态

等应力轴比：等应力轴比就是使巷道周边应力均匀分布时的椭圆长短轴之比。该轴比可通过求式的极值得到 m   →    1   p 0 ，此时切向应力   只与测压系数有关，而与  无关，即周边切向应力处处相等。（只要椭圆长轴与原岩应力的最大主应力方向一致，此时的椭圆形状最为合理。）

零应力轴比：椭圆周边不出现拉伸应力的轴比。当不能满足最佳等应力轴比时，可寻求零应力轴比。（岩石的强度中抗拉强度最低，若能寻找出在椭圆周边不出现拉伸应力的轴比，即零应力轴比，也能使其受力状态得以改善。）

m   1  0 时，A点处不会出现拉应力  2 1   → （顶点A）  2  （顶点B） 2m1p0m1p01221    0 时，B点处就不会出现拉应力 m1m35、

①②③④⑤⑥⑦⑧

2m