岩体力学考试纲要

岩体力学考试纲要

第一章：绪论

主要以各类建筑工程和采矿工程为服务对象。

在岩体表面或其内部进行任何工程活动，都必须符合安全、经济和正常运营的原则。

第二章：岩块和岩体的地质特征

第一节：概述

岩体力学研究的对象是在各种地质作用下形成的天然岩体。 重点：讨论岩块、结构面和岩体的地质特征，影响岩块与岩体物理力学性质的主要地质因素以及岩体工程分类等问题。

第二节：岩块

1.岩块（rock或rock block）：是指不含显著结构面的岩石块体，是构成岩体的最小岩石单元体。

2.岩石是由具有一定结构构造的矿物（含结晶和非结晶的）集体组成的。含硬度大的粒柱状矿物（如石英、长石、闪角石、辉石等）愈多时，岩块强度愈高；含硬度小的片状矿物（如云母、绿泥石、蒙脱石和高岭石等）愈多时，则岩块强度愈低。

3.一般随石英含量增加，岩块的强度和抗变形性能都明显增加。 4.岩块的结构：是指岩石内矿物颗粒的大小、形状和排列方式及

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微结构面发育情况与粒间连结方式等反映在岩块构成上的特征。

5.岩石的粒间连结分结晶连结和胶结连结两类。

6.微结构面：是指存在于矿物颗粒内部或颗粒间的软弱面或缺陷，包括矿物解理、晶格缺陷、粒间空隙、微裂隙、微层面及片理面、片麻理面等。

7.岩块的构造是指：矿物集合体之间及其他组分之间的排列组合方式。

8.岩块的风化程度可通过定性指标和某些定量指标来表述。定性指标主要有：颜色、矿物蚀变程度、破碎程度及开挖锤击技术等；定量指标主要有风化空隙率指标和波速指标。

第三节 结构面

1.结构面（structural plane）：是指地质历史发展过程中，在岩体内形成的具有一定延伸方向和长度，厚度相对较小的地质界面或带。结构面根据地质成因的不同可以划分为原生结构面、构造结

构面和次生结构面三类。

2.岩体的破坏方式有：剪切破坏和拉张破坏两中基本类型。按破裂面的力学成因可分为剪性结构面和张性结构面两类。

3.结构面的规模大小不仅影响岩体的力学性质，而且影响工程岩体力学作用及其稳定性。按结构面延伸长度、切割深度、破碎带宽度及其力学效应，可将结构面分为如下5级：

Ⅰ级 指大断层或区域性断层，一般延伸约数公里至数十公里

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以上，破碎带宽约数米至数十米乃至几百米以上。有些区域性大断层往往具有现代活动性，给工程建设带来很大的危害，直接关系着建设地区的地壳稳定性，影响山体稳定性及岩体稳定性。

Ⅱ级 指延伸长而宽度不大的区域性地质界面，如较大的断层、层间错动、不整合面及原生软弱夹层等。其规模贯穿整个工程岩体，长度一般数百米至数千米，破碎带宽数十厘米至数米。常控制工程区的山体稳定性或岩体稳定性，影响工程布局，具体建筑物应避开或采取必要的处理措施。

Ⅲ级 指长度数十米至数百米的断层、区域性节理、延伸较好的层面及层间错动等。宽度一般数十厘米至1m左右。他主要影响或控制工程岩体，如地下洞室围岩及边坡岩体的稳定性等等。

Ⅳ级 指延伸较差的节理、层面、次生裂隙、小断层及较发育的片理、劈理面等。长度一般数十厘米至20～30m，小者仅数厘米至十几厘米，宽度为零至数厘米不等。

Ⅴ级 又称微结构面。指隐节理、微层面、微裂隙及不发育的片理、劈理等，其规模小，连续性差，常包含在岩块内，主要影响岩块的物理力学性质。

4.K（☆）

5.一般来说，结构面发育愈密集，岩体的完整性愈差，岩块的块度愈小，进而导致岩体的力学性质变差，渗透性增

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强。结构面的张开度是指结构面两壁间的垂直距离。

6.未胶结具一定张开度的结构面往往被外来物质所充填，其力学性质取决于充填物成分、厚度、含水性及壁岩

的性质等。就充填成分来说，以砂质、砾质等粗粒充填的结

构面性质最好，粘土质（如高岭石、绿泥石、水云母、蒙脱石等）和易溶岩类充填的结构面性质最差。

7按充填物厚度和连续性，结构面的充填可分为：薄膜充填、断续充填、连续充填及厚度充填4类。

8、结构面的组合关系控制着可能滑移岩体的几何边界条件、形状、规模、滑动方向及滑移破坏类型，它是工程岩体稳定性预测与评价的基础。

9、泥化夹层具有以下特性：①由原岩的超固结胶结式结构变成了泥质散状结构或泥质定向结构；②粘粒含量很高；③含水量接近或超过塑限，密度比原岩小；④常具有一定的胀缩性；⑤力学性质比原岩差，强度低，压缩性高；⑥由于其结果疏松，抗冲刷能力差，因而在渗透水流的作用下，易产生渗透变形。以上这些特性对工程建设，特别是对水工建筑物的危害很大。

第四节 岩 体

1.岩体（rockmass）：是指在地质历史过程中形成的，由岩石单元（或称岩块）和结构面网络组成的，具有一定的结

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果并赋存于一定的天然应力状态和地下水等地质环境中的地质体。是有结构面网络及其所围限的岩石块体所组成。

2.岩体结构（rockmass structure）：是指岩体中结构面与结构体的排列组合特征，因此，岩体结构应包括两个要素或称结构单元，即结构面和结构体。大量的工程失稳实例表明：工程岩体的失稳破坏，往往主要不是岩石材料本身的破坏，而是岩体结构失稳引起的。

3.结构体（structurai element）：是指岩体中被结构面切割围限的岩石块体。结构体的特征常用其规模、形态及产状等进行描述。结构提的规模取决于结构面的密度，密度愈小，结构体的规模愈大。

4.板状结构体比柱状、菱形状的更容易滑动，而楔形结构体比锥形结构提稳定差。但是，结构体的稳定性往往还需结合其产状及其与工程作用力方向和临空面间的关系作具体分析。

5.按成因岩体可分为：岩浆岩、沉积岩和变质岩三大类。岩浆岩可分为深成岩、浅成岩和喷出岩三类。深成岩抗风化能力弱，风化带厚度大，其中常有同期或后期岩脉穿插，岩体时代越老，岩脉穿插愈多且复杂，使岩体的完整想遭到破坏，恶化了岩体的力学性质。

第三章 岩石的物理、水理与热学性质

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第一节 岩石的物理性质

1.块体密度（或岩石密度）是指岩石单位体积内的质量，按岩石的含水状态，又有干密度（☆）、饱和密度（☆）和天然密度（☆）之分，在未指明含水状态时一般是指岩石的天然密度。（☆）

2.致密而裂隙不发育的岩石，块体密度与颗粒密度很接近，随着空隙、裂隙的增加，块体密度相应减小。原生裂隙、风化裂隙、构造裂隙。

3.一般提到岩石的空隙率系指总空隙率。空隙率愈大，岩块的强度愈大、塑性变形和渗透变形愈大，反之愈小。

第二节 岩石的物理性质

1.饱水系数是岩石的吸水率（☆）与饱和吸水率（☆）之比。饱水系数愈大，岩石中的大开空隙相对愈多，而小开空隙相对愈少。另外，饱水系数愈大，说明常压下吸水后余留的空隙就愈少，岩石愈易被冻胀破坏，因而其抗冻性差。

2.一般认为，软化吸收KR＞0.75时，岩石的软化性弱，同时也说明岩石的抗冻性和抗风化能力强。而KR＜0.75的岩石则是软化性较强和工程地质性质较差的岩石。

3.岩石的抵抗冻融破坏的能力，称为抗冻性。 4.在一定的水力梯度或压力作用下，岩石能被水透过的性质称为透水性。

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第三节 岩石的热学性质

1.在岩石内部及其与外界进行交换时，岩石吸收热能的能力，称为岩石的热容性。

2.岩石在温度升高时体积膨胀，温度降低时体积收缩的性质，称为岩石的热膨胀性，用线膨胀（收缩）系数或体膨胀（收缩）系数表示。岩石的膨胀系数大致为线膨胀（收缩）系数的3倍。

第四章 岩块的变形与强度性质

第一节 概 述

1.弹性（elasticity）：是指在一定的应力范围内，物体受外力作用产部变形，而去除外力（卸荷）后能够立即恢复其原有的形状和尺寸大小的性质。

2.塑性（plasticity）：是指物体受力后产生变形，在外力去除（卸荷）后不能完全恢复原状的性质。

3.粘性（viscosity）：是指物体受力后变形不能在瞬时完成，且应变速率随应力增加而增加的性质。

4.脆性（brittle）：是指物体受力后，变形很小时就发生破裂的性质。工程上一般5%为标准进行划分，总应变大于5%者为塑性材料，反之为脆性材料。赫德以3%和5%为界限，将岩石划分三类：总应变小于3%者为脆性岩石；总应变在3%～5%者为半脆性或脆--塑性岩石；总应变大于5%者

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为塑性岩石。

5.延性（ductile）：是指物体能承受较大塑性变形而不丧失其承载力的性质。

第二节 岩块的变形性质

1.岩块变形过程划分为：a.空隙裂隙压密阶段b.弹性变形至微破裂稳定发展阶段c.非稳定破裂发展阶段d.破坏后阶段。

2.岩块的变形性质：a.单轴压缩条件下的岩块变形性质b.三轴眼所条件下的岩块变形性质c.岩石的蠕变性质。

第三节 岩块的强度性质

1.岩块的强度：是指把岩块抵抗外力破坏的能力。 2.单轴抗压强度：是指在单向压缩条件下，岩块能承受的最大压应力。

3.岩块的抗压强度受一系列的因素影响和控制，这些因素主要包括两个方面：一是岩石本身性质方面的因素；二是试验条件方面的因素。

4.试验条件因素对岩块抗压强度的影响表现在：a.试件的几何形状及加工精度：试件的高径比，即试件高度（h）与直径或边长（D）的比值，它对岩块强度有明显的影响。一般来说，随h/D增大，岩块强度降低，其原因是随h/D增大导致试件内应力分布及其弹性稳定状态不同所致。。当h/D

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很小时，试件内部的应力分布趋于三向应力状态，因而试件具有很高的抗压强度；相反，当h/D很大时，试件由于弹性不稳定而易于破坏，降低了岩块的强度；而h/D=2～3时，试件内应力分布较均匀，且容易处于弹性稳定状态。抗压试验应采用直径或边长为5cm，高径比为2的标准规则试件。b.加荷速率c.端面条件：端面条件对岩块强度的影响称为端面效应。d.温度和湿度e.层理结构。

5.三轴压缩强度及规律：试件在三向压应力作用下能抵抗的最大的轴向应力，称为岩块的三轴压缩强度。一般来说应力低时，φ值大，C值小，应力高时相反。岩块的三轴压缩强度与岩块本身性质、围压、温度、湿度、空隙压力及试件高径比等因素有关。特别是矿物成分、结构、微结构面发育情况及其相对于最大主应力的方向和围压的影响尤为显著。

6.岩块试件在单向拉伸时能承受的最大拉应力，称为单轴抗拉强度。

7.剪切强度分为：a。抗剪断强度b.抗切强度c.摩擦强度

第四节 岩石的破坏判据

1.法向应力以压应力为正，拉应力为负；剪应力以使物体产生逆时针方向转动为正，反之为负。

2.库仑—纳维尔判据（☆）大于或等于该点实际的最大

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主应力值，该点就不会产生破坏，否则，就将会产生破坏。

3.莫尔判据

第五章 结构面的变形与强度性质

第一节 概述

1.把岩体视为岩块（结构体）与结构面组成的割裂体。 2.大量的工程实践表明；在工程荷载（一般小于10MPa）范围内，工程岩体的失稳破坏有相当一部分是沿软弱结构面破坏的。

3.结构面是岩体中渗透水流的主要通道。

4.工程荷载作用下，岩体中的应力分布也受结构面及其力学性质的影响。

第二节 结构面的变形性质

1.结构面的法向变形性质：结构面的最大闭合量始终小于结构面的张开度（e）；结构面两壁面一般只能达到40%--70%左右的接触。

2.结构面在循环荷载下的变形特征：a.结构面的卸荷变形曲线（☆）仍为一以（☆）为渐近线的非线性曲线.b.对比岩块和结构面的卸荷曲线可知，结构面的卸荷刚度比岩块的加荷刚度大.c.随着循环次数的增加，（☆）曲线逐渐变陡，且整体向左移，每次循环下的结构面变形均显示出滞后和非弹性变形。d.每次循环荷载所得的曲线形状十分相似，且其特征

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与加荷方式及其受力历史无关。

3.结构面的法向变形本结构方程为：（☆）

4.法向刚度及其确定方法：具体试验又分为室内压缩试验和现场压缩试验两种。

5.结构面的剪切变形有如下特征：a.结构面的剪切变形均为非线性曲线；b.结构面的峰值位移△uf受其风化程度的影响；c.对同类结构面而言，遭受风化的结构面，剪切刚度比未风化的小1/2—1/4；d.结构面的剪切刚度具有明显的尺寸效应；f.结构面的剪切刚度随法向应力的增大而增大。

第三节 结构面的强度性质

1.在工程荷载作用下，岩体破坏常以沿某些软弱结构面的滑动破坏为主。

2.影响结构面抗剪强度的因素主要包括结构面的形态、连续性、胶结充填特征及碧岩性质、次生变化和受力历史（反复剪切次数）等等。

3.根据结构面的形态、充填情况及连续性等特征，将 其划分为：平直无充填的结构面、粗糙起伏无充填的结构面、非贯通断续结构面及有充填的软弱结构面4类。

4.平直无充填的的结构面包括剪应力作用下形成的剪性破裂面，如节理、剪裂隙等，发育较好的层理

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与片理面。其特点是面平直、光滑，只具微弱的风化蚀变。

5.（☆）τ的结构面的抗剪强度（MPa）；（☆）为法向

应力（MPa）；（☆）（☆）分别为结构面的摩擦角与粘聚力（MPa）。结构面的抗剪强度主要来源于结构面的微咬合作用和胶粘作用，且与结构面的壁岩性质及其平直光滑程度密切相关。若壁岩中含有大量片状鳞片状矿物如云母、绿泥石、粘土矿物、滑石及蛇纹石等矿物时，其摩擦强度较低。摩擦角一般在20度—30度之间，小者仅10度—20度，粘聚力在0—0.1MPa之间。而壁岩为硬值岩石如石英岩、花岗岩及砂砾岩和灰岩等时，其摩擦角可达30度—40度，粘聚

力一般在0.05—0.1MPa之间。结构面愈平直，擦痕愈细腻，

其抗剪强度愈接近于下限，粘聚力可降低至0.05MPa以下，甚至趋于零。反之，其抗剪强度就接近于上限值。

6.粗糙起伏无充填结构面在干燥状态下的摩擦角一般为40度—48度，粘聚力在0.1—0.55MPa之间。

7. （☆）佩顿公式，他观察到石灰岩层面粗糙起伏角（☆）不同时，露天矿边坡的自然稳定坡角也不同，即（☆）越大，边坡角，从而证明了考虑（☆）的重要意义。P87

8. （☆）因为即使在极低的法向应力下，结构面的凸起也不可能完全不遭受破坏；而在较高的法向应力下，凸起也

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不可能全部被剪断。

9.结构面的充填程度可用充填物厚度d与结构面的平均起伏差h之比来表示，d/h被称为充填度。一般情况下，充填度愈小，结构面的抗剪强度愈高，反之，随充填度的增加，其抗剪强度降低。

第六章 岩体的力学性质

第一节 概述

1.一般情况下，岩体比岩块易变形，其强度也显著低于岩块的强度。造成这种差别的根本原因在于岩体中存在各种类型不同、规模不等的结构面，并受到天然应力和地下水等环境因素的影响。正因为如此，岩体在外力的作用下其力学属性往往表现出非均质、非连续、各向异性和非弹性。

2.岩体力学性质：一方面取决于它的受力条件，另一方面还受岩体的地质特征及其赋存环境条件的影响。其影响因素主要包括：组成岩体的岩石材料性质；结构面的发育特征及其性质和岩体的地质环境条件，尤其是天然应力及地下水条件。其中结构面的影响是岩体的力学性质不同于岩块力学性质的本质原因。

第二节 岩体的变形性质

1.岩体变形是评价工程岩体稳定性的重要指标，也是岩体工程设计的基本准则之一。

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2.结构变形通常包括：结构面闭合、充填物压密及结构体转动和滑动等变形。岩体的变形性质主要通过原位岩体变形试验进行研究。

3.原位岩体变形试验，按其原理和方法不同可分为静力法和动力法两种。

4.根据试验方法不同，静力法又可分为承压板法《分为a.刚性承压板法b.柔性承压板法》、狭缝法、钻空变形法、水压洞室法及单（双）轴压缩试验法等.根据弹性波激发方式的不同，又分为声波法和地震波法两种。

5. （☆）（☆）为与承压板形状与刚度有关的系数，对圆形板（☆）=0.785；方形板（☆）=0.886；（☆）为岩体的泊松比。

6.钻孔变形法是利用钻孔膨胀计等设备，通过水泵对一定长度的钻孔壁设施加均匀的径向荷载，同时测记各级压力下的径向变形（U）。与承压法相比较，钻孔变形试验有以下优点：①对岩体扰动小；②可以在地下水位以下和相当深的部位进行；③试验方向基本上不受限制，而且试验压力可以达到很大；④在一次试验中可以同时测量几个方向的变形，便于研究岩体的各向异性。这种方法的主要缺点在于试验涉及的岩体体积小，代表性受到局限。

7.狭缝法又称狭缝千斤顶法，是在选定的岩体表面刻槽，

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然后在槽内安装扁千斤顶（压力枕）进行试验。

8.岩体变形曲线类型及其特征a.直线型，此类为一通过原点的直线，其方程为（☆）。反映岩体在加压过程中W随p成正比增加。岩性均匀且结构面不发育或结构面分布均匀的岩体多呈这类曲线。（1）陡直线型，特点是p—W曲线的斜率较陡，呈陡直线。说明岩体刚度大，不易变行。卸压后变形几乎恢复到原点，以弹性变形为主，反映出岩体接近于均质弹性体。较坚硬、完整、致密均匀、少裂隙的岩体，多具这类曲线特征。（2）曲线斜率较缓，呈缓直线型，反映出岩体刚度低易变形。卸压后岩体变形只能部分恢复，有明显的塑性变形和回滞环。这类曲线虽是直线，但不是弹性。出现这类曲线的岩体主要有：由多组结构面切割，且分布较均匀的岩体及岩性较软而较均质的岩体；另外，平行层面加压的层状岩体，也多为缓直线形。b.上凹型，层状及节理岩体多呈这类曲线。其加卸压曲线又可分为两种：（1）每次加压曲线的斜率随加、卸压循环次数的增加而增大，即岩体刚度随循环次数增加而增大。弹性变形We和总体变形W之比随p的增大而增大，说明岩体弹性变形成分较大。这种曲线多出现于垂直层面加压的较坚硬层状岩体中。（2）加压曲线的变化情况与（1）相同，但卸压曲线较陡，说明卸压后变形大部分不能恢复，为塑性变形。存在软弱夹层的层状岩体及

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