岩石力学张永兴主编.pdf

第 1 页 第章 绪 论 早在远古时代，人们就开始使用岩石制作工具，利用天然岩洞或挖掘岩洞做 居室。在约年前，古埃及就开采岩石建造金字塔，其最大高度达到了 年，火药传人欧公元洲用以采矿和开挖隧道；世纪铁路的大发 展，要求限制铁道世纪大型水电工程的的坡度，导致隧道技术的快速发展； 建设对岩石基础、边坡、地下洞室和隧道工程提出了更高的要求。世纪年 拱坝的失大坝水库高边坡的崩溃，年代初意大利代末法国事和 促成了国际岩年成立，将岩石力学从土力学的领域中分离出石力学学会在 来而成为一门专门学科。 岩石力学是固体力学的一个新的分支，用以研究岩石材料的力学性能和岩石 工程的特殊设计方法。岩石材料不同于一般的人工制造的固体材料，岩石经历了 漫长的地质构造作用，内部产生了很大的内应力，具有各种规模的不连续面和孔 洞，而且还可能含有液相和气相，岩石远不是均匀的、各向同性的弹性连续体， 这就决定了必须开发出与之适应的原理、装置和方法。 岩石力学经过多年的发展，在土木工程、水利工程、采矿工程、石油工 程、国防工程等领域都得到了广泛的应用，随着科学技术的进步，岩石力学涉及 的领域将进一步扩大。 岩石与岩体的基本概念 岩 石 和 岩 体 岩石和岩体是岩石力学的直接研究对象。要学习和研究岩石力学，首先要建 立岩石（或岩块）和岩体的基本概念。岩石是组成地壳的基本物质，它是由矿物 或岩屑在地质作用下按一定规律凝聚而成的自然地质体。例如，我们通常所见到 的花岗岩、石灰岩、片麻岩，都是指具有一定成因、一定矿物成分及结构构造的 岩石。岩石可由单种矿物所组成，例如，纯洁的大理石由方解石组成；而多数的 岩石则是由两种以上的矿物组成，例如，花岗岩主要由石英、长石、云母三种矿 物所组成。按照成因，岩石可分为三大类，即岩浆岩、沉积岩和变质岩。 岩浆岩是由岩浆冷凝而形成的岩石。绝大多数的岩浆岩是由结晶矿物所组 成，由非结晶矿物组成的岩石是很少的。由于组成岩浆岩的各种矿物的化学成分 和物理性质较为稳定，它们之间的连接是牢固的，因此岩浆岩通常具有较高的力 第 2 页 学强度和均质性。 沉积岩是由母岩（岩浆岩、变质岩和早已形成的沉积岩）在地表经风化剥蚀 而产生的物质，通过搬运、沉积和固结作用而形成的岩石。沉积岩由颗粒和胶结 物组成，各有不同的成分。颗粒包括各种不同形状和大小的岩屑及不同矿物，胶 结物常见的有钙质、硅质、铁质以及泥质等。沉积岩的物理力学特性不仅与矿物 和岩屑的成分有关，而且与胶结物的性质有很大关系，例如，硅质、钙质胶结的 沉积岩，其强度一般较高，而泥质胶结的和带有一些黏土胶结的沉积岩，其强度 就较低。另外，由于沉积环境的影响，沉积岩具有层理构造，这就使沉积岩沿不 同方向表现出不同的力学性能。 变质岩是由岩浆岩、沉积岩甚至变质岩在地壳中受到高温、高压及化学活动 性流体的影响下发生变质而形成的岩石。它在矿物成分和结构构造上具有变质过 程中所产生的特征，也常常残存有原岩的某些特点。因此，它的物理力学性质不 仅与原岩的性质有关，而且与变质作用的性质和变质程度有关。 岩石的物理力学指标是在实验室内用一定规格的试件进行实验测定的。这种 岩石试件是由钻孔中获取的岩芯，或在工程范围内用爆破或其他方法获得的岩石 碎块经加工制成的，这样采集的标本或岩芯仅仅是在自然地质体中的岩石小块， 称为岩块。我们平时所称的岩石，在一定程度上都是指岩块，所以我们在这里就 不把自然地质体的岩石（岩体）和岩块这两个概念严格加以区分了。因为岩块是 不包含有显著弱面的、较均质的岩石块体，所以通常把它作为连续介质及均质体 来看待。 岩体是指一定工程范围内的自然地质体，它经历了漫长的自然历史过程，经 受了各种地质作用，并在地应力的长期作用下，在其内部保留了各种永久变形和 各种各样的地质构造形迹，例如不整合、褶皱、断层、层理、节理、劈理等不连 续面。岩石与岩体的重要区别就是岩体包含若干不连续面。由于不连续面的存 在，岩体的强度远低于岩石强度。因而对于设置在岩体上或岩体中的各种工程所 关心的岩体稳定问题来说，起决定作用的是岩体强度，而不是岩石强度。 岩 体 结构 岩体是地质历史的产物，在长期的成岩及变形过程中形成了它们特有的结 构。岩体结构包括两个基本要素，结构面和结构体。结构面即岩体内具有一定方 向、延展较大、厚度较小的面状地质界面，包括物质的分界面和不连续面，它是 在地质发展历史中，尤其是地质构造变形过程中形成的。被结构面分割而形成的 岩块，四周均被结构面所包围，这种由不同产状的结构面组合切割而形成的单元 体称为结构体。 结构面是岩体的重要组成单元，岩体质量的好坏与结构面的性质密切相关。 有关结构面的成因及分类在第章中将详细讨论。结构面的强度取决于它的 第 3 页 特性，即它的粗糙度及充填物的性质。其中，结构面对岩体结构类型的划分常起 着主导作用。在研究结构面时，一方面要注意结构面的强度、密度及其延展性， 另一方面还需注意结构面的规模大小和它们之间的组合关系。 结构体就是被结构面所包围的完整岩石，或隐蔽裂隙的岩石，结构体也是岩 体的重要组成部分。在研究结构体时，首先要弄清结构体的岩石类型及其物理力 学属性，然后根据结构面的组合确定结构体的几何形态和大小，以及结构体之间 的镶嵌组合关系等。结构体的不同形态称为结构体的形式。常见的单元结构体有 块状、柱状、板状体，以及菱形、楔形、锥形体等。 岩体结构是由结构面的发育程度和组合关系，或结构体的规模及排列形式决 定的。岩体结构类型的划分反映出岩体的不连续性和不均一性特征。中国科学院 地质研究所根据多年的工程实践，从岩体结构的角度提出了岩体结构分类（表 。根据这个分类，岩体结构分为块状结构、镶嵌结构、层状结构、碎裂结构、 层状碎裂结构以及松散结构等。我国不少专门为工程目的的岩体分类，例如为建 造地下隧道和洞室的围岩分类（铁路隧道规范分类、岩石地下建筑技术措施分类 等），都是以岩体结构分类为基础的。 表岩体结构类型及其特征 第 4 页 岩石力学的应用范围 人类生活在地球上，很多活动都离不开利用岩石进行工程建设。随着我国经 济建设的蓬勃发展，出现了大量岩石工程的建设与开发，从而岩石力学在建筑、 矿山、水工、铁路和国防等领域得到日益广泛的应用与深入研究。 位于地表上建筑物的设计，需要密切注意工程地质存在的隐患（例如，可能 影响建筑物选址的活断层或滑坡等），岩石力学就成为减少这种潜在危险的一种 有效工具。工程地质学家必须揭露潜在的隐患，并充分运用已有的岩石力学知识 去消除隐患。例如，在里约热内卢，花岗岩的剥离层曾对陡岩脚下的建筑物造成 威胁，这时，工程师就可以设计锚杆系统或者进行控制爆破以消除这种危险；对 于一些轻型建筑物，用岩石力学的知识便可帮助人们认清页岩地基可能存在的膨 胀性；对于高大的建筑物、大型桥梁和工厂等，则有可能还需要进行荷载作用下 岩体的弹性试验和滞后沉陷试验；在喀斯特灰岩或深部已采空的煤层上，则可能 要进行大量的试验研究和采用专门设计的基础，以保证建筑物的稳定性。 爆破的控制也是与岩石力学密切相关的一个方面。在城市中，新建建筑的基 础可能非常靠近已有建筑物，在爆破时，就要使振动不致危害邻近的建筑物或扰 动附近的住宅。另外，临时开挖也可能需要设置锚固系统，防止滑坡或岩块松 动。 最苛求于岩石力学的地面建筑物是大坝，特别是拱坝和支墩坝。它作用在岩 基或坝头的应力很大，同时还承受水压力及水的其他作用。除了必须注意地基内 的活断层外，还要仔细评价可能产生的滑坡对水库造成的威胁。意大利坝 失事的严重灾难至今仍让人记忆犹新。在这次事故中，巨大的滑坡体使库水漫过 高大的拱坝，致使下游两千多人丧生。岩石力学还可以应用于材料的选 续表 第 5 页 择，例如选择保护堤坡免遭波浪冲蚀的抛石、混凝土骨料、各种反滤层材料和填 筑石料等。根据岩石试验可以确定这些材料的耐久性和强度特性。由于不同的坝 型在岩体上产生的应力状态很不相同。因此，岩体变形和岩体稳定的分析就成为 工程设计研究的重要组成部分。 对于混凝土坝，通过室内试验和现场试验所确定的坝基与坝头岩体的变形特 性值，可在混凝土坝应力的模型研究或数值分析中综合运用。所有坝体下面的大 小楔形岩体的安全性都要通过静力计算来确定。必要时，需要使用锚索或锚杆等 支护设备，以便对基岩或坝与基岩的接触面施加预应力。 运输工程在许多方面同样有赖于岩石力学。在铁路、公路、运河、管道和压 力钢管管线、路堑边坡等设计中，可能要对断裂的岩体进行试验和分析。根据岩 石力学的研究，通过调整后得到的合适的线路方位，很可能会大量降低造价。是 否应把上述这些线路埋设在地下，在一定程度上取决于对岩石情况的判断以及对 采用隧洞与明挖费用的比较。如果能把压力钢管埋设在隧洞里，让一部分应力由 岩石来承担，则可以节省钢材。在这种情况下，就需通过岩石试验测定设计上所 需的岩石特性。有时，压力管道可以不要衬砌，这时就需要进行岩石的应力测 量，以保证不致因渗漏而发生危险。在市区内，由于地价高昂，地面的运输线可 能要采用近似直立的边坡，这时就需要用人工支护以维持边坡的长期稳定。 为了其他目的进行地面开挖时，在爆破控制、开挖坡度、安全台阶位置的选 择以及支护措施等方面，也往往需要用到岩石力学的知识。露天矿坑是否合理， 取决于使用是否方便和开挖是否经济，这就要求对其边坡岩体进行大量的研究工 作以选择出合适的开挖坡度。 地下开挖在很多方面都要依靠岩石力学知识。在采矿中，切割机和钻机必须 根据相应实验室试验得到的岩石性状来进行设计。采矿的一个重大决策，是在开 采矿石时究竟力图维持洞室的形状不变还是允许岩体有适当变形。这时，岩体性 状及应力条件在制定正确决策时是最为重要的，可以基于岩石力学通过数值分 析、理论计算和进行全面的岩体试验等研究加以确定。 地下洞室目前除用于运输和采矿外，另有一些用途，其中有些用途需要获得 岩体物理力学方面新的资料数据和专门技术。例如，在地下洞室内存贮液化天然 气，需要对岩体进行在极端低温条件下性能的测定和对岩体进行热传导性能的分 析；在地下洞室内存贮油和气时，需要研究当地岩体的性状以便找到一个能防止 渗漏的地下环境。在山区，地下水电厂较地面电厂有较多的优点，地下水电厂有 很大的地下厂房和其他许多洞室，是复杂的空间布置，这些洞室的方位和布置， 几乎都要根据岩石力学及地质学来研究决定。因此，岩石力学可以说是一种基本 工具。用于军事方面的地下洞室必须具有抵抗预定核爆炸产生的动力荷载的能 力，因而必须在地壳巨大震动力的作用下能够保持安全牢固，所以岩石动力学在 这类工程设计中占有重要的地位。 第 6 页 岩石力学在能源开发领域中也是很重要的。在采油工程中，钻头的设计与岩 性有关，因为钻头磨损是采油成本的一个重要组成部分。岩石力学可用来解决深 孔和深层采油所发生的问题。 目前，岩石力学的新用途、新领域不断出现。外层空间的探测和开发、地震 预报、溶解法采矿、压缩空气的地下存贮以及其他崭新的领域，正要求岩石力学 技术的进一步深入发展。但是，即使对于上述一般的应用领域，我们至今仍然没 有完全掌握进行合理设计所需要的岩石力学知识；这主要是因为岩体的性质特 殊，它与其他工程材料相比在处理上也相当困难。 岩石力学的基本内容与研究方法 岩石力学的基本内容 岩石力学是研究岩石及岩体在各种不同受力状态下产生变形和破坏的规律， 并在工程地质定性分析的基础上定量地分析岩体稳定性的一门学科。从工程实用 性来看，它主要进行岩体稳定性以及岩体破碎规律的研究。前者包括岩坡稳定、 基岩稳定、洞室围岩稳定等问题的研究，也是本书的主要内容；后者主要讨论机 械破岩、爆破破岩、水力破岩等方面的研究。然而，不论是对岩体稳定性还是岩 体破碎规律方面的研究，都必须建立在对岩体的物理力学性质有充分而正确的认 识的基础上，因此岩体的物理力学性质也是岩石力学中重点探讨的课题之一。 岩石力学是在世纪年代初兴起的一门学科。与土力学相比，它的历史 很短且与现代化大生产的发展分不开。随着大生产的发展，在对自然界能源的开 采、利用以及各项工程建设中，例如采矿、水利、水电、土木工程，铁路交通以 及国防建设等，都出现了各种有关岩体稳定性的课题。由于对岩体的稳定性认识 不足，在一定程度上带有盲目性，一些大型水坝、岩质边坡、大型地下洞室以及 深部采矿等工程，都出现了重大的工程事故，究其原因，都是与各种受力状态下 的岩体失稳分不开的，这就引起了人们对岩石力学的重视。目前，现代化工程建 设的规模正逐年增大，随之对工程建设的责任性也相应增大，为了使得工程建设 达到安全可靠、经济合理，就必须对岩体稳定性问题作出定量的评价。 随着现代化建设的进一步增强和工程规模的逐年扩大，岩石力学对工程实践 所起的作用也逐步被人们更深刻地理解。同时，岩石力学毕竟是一门年轻的学 科，所以在很多方面还不够成熟，特别是由于岩体作为一种自然地质体，影响其 稳定性的各种因素之间的关系纷繁复杂，它们中间的很多规律尚未得到充分认 识，这些都迫使我们去进一步探索和研究。正是由于工程实践的需要，多年 来岩体力学得到了高速发展。目前，在试图解决各种岩体稳定性问题的时候，不 仅要有现代化的实验设备和方法，而且还要有先进的理论指导和现代化的计算方 第 7 页 法，才能有效地综合各种成果，求得接近于实际的答案。 由此，岩石力学的基本内容，大致可以归纳为以下三个方面 基本原理，包括岩石的破坏、断裂、蠕变及岩石内应力、应变理论等的 研究； 实验室试验和现场原位试验，包括各种静力和动力方法，以确定岩块和 岩体在静力和动力荷载下的性状以及岩体内的初始应力； 在实际应用方面，包括地表岩石地基（如高坝、高层建筑、核电站的地 基）的稳定和变形问题、岩石边坡（如水库边坡、高坝岸坡、渠道、路堑、露天 开采坑等人工和天然岩石边坡）的稳定问题、地下洞室（如地下电站、水工隧 洞、交通隧洞、采矿巷道、战备地道等）围岩的稳定、变形和加固问题、岩石破 碎（如将岩石破碎成所要求的规格）、岩石爆破、地质作用（如分析因采矿而地 表下陷、解释地球的构造理论、预估地震与控制地震）等问题的研究。 岩石力学的研究方法 岩石力学是一门新兴的学科，又是一门重要的交叉学科和边缘学科，是用力 学的观点对自然存在的岩石和岩体进行性质测定和理论计算来为具体的工程建设 服务的。岩石力学的研究必须采用科学实验与理论分析紧密结合的方法。 岩石力学中的科学实验是岩石力学研究工作的基础。进行岩石和岩体的物理 力学参数测定，以及进行各项现场和室内的原型和模型试验，是建立岩石力学概 念和理论的基础，因为它不仅能够为工程设计和施工提供必不可少的岩石物理力 学性质的第一手资料，而且还能为岩石力学课题的理论分析提供客观的物理基 础。现在，从事岩石力学的工作者为了更好地获得这种第一手资料，广泛地采用 现代测试新技术来进行岩石的室内试验和现场试验。事实证明，每当用新的技术 对岩石进行科学实验而获得成功时，我们对岩石性能的认识也就前进了一步。因 此，岩石力学的科学实验必须采用最先进的测试手段。 我们现在所应用的岩石力学理论是建立在前人的基础上的，例如弹性理论、 塑性理论、松散介质力学理论等，将这些理论应用于岩石或岩体的分析研究中， 其适用性要接受实践检验的。由于一定的理论都是在一定的假设条件下建立的， 它与复杂多变的自然岩体之间总是存在一定的差距，理论的适用性总是要受到一 定的限制。因此，应用理论时就要注意它的适用性。目前，岩石力学中尚有不少 问题应用现有理论知识不能获得完善的解答，只能凭借实践中所获得的经验来进 行处理，这在目前仍然是很需要的；应用这些经验决不是阻碍和放弃理论的发 展，而是要促进理论的发展。 现代计算技术飞速发展，电子计算机以其惊人的计算速度和处理复杂数据的 能力越来越受到众多学者的青睐，其在各个领域的应用，在技术上掀起了一场大 革命，电子计算机应用于岩体力学也成为必然。不仅复杂的岩体力学问题要利用 第 8 页 电子计算机进行计算，而且作为自然体的岩体所反映的性能是多变的，带有一定 的概率性，大量的科学实验数据和成果也需要利用电子计算机进行统计和处理。 因此，电子计算机对岩体力学是十分有用的强大工具。目前，许多学者已经把人 工智能运用到岩石力学的各个方面，并取得了显著的成果，其应用有着广阔的发 展前景。 由于岩石和岩体是天然地质体，它经历了漫长的自然演变过程，各类岩体有 它的地质成因，也经受了各种地质构造变动过程，各种结构面就是在这个过程中 形成和演变的，岩体力学的研究脱离不了工程地质的定性研究，各类不同力学性 质结构面的形成也是与地质力学的研究成果分不开的，因此，研究岩体力学还要 求具备一定的工程地质和地质力学的知识。 另外，岩石力学又是一门应用性很强的学科，因此，在应用岩石力学知识解 决具体工程问题的时候又必须与工程的设计与施工保持密切的联系和相互配合。 岩石力学应该为设计与施工提出有利于岩体稳定的方案，又能为新的设计和施工 提出岩体稳定的理论根据，这是我们努力的目标。 第 9 页 第章 岩石的物理力学性质 岩石的结构和构造 岩石的物理力学性质除与其组成成分有关外，还取决于岩石的结构和构造。 岩石的结构是指矿物颗粒的形状、大小和联结方式所决定的结构特征；岩石的构 造则是指各种不同结构的矿物集合体的各种分布和排列方式。一般来说，岩石 “结构”一词是针对构成岩石的微细粒子部分而言，而岩石“构造”是指较大的 部分，“构造”比“结构”使用更广泛。 矿物颗粒间具有牢固的联结是岩石区别于土壤并使岩石具有一定强度的主要 原因。岩石颗粒间联结分为结晶联结和胶结联结两类。结晶联结是矿物颗粒通过 结晶相互嵌合在一起，如岩浆岩、大部分变质岩和部分沉积岩都具有这种联结。 它通过共用原子或离子使不同晶粒紧密接触，一般强度较高。胶结联结是矿物颗 粒通过胶结物联结在一起，这种联结的岩石的强度取决于胶结物的成分和胶结类 型。岩石矿物颗粒结合的胶结物质有硅质、铁质、钙质、泥质等。一般来说， 硅质胶结的岩石强度最高，铁质和钙质胶结的次之，泥质胶结的岩石强度最差， 且抗水性差。 以风化程度划分，岩石又分为微风化、中等风化和强风化岩石。在岩石力学 中，根据岩石坚硬程度可分为坚硬岩、较硬岩、较软岩、软岩和极软岩。 岩石的基本物理性质 重力密度和质量密度 岩石单位体积（包括岩石中孔隙体积）的。岩重量称为重力密度（重度） 石重力密度的表达式为 岩石重力密式中度（ ） ； 岩样的重量（ 重力密度过去曾称容重。 第 1 0 页 岩样的体积（ 根 、天然重度 据岩石试样的含水情况不同，重力密度可分为干重度（ ，一般未 （说明和饱和重度（含水状态时是指天然容重。 岩石的重度取决于组成岩石的矿物成分、孔隙大小以及含水量。当其他条件 相同时，岩石的重度在一定程度上与其埋藏深度有关。一般而言，靠近地表的岩 石重度较小，深层的岩石则具有较大的重度。岩石重度的大小，在一定程度上反 映出岩石力学性质的优劣，通常岩石重度愈大，其力学性质愈好。 岩石的质量密度（密度）定义为岩石单位体积（包括岩石中孔隙体积）的质 。它与岩石重量，用表示，单位一般为“度之间存在如下关系 式中 。（ 积） 式中 岩石的干重量（ 岩石的实体部分（不包括空） ；隙）的体积（ ） 。℃时纯水的重度（个大气压下 岩石的相对密度可采用比重瓶法测定，试验时先将岩石研磨成粉末，烘干后 用比重瓶法测量。岩石的相对密度取决于组成岩石的矿物相对密度，岩石中重矿 物含量越多其相对密 之间。 度越大，大部分岩石的相对密度介于 重力加速度（ 、和饱和密度相应地，岩石的密度也可分为干密度（天然密度（ 相 对 密 度 岩石的相对密度就是岩石的干重量除以岩石的实体积（不包括岩石中孔隙体 时纯所得的量与个大气压下水的重度的比值，可由下式计算 岩石的相对密度； 孔隙率和孔隙比 岩石试样中孔隙体积与岩石试样总体积的百分比称为孔隙率，可用下式表 示 式中孔隙率，以百分比表示； 岩样的孔隙体积（ 岩样的体积（ 岩石的孔隙率也可根据干重度和相对密度计算 第 1 1 页 孔隙率分为开口孔隙率和封闭孔隙率，两者之和总称孔隙率。由于岩石的孔 隙主要是由岩石内颗粒间的孔隙和细微裂隙构成，所以孔隙率是反映岩石致密程 度和岩石力学性能的重要参数，孔隙率越大，岩石中的孔隙和裂隙就越多，岩石 的力学性能就越差。 孔隙比是指孔隙的体积与固体的体的比值。其公式为积 根据岩样中三相体的相互关系，孔隙比与孔隙率存在着如下关系 含水率、吸水率和饱水率 天然状态下岩石中水的重量与岩石烘干重量比值的百分率称为岩石 的天然含水率，即 岩石的吸水率是指干燥岩石试样在一个大气压和室温条件下吸入水的重量 表示，即与岩石干重量之比的百分率，一般以 式中烘干岩样浸水后的湿重，其余符号同前。 岩石吸水率的大小取决于岩石中孔隙数量多少和细微裂隙的连通情况。一 般，孔隙愈大、愈多、孔隙和细微裂隙连通的情况愈好，则岩石的吸水率愈大， 岩石的力学性能愈差。 岩石的饱和吸水率亦称饱水率， 是岩样在强制状态 （真空、 煮沸或高压） 下， 岩样 的最大吸入水的重量与岩样的烘干重量的比值表示， 即的百分率， 以 岩样式中饱和后的重量，其余符号同前。 通常认为，在高压条件下水能进入岩样中所有敞开的裂隙和孔隙中去，国外 采用高压设备使岩样饱和，由于高压设备较为复杂；国内实验室常用真空抽气法 或煮沸法使岩样饱和。饱水率反映岩石中张开型裂隙和孔隙的发育情况，对岩石 的抗冻性有较大的影响。 是指岩石吸水率饱水系数与饱水率比值的百分率，即 第 1 2 页 时之间。试验表明，当一般岩石的饱水系数在，可免遭 冻胀破坏。 岩石的渗透性 岩石的渗透性是指在水压力作用下，岩石的孔隙和裂隙透过水的能力。岩石 的渗透性可用渗透系数来衡量。渗透系数的物理意义是介质对某种特定流体的渗 透能力。因此，对于水在岩石中渗流来说，渗透系数的大小取决于岩石的物理特 性和结构特征，例如岩石中孔隙和裂隙的大小、开闭程度以及连通情况等。 岩石的膨胀性 岩石的膨胀性是指岩石浸水后体积增大的性质。某些含黏土矿物（如蒙脱 石、水云母及高岭石）成分的软质岩石，经水化作用后在黏土矿物的晶格内部或 细分散颗粒的周围生成结合水溶剂腔（水化膜），并且在相邻近的颗粒间产生楔 劈效应，当楔劈作用力大于结构联结力，岩石显示膨胀性。 岩石膨胀性大小一般用膨胀力和膨胀率两项指标表示，这些指标可通过室内 试验确定，目前国内大多采用土的固结仪和膨胀仪测定岩石的膨胀性，测定岩石 膨胀力和膨胀率的试验方法常用的有平衡加压法、压力恢复法和加压膨胀法。 岩 石 的 崩 解 性 岩石的崩解性是指岩石与水相互作用时失去黏结性并变成完全丧失强度的松 散物质的性能。这种现象是由于水化过程中削弱了岩石内部的结构联结引起的， 常见于由可溶盐和黏土质胶结的沉积岩地层中。岩石崩解性一般用岩石的耐崩解 性指数表示，这个指标可以在实验室内通过干湿循环试验确定。对于极软的岩石 及耐崩解性低的岩石，还应根据其崩解物的塑性指数、颗粒成分与用耐崩性指数 划分的岩石质量等级等进行综合考虑。 岩 石 的 软 化 性 岩石的软化性是指岩石与水相互作用时强度降低的特性。软化作用的机理也 是由于水分子进入颗粒间的间隙而削弱了颗粒间的联结造成的。岩石的软化性与 其矿物成分、粒间联结方式、孔隙率以及微裂隙发育程度等因素有关。大部分未 经风化的结晶岩在水中不易软化，许多沉积岩如黏土岩、泥质砂岩、泥灰岩以及 蛋白岩、硅藻岩等则在水中极易软化。 岩石的软化性高低一般用软化系数表示，软化系数是岩样饱水状态下的抗压 强度与干燥状态的抗压强度的比值，即 第 1 3 页 岩石的软化系数；式中 岩样在饱水状态下的抗压强度（ 干燥岩样的抗压强度（ 岩石的软化系数的。总是小于 岩 石 的 抗 冻 性 岩石抵抗冻融破坏的性能称为岩石的抗冻性。岩石的抗冻性通常用抗冻系数 来表示。 岩石的抗冻系数是指岩样在的温度区间内，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的比 值，用百分率表示，即 式中岩石的抗冻系数； 岩样冻融前的抗压强度（ 岩样冻融后的抗压强度（ 岩石在反复冻融后其强度降低的主要原因，一是构成岩石的各种矿物的膨胀 系数不同，当温度变化时由于矿物的胀缩不均而导致岩石结构的破坏；二是当温 度降低到℃以下时岩石孔隙中的水将结冰，其体积增大约，会产生很大的 膨胀压力，使岩石的结构发生改变，直至破坏。 岩石的强度 岩石在荷载作用下破坏时所承受的最大荷载应力称为岩石的强度。例如岩 石在单轴压缩荷载作用下所能承受的最大压应力称为岩石的单轴抗压强度；在单 轴拉伸荷载作用下所能承受的最大拉应力称为岩石的单轴抗拉强度等。岩石的强 度决定于很多因素，岩石结构、风化程度、水、温度、围压大小、各向异性等都 影响岩石的强度。要注意，本章所讨论的岩石强度是指不含裂隙的完整岩块的强 度 。 岩石抗压强度 岩石的抗压强度，包括岩石的单轴抗压强度和三轴抗压强度。 单轴抗压强度 第 1 4 页 岩石单轴抗压强度就是岩石试件在单轴压力作用下（无围压，只在轴向加压 力）所能承受所示。单轴抗压强度等于达到破坏时的最大压应力，如图 除以试件的横截最大轴向压力面积， 即 岩石）单轴压力作用下试件试件在单轴压力作用下常见的破坏形式有 ）多个共轭斜面剪切破坏。其单斜面剪切破坏； （的劈裂；形式分别如图 ）和（）所示。 岩石的抗压强度图试验 一破坏角图岩石单轴压缩时的常见破坏；剪切破裂形式 岩石单轴抗压强度一般是在室内试验机上通过加压试验得到的，试件采用圆 柱体或立方体，广泛采用的圆柱体岩样尺寸一般为。进行岩石单 轴抗压强度试验时应注意试件端部效应，当试验由上下加压板加压时，加压板与 试件之间存在摩擦力，因此在试件端部存在剪应力，约束试件端部的侧向变形， 所以试件端部的应力状态不是非限制性的，只有在离开端部一定距离的部位，才 会出现均匀应力状态。为了减少“端部效应”，应将试件端部磨平，并在试件与 加压板之间加入润滑剂，以充分减少加压板与试件断面之间的摩擦力。同时应使 试件长度达到规定要求，以保证在试件中部出现均匀应力状态。 影响试验结果的因素还有试件的形状、尺寸、加载速率等。 试件的形状和尺寸对强度的影响和横主要表现在高径比或高宽比 断面积上。试件太长、高径比太大，会由于弹性不稳定提前发生破坏，降低岩石 的强度。试件太短，又会由于试件端面与承压板之间出现的摩擦力会阻碍试件的 横向变形，使试件内部产生约束效应，以致增大岩石的试验强度。试件横断面积 减小，会相对地增大端部约束效应，因而强度也会有所提高。经试验研究，认为 取高径比为宜；这时试件内部应力分布均匀，并能保证破坏面不 承受承压板约束可自由通过试件的全断面。 进行单轴压缩试验时，施加荷载的速率对试验结果也有明显影响。加载速率 第 1 5 页 越大，测得的弹性模量越大；加载速率越小，测得的弹性模量越小，峰值应力越 不显著。这点上岩石与混凝土的情况类似。 三轴抗压强度 为了得到岩石全面的力学特性，根 据三个方向施加应力的不同可分为常规 三轴压力试验（一般为圆柱体）和真三 轴压力试验（一般为立方体），如图 所示。 常规三轴压力试验是使圆柱体试件 周边受到均匀压力（， 而轴向则 用压力机） 。加载（ 图普通三轴试验和真三轴试验 三轴压力试验测得的岩石强度和围 压关系很大，岩石抗压强度随围压的增加而提高。通常岩石类脆性材料随围压的 增加而具有延性。根据三轴试验结果绘制出不同围压下的岩石三轴强度关系曲 线，可计算节 。出岩石的内聚力和内摩擦角。详细过程见 真的应力状态。真三轴压力试三轴压力试验加载是使试件成为 验可得到许多不同应力路径下的力学结果，为岩石力学理论研究提供较多的资 料。但是真三轴试验装置复杂，试件六面均可受到加压引起的摩擦力，影响试验 结果，故较少进行该类试验。 岩 石 抗 剪 强 度 岩石的抗剪强度是岩石抵抗剪切破坏的极限能力，它是岩石力学中重要指标 之一，常以黏聚力和内摩擦角这两个抗剪参数表示。确定岩石抗剪强度的方 法可分为室内试验和现场试验两大类。室内试 验常采用直接剪切试验、楔形剪切试验和三轴 压缩试验来测定岩石的抗剪强度指标。 直接剪切试验 直接剪切试验采用直接剪切仪进行，如图 所示。 图直接剪切仪 每次试验时，先在试样上施加垂直荷载 ， 然后在水平方向逐渐施加水平剪切力，直至达到最大值发生破坏为 按下列公式计算止。剪切面上的正应力和剪应力 第 1 6 页 表示。用相同的试样、不同的进行多次 ， ，绘成关系曲线如 图所示。 试验证明，这条强度线并不是 绝对严格的直线，但在岩石较完整 或正应力值不很大时可近似看作直 线。 楔形剪切试验 楔形剪切试验用楔形剪切仪进 行，这种仪器的主要装置和试件受 所示。试力情况如图验时把装有 试件的这种装置放在压力机上加压， 图与正抗剪强度应力的关系 直至试件沿着面发生剪切破坏。 这种试验实际上是另一种形式的直接剪切试验。 根据受力平衡条件，可以列出下列方程式 压力机上施式中加的总垂直力， 作用在试件剪切面上的法向总压力， 作用在试件剪切面上的切向总剪力， 压力机垫板下面的滚珠的摩擦系数，可由摩擦校正试验决定； 剪切面与水平面所成的角度。 ）和（）分别除将式（ 以剪切面面积即得 式中剪切面面积。 试验中采用多个试件，分别以不 角进行试验同的。当破坏时，对应 于每一个值可以得出一和组 所 值，由此可得到如图 示的曲 线。从图中可变化范围以看出，当 较大时 试样的剪式中切面面积。 在给定正应力下的抗剪强度以 试验下的抗剪强度即可求出不同 图楔形剪切仪 装置示意图；试验时受力情况 倾角上压板；；下压板；夹具 为一曲线关系，但不大时可视为直线，求出和当 三轴压缩试验 第 1 7 页 图楔形剪切试验结果 图三轴试验装置图岩石三轴压缩试验采用岩石三轴压力仪 侧压力液一施加垂直压力；体出口处， 进行，三轴试验所示。 在进行三设备如图 侧压排气处；力液体进口处密封； 轴试验时，先将试件施加侧压力，即小主应 设备压力室；侧压力；球状； 力，然后逐渐增加垂直压力，直至破坏， 底座；岩石试件 ，得到破坏时的大主应力从而得到一个破 ，施加垂直压力直坏时的莫尔应力圆。采用相同的岩样，改变侧压力为至破 ，从而又得到一个莫坏，得尔应力圆。绘出这些莫尔应力圆的包络线，即可求 所示。如果把它看作是一根近似直线，则得岩石的抗剪强度曲线，如图可根 据该线在纵轴上的截距和该线与水平和内摩擦角线的夹角求得黏聚力 图三轴试验破坏时的莫尔圆 岩 石 抗 拉 强 度 岩石的抗拉强度就是岩石试件在单轴拉力作用下抵抗破坏的极限能力，它在 数值上等于破坏时的最大拉应力值。对岩石直接进行抗拉强度的试验比较困难， 能否成功的关键在于一、岩石试件与夹具间必须有足够的粘结力或摩擦力； 二、所施加的拉力必须与岩石试件同轴心。目前一般先进行各种各样的间接试 第 1 8 页 验，再用理论公式算出岩石的抗拉强度。 岩石直接抗拉试验所示，在试验时将这的试件如图 种试样的两端固定在拉力机上，对试样施加轴向拉力直至破 坏，然后计算出试样的抗拉强度 ） 式中岩石抗拉强度（ ；试件破坏时的最大拉力（ 试件中部的横截面面积（ 该方法的缺点是试样制备困难，且不易与拉力机固定， 抗拉 在试件固定处附近又常常有应力集中现象，同时难免在试件 试验的试件 两端面有弯曲力矩。因此，这个方法用得不多。 一夹子； 目前常用劈裂法（也称巴西试验法）测定岩石抗拉强度。 垂直轴线； 试验时沿着圆柱体岩石试件的直径方向施加集中荷载，试件 一岩石试件 受力后可能沿着受力方向的直径裂开，如图所示。 式中作用荷载（ 圆柱体试样的直径 ；（ 圆柱体试样的长度（ 在试样的水平方向直径平面内，产生最大的压应力值为（在圆柱形的中心 处 ） 图 图岩石劈裂试验 试件裂试件内的应力分布情况劈裂试验加载情况；开情况； 根据弹性力学公式，这时沿着竖向直径产生几乎均匀的水平方向拉应力，这 些拉应力的平均值为 第 1 9 页 这两个直径（）所示。可以看出，圆柱体试样的内的应力压分布如图 倍，这应力只有拉应力的三倍，但岩石的抗压强度往往是抗拉强度的就表明 岩石试样在这样条件下总是受拉破坏而不是受压破坏的。因此，我们就可利用劈 裂法来中用破裂时的最大荷载代替确定岩石的抗拉强度，这时只需在式（ 其中的，即得岩石的抗拉强度 破裂式中时的最大荷载（ 这个方法的优点是简单易行，只要有普通压力机就可进行试验，不需特殊设 备，因此该方法获得了广泛应用。该方法缺点是这样确定的岩石抗拉强度与直接 拉伸试验所得的强度有一定的差别。 岩石的抗拉强度比抗压强度要小得多，抗拉强度与抗压强度之间可考虑存在 着某种线性关系，近似地表示为 线性系数，依式中据岩石的类型而定。 岩 石 强 度 准 则 岩石力学的基本问题之一就是关于岩石的强度理论（破坏准则），即如何去 确定岩石破坏时的应力状态。岩石力学研究表明，岩石破坏有两种基本类型一 是脆性破坏，它的特点是岩石达到破坏时不产生明显的变形；二是塑性破坏，破 坏时会产生明显的塑性变形而不呈现明显的破坏面。通常认为，岩石的脆性破坏 是由于应力条件下岩石中裂隙的产生和发展的结果；而塑性破坏通常是在塑性流 动状态下发生的，这是由于组成物质颗粒间相互滑移所致。 目前的强度理论多数是从应力的观点来考察材料破坏的。岩石力学中广泛应 用的莫尔 库仑强度理论和以后发展）强度理论，都是起来的格里菲斯（ 库仑立足于应力观点来考察岩石破坏的。莫尔强度理论一般能较好地反映岩石 的塑性破坏的机制，加上它较为简便，所以在工程界广为应用。但莫尔强度理论 不能反映具有细微裂缝的岩石破坏机理，而格里菲斯强度理论能很好地反映脆性 材料破坏机理。本节主要介绍这两种岩石强度理论。 库仑莫尔准则 年提出内库仑（摩擦准则，常称为库仑强度理论。若用 和代表受力单元体某一平面上的正应力和达剪应力，则这条准则规定当 到如下大小时，该单元就会沿此平面发生剪切破坏，即 黏聚式中力； 第 2 0 页 内摩擦系数。 引入内摩擦角， 并 定义 平面上，这个准则在是一条斜率为、的直线。剪切面上的截距为 正应力和剪应力可分别由应力所示。当此应力圆与式（圆给出，如图 所表示的直线相切时，即发生破坏。 图莫尔 单元体受力状态； 若和用主应和力将 式中剪切面与最小主应力 的应力夹角。 因此 令可得 所以和，的值介于 此式在平面上是一条直线（如图 轴交于与 库仑破坏准则及破坏面 莫尔 库仑破坏准则 表示，这里， 则 即剪切面的法线方向与之间的夹角最大主 之间。由此可得主应力表示的库仑准则 ） 所示）并与轴交于 第 2 1 页 图莫尔库仑准则在主应力平面的几何关系 单轴抗压强度试验和轴对称三轴试验的结果证明库仑准则不适于 即有拉应力的情况（因为断裂面与垂直）；也不适用于高围压的情况。但对于 一般工程来说，库仑准则还是适的影响，用的。库仑准则没有考虑中间主应力 但试验证明这个影响是存在的。 莫 尔 （年提出材料的强度是应力的函数，在极限时滑动面上的剪 应力达到最大值（即抗剪强度），并取决于法向压力和材料的特性。这一破坏 准则可表示为如下的函数关系，即 ） 平面上是一条曲线此式在， 它可以由试验确定，即在不同应力 状态下达到破坏时的应力圆的包络 线。这个准则也没有考虑对破坏 的影响，这是它存在的一个问题。 根据莫尔强度理论，在判断材 料内某点处于复杂应力状态下是否 平破坏时，只要在面上作出该 点的莫尔应力圆。如果所作应力圆 图用莫尔包络线判别材料的破坏 在莫尔包络线以内，如图中的一未破坏的应力圆；临界破坏的应力圆； 破坏应力圆；莫尔包络线 圆，图中曲线表示包络线，则 不是单轴抗拉强度，这里，为单轴抗压强度，但只有几何意义。这是因为 ，根据）式（隐含的物理假定是和（得式（ 此式与式（）联合，可得 由此可得，只有图中直线部分才代表有效的准则。 第 2 2 页 ，说明该点没通过该点任何面上的剪应力都是小于相应面上的抗剪强度有破 坏。