下列关于岩石变形破坏特点的说法中错误的是（ ）。

下列关于岩石变形破坏特点的说法中错误的是（ ）。

A 、岩石在加载过程中，有时在荷载比较小的时候，就会有岩石微破裂（声发射）出现

B 、到强度极限后，岩石的承载能力没有完全消失，但随变形增加其承载能力会降低

C 、在有围压时，围压可以提高残余强度的大小，甚至不出现软化现象

D 、岩石的强度后曲线性质与“刚性试验机原理”无关

参考答案:

【正确答案：D】

D选项，岩石的强度后曲线性质与“刚性试验机原理”有关。

岩体力学里竖直应力与什么有关

1、软化性：软化性是指岩石浸水饱和后强度降低的性质。

2、软化系数：是指岩石时间的饱和抗压强度于干燥状态下的抗压强度的比值。

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3、形状效应：在岩石试验中，由于岩石试件形状的不同，得到的岩石强度指标也就有所差异。这种由于形状的不同而影响其强度的现象称为“形状效应”。

4、尺寸效应：岩石试件的尺寸愈大，则强度愈低，反之愈高，这一现象称为“尺寸效应”。

5、延性度：指岩石在达到破坏前的全应变或永久应变。

6、流变性：指在应力不变的情况下，岩石的应变或应力随时间而变化的性质。

7、应力松弛：是指当应力不变时，岩石的应力随时间增加而不断减小的现象。

8、弹性后效：是指在加荷或卸荷条件下，弹性应变滞后于应力的现象。

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9、峰值强度：若岩石应力--应变曲线上出现峰值，峰值最高点的应力称为峰值强度.

10、扩容：在岩石的单轴压缩试验中，当压力达到一定程度以后，岩石中的破列或微裂纹继续发生和扩展，岩石的体积应变增量有由压缩转为膨胀的力学过程，称之为扩容.

11、应变硬化：在屈服点以后(在塑性变形区)，岩石(材料)的应力—应变曲线呈上升直线，如果要使之继续变形，需要相应的增加应力，这种现象称之为应变硬化.

12、延性流动：是指当应力增大到一定程度后，应力增大很小或保持不变时，应变持续增长而不出现破裂，也即是有屈服而无破裂的延性流动.

13、强度准则：表征岩石破坏时的应力状态

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和岩石强度参数之间的关系，一般可以表示为极限应力状态下的主应力间的关系方程:σ1=f(σ2,σ3)或τ=f(σ). 14、结构面: ①指在地质历史发展过程中，岩体内形成的具有一定得延伸方向和长度，厚度相对较小的宏观地质界面或带. ②又称若面或地质界面，是指存在于岩体内部的各种地质界面，包括物质分异面和不连续面，如假整合，不整合，褶皱，断层，层面，节理和片理等.

15、原生结构面：在成岩阶段形成的结构面.

16、次生结构面：指在地表条件下，由于外力的作用而形成的各种界面.

17、结构体：结构面依其本身的产状，彼此组合将岩体切割成形态不一，大小不等以及成分各异的岩石块体，被各种结构面切割而成的岩石块体称为结构体.

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18、结构效应：岩体中结构的方向性质密度和组合方式对岩体变形的影响。

19、剪胀角：岩体结构面在剪切变形过程中所发生的法向位移与切向位移之比的反正切值。

20、岩体基本质量：岩体所固有的影响工程掩体稳定性的最基本属性，岩体基本质量由岩石坚硬程度和岩石完整程度决定。

21、自稳能力：在不支护条件下，地下工程岩体不产生任何形式的能力。

22、地应力：自然状态下在原岩岩体中存在的由于岩石自重和构造应力形成的分布应力，也称天然应力

23、原岩应力：在工程中指天然存在于岩体中而与任何认为因素无关的应力。

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24、残余应力：没有外力作用时在岩体内部由于某种原因在整个岩体内的不均匀的变形而引起的应力

25、初始地应力：岩体中存在的未受工程扰动的原始应力状态下的应力

26、自重应力：由于岩体自重而产生的天然应力

27、构造应力：由于地质构造活动在岩体中引起的应力场，这种应力与一定范围地质构造有关，其主要特点是水平应力大于覆岩垂直应力分量。这一作用可以持续到底层深处。

28、应力重分布：岩体受到工程活动扰动，引起岩体中初始应力的转移变化形成的新的应力场状态。

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29、二次应力：相对于初始应力而言，岩体上或岩体内部受到工程活动扰动，引起初始应力自然平衡状态的改变，使一定范围内的原始应力重分布形成的新的应力为二次应力，或称次生应力，直接与工程稳定性有关。

30、岩爆：是地下洞室开挖过程中围岩发生突然脆性破坏的现象。一般在地应力较大部位，岩石被挤压超过其弹性限度，聚集的能量会突然释放出来，伴随有声音、碎石飞散、坠落等现象。

31、构造线：指区域性挤压应力所形成的构造形迹，也就是指与产生地质构造运动的压应力方向相垂直的平面和地面的交线。

32、围岩：指由于人工开挖使岩体的应力状

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态发生了变化，而这部分被改变了应力状态的岩体称为围岩。地下工程开挖过程中，在发生应力重分布的那一部分工程岩体称为围岩。

33、围岩压力：地下洞室围岩在重分布应力作用下产生过量的塑性变形或松动破坏，进而引起施加于支护衬砌上的压力。作用在支护物上的围岩的变形挤压力或塌坍岩体的重力称为围岩压力。

34、围岩抗力：在有压洞室中，作用有很高的内水压力，并通过衬砌或洞壁传递给围岩，这时围岩将产生一个反力，称为围岩抗力。

35、静水应力状态：在岩石力学中，地下深部岩体在自重作用下，岩体中的水平应力和垂直应力相等的应力状态。

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36、形变围岩压力：指围岩在二次应力作用下局部进入塑性，缓慢的塑性变形作用在支护上形成的压力，或者是有明显流变性能的围岩的粘弹性或者粘弹—粘塑性变形形成的支护压力。一般发生在塑性或者流变性较显著的地层中。

37、松动围岩压力：指因围岩应力重分布引起的或施工开挖引起的松动岩体作用在隧道或坑道井巷等地下工程支护结构上的作用压力。一般是由于破碎的、松散的、分离成块的或被破坏的岩体坍滑运动造成的。

38、冲击围岩压力：

（1）是地下洞室开挖过程中，在超过围岩弹性限度的压力作用下，围岩产生内破坏，发生突然脆性破坏并涌向开挖（采掘）空间的一种动

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力现象。

（2）强度较高且完整的弹脆性岩体过渡受力后突然发生岩石弹射变形所引起的围岩压力。

39、膨胀围岩压力：在遇到水分的条件下围岩常常发生不失去整体性的膨胀变形和位移，表现在顶板下沉、地板隆起和两帮挤出，并在支护结构上形成形变压力的现象。

40、应力集中：受力物体或构件在其形状或尺寸突然改变之处引起应力在局部范围内显著增大的现象。

41、应力集中系数：指岩体中二次应力与原始应力的比值，也可用井巷开挖后围岩中应力与开挖前应力的比值来表示。

42、围岩（弹性）抗力系数：促使隧洞洞壁围岩产生单位径向位移所需要的内水压力值:

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K=P/Δα,P：隧洞受到来自隧洞内部的压力，洞壁围岩向外产生一定的位移Δα。

43、单位抗力系数：在工程上规定洞径为200cm时隧洞围岩的抗力系数定义为单位抗力系数。

44、岩体力学研究方法：工程地质研究法，试验法，数学力学分析法，综合分析法

45、岩块：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。

46、岩块构造：岩石内矿物颗粒的大小、形状、排列方式及微结构面发育情况与粒间连结的方式等反映在岩块构成上的特征。

47、粒间连结方式：结晶连结、胶结连结（硅质胶结的强度&gt铁质、钙质&gt泥质；基底式胶结&gt孔隙式&gt接触式）。

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48、岩块构造：矿物集合体间及其与其他组分之间的排列组合方式。

49、剪胀效应（爬坡效应）：当法向应力较小时，在剪切过程中，上盘岩体主要是沿结构面产生滑动破坏。

50、啃断效应：当法向应力达到一定值后，破坏沿结构面滑动转化为剪断凸起而破坏。

51、法向刚度：在法向应力的作用下，结构面产生单位法向变形所需要的应力。填空：

1、影响蠕变性质的因素：岩性、应力、温湿度。

2、岩石的块体密度可采用规则试件的量积法，不规则试件的蜡封法测定。

3、岩石的颗粒密度属于实测指标，常用比重

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瓶法进行测量。

4、岩石的弹性变形特性常用弹性模量和泊松比两个常数来表示。当这两个常数为已知时，就可用三维应力条件下的广义胡克定律计算出给定应力状态下的变形。

5、岩石的变形性质按卸荷后变形是否可以恢复可分为弹性变形和塑性变形两类。

6、岩石的破坏是指岩石材料的应力超过了岩石的极限或者变形超过了岩石的使用限制。

7、岩石的力学性质可分为变形性质和强度性质两类，变形性质主要通过本构关系来反映，强度性质主要通过强度理论来反映。

8、岩石的流变主要包括蠕变、松弛和弹性后效。

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9、根据变形速率的不同特点，软弱岩石的典型流变曲线可以划分为瞬时蠕变阶段、初始蠕变阶段、等速蠕变阶段和加速蠕变阶段三个阶段。

10、在岩石的流变试验中，可以根据作用在岩石试件上应力或荷载大小的不同，将岩石蠕变曲线分为稳定蠕变曲线和加速发展蠕变曲线两类。

11、研究岩石变形的时间效应，一般而言采用两种方法寻找其蠕变规律，即经验方法和蠕

变模型方法。

12、对于初始蠕变和等速蠕变，目前的经验方程主要有三种，即幂函数、对数函数和指数函数。

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13、岩石流变的Maxwall模型是由弹性体和粘性体串联而成，其能反应岩石的弹—粘弹性特征。

14、对于常见的岩石而言，当围压一定时，随着温度的升高，岩石的延性将增加，并且将会出现屈服现象，同时其强度降低。

15、根据延性度的不同，岩石的破坏可分为脆性破坏、延性破坏和过渡性破坏。

16、按照岩石在变形过程中所表现出来的应力—应变—时间关系的不同，可以将岩石的变形划分为弹性变形、塑性变形和粘性变形三种形式各异的基本变性作用。

17、大量的实验和观察证明，就破坏形式而言，岩石的破坏主要有脆性破坏、延性破坏和弱面剪性破坏。

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18、在岩石室内压缩试验中，岩石峰值后的荷载—位移曲线，实质上是岩石的破坏过程曲线。

19、目前，实验室抗拉强度的测定常采用劈裂法进行，当用长度为L，直径为D的圆形试件进行试验时，在压力P max作用下，岩石发生了破坏，则此岩石试件的抗拉强度为2P max/πLD；如采用边长为a的立方块，则其抗拉强度为Pt=2P max/πa²。

20、岩石的室内剪切试验常用的仪器有直剪仪、变角板剪力仪和岩石三轴试验机。

21、岩体是指经历过多次地质作用，经历过变形，遭受过破坏，形成了一定的岩石成分和结构，赋存于一定地地质环境中的地质体。因此岩体力学性质与岩体中的结构面

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结构体（岩块）以及赋存条件（环境）密切相关。

22、在工程岩体范围内，结构面按贯通情况可分为贯通性、半贯通性以及非贯通性三种类型。

23、岩体抵抗外力作用的能力称为岩体的力学性质。它包括岩体的稳定特征、变性特征和强度特征等。

24、岩体结构面的剪切变形与岩石的强度、结构面的粗糙程度和法向应力有关。

25、岩体结构面的几何特性是反映节理的外貌，它的组成要素包括：走向、倾向、连续性、粗糙度以及起伏度和组合关系。

26、岩体的力学性质不仅取决于岩石本身及

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结构面的力学性质，也与结构面的空间组合密切相关。

27、岩体的强度不仅与组成岩体的岩石的性质有关，而且与岩体内的软弱结构面有关，另外还与岩体所受的应力状态有关。

28、岩体中存在各种结构面，结构面的变形大小主要由结构面和结构面填充物控制的。

29、大量的岩体实验表明，岩体的压力——变形曲线可以化分为四种类型，即：直线型、上凹型和下凹型、复合型。

30、岩体变形的结构效应是指岩体结构对其变形性质的影响与控制作用，包括结构面、结构体以及两者的组合关系三个方面，其结构面对岩体变形的作用效应尤为突出。

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31、粗糙起伏无充填的规则锯齿状结构面的剪切机制一方面是爬坡摩擦效应；另一方面是凸起体剪切。

32、岩体基本质量应由受岩石的坚硬程度和岩石的完整性程度两个因素确定。

33、国际《工程岩体分级标准》规定，对岩石坚硬程度和岩体完整程度应采用定性划分和定量指标两种方法确定。

34、当人类还不能对原岩应力进行测量之前，认为原岩应力是由岩土自重引起的，因此把原岩应力单纯的看成自重应力。

35、近期地质力学的观点认为，从全球范围来看，构造应力的总规律是以水平应力为主。根

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据地质构造运动的发展阶段，一般可把构造应力分为以下三种阶段原始构造应力，残余构造应力，现代构造应力。

36、影响原岩应力分布的因素有地形，岩体结构面，岩体力学性质，剥蚀作用，

37、重力作用和构造运动是引起地应力的主要原因，其中尤以水平方向的构造运动对地应力的形成影响最大。

38、岩体天然应力测量方法主要包括：水压致裂法，扁千斤顶法和钻孔套心应力解除法。

39、地质构造运动的结果，使构造应力的特点主要表现在具有强烈方向性，数值较大的水平应力，从而形成构造区域水平应力大于垂直应力的情况。、

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40、原岩应力主要由自重应力和构造应力组成。

41、研究岩石应力状态的目的在于正确认识岩石的力学性能，阐述围岩的破坏机制，充分利用和发挥围岩的自承能力，是工程设计更加合理安全和经济。

42、岩体变形的不均匀导致围岩局部破裂的原因是应力分布的不均匀性和强度不均匀性。

43、岩石在三轴压缩时，随着侧向应力σ3和σ1—σ3的增加，岩石强度也随之增大：岩石发生破坏后，仍保留一定的承载能力。

44、隧洞根据其内部的受力情况可分为有压洞室和无压洞室两大类。

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45、对于无衬砌有压洞室，洞内水压力P在围岩中所产生的径向和切向应力随隧洞半径r 的增大而迅速降低，在6r处该应力基本可以忽略不计，在有些有压隧洞中常见到新形成的，平行于洞轴线的放射状张裂隙，这主要是由于内水压力使围岩产生的应力抵消了围岩的压应力，并超过了岩体的抗拉强度所致。

46、围岩在不产生破坏的条件下，当岩石性质由硬岩，中硬岩，到软岩的变化过程中，对于同一种支护形式而言，围岩位移增长会越来越大，相应要求支护结构所承担的压力会越来越大，对于同一种岩石来说随围岩的不断变化要求支护结构所承担的压力会越来越小。解答：

1、在三轴试验中，围压对岩石的力学性质有

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什么影响

（1）破坏前岩块的总应变随围压增大而增加

（2）随围压增大，岩块的塑性也不断增大，且由脆性破坏逐渐转化为延性破坏

（3）随围压的增大，岩块三轴极限强度明显增大

（4）随围压增大，弹性模量和泊松比不同程度的提高

（5）当围压达到一定值时，出现应变硬化现象

2、结构面的成因类型与分类

结构面的成因分为两类：地质成因和力学分类：

（1）地质成因类型包括原生结构面（沉

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积结构面、岩浆结构面、变质结构面）构造结构面（断层、节理、劈理和层间错动面）次生结构面（卸荷裂隙、风化裂隙、次生夹泄层、泥化夹层）（2）力学成因类型有剪性结构面（逆断层、平移断层、多数正断层）张性结构面（羽状张裂面、纵张及横张破裂面和岩浆岩中的冷凝节理）

3、结构面的分级：由结构面的伸长度、切割深度、破碎带宽度及其力学效应可分为5级：

1、级指大断层或区域性断层，延伸数公里至数十公里以上破碎宽约数米至几百米以上；

2、级指延伸长、宽度不大数百米至数千米，宽数十厘米至数米；

3、级长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，宽数厘米至一米左右；

4、级延伸较差的节理、层面等长一般10mm~30mm，宽数厘

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米；

5、级微结构面有隐节理、微层面等。规模小、连续性差、常包含在岩块内。

4、结构面特征及其影响：产状（结构面与最大主应力间的关系控制着岩体的破坏机制与强度）、连续性（对岩体的变形、变形破坏机理、强度及渗透性都有很大影响）、密度（控制

着岩体的完整性和岩块的块度，密度越大，岩体完整性越差，块度越小，导致岩体力学性质变差，渗透性增强）、张开度、形态（对岩体的力学性质及水力学性质存在明显影响）、充填胶结特征（经胶结的结构面力学性质改善，未胶结的力学性质取决于充填物成分、厚度、含水性和壁岩性质等）、结构面的组合关系（控制着可能滑移岩体的几何边界条件、形态、规模、滑动方向及滑移

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破坏类型）。

5、岩块的力学属性：弹性、塑性、粘性、脆性、延性。

（1）弹性：在一定应力范围内，物体受外力作用产生全部变形，而去除外力后能立即恢复其原有形状和尺寸大小的性质。

（2）塑性：物体受力后产生变形，外力去除后不能完全恢复的性质。不能恢复的那部分变形称为塑性变形或永久变形或残余变形。

（3）粘性：物体受力后，变形不能瞬时完成，且变形速率随应力增加而增加的性质。

（4）脆性：物体受力后，变形很小时就发生破裂的性质。

（5）延性：物体能承受较大塑性变形而不丧失其承载力的性质。

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6、单轴压缩应力-应变曲线：εv=εl+εd

阶段：Ⅰ：孔隙裂隙压密阶段：原有张开性结构面或微裂隙逐渐闭合，岩石被压密，早期非线性变形，呈上凹形，斜率随应力增大而增大，微裂隙的闭合在开始较快随后逐渐下降。Ⅱ：弹性变形至为微破裂稳定发展阶段：近似直线，开始为直线，应力增加，变为曲线，出现弹性极限，之后为塑性变形，出现新裂隙和微破裂，随着应力发展而发展，达到屈服极限。Ⅲ：非稳定破裂发展阶段：破裂不断发展，薄弱部位首先破坏，应力重分布，次薄弱部位破坏，体积压缩转为扩容，达到峰值强度或单轴抗压强度。Ⅳ：破坏后阶段：裂隙快速发展，交叉且联合成宏观断裂面，岩块沿其滑移，试件承载力迅速下降但不为0。

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7、变形参数：

变形模量（弹性模量）：单轴压缩条件下，轴向压应力与轴向压应变之比。E=σ/ε

初始模量：曲线原点处的切线斜率，Ei=σi/εi

切线模量：曲线上任一点处的切线斜率，Et=(σ2-σ1)/( ε1-ε2)

割线模量：曲线上某特定点原点连线的斜率，通常取σc/2处的点与原点连线的斜率，Es=σ50/ε50

泊松比：单轴压缩条件下，横向应变与轴向应变之比，μ=-εd/εl

8、结构面的强度性质分类：平直无充填的结构面、粗糙起伏无充填~、非贯通断续~、有充填的软弱结构面。

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9、岩体中天然应力的分布特征

1）重力应力场与构造应力场的分布特点①重力应力场：以垂直应力为主，垂直应力大于水平应力；应力为压应力；应力随深度增加而增加；

②构造应力场：应力有压应力，也可有拉应力；以水平应力为主，水平应力大于垂直应力；分布很不均匀，通常以地壳浅部为主。2）地壳浅部3km原岩应力的规律：原岩应力是非稳定的应力场，其大小和方向随空间和时间而变化；实测垂直应力基本上等于上覆岩体的重力；水平应力普遍大于垂直应力。10、各类结构围岩的变形破坏特点

（1）整体状和块状岩体围岩：破坏形式主要有岩爆、脆性开裂及块体滑移等。

（2）层状岩体围岩：破坏形式主要有：沿层面张裂、折断塌落、弯折内鼓等。

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（3）碎裂状岩体围岩：变形破坏形式常表现为塌方和滑动。

（4）散体状岩体围岩：其变形破坏形式以拱形冒落为主。

11、岩爆的产生条件

（1）围岩应力条件。判断岩爆发生的应力条件有两种方法：

一是用洞壁的最大环向应力

σθ与围岩单轴抗压强度σc之比作为岩爆产生的应力条件；另一种是用天然应力中的

岩体结构控制论

20世纪60年代谷德振、孙玉科教授提出了“岩体结构”概念，提供了将复杂的岩体抽象为科学的结构类型分类依据，也提出了岩体结构控制岩体稳定性的重要观点。谷德振教授著的《岩体工程地质力学基础》是这一观点的代表著。经过长期实践和研究，著者于1984年进一步提出“岩体结构控制论”是岩体力学的基础理论，全面、系统地以“岩体结构控制论”为指导研究了岩体变形、岩体破坏及岩体力学性质的基本规律；提出岩体变形系由岩体材料变形和岩体结构变形共同贡献的，岩体破坏系由岩体材料破坏和岩体结构破坏控制的；岩体力学性质不仅决定于岩体材料力学的性质，而且受控于岩体结构力学效应及环境因素力学效应；提出了岩体可以划分为连续、碎裂、块裂及板裂四种力学介质，从而建立了完整的岩体结构力学体系。著者于1989年出版的《岩体结构力学》是这一理论体系的代表著。

岩体结构力学是一个新的理论体系，它以岩体结构控制论为纲，并与力学与地质相结合。岩体结构力学是解决土木工程、矿山工程、国防工程建设中存在的岩体工程建筑的基础理论。随着人类向地下深部进军大趋势的到来，岩体工程类型愈来愈多，规模愈来愈大，其安全性和经济效益愈来愈受到关注，对岩体力学的需求愈来愈迫切。岩体力学已经受到国内外广泛重视，出版了许多专著、论文和教科书，但是工程界仍感到已有的岩体力学理论解决实际问题的能力很低。著者在前面已经指出过原因有两条：

（1）岩体力学研究与地质研究脱节，抽象成的岩体力学模型不符合岩体的地质实际；

（2）已有的岩体力学理论不能反映岩体力学的真实规律。已有的岩体力学理论是从材料力学和土力学移植过来的，实质上是连续介质力学理论，不符合岩体力学作用的地质实际。

岩体的地质实际是什么，经过多年研究，著者逐步认识到：岩体是.经.受.过.变.形，遭.受..过.破.坏，具有多种不连续结构的地质体。岩体力学是研究环境应力改变时经受过变形，遭受过破坏的岩体产生.再.变形.、再.破.坏.的规律、理论和应用技术的科学。这两个“再”字非常重要，是岩体力学的特点。这两个“再”字是严格地受岩体结构控制着，即岩体结构控制着岩体变形、岩体破坏、岩体力学性质。著者于1978 年提出岩体结构力学效应是岩体力学的力学基础这一理论，1984 年又提出，岩体结构控制论是岩体力学的基础理论。如图3-2 所示，岩体结构控制论有两个层次：第一个层次是岩体结构对岩体变形、岩体破坏、岩体力学性质规律的控制，这是岩体结构力学基础理论，是岩体结构力学的核心。第二个层次是应用这三个基础理论作指导去解决岩体工程实际问题。显然岩体力学的核心理论是岩体结构控制论，解决岩体力学问题的基础方法是岩体结构分析方法和结构力学分析方法。下面是著者以岩体结构控制论为依据建立的岩体结构力学的具体理论。

图3-2 岩体结构控制论框图

图3-3 岩体材料变形图

1.关于岩体变形规律的理论

已经有不少人研究过岩体变形本构规律，但是，大多数研究结果是脱离岩体地质实际的。在解决岩体工程问题时，采用材料力学理论分析岩体变形，作出来的结果不好用。著者经过多年研究和实践，发现岩体变形是由岩体材料变形和岩体结构变形共同贡献的，即：

地质工程学原理

如图3-3所示，岩体材料变形是由结构体弹性变形、结构体黏性变形、结构面闭合变形、结构面错动变形4种机制成分构成的。根据这一方案，作者对岩体材料变形进行了系统的研究，针对岩体地质特征的不同，给出了17种岩体材料变形模型和本构方程（孙广忠，1988）；同时对岩体结构变形规律也进行了基础性研究，提出了4种岩体结构变形本构规律，这就是沿软弱结构面滑移变形规律、软弱夹层挤出变形规律、块状结构体转动变形规律和板状结构体弯曲变形规律。这样著者为岩体变形分析提供了岩体结构力学理论基础。但是目前岩体变形分析大多还是把岩石材料变形当作岩体变形的全部。所以岩体变形理论分析结果与实际观测结果相差十分悬殊。著者在1986年曾对鲁布革电站地下厂房边墙变形进行过分析，设计时根据胡克法则计算得地下厂房边墙变形为0.19mm，而实际变形观测结果为22.5mm，相差达100倍以上。利用著者提出的板裂结构岩体力学理论计算得洞室边墙岩体结构变形达22.7mm，且岩体内部产生了开裂。这与实际观测结果十分相符。这表明仅用胡克法则分析岩体变形是不符合实际的，岩体变形分析必须考虑岩体结构变形。

2.关于岩体破坏规律的理论

很多人把这个问题作为岩石材料强度研究。实际上也是脱离岩体地质实际的。著者根据多年的研究和实践，发现岩体破坏也是受岩体结构控制的。在总结大量岩体破坏资料基础上发现岩体在其结构控制下，具有如表3-2所示的7种破坏机制：①张破裂；

②剪破坏；

③结构体滚动；

④结构体沿结构面滑动；

⑤倾倒破坏；

⑥溃曲破坏；⑦弯折破坏。前2种为材料破坏，后5种为结构破坏和结构失稳。相应地给出了7种破坏判据，批判了用单一库仑莫尔破坏判据评价岩体力学破坏的片面性错误，建立了岩体破坏判据体系。这一论点得到了广泛的实践验证，碧口电站引水隧洞破坏实例分析清楚地说明了这个问题。该隧洞穿过的岩体为千枚岩，具板裂结构，设计时是用库仑莫尔准则进行了稳定性分析。结果认为可以挖成12.9m的引水洞，而施工时被破坏了。1985年作者发表了板裂介质岩体力学理论，原设计工程师倪国荣利用著者提出的板裂介质岩体力学理论重新进行分析，该洞是不稳定的。原分析结果的错误导致该工程长时间停工处理，给施工带来巨大困难。

表3-2 岩体破坏机制表

3.关于岩体力学性质规律的理论

现行的岩体力学性质分析方法是岩体材料力学试验结果加经验折扣，没有理论。20世纪70年代中期，鲁尔大学教授约翰曾提出，岩体力学性质受岩体结构控制。因为他没有掌握岩体结构力学效应规律，因此没有解决这个问题。作者经过多年研究和实践，发现岩体力学性质结构效应可概括为3个法则：①爬坡角效应法则；

②尺寸效应法则；

③各向异性效应法则。考虑岩体力学性质时还必须考虑工程结构特点，这样才能得到比较符合实际的工程岩体力学性质。这一理论为岩体力学性质分析提供了理论基础。

4.岩体力学介质

通过岩体变形、岩体破坏、岩体力学性质规律的研究，著者发现岩体力学的基本规律的确是受岩体结构控制着，据此，提出岩体结构控制论是岩体力学的基础理论，不仅提出了岩体结构控制论是岩体力学基础理论的基本论点，而且运用这一基本理论建立了岩体结构力学理论体系。同时在应用方面也做了一些基础性研究。为了保证岩体力学分析的科学性和岩体力学模型选择的科学性，根据岩体变形和破坏机制以及地应力特点将岩体划分为如表3-3所示的4种力学介质为连续介质、碎裂介质、块裂介质、板裂介质。对各类介质岩体力学分析方法进行了深入的研究，从而建立了完整的岩体结构力学体系；还以岩体结构控制论为指导，对岩体改造原理进行了基础性研究，使岩体结构力学理论更完善，更便于使用。

表3-3 岩体力学介质分类

5.岩体结构力学定理

综合前人研究结果及著者的研究结果，1991年在岩体结构控制论的指导下著者将岩体结构力学核心内容归纳为如下5条，称为岩体结构力学的基本定理或者称为岩体力学的基本定理（孙广忠，1993）：

（1）岩体是经受过变形、遭受过破坏，由一定的岩石成分组成，具有一定的结构和赋存于一定的地质环境中的地质体，岩体力学是研究环境应力改变时岩体产生再变形和再破坏规律、理论和应用的科学。

（2）岩体在结构面控制下，形成有自己独特的不连续结构，岩体结构控制岩体变形、破坏及其力学性质。岩体结构对岩体力学的控制作用，远远大于岩石材料的控制作用。

（3）岩体结构控制论是岩体力学的基础理论，岩体结构力学效应是岩体力学的力学基础，岩体结构分析方法和结构力学分析方法是岩体结构力学研究的基本方法。

（4）岩体赋存于一定的地质环境中，岩体赋存环境条件可改变岩体结构力学效应和岩石的力学性能。

（5）在岩体结构、岩石成分及环境应力条件控制下，岩体具有多种力学介质和力学模型，岩体力学是由多种介质力学构成的力学体系。

学习任务岩石变形分析

一、变形和应变的概念

固体岩石受力后，内部各质点发生相对位移，导致岩石形态、体积的改变称为变形。岩石变形的最基本形式有两种：线变形和剪切变形。线变形是指岩石受力后，表现为单纯的拉伸或压缩；剪切变形是指岩石受力后，表现为内部任意截面都旋转了一个角度，又称为角变形。为了说明固体岩石受力变形的程度，通常用应变量来度量；物体的相对变形量叫应变。与变形相对应，应变也可分为线应变和剪应变（角应变）。

（一）线应变

线应变指岩石受力发生线变形后，纵向上所增加或缩短的长度（ΔL）与变形前的长度（L）的比值，即：

地质构造识别与分析

在构造地质学中，规定由压应力产生的ε压为正，由张应力产生的ε张为负。

当岩石纵向产生线应变时，横向也会出现横向线应变，其公式为：

地质构造识别与分析

一般认为横向线应变与纵向线应变的比值是一个常数，即：

地质构造识别与分析

μ为岩石的泊松比，每种岩石都有自己的泊松比，一般不超过0.5。岩石的这种性质称为泊松效应，它对解释岩石的变形具有重要意义。例如岩石的许多张节理，就是因为受到侧向压应力而产生泊松效应，是在其垂直方向上诱导产生拉伸引起的。

（二）剪应变

指固体岩石在剪应力或扭应力作用下，岩石内部原来相互垂直的两条线段所夹直角的改变量。如果原来形状为正方形，变形后成为平行四边形，原来的直线旋转了θ角，其正切值tanθ即为剪应变量（γ），即：

γ＝tanθ

二、岩石的变形方式

（一）按受力方式的分类

固体岩石变形按受力方式，可分为五种变形方式。

1.拉伸变形

这种变形是沿物体轴线方向有一对大小相等、方向相反的力的作用，使物体内质点间距离拉长引起的变形，这时物体沿轴线方向伸长（图3-6A）。在拉伸中物体不仅沿轴线方向发生变形，在垂直轴线方向上也发生变形。在描述变形程度时，用拉伸应变来表示。

2.挤压变形

这种变形是沿物体轴线方向有一对大小相等、方向相反的力的作用，使物体内质点间距离缩短引起的变形，这时物体沿轴线方向缩短（图3-6B）。在缩短中物体不仅沿轴线方向发生变形，在垂直轴线方向上也发生变形。在描述变形程度时，用压缩应变来表示。

3.剪切变形

这种变形是物体受到一对大小相等、方向相反且不在一条直线上的外力（剪切力）作用，物体内质点沿作用力方向滑动位移引起的变形（图3-6C）。

图3-6 岩石几种变形方式

4.弯曲变形

物体受到垂直于其轴线的外力作用（包括力偶）可使其发生弯曲变形（图3-6D）。其重要特征是最大弯曲的凸侧受到拉伸，而凹侧受到挤压，其间有一即不受拉伸又不受挤压的中和面。野外常见的褶皱就是岩层的弯曲变形。

5.扭转变形

扭转变形是指物体两端受到一对扭矩作用时发生的形变（图3-6E）。

（二）按岩石变形后的形态分类

岩石的变形按变形后的形状，可分为均匀变形和非均匀变形两类。

1.均匀变形

均匀变形系指岩石的各个部分的变形性质、方向和大小都相同的变形。拉伸、压缩与剪切变形属于均匀变形。

2.非均匀变形

非均匀变形系指岩石各点变形的方向、大小和性质发生的变化的变形。弯曲与扭转属于非均匀变形，褶皱构造就属于非均匀变形的结果。

三、岩石变形的阶段

材料力学实验证明，岩石与其他固体物质一样，在受力变形过程中，应力（σ）与应变（ε）之间存在着一定的关系。如果以应力（σ）为纵坐标，应变（ε）为横坐标，则可得到应力-应变曲线（图3-7）。分析应力-应变曲线的特征，通常将岩石受力变形过程依次划分出弹性变形、塑性变形和断裂变形三个阶段。岩石的三个变形阶段是依次发生的，不是截然分开的，而是彼此过渡的。由于岩石的力学性质不同，不同岩石的各个变形阶段的长短和特点也各不相同。

图3-7 塑性材料（低碳钢）做拉伸实验时的应力-应变曲线

（据孙超，1990）

（一）弹性变形阶段

物体在外力作用下发生变形，当外力解除后，又能完全恢复其原状的变形称为弹性变形。如图3-7，当超过B点时，即使去掉外力，岩石也不会再完全恢复到变形前的状态。所以B点的应力值σB称为弹性极限，OB段称为弹性变形阶段。OA呈直线，说明应力σ与应变ε成正比，符合胡克定律。OA的斜率为：

tanθ＝σ/ε＝E

式中：E称为弹性模量。不同力学性质的岩石，E值是不相同的。AB为一条曲线，应力σ与应变ε不能用胡克定律表示。但是当外力去掉后，岩石仍然可完全恢复到变形前状态，所以仍为弹性变形阶段。

从微观角度看，岩石变形是由组成它们的质点受力发生位移，而导致岩石的形态或体积改变，同时质点的位移要吸收一定的位能，在短期内，外力解除后，这种位能又发挥作用，使质点部分或全部恢复其原来的位置，即弹性恢复或弹性回跳。地震冲击波的传播就使地壳内的岩石具有弹性变形的表征。

（二）塑性变形阶段

随着外力的继续增加，变形也相继增大，当应力超过岩石的弹性极限后，即使将应力解除，岩石的变形也不能完全恢复其原来的形状，这种变形叫作塑性变形或永久变形。图3-7所示BE段称为塑性变形阶段。

在BE塑性变形阶段中，整个变形曲线呈反S形。其中当应力超过C点时，曲线变成水平状态，说明在没有增加外力的情况下，变形仍然显著增加，也说明岩石抵抗变形的能力很弱，这种现象称为屈服或塑性流变。C点为屈服点，其应力值σC称为屈服极限。当应力超过D点后，随应力的增加，曲线弯曲向上，说明岩石在塑性变形的最后阶段DE内会不断地受到强化，因而又重新产生不断增长的抵抗变形的能力。

岩石发生塑性变形的原因：从岩石本身性质来讲，受力岩石在塑性变形阶段内部质点发生位移，在新的位置上达到了新的平衡，当去掉外力作用后，岩石内部质点不再恢复到原来的位置；表现在岩石的外貌虽然变了形，但内部质点仍然存在着结合力而连接在一起，使岩石仍然保持着连续完整性。

岩石内部质点的位移，可以发生在矿物颗粒之间的滑动或矿物颗粒内部的滑动。粒间滑动是指发生在矿物颗粒之间的软弱界面上滑动，矿物颗粒本身的大小和形态未发生改变；粒内滑动是指矿物颗粒内部的质点产生平移滑动或双晶滑动（图3-8）。

图3-8 岩石塑性变形时的双晶滑动

（三）断裂变形阶段

任何岩石的弹性变形和塑性变形总是有一定限度的，若作用的外力继续加大，当其超过固体岩石的强度极限时，岩石内部的质点间的结合力就会遭到破坏而产生破裂面，使固体岩石完全失去其完整性，称为断裂变形或脆性变形。

如图3-7所示，当超过E点后曲线急剧下降，说明岩石失去了抵抗变形的能力，达到被破坏的程度。对韧性较强的岩石，当所受的张应力超过强度极限σE时，会出现细颈化现象。随着细颈化现象的出现，岩石表现为所受应力迅速减小，变形急剧发展且直到变形曲线上的K点时，才在细颈化处被拉断。EK区间乃为局部塑性变形阶段。

岩石的变形与岩石的力学性质有密切的关系，影响岩石变形的力学性质主要表现在岩石的脆性或韧性方面。岩石受力后若在破裂前只有很小的塑性变形的现象（应变量＜3%～5%），称为岩石的脆性，脆性强的岩石，受力后很快就会发生破裂；岩石受力后，若在破裂前能承受较大的变形（应变量＞10%）而不失去连续完整性的现象，称为岩石的韧性，韧性强的岩石，不易被拉断、剪断或折断。岩石在地表的常温常压条件下一般表现为脆性，但随着围压、温度及变形速率等条件的改变可转化为韧性。

四、岩石的破裂行为

岩石在外力作用下抵抗破坏的能力称为强度。同一岩石的强度极限值，在不同性质的应力作用下差别很大（表3-1）。一般来说岩石受力发生破裂发生的行为也称破裂方式，其方式有张裂和剪裂两种形式。

表3 -1 常温常压下，一些岩石的强度极限

（据徐开礼等，1989）

（1）张裂：是在外力作用下，当张应力达到或超过岩石的抗张强度时，在垂直于主张应力轴的方向上产生的断裂。

（2）剪裂：是岩石受力时，沿着最大剪应力作用面发生的断裂，此时的最大剪应力也达到或超过岩石的抗剪强度。从理论上分析，剪裂将沿着最大剪应力作用面发生，即剪裂面与σ1呈45°相交，但岩石力学实验和野外观察表明，剪裂面与σ1夹角总是小于45°。究其原因库仑经过实验得出的结论是：岩石有内摩擦角，正是由于内摩擦角的存在，才导致野外与实验中（夹角小于45°）的与纯理论（夹角45°）的夹角不一致。由共轭剪裂面形成一对锐角和钝角，其锐角平分线常为σ1或压力方向，将共轭剪裂面所夹锐角叫共轭剪裂角（2θ）。