岩石力学考试复习资料

岩石力学是研究岩石的力学性质的一门理论与应用科学；它是力学的一个分支；它探讨岩石

对其周围物理环境中力场的反应。岩石力学的几个特点：天然材料；非连续介质；释放载荷；

工程岩石力学——为各类建筑工程及采矿工程等服务的岩石力学，重点是研究工程活动引起

的岩体重分布应力以及在这种应力场作用下工程岩体（如地下工程、边坡工程、岩基工程等）

的变形和稳定性。

构造岩石力学——为构造地质学、找矿及地震预报等服务的岩石力学，重点是探索地壳深部

岩体的变形与断裂机理，为此需研究高温高压下岩石的变形与破坏规律以及与时间效应有关

的流变特征。

破碎岩石力学——为掘进、钻井及爆破工程服务的岩石力学，主要是研究岩石的切割和破碎

理论以及岩体动力学特性。

研究方法：工程地质研究方法、科学实验方法、数学力学分析方法、整体综合分析方法。

地下工程的特点：岩石在结构和力学性质上与其他材料不同，如岩石具有节理和塑性段的扩

容（剪胀）现象等；地下工程是先受力（原岩应力），后挖洞（开巷）；深埋巷道属于无限域

问题，影响圈内自重可以忽略；大部分较长巷道可作为平面应变问题处理；围岩与支护相互

作用，共同决定着围岩的变形及支护所受的荷载与位移；地下工程结构容许超负荷时具有可

缩性；地下工程结构在一定条件下出现围岩抗力；几何不稳定结构在地下可以是稳定的。

岩块：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。

岩体：是指地质历史过程中形成的，由岩块和结构面网络组成的，具有一定的结构并赋存于

一定的天然应力状态和地下水等地质环境中的地质体。

内力地质作用：动力来自地球本身，并主要发生在地球内部，按其作用方式可分为四种：构

造运动、岩浆作用、变质作用、地震。

外力地质作用：风化作用、剥蚀作用、搬运作用、沉积作用、 固结成岩作用。

岩石的单轴抗压强度和弹性模量等力学参数取决于岩石的组成结构、矿物颗粒性质以及微观

裂隙等。影响因素：压力试验机的刚性；承压板与试件端面的摩擦；试件几何形态（形状、

高径比和尺寸）；加载速度。

岩石试件单轴受压时，由于受到多种因素的干扰，真实的破裂形式不大明确，常常观察到的

是剪切破坏、锥形破坏和劈裂破坏，对试件破坏形态影响最大的是端面摩擦约束效应，对于

比较坚硬的脆性岩石，当采取减少端面摩擦约束的措施时，出现纵向劈裂破坏。

承压板变形对试件端面周边的约束。由于试验机承压板大于试件端面，加载时承压板因受力

而变形，对试件的周边产生横向约束；同时承压板的变形还会改变对试件作用的纵向应力分

布。端面摩擦。试件发生横向变形时，承压板对试件端面产生摩擦力，从而影响试件的应力

分布。

减少试件端面摩擦的方法：1、可选用与试件端面相同、侧面膨胀相同(即泊松比υ/弹模E

值相等)的金属块加于试件两端，以消除端面效应，那么在弹性阶段端部效应就不出现。多

数岩石都可找到适当的金属。2、在试件端面与承压板之间嵌放适宜的薄层材料，如二硫化

钼，附加有滑石的硬酯酸、聚四氯乙烯、硬纸板、金属薄板等。

巴西法(即劈裂法)简单易行，实验结果最接近直接法而获得广泛应用。为保证巴西试验的正

确性，要求圆盘的破坏从试件中心开始,并沿加载方向发展，即破裂面平行于加载方向。根

据格林菲斯理论分析巴西法试验得出如下结论：①加荷垫条角度（或宽度）较小时，计算公

式为：

式中：F──荷载； r0 、t ──圆盘半径与厚度。

抗剪强度的概念有四种：纯剪应力状态下的抗剪强度、在垂直破坏面的正应力等于零的条件

下破坏时的剪应力、固体力学中取决于施加应力的剪力图解、摩尔应力包络线。

抗压强度 、抗拉强度 、抗剪强度 和粘结力 的相关关系如下： ( 的系数变化范围为6~20)

( 的系数变化范围为2.5~7.5)

( 的系数变化范围为0.3~1.1)

围压效应可以总结如下：1、随围压的增加，岩石强度增大。2、岩石随围压的增加，延性变

形逐渐增大，当围压达到一定值后，岩石由线弹性材料转变为弹塑性材料。3、岩石越坚硬，

则脆性—延性转变所需的围压值越高。4、岩石试件的破坏形态，由围压为零时的劈裂破坏，

随围压的增大而逐步转变为以剪切面形式的剪切破坏、以剪切带形式的剪切破坏，以至演变

为延性变形。5、微观观测以及声发射和弹性波速等测试表明，在脆性—延性转变前后，岩

石都有微破裂发生。

中间主应力σ2对最大主应力σ1极限荷载的影响：

在应力空间中岩石强度极限构成一个曲面，曲面上每一点都代表岩石发生破坏时的一种应力

组合。许多试验设计都是给最小主应力σ3一个定值，测试不同的σ2值时的最大主应力σ1

的极限荷载。由图可以看出：在σ3一定的条件下， σ1c—σ2曲线类似于抛物线，曲线前

段σ1c随σ2 的增大而增大， σ1c取得极大值后，在曲线的后段σ1c随σ2的增大而减小。

根据表可以得出如下结论：

各种岩石都存在中间主应力效应。根据所收集的资料，花岗岩中间主应力效应最大。

中间主应力影响系数β一般为0.2~0.5。根据已有资料，β的平均值为0.30（不计表中的β

最大值0.75， 该值偏差过大），即中间主应力可使σ1c增大30%。

对于同一种岩石， β值与σ3有比较明显的相关关系。如：根据红砂岩实验资料，当σ3/

σ0分别为0，0.08，0.06时, β值则分别为0.38，0.34，0.25。

σ2荷载的加载钢块(或钢板)与试件端面的摩擦力是影响实验结果的最主要因素。

岩石流变试验岩石试件破坏形态：

岩石试件的最终破坏面方位介于劈裂破坏和剪切破坏之间。从破坏过程看，最终破坏之前出

现的宏观裂纹基本上都是纵向裂纹，应属劈裂破坏。

一段时间之后发生的宏观破裂面有所倾斜，且在破坏时产生有大量的石粉，表明破坏时发生

了剧烈的剪切摩擦，这可能是由于试件的受力不均匀而导致的承压板滚动造成的。

宏观破裂面的各局部仍然是劈裂形态。因此，单轴压缩荷载下的蠕变破坏为劈裂破坏。

岩石的全应力—应变曲线：应力—应变曲线可以分为四个阶段：① 原生裂隙的压缩闭合阶

段；② 线弹性变形阶段；③ 裂隙稳定扩展阶段(稳定破裂阶段)；④ 裂隙非稳定扩展阶段(不

稳定破坏阶段)。

扩容是指岩石在应力作用下，形变过程中体积的非线性增长。扩容是岩石内部微裂隙扩展的

结果，是岩石破坏的一种前兆现象。对于扩容有不同的定义。有人把某一给定的平均应力下

测出的体积应变与相应的静水压力下的体积应变之差值，确定为扩容。还有人把瞬时泊松比

超过0.5规定为扩容。

扩容是指岩石在应力作用下，形变过程中体积的非线性增长。岩石的扩容是由于微裂隙的扩

展造成的。而微裂隙的萌生与扩展又是局部拉应力引起的，局部拉应力的成因是岩石的非均

质性。所以，从根本上说岩石的扩容是由岩石非均质性造成的。

单轴压缩应力状态下岩石破坏过程的微观观测：

还有人把瞬时泊松比超过0.5规定为扩容。压缩应力状态下，岩石的破坏是内部微裂隙扩展

的结果。为深入探讨岩石破坏的微观机理，许多学者运用各种方法对岩石的微裂隙发展过程

进行了观测。Tapponnier和Brace在扫描电子显微镜的观察中，详细揭示出在受力状态下，

花岗岩微破裂发展和各个变形阶段 。观测是在小围压下进行的，随轴向压力的增大，最初

的变化是：①原有长裂隙的桥结断裂形成新的长裂隙；②已完全合拢的长裂隙再次张开； ③在微斜长石中见有少数新裂隙出现。根据微裂隙观测，Paterson指出：与应力峰值相关联

的破坏，首先是通过局部裂隙分布的发展使试件普遍弱化 ，而不是宏观破裂的发生。从微

观上看 ，只是通过峰值以后，局部剪切破坏才变得明显。

岩浆岩的结构是指矿物的结晶程度和颗粒大小，构造指的是不同矿物的排列与充填方式所反

映出来的岩石外貌特征。

变质岩的结构指的是矿物重结晶的程度，而构造指的是矿物颗粒在排列方式上的定向性。

沉积岩的结构可分为碎屑的、泥质的、化学的和生物的，而层理构造则是其最显著的特点。

细观力学，就是借助连续介质力学的方法，研究考虑细观尺度的变形过程的固体的本构关系，

并把各种材料在破坏过程中的不均匀性作为研究的重点。①首先，对于岩石的基本单元—矿

物颗粒，可以应用连续介质力学的分析计算方法。 ②进而可以分析岩石的组成、结构和构

造对其力学性质的影响。其中，重点是岩石的非均质性。

劈裂破坏是指在单轴压应力状态下，岩石沿平行于压力轴方向的裂开。

围压效应

围压效应主要包含三个方面：①随围压的增加，发生脆性——韧性转变；②随围压的增加，

岩石强度σ1c增大；③随围压增加，剪切破坏面与轴向应力σ1方向的夹角由小变大.

相对于单向压应力状态，围压的施加，减小或完全抵消了由于岩石非均质性形成的横向张应

力。随围压增大，岩石各点横向均处于压应力状态。因而，岩石形成轴向张裂纹的可能性逐

渐减小，取而代之的是在岩石破坏前，岩石中形成两组共轭的剪断性微裂纹，所以，发生脆

性—韧性转变。而岩石强度的增加和破裂角的增大，则可应用摩尔—库仑强度理论来解释。

库仑准则的适用条件：

1、由于库仑准则是压剪破坏准则，所以适用于σ3 ＞0时的压剪破坏。而在简单应力状态

下如单轴拉伸、单轴压缩、纯剪应力，岩石的破坏分别为拉伸破坏、劈裂破坏和压拉破坏，

所以应该分别使用单轴抗拉强度、单轴抗压强度和剪切强度值作为其强度判据。2、另一方

面，库仑准则是线性准则，因而更适用于σ3 较小时的情形。如果σ3 较大，则可考虑应用下述的摩尔准则。3、再就是库仑准则没有考虑中间主应力σ2 的作用。

摩尔强度准则：

反应了应力应变间的非线性关系，但是忽略了中间主应力的影响，与实验结果有一定的出入。另外，该判据只适用于剪破坏，受拉区的适用性需进一步探讨，并且不适用于膨胀或蠕变破坏。

规范化处理，在这里就是把各种岩石的真三轴压力试验中三个主应力，都除以其岩石的单轴抗压强度，使其变成无量纲值。

裂纹的基本类型：

第一种称为张开型或拉伸型，简称Ⅰ型， 其裂纹面的位移方向是使裂纹张 开的裂纹面法线方向(y方向)。

第二种裂纹型称为同平面剪切型或者滑移型，简称Ⅱ型，裂纹上下表面的位移方向刚好相反，但一个向正x方向，一个向负x方向。与裂纹扩展方向平行。

第三种称为反平面剪切型，简称Ⅲ型，其裂纹面法向为y轴向，裂纹面扩展方向为x轴向，其裂纹面的位移方向分别是正、负z方向。与裂纹扩展方向垂直。

岩石断裂力学问题主要表现为如下几个方面：压剪应力状态下闭合裂纹的扩展判据；多裂纹条件下裂纹扩展与岩体工程稳定性的关系；岩石断裂韧度测试方法。

损伤，是指材料在一定应力状态下，其力学性能的劣化。损伤力学与断裂力学、疲劳分析理论全都属于破坏力学，是研究物质不可逆的破坏过程的科学。从狭义上说，可以认为损伤力学是使用宏观理论解决的微观断裂力学，也就是利用宏观理论分析与解决在宏观裂纹出现以前微观缺陷、微裂纹、微孔穴的发生与发展过程的科学。换句话说，损伤力学研究的是由原始材料或构件存在的微观缺陷发展到出现宏观裂纹的一段过程。

将损伤理论应用于岩体力学，主要需解决如下几个方面的问题 ：(1) 岩体节理裂隙的统计；

(2) 压、剪应力状态下，节理面闭合和摩擦作用对损伤变量的影响；(3) 如何确定损伤演变方程。

岩石变形全应力应变曲线的基本特征：1、岩石的全应力应变曲线具有非线性，可以划分为四个不同性质的阶段。2、岩石的变形在弹性极限之前，可以近似简化为线弹性。3、岩石的变形在弹性极限之后，如果卸载，则显出不可恢复的永久性变形，即存在塑性变形。4、在单轴压缩条件下，岩石塑性变形的本质是岩石细观裂隙的发育、扩展、材料破坏；在三轴压缩条件下，岩石的塑性变形本质是岩石矿物微观结晶的晶格滑移。

应力－应变关系曲线中的非线性：1、向下弯的曲线（类型II）和S形曲线在高应力时出现的下弯段，是由于高压力作用下岩石内部形成细微裂隙和局部破坏的缘故；2、而向上弯曲的曲线（类型III）以及S形曲线在低压时出现的向上弯曲段，是由于岩石在压力作用下其张开裂隙或微裂隙闭合的结果。由于张开裂隙或微裂隙闭合而引起的岩石变形是不可恢复的，这属于塑性变形的性质。3、此外，在裂隙两侧面上一般并不光滑平整，而总是在裂隙面上有高低不平的“丘状”部分。裂隙闭合过程中，裂隙面上的“丘状”部分先接触，这些

“丘状”部分就产生弹性变形。随着荷载的增加，这些“丘状”部分接触处的总面积也就增大，而“丘状”部分的高度减小，这就决定着应力－应变曲线的非线性性质（非线性弹性）。这一部分曲线的长度根据岩石裂隙性的状态和性质而定。4、在无裂隙的完整岩石中，一般实际上不出现这种性质（类型I）。

在应力空间中，由不同的应力途径，材料从弹性状态进入屈服状态。在应力空间中，将这些屈服点连接起来，就形成一个区分弹性和塑性的分界面，称为屈服面。描述这个屈服面的数学表达式称为屈服函数，或称为屈服条件。

当 时，材料处于弹性状态，当 时，材料处于塑性状态，这时材料对外部作用的反应是弹塑性的，其具体情况很复杂。而 的状态是不存在的。材料从自然状态开始第一次屈服的屈服条件叫初始屈服条件。因这时的内变量 ，所以初始屈服条件不含内变量，即： 当产生了塑性变形，随内变量的增长屈服条件的形式发生了变化，这时的屈服条件叫后继屈服条件。屈服函数在几何上可以看做是一族九维应力空间中的超曲面。随着内变量的出现和发展，屈服面大小和形状不发生变化的材料叫做理想塑性材料。对于大多数岩石材料来说，屈服面的大小和形状由于内变量的出现和发展而变化。屈服面的这种变化规律叫硬化规律。

流变：是指物体在外部条件不变的情况下，变形和应力随时间缓慢变化的物理现象。流变学的基本概念有：1、蠕变：在应力σ不变的条件下，应变ε随时间t逐渐增长的现象。2、应力松弛：在应变ε不变的条件下，应力σ随时间t逐渐减小的现象。3、长期强度：岩石所能承受的长期持续荷载。4、弹性后效：在加载或卸载后，弹性应变不是瞬时增减，而是逐渐增减(有一个时间过程)的力学现象。5、粘性流动：蠕变一段时间后卸载，部分应变永不恢复的力学现象。

蠕变三阶段：蠕变三阶段即初始蠕变阶段、第二蠕变阶段和加速蠕变阶。1、在初始蠕变阶段，蠕变曲线的曲率小于0，开始时蠕变速率较大，而后逐渐减小并趋向某一常数。2、在第二蠕变阶段，蠕变速率为唯一常数。3、在加速蠕变阶段，蠕变曲线的曲率大于0，蠕变速率不断增大。

蠕变三水平：岩石在不同级别(大小)的长期荷载作用下，其蠕变曲线具有不同的形态。应力水平愈高，蠕变变形愈大。1、当应力水平较低，低于岩石的长期强度时，岩石只出现初期蠕变，随后蠕变不再增加，蠕变值稳定为常数。2、当应力水平高于岩石长期强度，但不是太大时，岩石不仅会出现初期蠕变，随后蠕变还会出现第二蠕变阶段，以某一速率持续发展，直至卸载或材料蠕变破坏。3、当应力水平更高时，岩石会出现加速蠕变阶段

岩体结构面是在岩体生成过程中，以及生成后若干地质年代中，受地质构造作用而形成的。 岩体结构面包括：微裂隙、片理、页理、节理、层面、软弱夹层、断层及断裂破碎带等。 在工程地质中，把结构面划分为面、缝、层和带。1、面是指岩块间刚性接触，无任何充填的劈理、节理、层面和片理等；2、缝是指有充填物，而且具有一定厚度的裂缝；3、层是指岩层中相对的软弱夹层，不仅是由不同物质所组成，而且明显存在上、下两个层面，具有一定的厚度；4、带是指具有一定宽度的构造破碎带、接触破碎带等。

岩体的变形和强度，取决于构成岩体的岩石力学性能和结构面力学性能。

由于结构面往往是岩体弱面，所以在一些岩体工程中，结构面的力学性能决定了工程的稳定

性，如边坡的层面，大坝坝基中软弱夹层，井巷工程中的断裂破碎带等。

结构面弱化了岩体的力学性能，决定了岩体工程的稳定性，导致岩体的各向异性，成为岩体渗流的主要通道。

缪勒按地质破坏程度与结构面的性质，把结构面分成五大类型，即单个节理、节理组、节理群、节理带以及破坏带或糜棱岩。在此大类型的基础上，按充填节理中的材料性质和程度以及糜棱岩化程度，将每种类型分成三个细类，分别为节理、风化物充填节理、粘土充填节理。

按结构面力学性质分类：按照结构面的力学性质，结构面可分为硬性结构面(弱面)和软弱结构面(弱夹层)两类。它们之间的区别在于：(1) 硬性结构面的强度与两侧岩体的强度相差较小；而软弱结构面的强度则远小于两侧岩体；(2) 硬性结构面的厚度很小，一般可以不计，如节理面、片理面、层理面属于硬性结构面；而软弱结构面是充填有一定厚度的软、散、碎物质的结构面，软弱夹层、断层、层间错动、破碎带属于软弱结构面。

硬性结构面对岩体稳定性的影响主要表现在：改变岩体的应力分布状态和削弱岩体的力

学性质。尤其是成组的硬性结构面，能使岩体的应力、变形和强度显示出各向异性。

软弱结构面的力学特征与结构面的形态和充填物的厚度有很大关系，粗糙起伏的结构面

抗剪强度高，平直光滑的结构面抗剪强度低。充填物厚度很小时，结构面的强度由充填面和结构面壁两者的力学性质共同决定；而当充填物厚度较大时，其力学性质主要决定于充填物的性质。

描述岩体结构面的几何参量主要有：岩体内结构面的分布：① 组数，② 密度；单个结构面的几何形态：① 倾向，② 倾角，③ 延展长度，④ 张开度；结构面内部结构状况：① 充填物，② 粗糙度，③ 起伏度。

岩体结构面的力学性质，是指结构面在一定应力状态作用下的变形与强度特性。①首先，与

岩石试件不同，岩体结构面的变形与强度是相互联系的，共同反映在结构面的变形过程中 ； ②其次，在不同的应力状态下，结构面具有不同的力学特性，结构面不具有抗拉能力，压剪应力状态下结构面的变形性质是其最重要的力学特征。③再就是，岩体结构面具有各种不同的结构类型，其变形特性也就不同，应分别计算分析。

假设节理厚度为e，法向允许最大压缩量(闭合量)为Vmc

V法向压应力σ作用下，压缩量△V与法向压应力σ A 

V  V  V Vt0

0mcmc

其中，A和t是取决于节理面力学性能的力学参数。 当A=t=1时，式(5-11)成为双曲线形式。当A≠1, t≠1时，则△V 与 σ 可成为各种形式的曲线类型，A与t的值应由实验曲线求得。

裂隙介质岩体的破坏方式与岩体的工程类型有关。与井巷、隧道和峒室有关的裂隙介质岩体的破坏方式有：剪切破坏、劈裂破坏、挠曲破坏、坍塌破坏。与边坡稳定性相关的有：沿断层面滑坡、沿沉积层面滑坡、节理裂隙面贯通型滑坡。

裂隙介质岩体的强度介于岩石强度和结构面强度之间。决定裂隙岩体强度的基本因素是岩石的强度，对岩体强度影响最大的因素是结构面的特征(大小、密度、方向和性质等)，另外就是环境因素如地应力、水、温度等。1、结构面的方向与应力场的相对关系：当结构面方向与岩体最大剪应力方向的夹角较小时，岩体更易于破坏。2、围压的作用：当有较大的围岩

时，裂隙岩体的力学性质和力学参数会向完整岩体方向转化，围岩可降低裂隙面的力学效应。

3、地下水的作用，裂隙介质岩体有利于地下水的贮存和渗流，水会降低裂隙面的摩擦角，当有水压时，水压会促使岩体更易于破坏。

Brown根据岩石和岩体力学实验成果，采用公式拟合的方法，导出了岩石破坏时主应力之间的关系式，即：  1   3

式中，σ1── 破坏时的最大主应力；σ3──

作用

在岩石试件上的最小主应力；σc ── 完整岩石试件的单轴抗压强度；m 、s ── 常数，取决于岩石性质以及在达到应力σ1 和σ3之前岩石的破坏程度。当σ3 =0时，可得试件的单轴抗压强度为   对于完整岩石 σcs=σc，S=1。对于节理裂隙岩石 S

csc 对于这种裂隙岩体，可以应用式(5-27)的强度判据，应用这一公式的关键是正确确定σc 、 m和S等材料参数值。如果有岩体或大块裂隙岩块的三轴试验成果，那么可应用回归分析的方法，求出m和S值。在缺少实验资料的情况下，可以采用岩体分类的办法，求出m、S的近似值。

工程岩体分类，所依据的岩体力学参数与岩体结构参数主要有：岩石的强度、岩层的结构、岩体结构面的分布、岩石风化程度、地下水的作用、地应力、工程规模。

我国工程岩体分级具体分三步进行。首先，根据岩石的单轴抗压强度值Rc和岩体的节理裂隙发育状况，确定岩体的基本质量；然后求出岩体基本质量指标值BQ并进行分级；最后考虑地下水软弱结构面和初始地应力状态的影响，对岩体基本质量指标予以修正。

RQD是以修正的岩芯采取率来确定的。岩芯采取率就是采取岩芯总长度与钻孔长度之比。而RQD，即修正的岩芯采取率是选用坚固完整的、其长度等于或大于10cm的岩芯总长度与钻孔长度之比，并用百分数表示。

一种是根据岩石的单轴抗压强度  c ，把  c ＜20MPa的岩层称为软岩；或者根据单轴抗压强度与垂向地应力的比值，即  ＜2的岩层称为软岩。软弱岩层是指强度低、孔隙度c

差、胶结程度大、受结构面切割及风化影响显著或含有大量膨胀性粘土矿物的松、散、软、弱岩层。软岩的工程力学特性还有两个重要特点，即吸水软化和膨胀。软岩亲水性强，遇水强度显著下降，有的岩石甚至碎裂、崩解。岩石干燥强度与饱水强度的此值称为软化系数。

冲击地压的特征：①共有特征：突发性、瞬时震动性、破坏性。②我国煤矿冲击地压突出特点。多类型、条件复杂、随采深增加发展趋势严重等。③诱发因素：如放炮、顶板来压期间、回柱（移架）等。④冲击地压发生的地点及其主要特征：1）与地质构造有密切关系，往往发生在褶皱、断层及煤层变异性出的部位，主要受构造应力的控制；2）具有坚硬的岩层的煤层顶板，该岩层聚集高强度的变形能；3）发生在超前巷道的冲击地压，以巷道两帮煤体抛出为主要特征；4）发生在工作面的冲击地压，一般表现为大面积冲击现象；5）在留有底煤的采场发生时，以底臌和煤岩压入采场空间为主要显现特征。

地应力：系指天然环境下地壳岩土体内某一点所固有的应力状态，即未受人工开挖扰动的应力，称为地应力或原岩应力；次生应力：受开挖、手动影响，在影响范围以内的原岩应力平衡状态被破坏后的应力称为次生应力或诱发应力；应力重分布：原岩应力到次生应力的转换过程。

H

海姆认为：原岩应力各向等压，即净水压力状态。他认为，铅重应力以上覆岩体的重量，历经漫长的地质年代后，由于材料的蠕变性及地下水平方向的约束条件，导致水平应力最终与铅重应力相均衡。金尼克假说：根据弹性力学理论，假定岩体是均匀的、连续的弹性介质体，得出水平应力总归小于铅重应力的结论。

一般岩体的泊松比  为0.2~0.35，故侧压系数 通常都小于1，因此在岩体自重应力场中，

 x约为  x ，z和水平应力 垂直应力  y 都是主应力， z的25%~54%。只有岩石处于塑性状

态时， 值才增大。当 =1，它表示侧向水平应力与垂直应力相等 =0.5时，

（  x   z ），即所谓的静水应力状态（海姆假说）。  y

地壳形成之后，在漫长的地质年代，在历次构造运动下，有的地方隆起，有的地方下沉。这说明在地壳中长期存在着一种促使构造运动发生和发展的内在力量，这就是构造应力。构造应力在空间有规律的分布状态称为构造应力场。

地应力的主要分布规律：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，但在不同地区，变化的速度很不相同；5、最大水平主应力与最小水平主应力也随深度呈线性增长关系；6、最大水平主应力与最小水平主应力之值一般相差较大，显示出很强的方向性；7、地应力的上述分布规律还会受到地形、地表剥蚀、风化、岩体结构特征、岩体力学性质、温度、地下水等因素的影响，特别是地形和断层的扰动影响最大。

当围岩内部的最大地应力与围岩强度的比值达到某一水平时，才能称为高地应力或极高地应力。（围岩强度比）

围岩处于高应力场条件下所产生的岩片（块）飞射抛撒，以及洞壁片状剥落等现象叫岩爆。

高地应力现象：1）岩芯饼化现象；2）岩爆；3）探洞和地下隧洞的洞壁产生剥离；4）岩质基坑底部隆起、剥离以及回弹错动现象；5）野外原位测试测得的岩体物理力学指标比实验室岩块试验结果高。

1、原位测量是目前取得工程需要的不同深度原岩应力可靠资料的唯一方法；

2、实测方法因其所用传感器原理和结构的不同而有许多种：孔径变形法、水压致裂法、孔壁应变法、空心包体应变法。其中，前二种是二维应力测量，可以测量与钻孔轴线垂直截面上的原岩应力分量；后二种是三维应力测量，可以一次测得全部六个应力分量；

3、原岩应力是岩体内一点各个方向的应力分量总体的度量；

4、任何一种实测方法都需要通过扰动（通常是打钻孔），打破原有状态，在从一种平衡状态到新的平衡状态过程中，通过对力或应力的效应的间接测定来实现；

5、力或应力引起的最常见的效应是产生应变和位移；

6、数据处理：它一般是一个由观测的应变到应力及分析过程，最终获得原岩应力状态的结果。

7、直接测量法：由测量仪器直接测量和记录各种应力量，如补偿应力、平衡应力，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；

8、间接测量法：不直接测量应力量，而是借助某些传感器元件或某些介质，测量和记录岩体中某些与应力有关的间接物理量的变化，如岩体中的变形或应变、弹性波传播速度变化等，

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。

水压致裂法基本原理：建立在弹性力学平面问题理论的基础上；三个假设条件：围岩是线性、均匀、各向同性的弹性体；围岩为多孔介质时，注入的液体按达西定律在岩石孔隙中流动；岩体中地应力的一个主应力为铅垂方向，与铅垂向测量孔一致；注意：对钻孔横截面上二维地应力状态的测量，对测量钻孔是否为铅垂并无要求。

岩体孔底应力解除法：岩体孔底应力解除法是向岩体中的测点先钻进一个平底钻孔，在孔底中心处粘贴应变传感器（例如电阻应变花探头或是双向光弹应变计）、通过钻出岩芯，使受力的孔底平面完全卸载，从应变传感器获得的孔底平面中心处的恢复应变。再根据岩石的弹性常数，可求得孔底中心处的平面应力状态。

套钻孔应力解除法基本原理：基本假定：围岩是线性、均匀、各向同性的弹性体；岩体加载、卸载过程中具有同样的应力—应变关系；解除孔径不小于3倍测孔直径，可近似处理为厚壁圆筒问题。步骤：1、套钻大孔；2、取岩芯并将孔底磨平；3、套钻小孔； 4、取小孔岩芯；5、粘贴元件量测初读数；6、应力解除；7、取岩芯；8、测出终读数。

应力解除法原岩应力分量的确定：钻进测量孔——受到一次扰动，并很快达到新的平衡，取芯钻进及断岩芯——受第二次扰动时，应力场的效应被传感元件记录——即为该次实测的原始数据；扰动后的应变或位移与原岩应力的关系，由弹性理论关于圆孔问题的解析解得到； 因测量方法不同，有多种方法：孔径变形法、孔底应变法、孔壁应变法、空心包体法。

声发射法基本原理：1、材料在受到外荷载作用时，其内部储存的应变能快速释放产生弹性波，发生声响，称为声发射。2、凯泽效应： 1950年，德国人凯泽（J. Kaiser）发现，材料的应力从其历史最高水平释放后，再重新加载，当应力未达到历史上的最大应力时，很少有声发射产生，而当应力达到和超过历史最高水平后，则大量产生声发射。3、凯泽点：从很少产生声发射到大量产生声发射的转择点。4、凯泽点对应的应力即为材料先前受到的最大应力。5、许多岩石具有显著的凯泽效应。6、利用这一原理，可以确定岩石所受的原岩应力大小和方向。