岩石力学(岩石的性质及分类)

第一章 岩石的物理性质及岩石工程分类

学习对象

岩石及岩石的结构特征、岩石的不连续性、不均匀性和各向异性岩石的各项指标。

学习内容

岩石及岩石的结构特征、岩石的不连续性、不均匀性和各向异性岩石的容重、密度比重、孔隙率和孔隙比；含水量、吸水率与饱和系数；渗透系数。

学习目的

掌握有关概念，特别是掌握岩石及岩石的结构特征、岩石的不连续性、不均匀性和各向异性岩石的各项指标。

掌握岩石的容重、密度比重、孔隙率和孔隙比；含水量、吸水率与饱和系数；渗透系数等计算。

1.1 岩石及岩石的结构特征

1岩石

工程岩石力学的研究对象是岩石。岩石是构成地壳的基本材料，是经过地质作用而天然形成的（一种或多种）矿物集合体。岩石通常按地质成因分为岩浆岩、沉积岩和变质岩等三种类型，下图为三类岩石的部分岩体。

a、岩浆岩

岩浆岩是岩浆冷凝而形成的岩石， 绝大多数岩浆岩是由结晶矿物所组成，由于组成它的各种矿物化学成分和物理性质较为稳定，它们之间的联结是牢固的，因此岩浆岩通常具有较高的力学强度和均质性。工程中常遇到的岩浆岩有花岗岩、玄武岩等。

b、沉积岩

沉积岩是母岩（岩浆岩、变质岩和早已形成的沉积岩）经风化剥蚀而产生的物质在地表经搬运沉积和硬结成岩作用而形成的岩石组成。

沉积岩的主要物质成分为颗粒和胶结构。颗粒包括各种不同形状及大小的岩屑及某些矿物；胶结物常见的成分有钙质、硅质、铁质以及泥质等。沉积岩的物理力学性质不仅与矿物和岩屑有关，而且也与胶结物性质有关。沉积岩具有层理构造，这使得它的物理力学性质具有方向性。工程建设中常见的沉积岩有灰岩、砂岩、页岩等。

c、变质岩

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。它在矿物成份、结构构造上具有变质过程中产生的特征，也常常残留有原岩的某些特点。因此，变质岩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及变质程度有关。工程建设中常见的变质岩类有大理岩、片麻岩、板岩等。

岩石是自然历史的产物，由于它们的生成条件及在生成以后的漫长地质历史时期中，形成了许多各式各样的结构面，例如岩浆侵入岩与围岩接触面，不同侵入岩体彼此的接触面、冷凝裂隙，喷出岩和沉积岩的层理、不整合面，变质岩的片理、片麻理，组成各种岩石的矿物晶体的各种优势定向排列面以及由于地质构造运动、风化、重力和卸荷等各种不同动力的作用而产生的断层、节理、裂隙等。它们严重地破坏了岩石的完整性。在这种情况下，对岩体工程的安危起主要控制作用的，通常不再是被各种结构面分割的岩石块体，而主要是岩体中存在的结构面，或者是由岩石和结构面共同控制。在岩石力学中常用到“岩块”、“岩体”、“岩石”等术语，一般地被结构面切割成的岩石块体或从地壳岩层中切取出来的无显著软弱面的岩石块体称为岩块，而把自然埋藏条件下的大范围分布的由岩块和各种结构面（软弱面）网络组成的地质体称为岩体。岩石则是“岩块”和“岩体”的统称。

1.1.2 岩石的结构特征

岩石的结构包括两个基本要素：结构面和结构体。

结构面就是岩体内具有一定方向性、延展性较大、厚度较小的两

维面状地质界面，包括物质的异面和不连续面（如层理、断裂面等）



结构体则是被不同层状结构组合切割形成大小不一形态各异的

单元岩块。



在不同类型的岩体中，结构面的切割形单元有不同的几何形状，如图1.1.1所示为单元岩块的主要形状。

图1.1.2为岩体的结构型式

1---节理；2---层理；3---断层；4---断层破碎带

(a)整体结构；(b)块状结构；(c)层状结构；(d)薄层状结构；(e)镶嵌结构；(f)

层状破坏结构；

(g)破裂结构；(h)散粒结构

图1.1.2

岩体结构的基本类型

1.2 岩石的不连续性、不均匀性和各向异性

1.2.1 岩石的不连续性

岩石中普遍存在的结构面，无论是物质分异面还是物质不连续面，都会使结构面两侧附近的岩石物理力学性质呈现不连续变化。在这里着重讨论岩石裂隙性的情况，通常采用率作为定量评价岩石被裂隙切割后破碎程度的指标。

a、单向裂隙(或裂隙频率)

单向裂隙指一组结构面的法线方向上每单位长度(m)内，法线与结构面的交割数目，以Kd(m以d表示：

)表示。即单向裂隙率的倒数为成组结构面之间的平均间距，

式中，Kd -- 单向裂隙(m

)

d -- 结构面间平均间距(m) b、平面裂隙率

平面裂隙率KA是指岩石单位面积上诸裂隙所占有的面积总和，亦即：

式中：li -- 第i条裂隙面长度(m) ti -- 第i条裂隙面的宽度(m) A -- 被测量的岩石总面积(m)

裂隙率愈大，表明岩石愈破碎、强度愈低透水性愈大，且易被风化产物所充填，形成软弱结构面，酿成工程隐患。

1.2.2 岩石的不均匀性

不均匀性是指天然岩体的物理、力学性质随空间位置不同而异的特性。分析现场岩体试验资料时可采用综合性的统计特征--偏差系数V(%)来估算岩体的不均匀性，即：

式中, --各观测值xi的算术平均值。 σ--标准差估计值。

式中, N -- 试验观测点(次)数。

1.2.3 岩石的各向异性

岩石各向异性是指天然岩体的物理力学性质随空间方位不同而异的特性，具体表现在它的强度及变形特性等各方面。

在天然岩体条件下，使岩体具有各向异性的基本原因是由于岩石内普遍存在着层理、片理、夹层和定向裂隙（断层）系统所致。目前在实际工程中对于成层岩体往往考虑其平行于层理和垂直于层理方向的差异性。然而对于不具有层理的岩体，则把它视为各自同性体。

表1.2.1为某些岩石室内静力试验的结果。

表1.2.1 某些岩石室内静力试验的结果

注 表中⊥和‖指测试时加荷方向与结构面相垂直或相平行

1.3 岩石的物理性质指标

1.3.1 岩石的容重

岩石单位体积(包括岩石孔隙体积)的重力，称为岩石的容重。根据试样的含水情况不同，岩石容重可分为干容重(γd)、湿容重(γ)(或天然容重)和饱和容重(γω)，一般未说明含水状态时，是指湿容重。

岩石容重用下式计算：

式中，γ－容重(KN/m) W－岩石重力(KN) V－岩石体积(m)

岩石容重取决于组成岩石的矿物成分、孔隙大小及含水的多少，岩石容重在一定程度上反映出岩石的力学性质。通常，岩石的容重愈大，它的性质就愈好。

图1.3.1a

1.3.2 岩石的比重、孔隙率

a、岩石比重

岩石的比重就是指岩石的干比重除以岩石实体体积(不包括孔隙)，再与4℃时水的容重相比，即：

式中，Gs－岩石比重

Ws－绝对干燥时体积为V的岩石重力(KN) Vs－岩石实体(不包括孔隙)体积(m)

γw－在4℃时水的容重，γw＝10(KN/m)

b、孔隙率

岩石内孔隙体积与总体积(包括孔隙体积)之比，计算式为：

根据岩石干容重γd和比重Gs，也可以用下式计算：

式中, n－孔隙率,以百分数表示 Vv－孔隙、裂隙体积(m)

V－岩样总体积(m)

图1.3.1b碳酸盐类岩石的抗压强度与孔隙率的关系

图1.3.1b

描述岩体孔隙性的另一个指标，孔隙比е。它是岩石孔隙体积与岩石实体体积之比，即

:

一些主要岩石的物理性质

1.4 岩石的含水量、吸水率、饱和吸水率

1.4.1 岩石的含水量

岩石的含水量是岩石天然状态下含水重量与岩石干重之比，用百分数表示，即

:

式中, Ww－岩石中含水的重力(KN) Ws－岩石干重力

(KN)

对于中、小型地下洞室工程，不可能耗费巨资进行大量的室内和现场岩体物理力学试验。因此，对中小型地下洞室工程岩体的物理力学参数选取，工程类比法显得尤为重要。

1.4.2 岩石的吸水率

岩石的吸水率是指干燥的岩石试样在一个大气压和温室条件下，岩石吸入的水重Ww1对于岩石干重Ws之比的百分率，一般以ωa表示之，即：

岩石的吸水率在室内通过试验测定。试验时可将岩样放在保持105摄氏度的烘箱内烘干，求得岩石的干重Ws，然后再将它放入水中浸泡12-24小时，称得岩石湿重后再算出被试样吸入的水重Ww1，由上式算得ωa。岩石的吸水能力一般取决于岩石的含孔隙的多少及其细微裂隙的连通情况。工程上常用岩石的吸水率作为判断岩石的抗冻及风化程度的指标。

1.4.3 岩石的饱水系数

a、岩石的饱和吸水率

岩石的饱和吸水率是指岩石试样在高压(一般为150个大气压强度下)或真空条件下，强制吸入水的重量Ww2对于岩石干重Ws之比的百分率，以Wsa表示，即：

测定饱和吸水率的方法，多采用煮沸法和抽真空法。 b、饱水系数

通常把岩石的吸水率与饱水率之比值称为饱水系数,以Kw表示

一般岩石的饱和系数Kw为0.5-0.8，饱和系数对于判别岩石的抗冻性具有重要意义。当Kw0.91时，在冻结过程中形成的冰会对岩石中的孔隙和裂隙产生“冰劈”作用，从而造成岩石的胀裂破坏。

1.5 岩石的渗透系数

1.5.1 岩石的渗透系数

有压水可以透过岩石的孔隙、裂隙而流动，岩石能透过水的能力称为岩石的渗透性。不同岩石或裂隙性不同的岩石的渗透性不同，渗透性的大小用渗透系数K表示。岩体渗透性试验原理如图1.5.1和图1.5.2所示，假定岩体渗流符合达西定律，则渗透系数可计算如下

a、轴向渗透试验时渗透系数计算

式中,K－岩石渗透系数(m/s) Q－单位时间里透过试样的水量(m) L－试样长度(m) A－试样截面积(m)

P－试样两端的水压力差(KPa) γw－水的容重(KN/m)

图1.5.1 岩石渗透仪(轴向渗透) 1-注水管路；2-围压室；3-岩样；4-放水阀

b.径向渗透试验时，其渗透系数计算(图1.5.2)

式中,P－试样外壁上的水压力(KPa) L－试验段(小孔)长度(m) R1－试件内半径(m) R2－试件外半径(m) π－圆周率

K－意义同上 岩石的渗透系数不仅与水的物理性质有关，也与岩石的应力状态有关。

Ws－岩石干重力(KN)

图1.5.2 径向渗透试验示意图

(长度单位：mm)

表1. 5.1 某些岩体的渗透系数数值

1.6 完整岩块的工程分类

以工程实用为目的的岩石(包括岩块和岩体)类型的划分叫做岩石的工程分类。它是岩石力学研究的重要方面之一。在对岩石实行工程分类时，应当充分考虑工程的需要，用明确的概念和严谨的判断去区分岩石的级别，以便工程技术人员合理的选择工程布局及采用相适应的技术处理方法。自四十年代中期以来，人们提出了许多分类方法。本教材仅选择几个比较有代表性的分类方法，在本节先介绍完整岩块的工程分类，关于岩体的工程分类将在下节介绍。

所谓完整岩块是指那些能够取样在实验室内进行试验，没有明显构造(如层理、节理、夹层)特征的岩石材料。

关于完整岩块的工程分类，最初是根据岩石的单轴抗压强度进行的，如我国自20世纪50年代一度采用的分类法，就是如此。表1.6.1所示。

这种分类将岩石划分为硬质岩、中等坚硬岩以及软岩三个类别，界限明确，使用方便，但是单一的抗压强度并不是以表述岩石的工程性质，况且对于某些岩石来说，强度并不是固定不变的，因此，仅考虑抗压强度这一单一因素的分类法存在一定的局限性。

表1.6.1 岩石的强度分类

1.6.2 具体作法

20世纪60年代初由米勒(Miller)和迪尔(Deere)提出了根据岩石的两个重要力学性质指标--单轴抗压强度和弹性模量--的分类方法，用这种分类方法时岩石力学与工程界产生较大影响，具有一定代表性，具体作法如下：

(1) 根据岩块的单轴抗压强度Rc，把岩石分成五个等级，如表1.6.2所示。 其界限划分采用几何级数，由于大多数岩石的强度上限低于225MPa，所以将225MPa定为A类与B类的界限。



属于A类的岩石，只有石英岩、辉绿岩和致密的玄武岩等少数岩

石。



属于B类的岩石，包括大多数岩浆岩，变质程度较深的变质岩，

胶结良好的砂岩，质地坚硬的页岩以及石灰岩等。



C类是中等强度岩石，它包括大部分的页岩，多孔隙的砂岩和石

灰岩，片理发育的各种片岩。



D类和E类的岩石强度很低，包括那些多孔凝灰岩，粘土质页岩，

岩盐以及风化了的或发生了化学变化的任何岩盐的岩石。

表1. 6.2 完整岩块的(Rc)

注：强度实验的试件尺寸，D/H = 1:2； D--直径；H--高

2) 根据模量比进行完整岩块分类，该分类法考虑的第二个因素是弹性模量E，但是不采用模量本身，而采用的是模量与单轴抗压强度之比，即E/Rc 。根据模量比，将完整岩块分成三个等级，即模量比超过500的为等级高的，模量比在200到500之间的为中等的，模量比小于200的为等级低的。如表1.6.3

表1.6.3

(3) 完整岩块的工程分类：根据强度大小和模量比高低，就可以对完整岩块进行分类。如强度极高的，中等模量比的完整岩块属AM类。此外，还有BL、BH、CM、CH等总共十五种类型。为了应用方便可应用图1.6.1三种不同岩石的图解

形式表示，图中的纵坐标为弹性模量E(MPa)，横坐标为单轴抗压强度Rc(MPa),纵横坐标均是对数比。图中两根斜级代表两模量比的分界线，上面一根为500:1，下面一根为200:1，两斜级范围内，为中等模量比(M)，岩的上方为高模量(H)，岩的刚返防下方为低模量比(L)。大多数致密块状结构的大多是属于中等模量比。

图1.6.1

1.7 岩体的工程分类

1.7.1 岩体的工程分类概要

在岩体的分类方面,国内外有许多岩石力学工作者和地质工作者做了大量的工作,提出了许多分类方案。早期一般沿用地质学的岩石成因分类，后来逐步发展成结合某种工程需要的岩石工程分类，此后又提出了着重考虑岩体结构特征的岩体工程分类。

20世纪70年代以后，在岩体工程分类方面有了显著进步，即大家都十分重视岩体质量的确定。一个鲜明的特点就是利用各种测试技术和手段，去获取能够反映岩体工程特性的“综合特征值”，并用它作为工程分类的依据。由于岩体的工程特性与多种因素有关，各研究者在评价岩体质量时，对每个因素评价和侧重

程度不同，相应地他们所赋予各因素的评分数值也就不同，这样就造成有多种算法的“综合特性值”，因而也就存在有多种形式的岩体工程分类。

在后面的内容中，我们先介绍作为评价岩体质量主要因素之一的岩石质量指标的概念，然后再介绍按岩体质量划分的工程分类法。

1.7.2 岩石质量指标RQD

岩石质量指标RQD(Rock Quality Designation)，它是迪尔1964年提出的概念，是用来表示岩体良好度的一种方法。

RQD是根据修正的岩心采取率来决定的，所谓修正的岩心采取率就是将钻孔中直接获取的岩心总长度，扣除破碎岩心和软弱夹泥的长度，再与钻孔总长之比。方法规定在计算岩心长度时，只计算大于10cm坚硬的和完整的岩心。图1.7.1为一个总长为150cm时所采取的岩心的情况，图中岩心的实际长度为125cm，岩心采取率为83%，经过修正以后的岩心有效长度为85cm，由此算得RQD=57%。

表1.7.1 岩石的质量等级

1.7.3 比尼奥斯基岩体工程分类

比尼奥斯基(Z.T.Bieniawski)是最早提出按岩体质量进行评分来对岩体工程分类的。这种分类考虑了岩石强度、RDQ、地下水条件、节理和断裂间距、状态及产状等五项因素，采用岩体评分(Rock Mass Rating)，即RMR，根据这一“综

合特征值”对岩体划分质量等级。表1.7.2为按比尼奥斯基法岩体工程分类的参数及评分标准。

RMR值的确定方法分两步进行：

第一步是对某一特定岩石的性状，先按照表1.7.2所列的五种内容逐一鉴定并评分，然后再把五个单项因素的分数累计起来，就得到RMR的初值；

表1.7.2 岩体工程分类的参数及评分标准

第二步就要根据节理裂隙的产状变化对RMR的初值加以修正，修正的目的在于进一步强调节理裂隙对岩体性产生的不利影响，修正评分的取值办法见表1.7.3，经修正后的岩体总评分实质上就是岩体质量综合评判指标。比尼奥斯基用它作为划分岩体工程分类的依据。

表1.7.3 按节理方向的修正评分值

表1.7.4列出了各种RMR值及其对应的岩体类别，并且就岩体质量作了概括的描述。

表1.7.4 按总评分确定的岩体类别

第二章 岩石的强度及强度试验

学习对象

岩石的强度，岩石的强度理论、岩石的强度试验。 学习内容

岩石的强度试验方法，岩石的破坏特性；

莫尔库仑理论、最大正应变、八面体理论、格里菲斯理论； 岩石结构与强度关系。 学习目的

了解岩石的强度试验方法；掌握岩石的强度和破坏特性，莫尔库仑理论、最大正应变、八面体理论、格里菲斯理论以及岩石结构与强度关系。

2.1 岩石的破坏特性

2.1.1 岩石的破坏形式有三种类型

a、脆性破坏

大多数坚硬岩石在一定条件下都表现出脆性破坏的性质。也就是说，这些岩石在荷载作用下没有显著觉察的变形就突然破坏。产生这种破坏的原因可能是岩石中裂隙发生和发展的结果。例如，地下洞室开挖后，由于洞室周围的应力显著增大，洞室岩可能产生许多裂隙，尤其是洞顶的张裂隙，这些都是脆性破坏的结果。（见图2.1.1a）

b、延性破坏

岩石在破坏之前变形很大，且没有明显的破坏荷载，表现出显著的塑性变形，流动或挤出，这种破坏称为延性或韧性破坏。塑性变形是岩石内结晶晶格结位的结果。在一些软弱岩石中这种破坏较为明显。有些洞室的底部岩石隆起，两侧围岩向洞内膨胀都属延性破坏的例子。坚硬岩石一般属于脆性破坏，但在两向或三向受力较大的情况下，或者在高温的影响下，也可能延性破坏。（见图2.1.1b）

c、弱面剪切破坏

岩体中存在着许多软弱结构面，细微裂隙等弱面，在荷载作用下，弱面上的剪应力一旦超过弱面的抗剪强度时，岩体将弱面剪切破坏，致使岩体产生滑移，如节理岩体中的地下洞室顶

部岩块崩塌，洞侧岩石的滑动，以及岩坡沿软弱面的失稳等，都属于弱面剪切破坏(见图2.1.1c)。岩石的各种破坏形式综合见图2.1.2。

试验表明(例如图2.1.3的澳M.S.Pater-son试验)，岩石在破坏前后的应力--应变关系比金属材料复杂得多，岩石究竟属于脆性材料还是属于塑性材料，这不仅取决与岩性，且受应力状态，地温，受荷时间等多种因素的影响，例如同一种岩石试件在某一压力下为脆性状态，而在较大的压力作用下又可转变为塑性状态，图2.1.3充分说明了围压增大会导致大理岩试件从脆性破裂向塑性流动转变，此外，一般来说，升高温度最终会导致岩石晶体产生塑性流动趋势。

而且，实际的荷载形式是多种多样的，它使任何单一的岩石破坏模式都不会居主要的地位。在荷载作用下，岩体实际的破坏情况是相当复杂的，它可能是有上述的一种或多种破坏

模式。图2.1.4表示工程岩体破裂的综合模式。

2.2 岩石的抗压强度

2.2.1 岩石的抗压强度

岩石强度：

岩石的强度是指荷载作用下岩石的抵抗破坏的能力。为了研究岩石的强度特征，经常将岩石制备成试件在实验室进行试验，如岩石单轴抗压强度试验，抗拉强度试验，抗剪强度试验等。试验时将岩样制备成规定的试件然后按相应的试验规程进行试验。

岩石的抗压强度是岩石试件在单轴压力下抵抗破坏的极限能力，或极限强度在数值上等于破坏时的最大压应力，（见图2.2.2a）岩石的抗压强度一般在实验室内是在压力机上进行加压试验测定的。试件采用圆柱形或立方柱形，试件此面尺寸，圆柱形试件采用直径D=5cm，立方柱状试件此面采用5cm×5cm，试件高度h应当满足下列条件

圆柱形试件：

立方柱形试件：

式中，A---试样的横断面积

试件两端应当平整光滑，端面三相平行与柱体轴线垂直。对于圆柱形试件，沿试件各截面的直径误差应不大于0.3mm，两端面不平行度最大不超过0.05mm，试验时以每秒0.5MPa--0.8MPa的加荷速率加荷直至试件破坏，试验结果按下式计算抗压强度：

式中,

Rc---岩石平轴抗压强度(MPa) P---岩石试件破坏时的荷载(MN) A---试件的横断面面积(m)

图2.2.2b为岩石单轴压缩试验时的某些破坏形式，表2.2.1上列出了某些岩石的抗压强度供参考。大量试验证明，影响岩石的抗压强度的因素很多，这些因素可分为两方面，一方面是岩石本身的因素，如矿物成分，结晶程度颗粒大小，颗粒联接及胶结情况密度和裂隙的特性和方向、风化程度和含水情况等，另一方面是试验方法上的因素或人为因素，如试件形状、尺寸、大小，试件加工情况和加荷速率等。

表2.2.1 某些岩石抗压强度参考值

2.3 岩石的抗拉强度

2.3.1 岩石的抗拉强度

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或极限强度在数值上等于破坏时的最大拉应力，岩石的抗拉强度比其抗压强度低得

多。试验测定岩石抗拉强度有两种方法，即直接拉伸法和劈裂法（也称巴西试验法）。

a、直接拉伸法

岩石直接拉伸试验的试件如图2.3.1 所示。试验时将这种试件两端固定在拉力机上，然后对试样施加轴向拉力，直至试件破坏，试件的抗拉强度为：

式中，Rt---岩石的抗拉强度 Pt---试件破坏时的最大拉力 A---试件中部的横截面积

试法的缺点是，试样制备困难，它不易与拉力机固定，而且在试样断裂处附近往往有应力集中现象，同时难免在试件两端面有弯矩。

b、劈裂法（巴西试验法）

劈裂法是在圆柱体试样的直径方向上，施加相对的线形荷载使试样沿该直径平面破坏的试验。试验采用压力机加压，采用直径D=5cm，厚度l=(0.5-1)D的标准圆柱体，以0.29MPa/s--0.49MPa/s的加载速率沿某一直径的两端施加相对的压荷载，加压前须在直径两端设置垫条，以便压力沿垫条成均布线荷载作用于试样的厚度l上，逐渐加大压力直到试样沿该直径平面裂开。根据弹性力学知识，可以近似地计算岩样的抗拉强度为：

Rt---试样的抗拉强度 P---破坏时的极限压力(KN) D---圆柱体试样的直径(m) l---圆柱体试样的厚度(m)

由试验可知，岩石的抗拉强度极限大致仅为同类岩石抗拉强度的1/10-1/30，

最坚硬的岩石的抗拉强度也只有29.6MPa左右，而许多岩石的抗拉强度小于1.96MPa。表2.3.1为某些岩石的抗拉强度供参考，表2.3.2为岩石单轴抗压强度及它与间接抗拉强度之比。

表2.3.1 某些岩石抗拉强度参考值

表2.3.2 有代表性的岩石样品的无侧限抗压强度(Rc)，以及它与间接抗拉强度之比（Rc / Rt）

列表中的岩石说明：

1.贝雷砂岩；取自俄亥俄州的阿北斯特(Amberst)：细粒状，稍有孔隙，胶结的。 2.那娃佐砂岩：取自亚利桑那州的格林峡(Glen Canyon)坝址；易碎的，细粒状到中粒状。(两种砂岩都主要由石英颗粒组成)。

3.汀史笠砂岩：宾夕法尼亚纪(Pennsyvanian-age)砂岩，取自怀俄明州的阿里柯娃(Alcova)电站[靠近卡斯北(Casper)]；方解石胶结：中粒状。

4.哈金沙克泥砂岩：新泽西州：取自三迭纪的涅娃克(Newark)统：同赤铁矿胶结在一起，泥质的。

5.蒙特塞罗坝的灰色玄砂岩：取自加利福尼亚州蒙特塞罗坝基上的白垩纪砂岩；中粒状到粗粒状，同长石、石英和其他成分胶结在一起；一些长石转变为云母。 6.索林荷芬石灰岩：引自贝瓦利亚(Bevaria)；非常细致、咬合结晶体结构。 7.贝德福石灰岩：印第安纳州(Indiana)的：有少量孔隙的，生物碎屑灰岩。 8.达威娜里石灰岩：取自密苏里州卡德纪(Carthage)；细粒状，胶结的和咬合结晶的灰岩、并有化石。

9.奥涅他白云岩：取自明尼苏达州的柯苏达(Kosota)；细粒的咬合粒状结构，由于散步的方解石脉纹而具有斑点征状

10.洛克波特白云岩：取自纽约州的尼亚加拉(Niagara)瀑布；非常细粒的胶结状结构，颗粒分级咬合结晶结构；有一些硬石膏颗粒。

2.4 岩石的抗剪强度

2.4.1 岩石的抗剪强度

岩石抗剪强度是岩石抵抗剪切破坏的极限能力，常以凝聚力C和内摩擦角υ这两个剪切参数表示。抗剪强度是岩石力学中重要的指标之一。

工程上需要测定的抗剪强度大致有以下三种：

⑴岩石岩体的抗剪强度 ⑵岩体软弱结构面的抗剪强度 ⑶混凝土与岩石胶结面的抗剪强度

岩石的抗剪强度指标常用直剪试验或三轴试验测定，其测定原理和方法与土力学中的直剪、三轴试验完全相同。至于试验细则可参见1981年试行的水利水电岩石力学试验规程。 ①直剪试验

岩石直剪试验，一般有三种类型，即抗剪断试验、抗剪试验（摩擦试验）和抗切试验，图2.4.1即为这三种直剪试验的受力方式及相应的莫尔强度破坏线的示意图。图2.4.2为直剪试验装置及试样。

图2.4.2

根据规程要求，在试样制备方面，对混凝土和岩石胶结面的试样要求采用15×15×10～30×30×15的方块或υ(15×10)cm～υ(30×15)cm的圆柱体；拟浇注砂的岩石的起伏差，应控制在边长或直径的1%-2%以内，在岩石上浇注的混凝土或砂浆，其尺寸与岩块相同，对软弱结构面试样，应尽量保持原状结构。防止结构面被扰动，而结构面上下的岩石厚度，分别约为断面高度的1/2左右。对于加工困难的试件，允许采用不规则试样，节理裂隙发育的岩石，须用铁丝捆扎并用泥浆保护；对岩块试样须用高强度的钢筋或钢型外框包裹，剪切缝宜控制在0.5cm～2.0cm之间等。

《规程》中上述三种试样的数量，规定每组不得少于5对(以便重复试验)，并规定在试验加荷方面，首先应使受剪面方向与建筑物的受力方向大致一致，在安装法向和切向加荷系统时，应保证法向力和剪切力的合力通过剪切面的中心(以免受附加矩的作用)。所选择的法向应力，除充填夹泥的结构面试验外，一般应大于或等于设计应力，对于充填夹泥的结构面试验，法向应力的选择，以不挤出夹泥为原则，而法向荷重则分4-5级施加，每5min加荷一次，加荷后立即测读垂直变形，5min后再测读一次，达到预定荷重后，每5min观测变形一次，直到相对稳定开始能施加剪切荷载。剪切荷载亦是分级施加，即每5min加荷一次，并测记加荷前后的法向和剪切位移值。此外，在试样剪切过程中须采用恒压装置，

使法向应力保持常数，试验完毕后按下式计算各级法向荷载下的法向应力和剪应力：

式中: σ---作用于剪切面上的法向应力(MPa) τ---作用于剪切面上的剪应力(MPa)

P---作用于剪切面上的总法向力(包括荷载、设备重量及试块重)(KN) Q---作用在剪切面上的剪切荷载(KN) A---剪切面积(m)

表2.4.1 某些岩石的内摩擦角和凝聚力

根据剪切面上各级法向荷载作用下相应的剪应力与水平剪切位移的关系曲线τ-δh(图2.4.3)。取各条τ-δh曲线上的峰值剪应力τf与对应的法向应力σ，点绘出τf-σ关系曲线，这就是岩石的抗剪断峰值强度曲线，此线与水平轴的交角，即为内摩擦角υ，此线在纵轴上截矩，即为凝聚力C。如取图2.4.2中各线的τmin与相应的法向应力σ，即可点绘得图2.4.4中的剩余强度线，它相应于岩石试样发

生裂缝之后的强度线，相当于摩擦试验所得的强度线。它与纵轴交于坐标原点，表示C=0，说明破裂的岩石，破裂面上是混合凝聚力，此剩余强度线与横轴的交角υr，即为剩余强度所对应的内摩擦角。

②三轴剪切(压缩)试验

三轴压缩试验是采用三轴压力仪进行的对圆柱形试件进行侧向加压的试验。试验方法可参见美国材料试验协会规程和国际岩石力学学会(ISRM)所提出的岩石力学试验建议方法。图2.4.5为三轴压缩试验设备，进行三轴压缩试验的方法是：首先，在整个圆柱体周围施加侧限压力(即σ1=σ2=P)，然后，在侧限压力保持为常数σ3时施加轴向荷载σ1-P，直至试件破坏，这样得到破坏时的最大和最小主应力σ1和σ3，从而得到一个岩样破坏时的应力圆，采用相同的岩样改变侧压力σ3，施加轴向压力至试件，从而得到一个不同的应力圆，绘出这些应力圆的包络线，即可求得岩石的抗剪强度线，如图2.4.5所示，图2.4.6为角闪岩的三轴试验结果。这象单轴压缩试验一样，三轴试验试件的破裂面与大主应力σ1方向间的夹角为45°-υ/2。

以上介绍了完整岩块的抗压强度，抗拉强度和抗剪断强度。这些强度与试验方法、试样形状、规格大小，施荷透率等试验因素有关外，尚与岩性，矿物成分，孔隙指数，地质构造特征，含水量等内在因素有密切的关系。影响岩石强度的因素很复杂，在分析岩石强度时必须考虑对可能存在的各种因素选用适当的强度值。

2.5 现场岩体强度试验

2.5.1 岩体压缩试验

图2.5.1表示岩体单轴压缩试验。这种试验可在现场试洞或水平坑道内进行。试验时需将试件从四周岩体中切割成孤立的立方块体，经整平试体顶石和洞顶后，在两者之间安装加荷千斤顶施加铅直荷载，试体尺寸按《规程》规定，横截面积应不小于0.25m，一般为0.7×0.7m，最小边长不小于0.35m，高度略

大于边长的2/3，对于节理裂隙发育的岩体或层状岩体，其抗压强度将随裂隙与加压的方向不同而呈明显的各向异性。

2.5.2 岩体直接剪切试验

工程上需要测定的抗剪强度不外以下三种，即混凝土与岩石界面直剪试验，岩体沿软弱面直剪试验以及岩体本身的直剪试验。

不论上述何种试验，一般均采用方形试样，也有采用楔形截面的，而试验设施的装置，务必使待测强度的界面或层面安置于剪切面的位置。按照剪力施加方向的不同，一般常用的有平推法和斜推法，如图2.5.2所示。

不论是平推法，斜推法，方形体还是楔形体，试验时其法向和剪切向加荷系统的安置，务必应保证法向力和剪切力的合力通过受剪面的中点O点(以免产生附加弯矩而影响试验成果的精度)。

试验成果的整理： a、平推法：

计算剪切面上的法向应力σ和剪应力τ：

式中：P---作用于剪切面上的总垂直荷载(KN)，包括千斤顶出力，设备重量及试体重量

Q---作用于剪切面上的总水平推力(应扣除滚轴的摩阻力)。 F---受剪面面积

根据计算的σ、τ是测得的δh资料，作出任一法向应力σ下对应的τ-δh曲线，从该曲线上可找出相应的剪应力峰值、强度及剩余强度，从而根据需要可作出δ-τ平面中的各剪切阶段的强度特征曲线，见图2.5.3，图2.5.4。

b、斜推法试验

斜推法试验同样按上述方法步骤整理资料。剪切面上正应力σ和剪应力τ的计算如下：

式中：

α---斜推荷载与水平剪切面之间的夹角，其余符号同前。

2.5.3 岩体三轴(压缩)剪切试验

施加铅直荷载和侧向水平围压，加载大小可模拟岩体实际可能的受力状态加以确定，现场三轴所得的强度显然远比室内完整岩块三轴所得的低。

当现场岩体的各向异性明显时，试验的布置应有利于测定工程需要而指定的那些面上的C，υ值，当加载方向正交或接近正交于潜在不连续面时，其抗剪强度将接近于完整无裂隙岩块的抗剪强度值，当加荷方向平行或接近平行与不连续面时则其抗剪强度值取决于该不连续面上抗剪参数C,υ。

2.6 莫尔库伦强度理论

2.6.1 莫尔强度理论

岩石的应力、应变达到一定值时，岩石就发生破坏，用以表征岩石破坏条件

的函数称为破坏判据或强度准则。强度准则的建立应反映岩石的破坏机理。所有这些确定岩石破坏的原因，过程及条件的理论，称强度理论。强度理论，不仅要能理解岩石破坏的原因、破坏的形态，而且要能确定岩石破坏时的应力状态或变形状态。莫尔库伦强度理论、格里菲斯强度理论及霍克-布朗强度理论，是在岩石力学界较有影响工程上常用的强度理论，本书将对这三种强度理论进行简要介绍，本节介绍莫尔库伦强度理论。

莫尔强度理论是莫尔在1900年提出的，并在目前岩土力学中用得最多的一种理论，该理论假设材料内某一点的破坏主要决定于它的大主应力和小主应力，即σ1和σ3，而与中主应力无关。根据用土内的大小主应力比例求得的材料强度试验资料，例如：单轴试验、单轴拉伸强剪、各种不同大小主应力比的三轴压缩试验等，在τ-δ的平面上，绘制出一系列的莫尔应力圆(如图2.6.1)。每一

莫尔应力圆都反映一种达到破坏极限(危险状态)的应力状态。这种应力圆称为极限应力圆，然后这一系列极限应力圆的包络线如图中所示。这条包络线叫莫尔包络线，这根包络线代表了材料的破坏条件或强度条件，在包络线上的所有点都反映了材料破坏时的剪应力τf与正应力σ之关系，即：

这就是莫尔理论破坏准则的普遍形式。

由此可知，对于材料的破坏与否，一方面与材料内的剪应力有关，同时与正应力也有很大的关系，因为正应力直接影响着抗剪强度的大小。

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破坏时，只要在τ-σ平面上作出该点的莫尔应力圆，如果所作应力圆在莫尔包络线以内(图2.6.2圆1)，则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τf，说明该点没有破坏，处于弹性状态；如果所绘应力圆刚好与包络线相切如(图2.6.2圆2)，则通过该点有一对平面上的剪应力刚好达到相应面上的抗剪强度，该点开始破坏，或者称之为处于极限平衡状态。最后，当所绘的应力圆与包络线相割如(图2.6.2圆3)，则实质上它是不存在的，因为当应力达到这一状态之前，该点就沿着一对平面破坏了。

关于岩石的包络线的形状，目前存在许多假定，有人假定为抛物线，也有人假定为双曲线或摆线。一般而言，对于软弱岩石，可以认为是抛物线，对于坚硬岩石可以认为是双曲线或摆线；大部分岩石工作者认为，当压力不大时(例如当σ的值小于10MPa时)，采用直线在实际应用上也够了。为了简化运算，岩石力学中大多数采用直线形的包络线，也就是说，岩石的强度条件可用库伦方程表示：(图2.6.3)