一、岩石和岩体
岩石 ⑴ 自然形成的产物；⑵ 由一种或几种矿物组成的具有一定结构构造的固体集合体。
岩体：地质历史过程中形成的，由岩块和结构面组成的，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。
岩体就是岩石和结构面的统一体。
结构面:地质历史发展过程中，在岩体内形成的具有一定的延伸方向和长度，厚度相对较小的地质界面或带。 （如节理、裂隙、褶皱等结构面。）
二、岩体的特征
1、岩体是非均质各向异性的材料。2、岩体内存在着原始应力场。3、岩体内存在着一个裂隙系统 4岩体既不是理想的弹性体，也不是典型的塑性体，既不是连续介质，又不是松散介质，而是一种特殊的复杂的地质体，这就造成了研究它的困难性和复杂性
岩体力学研究的主要对象是岩体，研究岩体在力场作用下，所发生的变形、破坏和移动规律的理论及其实际应用的科学，是一门应用型基础学科。
岩石的强度：岩石抵抗外力作用的能力，岩石破坏时能够承受的最大应力。a.单向抗压强度b.单向抗拉强度c.剪切强度d.三轴抗压强度
岩石的变形：岩石在外力作用下发生形态（形状、体积）变化。
a.单向压缩变形b.反复加载变形c.三轴压缩变形d.剪切变形
岩石单轴抗压强度 1）定义：岩石在单轴压缩荷载作用下达到破坏前所能承受的最大压应力称为岩石的单轴抗压强度计算公式：σc=P/A
5)水对单轴抗压强度的影响－软化系数： 岩石的软化系数：饱和岩石抗压强度σb与干燥岩石抗压强度σc之比 η=σb/ σc≤1
1.2岩石单轴抗拉强度 定义：岩石在单轴拉伸荷载作用下达到破坏时所能承受的最大拉应力称为岩石的单轴抗拉强度。 试件在拉伸荷载作用下的破坏通常是沿其横截面的断裂破坏，岩石的拉伸破坏试验分直接试验和间接试验两类
抗剪切强度定义：岩石在剪切荷载作用下达到破坏前所能承受的最大剪应力称为岩石的抗剪切强度 剪切强度试验分为非限制性剪切强度试验和限制性剪切强度试验二类。
非限制性剪切试验在剪切面上只有剪应力存在，没有正应力存在；限制性剪切试验在剪切面上除了存在剪应力外，还存在正应力。
限制性剪切强度试验结果及其分析
①试验结果：剪切面上正应力越大，试件被剪破坏前所能承受的剪应力也越大。
三轴抗压强度 定义：岩石在三向压缩荷载作用下，达到破坏时所能承受的最大压应力称为岩石的三轴抗压强度 三轴试验是限制性抗压强度试验
岩石的强度：岩石抵抗外力作用的能力，岩石破坏时能够承受的最大应力
岩石的变形：岩石在外力作用下发生形态（形状、体积）变化
岩石变形过程中表现出弹性、塑性、粘性、脆性和延性等性质。
弹性物体在受外力作用的瞬间即产生全部变形，而去除外力(卸载)后又能立即恢复其原有形状和尺寸的性质弹性体按其应力－应变关系又可分为两种类型：线弹性体：。非线性弹性体
塑性物体受力后产生变形，在外力去除（卸载）后变形不能完全恢复的性质。永久变形，残余变形。
- 在外力作用下只发生塑性变形的物体，称为理想塑性体。
黏性 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
脆性物体受力后，变形很小时就发生破裂的性质。
延性物体能承受较大塑性变形而不丧失其承载力的性质
②塑性滞回环：则每次加、卸载曲线都形成一个塑性滞回环。这些塑性滞回环随着加、卸载的次数增加而愈来愈狭窄，并且彼此愈来愈近，岩石愈来愈接近弹性变形，一直到某次循环没有塑性变形为止，如图中的HH‘环。
③临界应力：当循环应力峰值小于某一数值时，循环次数即使很多，也不会导致试件破坏；而超过这一数值岩石将在某次循环中发生破坏（疲劳破坏），这一数值称为临界应力。此时，给定的应力称为疲劳强度。
弹塑性岩石增荷载循环加载变形特征
①增荷载循环加载：如果多次反复加载、卸载循环，每次施加的最大荷载比前一次循环的最大荷载为大。
②塑性滞回环：每次加、卸载曲线都形成一个塑性滞回环。随着循环次数的增加，塑性滞回环的面积也有所扩大，卸载曲线的斜率（它代表着岩石的弹性模量）也逐次略有增加，表明卸载应力下的岩石材料弹性有所增强。
③岩石的记忆性：每次卸载后再加载，在荷载超过上一次循环的最大荷载以后，变形曲线仍沿着原来的单调加载曲线上升（图中的OC线），好象不曾受到反复加载的影响似的，这种现象称为岩石的变形记忆
单轴压缩条件下的岩石全应力－应变曲线：
在普通的试验机上，岩石达到其峰值强度后发生突发性破坏的根本原因：是试验机的刚度不够大，这类试验机称为“柔”性试验机
由于试验机的刚度不够大，在试验过程中试件受压，试验机框架受拉，如图所示。试验机受拉产生的弹性变形以应变能的形式存在机器中。
当施加的压缩应力超过岩石抗压强度后，试件破坏。此时，试验机架迅速回弹，并将其内部贮存的应变能释到岩石试件上，从而引起岩石试件的急剧破裂和崩解
全应力－应变曲线的工程意义：①揭示岩石试件破裂后，仍具有一定的承载能力。②预测岩爆 ③预测蠕变破坏 ④预测循环加载条件下岩石的破坏
围压对岩石变形的影响得出如下结论：
①随着围压的增大，岩石的抗压强度显著增加；
②随着围压的增大，岩石的变形显著增大；
③随着围压的增大，岩石的弹性极限显著增大；
④随着围压的增大，岩石的应力—应变曲线形态发生明显改变；岩石的性质发生了变化：由弹脆性→弹塑性→应变硬化
扩容：当外力继续增加，岩石试件的体积不是减小，而是大幅度增加，且增长速率越来越大，最终将导致岩石试件的破坏，这种体积明显扩大的现象称为扩容 。三个阶段：①体积变形阶段 ②体积不变阶段 ③ 扩容阶段
水对岩石力学性质的影响
结合水：产生三种作用：连结作用、润滑作用、水楔作用。
重力水：对岩石力学性质的影响主要表现在孔隙水压力作用和溶蚀、潜蚀作用。
加载速率对岩石力学性质的影响 加载速率愈大，弹性模量愈大；加荷速率愈小，弹性模量愈小。加载速率越大，获得的强度指标值越高
流变现象：材料应力-应变关系与时间因素有关的性质，称为流变性。材料变形过程中具有时间效应的现象，称为流变现象。
流变的种类：蠕变 应力不变，应变随时间增加而增长
松弛 应变不变，应力随时间增加而减小
弹性后效 加载或卸载时，弹性应变滞后于应力的现象
蠕变的类型和特点 第一阶段(a-b) ，减速蠕变阶段：应变速率随时间增加而减小。
第二阶段(b-c)，等速蠕变阶段：应变速率保持不变。
第三阶段(c-d)：加速蠕变阶段：应变速率随时间增加而增加。
流变性质的三个基本元件：（1）弹性元件物体在荷载作用下，其变形完全符合虎克定律。称其为虎克体，是理想的线性弹性体。本构方程：s=ke模型符号：H 虎克体的性能：a.瞬变性 b.无弹性后效 c.无应力松弛 d.无蠕变流动
（2）塑性元件 材料性质：物体受应力达到屈服极限s0时便开始产生塑性变形，即使应力不再增加，变形仍不断增长，其变形符合库仑摩擦定律，称其为库仑(Coulomb)体。是理想的塑性体
本构方程： ε=0 ，（当 s<s0时）ε→∞， （当s³s0时）模型符号：C
仑体的性能： 当s<s0时，ε=0 ，低应力时无变形 当s³s0时，ε→∞，达到塑性极限时 有蠕变
(3)粘性元件 材料性质：物体在外力作用下，应力与应变速率成正比，符合牛顿(Newton)流动定律。称其为牛顿流体，是理想的粘性体。模型符号：N牛顿体的性能：a.有蠕变 b.无瞬变 c.无松弛d.无弹性后效
注意点（小结）
a.塑性流动与粘性流动的区别 当s³s0时，才发生塑性流动，当s<s0 完全塑性体， 表现出刚体的特点 当s>0时，就可以发生粘性流动，不需要应力超过某一定值。
b.实际岩石的流变性是复杂的，是三种基本元件的不同 组合的性质，不是单一元件的性质。
c.用粘弹性体：研究应力小于屈服应力时的流变性；用粘弹塑性体：研究应力大于屈服应力时的流变性
粘性流动：只要有微小的力就会发生流动。
塑性流动：只有当应力σ达到或超过屈服极限σs才会产生流动。
粘弹性体：研究应力小于屈服极限时的应力、应变与时间的关系；
粘弹塑性体：研究应力大于屈服极限时的应力、应变与时间的关系；
各向同性体概念 各向同性体：物体内任一点沿任一方向的弹性都相同。
2、特点：X、Y、Z三个方向的弹性相同，
强度理论——研究岩体破坏原因和破坏条件的理论。
强度准则——在外荷载作用下岩石发生破坏时，其应力（应变）所必须满足的条件。强度准则也称破坏准则或破坏判据
最大拉应变理论 该理论认为，无论在什么应力状态下，只要岩石的最大拉伸应变ε达到一定的极限应变εt时，岩石就会发生拉伸断裂破坏，其强度条件为：
库伦（Coulomb)准则 
τf ——材料剪切面上的抗剪强度；c——材料的粘结力；σ——剪切面上的正应力
莫尔强度包络线： 指各极限应力圆的破坏点所组成的轨迹线。τf ＝f(σ) 在τf ～σ坐标中是一条曲线，称为莫尔包络线，表示材料受到不同应力作用达到极限状态时，滑动面上的法向应力σ与剪应力τf 的关系。极限应力圆上的某点与强度包络线相切，即表示在该应力状态下材料发生破坏。
用极限应力表示的莫尔圆称为极限莫尔应力圆（简称极限应力圆
莫尔强度包络线的意义：包络线上任意一点的坐标都代表岩石沿某一剪切面剪切破坏所需的剪应力和正应力，即任意一点都对应了一个与之相切的极限应力圆。
莫尔强度包络线的应用 将应力圆与强度曲线放在同一个坐标系中，若莫尔应力圆在包络线之内，则岩石不破坏；若莫尔应力圆与强度曲线相切，则岩石处于极限平衡状态；若莫尔应力圆与强度曲线相交，则岩石肯定破坏。
莫尔－库仑强度理论 用主应力表示 
莫尔－库仑强度理论不适合剪切面上正应力为拉应力的情况。
格里菲斯强度理论 基本思想（1）在脆性材料内部存在着许多杂乱无章的扁平微小张开裂纹。在外力作用下，这些裂纹尖端附近产生很大的拉应力集中，导致新裂纹产生，原有裂纹扩展、贯通，从而使材料产生宏观破坏。
2）裂纹将沿着与最大拉应力作用方向相垂直的方向扩展。
γ——新裂纹长轴与原裂纹长轴的夹角；β——原裂纹长轴与最大主应力的夹角。
格里菲斯强度判据（1） 
破裂条件为：
危险裂纹方位角：
（2）
破裂条件为 
危险裂纹方位角 
屈服准则是判断某一点的应力是否进入塑性状态的判断准则。
结构面状态a. 贯通类型①非贯通性结构面：较短、不能贯通,岩块强度降低、变形增大.②半贯通性结构面：有一定长度、不能贯通,岩块强度降低、变形增大．③贯通性结构面：长度较长、连续好、贯通整个岩体、构成岩体边界，它对岩体有较大的影响，破坏常受这种结构面控制．
b. 连续性结构面的连续性反映结构面的贯通程度。
①线连续性系数K1 ：沿结构面延伸方向上，结构面各段长度之和与测线长度比值．
K1=∑a/(∑a+ ∑b) K1变化在0～1之间变化, K1值愈大说明结构面的
连续性愈好,当K1=1时，结构面完全贯通。
②面连续性系数（面切割度）Xe：在岩体中沿结构面延展平面上，结构面各块面积之和∑a与该断面面积A之比．
结构面的力学性质1 引起工程岩体失稳破2 控制岩体变形3 控制地下水渗透4 影响岩体中应力分布
剪切变形与剪切刚度
1)两种类型
a.粗糙结构面（无充填物），剪应力上升较快，当剪应力达到峰值后抗剪能力下降较大，并产生不规则的峰后变形或滞滑现象。
b.平坦结构面（有充填物），初始阶段剪切变形曲线斜率逐渐减小，曲线没有明显的峰值出现，最恒定
岩体的单轴和三轴压缩变形特征 1）岩体应力－应变全过程曲线
①在加载过程，结构面压密与闭合，应力－应变曲线，呈上凹型。
②中途卸载有弹性后效现象和不可恢复残余变形。这是结构面闭合、滑移、错动造成的。
③完全卸载，再加载形成形式上的“开环型”曲线，这也是弹性后效造成的。
④峰值强度后，岩体开始破坏，应力下降较缓慢，仍有残余应力，这是岩体结构效应。
岩体的变形与强度 2）卸载时荷载不降至零时的应力－应变曲线
①卸荷不降至零时的循环加载应力－应变曲线呈“闭环型”。
②随着外荷加大、循环次数增多，闭环后移，这是结构面逐级被压密与啮合，这是结构面逐级被压密与啮合所致。
③闭环逐渐变窄→演变呈一条线，这是压密程度越来越高，弹性后效变小的原因。
④当卸荷至零并持续一定时间后，有较大回弹变形，这是弹性后效的表现。
⑤变形模量
体剪切变形特征
①在屈服点前，变形曲线与抗压变形相似，上凹型。
②屈服点后，某个结构面或结构体首先剪坏，随之出现一次应力下降。峰值前可能发现多次应力升降。升降程度与结构面或结构体强度有关，岩体越破碎，应力降反而不明显。
③当应力增加到一定应力水平时，岩体剪切变形已积累到一定程度，没剪破的部位以瞬间破坏方式出现，并伴有一次大的应力降。
④随后产生稳定滑移
水压致裂法 水压致裂法的假设前提：（1）有2个 主应力为水平方向，另1个 为竖直方向,且
（2）线性、均质、各向同性（3）渗透符合达西定律
水压致裂法步骤
1）钻孔（地质勘探）、 选段（完整）、 封隔（气或液）；
水压致裂法的特点 设备简单 操作方便 测值直观 适应性强受到重视和推广
缺陷：主应力方向不准
应力解除法分类 主要特点：1)测量有操作简便2)测量技术和计算理论比 较成熟3精度相对较高的地应力4)目前使用最为广泛
岩体二次应力状态的基本概念
围岩：由于人工开挖使岩体的应力状态发生了变化，应力状态被改变了的岩体叫围岩。
二次应力状态：开挖后，无支护时，调整后的应力状态（原始应力，又称一次应力状态）。
求二次应力状态时，要给出的基本条件： ①原始应力 ②本构关系 ③岩体性质参数
二次应力状态主要特征状态
①二次应力为弹性分布（岩体坚硬，原岩应力小，不要支护）。②二次应力为弹塑分布
围岩分两部：弹性区、塑性区
结构面的处理方法 大结构面单独处理；小密集结构面用包容方法处理。
地下工程稳定
稳定定义：地下工程工作期限内，安全和所需最小断面得以保证，称为稳定。
稳定条件
地下工程岩体或支护体中危险
点的应力和位移；
岩体或支护材料的强度极限和位移极限。 地下工程稳定性不需要支护可分为两类 自稳：围岩自身能保持长期稳定 人工稳定：需要支护才能保持围岩稳定
地下工程自身影响达不到地表的，称为深埋。反之浅埋
深埋地下工程的特点为：
1）可视为无限体中的孔洞问题，孔洞各方向无穷远处，仍为原岩应力；
2）当埋深等于或大于巷道半径R0或其宽、高之半的20倍以上时，巷道影响范围（3~5 R0 ）以内的岩体自重可以忽略不计；原岩水平应力可以简化为均匀分布，通常误差不大（10％以下）；λP0
围岩压力与控制
围岩压力。围岩对支护结构的作用力。。围岩压力与支护抗力相等
围岩压力是围岩与支护间的相互作用力，它与围岩应力不是同一个概念。围岩应力是岩体中的内力，而围岩压力则是针对支护结构来说的，是作用于支护衬砌上的外力。
按围岩压力的形成机理，可将其划分为变形围岩压力、松动围岩压力和冲击围岩压力
狭义地压：围岩因变形移动和冒落岩块作用在支架上的压力称
广义地压：岩体内部原岩作用于围岩和支架上的压力
支架与围岩共同作用原理
位移变形 弹性变形 不需支护能保持稳定。围岩具有自支承能力
塑性变形 需支护才能保持稳定。支护与围岩共同承担围岩压力
岩体作为支护结构的组成部分，与支架构成共同存载体，它们之间互相依存，互相制约，协调变形，共同承担全部围岩压力。（支架与围岩共同作用原理）
1、 围岩对支架的作用力pa与支架抗力pi大小相等，方向相反，即 pi=pa；
2 、 围岩与支架协调变形。即支架的位移量uac等于开挖后坑道周边的位移量ua减去支护前坑道已产生的位移量△ua ，即uac=ua-△ua；
3、 围岩对支架的压力与支架的刚度有关。支架刚度越大，阻止围岩变形的能力越大，坑道变形越小。刚性支架， 变形小，承力大；柔性支架，变形大，承力小；
4 、 在围岩稳定条件下，其自承能力为p0-pi， P0为原岩应力，pi为支护抗力。
岩石地下工程稳定与围岩控制 维护岩石地下工程稳定的基本原则
1.合理利用和充分发挥岩体强度（1）地下的地质条件相当复杂，在充分比较施工和维护稳定两方面经济合理性的基础上，尽量把工程位置设计在岩性好的岩层中。（2）避免岩石强度的损坏 3）充分发挥岩体的承载能力。在围岩承载能力允许的范围内，适当的围岩变形可以增加围岩的内应力，使其更多地承受地压作用，减少支护的强度和刚度要求。这对实现工程稳定及其经济性有双利的效果。煤矿支护中还采用有专门收缩变形机构的可缩性支架来实现“让压”。
（4）加固岩体，当岩体质量较差时，可以采用锚固、注浆等方法来加固岩体，提高高体强度及其承载能力。
合理支护 合理的支护包括支护的形式、支护刚度、支护时间、支护受力情况的合理性以及支护的经济性。
1） 支护参数的选择仍应着眼于充分改善围岩应力状态，调动围岩的自承能力和考虑支护与岩体的相互作用的影响；并在此基础上，提高支护的能力和效率。例如，锚杆支护。另外，当地压可能超过支护构件能力时，使支护具有一定的可缩性，也是利用围岩支护共同作用原理来实现围岩稳定并保证支护不被损坏的经济有效方法。
2） 砼属于受压构件，钢筋砼能承受较高的抗弯性能。支护设计充分考虑这些特点，扬长避短。设计支护构件还应考虑构件之间的强度、稳定性和寿命等方面的匹配，尽量实现经济上的合理性。
支护与围岩间的应力传递好坏，对发挥支护自身能力的大小及其稳定围岩的作用大小起到重要的影响。
当 荷载不均匀地集中作用在支护个别地方时，会造成支护在未达到其承载能力之前出现局部破坏而整体失稳的情况；另外，支护与围岩间总存在有间隙，这种间隙不仅使构件受力不均匀，延缓支护对围岩的作用，还会恶化围岩的受力状态。所以，应采取有效措施（如注浆、充填 等）实现支护与围岩间的密实接触，从而实现围岩压力均匀传递。
坑道支护岩体作为支护结构的组成部分，与支护结构组成共同存载体，它们之间互相依存，互相制约，协调变形，共同承担全部围岩压力
离壁式支护的力学作用 特点：离壁式支护结构如木支架、钢支架、混凝土砌碹以及钢筋混凝土支架等与围岩部分点接触和部分面接触。
1、被动承受围岩压力。2、支护及时时，围岩变形还未达到极限的情况下，在点接触或面接触处承受围岩所产生的压力（变形压力），未与围岩接触处承受围岩松脱冒落的自重压力（松脱压力）。3、在完全不接触的情况下，或支护不及时时，围岩已发生松脱，则只承受松脱压力。
二、喷锚支护的力学作用特点：喷锚支护是喷射混凝土支护与锚杆支护的联合支护，其特点是通过加固围岩，提高围岩的自承能力达到维护坑道的目的。
1、喷射混凝土的力学作用（1）加固围岩。（2）改善围岩的应力状态。
3、喷锚联合支护的力学作用 （1）开挖后，在坑道周边形成松动圈和塑性变形区。喷射混凝土支护，一方面水泥砂浆的胶结作用提高了松动圈的整体稳定性，另一方面喷射混凝土层的柔性，允许围岩发生较大的位移而不发生松脱，能充分发挥围岩的自支承能力。
（2）锚杆的挤压加固与围岩变形的相互作用，进一步加固围岩，提高其整体承压能力。
喷锚联合支护是软弱破碎岩体的一种最有效的支护形式，具有主动加固围岩、充分发挥围岩的自支承能力、良好的抗震性能等优点。
锚杆群的力学作用、1悬吊作用 2组合作用 3 挤压加固作用
岩土注浆主要有抗渗和加固两个功能。注浆加固方法适合于裂隙岩体或被破碎的岩体
§6-5 岩石地下工程的监测
监测意义保证工程设计、施工科学合理和安全生产的重要措施
监测特点
（1）时效性 岩石工程的服务年限一般都较长，岩石具有流变特性，因此，测试设备应保持长期稳定；
（2）环境复杂。地下工程环境恶劣，设备具有防潮、防爆、防电磁干扰等性能
（3）监测信息的时空要求。现代大型岩石工程监测的网络化已日益显示其必要性与可能性，在监测的信息量和反馈速度上的要求日渐提高；
（4 ）空间的制约。地下空间有限，监测设备微型化并尽可能地隐蔽，减少对施工的干扰，并避免施工对监测设备的损坏。
围岩表面位移监测预警方法
预警围岩（主要是顶板）冒落的危险性。围岩表面位移监测预警按极限位移值与极限位移速度值预报。
极限位移值预报 极限位移速度值预报
弹性状态 一维：胡克定律 三维：广义胡克定律
塑性状态 应力与应变增量的关系－增量理论 比例变形时：全量理论
结构连结的类型
结晶连结：岩石中的矿物颗粒通过结晶相互嵌合在一起。晶粒愈细，愈均匀，玻璃质愈少，强度愈高。
胶结连结：岩石中的矿物颗粒之间通过胶结物连结在一起。这类岩石强度取决于胶结物及胶结类型。
岩石中的微结构面
微结构面（也称缺陷）：存在于矿物颗粒内部或者矿物颗粒及矿物集合体之间微小的弱面及空隙
微结构面存在：降低了岩石强度致使岩石各向异性
岩爆它是一种岩体中聚积的弹性变形势能在一定条件下的突然猛烈释放，导致岩石爆裂并弹射出来的现象
泊松比材料在单向受拉或受压时，横向正应变与轴向正应变的绝对值的比值。
蠕变当压力保持恒定，变形随时间的延续而缓慢增长的现象
次生应力岩石开挖扰动了原岩的自然平衡状态，是一定范围内的原岩应力发生变化，变化后的应力称为次生应力
广义地压：岩体内部原岩作用于围岩和支架上的压力
扩容：当外力继续增加，岩石试件的体积不是减小，而是大幅度增加，且增长速率越来越大，最终将导致岩石试件的破坏，这种体积明显扩大的现象称为扩容