岩石力学的特点

Question

如题所述

Answer 1

岩石力学的诞生是以解决岩石工程稳定性问题和研究岩石的破碎条件为目的而诞生的。其研究介质不仅非常复杂，而且存在许多力学性质不稳定性或不确定性因素，这就使得本学科独立的、完善的、系统的基础理论难以建立、岩石力学的发展始终引用和发展固体力学、土力学、工程地质学等学科的基本理论和研究成果，或者引用这些相关学科的研究成果来解决岩石工程中的问题，因此，偏重不同行业应用的岩石力学往往有不同的定义，迄今岩石力学也没有统一的定义。

美国地质协会岩石力学委员会于1964年提出的岩石力学定义为：岩石力学是研究岩石力学性状的一门理论和应用科学，是力学的一个分支，是研究岩石在不同物理环境的力场中产生各种力学效应的学科。该定义概况了岩石破碎和稳定两方面的主题，也概括了岩石在不同物理环境中各种应力状态下的变形、破坏规律。这是一个较广泛、较严密并得到广泛认可的定义。

岩石力学又称为岩体力学。但随着科学技术的发展，岩石与岩体已有严格的区分，因此有人认为应将岩石力学改为岩体力学更切合本学科的研究主题。但是，岩石力学这一名词沿用已久且使用普遍，所以岩石力学和岩体力学是同一学科。

　　

研究内容岩石力学的内容分为基础理论和工程应用两个方面。

　　基础理论主要研究：

　　①岩石应力，包括岩体内应力的来源、初始应力(构造应力、自重应力等)、二次应力、附加应力等。初始应力由现场量测决定，常用钻孔应力解除法和水压致裂法，有时也用应力恢复法。二次应力和附加应力的计算常用固体力学经典公式，复杂情况下采用数值方法。

　　②岩石强度，包括抗压、抗拉、抗剪（断）强度及岩石破坏、断裂的机理和强度准则。室内用压力机、直剪仪、扭转仪及三轴仪，现场做直剪试验和三轴试验，以确定强度参数（凝聚力和内摩擦角）。强度准则大多采用库伦－纳维准则。这个准则假定对破坏面起作用的正应力会增加岩石的抗剪强度，其增加量与正（压）应力的大小成正比。其次采用莫尔准则，也可采用格里菲思准则和修正的格里菲思准则。

　　③岩石变形，包括单向和三向条件下的变形曲线特性、弹性和塑性变形、流变（应力-应变-时间关系）和扩容。岩石流变主要包括蠕变和松弛。在应力不等时岩石的变形随时间不断增长的现象称为蠕变。在应变不变时岩石中的应力随时间减少的现象称为松弛。岩石扩容是指在偏应力作用下，当应力达到某一定值时岩石的体积随偏应力的增大而增大的现象。研究岩石变形在室内常用单轴或三轴压缩方法、流变试验和动力试验等，多数试验往往结合强度研究进行。为了测定岩石应力达到峰值后的应力与应变关系，必须应用伺服控制刚性压力机。野外试验有承压板法、水压法、钻孔膨胀计法和动力法等。根据室内外试验可获得应力与应变关系和应力-应变-时间关系以及相应的变形参数，如弹性模量、变形模量、泊松比、弹性抗力系数、流变常数等。

　　④岩石渗流，包括渗透性、渗流理论、渗流应力状态和渗流控制等。对大多数岩石假定岩石中的水流为层流，流速与水力梯度呈线性关系,遵循达西定律。岩石渗透性用渗透系数表示,该系数在室内用渗透仪测定，在野外用压水和抽水试验测定。渗流理论借流体力学原理进行研究。稳定渗流满足拉普拉斯方程。多数岩石内的孔隙（裂隙）水压力可用K.泰尔扎吉有效应力定律计算。为了减小大坝底面渗透压力、提高大坝的稳定性，应当采取渗流控制措施，如抽水、排水、设置灌浆帷幕以延长渗流途径等。

　　⑤岩石动力性状，研究爆炸、爆破、地震、冲击等动力作用下岩石的力学特性、应力波在岩石内的传播规律、地面振动与损害等。动力特性在室内用动三轴试验研究，野外用地球物理性、爆炸冲击波试验等技术进行研究，波的传播规律借固体力学的理论进行研究。

Answer 2

岩石力学(Rock Mechanics)是一门研究岩石在外界因素(如荷载、水流、温度变化等)作用下的应力、应变、破坏、稳定性及加固的学科。又称岩体力学，是力学的一个分支。研究目的在于解决水利、土木工程等建设中的岩石工程问题。它是一门新兴的，与有关学科相互交叉的工程学科，需要应用数学、固体力学、流体力学、地质学、土力学、土木工程学等知识，并与这些学科相互交叉。
岩石力学是一门应用性很强的学科，岩石力学的研究注重岩石本身的固有特性。在地球表面的岩石，基本上可分为三大类，即火成岩、沉积岩、变质岩。它们形成的时期，最早可在几十亿年之前，在漫长的地质年代中，先后经历了多次构造运动。因此，岩石与人工材料有很大不同。在成岩过程中，组成岩石的矿物颗粒在大小、物理力学性质和热导率等方面都各不相同，因此在岩桨冷却时，颗粒内部和边界会产生微裂纹;另一方面，由于晶体相互间有摩擦阻力，变形受阻，引起应力积累，而形成封闭应力。在此后地质构造的长期作用下，岩石中又形成了各种断裂，如裂隙和断层。裂纹、断裂等在外力作用下都具有随时间而变化的力学性能，即流变性。地壳本身在动力作用下也按一定的速率不断变化。此外，在构造运动，如板块构造、板块碰撞、火山运动、造山运动等的影响下，岩石内部还赋存有地应力，并包含着许多晶体间的滑动面、裂纹、节理、裂隙、层面、弱面、夹层和断层等。因此，岩石是一种非均质、各向异性、非连续、而且内部存在应力的复合地质结构。在结构内部又包括许多力学性质不同的岩石单元，而每个单元本身也往往是非均质、各向异性和非连续的。由此可见，岩石的力学性质远较其他材料复杂，任何岩石力学科学实验、理论分析和计算都必须考虑这些特点，构成了岩石力学研究的基本出发点。

Answer 3

岩石是岩体的组成物质，它的工程地质特性一般不直接决定岩体的稳定性，但它是影响岩体稳定性的重要因素之一。在完整块状结构的岩体与松软岩体中，结构面对岩体变形破坏不起主导作用，岩石的特性与岩体的特性并无本质的区别。岩体的工程地质特性包括物理性质、水理性质与力学性质三大方面，但最重要的是力学性质。表征岩石的基本力学性质有弹性、塑性、硬化、强度、刚度和韧性等等。岩石种类不同，变形程度不同，所显现出来的力学性质也不一样。有的性质是相对而言的，如脆性和韧性。现在一般是以破裂后残余应变或临近破裂前总应变量的大小来度量，如按破裂前的最大应变小于 3% 定为脆性，大于 5%为韧性，介于 3%～5%是过渡性的。因此，在进行工程地质和顶板岩体质量及稳定性评价时，要对沉积岩石的变形力学特性进行专门研究。
岩石的力学性质主要指岩石的变形与强度特性。为了研究岩石强度和变形特性及岩石发生破裂的发展过程，利用岩石力学试验机对圆柱形岩石试件进行单轴或三轴压缩试验是基本手段之一。岩石的变形特征最直观的表达方法是通过应力 - 应变关系曲线来表示(。在刚性实验机上获得的岩石应力 - 应变曲线较好地再现了岩石的应变强化和应变软化特性，对于大多数岩石，当应力超过岩石的抗压强度时，由于内部微裂纹扩展，岩石表现为渐进破坏，强度逐渐降低 ( 应变软化) ，同时伴随着体积膨胀 ( 扩容) ，直至达到一个残余强度值。因此，由峰值强度至残余强度这一区段可以看作岩石由完整发展到破碎的过程。
理想岩石的变形过程大体上可分为 3 个阶段 : 弹性变形阶段、塑性变形阶段与破坏阶段。弹性阶段即应力与应变之间成直线关系，当外力除去后，变形即可完全恢复。塑性阶段是随应力的增大，应变急剧增大，二者之间呈凸形的曲线关系，而且除去外力之后变形也不能完全恢复。当外力增大到一定限度之后，试件将发生破坏。