重庆大学采矿工程考研专业课真题岩石力学与工程参考答案样式权威机密准确

1、根据含水状况分为天然容重、干容重d和饱和容1.岩石的容重与比重容重的定义：单位体积（包括岩石内孔隙体积）的重 量y=W量。一V影响因素：组成岩石的矿物成分、孔隙发育程度及 其含水量。岩石的容重一定程度上反映岀岩石力学性质的优 劣，容重大，相应力学性质就好。反之愈差。重w。测量方法：量积法（直接法）、水中称重法或蜡封 法。量积法测干容重，d二2 , gs为被测岩样在Ah105110度的温度下烘干 24小时的重量（kN）;遇水崩解、溶解和干缩湿胀的岩石不能用水中称重法测容重。而蜡封法适用于不能用量积法或水中称重法测容重的岩石。取烘干岩样系上细线，称重为gs。持线将岩样缓缓浸入刚过熔点的蜡液中，取出

2、，检查岩样是否密封完好，如未密封完好，再用蜡液封好，冷却后称重记为gi，然后浸水后称重g2，则岩石与水相互作用时所表现的性质称为 岩石的水理性。包括岩石的吸水性、透水性、软化 性和抗冻性。A天然含水率 天然状态下岩石中水的质量mw与岩石的烘干质量 mdr的比值，称为岩石的天然含水率，以百 分率表示，即：B吸水性定义：岩石在一定条件下吸收水份的性能。 影响因素：孔隙的数量、大小、开闭程度和分布情 况等。表征岩石吸水性指标吸水率、饱和吸水率、饱水系 数。（1）吸水率a是岩石在常压下吸入水的质量与其烘 干质量mdr的比值，即式中，m。为烘干岩样浸水 48小时后的总质量。（2）饱和吸水率是岩石在强制状

3、态下岩石吸入水的 质量与岩样烘干质量的比值，即式中，sa为岩石的饱和吸水率；mdr为真空抽气饱和或煮沸后之间的质量（kg）。（3 ）饱水系数kw是指岩石吸水率与饱和吸水率的比 值，即卩C透水性 透水性：岩石能被水透过的性能 达西定律：当地下水沿着岩石中的孔隙或裂隙流动 时，其水流速度与水力梯度成正比，即D软化性 定义：岩石浸水后强度降低的性能gsgi - g2，n为蜡的容重。g g2软化系数：c二-cw式中：C为岩石的软化系数若已知天然含水率，则可根据干容重d计算天然容重: ;d（1 0.01），为岩石的天然含水率（%）比重：岩石固体部分的重量和4C。时同体积纯水重量的比值。影响因素：组成岩石

4、的矿物比重及其在岩石中的相 对含量，成岩矿物的比重愈大，则岩石的比重愈 大。反之愈小。岩石的比重一般为2.53.3.2试论述岩石的水理性与空隙性:二CW为饱水岩样的抗压强度 （MPa）、二c为自然风干岩样的抗压强度（MPa）E抗冻性定义：岩石抵抗冻融破坏的性能，岩石的抗冻性常用抗冻系数来表示。抗冻系数：式中，Cf为岩石的抗冻系数， 二c为岩石冻融的抗压 强度（kpa）。二cf为岩样冻融后的抗压强度 （kpa）。 空隙性：组成岩石的数量不同、成因各异的孔隙裂隙，是岩石的重要结构特征，用孔隙率n表示，即岩石内部孔隙体积与岩石总体积之比。空隙率反映了孔隙裂隙在岩石中所占的百分率，孑L隙率越大，表明岩

5、石中的孔隙裂隙越多，岩石的力 学性能越差。3. 论述影响岩石力学性质的主要因素A）水对岩石力学性质的影响地下水包括结合水和重力水。对岩石力学性质影响 的 5 个方面：连接作用、润滑作用、水楔作用、孔隙 压力作用、溶蚀及潜蚀作用B）温度对岩石力学性质的影响 随着温度的增高，岩石的延性加大，屈服点降低， 强度也降低。C）加载速度对岩石力学性质的影响 加载速率越快，测得的弹性模量愈大，获得的强度 指标值超高；反之越小。随着加载速率的降低，岩 石的延性加大，屈服点降低，峰值强度也降低。D）围压对岩石力学性质的影响 随着围压的增高，岩石的延性加大，屈服点增加， 峰值强度也增加。E）风化对岩石力学性质的影

6、响主要表现在以下 3 个方面： 降低岩体结构面粗糙度并产生新的裂隙进一步破坏 岩体的完整性，矿物成分发生变化，结构和构造发 生变化。F）岩石的各向异性等其它因素。 影响岩体力学性质的基本因素有：结构体（岩石）力 学性质、结构面力学性质、岩体结构力学效应（爬坡 角效应，尺寸效应和名向异性）和环境因素特别是地 下水和地应力的作用。4. 通过试验确定岩石试件强度指标受如下因 素影响：1）试件尺寸。一般情况下，试件尺寸越大，获得的 强度值越低。2）试件形状。如正方体、长方体和圆柱体试件在同 样加载条件下获得的强度指标不同。3）试件三维尺寸。如单轴试验时，高径比小的试件 所测得的强度指标比高径比大的试件

7、强度大。通常规定高径比为 2.53.4）加载速率。加载速率越大，获得的强度指标越 高。5）温度、湿度，加载路径，荷载条件等也会影响岩 石试验强度指标。如饱和抗压强度比干试件所测得 的强度指标小。5. 岩体结构分类方案： 岩体的定义：由岩块和结构面组成的天然地质体。 第一依据：结构面类型（结构级序） 软弱结构面 I 级岩体结构（有充填物） 坚硬结构面 II 级岩体结构（无充填物） 第二依据：结构面切割程度及结构体类型 （岩体结构基本类型）I 级岩体结构：块状岩体结构块裂结构 板状岩体结构板裂结构II 级岩体结构：结构面贯通切割碎裂结构 结构面断续切割断续结构 无显结构面切割完整结构 亚类划分依据

8、：岩体的原生结构块状的 块状碎裂结构层状的 层状碎裂结构 完整结构岩体：受结构面切割程度很低，完整性较 好的岩体。多半是碎裂结构岩体中结构面被后生压 力愈合和胶结愈合作用而成。 块裂结构：该类岩体是由至少一组软弱结构面切割 及坚硬结构面参与切割成块状结构体的高级序岩体 结构。其结构体为层状原生结构岩体，其软弱结构 面主要为断层、层间错动等参与切割的坚硬结构 面一般延展较长，亦多数为错动过的坚硬结构面。 板裂结构：主要发育于经过褶皱作用的层状岩体 内受一组软弱结构面切割，结构体呈板状软弱 结构面主要为层间错动面或块状原生结构岩体内的 似层间错动面。结构体多数为组合板状结构体，有 的亦为完整板状结

9、构体。 碎裂结构岩体：被结构面切割成大小不等、形状不 一的碎块。可分为块状碎裂结构岩体及层状碎裂结 构岩体两亚类，它们的共同点是切割岩体的结构面 是有规律的，即主要为原生结构面及构造结构面。 块状碎裂结构岩体结构体块度大，大多为1-2m ，但块度较均匀。层状碎裂结构岩体块度小，其块度与 岩层厚度有关。 断续结构岩体：特点是显结构面不连续，对岩体切 而不断，个别部分亦有连续贯通结构但这种部位很 少，多数为不连续切割，形不成结构体。宏观上具 有连续介质特点，微观上多数不连续，应力集中现 象明显。散体结构分两亚类：碎屑状散体结构岩体 糜棱化散体结构岩体 碎屑状散体结构岩体的特点是“杂乱无序”，即结

10、构面无序分布、结构面中有软弱的也有坚硬的，结 构体主要为角砾，常充填夹杂有泥质成分。糜棱化 散体结构岩体主要指断层泥而言。岩体结构的相对性及工程岩体结构的唯一性：对于 工程岩体而言，由于工程规模和尺寸的变化，岩体 结构也发生相对变化。因此，岩体结构具有相对 性，只有在确定的地质条件和工程尺寸条件下，工 程岩体结构才是唯一确定的。实际岩体是比较复杂的，不是绝对的属于哪一种结 构，多数是介于这种和那种之间，在实际岩体结构 划分时，需要有一种模糊的观点，只能择其趋向而 定。6. 论述岩石流变特性以及岩石蠕变变形曲线 的基本特征。1 ）a.流变性定义：岩石的流变性是指岩石材料的应力 -应变与时间因素有

11、关的性质，材料变形过程中具有 时间效应的现象称为流变现象。岩石的流变包括蠕 变、松弛和弹性后效。b. 蠕变、松弛与弹性后效蠕变：当应力不变时，变形随时间增加而增长的现 象。松弛：当应变不变时，应力随时间增加而减小的现 象。弹性后效：加载或卸载时，弹性应变滞后于应力的 现象。c. 流变方程包括本构方程、蠕变方程和松弛方程。所 有流变模型均可由三个基本元件组成，包括弹性元 件H，粘性元件 N和塑性元件 Y。2）蠕变变形曲线的基本特征当岩石在某一较小的恒定荷载持续作用下，其变形 量虽然随时间增加有所增加，但蠕变变形的速率则 随时间而减少，最后变形趋于一个稳定的极限值， 这种蠕变称为稳定蠕变。稳定蠕变

12、一般不会导致岩 体整体失稳。当荷载较大时，超过岩石的长期强 度，蠕变不能稳定于某一极限值，而是无限增长直 到破坏，这种蠕变称为不稳定蠕变。不稳定蠕变最 终导致岩体整体失稳破坏。典型的非稳定型蠕变曲线可分为4个基本阶段:瞬时弹性变形阶段（0A）：oEd s（2）第一蠕变阶段（AB）:-d t增加而减小，又称减速蠕变阶段。d芯0应变速率迅速增 d t加直到岩石破坏。又称加速蠕变阶段。一种岩石既可发生稳定蠕变也可发生不稳定蠕变， 这取决于岩石应力的大小，超过某一临界应力时， 蠕变向不稳定蠕变发展，小于此临界应力时，蠕变 按稳定蠕变发展。蠕变变形总量：；-；0 ；,t） * ；2（t） * ；3（t）

13、,式 中：；o为瞬时弹性应变，；i（t）, ；2（t）, ；3（t）为与时间有关的一次蠕变、二次蠕变、三次蠕变。7. 岩体的长期强度一般情况下，当荷载达到岩石瞬时强度（通常指岩石单轴抗压强度）时，岩石发生破坏。在岩石承受荷载 低于其瞬时强度的情况下，如持续作用较长时间， 由于流变作用，岩石也可能发生破坏。因此，岩石 的强度是随外载作用时间的延长而降低，通常把作 用时间t的强度（最低值）s:称之为岩石的长期强 度。长期强度曲线及其指数型经验方程：确定岩石长期强度的方法一：通过不同应力水平（71 7 2 7 3下的长期恒载实验绘制的蠕变曲线 簇，确定其加速蠕变达到破坏前的应力T及其荷载作用所经历的

14、时间t，并绘制破坏应力与破坏时间之间的7 -t关系曲线，此曲线即为长期强度曲线，其水 平渐近线在应力 T轴上的截距即为所求之长期强度SX。确定岩石长期强度的方法：通过不同应力水平7 17 2 7 3下的长期恒载实验绘制的蠕变曲线簇，确定荷载作用所经历的同一时间t时不同应力7下的蠕变，并绘制应力 7与蠕变之间的关系曲线，其对应于tx的7 - 曲线的水平渐近线在应力7轴上的截距即为所求之长期强度So&岩石的物理性质1）岩石的容重（密度） 定义：单位体积的岩石的质量称为岩石的密度，单位体积（包括空隙的体积）的岩石的重力称为岩石 的容重。 影响因素分类矿物成分、孔隙发育程度、含水量 测量方法量积法、水

15、中称重法、蜡封法2）岩石的比重岩石的比重就是指岩石固体的重量与同体积水的重 量之比。岩石固体体积，就是指不包括孔隙体积在 内的体积。岩石的比重可在实验室进行测定，其计算公式为：GsWd-Vs3）岩石的孔隙性定义：即岩石中发育有裂隙和孔隙的性质。孔隙度：即描述岩石的裂隙和孔隙发育的程 度，其衡量指标为孔隙率（n）或孔隙比（e）o闭型空隙：岩石中不与外界相通的空隙。开型空隙：岩石中与外界相通的空隙。4）岩石的水理性天然含水率、吸水性、透水性、软化性、抗冻性5）岩石的碎胀性定义：岩石破碎后的体积比原体积增大的性能。碎胀系数：二如V其中： V和VP为岩石破碎前、后的体积。永久碎胀系数：岩石破碎后的体积

16、将随时间的变化 而逐渐减小，并逐渐趋于稳定，岩石体积不再发生变化是的碎胀系数即永久碎胀系数。9岩石的变形特性a. 岩石变形的定义所谓岩石的变形是指岩石在外界因素（通常指外力作 用）的影响下，所产生的形态变化。b. 岩石变形的表示方法在以应力为纵轴、以应变为横轴的直角坐标系中绘 制的各类应力-应变关系曲线来表述。c岩石变形的一般特征：1. 岩石一般不遵从虎克定律，在加载过程中也不出现 明显的屈服极限点，其应力一应变曲线也非严格的 直线；2. 岩石一旦在外力作用下产生了变形，不论该变形 有多小，卸载后都或多或少地残留有一定数量的永 久变形（亦称塑性变形），且该永久变形的大小将随 外力的增加而增大，

17、该现象在结构疏散或软岩中更 为突出；3. 反复加、卸载过程中，每对加、卸载曲线都不互相 重合，其间呈现所谓“塑性滞环”现象，这表明岩 石在反复加、卸载过程中，其应力-应变曲线具有 明显的非单值性。但若将加、卸载值固定，并反复 进行，则相应的“塑性滞环”的面积将可能随加、 卸载循环次数的递增而减少，且其卸载至零时的永 久变形量也随循环次数的递增而降低；4. 节理、裂隙较多的岩石，在受载初期在应力-应变 曲线上表现为弹塑性，而对于结构致密坚硬的岩石，则在应力-应变曲线上表现为弹脆性；5. 描述岩石的变形特性时，所采用的“线性”、“可 逆”等等术语，都是简化近似的概念，而像“弹性 极限”、“弹性模量

18、”、“泊松比”等材料参数也 都是在一定条件下的近似值或平均值。d. 岩石变形的三种基本类别1）弹性变形工: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变形。2）塑性变形；p :受外力作用后产生变形，在外力去除（卸载）后变形不能完全恢复的变形。3）粘性变形：受外力作用后变形不能在瞬时完成，且其应变率随应力增加而增加的变形。10. 岩体的水力学性质1）岩体与土体渗流的区别土体的结构疏松，以孔隙的为（除黄土具孔隙与裂隙 双重介质特征外）。土体的渗流特点：土体渗透性大小取决于岩性， 土体中颗粒愈细，渗透性愈差；土体可以看作多 孔连续介质；土体的渗透性一般具有均质

19、（或非均 质）各向同性（黄土为各向异性）特点；土体渗流符合达西定律。岩体以裂隙渗流为主，岩体的渗流特点：岩体渗 透性大小取决于岩体中结构面的性质及岩块的岩 性；岩体渗流以裂隙导水，微裂隙和岩石孔隙储 水为其特色；岩体裂隙网络渗流具有定向性； 岩体一般看作非连续介质（对密集裂隙可看作等效连 续介质）；岩体的渗流具有高度的非均质性和各向 异性；一般岩体中的渗流符合达西渗流定律（岩溶 管道流一般属紊流，不符合达西定律）；岩体渗流 受应力场影响明显；复杂裂隙系统中的渗流，在 裂隙交叉处，具有“偏流效应”，即裂隙水流经大 小不等裂隙交叉处时，水流偏向宽大裂隙一侧流 动。11. 岩体空隙的结构类型按岩体空

20、隙结构分布： 多孔连续介质；裂隙网络介质；狭义双重介 质；广义双重介质；岩溶管道网络介质。按岩体空隙形成机理：原生空隙结构；次生空隙结构。按岩体空隙的表现形式：准孔隙结构；裂隙网络结构；孔隙裂隙双 重结构；溶隙管道（或暗河）双重结构。按岩体结构面的连续性：连续介质；等效连续介质；非连续介质。12. 岩体的渗流问题岩体的渗透性：岩体允许透过流体的能力，用渗透 率、渗透系数、渗透率张量和渗透系数张量描述。 渗透率：表征岩体介质特征的函数，描述了岩体介 质的一种平均性质，表示岩体介质传导流体的能 力。均质各向同性多孔介质：k（二）二cd 2e：单裂隙介质：k（二）=b2ev裂隙系统，岩体的等效渗透率

21、：k（；）= b Se_:c：a为待定系数；入与岩体裂隙粗糙度有关的系数， 裂隙平直光滑无充填物时，入=1/12，否则入1/12 ；b初始应力状态下单裂隙隙宽；d岩体颗粒的有效粒径。渗透系数：也叫水力传导系数（率），是岩体介质特 征和流体特征的函数。描述了岩体介质和流体的一 种平均性质。表征地下水流经空间内任一点、某一 区域或裂隙段上介质的渗透性。岩体裂隙介质，渗透系数：Kf（；）= kf （匚）/若考虑异常温度：Kf（；,T） =kdT）g/叫T）；（T ；-o：1（TIo）T温度下流体的密度岩i（T）二e=（T：Co）T温度下流体的动力粘度 体的渗透率张量：描述岩体介质各个方向上的不同 渗

22、透性能。岩体空间内不同点上渗透率张量构成了 岩体系统内介质的渗透率张量场。与裂隙几何形状（如裂隙宽、间距或密度、粗糙度等）有关； 岩体的渗透系数张量：描述岩体介质和介质内流动 的流体在空间同一点上不同方向上的渗透性能的 量。K（GT） =kW（T）g/（T）岩体k）应力作用下岩体介质的渗透率张量空间上不同点或不同区域上平均渗透系数张量的集 合。与裂隙几何形状和流体的性质（容重和粘滞性 等）。13地下水渗流对岩体力学性质的影响 物理作用：润滑作用、软化和泥化作用、结合水的强化作用 化学作用：离子交换、溶解和溶蚀作用、水化作用、水解作 用、氧化还原作用、沉淀作用及超渗透作用等。 力学作用：空隙静水

23、压力通过减小有效应力降低岩土体的强 度和使岩体裂隙扩容变形，空隙动水压力以切向推 力降低岩土体抗剪强度。未充满空隙的地下水使岩土体中的有效应力增加：二-二二+p充满空隙的地下水使岩土体中的有效应力减小：二:-P多孔连续介质岩土体中充满流动的地下水时有静水压力和动水压力，动水压力：-d = J （ 丫为容重，J为水力梯度）裂隙岩体中充满地下水时，地下水对裂隙壁面有 垂直于裂隙壁面的静水压力和平行于裂隙壁面的动bY水压力。动水压力：dJ2b为裂隙宽度。14岩体的质量评价及分类岩体质量评价及分类的意义：由于组成岩体的岩石 性质、组织结构不同，以及岩体中结构面发育情况 差异，致使岩体力学性质相当复杂。

24、为了在工程设 计与施工中能区分出岩体质量的好坏和表现在稳定 性上的差别，需要对岩体做出合理分类，作为选择 工程结构参数、科学管理生产以及评价经济效益的 依据之一，同时也是岩石力学与工程应用方面的基 础性工作。分类方法：按目的，分为综合性分类和专题性分 类；按所涉及的因素多少，分为单因素分类与多因 素分类。单一因素分类法：A按岩石质量指标（RQD ）分类分类很差差一般好很好RQD90B按岩体结构类型分类考虑各类结构的地质成因，突岀岩体的工程地质特 性。首先把岩体结构分为：整块状结构、层状结 构、碎裂结构和散体结构，对前三类中每一类又分 为23个亚类。此种分类方法对重大岩体工程地质 评价比较好。多

25、因素综合分类方法：A、乘积法与和差法：乘积法：根据各参数分级评分值的乗积值对岩体进 行分类。和差法：根据各参数分级评分值的代数和对岩体进 行分类。B、按岩体质量分级分类： 岩体基本质量指标 BQ :按BQ值和岩体质量的定性特征将岩体划分如下：InIVV550550451450351350251250地下工程BQ值还考虑地下水影响修正系数、主要软 弱结构面产状影响修正系数、天然应力影响修正系 数进行修正，修正后的 BQ值：对于边坡岩体和地基岩体分级的修正，未作严格规定。C、 按岩体地质力学分级分类（ CSIR法）该分类指标值 RMR由岩块强度、RQD值、节理间 距、节理条件及地下水 5种指标组成

26、。分类时，各种 指标的数值按一定标准评分，求和得总分 RMR值, 再作适当修正，从而求得所研究岩体的类别（ 5级） 及相应的无支护地下工程的自稳时间和岩体强度指 标（c）值。D、巴顿岩体质量（Q）分类（NGI法）Jn 节理组数；j r 节理粗糙系数Ja 节理水折减系数；SRF 应力折减系数。该分类反映了岩石质量的三个方面:RQD为岩体的完整性;止表示结构面（节理）的形态、充填物特征及其次 生变化程度；表示水与其它应力存在时对岩体SRF质量的影响。分类时，根据这 6个参数的 实测资 料，确定各自的数值，求得 Q值把岩体分成 9类。Q分类法考虑的地质因素较全面，把定量评价与定性 分析结合起来了，对

27、软、硬岩体均适用，在处理极 软弱岩体中，推荐采用此分类法。岩体质量评价及其分类的发展趋势： 运用多因素综合指标。力求充分考虑各种因素的 影响和相互关系，把岩体的结构和岩石质量因素作 为影响岩体质量的主要因素和指标。 定性与定量的结合。 尽量利用简易岩体力学测试技术。如钻孔岩芯， 波速测试、点荷载试验等，减少昂贵的大型试验。 重视新理论与新方法。如计算机、专家系统、模 糊评价等。 充分结合工程岩体处理方法和工程施工方法，进 行分类与参数估算的定量关系建立。15地应力测试的必要性定义：地应力是存在于地层中的未受工程扰动的天然应力，也称岩体初始应力、绝对应力或原岩应力。主要由构造应力也自重应力构成。

28、成因：大陆板块边界受压引起的地应力场；地 幔热对流引起的地应力场；由地心引力引起的地 应力场；岩浆侵入引起的地应力场；地温梯度 引起的地应力场；地表剥蚀引起的地应力场。另 外，地球旋转、地球内应力、地壳非均匀扩容、温 度不均、水压梯度及其它物理化学变化等也会引起 相应地应力场。a）它是引起各种地下或露天岩石开挖工程变形和破坏 的根本作用力。是确定工程岩体力学属性，进行围 岩稳定性分析，实现岩石工程开挖设计和决策科学 化的必要前提条件。区别于结构力学、材料力学其 他力学。b）传统的岩石工程的开挖设计和施工的经验类比法有 局限性。小规模和地表的岩石工程，经验类比的方 法往往是有效的。大规模和深部的

29、岩石工程，经验 类比法有不足。常造成各种伤亡事故。因而必须有 地应力作为依据科学依据进行开挖设计。c）是岩石工程数值分析方法计算分析的必要前提条 件。只有以地应力依据的数值分析计算才具有实用 性并且才是有价值的。d）地应力应用领域广泛。如对地震预报、区域地壳稳 定性评价、油田油井的稳定性、核废料的储存、岩 爆、煤与瓦斯突出的研究及地球动力学的研究等也 具有重要意义。e）为了对各种岩石工程进行科学合理的开挖设计和施 工，做岀既经济又安全实用的工程设计。必须找岀 影响工程开挖及工程稳定性的各种因素，而地应力 是其中一个最重要最根本的因素之一。16. 试论述岩体中的初始地应力及分布规律 a定义：地应

30、力是存在于地层中的未受工程扰动的天 然应力，也称岩体初始应力、绝对应力或原岩应力。b. 组成：自重应力、构造应力、热应力、地震应力、 扰动应力c. 地应力的成因大陆板块边界受压、地幔热对流、地心引力、岩浆 侵入、地温梯度、地表剥蚀等引起的地应力场。d. 地应力分布的基本规律（归纳）地应力是一个具有相对稳定性的非稳定应力场，它是时间和空间的函数；小范围变化明显，而就某 个地区整体而言变化不大。实测垂直应力基本等于上覆岩层的重量；平均容重 27kN /m3。水平应力普遍大于垂直应力；比值在0.55.5之间，多数情况下大于 2。平均水平应力与垂直应力的比值随深度增加而减小，并向1趋近，但在不同地区变

31、化的速度不同；地 壳深部有可能出现静水压力。最大水平主应力和最小水平主应力也随深度呈线 性增长关系；最大水平主应力和最小水平主应力之值一般相差1.较大，显示岀很强的方向性；皿 二0.2 0.8，Smax多数情况下为 0.40.8.地应力分布受地形、地表剥蚀、风化、岩体结构 特征、岩体力学性质、温度和地下水等因素的影 响。特别是地形和断层的扰动影响最大。谷底是应 力集中的部位，断层和结构面附近，地应力分布受 扰动明显。17. 按地应力测试原理不同，测量方法分类按地应力测试原理不同，测量方法分为直接测量和 间接测量两大类。直接测量：由测量仪器直接测量和记录各种应力 量，如补偿应力、恢复应力、平衡应

32、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。在计算过程中并不涉及不同物理量的换算，不需要 知道岩石的物理力学性质和应力应变关系。扁千斤 顶法、水压致裂法、刚性包体应力计法和声发射法 均属于直接测量法。其中水压致裂法目前应用最广 泛，声发射法次之。间接测量法：此方法不是直接测量应力量，而是 借助某些传感元件或某些介质，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 变形和应变，岩体的密度、渗透性、吸水性、电 阻、电容的变化，弹性波传播速度的变化等，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。在计算过程中，首先必须确定岩体的某些物理力

33、学 性质以及所测量物理量和应力的相互关系。测量方 法有套孔应力解除法和其他应力或应变解除法以及 地球物理方法等。其中套孔应力解除法目前应用最 广泛最成熟。18扁千斤顶法测量地应力步骤： 在准备测量应力的岩石表面，如地下巷道、硐室 的表面，安装两个测量柱，并用微米表测量两柱间 距；在与两测量柱对称的中间位置用盘锯向岩体内开 挖一个垂直于测量柱连线的扁槽（一般厚度为 510mm，与扁千斤顶尺寸一致）；由于开挖造成局 部应力释放并引起测量柱间距的变化，测量并记录 这一变化。将扁千斤顶完全塞入槽内，必要时作胶结处理， 然后用液压泵给千斤顶加压，使两测量柱的间距恢 复到开挖前大小，停止加压，并记录千斤顶

34、中的“平衡应力”或“补偿应力”。此应力即等于扁槽 开挖前表面岩体中垂直于千斤顶方向也即平行于两 测量柱连线方向的应力。值得注意的是，在试验前 需对千斤顶进行标定。扁千斤顶法是基于岩体完全线弹性的假设的测量方 法。测量的是一种一维应力并且是一种受开挖扰动 的次生应力场，而非原岩应力场。佃刚性包体应力计法测量原理：刚性包体应力计主要组成部份是一个由钢、 铜合金或其他硬质金属材料制成的空心圆柱，在其 中心部位有一个压力传感元件。理论表明：位于一个无限体中的刚性包体，当周围 岩体中的应力发生变化时，在刚性包体中会产生一 个均匀分布的应力场，该应力场大小与岩体中应力场变化存在一定比例关系。即当刚性包体的

35、弹性模 量超过岩体的弹性模量的5倍后，在岩体中任一方位的应力变化会在包体中相同方位引起1.5倍的应力。因此只要测量岀刚性包体中的应力变化就可知道岩 体中的应力变化。测量步骤：首先在测点打一钻孔，然后将该圆柱挤 压进钻孔中，使圆柱与钻孔壁紧密接触。当钻孔周 围压力发生变化时，应力计中压力变化通过相应电 阻应变片输出，通过记录此压力变化，就可知道岩 体中应力变化。刚性包体应变计有很高的稳定性，因而可用于对现 场岩体应力变化的长期监测，通常只能测岀垂直于 钻孔平面的单向或双向应力变化，而不能用于测量 原岩应力。其中钢弦应力计灵敏度最高。20. 水压致裂法测量步骤：原理：当一个位于无限体中的钻孔受到无

36、穷远处二 维应力场的作用时，离开钻孔端部一定距离的部位 处于平面应变状态。在这些部位，钻孔周边的应力：二r =0，其中二r分别为钻孔周边的切向应力和径向应力；二为周边一点与；1轴的夹角。当V - 0时，取得最小值，此时二十3二2-6。用水压致裂系统将钻孔某段封隔起来，并向该段钻孔注入高压水，当水压超过21和岩石抗拉强度T之和后，在 V - 0。处，也即二i所在方位将发生孔壁开裂。开裂水压：P =3；2 -；1 T。如果继续向封隔段注水使裂隙进一步扩展，当裂隙深度达到3倍钻孔直径时，此处已接近原岩应力状态，停止加压，保持压力恒定，将该恒定压力记为 Ps。则Ps应和原岩应力平衡，即Ps 2。只要测

37、岀岩石的抗拉强度T即可由R和Ps求岀二1和二2。当初始裂隙产生后，卸除水压使裂隙闭合，然后再向封隔段加压使裂隙重新打开，记录重开压力Pr，则P二3二2 - 6 F0，这样求二1和二2就不用求抗 拉强度T 了。测量步骤：1 ）打钻孔到准备测量应力的部位，并将 钻孔中待加压段用封隔器封隔。2）向隔离段加入高压水，直到孔壁开裂，记录开裂压力R。继续加压扩张裂隙，当裂隙扩张到三倍直径深度时，保持水压恒定，记录此关闭FS，最后卸压使裂隙闭合。同时记录压力-时间曲线图和流量-时间曲线图。3 ）重新向密封段注入高压水使裂隙重新打开，记录裂隙重开压力Fr和恒定关闭压力 Fs。重复这样的加-卸压过程23次，提高

38、测量精度。4）将封隔段完全卸压，将种设备取出。5）测量水压致裂裂隙和钻孔试验段的天然节理、裂隙 的位置、方向和大小。优缺点与适用范围：a）水压致裂测量结果只能确定垂 直于钻孔平面内的最大主应力和最小主应力的大小 和方向，是一种二维应力测量方法。b）水压致裂法认为初始开裂发生在钻孔壁切向应力最 小的部位，亦即平行于最大最应为的方向，这是基 于岩石连续、均质和我各向同性的假设。因此，水 压致裂较为适用于完整的脆性岩石中。c）水压致裂的突岀优点是能测量深部应力。最大测深 已达5000m.并且也是深部应力测量最经济实用的测 量方法。21. 声发射法测量原理材料受到外荷载作用时，其内部贮存的应变能快速

39、释放产生弹性波，发生声响，称为声发射。岩石材 料的应力从其历史最高水平释放后，再重新加载， 当应力未达到先前最大应力值时，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，这一现象叫凯泽效应。从很少有声发 射到大量产生声发射的转折点称为凯泽点。凯泽点 对应的应力即为材料先前受到的最大应力。通过对 岩石试件不同方向进行加载声发射试验测定岩石材 料的凯泽点，可以确定岩石试件以前所受的最大应 力，并进而求岀取样点的原始三维应力状态。由于声发射与弹性波传播有关，所以高强度的脆性 岩石有较明显的声发射凯泽效应岀现，而多孔隙低 强度及塑性岩体的凯泽效应不明显，所以不能用声 发射法测

40、定比较软弱疏松岩体中的应力。测量步骤：1 ）试件制备。从现场钻孔提取岩石试 样，试样在原环境状态下的方向必须确定，将试样 加工成高径比为 23的圆柱体试件，为了确定测点 三维应力状态，必须在该点的岩样中沿六个不同方向制备试件。每个方向的试件为1525块。2 ）声发射测试。将试件放在单轴压缩试验机上加 压，并同时监测加压过程中从试件中产生的声发射 现象。凯泽效应一般发生在加载的初期，故加载系 统应选用小吨位应力控制系统，并保持加载速率。并绘制应力-声发射事件数（速率）曲线确定每次试验 的凯泽点。3）计算地应力。根据获得的凯泽点，就可以确定试件轴线方向先前受到的最大应力值。25个试件获得一个方向的

41、统计结果，六个方向的应力值即可确定 取样点的历史最大三维应力状态。22. 套孔应力解除法测量步骤：1）从岩体表面，一般是从地下巷道、隧 道、峒室或其他开挖体的表面向岩体内部打大孔（直 径130150mm深度约为相应峒室跨度的2.5倍以上）,直到需要测量岩体应力的部位。2）从大孔底上扬 13度打同心小孔（直径3638mm 深度为孔径的10倍左右），清理干净。3）用一套专用装置将测量探头如孔径变形计、孔壁 应变计等安装（固定或胶结）到小孔中央部位。4 ）用第一步打大孔用的薄壁钻头继续延深大孔，从 而使小孔周围岩芯实现应力解除。由于应力解除引 起的小孔变形或应变由包括测试探头在内的量测系 统测定并通

42、过记录仪器记录下来。根据测得的小孔 变形或应变通过有关公式即可求岀小孔周围的原岩 应力状态。套孔应力解除法可分为孔径变形法、孔底应变法、孔壁应变法、空心包体应变法和实心包体变形法五种。23. 试论述库仑准则的基本内容并简单说明 对其研究的工程实际意义。a. 基本观点：库仑认为，岩石的破坏主要是剪切破 坏，岩石的强度等于岩石本身抗剪切摩擦的粘结力 和剪切面上法向力产生的摩擦力，即平面中的剪切 强度。b. 用正应力和剪应力表述的库仑准则：库仑准则可用莫尔极限应力圆直观的图解表示。即为：勺=c +cr tan 或卜| 一$ tan = c式中，T为剪切面上的剪应力；b为剪切面上的正应力；c为粘结力；

43、为内摩擦角。图中直线AL表示方程所确定的准则，斜率为f = tan ,c为截距，平面上应力b和T有主应力b 1和b 3的应力圆决定。 如果应力圆上的点在 AL之下，材料不发生破坏，点 在AL之上，材料破坏，点在线上，材料处于极限平 衡状态。c. 用主应力表述的库仑准则：基于库伦准则和实验结构分析，有下图给岀的简单 而有用的准则表示，表达式：f -sjf+l + f =2c1（-1c ）21；-3 = -；” 1（ ；- 1c ）2坐标系中的库仑准则完整强度曲线： 从图中可以看到岩石可能发生以下四种破坏： 当0 （T 1 1/2 b c （ b 3 = -（T t）时，岩石属单轴拉伸破 断。当1

44、/2 b c b 1 b c （ - b 1 b 3 b c （ b 3 0 ）时，岩石属双轴拉伸破断。直线AP的倾角一：为：由此看来，在主应力 b 1, b 3坐标平面的库伦准则可 以利用单轴抗压强度和抗拉强度来确定。其研究的工程实际意义在研究实验中，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；在工程实践中，用于解决地表开挖的岩石 工程问题，如水库边坡、高坝岸坡、渠道、运 河、路堑、露天开采坑等天然和人工边坡的稳 定、变形及加固问题。24莫尔强度理论 基本观点：莫尔认为，到极限状态时，滑动平面上 的剪应力达到一个取决于正应力与材料性质的最大值。并可用下列函

45、数关系表示：.二f （二），在.-匚坐标系中为一条对称于匚轴的曲线，它可以通过试验求得，即由各种应力状态（单轴拉伸、单轴压缩及 三轴压缩）下的破坏莫尔应力圆包络线求得。包络线 具体表达式可根据试验结果拟合求得，各破坏莫尔 圆的外公切线，就是莫尔强度包络线。利用这条曲 线可判断岩石中一点是否会发生剪切破坏。在事先给出的莫尔包络线上，叠加上反映实际试件 应力状态的莫尔应力圆。如果应力圆与包络线相切 或相割，则研究点将产生破坏；如果应力圆位于包 络线下方，则不会发生破坏，曲线类型：斜直线型、二次抛物线型、双曲线型， 其中斜直线型与库仑准则基本一致，可以认为是莫 尔准则的特例。通常为抛物线型。优点及适

46、用范围：莫尔强度理论实质上是一种剪应 力强度理论。该理论比较全面反映岩石的强度特 征，既适用于塑性岩石也适用于脆性岩石的剪切破 坏。同时也反映了岩石抗拉强度远小于抗压强度这 一特性，并能解释岩石三向等拉时会破坏，而三向 等压时不会破坏。莫尔理论目前应用广泛。莫尔判据忽略了中间主应力的影响，与试验结果有 一定出入，另外，该判据只适用于剪破坏，受拉区 的适用性有待研究，并且不适用于膨胀或蠕变破 坏。25.结构面及其性质结构面：岩体内存在的各种地质界面，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。这些不同成因、不同特 性的地质界面统称为结构面（弱面）。基本属性：具有

47、一定厚度的面的几何属性。变形机理：上、下盘岩体的闭合或滑移。按结构面成因分类：1）原生结构面（沉积结构面、火成结构面、变质结构面）；2）构造结构面（如劈理、节理、断层、层间错动面 等）;3）次生结构面（卸荷裂隙、爆破裂隙、风化裂隙、风化夹层及泥化夹层）。按结构面发育程度和规模分类：I级结构面。一般泛指对区域构造起控制作用的断 裂带，延伸数十公里，深度可切穿一个构造层，破 碎带宽度在数米至数十米以上。实测结构面。H级结构面。主要包括不整合面、假整合面、原生 软弱夹层、层间错动带、断层侵入接触带、风化夹 层等。延伸数百米至数公里，破碎带宽度比较窄， 几厘米至数米。实测结构面。皿级结构面。各种类型的

48、断层、原生软弱夹层、层 间错动带等。实测结构面。W级结构面。节理、劈理、片理、层理、卸荷裂 隙、风化裂隙等。延展数米，未错动，不夹泥，有 的呈弱结合状态，统计结构面。V级结构面。微小节理，隐微裂隙和线理等。连续 性极差，刚性接触的细小或隐微小裂面，统计结构 面。按结构面惯通情况分类：非惯通性结构面、半惯通性结构面、惯通性结构面。结构面的状态对岩体工程性质的影响：结构面的产 状、形态、延展尺度、充填物、发育程度和密集程 度对岩体强度和工程稳定性的影响。其中结构面密集程度：包括岩体裂隙度 K （沿取样线方向单位长度上的节理 数量）和切割度Xe （岩体被切割的程度，节理面面积 与该断面面积之比）X实

49、际切割度Xv:即岩体被某组结构面切割的程度Xv，其大小为该 岩体的裂隙度与其切割度的乘积：结构面的力学性质：法向变形：在法向荷载作用下，岩石粗糙结构面的 接触面积和接触点数随荷载增大而增加，结构面间 隙呈非线性减小，应力与法向变形之间呈指数关 系。当荷载去除时，将引起明显的后滞和非弹性效 应。剪切变形：结构面在法向应力作用下，a）对非充填粗糙结构面，随剪切变形发生，剪切应力 相对上升较快，当达到剪应力峰值后，结构面抗剪 能力岀现较大的下降，并产生不规则的峰后变形或 滞滑现象；b）对于平坦（或有充填物）的结构面，初始阶段的剪 切变形曲线呈下凹型，随着剪切变形的持续发展， 剪切应力逐渐升高但没有明

50、显的峰值岀现，最终达 到恒定值，有时也岀现剪切硬化。剪胀：剪切过程中产生的法向移动分量称为剪切。 结构面的剪切变形与岩石强度、结构面粗糙度（凸台 角i）和法向力密切有关。c）结构面的抗剪强度一般用库仑准则表述。低法向应 力时的剪切，结构面有剪切位移和剪胀；高法向应 力时，凸台被剪断，结构面抗剪强度最终变成残余 抗剪强度。结构面的尺寸效应：1）当结构面试块长度从 56cm增加到3640cm时, 平均峰值摩擦角降低 812度。2 ）随试块面积增加，平均峰值剪切应力呈减少趋 势。3）随结构面尺寸的增大，达到峰值强度时的位移量 增大；4）由于尺寸的增大，剪切破坏形式由脆性破坏向延性 破坏转化；5）尺寸

51、加大，峰值剪胀角减小；6）随结构面粗糙度减小，尺寸效应也在减小。结构面的强度与峰值剪胀角是引起尺寸效应的基本 因素。当法向应力增大时，结构面的尺寸效应将随 之减小。结构面的强度效应：岩石力学基本概念：结构体：被各种结构面切割成的岩石块体。岩石力学性质：岩体抵抗外力作用的能力，包括岩体的稳定性特征、强度特征和变形特征。基本形状：块状、柱状、板状、菱形、楔形、锥形岩石的碎胀性：岩石破碎后的体积比原体积大的性 能。岩体结构：不同类型的岩体结构单元在岩体内的组合、排列形式。岩体结构要素：包括结构体和结构面。岩石的强度：岩石在各种荷载作用下达到破坏时所能承受的最大应力。体积力：分布在物体体积内的力，如重力和惯性力。表面力：分布在物体表面的力，如流体压力和接触力。岩石的本构关系：岩石的应力或应力速率与其应变 或应变速率的关系。弹性：物体加载时产生变形，卸载后变形可完全恢 复的性质。塑性：卸载后变形不能完全恢复的性质。流变性：外界条件不变，物体