岩体力学复习资料概念-简答-论述

1、一.岩石与岩体岩石：是组成地壳的基本物质，它是由矿物或岩屑在地质作用下按一定规律凝聚而成的自然地质体。一般认为它是均质的和连续的。岩体：是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。（区别是岩体包含若干不连续面。）结构面：岩体内具有一定方向、延展较大、厚度较小的面状地质界面，包括物质的分界面和不连续面，它是在地质发展历史中，尤其是在地质构造变形过程中形成的。结构面间距：结构面间距是指同一组结构面在法线方向上，该组结构面的平均间距。结构面的张开度：是指结构面裂口开口处张开的程度。结构体：被结构面分割而形成的岩块，四周均被结构面

2、所包围，这种由不同产状的结构面组合切割而形成的单元体成为结构体。节理：岩石中的裂隙或破裂面，沿着节理面两侧的岩块基本没有发生过相对位移或没有明显的相对位移矿山岩石力学的研究方法：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。岩石按照成因分成哪几类？其各自的成因及特征是什么?试举出几种岩石实例。答：按照成因，岩石可分成岩浆岩、沉积岩、变质岩三大类。岩浆岩是由岩浆冷凝而成的岩石。组成岩浆岩的各种矿物化学成分和物理性质较为稳定，它们之间的连接是牢固的，具有较高的力学强度和均匀性（橄榄岩、流纹岩）。沉积岩是由母岩在地表经风化剥蚀而产生的物质，通过搬运、沉积、和固结作用而形成的岩石

3、。沉积岩的物理力学特性与矿物和岩屑的成分，胶结物的性质有很大关系，另外，沉积岩具有层理构造（砾岩、页岩、泥岩）。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编制而形成的岩石。它的物理性质与原岩的性质、变质作用的性质和变质程度有关（片麻岩、板岩、大理岩）。什么叫岩石力学？其研究内容是什么？研究方法有哪些？岩石力学：岩石力学是研究岩石力学性能的理论和应用科学，是运用力学和物理学的原理研究岩石的力学和物理性质的一门科学。答：岩石力学是研究岩石及岩体在各种不同受力状态下产生变形和破坏的规律，并在工程地质定性分析的基础上定量地分析岩体稳定性的一门学科。岩石力学研究

4、的内容：(1)基本原理，包括岩石的破坏、断裂、蠕变及岩石内应力、应变理论等的研究；（2）实验室试验和现场原位试验，包括各种静力和动力方法，以确定岩块和岩体在静力和动力作用下的性状及tanti内的初始应力；（3）在实际应用方面，包括地表岩石地基的稳定和变形问题、岩石边坡的稳定性等问题的研究。研究方法有科学实验和理论分析相结合的方法。岩石力学研究对象的特点？不连续性：岩石物理力学性质呈现不连续变化的性质。不均匀性：指天然岩体的物理、力学性质随空间位置不同而异的特性。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。渗透性：有压水可以透过岩石的孔隙、

5、裂隙而流动，岩石能透过水的能力称为岩石的渗透性.二.物理性质相对密度Gs：岩石的干重量Ws（KN）除以岩石的实体积Vs（m3）（不包括岩石中孔隙体积）所得的量与1个大气压下4时纯水的重度（w）的比值。Gs=Ws / (Vsw)。相对相对密度是一个无量纲量，其值可用比重瓶法测定，试验时先将岩石研磨成粉末并烘干；然后用量杯量取相同体积的纯水和岩石粉末并分别称重，其比值即为岩石的相对密度。岩石的相对密度取决于组成岩石的矿物相对密度，岩石中重矿物含量越多其相对密度越大，大部分岩石的相对密度介于2.502.80之间。岩石的比重：干燥岩石的重量和4时同体积纯水重量的比值。孔隙率n：岩石试样中孔隙体积Vv与

6、岩样总体积V之比。孔隙比e：指孔隙的体积VV与固体的体积Vs的比值。三.水理性质岩石的水理性：岩石与水相互作用时所表现的性质，包括岩石的吸水性，透水性，软化性，抗冻性.含水率w：天然状态下岩石中水的重量Ww与岩石 烘干重量Ws的百分比。w=WW / Ws ×100% 吸水率Wa：指干燥岩石试样在一个大气压和室温条件下吸入水的重量Ww与岩样干重量Ws的百分率。wa=WW / Ws=（Wo-Ws）/ Ws ×100%渗透性：指在水压力作用下，岩石的孔隙和裂隙透过水的能力。（渗透系数的大小取决于岩石的物理特性和结构特性流体的物理化学特性）膨胀性：指岩石浸水后体积增大的性质。崩解性

7、：是指岩石与水作用时失去黏结性并变成完全丧失强度的松散物质的性能。这种现象是由于水化作用削弱了岩石内部的结构联结而造成的。软化性：指岩石与水相互作用时强度降低的特性。影响因素：矿物成分（亲水性可溶性）、粒间联结方式（结晶联结胶结联结）、孔隙率、微裂隙发育程度等。抗冻性：指岩石抵抗冻融破坏的性能。“降温、冻结、升温、融解”循环后主要原因：一是构成岩石的各种矿物的膨胀系数不同，当温度变化时由于矿物的胀缩不均而导致岩石结构的破坏；二是当温度降低到0°C以下时，岩石孔隙中的水将结冰，其体积增大约9%，会产生很大的膨胀压力，使岩石的结构发生改变，直至破坏。四.力学性质，强度准则论述：影响岩石力

8、学性质的主要因素？答：1、矿物成分：矿物硬度越大，岩石的弹性越明显，强度越高。含有不稳定矿物的岩石，其力学性质随时间的变化不稳定。含黏土矿物的岩石，遇水时发生膨胀和软化，强度降低很大。2、岩石的结构构造：岩石的结构对岩石力学性质的影响主要表现在结构的差异上。例如：粒状结构中，等粒结构比非等粒结构强度高；在等粒结构中，细粒结构比粗粒结构强度高。岩石的构造不同所表现的性质也一般不同，如块状构造的岩石多具有各向同性特征，而层状构造岩石具有各向异性特征。3、水：水对岩石力学性质的影响主要体现在以下五个方面，即联结作用、润滑作用、水楔作用、空隙压力作用、溶蚀或潜蚀作用。4、温度：一般来说，随着温度的增高

9、，岩石的延性加大，屈服点降低，强度也降低。5、加载速度：做单轴压缩试验时施加荷载的速度对岩石的变形性质和强度指标有明显影响。加载速度愈大，测得的弹性模量愈大，获得的强度指标值越高。6、受力状态：岩石的脆性和塑性并非岩石固有性质，它与其受力状态有关，随着受力状态的改变，其脆性和塑性是可以相互转化的。7、风化：新鲜岩石的力学性质和风化岩石的力学性质有着较大的区别，特别是当风化程度很深时，岩石的力学性质会明显降低。岩石强度：指岩石在荷载作用下破坏时所承受的最大荷载应力。岩石强度种类.有抗压强度（单轴、三轴）、抗剪强度、抗拉强度。岩石试样破坏形式：劈裂破坏、剪切破坏、塑性流动破坏脆性破坏：岩石在荷载作

10、用下没有显著觉察的变形就突然破坏。塑性破坏：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，流动或挤出单轴抗压强度的破坏形式：1、X状共轭斜面剪切破坏 2、单斜面剪切破坏 3、拉伸破坏。影响因素：岩石特性（矿物组成、结构特征、风化程度各向异性）环境条件（水、温度）试验条件（围岩大小、端部效应、试件形状和尺寸、加载速率）试件的大小、形状是如何影响岩石的力学性质的？原因是什么？答：试件的形状、和尺寸大小对强度的影响主要表现在高径比或高宽比和横断面积上。试件太长、高径比太大，会由于弹性不稳定提前发生破坏，降低岩石的强度。试件太短，又会由于试件端面与承压板之间出现的摩擦力会阻碍试件

11、的横向变形，使试件内部产生约束效应，以致增大岩石的试验强度。试件横断面积减小，会相应地增大端部约束效应，因而强度也会有所提高。高径比h/D22.5为宜。端部效应：加压板与试件端部存在摩擦力，约束试件端部的侧向变形，导致端部应力状态不是非限制性的而出现复杂应力状态。减小“端部效应”：将试件端部磨平，并抹上润滑剂，或加橡胶垫层等。使试件长度达到规定要求，以保证在试件中部出现均匀应力状态。加载速率影响：加载速率增加，强度和弹性模量增加，峰值应力越明显。围压影响：岩石抗压强度随围压增加而提高。通常岩石类脆性材料随围压的增加而具有延性。围压对变形破坏的影响：岩石破坏前应变峰值强度随s3增大而增大随s3增

12、大岩石变形模量增大，软岩增大明显，致密的硬岩增大不明显随s3增大，岩石的塑性不断增大，随s3增大到一定值时，岩石由弹脆性转变为塑性。这时，s3的大小称为“转化压力” 。随s3的增大，岩块从脆性劈裂破坏逐渐向塑性剪切及塑性流动破坏方式过渡。确定岩石抗剪强度的方法：直接剪切试验楔形剪切试验三轴压缩试验荷载强度试验的优点：点荷载试验装置能被便携到岩土工程现场去做试验，对试件要求不严格，不需要像做抗压强度试验那样精心准备试件。岩石的抗压、抗拉、抗剪指标试验方法各有哪些，有何优缺点？答：抗压指标试验方法有直接单轴抗压试验，普通三轴试验和真三轴试验。抗拉指标试验有直接抗拉试验（缺点：试样制备困难，且不易与

13、拉力机固定），霹雳法（优点：简单易行，只要有普通压力机就可以进行试验）。抗剪指标试验方法有直接剪切试验（缺点：强度曲线并不是绝对严格的直线），契形剪切试验，三轴压缩试验（优点：结果较精确）。全应力应变曲线的工程意义：1、预测岩爆 2、预测蠕变破坏 3、预测循环加载条件下岩石的破坏。应力-应变曲线：OA段：曲线稍微向上弯曲，属于压密阶段，这期间岩石中初始的微裂隙受压闭合；AB段：接近于直线，近似于线弹性工作阶段；BC段：曲线向下弯曲，属于非弹性阶段，主要是在平行于荷载方向开始逐渐生成新的微裂隙以及裂隙的不稳定，B点是岩石从弹性转变为非弹性的转折点；CD段：为破坏阶段，C点的纵坐标就是单轴抗压强度

14、RC。岩石的变形有弹性变形、塑性变形、黏性变形。弹性变形：能恢复的变形。塑性变形：不可恢复的变形。变形模量：在应力-应变曲线上的任何点与坐标原点相连的割线的斜率.残余强度：破坏后的岩石仍可能具有一定的强度，从而也具有一定的承载能力。黏性：流体内部阻止其相对流动的一种特性.粘性：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峰值强度：单轴压缩下岩石所能承受的最大应力成为峰值强度简述莫尔强度理论的基本思想、优缺点、适用条件？答：莫尔强度理论的基本思想是认为只有最大主应力和最小主应力对材料破坏有影响。优点：该理论比较全面地反映了岩石的强度特征，它既适用于塑性岩石也适用于脆性岩石的剪切

15、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，并能解释岩石在三向等拉时会破坏，而在三向等压时不会破坏的特点。缺点：忽略了中间主应力的影响。适用条件：只适用于剪破坏，不适用于膨胀或蠕变破坏。库仑准则：若用和代表受力单元体某一平面上的正应力和剪应力，则当达到如下大小时，该单元就会沿此平面发生剪切破坏，即 式中：c黏聚力；f内摩擦系数。引入内摩擦角，并定义f=tan，这个准则在平面上是一条直线。若将和用主应力1和3表示（这里1> 3）， （库仑准则不适合3<0和高围压的情况。）节理面稳定判别（图解法）节理面的抗剪强度一般总是低于岩石的抗剪强度，如图3-17所示（直线2低于直线1）

16、。但这并不意味着破坏总是沿节理面发生，有以下几种情况：应力圆与直线2相切或相割，但低于直线1：若应力点在直线2之下，则节理岩体稳定；若应力点在直线2之上，则节理面不稳定。应力圆与直线1相切或相割：节理应力点在直线2之下，则节理面稳定，节理岩体不稳定，破裂面与节理面不重合；节理应力点在直线2之上，则节理面不稳定。直线2以上的应力圆弧不能作为判别岩块是否稳定的依据，因为此时岩体已沿节理面发生破坏。Hoek-Brown经验方程：五.流变流变性:岩石在力的作用下发生与时间相关的变形的性质。蠕变：指在应力为恒定的情况下岩石变形随时间发展的现象；松弛指在应变保持恒定的情况下岩石的应力随时间而减少的现象。弹

17、性后效指在卸载过程中弹性应变滞后于应力的现象。蠕变：第阶段：称为初始蠕变段。在此阶段的应变一时间曲线向下弯曲；应变与时间大致呈对数关系，即t。第阶段：称为等速蠕变段或稳定蠕变段。在此阶段内变形缓慢，应变与时间近于线性关系。第阶段：称为加速蠕变段。此阶段内呈加速蠕变，将导致岩石的迅速破坏。长期强度岩石的强度是随外荷载作用时间的延长而降低的，通常把作用时间t的强度S称为岩石的长期强度。剪胀：在剪应力作用下，模型上半部沿凸台斜面滑动，除有切向运动外，还产生向上的移动。这种剪切过程中产生的法向移动分量称之“剪胀”。 扩容：岩石在荷载作用下，在其破坏之前产生的一种明显的非弹性体积变形。扩容：压缩应力下岩

18、石体积出现膨胀的现象称为岩石扩容蠕变模型：a.弹性单元、b.塑性单元、c.粘性单元Maxwell模型蠕变方程： 性质：有弹性变形、粘性流动，有松驰kelvin模型 蠕变方程： 描述的性质： a. 无瞬时弹性变形b. 无粘性流动（无永久变形）c. 有弹性后效d. 无松弛6. 工程岩体分级分类工程岩体：指岩石工程影响范围内的岩体。岩体质量评价的考虑因素：岩石质量、岩石的完整性、岩体结构面风化程度、地下水的影响、地应力的影响岩石质量指标RQD：长度在10cm(含10cm)以上的岩芯累计长度占总长度的百分比评述：RQD法是一种单因素分类法。RQD法的不足：RQD忽略了节理方位、节理连续性的影响。RQD

19、不能反映节理间的软弱充填物的情况。岩体地质力学(CSIR)分类法考虑的是岩体的哪些因素？答：完整岩石强度、岩芯质量指标、节理间距、节理条件、地下水条件、节理走向和倾向巴顿岩体质量(Q)分类法考虑的是岩体的哪些因素？答：节理发育组数、节理粗糙度、节理含水状况、节理面蚀变、岩体应力状态及应力折减因子。BQ分类法考虑的是岩体的哪些因素？答：岩石单轴饱和抗压强度、软弱结构面产状、地下水影响、天然应力影响。岩体质量分类的意义：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的分类，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。工程岩体分类：是通过岩体

20、的一些简单和容易实测的指标，把地质条件和岩体力学性质参数联系起来，并借鉴已建工程设计、施工和处理等成功与失败方面的经验教训，对岩体进行归类的一种工作方法。其目的是通过分类，概括地反映各类岩体的质量好坏，预测可能出现的岩体力学问题，为工程设计、支护衬砌、建筑选型和施工方法选择等提供参数和依据。岩体质量指标RMR分类法：由南非人宾尼亚斯基提出。五项参数：岩块强度、RQD值、节理间距、节理条件、地下水。得到的总分RMR的初值，根据节理裂隙的产状变化对RMR的初值加以修正，修正的目的是在于进一步强调节理裂隙对岩体的稳定产生的不利影响，最后用修正的总分既可以求得所研究岩体类别及相应的无支护地下工程的自稳

21、时间和岩体强度指标值。七.地应力地应力:是存在于地层中的未受工程扰动的天然应力。当工程开挖后，应力受到开挖扰动的影响而重新分布，重分布后形成的应力则称为二次应力原岩：未受工程扰动影响而又处于自然平衡状态的岩体。原岩应力(地应力、初始应力)：作用于原岩体中的天然应力。次生应力：人类在岩体中进行工程活动，扰动了原岩的自然平衡状态，使一定范围内的原岩应力重新分布，变化后的应力被称为次生应力。地应力场的组成：1大陆板块边界受压引起的应力场2地幔热对流引起的应力场3由地心引力引起的应力场4岩浆侵入引起的应力场5地温梯度引起的应力场6地表剥蚀产生的应力场。自重应力场和构造应力场叠加起来构成岩体中初始的应力

22、场的主体。地应力分布的一般规律：1、地应力是一个具有相对稳定的非稳定应力场，它是时间和空间的函数。2、实测垂直应力基本等于上覆岩层的重量。3、水平应力普遍大于垂直应力。4、最大水平主应力和最小水平主应力随深度呈线性增长关系。5、平均水平应力与垂直应力的比值随深度增加而减小。6、最大水平主应力和最小水平主应力之值一般相差较大，显示出很强的方向性。影响原岩应力分布的因素：1、地形对原始地应力的影响是十分复杂的。2、岩体结构可能引起应力集中、削弱或改变应力方向。3、岩体力学性质影响地应力累积。4、古岩体应力比现有地层厚度所引起的重力应力要大。自重应力(重力应力)：指地壳上部各种岩体由于受到地心引力的

23、作用而产生的应力，它是由岩体自重引起的。重力应力场：由地心引力引起的应力场。原岩自重应力场的分布特点：1、水平应力小于垂直应力 2、水平应力和垂直应力均为压应力 3、垂直应力只与岩体密度和深度有关，而水平应力还同时与岩体弹性常数E、u有关 4、结构面影响岩体自重应力分布。构造应力：指由构造作用产生的应力构造应力场：指构造应力在空间的分布状态。构造应力场分布特点：1、应力有压应力，也可能有拉应力 2、以水平应力为主时，一般水平应力大于水垂直应力 3、分布很不均匀，通常以地壳浅部为主 4、褶皱、断层和节理等各种构造行迹是相伴而生，共同形成一个构造体系。海姆假定地应力是一种静水应力状态，即地壳中任意

24、一点的应力在各个方向上均相等，且等于单位面积上覆岩层的重量，即h=v= H,式中：h、v-分别为水平和垂直应力；-上覆岩层重力密度；H-深度。金尼克假说他认为地壳中各点的垂直应力等于上覆岩层的重量v=H ，而侧向应力（水平应力）是泊松效应的结果，即： 式中：-上覆岩层的泊松比。上式中 称为侧压力系数。侧压力系数的影响：较小时，如=0.2，洞顶和洞底将出现拉应力；当由小变大时，洞顶、底拉应力趋于减小逐渐转为压应力，且压应力随增大而增大；随由小变大，两侧的压应力则趋于减小。高地应力判别准则：高地应力是一个相对的概念。不同的岩石具有不同的弹模，因而其储能性能也不同。一般来说,地区初始地应力大小与该地

25、区岩体的变形特性有关，岩质坚硬，则储存弹性能多，地应力也大。因此，高地应力是相对围岩强度而言的。即应以围岩内部的最大地应力与围岩强度（Rb）的比值（围岩强度比= Rb /max）来 判别是否是高地应力。直接测量法是由测量仪器直接测量和记录各种应力的量，如补偿应力、恢复应力、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。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。间接测量法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。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。为了计算应力值，首先

26、必须确定岩体的某些物理力学性质以及所测物理量和应力的相互关系。前者水压致裂法，后者套孔应力解除法。应力解除法的基本原理：岩体在应力作用下产生变形。当需测定岩体中某点的应力时，可将该点一定范围内的岩体与基岩分离，使该点岩体上所受应力解除。这时由应力产生的变形即相应恢复。通过一定的量测元件和仪器量测出应力解除后的变形值，既可由确定的应力与应变关系求得相应应力值。水压致裂法：是一种将钻孔的某一段的两端封堵起来，然后对封堵段注入高压水，使钻孔孔壁破裂从而测定地应力的方法。从弹性力学理论可知，当一个位于无限体中的钻孔受到无穷远处二维应力场（1，2）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

27、这些部位，钻孔周边的应力为=1+2-2（1-2）cos2 ，r=0 式中 、r钻孔周边的切向应力和径向应力；周边一点与1轴的夹角。当=0°时， 取得极小值，此时 =32-1 。如果采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32-1和岩石抗拉强度Rt之和后，在=0°处，也即1所在方位将发生孔壁开裂。设钻孔壁发生初始开裂时的水压为Pi,则有 Pi = 32-1+ Rt。如果继续向封隔段注入高压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2相平衡，即Ps

28、=2 只要测出岩石抗拉强度Rt,即可由Pi和Ps，求出1和2，这样1和2的大小和方向就全部确定了，即：2= Ps 1=3 Ps- Pi+ Rt 在钻孔中存在裂隙水的情况下，如封隔段处的裂隙水压力为P0,则变为 Pi =32-1+Rt-P0在水压致裂试验中增加一个环节在初始裂隙产生后，将水压卸除，使裂隙闭合，然后再重新向封隔段加压，使裂隙重新打开，记裂隙重开的压力为Pr，则有 Pr = 3 2 - 1 P0声发射法是一种通过声发射中的凯泽效应来测量岩体应力的方法。所谓凯泽效应，多晶金属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

29、最高水平后，则大量产生声发射。从很少产生声发射到大量产生声发射的转折点称为凯泽点。该点对应的应力即为材料先前受到的最大应力。后来，大量试验证明，许多岩石材料也具有显著的凯泽效应。人们通过对岩石试件进行加载声发射试验，测定凯泽点，即可找出试件以前所受的最大应力，也即是岩石历史上所经历的最大地应力。完整性系数(龟裂系数)：岩体中弹性波传播速度与岩石中弹性波传播速度的比值的平方。八应用，支护与边坡地质软岩：单轴抗压强度小于25MPa的松散、破碎、软弱及风化膨胀性岩体的总称。工程软岩：指在工程力作用下能产生显著塑性变形的工程岩体。围岩压力：地下垌室围岩在二次应力作用下产生过量的塑性变形或松动破坏，进而引起施加于支护结构上的压力。围岩压力的分类：1、散体地压：指由于开挖，在一定范围内，滑移或塌落的岩体以重力形式直接作用在支架上的压力。2、变形地压：指大范围岩体位移受到支护结构的抑制而产