高等岩石力学详细考试考博复习资料

1、. 论述岩石的流变特性以及蠕变变形曲线特征。（ 20 分）回答要点：岩石流变性与流变现象的定义；（4 分）蠕变、松弛以及弹性后效的定义；（6 分）稳定蠕变与不稳定蠕变；（2 分）岩石的典型蠕变变形曲线及其 3 个基本阶段；（5 分）岩石的长期强度及其确定方法。（3 分）. 试评述单轴压缩载荷作用下的端部约束效应。（ 20 分）回答要点：单轴压缩载荷条件的定义；（2 分）材料的泊松效应；（4 分）岩石受载端面与钢压板间的摩擦力； (5 分, 其中示意图 2 分）岩石端面的复杂应力状态分析；（5 分, 其中示意图 2 分）改善端面约束效应的主要方法。（4 分）. 什么是岩石的水理性？如何描述岩石的

2、水理性？（ 20 分）回答要点：岩石的水理性的定义；（4 分）岩石的吸水性（定义、吸水率、饱水率和饱水系数）（4 分）岩石的透水性（定义、渗透系数）（4 分）岩石的软化性（定义、软化系数）（4 分）岩石的抗冻性（定义、抗冻系数）（4 分）四.试述莫尔（ Mohr）强度理论的基本内容，并评述之。（20 分）回答要点：岩石强度理论的定义（包括对强度理论（2 分）、强度准则 ( 破坏条件 ) （1分）、强度曲线（曲面）（1 分）等的解释）及其一般数学表示方法（2 分）莫尔（ Mohr）强度理论的基本观点（3 分）及基本函数关系（ | |=f （）（1分）莫尔（ Mohr）强度包络线（2 分）及其拟合

3、（包括二次抛物、双曲线等）（3分）莫尔（ Mohr）强度理论的优缺点（4 分）及其适用性讨论（1 分）. 试述岩石在复杂应力状态下的破坏类型， 并阐述其在工程岩体稳定性研究中的意义。 (20 分)回答要点：1.在无围压受压条件下，观测到不规则的纵向裂缝 见图 (a) ；(3分)2.加中等程度的围压后，图 (a) 中的不规则性态便由与方向倾斜小于45 度角的单一破裂面所代替 图(b) ，这是压应力条件下的典型破裂，并将其表述为剪切破坏，它的特征是沿破裂面的剪切位移； (3 分)如果继续增加围压，使得材料成为完全延性的，则出现剪切破裂的网格 图(c)，并将其表述为剪切流变，并伴有个别晶体的塑性；(

4、2 分)破裂的第二种基本类型是拉伸破裂，它典型地出现于单轴拉伸中，它的特征是明显的分离，而在表面间没有错动 图(d) ；(2 分)在较为复杂的应力条件下出现的破裂，可以认为上述类型之一或其它。如果平板在线载荷之间受压 图(e) ，则在载荷之间出现一个拉伸破裂，如果这些载荷是由环绕材料的外套挤入材料的裂缝中引起的，则将破裂表述为侵入破裂， 当检查图 (a) 情况中的破裂面时，它们中的一些部分有剪切破裂的状态；(2 分)6. 在工程岩体稳定性研究中的意义。 (3 分)高等岩石力学复习题1、CSIR 分类法考虑岩体的哪些因素？其特点是什么？CSIR 分类指标值RMR 由岩体强度、 RQD 值、节理间

5、距、节理条件及地下水5 种指标组成。其特点：分类时，按各种指标的数值查“分类参数及评分值”，表的标准评分，求和得总分值， 然后按表 “按节理方向修正评分值”和表 “节理走向和倾角对隧道开挖影响”的规定对总分的作适当的修正，最后用 “修正的总分对照表 ”按 “总评分值确定岩体的级别及岩体质量评价 ”求得所研究岩体的类别及相应的无支护地下工程的自问时间和岩体的强度指标（， ）值。 CSIR 分类原为解决坚硬节理岩体中浅埋隧道工程而发展起来。从现场应用而看，使用较简单，大多数场合岩体的评分值（）都有用，但在处理那些造成挤压，膨胀和涌水的极其软弱的岩体问题时，此分类方法难以使用。2、在单一结构面岩体的

6、三轴试验中，结构面与1 的夹角为，试绘制岩体抗压强度（围压的3 恒定）与的关系曲线，并给予简单的解释。3、简述水在岩石中的赋存形式和影响作用。、水在岩石中通常以两种方式赋存，一种结合水，一种为重力水；、水对岩石的影响作用：连结作用、润滑作用、水楔作用、孔隙压力作用、溶蚀及潜蚀作用。前三种作用是结合水产生的，后两种是重力水产生的。4、绘出线弹性材料和完全弹性材料应力应变曲线图。5、试述地应力分布的一般基本规律1） 地应力是一个具有相对稳定的应力场，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力。3）水平应力普遍大于垂直应力。4）平均水平应力与垂直应力的比值随深度的增加而减小，但不

7、同区变化速度不同。5）最大水平主应力和最小水平主应力也随深度成线性增长关系。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。7）地应力的上述分布规律还会受到地形、地表剥蚀、风化、岩体结构特征、岩体力学性质、温度、地下水等因素的影响，特别是地形和断层的影响。6、试绘图阐述非充填粗糙结构面和平坦结构面的剪切变形特点。答：在一定的法向应力作用下， 结构面在剪切作用下产生切向变形， 通常有两种基本形式，如下图： 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，当达到剪切应力峰值后，结构面抗剪能力出现较大的下降，并产生不规则的峰后变形或滞滑现象；b) 对于平坦（或有

8、充填物）的结构面，初始阶段的剪切变形曲线呈T 凹形，随着剪切变形的持续发展， 剪切应力逐渐升高但没有明显的峰值出现，最终达到恒定值，有时也出现剪切硬化。7、试简述岩石点荷载试验的优点。答：点荷载强度指标试验是一种最简单的岩石强度试验。其优点是：1）小型点荷载试验装置是便携式的，可带到岩土工程现场去做试验。2）对试件的要求不严格，不需要像抗压试验那样精心准备试件。8、试述水压致裂法测量原岩应力的基本步骤。答：测量步骤为：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密封起来，钻孔直径与所选用封隔器直径相一致。2）一般情况下，利用钻杆做为液压通道。先给封隔器加压，然后关闭封隔器进口，经

9、过转换开关，将管路接通至给孔密封段加压。也可采用双回路，在整个过程中，同时记录压力一时间曲线图和流量一时间曲线图。（ 3）重新向密封段注射高压水，使裂隙重新打开并记录F 重开始的压力Pr 和随后的恒定压力 Ps，这种泄压 -重新加压过程重复23次，以提高测试数据的精确性。4）将封隔器完全卸压后连同加压管等全部设备从钻孔中取出。5）测量水压致裂裂隙和钻孔试验段天然节理、裂隙的位置、方向和大小，测量可以采用井下摄影机、井下电视、井下光学望远镜或印模器。9、在三轴压缩试验条件下，岩石的力学性质会发生哪些变化？10、在岩石地下工程的设计、 施工和维护过程中如何合理利用和充分发挥岩体的强度。11、设岩石

10、服从莫尔库仑直线型强度准则， 岩石试件做单轴抗压试验时测得其强度为 c=40MPa，破坏面与最大主应力 1 的夹角 60，若用该岩石试件做三轴压缩试验，当施加围压 33MPa时，试计算：、轴压 1 施加到多少时岩石试件破坏 ?、破坏面上的正应力和剪应力。答： (1) 破坏面与最大主应力1的夹角为：452由此可得内摩擦角为：2 902 60 -90 30当 33MPa 时1sin 3014049MPa1sin 30(2) 破坏面上的正应力和剪应力1313 cos 2=14.5MPa2213 sin 219.9MPa212、鞍钢眼前山露天铁矿南帮边坡岩体由混合岩组成， 岩石服从莫尔库仑直线型强度准

11、则，单轴抗压强度 c=80MPa，内摩擦角 30，若取样做三轴压缩试验，当施加围压2 35MPa，试计算：1）、轴压1 施加到多少时岩石试件破坏2）、破坏面与最大主应力1 的夹角3）、破坏面上的正应力和剪应力13、试述影响岩石边坡稳定性的主要因素， 并对如何做好露天矿山边坡的维护和管理工作谈一谈您的看法。答： 1、影响岩石边坡稳定性的主要因素：1）、边坡外形：斜坡的高度、坡度、形状等要素可使斜坡内力状态变化而导致斜坡处于稳定或失稳状态。2）、岩石性质：组成边坡的岩石强度高，边坡稳定性好；岩石强度低则稳定性差。易亲水软化的土层、软岩及断层破碎带组成的边坡体，容易产生滑坡。3）、岩体构造：斜坡内的

12、一些层面、节理、断层、片理等软弱面与斜坡坡面倾向近于一致时，则斜坡的岩体容易失稳成为滑坡。4）、水的影响：地下水在斜坡内的静水压力、动水压力及软化岩土体作用，使斜坡稳定性降低，是影响斜坡稳定性的重要因素。5）、爆破与地震：爆破与地震可使岩体进一步破碎，破坏岩土体结构，强度降低。地震产生惯性力增加滑体下滑力，促进滑坡的发生。2、做好露天矿山边坡的维护管理工作：1）、露天矿山开采方案设计时，切实做好边坡稳定性的研究工作，确定合理的边坡角、边坡形状等边坡构成参数， 并在生产过程中根据岩体揭露情况对矿山设计进行局部的优化调整；2）、矿山开采过程中，加强岩性、岩体结构及地应力等内因条件的调查与研究工作，

13、合理预测危险区域，做好防范工作；3）、做好防排水工作，修筑截水、排水、疏水等工程，降低水对边坡稳定性的影响；4）、露天矿生产爆破时采取微差起爆技术，降低最大段药量，减少爆破震动；最终境界靠帮时采取预裂、光面爆破技术，避免岩石的进一步损伤；5）、对不稳定区段及时采取合理的加固措施，如挡墙、抗滑桩、锚索、挂网喷浆等。第1页共1页2014 年博士研究生入学考试试题(A 卷 )科目代码：3002科目名称：高等岩石力学考试时间为3 小时，卷面总分为100 分答案必须写在答题纸上一、简述题（每小题10 分，共 70 分）1、什么叫岩石？什么叫岩体？它们之间有何区别？2、什么是岩石的单轴压缩全应力- 应变曲

14、线？为什么普通材料实验机得不出全应力 - 应变曲线？3、简述岩石在单轴压缩条件下的变形特征（绘图介绍）。4、地应力对岩体的影响体现在哪几个方面？简述岩体工程中地应力测量的重要性。5、简述岩体中水渗流与土体中水渗流的差别。6、简述岩石蠕变、松弛、弹性后效和流变的含义。7、什么叫岩石的本构关系？岩石的本构关系一般有几种类型？二、论述分析题（每小题15 分，共 30 分）1、地下水对岩体的物理、化学、力学作用体现在哪几个方面？2、滑坡的整治原则包括哪几个方面？常用的整治措施有哪些？岩体力学习题1、何谓岩体力学 ? 谈谈你对岩体力学的认识和看法。1)岩体力学是力学的一个分支学科， 是研究岩体在各种力场

15、作用下变形与破坏规律的理论及其实际应用的科学，是一门应用型基础学科。2)认识和看法： 对于岩体力学的认识看法， 主要还是体现在其形成发展的过程以及研究对象内容所囊括的重要意义。岩体力学的形成和发展，是与岩体工程建设的发展和岩体工程事故分不开的。岩块物理力学性质的试验，地下洞室受天然水平应力作用的研究，可以追溯到19 世纪的下半叶。20 世纪初出现了岩块三轴试验，1920 年，瑞士联合铁路公司采用水压洞室法，在阿尔卑斯山区的阿姆斯特格隧道中，进行原位岩体力学试验，首次证明岩体具有弹性变形性质。1950 1960年，岩体力学扩大了应用范围，从地下洞室围岩稳定性研究扩展到岩质边坡和地基岩体稳定性研究

16、等。 1957 年，法国的J.塔洛布尔著岩石力学，从岩体概念出发，较全面系统地介绍了岩体力学的理论和试验研究方法及其在水电工程上的应用。至50 年代末期，岩体力学形成了一门独立的学科。 60 年代以来，岩体力学的发展进入了一个新的历史时期，研究内容和应用范围不断扩大，对不连续面力学效应和岩体性能进行了研究，取得了成果和发展；有限元法、边界元法、离散元法先后被引入，岩体中天然应力量测的加强与其分布规律不断被揭示。岩体力学的理论基础直接来源于弹塑性力学，同时也包含了理论力学、材料力学等方面的知识，只是研究对象细化到了岩土体这一材料上，故而其研究的重要意义在于：大量岩体工程的开展必须要保证其既安全稳

17、定又经济合理，所以要通过准确地预测工程岩体的变形与稳定性、正确的工程设计和良好的施工质量等来保证。其中，准确地预测岩体在各种应力场作用下的变形与稳定性，进而从岩体力学观点出发，选择相对优良的工程场址，防止重大事故，为合理的工程设计提供岩体力学依据，是工程岩体力学研究的根本目的和任务。岩体力学的发展是和人类工程实践分不开的。起初，由于岩体工程数量少，规模也小，人们多凭经验来解决工程中遇到的岩体力学问题。因此，岩体力学的形成和发展要比土力学晚得多。随着生产力水平及工程建筑事业的迅速发展，提出了大量的岩体力学问题。诸如高坝坝基岩体及拱坝拱座岩体的变形和稳定性；大型露天采坑边坡、库岸边坡及船闸、溢洪道

18、等边坡的稳定性；地下洞室围岩变形及地表塌陷；高层建筑、重型厂房和核电站等地基岩体的变形和稳定性；以及岩体性质的改善与加固技术等等。对这些问题能否做出正确的分析和评价，将会对工程建设和生产的安全性与经济性产生显著的影响，甚至带来严重的后果。2、何谓岩块、岩体 ? 试比较岩块与岩体 ,岩体与土有何异同点 ?1）岩块：指不含显著结构面的岩石块体，是构成岩体的最小岩石单元体。2）岩体：指在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，是岩体力学研究的对象。3）岩块与岩体：岩块是构成岩体的最小岩石单元体，岩体包含岩块；岩体与土：土不

19、具有刚性的联结，物理状态多变，力学强度低等，因而也不具有岩体的结构面。3、何谓岩体分类 ? RMR 分类和 Q 分类各自用哪些指标表示? 怎样求得 ?1）岩体分类：在工程地质分组的基础上，通过对岩体的的一些简单和容易实测的指标，将工程地质条件与岩体参数联系起来，并借鉴已建的工程设计、施工和处理等方面成功与失败的经验教训，对岩体进行归类的一种方法。2）RMR 分类指标：岩块强度、 RQD 值、节理间距、节理条件及地下水Q（巴顿岩体质量）分类指标： Q 值QRQDJ rJJ nJaSRF式中： RQD 为岩石质量指标；Jn节理组数；Jr节理粗糙系数；Ja节理蚀变系数；Jw节理水折减系数；SRF应力

20、折减系数。RQD/ J n 为岩体的完整性；Jr/Ja 表示结构面(节理 )的形态、充填物特征及其次生变化程度；3）RMR 分类求法： 根据各类指标的数值，按表中 A 的标准评分， 求和得总分RMR按表的规定对总分作适当的修正；用修正后的总分对照表中C 求得岩体的类别及相应的无支护地下洞室的自稳时间和岩体强度指标(c， )值。Q 分类求法：确定各参数的数值，求得Q 值，以 Q 值为依据将岩体分为9 类。值；4、试述围压对岩块变形、破坏及强度的影响试验研究表明：有围压作用时，岩石的变形性质与单轴压缩时不尽相同。具体影响为：首先，破坏前岩块的应变随围压增大而增加；其次，随围压增大岩块的塑性也不断增

21、大，且由脆性逐渐转化为延性。围压对岩块变形模量的影响常因岩性不同而异，通常对坚硬少裂隙岩石的影响较小，而对软弱多裂隙岩石的影响较大。总的来说，随围压增大，岩块的变形模量和泊松比都有不同程度的提高。岩块在三轴压缩条件下的破坏方式在很大程度上受围压的控制，随围压的增大，岩块从脆性劈裂破坏逐渐向塑性流动过渡，破坏前得应变也逐渐增大。围压对岩块强度的影响主要表现在，各种岩石的三轴压缩强度（ ）均随围压（）的1m3增加而增大。此外，围压还影响岩块的残余强度。当围压为零或很低时，应力达到峰值后曲线迅速下降至接近于零，岩块残余强度很低，而随围压增大，其残余强度也逐渐增大，直到产生应变硬化。5、结构面的法向刚

22、度与剪切刚度的定义如何？各自如何确定？1）结构面的法向刚度是反映结构面法向变形性质的重要参数。其定义为在法向应力作用下，结构面产生单位法向变形所需要的应力，数值上等于nV 曲线上一点的切线斜率， 即：KnnnV 曲线后，在曲线上。结构面法向刚度的确定可直接用试验求得结构面得Vj求。具体试验分为室内压缩试验和现场压缩试验。2）结构面得剪切刚度Ks 是反映结构面剪切变形性质的重要参数，其数值等于峰值前u 曲线上任一点的切线斜率，即：Ks。结构面得剪切刚度可以通过室内和现场u剪切试验确定。通过室内或现场剪切试验求得u 曲线，然后在曲线上求得结构面得剪切刚度。此外，巴顿和乔贝根据打量的试验资料总结分析

23、，并考虑到尺寸效应，提出了剪切刚度 Ks 的经验估算公式如下： Ks100n tan( JRC lg JCSr ) 式中： L 为被剪切结构面得Ln长度； r 为结构面得残余摩擦角。6、原位岩体的力学试验与岩块力学试验在本质上有何区别？岩体的变形性质与岩块相比有什么区别？1）原位岩体试验对岩体的扰动小，尽可能的保持了岩体的天然结构和环境状态，且考虑了岩体的结构及结构面对岩体力学性质的影响。而岩块试验中的试件往往经过加工，受扰动程度大，从而破坏了岩块原来的天然结构和所处的环境状态。因此原位岩体试验成果较室内试验更符合实际。2）岩体的变形性质与岩块有显著的差别。一般情况下，岩体比岩块易于变形，其强

24、度也显著低于岩块的强度。岩体的变形性质一方面取决于它的受力条件，另一方面还受到岩体的地质特征及赋存环境的影响。其影响因素包括岩块的性质；结构面得发育特征及其性质和岩体的地质环境条件，尤其是天然应力及地下水条件，因此岩块的变形性质仅是影响岩体变形性质的一个因素。结构面的影响是岩体的变形性质不同与岩块的本质原因。7、试述岩体结构控制论的基本原理及其实际意义。1）岩体结构力学的基本原理：岩体是经过变形、遭到破坏、由一定的岩石成分组成、具有一定的结构和赋存于一定的地质环境中的地质体。岩体力学室研究环境应力改变时岩体产生再变形和再破坏规律、理论和应用的科学。岩体在结构面控制下形成有自己独特的多种类型的不

25、连续结构。岩体结构控制着岩体变形、破坏及其力学性质。岩体结构控制论是岩体力学基础理论，岩体结构力学效应是岩体力学的力学基础，岩体结构分析方法和结构力学分析方法是岩体结构力学研究的基本方法。岩体赋存于一定的地质环境中。岩体赋存环境条件可以改变岩体结构力学效应和岩石力学性能。在岩体结构、岩石成分以及环境应力条件控制下，岩体具有多种力学介质和力学模型，岩体力学是由多种介质力学构成的力学体系。2）实际意义：运用岩体结构控制论中关于岩体变形机制、破坏机制以及岩体力学性质的理论可以指导岩体力学实验、岩体力学分析、岩体改造，指导工程设计。8、试述岩体中水平天然应力的基本特点。1）岩体中水平天然应力以压应力为

26、主，出现拉应力者甚少，且多具局部性质。2）大部分岩体中的水平应力大于铅直应力，特别是在前寒武纪结晶岩体中，以及山麓附近和河谷谷底的岩体中，这一特点更为突出。3）岩体的两个水平应力hmax 和hmin 通常都不相等。一般来说hmin / hmax 比值随地区不同而变化于0.20.8 之间。4）在单薄的山体、 谷坡附近以及未受构造变动的岩体中，天然水平应力均小于铅直应力。在很单薄的山体中，甚至可出现水平应力为零的极端情况。9、试述粗糙起伏无充填结构面的剪切强度特征。有一节理面的起伏角 i=20 ，基本摩擦角 b=35，两壁岩石的内摩擦角 =40， C=10Mpa, 作出节理面的剪切强度曲线。1）这

27、类结构面得基本特点是具有明显的粗糙起伏度，这是影响结构面抗剪强度的一个重要因素。其剪切强度特征为：当法向应力较小是，在剪切过程中，上盘岩体主要是沿结构面产生滑动破坏，这时由于剪胀效应（或称爬坡效应） ，增加了结构面得摩擦强度。随着法向应力增大，剪胀越来越困难。当法向应力达到一定值后，其破坏将由沿结构面滑动转化为剪断凸起而破坏，引起所谓的啃断效应，从而也增大了结构面的抗剪强度。2）节理面的剪切强度曲线如图所示。当法向应力较小时，tan( bi ) ；当法向应力较大时，tanC 。10、岩石的抗压强度与抗拉强度哪个大，为什么？岩石的抗拉强度远低于它的抗压强度。原因在于岩石中包含有大量的微裂隙和孔隙

28、，直接削弱了岩块的抗拉强度。相对而言，空隙对岩块抗压强度的影响就小得多，因此，岩块的抗拉强度一般远小于其抗压强度。11、某岩块的剪切强度参数为： C=50Mpa ， =60，设岩石强度服从莫尔直线型强度理论。如用该岩石试件做三轴试验 ,当围压 3和轴压 1分别加到 50Mpa 和 700Mpa 后，保持轴压不变，逐渐卸除围压 3，问围压卸到多少时，岩石试件破坏？根据公式：1m=3tg 2 (45Ctg (45将 C=50Mpa, =600, 1=700Mpa代入上式，求得此时围压 3=23.464Mpa。因此，当围压由 50Mpa 卸至 23.5Mpa 时，岩石试件破坏。12、假定岩石中一点的

29、应力为： 1=61.2Mpa， 3= -11.4Mpa，室内实验测得的岩石单轴抗拉强度 t= -8.7Mpa,剪切强度参数 C=30Mpa,tg=1.54, 试用格里菲斯判据和库仑 纳维尔判据分别判断该岩块是否破坏，并讨论结果。1）判断岩块是否破坏库仑 纳维尔判据：2C3(1f 2f )式中 f=tg ,1f 21f将 = -11.4Mpa ，C=30Mpa,tg =1.54代入上式中，可得 =72.68Mpa 。而此时岩石中的应力31m状态为 11m1=61.2Mpa ，由于 =72.68Mpa=61.2Mpa ，因此岩石试件不会破坏。格里菲斯判据：其主应力表达式为：当1+331 -3 )

30、2t ；0 时，81 +3当1+330时， 3t ；将 1=61.2Mpa ， 3= -11.4Mpa 代入1 +33 中，可得1 + 33 =61.2Mpa+3* （ -11.4Mpa ）=27Mpa0 ，所以用第一个式子判定，将1 -3 ) 2中，求得1=61.2Mpa ， 3= -11.4Mpa 代入1 +31 -3 ) 2=105.84Mpa ，+ 3而 t= -8.7Mpa ，所以 81-3 )2t =-69.6Mpa ，可知 8 t ，因此岩石在该点破坏。1 +32）结果探讨：由于库仑 纳维尔判据适用于坚硬、较坚硬的脆性岩石产生剪切破坏的情况，而不适用于拉破坏，而格里菲斯判据则认为

31、材料的破坏是由于其中存在的微裂纹或孔洞在局部拉应力作用下产生扩展，联合的结果，适用于脆性岩石的拉破坏情况，因此，该岩石试件用格里菲斯判据更为准确，即岩石在该点应力状态下会破坏。13、某裂隙化安山岩， 通过野外调查和室内实验， 已知岩体属质量中等一类， RMR 值为 44，Q 值为 1，岩块单轴抗压强度 c=75Mpa，薄膜充填节理强度为 j=15 、 Cj=0 ，假定岩体强度服从 Hoek-Brown 经验准则，求：绘出岩块、岩体及节理三者的强度曲线（法向应力范围为010Mpa ）；绘出该岩体 Cm 和 m随法向应力变化的曲线 （法向应力范围为02.5Mpa ）；1）强度曲线岩块1m =3 t

32、g 2 (45Ctg (45，式中 ?=15 ， C=0。岩体13mc3 s c2式中 由安山岩岩性及 RMR=44、 Q=1 查表得 m=0.311， s=0.00009。c=75Mpa,节理tanjC j式中 ?j=15 ， Cj=0。岩块、岩体及节理三者的强度曲线如下图所示。2）岩体 Cm 和 m 随法向应力变化的曲线岩体 Cm 和 m 可由下式推出：AC (T ) BCCm 随法向应力变化的曲线Cm A c (T )BAB(T)B 1cc式中 A 、B、T 为与岩性及结构面情况有关的常数，根据岩体性质查表确定， 即 A=0.295 ，B=0.691 ，T=-0.0003 。m 随法向应

33、力变化的曲线m arctg AB(T)B 1c式中 A 、 B、 T 同 Cm 中的注释。14、某铁路隧道通过一灰岩山，试从岩体力学角度分析该隧道存在哪些岩体力学问题及解决这些问题的基本思路（包括研究内容和研究方法）1）存在的问题：围岩重分布应力计算、围岩压力计算、围岩的变形与破坏、围岩抗力及极限承载力。2）基本思路：首先进行工程地质调查，研究岩块、岩体的地质与结构特征，了解岩体的成因、空间分布、结构面发育情况、地下水运移规律，特别是灰岩中容易出现的溶洞等。然后进行现场试验和室内试验，进行岩块力学试验、原位试验、天然地应力测量、岩体监测等，为后续计算提供必要参数。再进行数学力学计算，建立岩体力

34、学模型、预测岩体隧道开挖后的变形与稳定性，为设计和施工提供依据，如围岩压力、围岩抗力系数、极限承载力等。高等岩石力学简述岩石的强度特性和强度理论，并就岩石的强度理论进行简要评述。答：岩石作为一种天然工程材料的时候， 它具有不均匀性、 各向异性、 不连续等特点，并且受水力学作用显著。 在地表部分， 岩石的破坏为脆性破坏， 随着赋存深度的增加，其破坏向延性发展。岩石强度理论是判断岩石试样或岩石工程在什么应力、 应变条件下破坏。 当然岩石的破坏与诸多因素有关，如温度、应变率、湿度、应变梯度等。但目前岩石强度理论大多只考虑应力的影响，其他因素影响研究并不深入，故未予考虑。(1).剪切强度准则Coulo

35、mb-Navier准则Coulomb-Navier准则认为岩石的破坏属于在正应力作用下的剪切破坏，它不仅与该剪切面上剪应力有关， 而且与该面上的正应力有关。 岩石并不沿着最大剪切应力作用面产生破坏，而是沿其剪切应力和正应力最不利组合的某一面产生破裂。即：Ctan式中为岩石材料的内摩擦角，b. Mohr破坏准则为正应力，C 为岩石粘聚力。根据实验证明：在低围压下最大主应力和最小主应力关系接近于线性关系。着围压的增大，与关系明显呈现非线性。为了体现这一特点，莫尔准则在压剪和三轴但随f破坏实验的基础上确定破坏准则方程，即：此方程可以具体简化为斜直线、双曲线、 抛物线、摆线以及双斜直线等各种曲线形式，

36、具体视实验结果而定。虽然从形式上看， 库仑准则和莫尔准则区别只是在于后者把直线推广到曲线，但莫尔准则把包络线扩大或延伸至拉应力区。c.双剪的强度准则Mohr 强度准则是典型的单剪强度准则，没有考虑第二主应力的作用。我国学者俞茂宏从正交八面体的三个主应力出发，提出了双剪强度理论和适用于岩土介质的广义双剪强度理论，并得到了双剪统一强度理论：1b23t21311b1131b213t21b式中和 b 为两个材料常数， 是岩石单轴抗拉强度。 在主应力空间里， 上式代表一个以静水应力轴为中心轴具有不等边十二边形截面的锥体表面。(2).屈服强度准则a. Tresca屈服准则第 1页（共 12页）高等岩石力学

37、Tresca 屈服准则也可称为最大剪应力准则，它认为当岩石中剪应力达到材料的特征值时岩石就屈服破坏，即：11max2132 s式中为材料拉伸屈服极限。 该屈服准则也没有考虑中间主应力对材料屈服破坏的影响，从实验结果来看它对金属材料近似正确，而对岩石材料的结果相差较远。b. Mises屈服准则Mises 屈服准则考虑了中间主应力对屈服破坏的影响，采用偏应力张量第二不变量来表示屈服准则：12J2222s61223313Mises 屈服准则的物理意义为：单位体积的弹性形变能达到一定极限时，材料就会发生屈服破坏。 Mises 屈服准则对于材料塑性破坏来说是比较适合的，也是最常用的。Tresca屈服准则

38、Mohr 屈服准则Mises 屈服准则平面上的屈服轨迹线c. Drucker-Prager准则Coulomb 准则和 Mohr 准则破坏机理有相通之处，都体现了岩石材料压剪破坏的本质，由于它简单易理解，目前仍被广泛采用。但这类准则没有反映出中间主应力的影响，因此不能解释岩石材料在高围压和静水压力作用下的屈服破坏现象。Drucker-Prager准则在 Coulomb-Mohr 准则和 Mises 屈服准则基础上推广而得：fI1J2K02 sinK6c cos3 3sin3 3 sin式中：,；C，分别表示岩石材料的粘结力和内摩擦角。 Drucker-Prager准则既考虑了中间主应力的影响，又

39、考虑静水压力的作第 2页（共12 页）高等岩石力学用，在大多数的数值分析软件中都采用这个岩石破坏准则d.脆性断裂理论（ Griffith准则）Griffith准则的求解具体过程：利用极值原理先求出椭圆裂纹周边最大危险应力的大小和位置， 再确定最危险裂纹长轴的方向和应力， 最后由求得的极值应力和单轴抗拉强度进行对比，建立 Griffith 脆性断裂破坏准则如下213St81313St1333300当岩石处于单轴抗压时，那么由上式可以得到：Sc8St从 Griffith准则得到脆性材料的抗压强度为抗拉强度的8 倍，从理论上认识岩石等脆性材料的抗压不抗拉的特征是Griffith准则一大贡献。同时它总

40、结了单轴、三轴应力状态以及各种拉、压组合等各种应力状态达到拉应力而断裂的共同特征。Griffith准则用下图表示，从本质上说，Griffith准则其实就是拉伸破坏准则。e. Hoek-Brown准则经过大量的试验和数理统计，研究者也建立了许多适合不同场合和用途的岩石强度经验准则。 其中 1980 年提出的 Hoek-Brown 准则应用比较广泛，因为它考虑了岩石的峰值强度后的软化行为。Hoek-Brown 准则为：13M c 3S c2式中：1 ， 3 分别为岩石中的最大和最小主应力；c 为岩块的单轴抗压强度； m, s为两个无量纲系数，m与岩性有关，而 s 则反映岩石的完整性。简述地应力的主

41、要规律及我国构造应力分布的特点。答：通过理论研究，地质调查和大量地应力测量资料的分析研究，初步认识到浅部地壳应力分布的一些基本规律：(1).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。地应力在绝大部分地区以水平应力为主的三向不等压应力场， 三个主应力的大小和方向是随着空间和时间变化的，因而是非稳定的应力场。地应力在空间上的变化从小范围看是很明显的，应力的大小和方向也是不同的。但是就某个地区整体，地应力的变化是不大的，如我国的华北地区，地应力场的主导方向为北西到近于东西的主压应力。第 3页（共 12页）高等岩石力学在某些地震活动活跃的地区，地应力的大小和方向随时间的变化是很明

42、显的。(2).实测垂直应力基本等于上赋岩层的重量对全世界实测垂直应力V 的统计资料的分析表明，在深度为252700m 的范围内，V 呈线性增长，大致相当于按平均容重27kN/m 3计算出的重力H。但在某些地区的测量结果有一定幅度的偏差。另外，板块移动、岩浆对流和侵入、扩容、不均匀膨胀等也都可引起垂直应力的异常。值得注意的是， 在世界多数地区并不存在真正的垂直应力即没有一个主应力的方向完全与地表垂直， 但绝大多数测点都发现有一个主应力接近与垂直方向， 其与垂直方向的偏差不大于 20，说明地应力的垂直分量受重力的控制，但也受到其它因素的影响。(3).水平应力普遍大于垂直应力实测资料表明，在绝大多数

43、（几乎所有）地区均有两个主应力位于水平或接近水平的平面内， 其与水平面的夹角一般不大于30。最大水平主应力h,max普遍大于垂直应力V ；h, max 与V 之比值一般为0.55.5在浅层地壳中平均水平应力也普遍大于垂直应力，力。，在很多情况下比值大于2。说明，垂直应力在多数情况下为最小主应(4). 平均水平应力与垂直应力的比值随深度增加而减小，但在不同地区，变化速度不很相同。(5). 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。与垂直应力不同的是，在水平主应力线性回归方程中的常数项比垂直应力线性回归方程中常数项的数值要大一些，这反映了在某些地区近地表仍存在显著水平应力的事实。(6)

44、.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。(7).地应力的上述分布规律还会受到地形、地表剥蚀、风化、岩体结构特征、岩体力学性质、温度、地下水等因素的影响，特别是地形和断层的扰动影响最大。我国构造应力具有以下特点：(1). 各地最大主应力的发育呈明显的规律性各地的1 方向均与由各该点向我国的察隅和巴基斯坦的伊斯兰堡联线所构成的夹角等分线方向相吻合或相近似，仅在两侧边缘地带略有偏转，即东侧向顺时针偏转，西侧向逆时针偏转。(2).三向应力状态及其所决定的现代构造活动类型呈有规律的空间分布潜在逆断型应力状态区主要分布于喜马拉雅山前缘一带， 其主要特点是两个水平主应力均大于垂

45、直主应力。第 4页（共 12页）高等岩石力学潜在走滑型应力状态区主要分布于我国中西部广大地区，其主要特点是只有一个水平主应力大于垂直主应力，具中等挤压区的特征。潜在正断型和张剪性走滑应力状态区主要分布于我国的东部和东北部，其主要特点是：区内新生代以来正断层与地堑或断陷盆地十分发育，发育方向NE、NEE，推积厚度数千米；区内 KZKZ堆积具双层结构，E 充填断陷盆地， N-Q 掩埋了 E 时期的地堑和地垒，形成了现代的低平的平原地形，横向差异小；区内地震由两个方向断裂引起，即 NNE向断裂的右旋兼张性活动和NNW向断裂的左旋兼张性活动。卫星影象及天然地震的震源机制资料还揭示，在西藏高原内腹， 还

46、存在着一个局部潜在正断型应力分布区。该区内广泛地发育着可能是新生代形成的近南北向的正断层和地堑式的断陷谷地。该区天然地震的震源机制也大多属正断层，且主拉应力轴为近东西。我国大部分地区最大主应力方向和量值的上述变化规律， 完全是由印度板块与欧亚板块的碰撞、 挤压所导致的。 一般认为，白垩纪末印度板块从西南向北北东方向推移，并在始新世中期末，即大约距今3800 万年前与欧亚板块相碰撞（对接） 。此后印度板块仍以每年约 5cm 的速度向北北东方向推进，这样一种巨大而持续的板块间的相互作用是控制我国西部地区地应力场的决定性因素。在同一时期， 东部太平洋板块和菲律宾海板块则分别从北东东和南东方向向欧亚大

47、陆之下俯冲， 从而分别对我国华北和华南地区地应力场的形成产生重大影响；并认为华北地区目前处于太平洋板块俯冲带的内侧，大洋扳块俯冲引起地幔内高温、低波速的熔融或半熔融物质上涌并挤入地壳，使地壳受拉而变簿，表面发生裂谷型断裂作用，这样形成的北西一南东向拉张和太平洋板块于上地幔深处对欧亚板块所造成的南西西向的挤压相结合，就决定了华北地区现代地应力场和最新构造活动的特征。试述岩爆的机制及如何进行防治。答：处于高应力或极限平衡状态的岩体或地质结构体，在开挖活动扰动下，其内部储存的应变能瞬间释放， 造成开挖空间周围部分岩石从母岩中急剧、 猛烈地突出或弹射出来的一种动态力学现象。 其中核心的条件为： 高三向

48、应力下的能量积聚在开挖条件下顺临空面的瞬时能量释放。常用的控制对策有：(1).宏观均衡整体工程，使隧道线路设计尽可能避开高岩爆区域和岩爆多发地段。(2).在高应力区铺设的隧道，尽可能使隧道走向与最大主应力方向保持一致，并按隧道断面的原岩应力设计断面形状，缓解隧道围岩应力。(3).对于高应力区岩体，采用卸压技术（如钻孔卸压等）来调整隧道围岩应力，使第 5页（共 12页）高等岩石力学隧道周边附近岩体中的集中应力向深部转移。(4).改善围岩性质，岩石的脆性、坚硬和高强度性质是岩爆发生的内在原因，故可以用两方面来进行岩性调整。一是注水软化，另一个是注浆硬化。(5).隧道开挖与岩爆防治相结合。在岩爆多发

49、地段进行超前支护， 防治隧道开挖触发应力集中区岩层在掌子面发生岩爆。对初步成巷的隧道，以柔性支护为原则进行支护设计，逐步提高支护强度。(6).开挖中若发生意外须尽快搞清机理，预防再次发生。简述锚杆支护作用原理及不同种类锚杆的适用条件。答： 岩层和土体的锚因是一种把锚杆埋入地层进行预加应力的技术。锚杆插入预先钻凿的孔眼并固定于其底端，固定后，通常对其施加预应力。锚杆外露于地面的一端用锚头固定，一种情况是锚头直接附着在结构上，以满足结构的稳定。另一种情况是通过梁板、 格构或其他部件将锚头施加的应力传递于更为宽广的岩土体表面。 岩土锚固的基本原理就是依靠锚杆周围地层的抗剪强度来传递结构物的拉力或保持

50、地层开挖面自身的稳定。岩土锚固的主要功能是：提供作用于结构物上以承受外荷的抗力，其方问朝着锚杆与岩土体相接触的点。使被锚固地层产生压应力，或对被通过的地层起加筋作用( 非顶应力锚杆 ) 。加固并增加地层强度，也相应地改善了地层的其他力学性能。当锚杆通过被锚固结构时能使结构本身产生预应力。通过锚杆，使结构与岩石连锁在一起，形成一种共同工作的复合结构，使岩石能更有效地承受拉力和剪力。锚杆的这些功能是互相补允的。 对某一特定的工程而台， 也并非每一个功能都发挥作用。若采用非预应力锚杆，则在岩土体中主要起简单的加筋作用， 而且只有当岩土体表层松动变位时，才会发挥其作用。 这种锚固方式的效果远不及预应力

51、锚杆。效果最好与应用最广的锚固技术是通过锚固力能使结构与岩层连锁在一起的方法。根据静力分析，可以容易地选择锚固力的大小、方向及其荷载中心。由这些力组成的整个力系作用在结构上，从而能最经济有效地保持结构的稳定。采用这种应用方式的锚固使结构能抵抗转动倾倒、沿底脚的切向位移、沿下卧层临界面上的剪切破坏及由上举力所产生的竖向位移。第 6页（共 12页）高等岩石力学岩土的锚杆类型：预应力与非预应力锚杆对无初始变形的锚杆，要使其发挥全部承载能力则要求锚杆头有较大的位移。为了减少这种位移直至到达结构物所能容许的程度， 一般是通过将早期张拉的锚杆固定在结构物、地面厚板或其他构件上，以对锚杆施加预应力，同时也在

52、结构物和地层中产生应力，这就是预应力锚杆。预应力锚杆除能控制结构物的位移外，还有其它有点：1 安装后能及时提供支护抗力，使岩体处于三轴应力状态。2 控制地层与结构物变形的能力强。3 按一定密度布置锚杆，施加预应力后能在地层内形成压缩区，有利于地层稳定。4 预加应力后，能明显提高潜在滑移面或岩石软弱结构面的抗剪强度。5 张拉工序能检验锚杆的承载力，质量易保证。6 施工工艺比较复杂。拉力型与压力型锚杆显而易见，锚杆受荷后，杆体总是处于受拉状态的。拉力型与压力型锚杆的主要区别是在锚杆受荷后其固定段内的灌浆体分别处于受拉或受压状态。拉力型锚杆的荷载是依赖其固定段杆体与灌浆体接触的界面上的剪应力( 粕结

53、应力 ) 由顶端 ( 固定段与自由段交界处)向底端传递的。锚杆工作时，固定段的灌浆体易出现张拉裂缝防腐件能差。压力型锚杆则借助无粘结钢绞线或带套管钢筋使之与灌浆体隔开和特制的承载体，荷载立接传至底部的承载体由底端向固定段的顶端传递的。这种锚杆虽然成本略高于拉力型锚杆，但由于其受荷时，固定段的灌浆体受压，不易开裂，用于永久性锚固工程是有发展前途的。将更值得提出的是国内外研究表明， 在同等荷载条件下， 拉力型锚杆固定端上的应变值要比压力型锚杆大。 另外，压力型锚杆的承载力还受到锚杆截面内灌浆体抗压强度的限制， 因此在钻孔内仅采用一个承载力的集中压力型锚杆， 不可能被设计成有较高的承载力。单孔复台锚

54、固传统的拉力型与压力型锚杆均属于单孔单一锚固体系，它是指在一个钻孔中只安装一根独立的锚杆， 尽管由多根钢绞线或钢筋构成锚杆杆体， 但只有一个统一的自由长段和固定长度。单孔复合锚固体系（ SBMA 法）是在同一钻孔中安装几个单元锚杆，而每个单元锚杆均有自己的杆体、 自由长度和固定长度， 而且承受的荷载也是通过各自的张拉千斤顶第 7页（共 12页）高等岩石力学施加的，并通过预先的补偿张拉 ( 补偿各单元锚杆在同等荷载下因自由长度不等而引起的位移差 ) 而使所有单元锚杆始终承受相同的荷载。采用单孔复合锚固体系，由于能将集中力分散为若干个较小的力分别作用于长度较小的固定段上， 导致固定段上的粘结应力值

55、大大减小且分布也较均匀， 能最大限度地调用锚杆整个固定范围内的地层强度。此外，使用这种锚固系统的整个固定长度理论上是没有限制的，锚杆承裁力可随固定长度的增加而提高。若钳杆的固定段位于非均质地层中，则单孔复合锚固体系可合理调整单元锚杆的固定长度，即比较软弱的地层中单元锚杆的固定长度应大于比较坚硬地层中单元锚杆的锚固长度，以使不同地层的强度都能得到充分利用。还应特别提出的是单孔复合锚固体系可采用全长涂塑的无粘结钢绞线， 组成各单元锚杆的杆体，这种钳杆完全处于多层防腐的环境中， 既可用作高耐久性的永久性锚杆， 也可用作可拆除芯体 ( 钢绞线 ) 的临时性锚杆。单孔复合锚固体系 (SBMA 法) 中最

56、具有实用价值的是压力分散型锚杆。就分形理论、块体理论、岩石损伤与断裂力学和可靠度理论中的某一理论，说明其在岩石力学中应用的意义、目前的困难和发展前景。答：分形几何是由 Mandelbrot （1983）发展起来的一门新的数学分支，用来描述自然界不规则以及杂乱无章的现象和行为。分形几何学主要概念是自相似性和分数维数。Mandelbrot把分形定义为：如果一个集合的Hausdorff维数严格大于它的拓扑维数DT，则该集合为分形。这样的维数可以是整数，也可以是分数，它是图形不规则性的度量。岩石材料作为亿万年地质演变的产物，具有大量自然形成的不同层次的孔隙、空洞和裂纹分布，可以抽象地看成高刚度的海绵体

57、。对一个海绵立方体在欧氏空间看是三维，而在单向压力作用下，由于海绵体的高度空隙性，可以压扁在一个平面上，这时它的维数是二维。 这种维数量刚的突变性说明欧氏空间的整数维只是一个表观维数。事实上，海绵体可以看成一个分形物体（如 Mengor 海绵体），它的维数是处于2 和 3 之间。这说明分形维数能刻画海绵体这类随机分布孔隙体的几何结构本质。第一层次是分形研究的数学基础或形成其基本的数学框架，以及重新认识和建立分形空间中的力学量和力学定律；第 8页（共 12页）高等岩石力学第二层次是广泛、系统地研究探讨岩石力学中的分形行为和分形结构，揭示岩石力学问题中一些复杂现象的分形机理和分形形成过程， 应用分

58、形定量地解释和描述岩石力学过去只能近似描述甚至难以描述的问题和现象；第三层次是岩石力学分形研究的理论和研究成果应用到工程， 对工程中的复杂性关键技术问题进行统计描述，解决工程实际问题，促进工程问题的定量化、精确化和可预测性。在岩石破碎过程中，产生不同尺寸的碎块。随着破碎块度的逐渐减小，必然产生更多的新表面，因此需要耗散更多的能量。从某种意义上讲，破碎过程也就是能量耗散过程。由于岩石破碎过程也是一个分形过程， 可以建立一个分形破碎模型来分析破碎与能量耗散的关系：D3log p log kE C f r21 nr11 n如果说岩石试件的破坏是小尺度的岩石破坏，地震是大尺度的岩石破坏，那么岩爆就算中

59、等尺度的岩石破坏。 岩石试件从微观断裂到试件的破碎都表现出分形特征，而地震工作者也发现地震活动规律具有分形特征，作为岩石中等尺度破坏形式的岩爆也可能具有分形性质。岩爆的物理过程可以用损伤力学来描述，首先由于岩石内的初始损伤在采动应力作用下，在岩体内部形成局部损伤拉应力状态。这些局部损伤拉应力引起岩体内的局部微破裂。随着采动应力的增加，局部微破裂也相应增加，并且在某些区域形成微破裂集聚。该区域的裂纹密度（单位体积的微裂纹数目）明显大于其它背景区域。一些地质构造面的存在使得进一步开采所诱发的应力状态是拉应力，则严重损伤区将演化成岩爆的震心，并形成一个大的岩爆事件。如果进一步开采诱发的是高压应力状态

60、，那么集聚区将经历一个损伤愈合过程，因此一部分应变能将被吸收。 这个过程刚好对应于声发射探测的平静期或反常期。在损伤愈合过程后，持续作用的高应力再一次在严重损伤区形成局部拉应力场。这些微断裂非常容易汇合聚集， 有可能发生一个岩体的大破裂（岩爆） 。岩体内微破裂分形集聚的分形维数与能量释放成负指数相关关系。一个低分形维数值的出现，意味着岩体内将形成一个大的破裂事件，也就对应一次第 9页（共 12页）高等岩石力学岩体失稳事件。 因此可以根据声发射事件分布的分形维数的减小， 作为预测主岩爆发生的指标。简述岩石力学的主要数值方法的基本原理、 适用条件并分析其在岩石力学研究中的发展和前景。答：岩石力学数