岩石力学与工程课后习题与思考解答

第一章岩石物理力学性质1.构成岩石的主要造岩矿物有哪些？答：岩石中主要造岩矿物有：正长石、斜长石、石英、黑云母、白云母、角闪石、辉石、橄榄石、方解石、白云石、高岭石、磁铁矿等。2.为什么说基性岩和超基性岩最简洁风化？答：基性和超基性岩石主要是由易风化的橄榄石、辉石及斜长石组成，所以特殊简洁风化。3.常见岩石的构造连接类型有哪几种？各有什么特点？答：岩石中构造连接的类型主要有两种，分别是结晶连接和胶结连接。结晶连接指矿物颗粒通过结晶相互嵌合在一起。这类连接使晶体颗粒之间严密接触，故岩石强度一般较大，抗风化实力强；胶结连接指岩石矿物颗粒和颗粒之间通过胶结物连接在一起，这种连接的岩石，其强度主要取决于胶结物及胶结类型。4.何谓岩石中的微构造面，主要指哪些，各有什么特点？答：岩石中的微构造面〔或称缺陷〕是指存在于矿物颗粒内部或矿物颗粒及矿物集合之间微小的假设面及空隙。包括矿物的解理、晶格缺陷、晶粒边界、粒间空隙、微裂隙等。矿物解理面指矿物晶体或晶粒受力后沿必需结晶防线分裂成光滑平面，解理面往往平行于矿物晶风光 网间距较大的面网。晶粒边界：由于矿物晶粒外表电价不平衡而引起矿物外表的结合力，该结合力源小于矿物晶粒内局部子、原子、离子键之间的作用力，因此相对较弱，从而造成矿物晶粒边界相对软弱。微裂隙：指发育于矿物颗粒内部及颗粒之间的多呈闭合状态的裂开痕迹线。具有方向性。粒间空隙：多在成岩过程中形成晶粒之间、胶结物之间微小的空隙。5.自然界中的岩石按地质成因分类，可以分为几大类，各大类有何特点？答：按地质成因分类，自然界中岩石可分为岩浆岩、沉积岩和变质岩三大类。岩浆岩遵照岩浆冷凝成岩的地质环境不同又可分为深成岩、浅成岩和喷出岩。其中深成岩常形成巨大的侵入体，有巨型岩体，大的如岩盘、岩基，其形成环境都处在高温高压之下，形成过程中由于岩浆有充分的分异作用，时时形成基性岩、超基性岩、中性岩及酸性、碱性岩等，其岩性较均一，变更较小，岩体构造呈典型的块状构造，构造多为六面体和八面体，岩体颗粒匀整，多为粗-中粒构造，致密坚硬，空隙少，力学强度高，透水性弱，抗水性强；浅成岩成分和相应的深成岩相像，其产状多为岩床、岩墙、岩脉等小侵入体，岩体均一性差，岩体构造常呈镶嵌式构造，岩石常呈斑状构造和均粒-中细粒构造，细粒岩石强度比深成岩高，抗风化实力强，斑状构造那么差一些；喷出岩有喷发及溢流之别，其构造比拟困难，岩性不一，各向异性显著，岩体连续性差，透水性强，软弱构造面发育。沉积岩是由风化剥蚀作用或火山作用形成的物质，在原地或被外力搬运，在适当条件下沉积下来，经胶结和成岩作用而形成的。其矿物成分主要是粘土矿物、碳酸盐和剩余的石英长石等，具层理构造，岩性一般具有明显的各向异性，按形成条件和构造特点，沉积岩可分为：火山碎屑岩、胶结碎屑岩、粘土岩、化学岩和生物化学岩等。变质岩是在已有岩石的根底上，经过变质混合作用形成的。因其形成的温度、压强等变质因素困难，其力学性质差异很大，不能一概而论。6.表示岩石物理性质的主要指标及其表示方式是什么？答：见下表所示：物理性质符号物理意义计算公式容重γ岩石单位体积〔包括岩石内空隙体积〕的重量γ=W/V比重Gs岩石固体局部的重量和4℃时同体积纯水重量的比值Gs=Ws/(Vs·γω〕空隙性总空隙率n岩石空隙的体积和岩石总体积的比值n=Vρ/V×100%总开空隙率no岩石开型空隙的体积和岩石总体积的比值no=Vρ，o/V*100%大开空隙率nb岩石大开型空隙的体积和岩石总体积的比值nb=Vρ，b/V×100%小开空隙率ns岩石小开型空隙的体积和岩石总体积的比值ns=Vρ，s/V×100%闭空隙率nc岩石闭型空隙的体积和岩石总体积的比值nc=Vρ，c/V×100%水理性自然含水率ω自然状态下岩石中水的质量和岩石烘干质量的比值ω=mω/mrd吸水率ωa岩石在常温条件下吸入水分的质量和其烘干质量的比值ωa=(m0-mdr)/mdr×100%饱和吸水率ωsa岩石在强制条件下〔高压、真空煮沸〕下，岩石吸入水的质量和岩样烘干质量的比值,亦称饱水率wsa=(msa-mdr)/mdr×100%饱水系数kω岩石吸水率和饱水率的比值kω=ωa/ωsa×100%透水性岩石能被水透过的性能，用渗透系数衡量软化性ηc岩石浸水后软化的性能，用软化系数衡量(饱水岩样抗压强度和烘干岩样抗压强度比值〕ηc=σcω/σc抗冻性cf岩石抗拒冻融破坏的性能，用抗冻系数衡量〔岩样在±25℃的温度区间内，反复降温、冻结、升温、溶解，其岩样抗压强度下降值和冻融前抗压强度比值〕cf=(σc-σcf)/σc×100%7.岩石破坏有几种形式？对各种破坏的缘由作出说明。答：岩石在单轴压缩载荷作用下，破坏形式包含三种：X状共轭面剪切破坏、单斜面剪切破坏和拉伸破坏。前两类破坏形式主要是因为轴向主应力因起破坏面的剪应力超过岩石最大剪应力而导致的破坏；后一类破坏主要是因为轴向主应力引起破坏面横向拉应力超过岩石最大拉应力而导致的破坏。8.劈裂法试验时，岩石承受对称压缩，为什么在破坏面上出现拉应力？绘制试件受力图说明试验的根本原理。答：试件受力图如下：从图上看出：在圆盘边缘x、y向都表现出压应力，随着位置向圆盘中心移动，X向压应力变小并出现拉应力，并慢慢匀整化，在Y向上，随着位置向圆盘中心靠近，压应力慢慢减小并匀整化，但始终是处于压的状态，又因为岩石抗拉强度低，故圆盘试件在中心沿直径发生劈裂破坏。9.什么是全应力-应变曲线，为什么平凡材料试验机得不出全应力-应变曲线？答：能全面反映岩石受压破坏过程中的应力、应变特征，特殊是岩石破坏后的强度和力学性质变更规律的应力应变曲线就叫全应力-应变曲线。平凡试验机只能得出半程应力-应变曲线不能得出全应力-应变曲线的缘由是由于试验机的刚性缺乏，在岩石压缩过程中，试件受压，试验机框架受拉，随着岩样不断被压缩，试验机发生的弹性变形以应变能形式存于机器中，当施加压力超过岩石抗压强度，试件破坏，此时，试验机快速回弹，被存于试验机中的应变能瞬间释放到岩石试件中，引起岩石的猛烈破坏和崩解，因而造成无法获得岩石在超过峰值破坏强度后受压的应力应变曲线。10.如何依据全应力-应变曲线预料岩石的岩爆、流变和反复加、卸载作用下的破坏？答：〔1〕如以下图示全应力应变曲线：左半部A的面积代表，到达峰值强度时，积累在试件内部的应变能，右半部B代表试件从裂开到破坏所消耗的能量。假设A＞B，说明岩石破坏后尚余一局部能量，这局部能量突然释放就会产生岩爆，假设A＜B，那么说明应变能在破坏过程中全部消耗掉，因而不会产生岩爆。〔2〕在试件加载到必需程度，保持必需应力水平不变，试件将发生蠕变，蠕变发生到必需程度，即应变到达某一值，蠕变就停顿，全应力-应变曲线预料蠕变可由下应变-应力曲线预料蠕变破坏图示意：图中，全应力-应变曲线及蠕变终止轨迹线由大量试验所得，〔1〕当应力在H点以下时，保持应力不变，试件不会发生蠕变；〔2〕当应力在H至G点见时，保持应力不变，试件发生蠕变，最终开展到蠕变终止轨迹线，停顿蠕变，试件不破坏，如EF；〔3〕当应力在G点以上时，保持应力值不变，试件发生蠕变，蠕变应变最终到达破坏段应力应变曲线破坏段，试件发生破坏，如AB,CD；〔4〕从C点起先发生蠕变那么到D点发生破坏，假设从A点发生蠕变，那么到B点发生破坏，前者，蠕变时间较后者长。〔3〕全应力-应变曲线预料循环加载下岩石的破坏：由于岩石的非完全弹性〔或非线弹性〕，在循环荷载作用下，在应力应变图中表现出假设干的滞回环，并不断向破坏段应力-应变曲线靠近，在循环荷载加载到必需程度，岩石将发生乏累破坏，通过全应力-应变图可看出，高应力状态下加载循环荷载，岩石在较短时间内发生破坏，在低应力状态下加载循环荷载那么须要较长时间才发生破坏。11.在三轴压缩试验条件下，岩石的力学性质会发生哪些变更？答：三轴压缩试验条件下，岩石的抗压强度显著增大；岩石的变形显著增大；岩石的弹性极限显著增大；岩石的应力-应变曲线形态发生明显变更，说明岩石由弹性向弹塑性变更。12.什么是莫尔强度包络线？如何依据试验结果绘制莫尔强度包络线？答：莫尔强度理论认为材料在单向压缩、拉伸、纯剪切时所得到的在各种应力状态下的极限应力圆具有一条公共包络线，这条包络线和每个极限应力圆相切，能够反映材料内部各点受外荷载作用时材料破坏的性质，这条包络线就叫做莫尔包络线。对岩石试件的三轴压缩试验，可以通过对同种岩石试件在不同围压条件下〔围压值从小到大〕，绘制莫尔圆，连接各莫尔圆的公切线，形成平滑曲线就能绘制出该岩石试件的莫尔包络线。从工程应用的角度来看，可以在单向拉伸和压缩两种应力状态下，以通过试验结果得到的两个极限应力圆为依据，以这两个圆的公切线作为近似而取直线的公共包络线。13.岩石的抗剪强度和剪切面所受正应力有什么关系？试绘图加以说明？答：如图角模压剪试验受力示意图：上图说明，剪切面上可分解为沿剪切面的剪应力T=Psina/A和垂直于剪切面的正应力N=Pcosa/A，上图示试验说明，剪切面得正应力越大，试件被剪切破坏前的剪应力也越大，因为剪切破坏前必需要克制摩擦力f和剪切面得粘结力〔内聚力〕c，又f=μN，故T=μN+c，及正应力越大，摩擦力越大，岩石发生剪切破坏所需的剪应力也越大，说明抗剪强度越强。14.简述岩石在单轴压缩条件下的变形特征。答：单轴压缩条件下岩石变形特征分四个阶段：〔1〕空隙裂隙压密阶段〔0A段〕：试件中原有张开构造面或微裂隙慢慢闭合，岩石被压密，试件横向膨胀较小，体积随载荷增大而减小。〔2〕弹性变形至微弹性裂隙稳定开展阶段〔AC段〕：岩石发生弹性形变，随着载荷加大岩石发生轴向压缩，横向膨胀，总体积缩小。〔3〕非稳定裂开开展阶段〔CD段〕：微裂开发生质的变更，裂开不断开展直至试件完全破坏，体积由压缩转为扩容，轴向应变和体积应变速率快速增大。〔4〕裂开后阶段〔D点以后〕：岩块承载力到达峰值强度后，内部构造遭到破坏，试件保持整体状，随着接着施压，裂隙快速开展，出现宏观断裂面，此后表现为宏观断裂面的块体滑移。15.简述岩石在反复加载和卸载条件下的变形特性。答：〔1〕线弹性或完全弹性岩石：在反复加载和卸载条件下，因其应力-应变曲线路径重合或形成闭合回路，屡次循环加-卸载，其应力-应变图形不变，因为变形在弹性范围内。〔2〕弹塑性岩石等荷循环加、卸载荷：假如卸载点未超过屈服点，其受力处于弹性状态和〔1〕同论；假设卸载点超过屈服点，在加载过程中发生塑性形变，每次加、卸载都形成滞回环，这些滞回环随着加、卸次数增加而愈来愈窄，并且彼此越来越近，岩石愈来愈接近弹性变形，始终到某次变形没有塑性变形为止，当循环应力峰值小于临界应力σ1时，循环次数刚好许多也不会导致试件破坏，而超临界应力岩σ1石将在某次循环中发生破坏。〔3〕弹塑性岩石不断加大循环加、卸载荷：屡次反复加、卸载，每次施加的最大载荷比上一次循环的最大荷载大，那么形成上述曲线，随循环次数增多，塑性滞回环面积扩大，卸载曲线斜率增加说明卸载应力下的岩石材料弹性有所增加，此外，每次卸载再加载，形成变形记忆曲线，塑性变形随着循环荷载不断加大而增大，当循环加、卸载到必需程度时，试件发生破坏。16.线弹性体、完全弹性体、弹性体三者的应力-应变关系有什么区分？答：如下应力-应变曲线弹性体：应力-应变图成直线形式，满足关系式σ=Eε(E-弹性模量);完全弹性体：应力-应变曲线为曲线，加载卸载曲线重合，满足关系式σ=f(ε);弹性体：加、卸载应力-应变曲线形成闭合的滞回环，卸载曲线和加载曲线不重合，此类材料称为弹性体材料；弹塑性体：加、卸载应力-应变曲线不重合，且不形成闭合的滞回环，此类材料称弹塑性材料，如上图示，其中OM段位可复原的弹性形变，MN段称不行复原的塑性形变。17.什么是岩石的扩容？简述岩石扩容的发生过程。答：岩石扩容是岩石在荷载作用下，在其破坏之前的一种明显的非弹性体积形变。岩石受压过程中，试件随意微小单元X、Y、Z方向发生形变，ε1、ε2、ε3分别对应最大、中间、最小主应变，弹性模量和泊松比为常数的岩石受压体积变更阅历三个阶段：〔1〕体积变形阶段：体积应变在弹性范围内，随应力增加而呈线性变更，此阶段ε1＞|ε2+ε3|体积减小；〔2〕体积不变阶段：体积发生形变，但体积应变增量近似为零，ε1＝|ε2+ε3|体积不变；〔3〕扩容阶段：两侧向变形之和超过最大主应力压缩变形，ε1＜|ε2+ε3|，体积增大。18.什么是岩石的各向异性？什么是正交各向异性？什么是横观各向同性？写出正交各向异性和横观各向同性的岩石应力-应变关系式。答：岩石的全部或局部物理、力学性质随方向不同而表现出差异的现象称着岩石的各向异性；假如在弹性体中存在着三个相互正交的弹性对称面，在各个面两边对称方向上弹性一样，但在这个弹性主向上弹性并不一样，这种物体称为正交各向异性体；其应力-应变对应关系表示为：物体内部某一面的各个方向弹性性质一样，这个面称为各向同性面，垂直该面方向的力学性质不同，具有这样性质的物体称为横观各向异性体，其应力-应变关系表示为：〔需校验〕19.影响岩石力学性质的主要因素有哪些？如何影响的？答：主要影响因素有：水、温度、加载速率、围压、风化程度等。水对岩石力学性质影响：连接作用、润滑作用、水楔作用、空隙压力作用、溶蚀及潜蚀作用等；温度对岩石力学性质影响：一般而言，随温度增高，岩石延性加大，屈服点降低，强度降低；加载速率对岩石力学性质影响：单轴压缩试验时，荷载加载速率愈快，单位应变需用力愈大，反之愈小；围压对岩石力学性质影响：围压的存在使岩石的抗压强度显著增大；岩石的变形显著增大；岩石的弹性极限显著增大；岩石的应力-应变曲线形态发生明显变更；风化对岩石力学性质影响：风化过程中，原生矿物经物理、化学、生物作用而发生变更，产生次生矿物，引起岩体成分构造和构造的变更，降低了岩石的物理力学性质。

其次章岩体力学性质1.岩体赋存环境包括哪几局部？答：包括地应力、地下水和地温三局部。2.地应力对岩体的影响体此时此刻哪几方面？答：〔1〕地应力影响岩体的承载实力。对赋存在必需地应力环境中的岩体来说，地应力对岩体形成的围压越大，其承载实力越大。〔2〕地应力影响岩体的变形和破坏机制。试验说明低围压下表现出脆性破坏的岩体在高围压下呈剪塑性变形。〔3〕地应力影响岩体中应力的传播法那么。地应力可以使不连续变形的岩体转化为连续变形的岩体。3.岩体构造划分的主要依据是什么？答：岩体构造划分的第一依据是岩体构造面类型，分软弱构造面和坚硬构造面；岩体构造划分的其次依据是构造面切割程度或构造体类型，构造体类型有块状构造和板状构造，构造面切割程度有块裂、板裂、碎裂、续断和完整。4.简述各类岩体构造主要地质特征。答：〔1〕完整构造岩体：多为碎裂构造在后生愈合作用下形成，后生愈合包括压力愈合和胶结愈合。压力愈合指具有粘性成分的物质的碎裂岩体经高围压作用下，其构造面重新粘结在一起，形成完整构造；胶结愈合指碎裂岩体经胶结物粘结在一起，形成完整构造，但后期愈合面强度低于原岩强度。〔2〕块裂构造岩体：多组或至少有一组软弱构造面切割及坚硬构造面参和切割成块状构造体的高级序岩体构造，有的是块状原生构造岩体构成，有的是层状原生构造岩体构成，其软弱构造主要是断层，坚硬构造面一般延长较长且多为错动过的坚硬结构面。〔3〕板裂构造岩体：主要发育于经过皱褶作用的层状岩体内，受一组软弱构造面切割，构造体呈板状，软弱构造面组要为层间错动面或块状原生构造岩体内的似层间错动，构造体多为组合板块构造，有的亦为完整板块状构造。〔4〕碎裂构造岩体：切割岩体的构造面主要是原生构造面及构造构造面，分块状碎裂构造及层状碎裂构造两种，前者构造体块度大，厚度匀整，后者块度小。〔5〕续断构造岩体：构造面不连续，对岩体切而不断。〔6〕散体构造：分碎屑状散体和糜棱状散体构造岩体5.阐述工程岩体构造的唯一性。答：岩体构造的分类对特定的工程条件有唯一性，对于确定的地质条件只有在确定的工程尺寸条件下，工程岩体构造才是唯一的。比方，对于小断面的硐室，其涉及的岩体分类可能是完整构造，但对于同样位置大断面的硐室构造而言，岩体分类可能是板裂、块裂、续断、碎裂构造等，这和硐室断面在岩体空间的跨度有关。6.按构造面成因，构造面分为几种类型？答：遵照构造面成因，岩体构造面分为原生构造面、构造构造面及次生构造面。7.构造面的级别及其特征。答：岩体构造面分为五级，见下表：级序分级依据地质类型力学属性对岩体稳定性的影响Ⅰ级延长数十公里，深度可切穿一个构造层，裂开带宽度在数十米至十米以下主要指区域性深达断裂或大断裂属于软弱构造面，构成独立的力学介质单元。影响区域稳定性，山体稳定性，如干脆通过工程区，是岩体变形和限制的条件，形成岩体力学作用边界。Ⅱ级延长数百米至数公里，裂开带宽度比拟窄，几厘米至数米。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、分化夹层等。属于软弱构造面，形成块裂边界。限制山体稳定性，和Ⅰ级构造面可形成大规模的块体破坏，及限制岩体变形记破坏方式。Ⅲ级延展十米或数十名，无裂开带，面内不含泥，有的具泥膜，仅在一个地质时代的地层中分布，有的仅仅在某一种岩性中分布。各种类型的断层、原生软弱夹层、层间错动带等。多数属于坚硬构造面，少数属于软弱构造面。限制岩体的稳定性，和Ⅰ级Ⅱ级构造面组合可形成不同规模的块体破坏，划分Ⅱ类岩体的重要依据。Ⅳ级延展数米，未错动，不夹泥，有的呈弱结合状态，统计构造面节理、劈裂、片理、层理、卸荷裂隙、风化裂隙等。坚硬构造面划分Ⅱ类岩体构造的根本依据，是岩体力学性质、构造效应的根底。破坏岩体的完整性，和其他构造面结合形成不同类型的边坡破坏方式Ⅴ级连续性极差，刚性接触的细小或隐微裂面，统计构造面微小节理，隐微裂裂隙和线理硬性构造面分布随即，降低岩块强度，是岩石力学性质效应根底，假设特殊密集，又因风化，可形成松散介质。8.描述构造面状态的指标。答：〔1〕构造面产状：〔2〕构造面形态：〔2〕构造面延展尺度：〔3〕构造面密集程度：9.构造面的剪切变形、法向变形和构造面的哪些因素有关？答：构造面剪切变形和岩石强度、构造面粗糙度和法向力有关；构造面法向变形和岩石本身的力学性质、构造面粗糙度、构造面受载历史等因素有关。10.构造面的力学性质的尺寸效应体此时此刻哪几个方面？答：(1)随着试块面积增加，岩石平均峰值摩擦角和平均峰值剪切应力呈削减趋势；〔2〕随着构造面尺寸的增大。到达峰值强度时的位移量增大；〔3〕由于尺寸的增加，剪切破坏由脆性破坏向延性破坏转化；〔4〕尺寸加大，峰值剪胀角减小；〔5〕随着构造面粗糙度减小，词寸效应减小。11.在屡次循环荷载作用下岩体变形有什么特点？答：〔1〕加、卸在过程相应的应力-应变曲线出现闭环形式，出现卸载回弹变形的滞后现象，产生剩余变形;(2)随外荷载加大和循环次数增多，闭环曲线慢慢后移，其缘由是岩体裂隙和构造面被严密和啮合所致；〔3〕重复循环加、卸载次数越多，构造体和构造面被压密程度越高，闭环曲线上的滞后变形量越小，甚至把闭环曲线演化成一条直线；〔4〕随着荷载和循环次数的增加，必需程度后，岩体变形由构造限制转变为构造效应的消逝；〔5〕当外载荷降至零，并持续一段时间后，岩体产生较大的回弹变形，及岩体弹性变形能的释放；12.具有单构造面的岩体，其强度如何确定？答：如以下图示：假设构造面受力状态其莫尔应力圆和岩石强度包络线相切，岩石沿某截面发生剪切破坏；当构造面受力状态处于其莫尔强度包络线之上或以上，那么岩体沿该构造面发生破坏，假设构造面受力状态落在其莫尔强度包络线之下，那么岩体不沿该构造面发生破坏。13.多构造面岩体的破坏形式如何分析？答：当构造面受力状态处于其莫尔强度包络线之上或以上，那么岩体沿该构造面发生破坏，假设构造面受力状态落在其莫尔强度包络线之下，那么岩体不沿该构造面发生破坏。考虑构造面和第一主应力σ1的夹角β，分析构造面应力状态，分步应用单构造面理论，见以下图示：图示两组构造面莫尔包络线。〔1〕当第一组构造面和第一主应力夹角2β＜2β1或2β＞2β1’时，岩体不发生破坏；〔2〕当第一组构造面和第一主应力夹角2β1＜2β＜2β2或2β1’＞2β＞β2’时，岩体沿第一组构造面发生破坏；(3)当其次组构造面和第一主应力夹角2β1＜2β＜2β1’，且未到达岩石破坏极限，那么岩体沿其次组构造面破坏；〔4〕上述条件不满足，那么岩体沿某一截面发生破坏。14.简述Heok-Brown岩体强度估算方法。答：Heok-Brown阅历方程表述如下：式中σ1、σ3分别为为破坏时岩体的最大主应力何最小主应力，σc为岩块的单轴抗压强度，m、s为和岩性及构造面有关的常数，分别令σ3=0和σ1=0可得出岩体单轴抗压和抗拉的破坏强度，分别表述为：σmc=σc和σmc=σc(m－)=Tσc〔剪应力表现为：τ=Aσc〔－T〕B其中A、B为常数，查表求得，T=(m－)15.岩体中水渗流和土体中水渗流有什么区分？答：土体渗流特点：〔1〕土体渗透性取决于岩性，土体颗粒越细，渗透性越差〔2〕土体可看成多孔连续介质〔3〕土体渗透性一般具有均质〔或非均质〕各向同性〔黄土为各向异性〕特点〔4〕土体渗流符合达西渗流定律。岩体以裂隙渗流为主，其特点：〔1〕岩体渗透性取决大小取决于岩体中构造面的性质及岩块的岩性〔2〕岩体渗流以裂隙导水、微裂隙和岩石空隙储水为其特点〔3〕岩体裂隙网络渗流具有定向性〔4〕岩体一般看着非连续介质〔5〕岩体渗流具有高度的非均质性和各向异性〔6〕一般岩体中渗流符合达西渗流定律〔7〕岩体渗流受应力场影响明显〔8〕困难裂隙系统渗流，在裂隙穿插处具有“偏流效应”。16.地下水对岩体的物理、化学作用体此时此刻哪几个方面？答：地下水对岩体的物理作用主要表此时此刻润滑作用、软化和泥化作用和结合水的强化作用三个方面；地下水对岩体的化学作用主要体此时此刻地下水和岩体之间的离子交换、溶解作用，水化作用，水解作用，溶蚀作用，氧化复原作用，沉淀作用以及超渗透作用等。17.简述地下水对岩土体的力学作用？答：主要通过空隙静水压力及空隙动水压力作用对岩土体的力学性质施加影响。前者减小岩土体的有效应力而减低岩土体的强度，在裂隙岩体中的空隙静水压力可使裂隙产生扩容变形；后者对岩土体产生切向的推力以降低岩土体的抗剪强度。18.岩体质量分类有什么意义？答：作为选择工程构造参数、科学管理生产以及评价工程经济效益的依据之一。19.如何通过岩体分级确定岩体的有关力学参数？答：如表：级别密度抗剪强度变形模量泊松比ρ/g/cm³φ/°C/MpaⅠ＞2.65＞60°＞2.1＞330.2Ⅱ＞2.6660-5033-20Ⅲ50-3920-6Ⅳ39-276-1.3Ⅴ＜2.25＜27＜0.2＜1.3＞0.3520.CSIR分类方法和Q分类方法各考虑的是岩体的哪些因素？答：CISR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个指标组成；Q分类法考虑RQD值、节理组数、节理粗糙系数、节理蚀变系数、节理水折减系数和应力折减系数6个参数，反映了岩体的完整性，构造面的形态、充填物特征及次生变更程度和地下水和其它应力存在对岩体质量的影响。

第三章地应力及其测量1.简述地应力测量的重要性。答：地应力是引起地下或露天岩石开挖工程变形和破坏的根本作用力，是引起岩石开挖工程稳定性因素中最更本最重要的因素之一，进展地应力测量是确定工程岩体属性，进展围岩稳定性分析，实现岩石工程开挖设计和决策科学化的必要前提条件。2.地应力是如何形成的？限制某一工程区域地应力状态的主要因素是什么？答：地应力的形成主要和地球的各种运动过程有关，其中包括：板块边界受压、地幔热对流、地球内应力、地心引力、地球旋转、岩浆侵入和地壳非匀整扩容等。其中，构造应力场和重力应力场为现今地应力场的主要组成局部。限制工程区域地应状态的主要因素是构造应力场和重力应力场。3.简述地壳浅部地应力分布的根本规例。答：(1)三向不等压，应力分布是时间和空间的函数；〔2〕实测垂直应力根本等于上覆岩层重量〔3〕浅层地壳中，实测水平应力普遍大于垂直应力；〔4〕平均水平应力和垂直应力比值相当分散，随深度增加比值减小；〔5〕最大水平应力和最小水平应力比值随深度增加呈线性增长；〔6〕最大水平应力和最小水平应力比值相差较大，显示出很强的方向性；〔7〕地应力分布规例受地形和断层影响较大。4.地应力测量方法分哪两类？两类的主要区分在哪里？每类包括哪些测量技术？答：依据测量根本原理不同分为干脆测量法和间接测量法。干脆测量法是由仪器干脆测量和记录各种应力气；间接测量法借助某些传感元件或某些介质，测量和记录岩体中某些和应力有关的物理量的变更，以此通过有关公式计算岩体中的应力值。干脆测量法测量技术包括：扁千斤顶法、水力致裂法、刚性包体应力计法和声放射法；间接测量方法包括：全应力解除法〔套孔解除法〕、局部应力解除法〔平行钻孔法和中心钻孔法〕、松弛应变测量法、孔壁崩落测量法和地球物理探测法〔声波视察法和超声波谱法〕等，涉及测量技术包括：孔径变形测量技术、孔底变形测量技术、孔壁应变测量技术、空心包体应变测量技术、实心包体应变测量技术和环境温度的影响及其完全温度补偿技术。5.简述水压致裂法的根本测量原理。答：弹性力学原理知当一无限体中的钻孔受到无穷远处二维应力场〔σ1，σ2〕的作用，离开钻孔端部必需距离部位处于平面应力状态：σθ=σ1+σ2－2〔σ1－σ2〕cos2θσr=0其中，σθ，σr分别为钻孔周边的切向应力和径向应力；θ为周边一点和σ1轴的夹角，当θ=0时，σθ取最小值，此时σθ=3σ2－σ1。接受水压致裂装置将钻孔中某段隔离起来，并向隔离段注射高压水，当水压超过3σ2－σ1和岩石的抗拉强度T之后，岩石在θ=0处发生开裂，开裂时水压为Pi=3σ2－σ1+T，接着增加水压至裂隙深度达3倍钻孔直径，保持压力稳定，测得此稳定压力Ps=σ2，利用上述公式，在测算出岩石抗拉强度T后，就能计算出原岩应力σ1和σ2。岩石存在裂隙水压P0时Pi=3σ2－σ1+T－P0；假设在开裂钻孔中再次注入高压水，使致裂裂隙张开，保持压力稳定，此时测得裂隙重开压力Pr=d3σ2－σ1－P0，结合Ps=σ2就能避开再次测算T而干脆计算出σ1，σ2，到达试验目的。6.简述水压致裂法的主要测量步骤。答：〔1〕打钻孔到准备测量应力的部位，并将钻孔中待加压段用隔离器隔离取来；〔2〕向隔离段钻孔内注入高压水，不断加大水压，至孔壁出现裂隙，记录初始开裂水压Pi；〔3〕接着施加水压，至裂隙深度到达3倍钻孔直径，关闭高压水系统，保持水压很定，并记录次关闭水压Ps，然后卸压使裂隙闭合；〔4〕重新向密闭段注射高压水，是裂隙重新翻开，并记录裂隙重开时的压力Pr和随后的关闭水压Ps；〔5〕重复上述步骤2-3次，以提高测试数据的精确性；卸压，退出装置，完成试验。7.对水压致裂法的主要优缺点作出评价。答：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，亦即平行于最大主应力方向，这是基于岩石为连续、均质和各向同性的假设。假如孔壁本身存在自然节理裂隙，那么初始裂隙可能发生在这些部位，而并非切向最小应力处，因而水压致裂法较为管用于完整的脆性岩石中。水压致裂法的突出优点是测量深部应力，另外水压致裂法在工程应用中相比其它测量方法经济本钱低，测量精度相对牢靠。8.简述声放射的主要测试原理。答：材料在受到外荷载作用时，其内部存储的应变能快速释放产生弹性波，发出声响，称为声放射；声放射测试的原理是基于凯泽效应的；凯泽效应是指多晶金属的应力从其历史最高水平释放后，在重新加载，当应力未到达从前最大应力值〔凯泽点〕时，很少发生声放射现象，当应力到达或超过从前最大应力值时，那么产生大量的声放射现象。9.简述套孔应力解除法的根本测量原理和主要测量步骤。答：套孔应力解除法是一种全应力解除法，通过监测测量岩体在应力解除过程中引起的变形〔孔径变形、孔壁变形、孔底变形〕，进而计算原岩应力场大小及其分布状况。主要测量步骤有：〔1〕从岩开挖体外表〔巷道、隧道、硐室及其它开挖体等〕向岩体内部打大孔。孔径一般130-150mm，孔深一般为开挖跨度的2.5倍，形成大孔之后磨平孔底并在孔底打出同心锥形孔，以利进一步钻同心小孔；〔2〕完成上述工作，从大孔孔底打同心小孔，供安装探头用。孔径一般16-38mm，孔深为孔径的10倍左右，并清洗小孔。〔3〕用专用装置将测量探头，如孔径变形计、孔壁应变计等安装到小孔中部。〔4〕用打大孔的薄壁钻头接着延长大孔，使小孔四周岩芯实心应力解除，并通过测量装置记录小孔变形态况；〔5〕取出岩芯测量岩芯的E，μ等物理力学参数，撤出试验装置，依据理论公式计算原岩应力值。10.简述USBM孔径变形计的根本工作原理。答：USAM孔径变形计探头由3组圆头活塞，每组由2个径向对立的圆头活塞组成，每个圆头活塞由一个悬臂梁式的弹簧施加压力，弹簧正反两面各贴一个应变片记录弹簧拉压形变〔提高测量精度〕，每组圆头活塞沿径向成60°布置，其上4个应变片组成惠特斯顿全桥电路〔解决温度补偿〕，当应力解除，钻孔直径发生形变，圆头活塞预压变形得到释放，应变片探测变形并通过仪器记录下来，这样就实现了孔径变形的测量。11.如何运用USBM孔径变形计测量一点的三维地应力状态？请列出完整的计算过程。答：方式一：垂直钻孔轴线平面内的应力状态求解如以下图表：如图，孔径变形计记录垂直孔轴线平面的变形量U1、U2、U3，通过下试求取平面内主应力σ1，σ2:其中E,υ为岩体弹性模量和泊松比，泊松比可通过在岩芯上贴径向应变片测量其轴向和径向变形而得，对于弹性模量可通过对岩芯施加围压P0，利用公式：其中，U:围岩引起的平均变形量；R、r：套孔岩芯的外、内径。利用上述公式考虑如下条件：当U2＞U3且U2+U3＜2U1时，0°≤β≤45°当U2＞U3且U2+U3＞2U1时，45°＜β≤90°当U2＜U3且U2+U3＜2U1时，90°＜β≤135°当U2＜U3且U2+U3＞2U1时，135°＜β≤180°β为U1和σ1夹角，逆时针为正。打另外一垂直上述孔进展一样的测试，得出另外一组σ1，σ2考虑方向性及可得出岩石三维应力状态σ1，σ2，σ3。方式二：随意空间点三维应力状态求解〔1〕选定整体坐标系Oxyz〔2〕选择局部坐标系O1：O1x1y1z1为钻孔局部坐标系，其中O1z1平行钻孔轴线，求得坐标系O1在整体坐标系中的转换参数；〔3〕测量钻孔径向变形U1；〔4〕利用公式：U1=σx1f1+σy1f2+σz1f3+τx1y1f4其中f1=[(1+2cos2θ)(1－υ2)+dυ2]f2=[(1－2cos2θ)(1－υ2)+dυ2]f3=dυ/Ef4=(1－υ2)sin2θ式中:d为钻孔直径；θ为孔径方向和x1方向夹角，从x1轴逆时针转到孔径方向为正；E、υ分别为岩石的弹性模量和泊松比；计算过程中，装换σx1、σy1、σz1、τx1y1为整体坐标系Oxyz下坐标；〔5〕打三个互不平行相交一点的钻孔，逐个接受上述计算方法，可求解空间一点三维应力状况，得出σx、σy、σz、τxy、τyz、τzx。12.简述CSIR门塞孔式孔底应变计的根本工作原理并对其主要优缺点作出评价。答：CSIR门塞式孔底应变计工作原理为：将电阻应变片粘贴在磨平的孔底，通过延长钻孔，实现粘有应变片的岩芯应力解放，取出该段含应变片的岩芯，到试验室做加载试验，从而发觉原先存在孔底外表的应力。该法缺点是：孔底应力状态和四周原岩应力状态关系困难，影响孔底应变计测量的精度和实际中的运用，同时须要打三个互不平行的钻孔测量；其优点是：不须要很长的套孔岩芯，因而有可能在裂开岩石条件下运用。13.简述孔壁应变计的根本工作原理。答：通过应力解除测量钻孔壁外表应变，进而计算出钻孔外表应力，利用弹性力学原理，一个无限体中的钻孔外表的应力分布状态可以通过四周岩体中应力状态给出精确解，因此，通过钻孔外表应力状态可反算出四周岩体应力状态。14.对CSIR孔壁应变计的主要优缺点作出评价并说明为什么运用GSIR孔壁应变计通过一孔的测量就能确定一点的三维应力状态。答：以无限体中的钻孔受到远处无穷远的三维应力场〔σx、σy、σz、τxy、τyz、τzx〕作用，形成孔边围岩应力分布〔σr、σθ、σz’、τrθ、τθz、τrz〕，二者有一一对应关系，孔壁应变计接受3组12只电阻应变片组成的应变花，每组应变花中各应变片间隔45°，一组应变花能测量四个应变值〔εθ、εz、ε45、ε－45〕可对应列出3个应力应变方程，涉及〔σr、σθ、σz’、τrθ、τθz、τrz〕中3个未知量，经转化可列出涉及原岩应力场〔σx、σy、σz、τxy、τyz、τzx〕中4个应力应变方程式，3组应变花可列出12个涉及原岩应力场全部未知量的12个方程式，因而可以通过3组应变花测量的孔壁形变计算出原三维岩应力场。15.简述空心包体应变计的根本工作原理。答：空心包体应变计主体运用环氧树脂制成的空心圆筒，在其中部沿同一圆周等间距〔120°〕嵌埋三组应变花，每组应变花由3支〔或4支〕应变片组成，测试过程中，运用特地工具将应变计推入安装小孔，用力推动应变计，可以连续其固定销，使应变计柱塞进入内腔，使内腔胶结剂流入应变计和孔壁之间的环形槽中，实现应变计和孔壁严密粘帖，通过应力解除，孔径变更，变形计中各组应变花分别记录孔壁沿不同方向的应变，考虑应变片和孔壁之间夹有必需距离，引入适当修正系数，就可以通过测量应变计算出应力状态。16.空心包体应变计和孔径变形计、孔底应变计及孔壁应变计相比，有哪些主要优点？答：空心包体应变计突出优点是应变计和孔壁在相当大的一个面积上胶结在一起，因此胶结质量好，而其胶结剂可以注入到四周裂隙岩体中，使岩石整体化，因而较易得到完整的套孔岩芯，能够运用在中等裂开和松软岩体中，同时有较好的防水性。17.简述实心包体应变计的根本工作原理。答：实心包体应变计接受实心圆筒环氧树脂中沿9个方向布置10支应变片，胶结剂附着在其端部，运用过程中利用安装工具推入安装小孔底部，应变计底部装有胶结剂的薄膜裂开，胶结剂流出，实现应变计和小孔的严密粘结，解除应力过程中记录各应变片变更，通过适当公式，进而求出各向应力状态。18.实心包体应变计和刚性包体应变计的主要区分是什么？答：实心应变计接受弹性材料环氧树脂，其刚度远远小于岩芯刚度，不影响应力解除过程中，岩芯的变形，因而是测量应变，通过弹性理论学问计算应力；刚性包体那么接受刚度较岩芯刚度高的材料，使岩芯在应力解除过程中，不发生形变，因而是干脆测量应力。19.从环境温度对地应力测量结果的影响，论述地应力解除测量中温度补偿技术的重要性。答：地应力测量过程中多数应变计和形变计都是接受电阻应变片采集测量量数据，电阻应变片是基于电阻应变片长度变更引起电阻变更这一原理，在实际运用过程中，电阻变更受温度影响明显，这就会导致电阻变更，造成虚假的输出结果，影响输出电压，使结果偏离真实。而温度引起的变更可以通过惠特斯顿全桥电路相互抵消，该电路接受4个桥臂，温度变更下，引起4臂温度等量变更，引起各桥电势变更量相互抵消后不引起多余的输出电压，实现温度补偿，在各种应变计设计原理中，USBM孔径变形计就是这类，因此为了削减温度对测量结果的影响，对大多数非全桥电路设计的应变计接受增加补偿臂，实现温度补偿，有重要意义。

第四章岩石本构关系和强度理论1.岩石力学弹性平面问题的根本方程有几个？每一类根本方程是从什么方面考虑的？答：弹性平面问题的根本方程有平衡方程、几何方程和本构方程三种。平衡方程从受力岩石平面中心力矩平衡，X轴向和Y轴向受力平衡考虑列出平衡方程组：几何方程考虑物体受力后的形态和尺寸变更，推导应变重量和位移之间的关系，从而列出几何方程组：本构关系考虑应力和应变〔或应力增量和应变增量〕的关系，通过胡克定理〔完全弹性各向同性体〕建立本构关系方程组〔包括应力问题和应变问题两类〕：或2.什么是岩石的本构关系？岩石的本构关系一般有几种类型？答：岩石的本构关系指岩石的应力或应力速率和其应变或应变速率的关系。依据岩石变形性质，岩石的本构关系可分为岩石弹性本构关系和岩石塑性本构关系，统称为弹塑性本构关系；岩石弹性本构关系依据岩石变形是否成线性分为线性弹性本构关系和非线性弹性本构关系；岩石材料一般表现为既有弹性又有塑性，是弹塑性体，因而依据岩石是否各向同性又分为各向同性弹塑性本构关系和非各向同性弹塑性本构关系。3.什么是岩石的强度？岩石的破坏一般有几种类型？答：岩石强度时指岩石提抗破坏的实力。岩石破坏的形式主要由断裂破坏〔应力到达强度极限〕和流淌破坏(应力到达屈服极限)。4.对于弹性平面问题，〔1〕应力状态有哪两种？其本构方程有什么关系？〔2〕假如体力为常量，其应力分布是否和应力状态和材料性质有关？为什么？答：〔1〕弹性平面问题中应力状态包含垂直平面方形主应力σz=0，εz≠0的应力问题和σz≠0，εz=0的应变问题两类。两类本构方程都是由胡克定理推到而来，只要将应力问题中弹性模量E换成E/〔1－υ2〕，υ换成υ/〔1－υ〕就可得到平面应变问题。〔2〕假如体力为常量，从弹性平面问题解答式看出，平面问题的相容方程、应力重量解答式、边界条件皆不含任何弹性常数，因此平面问题的应力分布规律和材料的性质无关。5.在平面问题中，确定一点M处的应力重量σx、σy、τxy=τyx，参见课本图4-5，试求该点的平行于z轴而倾斜于x轴和y轴的任一斜面上的应力。答：如以下图示：由Σn=0和Στ=0求得，随意截面应力状态：6.运用莫尔应力圆画出：〔1〕单向拉伸；〔2〕纯剪切；〔3〕单向压缩；〔4〕双向拉伸；〔5〕双向压缩。答：如以下图示：7.试证明：在发生最大和最小剪应力的面上，正应力的数值都等于两个主应力的平均值。答：解析法：平面状态下，随意斜面β面上的应力状态由下述公式表示：τ是β的函数，求dτα/dβ=0得到：将上式带回σ求得：σ=〔σ1+σ3〕/2图解法：如以下图莫尔应力圆莫尔应力圆圆心处，取得最大最小剪应力，此处应力σα=〔σ1+σ3〕/2。8.将一个圆柱形材料放在厚壁圆筒内承受轴向压缩，使之无法生产横向应变，〔1〕试利用泊松比确定水平应力和垂直应力之比；〔2〕当泊松比是0.1和0.5时，试计算上述的应力比值；〔3〕试确定各向同性弹性岩石的〔σx+σy+σz〕和体积变更之间的关系。答：(1)题设条件下，圆柱形材料随意垂直于轴向的应变εr=0由胡克定理εr=〔σr－υ〔σr+σz〕/E得：σr/σz=υ/(1－υ)；(2)当泊松比υ=0.1时，σr/σz=0.11；当υ=0.5时，σz/σr=1；(3)完全弹性的各向同性体中，应力应变关系用胡克定律表述如下：上述公式可得：σx+σy+σz=〔εx+εy+εz〕，其中体积应变Δv=εx+εy+εz，因此σx+σy+σz=Δv9.在某些模型试验中，竖向放置的明胶板载侧边赐予约束，使之在这一方不能产生应变，而在明胶板的垂直方向那么不受约束，因而该明胶板处于平面应变状态。假如明胶的密度为γ，至任一点的深度是z，泊松比是υ，试计算明胶板在任一点的水平应力。答：题设条件下：εx=εy=0；σx=σy；σx=γz由胡克定律：得水平应力σx=σy=σzυ/(1－υ)=γzυ/(1－υ)。10.给某一物体内的位移重量为u=v=0，w=w(z)，试求位移函数w(z)。答：计算如下：11.给出简洁拉伸时的增量理论和全理论的本构关系。答：12.试求下述状况的塑性应变增量之比：〔1〕简洁拉伸：σ=σ0〔2〕二维应力状态：σ1=σ0/3，σ2=－σ0/3〔3〕纯剪：τxy=σ0答：13.什么是蠕变、松弛、弹性后效和流变？答：蠕变是当应力不变时，变形随时间增加而增长的现象；松弛是当应变不变时，应力随时间增加而减小的现象；弹性后效是加载或卸载时，弹性应变滞后于应力的现象；流变是指材料变形过程中具有时间效应的现象。14.蠕变一般包括哪几个阶段？每个阶段的特点是什么？答：蠕变过程可分为三个阶段：第一蠕变阶段：应变速率随时间增加而减小，称为削减蠕变阶段或初始蠕变阶段；其次蠕变阶段：应变速率保持不变，称等速蠕变阶段；第三蠕变阶段：应变速率快速增加直到岩石破坏，承加速蠕变阶段。15.不同受力条件下岩石的流变有哪些特征？答：岩石在不同的应力作用下，岩石变形和时间的关系各不一样。当作用在岩石上的应力小于某一值时，岩石的变形速率随时间的增加而减小，最终趋于稳定，这中蠕变称为稳定蠕变。当作用在岩石上的应力超过某一值时，岩石的变形速率随着时间的增加而增加，最终导致岩石的破坏，这种蠕变称为不稳定蠕变。16.描述岩石流变性质的流变方程主要由几种？答：岩石的流变包括蠕变、松弛和弹性后效。其流变方程主要有蠕变方程、松弛方程、弹性后效方程。17.流变模型的根本元件有哪几种？答：流变模型的根本原件有弹性元件、塑性元件和粘性元件三种。18.表达岩石力学中常见的几个流变模型。答：有圣维南〔St.Venant〕体、马克斯威尔〔Maxwell〕体、开尔文〔Kelvin〕体、广义开尔文〔modifiedKelvin〕体、饱依丁－汤姆逊〔Poying-Thomson〕体、博格斯〔Burgers〕体、西原体和宾汉姆〔Bingham〕体等。其中圣维南〔St.Venant〕体：志向弹塑性体，无蠕变、无松弛，无弹性后效；马克斯威尔〔Maxwell〕体：弹粘性体，有瞬时变形，有等速蠕变，有松弛，无弹性后效，有剩余变形。开尔文〔Kelvin〕体：粘弹性体，有稳定蠕变，有弹性后效，无松弛，无瞬变；19.何为岩石长期强度，它和瞬时强度一般有什么样的关系？答：岩石的强度时随外载作用时间的延长而降低的，通常把作用时间t→∞的强度称为掩饰的长期强度；岩石的长期强度一般小于岩石的瞬时强度，其比值一般介于0.4和0.8之间。20.何为岩石强度准那么？为什么要提出强度准那么？答：强度准那么又称为破坏判据，是表示岩石在极限应力状态下〔破坏条件〕的应力状态和岩石强度参数之间的关系。岩石强度准那么是用来判定岩石材料发生破坏的缘由和条件，从而到达工程目的。21.试论述Coulomb、Mohr、Griffith三准那么的根本原理及其主要其别和它们之间的关系。答：库伦准那么认为，岩石材料的破坏主要是剪切破坏，岩石抗摩擦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；莫尔强度理论提出一条反映岩石材料破坏时的极限应力－应变关系曲线，称为莫尔强度包络线，通过绘制反映岩石材料在实际受力条件下的莫尔应力圆，考察莫尔圆和岩石材料包络线之间的位置关系就可以判定岩石材料是否发生破坏及破坏截面的位置。格里菲斯理论认为脆性材料的破坏是由材料内部微裂隙端部拉应力集中而导致的。库伦准那么是摩尔强度理论的一个特例〔直线型莫尔强度包络线〕，不仅适用于岩石的压剪破坏也适用于构造面的压剪破坏，但不适用受拉破坏；莫尔强度理适用和塑性、脆性岩石的剪切破坏，较好的说明白岩石抗压强度远远大于抗拉强度的特征，说明白三向等拉时破坏、等压时不破坏的现象，同时考虑拉、压、剪，可判定破坏方向，但是无视了其次主应力的影响，没有考虑构造面状况，不适合说明拉伸及流变现象；格里菲斯强度理说明白脆性岩石抗压强度时抗拉强度的8倍，反映了岩石的真实状况，但是只适用于脆性材料，对裂隙被压闭合，抗剪强度增高说明不够。22.某均质岩石的强度曲线为：τ=σtanφ+c，其中c=40MPa，φ=30°。试求在侧向围岩应力σ3=20MPa的条件下，岩石的极限抗压强度。并求出破坏面的方位。答：==198.56(Mpa)破断角23.将一个岩石试件进展单轴试验，当其压应力到达27.6MPa时及发生破坏，破坏面和最大主应力面得夹角为60°，假设抗剪强度随正应力呈线性变更，试计算：〔1〕在正应力等于零的那个平面上的抗剪强度；〔2〕在上述试验中和最大主应力面的夹角为30°的那个平面上的抗剪强度；〔3〕内摩擦角；〔4〕破坏面上的正应力和剪应力答：确定得,岩石进展单轴压缩，所以，当时,岩石破坏,那么27.6=得出:C=7.97(Mpa)〔1〕莫尔圆上随意一点的正应力为剪应力为由库仑准那么可知，当=0时,即在莫尔圆上的圆点，即和，所以,剪切强度S：==7.97(Mpa)和最大主应力面的夹角为300时，即该面上为正应力，剪应力为，剪切强度S.==20.7〔Mpa〕=20.7=19.92(Mpa)确定得岩石内摩擦角〔4〕破坏面为所以,==6.9(Mpa)==11.95(Mpa)24.将岩石试件进展一序列单轴试验，求得抗压强度的平均值0.23MPa，将同样的岩石在0.59MPa的围压下进展一序列的三轴试验，求的主应力的平均值为2.24MPa。请你在Mohr图上绘出代表这两种试验结果的应力圆，确定其内摩擦角和粘结力。答：确定，当时Mohr应力圆:上式可求出C和值.2.24=2.01=tg=tg0.59tg=3.407得,61.50由=(Mpa)

第六章岩石地下工程1.设一圆形岩石隧道，R0=3m，γ=2.5kN·m－³，Z=400m。求弹性应力分布状况，并指出最大应力及确定σθ=1.1γZ、1.15γZ时的影响半径。答：确定R0=3m重力应力：P0=γZ=2500×400=10〔MPa〕当围压p=P0时，在圆巷围岩四周的径向应力σr和切向应力σθ为当R=R0时，得出σθ=2P0=20Mpa，为最大切应力；当σθ=1.10γZ时，得出R1=10×R02=900.5,那么R1≈9.5〔m〕；当σθ=1.15γZ时，得出R2=6.7×R02=600.5,那么R2≈7.7〔m〕；也及最大应力为σθ=20Mpa，影响半径分别为9.55m和7.7m。2.通过〔6-6〕式求吉尔西解。设竖向原岩应力为P0，水平应力为λP0，通过吉尔西解，求出深部半径为R0的圆形地下隧道弹性应力，并画出λ=0，λ=1/3，时θ=0°，90°面上的弹性应力分布。答：对于深埋圆巷，受对称荷载p0的围压，视为弹性体，由下述方程及条件：〔平衡方程〕〔几何方程〕〔本构方程－平面应变〕r=R0，σr=0；r→无穷，σr=p0(边界条件)上诉条件解得：上述σr，σθ及为轴对称围压P0条件下的应力解，考虑在围压竖向P0，水平λP0条件下，做如下分解：p0=p+p’λp0=p－p’分为两局部第一局部p和其次局部p’，第一局部解答如上σr，σθ，对其次局部解答，分别代入边界条件:内边界：r=R0，σr=τrθ=0；r→无穷，σr=p0(边界条件)外边界：r→无穷σr=－p’cos2θτrθ=p’sin2θ用同样方法解得应力解为：从而得总应力解〔基尔希解推广〕：当=0，,r=时，=0，=3P0，τrθ=0；当=0，,r=时，=0，=－P0，τrθ=0；当=，,r=时，=0，=3P0，τrθ=0；当=，,r=时，=0，=0，τrθ=0；3.在库伦－莫尔强度曲线上画出轴对称圆巷弹塑性应力问题的几个不同位置的应力圆图：巷道周边、塑性区中任一点、弹性塑性面、弹性区一点、原岩区一点。设支护反力有P1=0，P1=p的两种状况。答：分析如下〔1〕p1=0时巷道周边：r=R0时σr=0，σθ=σc塑性区一点：R0≤r＜Rp时，弹、塑性区一点：令上述公式r=RP即得弹性区一点：Rp＜r＜r→∞时，原岩区一点：r→∞时,上述公式知==p0(2)p1=p时巷道周边：r=R0时σr=p1，σθ=p1+σc塑性区一点：R0＜r＜Rp时，弹、塑性区一点：令上述公式r=RP即得弹性区一点：Rp＜r＜r→∞时，原岩区一点：r→∞时,上述公式知==p04.设有地下隧道如题6图，试用你驾驭的全部方法，确定其顶板、侧帮压力，并进展比拟。答：题设矩形巷道断面尺寸2a×H顶压计算〔两帮不稳定〕：〔1〕普式地下学说平安拱高b1=a1/fd=式中普氏坚实系数fd=σc/10=那么近似顶压集度qd=γdb1〔γd：上覆岩层容重〕巷道顶部压力Qd=2aqd=2ab1γd〔2〕大沙基地压学说顶压集度qd=〔λ为侧应力系数，Z巷道埋深〕那么顶压Qd=2aqd=2a或简化为〔3〕近代弹塑性理论顶压系数qd=γ〔Rp-H/2〕式中那么顶压Qd=2aqd侧帮压力计算：侧帮压力按滑动土体上均布荷载q=qd计算：总测压5.设题6图确定AB，BC，CD，DA，AC，BD可以通过收敛计测获得，求AO，BO，CO，DO。说明通过比拟两次测定计算量是岩壁什么样的变形量，哪些因素会影响它和实际变形量的误差？答：是岩石巷道的收敛变形量；巷道围岩内部的移动会引起测量误差。6.设计一种接受多点位移计和收敛计的测量方法，可以判定巷道收敛位移的测量结果是否确定位移。ACBACBDo多点位移计多点位移计多点位移计

第七章岩石边坡工程1.分析边坡工程对国民经济的影响作用。答：对露天矿山、铁路、公路、水利等国民经济根底建立在生产效益、平安效益、经济效益等方面有干脆影响。2.边坡的分类有哪些？答：分自然边坡和人工边坡。3.分析边坡失稳和破坏的根本类型及其力学成因。答：按其破坏方式主要分为倒塌和滑坡两种。〔1〕倒塌：是指块状岩体和岩坡分别向前翻落而下。倒塌一般以边坡外表的破坏现象表达。〔2〕滑坡：是指岩体在自重力作用下，沿坡内软弱构造面产生的整体滑动。一般以深层破坏表达出来。1.平面剪切滑动：块体沿着平面滑移。常发生在由软弱夹层或裂隙的坡面。2.旋转剪切滑动：滑动面通常为弧形态，岩体沿此弧形态滑移。通常为均质泥岩或页岩等岩层。〔3〕滑塌：边坡松散岩土的坡角大于它的内摩擦角时，因表层蠕动进一步开展，使它沿着剪切变形带顺坡滑移、滚动和坐塌，从而到达稳定坡脚的斜坡破坏过程，称为滑塌。〔4〕岩块流淌：常发生在均质硬岩中，岩石在到达其峰值强度时，岩体发生破坏。而使岩体全面倒塌的状况。〔5〕岩层曲折：当岩层成层状沿坡面分布时，由于岩层本身的重力作用，或由于裂隙水的冰胀作用，增加了岩层之间的张拉应力，使坡面岩层曲折。4.分析影响边坡失稳的主要因素。答：〔1〕存在于边坡中的各种形式的构造面是边坡变形和破坏的首要条件；〔2〕斜坡外形引起的坡体应力分布，导致坡体的变形和破坏；〔3〕坡体岩土体的物理力学性质；〔4〕坡体干脆受到的外力作用。5.土体和岩体的区分何在？答：土体和岩体的构造不同，从而它们的工程地质及水文地质以至力学特性差异显著。6.为何许多滑坡在雨季？答：雨季降雨侵入坡体之中，使边坡体岩土体的力学强度降低，其抗滑力降低；同时，由于裂隙水压加大了滑体上的下滑力，使滑体更简洁发生滑坡。7.哪些因素对节理的抗剪强度有影响？答：可由以下公式给出：其中s：构造面的抗剪强度，σ:作用在滑动面上的正应力，c’：节理面上的有效内聚力，φ’：滑动面上有效内摩擦角，u：滑动面空隙水压。因此其抗剪强度和构造面本身的物理力学性质及滑动面含水状况有关。8.边坡坍塌为何有不同模式？它们能预料吗？答：边坡坍塌的模式不同主要因为不同边坡其赋存环境、受力状况、边坡岩体构造和边坡岩体力学性质不同，其破坏模式可以依据节理裂隙或岩土性质及外力作用条件进展粗略预料。9.监测边坡有何意义？答：发觉隐患，消退危害，有效而经济地接受整治滑坡的措施，保证各种边坡工程的正常运用。10.预报滑坡有无可能？如何才能作出预报？答：可能。监测边坡的变更状况并分析相关资料。监测方法有：(1)地面位移观测法—建网观测〔由设置在滑坡体内及其四周稳定区地表的各个位移观测点〔桩〕，以及设置在滑坡体外稳定区地面的置镜桩等的观测系统〕(2)地表裂缝简易观测法。(3)建筑物裂缝简易观测法(4)地面倾斜变更观测(5)滑坡深部位移观测(6)滑动面位置的测定(7)滑坡滑动力〔推力〕观测上述方法依据实际状况接受一种或多种方法实现精确检测，并作如下工作：〔1〕绘制滑坡位移图，确定主轴方向；〔2〕确定滑坡周界；〔3〕确定滑坡各局部变形的速度；〔4〕确定滑坡受力的性质；〔5〕判定滑坡面的形态；〔6〕确定滑坡移动和时间的关系；〔7〕绘制滑坡移动的平面图和纵断面图；〔8〕确定地表的下沉或上升；〔9〕估计滑体厚度；〔10〕滑坡平衡计算。11.有哪些可供选择的方案可以用来处理病坡？应如何筛选这些方案并作出最终方案选择？答：整治原那么：〔1〕预防为主，治理为辅。〔2〕在技术和经济条件允许的条件下，避开滑坡地段；〔3〕对大中型困难的滑坡应接受一次性根治和分期整治相结合的原那么；〔4〕针对病因综合治理，治早治小；〔5〕因地制宜，推广先进技术，留意施工方法；〔6〕对危机斜坡的各种建筑物接受措施，幸免滑坡；〔7〕全面规划，选择最正确整治方案。整治措施：〔1〕消退或减小地表水或地下水的作用；〔2〕复原山体平衡条件；〔3〕改善滑动带或滑动体土壤性质。为此，接受以下手段：避——工程或建筑物等避开滑坡的影响；排——排水导流，接受多种形式的截水沟、排水沟、急流槽来拦截和排引地表水。挡——抗滑支挡，在滑坡舌部或中前部修筑各种抗滑挡墙，在滑坡体其他不同部位修筑各种多级挡墙，减——减重反压，把滑坡体上部主滑和牵引地段的土石方挖去，填在滑坡下部的抗滑地段，反压阻滑。固——利用物理化学方法加固，以土层固化变更滑动带的土石性质，提高它的强度。如接受陪烧法、电渗排水法、水泥灌浆法、钻孔爆破法等。植——植树造林，防止滑体、岸坡冲刷，稳定滑坡。

第八章岩石地基工程1.岩石地基和土质地基相比有哪些特点？主要表此时此刻那些方面？答：较土质地基岩石地基一般具有较高的抗压、抗剪强度及更大的变形模量，主要表此时此刻高承载力和低压缩性两方面。2.某建筑场地岩石出露，为紫红色泥岩，现场荷载试验测得三个测点的岩石极限荷载为Pu=3.24、2.52、2.16MPa〔取K=4〕，在同一岩层中〔中风化〕取样，测得其饱和单轴抗压强度为fr=3.6、4.7、5.8、6.2、4.5和8.1MPa(取ψ=0.20)。根底宽度b=4.0m、埋深d=1.0m，试求该岩基承载力的标准值fk和设计值f。答：利用公式其中frk:饱和单轴抗压强度标准值；Urk:试件抗压强度的平均值σrk:试件抗压强度值的标准差得标准值fk=得设计值frk=fk×ψ=3.某砌体构造工程，墙下接受直径为300mm的钻孔灌注桩，桩身通长配筋6φ22，箍筋φ6@100，混凝土强度等级为C30，单桩极限承载实力设计值为1000kN，桩体穿越地层状况如图，确定粘土层、粉质粘土层的桩侧土极限摩阻力标准值分别为25kPa、60kPa，岩石饱和单轴抗压强度标准值为8.9MPa，试确定桩体嵌岩深度，并验算桩身桩身是否满足其承载要求。答：4.岩土组合地基有哪几种类型？哪一类地基的变形最不利，为什么？答：5.困难地质条件岩石地基工程处理措施有哪些？各种工程处理方式有哪些技术要点？答：6.铁路路基中路肩的作用是什么？答：7.石质路堑边坡的确定条件是什么？请列举之。答：8.限制坝体岩基破坏的因素是什么？重力坝失稳有哪几种形式？拱坝坝肩对地质条件有何要求？答：9.如8-14〔a〕所示，确定水平推力H1=250kN，V1=500kN，V2=150kN，滑动面AB和BC的面积分别为：A1=50㎡，A2=23㎡，内摩擦系数f1=0.4，f2=0.6，凝合力分别为C1=C2=0，作用在滑移面AB和BC上的抗压力分别为：U1=80kN，U2=20kN。假设确定滑面AB和BC得倾角为α=10°，β=30°，试用“等K法”计算坝基的抗滑平安系数。课本8-14〔a〕：答：〔1〕不按块体极限计算对于块体1：抗滑力= =〔500×cos10°－80－250sin10°〕×0.4+0×50+P =369+PkN〕滑动力=Hcosα+V1sinα =250cos10°+500sin10° =333〔kN〕对于滑块2：抗滑力= =〔150×cos30°－20+Psin40°〕×0.6+0×23 =66－0.4P滑动力=Pcos(α+β)－V2sinβ =0.8P－75K1=K2=K：联立K=(369+P)/333K=(66-0.4P)/〔0.8P－75〕得K=〔2〕遵照块体极限状态计算对块体1：抗滑力= =〔500×cos10°－80－250sin10°〕×0.4/K+0×50/K+P =369/K+P滑动力=Hcosα+V1sinα =250cos10°+500sin10° =333〔kN〕那么369/K+P=333(1式)对块体2：抗滑力= =〔150×cos30°－20+Psin40°〕×0.6/K+0×23/K =(66－0.4P)/K滑动力=Pcos(α+β)－V2sinβ =0.8P－75那么(66-0.4P)/K=0.8P-75(式2)式1和式2联立解得K=

简答题补充1．简述水压致裂法测量地应力的根本原理及测量步骤并对其优缺点作出评价。答：根本原理为：弹性力学原理知当一无限体中的钻孔受到无穷远处二维应力场〔σ1，σ2〕的作用，离开钻孔端部必需距离部位处于平面应力状态：σr=0其中，σθ，σr分别为钻孔周边的切向应力和径向应力；θ为周边一点和σ1轴的夹角，当θ=0时，σθ取最小值，此时σθ=3σ2－σ1。接受水压致裂装置将钻孔中某段隔离起来，并向隔离段注射高压水，当水压超过3σ2－σ1和岩石的抗拉强度T之后，岩石在θ=0处发生开裂，开裂时水压为Pi=3σ2－σ1+T，接着增加水压至裂隙深度达3倍钻孔直径，保持压力稳定，测得此稳定压力Ps=σ2，利用上述公式，在测算出岩石抗拉强度T后，就能计算出原岩应力σ1和σ2。岩石存在裂隙水压P0时Pi=3σ2－σ1+T－P0；假设在开裂钻孔中再次注入高压水，使致裂裂隙张开，保持压力稳定，此时测得裂隙重开压力Pr=3σ2－σ1－P0，结合Ps=σ2就能避开再次测算T而干脆计算出σ1，σ2，到达试验目的。试验步骤为：〔1〕打钻孔到准备测量应力的部位，并将钻孔中待加压段用隔离器隔离取来；〔2〕向隔离段钻孔内注入高压水，不断加大水压，至孔壁出现裂隙，记录初始开裂水压Pi；〔3〕接着施加水压，至裂隙深度到达3倍钻孔直径，关闭高压水系统，保持水压很定，并记录次关闭水压Ps，然后卸压使裂隙闭合；〔4〕重新向密闭段注射高压水，是裂隙重新翻开，并记录裂隙重开时的压力Pr和随后的关闭水压Ps；〔5〕重复上述步骤2-3次，以提高测试数据的精确性；卸压，退出装置，完成试验。优缺点评价：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，亦即平行于最大主应力方向，这是基于岩石为连续、均质和各向同性的假设。假如孔壁本身存在自然节理裂隙，那么初始裂隙可能发生在这些部位，而并非切向最小应力处，因而水压致裂法较为管用于完整的脆性岩石中。水压致裂法的突出优点是测量深部应力，另外水压致裂法在工程应用中相比其它测量方法经济本钱低，测量精度相对牢靠。2．岩体地质力学分类〔CSIR分类〕指标值〔RMR〕的组成指标及其意义是什么？答：CISR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个指标组成。岩块强度以单轴抗压强度或点荷载强度指标表示；RQD值是指10cm及以上长度岩芯累计长度和钻孔长度比值〔百分比〕；节理间距指岩体中两条节理见的平均距离；节理条件包括节理面粗糙度、节理面的连续性、节理宽度和节理面岩石的坚硬程度。3．简述岩石地下工程稳定性的根本原那么。答：〔1〕合理利用和充分发挥岩体强度：=1\*GB3①将工程设置在岩性好的岩层中；=2\*GB3②幸免岩石强度的损坏〔爆破影响及水软化〕；=3\*GB3③充分发挥岩体的承载实力〔通过支护和围岩共同作用原理，适当削减支护刚度，允许围岩适当变形，以充分利用围岩自支撑实力〕=4\*GB3④加固围岩〔锚固、注浆〕；〔2〕改善围岩的应力条件：=1\*GB3①选择合理的隧〔巷〕道断面形态和尺寸；=2\*GB3②选择合理的位置和方向〔最正确轴比〕；=3\*GB3③接受适当的“卸压”手段〔钻孔、爆破、卸压硐室〕；〔3〕合理支护：充分考虑支护的受力状况、支护的经济效益、支护的平安效益，选择合理的支护形式、支护刚度、支护时间等。〔4〕强调监测和信息反应。4．简述岩体边坡变形和破坏的主要形式。答：边坡变形的主要形式主要表现为松动和蠕动。松动：边坡形成初期，在坡面上形成一系列和坡面近于平行的陡倾斜张开裂隙，被这种裂隙切割的岩体便向临方向松开、移动，这种过程和现象称为松动。蠕动：边坡岩体在自重应力为主的坡体长期作用下，向临空方向缓慢而持续的变形，称为边坡蠕动。包括表层蠕动和深层蠕动两种。边坡破坏的主要形式有倒塌和滑坡，其次还有滑塌、岩块流淌、岩层曲折等破坏形式。倒塌：是指块状岩体和岩坡分别向前翻滚而下的现象，小至岩块坠落，大至山崩；滑坡：岩体在重力作用下，沿破内软弱构造面产生整体滑动的现象，分，滑坡方式包括：〔1〕平面剪切滑动：简洁平面剪切滑动、阶梯式滑坡、三维楔体滑坡和多滑块滑动几种模式；〔2〕旋转剪切滑动：岩体沿弧形滑面滑移。5．简述莫尔强度理论，并评价其优缺点。答：莫尔强度理论认为材料的破坏主要是剪切破坏，破坏面的剪应力大于材料破坏面所能承受的最大剪应力〔抗剪强度〕时即发生破坏，材料在各种应力状态下的应力-应变曲线，即莫尔应力圆，具有一条公共包络线，这条包络线和每个极限应力圆相切，能够反映材料内部各点受外荷载作用时破坏的性质，这条包络线就叫做莫尔强度包络线，在实际受力条件下，通过绘制实际状况的应力圆，判定它和材料莫尔包络线之间的关系就可以判定材料是否发生破坏及破坏面的位置。莫尔强度理适用和塑性、脆性岩石的剪切破坏，较好的说明白岩石抗压强度远远大于抗拉强度的特征，说明白三向等拉时破坏、等压时不破坏的现象，同时考虑拉、压、剪，可判定破坏方向，但是无视了其次主应力的影响，没有考虑构造面状况，不适合说明拉伸及流变现象。6．试简述巷道新奥法支护的特点和施工过程。答：新奥法〔新奥地利隧道施工方法的简称〕是将锚杆和喷射混凝土组合在一起作为主要支护手段的一种施工方法。其特点有：〔1〕刚好性：接受喷锚支护为主要手段，可以最大限度的跟紧开挖工作面，利用开挖工作面的时空效应，刚好限制支护前围岩的变形和变形开展，阻挡围岩进入松动状态，必要的状况可进展超前支护。〔2〕封闭性：巷道开挖后，当喷射混凝土以较高速度射向岩面，能很好的充填围岩原生和次生构造面，大大的提高围岩的强度，同时，隔绝了水和空气同岩层的接触，使裂隙充填物不至软化、解体而使裂隙张裂，因而能刚好有效地的防治因水和风化作用造成围岩的破坏和剥落，保持原有岩体强度。〔3〕粘结性：锚喷支护同围岩能全面粘结，这种粘结可以产生三种作用，连锁作用〔也称悬吊作用能防治危岩脱落、冒顶、偏帮〕、复合作用〔也称组合作用能充分发挥围岩和支护的共同作用，发挥围岩自支撑实力〕的和增加作用〔也称挤压加固作用，通过支护的柔性发挥围岩自支撑实力〕。〔4〕柔性：锚喷支护属薄性支护，能够和围岩紧粘在一起共同作用，和围岩共同产生形变，在必需的非弹性变形区能有效地限制塑性区的开展，使岩体自支撑实力得到充分发挥，同时，锚喷支护在受压变形过程中，对岩体产生更大的支护反力，抑制围岩的过大变形，充分发挥支护作用。施工过过程：开挖－一次支护—二次支护。〔1〕开挖：穿孔、装药、爆破、出碴等，尽量一次全断面开挖，开挖之后刚好喷射混凝土，开挖施工和一次支护穿插作业。〔2〕一次支护：包括一次喷浆、打锚杆、联网、立钢架拱、二次喷浆〔3〕二次支护：一次支护后，在围岩趋于稳定时，进展永久支护，补喷混凝土或浇注混凝土内拱。7．试简述岩石蠕变及岩石在不同应力条件下的蠕变特征。答：蠕变是当应力不变时，变形随时间增加而增长的现象，蠕变分为四个阶段：第一蠕变阶段：应变速率随时间增加而减小，称为削减蠕变阶段或初始蠕变阶段；其次蠕变阶段：应变速率保持不变，称等速蠕变阶段；第三蠕变阶段：应变速率快速增加直到岩石破坏，称加速蠕变阶段。岩石在不同的应力作用下，蠕变特征不一样：当作用在岩石上的应力小于某一值时，岩石的变形速率随时间的增加而减小，最终趋于稳定，这中蠕变称为稳定蠕变。当作用在岩石上的应力超过某一值时，岩石的变形速率随着时间的增加而增加，最终导致岩石的破坏，这种蠕变称为不稳定蠕变。8．简述锚喷支护的力学作用原理。答：〔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撑实力；〔2〕锚杆的挤压加固和围岩的变形相互作用〔悬吊作用、组合作用、挤压加固作用〕，进一步加固围岩，提高其整体承载实力。锚喷联合支护是软弱裂开岩体的一种最有效地支护形式，具有主动加固围岩、充分发挥围岩的自支撑实力、良好的抗震性能等优点。9．简述岩石单轴压缩条件下的变形特征。答：岩石在单轴压缩条件下变形可分为四个阶段：