《巖石力學(xué)》復(fù)習(xí)資料

1、巖石力學(xué)復(fù)習(xí)資料1.1 簡述巖石與巖體的區(qū)別與聯(lián)系。答：巖石是由礦物或巖屑在地質(zhì)作用下按一定的規(guī)律聚集而形成的自然物體，力學(xué)性質(zhì)可在實驗室測得；巖體是指由背諸如節(jié)理、裂隙、層理和斷層等地質(zhì)結(jié)構(gòu)面切割的巖塊組成的集合體， 力學(xué)性質(zhì)一般在野外現(xiàn)場進行測定， 因此更接近巖體的實際情況， 反映巖體的實際強度。1.2 巖體的力學(xué)特征是什么？答：（1）不連續(xù)性 ：巖體受結(jié)構(gòu)面的隔斷，多為不連續(xù)介質(zhì)，但巖塊本身可作為連續(xù)介質(zhì)看待；（2）各向異性 ：結(jié)構(gòu)面有優(yōu)先排列位向的趨勢， 隨著受力巖體的結(jié)構(gòu)趨向不同力學(xué)性質(zhì)也各異；（3）不均勻性 ：結(jié)構(gòu)面的方向、分布、密度及巖塊的大小、形狀和鑲嵌狀況等在各部位都很不一致

2、，造成巖體的不均勻性；（4）巖塊單元的可移動性 ：巖體的變形破壞往往取決于組成巖體的巖石塊單元體的移動， 這與巖石塊本身的變形破壞共同組成巖體的變形破壞；（5）力學(xué)性質(zhì)受賦存條件的影響 ：在一定的地質(zhì)環(huán)境中， 巖體賦存有不同于自重應(yīng)力場的地應(yīng)力場、水、氣、溫度以及地質(zhì)歷史遺留的形跡等。1.3 巖石可分為哪三大類？它們各自的基本特點是什么？答：（1）巖漿巖：由巖漿冷凝形成的巖石，強度高、均勻性好；（2）沉積巖：由母巖在地表經(jīng)風(fēng)化剝蝕后產(chǎn)生，后經(jīng)搬運、沉積和結(jié)硬成巖作用而形成的巖石，具有層理構(gòu)造，強度不穩(wěn)定，且具有各向異性；（3）變質(zhì)巖：由巖漿巖、沉積巖或變質(zhì)巖在地殼中受高溫、高壓及化學(xué)活動性流體

3、的影響發(fā)生變質(zhì)而形成的巖石。 力學(xué)性質(zhì)與變質(zhì)作用的程度、性質(zhì)以及原巖性質(zhì)有關(guān)。1.4 簡述巖體力學(xué)的研究任務(wù)與研究內(nèi)容。研究任務(wù) ：建模與參數(shù)辨別；確定試驗方法、儀器與信息處理；現(xiàn)場測試；實際應(yīng)用；研究內(nèi)容 ：巖石與巖體的物理力學(xué)性質(zhì)（巖石的物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)特征，巖石的物理、水理性質(zhì)，巖塊在不同應(yīng)力狀態(tài)作用下的變形和強度特征，結(jié)構(gòu)面的變性特征和強度參數(shù)的確定等） ；巖石和巖體的本構(gòu)關(guān)系（巖塊的本構(gòu)關(guān)系， 巖體結(jié)構(gòu)面分類和典型結(jié)構(gòu)面本構(gòu)關(guān)系，巖體的本構(gòu)關(guān)系） ；工程巖體的應(yīng)力、變形和強度理論（巖體初始應(yīng)力測量及分布規(guī)律，巖體中應(yīng)力、應(yīng)變和位移計算，巖體破壞機理、強度理論和工程穩(wěn)定性維護與評價） ：

4、巖石（巖塊）室內(nèi)實驗（室內(nèi)實驗是巖石力學(xué)研究的基本手段） ；巖體測試和工程穩(wěn)定監(jiān)測（巖體原位力學(xué)實驗原理和方法， 巖體結(jié)構(gòu)面分布規(guī)律的統(tǒng)計測試，巖體的應(yīng)力、應(yīng)變、位移檢測方法及測試數(shù)據(jù)的分析利用，工程穩(wěn)定準(zhǔn)則和安全預(yù)測理論與方法） 。1.5 巖體力學(xué)的研究方法有哪些？研究方法是采用科學(xué)實驗、理論分析與工程緊密結(jié)合的方法。對現(xiàn)場的地質(zhì)條件和工程環(huán)境進行調(diào)查分析，掌握工程巖體的組構(gòu)規(guī)律和地質(zhì)環(huán)境；進行室內(nèi)外的物理力學(xué)性質(zhì)試驗、模型試驗或原型試驗，作為建立巖石力學(xué)的概念、模型和分析理論的基礎(chǔ)。按地質(zhì)和工程環(huán)境的特點分別采用彈性理論、塑性理論、流變理論以及斷裂、損傷等力學(xué)理論進行計算分析。2.1 名詞

5、解釋（1）巖石的質(zhì)量指標(biāo)（ RQD）：大于 10cm的巖心之和與鉆孔總長度的比率。（2）孔隙比：孔隙的體積與固體的體積之比，eVv ；Vc（3）孔隙率：孔隙的體積與試件總體積之比，nVv ；V（4）吸水率：巖石吸入水的質(zhì)量與固體質(zhì)量之比，dd100% ；c（5）風(fēng)化指標(biāo) ：包括軟化系數(shù)（表示抗風(fēng)化能力的指標(biāo)，是試件干燥單軸抗壓強度與飽和單軸抗壓強度的比值，Rcc ，越小表示巖Rcd石受水的影響越大） 和巖石耐崩解系數(shù) （試件實驗前的質(zhì)量與試驗后殘余質(zhì)量的比值， lc 2 mr ）；ms（6）膨脹指標(biāo) ：包括自由膨脹系數(shù)（巖石在無任何條件下，浸水后產(chǎn)生的膨脹變形尺寸與原尺寸的比值，包括軸向自由膨

6、脹率Vhh 100% 和徑向自由膨脹率 Vdd 100% ），巖石的側(cè)向約束膨脹hd率（將具有側(cè)向約束的試件浸入水中，使試件僅產(chǎn)生軸向變形而求得的膨脹率 Vhph1 100% ）以及膨脹壓力 （巖石浸水后， 使試件保持原h(huán)有體積所需施加的最大壓力） ；（7）滲透性：在一定的水壓作用下，水穿透巖石的能力。反映了巖石中裂隙向相互連通的程度，用達西定律描述：QxKdh dxAx ，其中dh 表示水頭變化率。dx2.2 簡述巖石的孔隙比與孔隙率的聯(lián)系。答：孔隙比（ e）是指孔隙的體積與固體的體積之比，孔隙率（ n）是指孔隙的體積與試件總體積之比，其關(guān)系為： e n 。1n3.1 簡述巖柱劈裂破壞機理。

7、答：巖柱受壓時，軸向趨于縮短，橫向趨于擴張，是張拉破壞。當(dāng)試件兩端面無摩擦力時，若試件受到軸向壓縮，試件橫向自由擴張，其中的張拉應(yīng)力使試件產(chǎn)生平行于軸線的垂直裂縫，呈柱狀劈裂破壞。3.2 剛性試驗機的工作原理是什么？答：剛性試驗機（ KmKs），由于試驗機釋放能 Em小于 Es，需要繼續(xù)加載才能使試件產(chǎn)生新的位移，因此，保持峰值強度后的試驗平穩(wěn)進行，并記錄下巖石峰值強度后的應(yīng)力 - 應(yīng)變曲線，即剛性試驗機的工作原理。3.3 什么是環(huán)箍效應(yīng)？列舉在單軸壓縮中克服它的措施。試件受壓時，由于軸向趨于縮短，橫向趨于擴張，而試件和壓板間的摩擦約束作用則阻止其擴張，在試件端面部分形成了一個箍的作用，這一作

8、用隨著遠(yuǎn)離承壓板而逐漸減弱，即環(huán)箍效應(yīng)。措施：在試件與壓板間插入剛度與試件匹配、斷面尺寸與試件相同的墊塊；潤滑試件端部；加長試件。3.4 簡述抗剪試驗及裂隙法試驗的試驗要點?！究辜粼囼灐吭囼炓c： 如圖，將按一定的精度要求加工好的立方體（ 5×5× 5cm）巖石試件，放入鋼制楔形角模內(nèi)；再將夾有試件的角模放在試驗機上緩慢加壓至破壞，并記錄下極限荷載 P。試驗關(guān)鍵技術(shù)： 保持角模整體平衡、穩(wěn)定，防止偏心荷載，使試件按預(yù)定的剪切面剪斷；在加載過程中，角模會產(chǎn)生水平位移，為減少角模與試驗機壓板之間的摩擦力， 在兩者之間放滾柱板； 角模的傾角（試件剪斷面方向角），不能太小也不能太大

9、， 一般在 30°70°?！玖严斗ㄔ囼灐繉嶒炓c：如圖，用一個實心圓柱形試件，使它承受徑向壓縮荷載至破壞，再利用彈性理論推算出巖石的抗拉強度。鋼絲直徑為5mm，作用為將試驗機壓板荷載轉(zhuǎn)化為線性荷載傳遞給試件。試件尺寸為直 徑 d=50mm，長度 t =25mm。 此時， 試件 的單軸 抗拉 強度t 2P 。dt實驗關(guān)鍵：嚴(yán)格對中，為防止試件承受偏心荷載，要求鋼絲墊條平行于試件軸線，上、下兩鋼絲的連線為試件的直徑，保證破裂面通過試件的直徑。3.5 簡述摩爾 - 庫倫曲線的制作方法。答：摩爾曲線制作方法： 在 - 平面上，做一組不同應(yīng)力狀態(tài)下（包括單軸抗拉和單向抗壓） 的極限應(yīng)

10、力圓；找出各應(yīng)力圓上的破壞點；用光滑曲線連接個破壞點，這條光滑曲線就是極限莫爾應(yīng)力圓的包絡(luò)線，即莫爾準(zhǔn)則曲線。庫倫曲線的制作方法：作一系列不同傾角的壓剪試驗，并由式（ 1）計算出不同傾角的破壞面上的正應(yīng)力和剪應(yīng)力；再在 - 平面描點作出強度準(zhǔn)則曲線， 或用數(shù)理統(tǒng)計方法確定其方程。 通常由抗剪試驗得出的強度曲線是一條弧形曲線，一般把它簡化為直線，即得到式（ 2）所示的強度準(zhǔn)則。Pf sin ）（ cosA（1）Pf cos ）（sinAtanc （2）3.6 影響巖石強度的主要因素有哪些？答：（1）承壓板的影響：試件端面的摩擦力約束了試件端面附近的橫向變形；承壓板與試件的剛度不匹配造成兩者變形的

11、不協(xié)調(diào)。（2）試件尺寸及形狀的影響：形狀：圓形不易引起應(yīng)力集中并且容易加工；尺寸：試件的強度隨尺寸的增加而減小；高徑比：高徑比越大試件抗壓強度越低。（3）加載速率的影響： 巖石的單軸抗壓強度隨加載速度增大而增大。（4）環(huán)境影響：含水量：含水量越大強度越低，且?guī)r石越軟影響越明顯；溫度：常溫下溫度的影響 不明顯，超過 180，溫度越高強度越小， 380左右時強度急劇下降。（5）層理結(jié)構(gòu)的影響：巖塊的抗壓強度因受力方向不同而有差異，層理顯著的沉積巖差異更明顯。3.7 簡述單向壓縮下的巖石全過程應(yīng)力應(yīng)變曲線的特征。答：巖石應(yīng)力應(yīng)變?nèi)^程曲線只有在剛性試驗中才能做出，如圖所示，典型巖石應(yīng)力應(yīng)變?nèi)^程曲線

12、一般可以分為5 個階段來描述其性質(zhì)：OA階段，通常被稱為壓密階段。其特征是應(yīng)力應(yīng)變曲線呈上凹型，即應(yīng)變隨應(yīng)力的增大而減小，形成這一特性的主要原因是：存在于巖石內(nèi)部的微裂隙在外力作用下發(fā)生閉合所致。AB階段，彈性變形階段。這一階段的應(yīng)力應(yīng)變曲線基本呈直線。BC階段，塑性變形階段。當(dāng)應(yīng)力值超出屈服應(yīng)力之后，隨著應(yīng)力的增大曲線呈下凹狀，明顯的表現(xiàn)出應(yīng)變增大（軟化）的現(xiàn)象。進入了塑性階段，巖石將產(chǎn)生不可逆的塑性變形。同時1，3 應(yīng)變速率將同時增大但最小主應(yīng)變的應(yīng)變速率3 的增大表現(xiàn)得更明顯。CD階段，為應(yīng)變軟化階段。雖然此時已超出了峰值應(yīng)力，但巖石仍具有一定的承載能力， 而這一承載力將隨著應(yīng)變的增大而

13、逐漸減小，表現(xiàn)出明顯的軟化現(xiàn)象。D點以后為摩擦階段。它僅表現(xiàn)了巖石產(chǎn)生宏觀的斷裂面之后，斷裂面的摩擦所具有的抵抗外力的能力。3.8 試說明巖石流變?nèi)A段的特點。答：巖石的蠕變是指在恒定的壓力作用下應(yīng)變隨時間的增長而增長的特性；巖石的蠕變特性可分為三階段來描述：初始蠕變階段（ AB 段） , 在此階段存在瞬時彈性階段和彈性后效等特性。穩(wěn)定蠕變階段（ BC 段），在此階段存在瞬時彈性變形，彈性后效和粘性流動（永久變形）加速蠕變階段（ C點以后），又稱破壞蠕變階段或非穩(wěn)定蠕變階段，一般過了 C點以后巖石破壞（失穩(wěn)）不可避免。3.9 蠕變力學(xué)模型（兩元件）的結(jié)構(gòu)關(guān)系推導(dǎo)過程。答：（1）馬克斯韋爾模型（

14、 M體）馬克斯韋爾模型是由虎克體（彈簧）和牛頓體（阻尼器）串聯(lián)組成。 M=H-N。蠕變曲線松弛曲線彈性后效和粘性流動靜力平衡條件：12變形協(xié)調(diào)條件：12本構(gòu)關(guān)系：E（ Et）E蠕變方程：0t松弛方程：exp0e（）E0 expt粘性流動：0 t1const流變特征瞬變?nèi)渥兯沙趶椥院笮д承粤鲃覯體有有有無有（ 2）開爾文模型（ K 體）開爾文模型是由彈簧和阻尼器并聯(lián)組成。 K=H|N。蠕變曲線松弛曲線彈性后效和粘性流動靜力平衡條件：12變形協(xié)調(diào)條件：12本構(gòu)方程：E松弛方程：const蠕變方程：01expE t彈性后效：E1 expEt t1流變特征瞬變?nèi)渥兯沙趶椥院笮д承粤鲃覭 體無有無有無（

15、3）賓厄姆模型（ B 體）賓厄姆模型是由滑塊 （圣維南體 St V）和阻尼器并聯(lián)組成。 B=N|StV。蠕變與粘性流動曲線靜力平衡條件：12變形協(xié)調(diào)條件：12（2< f）本構(gòu)關(guān)系：0f（ 2f）（<）（2f）02f粘性流動：10蠕變方程：0f（f）0f（）2t1t1 2f流變特征瞬變?nèi)渥兯沙趶椥院笳承粤餍覰|St V2f無無無無無體2=f無有無無有3.10 莫爾庫侖準(zhǔn)則提出機理是什么？掌握其推導(dǎo)、圖解、主應(yīng)力表示方法。答：（1）提出機理：巖石的破壞屬于壓剪破壞，在破壞面上，剪切破壞力的一部分用來克服與正應(yīng)力無關(guān)的粘結(jié)力， 使材料顆粒間相脫離；另一部分用來克服與正應(yīng)力成正比的摩擦力

16、， 使面間發(fā)生錯動而最終破壞。（2）圖解：（ 3 ）推導(dǎo) ：若破壞面的傾角為 ，則其上的 上的正應(yīng) 力P剪應(yīng)力Pf cos ，將其簡化為直線，即（ cos（ sinf sin ）A）A得到ctan 的強度準(zhǔn)則。（4）主應(yīng)力表示：若某點有一個斜面正好處于極限破壞狀態(tài)，則該點應(yīng)力圓與強度直線相切。由圖的三角關(guān)系可以得出2c cos1sin。1131 sinsin3.11 格里菲斯準(zhǔn)則的基本思想是什么？答：在脆性材料內(nèi)部存在著許多隨機分布的， 相互獨立的微裂紋。在外力作用下，當(dāng)微裂紋尖端處的變形達到某極值時， 裂紋產(chǎn)生擴展、連接、貫通等現(xiàn)象，最終導(dǎo)致材料的破壞。其中有一個方向的裂紋最有利于破裂，在外

17、力作用下，首先在該方向裂紋的尖端張拉擴展。4.1 名詞解釋（1）結(jié)構(gòu)面：是巖體中的軟弱面，是斷層、節(jié)理、褶皺的統(tǒng)稱。是在巖體形成的漫長地質(zhì)作用過程中，形成并不斷發(fā)育的地質(zhì)界面，是一種不連續(xù)面。（2）擴容：指巖體在壓、剪應(yīng)力狀態(tài)下體積增大的現(xiàn)象。發(fā)生在剪切滑移和膨脹性軟弱巖體產(chǎn)生變形時。 在齒狀接觸的結(jié)構(gòu)面中， 當(dāng)結(jié)構(gòu)面沿齒斜面上升時，其上部的巖體會隆起，體積增大，稱為剪脹現(xiàn)象；而當(dāng)結(jié)構(gòu)面沿齒斜面下降的方向滑移時， 滑動面以上的巖體會產(chǎn)生沉降，體積縮小，擴容為負(fù)，稱為減縮現(xiàn)象。4.2 簡述結(jié)構(gòu)面分類及其特征指標(biāo)。答：（1）按地質(zhì)成因 分類：原生結(jié)構(gòu)面、構(gòu)造結(jié)構(gòu)面和次生結(jié)構(gòu)面。（2）按結(jié)構(gòu)面的破壞

18、屬性 分類：分為單個節(jié)理、 節(jié)理組、節(jié)理群、節(jié)理帶以及破壞帶或糜棱巖五大類型。（3）按結(jié)構(gòu)面的分布規(guī)模 分類：相對分類是相對于工程的尺度和類型對結(jié)構(gòu)面的規(guī)模進行分類，可分為細(xì)小、中等、大型三類；絕對分類只考慮了結(jié)構(gòu)面的延伸長度和破壞帶的寬度，將結(jié)構(gòu)面分為五級。4.3 簡述結(jié)構(gòu)面的切向、法向變形特性。答：【切向變形】（1） - u 曲線。結(jié)構(gòu)面的切向變形不僅與受力狀態(tài)有關(guān)，而且與結(jié)構(gòu)面的粗糙度、結(jié)構(gòu)壁強度、充填狀態(tài)等多種因素有關(guān)。按結(jié)構(gòu)面的破壞屬性，變形曲線可以分為四類。有充填結(jié)平面接觸無充填齒狀接觸部分充填齒狀接觸 軟弱式接觸有充填結(jié)平面接觸。結(jié)構(gòu)面之間被膠結(jié)物質(zhì)充填，初始抗剪強度較大，充填物

19、被剪壞后， 接觸面變?yōu)槠矫娼佑|，抗剪強度迅速下降至殘余強度。此時，初始強度即為最大強度，由充填物質(zhì)的抗剪強度決定，而殘余強度受充填物質(zhì)的顆粒級配、 結(jié)構(gòu)壁的強度和形態(tài)等因素的影響。無充填齒狀接觸。隨著剪應(yīng)力的增加，上下接觸面逐漸進入起伏齒接觸，結(jié)構(gòu)面出現(xiàn)向上（剪脹）或向下（剪縮）的位移，當(dāng)部分起伏齒被剪壞時，達到初始強度。隨著位移的增加，起伏齒被剪壞的面積逐漸增大， 受剪面積逐漸減小并產(chǎn)生應(yīng)力集中， 直至剪切面縮小至足以使起伏齒全部被剪壞， 達到最大強度， 結(jié)構(gòu)面變成平面接觸進入殘余變形階段。部分充填齒狀接觸。結(jié)構(gòu)面內(nèi)有部分充填物質(zhì)，當(dāng)充填物質(zhì)被剪壞時，結(jié)構(gòu)面達到初始強度并開始進入齒狀接觸，以

20、后的變形同無充填齒狀接觸，并出現(xiàn)二次強化現(xiàn)象。軟弱式接觸。結(jié)構(gòu)面兩壁巖石比較軟弱，沒有起伏齒狀剪壞現(xiàn)象，但顯示出明顯的塑性變形，并伴隨強化現(xiàn)象。其強度隨位移的增加而增加，直至塑性破壞。（2）擴容現(xiàn)象。指巖體在壓、剪應(yīng)力狀態(tài)下體積增大的現(xiàn)象。發(fā)生在剪切滑移和膨脹性軟弱巖體產(chǎn)生變形時。在齒狀接觸的結(jié)構(gòu)面中，當(dāng)結(jié)構(gòu)面沿齒斜面上升時，其上部的巖體會隆起，體積增大，稱為剪脹現(xiàn)象；而當(dāng)結(jié)構(gòu)面沿齒斜面下降的方向滑移時， 滑動面以上的巖體會產(chǎn)生沉降，體積縮小，擴容為負(fù)，稱為減縮現(xiàn)象?！痉ㄏ蜃冃巍繋r體的結(jié)構(gòu)面一般是粗糙的，開始為點或線接觸，當(dāng)承受垂直于結(jié)構(gòu)面的壓力時，經(jīng)擠壓后，局部破碎或劈裂，逐漸變?yōu)槊娼佑|，并

21、繼續(xù)產(chǎn)生壓縮變形；當(dāng)超過極限之時，其變形將會傳遞給結(jié)構(gòu)體。開始時隨著法向應(yīng)力的增加，結(jié)構(gòu)面閉合變迅速增長， - u 曲線呈上凹形；隨應(yīng)力的不斷增大， - u 曲線逐漸變陡，趨向各自的漸近線u=Vmc，因為只要巖齒不被完全剪平，兩接觸面不可能完全接觸，故Vmc一般小于結(jié)構(gòu)面厚度 e。當(dāng)法向應(yīng)力大于巖塊的極限抗壓強度的三分之一時，含結(jié)構(gòu)面巖體試件的變形由以結(jié)構(gòu)面的閉合為主， 轉(zhuǎn)變?yōu)橐詭r塊的彈性變形為主。結(jié)構(gòu)面的應(yīng)力 - 位移曲線與結(jié)構(gòu)面的類型及巖壁性質(zhì)基本無關(guān)，屬于非線性曲線，可以擬合為雙曲線或指數(shù)曲線。4.4結(jié)構(gòu)面的強度指標(biāo)有哪些？答：（1）平直結(jié)構(gòu)面強度條件：Cwtan w， C w和 w為結(jié)

22、構(gòu)面的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角最易破壞方向：m45w（2）齒狀結(jié)構(gòu)面2規(guī)則齒狀結(jié)構(gòu)面強度條件：tanwi ）（雙線性準(zhǔn)則：（wi）（，爬坡效應(yīng)）tanTCr（，剪齒效應(yīng)）tanrTTCr（i）tan wtan w不規(guī)則齒狀結(jié)構(gòu)面 - 復(fù)雜不表巴頓準(zhǔn)則、萊旦尼準(zhǔn)則。（JRC-結(jié)構(gòu)面粗糙系數(shù)、 JCS-結(jié)構(gòu)壁抗壓強度）（3）非貫通結(jié)構(gòu)面 - 復(fù)雜不表由裂隙面和非貫通的巖橋組成。引入結(jié)構(gòu)面的連續(xù)性系數(shù)K1。（4）充填物的影響顆粒級配。隨著粗顆粒的增加，脆性變形增加，峰值強度逐漸增大，峰值強度后，過渡到理想塑性狀態(tài)。厚度。充填物較薄時，隨厚度的增加摩擦因數(shù)迅速降低，內(nèi)聚力開始時迅速升高， 升到一定值后又逐漸降

23、低； 當(dāng)充填物厚度達到臨界厚度后，摩擦因數(shù)和內(nèi)聚力都趨于某一穩(wěn)定值，此時結(jié)構(gòu)面強度主要取決于充填夾層的強度。充填程度。充填程度越小，結(jié)構(gòu)面抗剪強度越高。4.5 結(jié)構(gòu)面的力學(xué)效應(yīng)分析（結(jié)構(gòu)面傾角與強度的關(guān)系）。答：（1）當(dāng) w或90°時，巖體不可能沿結(jié)構(gòu)面破壞，即結(jié)構(gòu)面的存在不會削弱巖體的強度。（2）巖體最大強度為完整巖石強度，其破壞面與主平面的夾角max452；巖體最小強度為結(jié)構(gòu)面的最小強度，其破壞面與主平面的夾角min45w 。2（3）造成巖體強度削弱的結(jié)構(gòu)面傾角范圍： min max。（4）當(dāng)min 或max時，巖塊先發(fā)生破壞，巖體強度等于巖塊強度；當(dāng) minmax 時，節(jié)理（結(jié)

24、構(gòu)面）先發(fā)生破壞，巖體強度小于巖塊強度； 當(dāng)min 或max 時，巖塊和節(jié)理（結(jié)構(gòu)面）同時破壞，巖體強度等于巖塊強度。（5）巖體強度曲線4.6 巖體的變形模量的表達方式及測量方法？答：巖體變形模量是反映巖體變形特征的力學(xué)參數(shù)，定義為：Em，其中 p+e 為巖體在壓應(yīng)力作用下產(chǎn)生的總應(yīng)變，pe為彈性應(yīng)變， E 為巖體的變形模量， 是 - 曲線的p為永久應(yīng)變， em割線斜率。測量方法：承壓板法、鉆孔變形法、狹縫壓力枕法、巖體變形參數(shù)估算法。5.1 簡述工程巖體分類的目的及原則。答：目的：為巖石工程建設(shè)的勘察、設(shè)計、施工和編制定額提供必要的基本依據(jù)；便于施工方法的總結(jié)，交流，推廣；便于行業(yè)內(nèi)技術(shù)改革

25、和管理。原則：有明確的類級和適用對象；有定量的指標(biāo)；類級一般分五級為宜；分類方法簡單明了，數(shù)字便于記憶和應(yīng)用；根據(jù)適用對象，選擇考慮因素。5.2 影響圍巖分類的主要因素有哪些？答：（1）巖石強度。巖石強度是巖體固有承載能力天然屬性。表示巖石強度的參數(shù)常由實驗測定， 包括巖石的抗壓強度、 抗拉強度和抗剪強度。（ 2）巖體的完整性。巖體的完整性取決于巖體內(nèi)結(jié)構(gòu)面的空間分布狀態(tài)、分布密度、開度、充填狀態(tài)以及充填物質(zhì)的特征性因素。直接影響巖體工程質(zhì)量的優(yōu)劣和工程圍巖的整體穩(wěn)定性。 風(fēng)化作用也是影響巖體完整性的重要因素，目前只能定性描述。（ 3）水的影響。水的影響表現(xiàn)在：使充填物的物理力學(xué)性質(zhì)劣化；減少

26、巖體內(nèi)的有效應(yīng)力，降低了巖體的抗剪強度，改變了巖體中的應(yīng)力場和破壞機理。（ 4）地應(yīng)力。（ 5）工程圍巖的穩(wěn)定性。工程圍巖分類中，通常用巖體工程的自穩(wěn)時間和工程頂部的沉降來反映工程的穩(wěn)定性。5.3 幾種典型的分類方法。答：（1）單因素分類。按巖塊的單軸抗壓強度分類（ 5 類）；按巖體波速分類（ 7 類，完整性系數(shù)：彈性波在巖體中傳播速度與在vpm2巖塊內(nèi)傳播速度比值的平方 K；按巖石質(zhì)量指標(biāo)（ RQD）分v pr類（ 5 類）；按巷道圍巖穩(wěn)定性分類（9 類）。（2）多因素分類。Q分類（逐漸變好）RQDJ rJ wQJ aSRFJ nRQD巖-體的質(zhì)量指標(biāo)， Jn- 巖體裂度影響系數(shù)； Jr -

27、 結(jié)構(gòu)面粗糙度影響系數(shù)； Ja- 結(jié)構(gòu)面巖壁強度降低系數(shù)； Jw- 地下水影響系數(shù)； SRF-應(yīng)力折減系數(shù)。巖體力學(xué)分類法（逐漸變差）RMR=R1+R2+R3+R4 +R5+R6RMR巖-體質(zhì)量分類值； R1- 巖石抗壓強度； R2- 巖體質(zhì)量指標(biāo)； R3-結(jié)構(gòu)面間距； R4- 結(jié)構(gòu)面狀態(tài)； R5- 地下水狀態(tài)； R6- 修正指標(biāo)。5.4 簡述我國工程巖體分級的基本方法。答：我國兩種代表性的分類方法是：煤炭系統(tǒng)圍巖分類（五類，質(zhì)量由最好過渡到最差）和公路隧道圍巖分類（六類，質(zhì)量由最好過渡到最差）。首先以巖石單軸飽和抗壓強度和巖體完整性指標(biāo)為基本參數(shù)，按給定的經(jīng)驗公式計算巖體的基本質(zhì)量指標(biāo)；再考

28、慮地下水、結(jié)構(gòu)面、原巖原應(yīng)力等因素對巖體質(zhì)量的影響，修正巖體基本質(zhì)量指標(biāo)， 將修正后的掩體質(zhì)量指標(biāo)作為定量指標(biāo)，結(jié)合定性描述， 將巖體質(zhì)量分為五級；最后給出了各類巖體的力學(xué)性質(zhì)參數(shù)，描述了各類巖體工程的自穩(wěn)能力。質(zhì)量指標(biāo)： BQ=90+3c+250Kv（ c- 巖石單軸飽和抗壓強度； Kv-巖體完整性系數(shù)）若 c 90+250K ， 取 =90+250K ； 若K 0.4+0.04 c， 取vcvvKv=0.4+0.04 c。質(zhì)量修正指標(biāo)：【BQ】=BQ-100（K1+K2+K3）（K1- 地下水影響修正系數(shù)； K2- 主要軟弱結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀影響修正系數(shù)； K3- 原巖應(yīng)力狀態(tài)影響修正系數(shù)）。6.

29、1 巖體的初始應(yīng)力包括哪些？答：巖體初始應(yīng)力是指巖體在天然狀態(tài)下所存在的內(nèi)在應(yīng)力，又稱為地應(yīng)力。主要包括自重應(yīng)力和構(gòu)造應(yīng)力。6.2 巖體初始應(yīng)力的計算方法。答：（ 1）自重應(yīng)力：海姆公式：原巖處于靜水壓力狀態(tài)。xyzH ；金尼克公式： 地表為水平面， 地下巖體為彈性體，其垂直應(yīng)力等于上覆巖體的自重，xyzz1H（2）構(gòu)造應(yīng)力。由于地質(zhì)構(gòu)造運動而產(chǎn)生的應(yīng)力為地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力，地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力在空間上的分布規(guī)律為地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力場。6.3 簡述水壓致裂法的原理與特點。答：原理：通過液壓泵向鉆孔內(nèi)擬定量測深度加液壓將孔壁壓裂，測定壓裂過程中的各特征點壓力及開裂方位， 然后根據(jù)測得的壓裂過程中泵壓表的讀數(shù)， 計算

30、測點附近巖體中地應(yīng)力大小和方向。 壓裂點上下用止水封隔器密封， 其結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。水壓致裂過程中泵壓變化及其特征壓力示于圖 2 所示。圖 1 水壓致裂法示意圖圖 2 壓裂過程中泵壓變化及特征壓力 P0巖體內(nèi)孔隙水壓或地下水壓力； Pb 注入鉆孔內(nèi)液壓將孔壁壓裂的初始壓裂壓力； Ps液體進入巖體內(nèi)連續(xù)地將巖體劈裂的液壓，稱為穩(wěn)定開裂壓力； Ps0關(guān)泵后壓力表上保持的壓力，稱為關(guān)閉壓力。如果圍巖滲透性大，該壓力將逐漸衰減； Pb0停泵后重新開泵將裂縫壓開的壓力，稱為開啟壓力。特點：設(shè)備簡單。只需用普通鉆探方法打鉆孔，用雙止水裝置密封，用液壓泵通過壓裂裝置壓裂巖體， 不需要復(fù)雜的電磁測量設(shè)備。操

31、作方便。 只通過液壓泵向鉆孔內(nèi)注液壓裂巖體， 觀測壓裂過程中泵壓、液量即可。測值直觀。它可根據(jù)壓裂時泵壓（初始開裂泵壓、穩(wěn)定開裂泵壓、關(guān)閉壓力、開啟壓力）計算出地應(yīng)力值，不需要復(fù)雜的換算及輔助測試，同時還可求得巖體的抗拉強度。測值代表性大。 所測得的地應(yīng)力值及巖體抗拉強度是代表較大范圍內(nèi)的平均值，有較好的代表性。適應(yīng)性強。這一方法不需要電磁測量元件，不怕潮濕，可在干孔及孔中有水的條件下試驗，不怕電磁干擾，不怕震動。6.4 簡述應(yīng)力解除法的原理。答：原理：當(dāng)需要測定巖體中某點的應(yīng)力狀態(tài)時，人為地將該處的巖體單元與周圍巖體分離， 此時，巖體單元上所受的應(yīng)力將被解除。同時，該單元體的幾何尺寸也將產(chǎn)生

32、彈性恢復(fù)。應(yīng)用一定的儀器，測定這種彈性恢復(fù)的應(yīng)變值或變形值， 并且認(rèn)為巖體是連續(xù)、 均質(zhì)和各向同性的彈性體，于是就可以借助彈性理論的解答來計算巖體單元所受的應(yīng)力狀態(tài)。應(yīng)力解除法按測試深度可以分為表面應(yīng)力解除法、 淺孔應(yīng)力解除法及深孔應(yīng)力解除法。 按測試變形或應(yīng)變的方法不同， 又可分為孔徑變形測試法、孔壁應(yīng)變測試法及鉆孔應(yīng)力解除法。6.5 巖體初始應(yīng)力狀態(tài)分布的主要規(guī)律有哪些？答：（1）巖體初始應(yīng)力場是一個非穩(wěn)定應(yīng)力場。巖體初始應(yīng)力絕大部分是以水平應(yīng)力為主的三向不等壓的空間應(yīng)力場， 三個主應(yīng)力大小和方向隨時間和空間變化而變化，是一個非穩(wěn)定的應(yīng)力場。（2）實測垂直應(yīng)力基本上等于上覆巖體重量。 v=

33、0.027H。（3）水平應(yīng)力普遍大于垂直應(yīng)力。 兩個水平應(yīng)力的平均值與垂直應(yīng)力的平均值定義為側(cè)壓力系數(shù)，側(cè)壓力系數(shù)一般為0.55.0 ，大多數(shù)為 0.81.5 。（4）側(cè)壓力系數(shù)與深度的關(guān)系。 關(guān)系不固定，不同地區(qū)有所差異。（5）兩個水平應(yīng)力的關(guān)系hx / hy 一般為0.20.8 ，大多數(shù)為0.40.7 。7.1 名詞解釋（1）圍巖：由于人工開挖使巖體的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生了變化，應(yīng)力狀態(tài)被改變了的巖體叫圍巖。（ 2）二次應(yīng)力狀態(tài)：應(yīng)力重分布后，無支護狀態(tài)下巖體的應(yīng)力狀態(tài)。（3）圍巖壓力：（狹義）圍巖和支護為獨立的兩個體系，圍巖作用于支護上的壓力稱為圍巖壓力； （廣義）支護與圍巖是一個共同體，二次應(yīng)

34、力的全部作用力視為圍巖壓力。7.2 簡述塑、彈性區(qū)應(yīng)力分布特點。答：當(dāng)圍巖進入塑性狀態(tài)時， 的最大值從硐室周邊轉(zhuǎn)移到彈、塑性區(qū)的交界處。 隨著向巖體內(nèi)部延伸， 圍巖應(yīng)力逐漸恢復(fù)到原巖應(yīng)力狀態(tài)。由于塑性區(qū)的出現(xiàn)，切向應(yīng)力 從彈、塑性區(qū)的交界處到硐室周邊逐漸降低。 塑性區(qū)外圈（2 區(qū)）是應(yīng)力高于初始應(yīng)力的區(qū)域，它與圍巖彈性區(qū)中應(yīng)力升高部分（ 3 區(qū)）合在一起稱作圍巖承載區(qū)；塑性區(qū)內(nèi)圈（ 1 區(qū)）應(yīng)力低于初始應(yīng)力的區(qū)域稱作松動區(qū)。松動區(qū)內(nèi)應(yīng)力和強度都有明顯下降，裂隙擴張增多，容積擴大，出現(xiàn)了明顯的塑性滑移，原巖應(yīng)力區(qū)（ 4 區(qū)）未受到開挖影響，巖體仍處于原巖應(yīng)力狀態(tài)。7.3 解釋塑性區(qū)對彈性區(qū)的支護

35、作用。答：洞室周邊的位移公式：u0sin( p0C cot) R2p ，故，硐室塑性2GR0位移與塑性區(qū)半徑的平方及遠(yuǎn)場應(yīng)力成正比。7.4 =1 時彈、塑性應(yīng)力分析開挖引起的圍巖位移的計算。答：塑性區(qū)開挖前： u01（012 ）rP開挖后： u1P0（12）rR02Er 2開挖引起的位移：u1R02EP0r 2彈性區(qū)開挖前： u1P2）r0（01E開挖后：1P0（1 2） rRp21Rp2Er 2ER0ru開挖引起的位移：u1（P0 -2R02ER 0r2 ）7.5 圍巖壓力分為哪幾類？影響圍巖壓力的主要因素有哪些？答：（1）分類：松動壓力。又稱塌落圍巖壓力，是指松動的巖體或施工爆破所破壞的巖

36、體作用在支護結(jié)構(gòu)上的壓力， 即為部分巖石的重量直接作用在支護結(jié)構(gòu)上的壓力； 塑性變形壓力。 阻止圍巖塑性變形時作用在支護上的壓力； 沖擊壓力。 巖體中的能量突然釋放（巖爆）所形成的壓力；膨脹壓力。圍巖膨脹所形成的壓力。（2）影響因素。 地質(zhì)方面（自然屬性）：完整性或破碎程度；結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀、分布密度、力學(xué)性質(zhì)、充填物性質(zhì)及其充填狀態(tài)；地下的活動狀況；巖體的性質(zhì)和強度。 工程方面： 洞室的形狀和尺寸； 支護結(jié)構(gòu)的形式和剛度；洞室的位置、尺度和覆蓋層厚度；施工中的技術(shù)措施，如，控制爆破、開挖順序等；洞室的軸線走向7.6 什么是新奧法？簡述其要點。答：（1）定義：以維護和利用圍巖的自承能力為基點，采用

37、錨桿和噴射混凝土為主要支護手段， 及時進行支護， 控制圍巖的變形和松弛，使圍巖成為支護體系的組成部分，并通過對圍巖和支護的量測、監(jiān)控來指導(dǎo)隧道施工和地下工程設(shè)計施工的方法和原則。（2）要點：開挖作業(yè)多采用光面爆破和預(yù)裂爆破，并盡量采用大斷面開挖，以減少對圍巖的擾動； 隧道開挖后盡量利用圍巖的自承能力，充分發(fā)揮圍巖自身的支護作用；根據(jù)圍巖特征采用不同的支護類型和參數(shù)，及時施作密貼于圍巖的柔性噴射混凝土和錨桿初期支護，以控制圍巖的變形和松弛；在軟弱破碎圍巖地段，是斷面及早閉合，以有效的發(fā)揮支護體系的作用，保證隧道穩(wěn)定；二次襯砌原則上是在圍巖是在圍巖與初期支護變形基本穩(wěn)定的條件下修筑的，圍巖與支護結(jié)

38、構(gòu)形成一個整體，因而提高了支護體系的安全度；盡量使隧道斷面周邊輪廓圓順，避免棱角突變處出現(xiàn)應(yīng)力集中；通過施工中對圍巖和支護的動態(tài)觀察、測量，合理安排施工程序，進行設(shè)計變更及日常的施工管理。7.7 什么是支護圍巖共同作用？答：圍巖既是生產(chǎn)支護荷載的主體，又是承受巖層荷載的結(jié)構(gòu)，支護 - 圍巖作為整體相互作用，共同承擔(dān)圍巖壓力。圍巖壓力是變形壓力和松動壓力的組合， 大部分壓力 ( 特別是變形壓力 ) 由圍巖自身承擔(dān)，只有少部分轉(zhuǎn)移到支護結(jié)構(gòu)上；支護荷載既取決于圍巖的性質(zhì)，又取決于支護結(jié)構(gòu)的剛度和支護時間；圍巖的松動區(qū)和圍巖內(nèi)的二次應(yīng)力狀態(tài)又與支護結(jié)構(gòu)的性質(zhì)和支護時間有關(guān)。7.8 松散巖體的圍巖壓力

39、計算及幾種方法的原理、區(qū)別與聯(lián)系。答：（一）巖柱理論（1）基本假設(shè)： C=0；圍巖壓力 =巖柱的自重 - 柱側(cè)面摩擦力；破壞模式與受力狀態(tài)如下：（2）洞室頂壓力的計算微元素上的側(cè)壓力： d nrl tan 2 452rl - 垂直應(yīng)力； tan2 452- 側(cè)應(yīng)力系數(shù)微元素上的摩擦力： dT dn dl tand n dl - 側(cè)面上的正壓力，tan - 摩擦系數(shù)巖柱兩側(cè)面的總摩擦力為：HHn tan dlHtanrH 2 tan2 45tanF 2dT 2 d2 rl tan2 45ooo22洞頂巖體自重： Q根據(jù)假設(shè)求出Ktan 2 45 tg 22a1rH 1 ， a1a ht g 45

40、2QFrH 1 HK 2a1洞 頂 壓 力 集 度 ： q2a1，根 據(jù) 假 設(shè) 求 出 洞 幫 壓 力 集 度 ： e1q tan2 450，2e2q rh tan 2 4502（3）適用條件：a1dqa130（保證 Q - F0）H0 H maxKdHK ，（二）太沙基理論（1）基本假設(shè)：認(rèn)為巖體是松散體，但存在一定的粘厚力，且服從庫侖準(zhǔn)則：cntan；圍巖的滑移模式和外力情況如圖所示：（2）圍巖壓力計算微元體的平衡條件：vd v 2a1 2a v 2 sdz2a1rdz 0邊界條件： z 0, vq解該微分方程，并令見 =H得洞頂壓力：pv a1 c 1 exp(tanH ) q exp

41、(tanH )tana1a1- 原巖應(yīng)力側(cè)壓力系數(shù)洞室兩邦的壓力： e1PV tan2 45, e2PVh tan2 4522（3）適用條件： H<50m。當(dāng) H時， pra1c ，tan當(dāng) H50時，指數(shù)項的值約為 0.1%7.9 自然冒落拱的形狀是什么？掌握其推導(dǎo)過程。答：（1）根據(jù)普氐理論的基本假設(shè)， 作如圖所示的受力圖。在如圖自然平衡拱上任一點M彎矩為 0：M 0Tyqx20yq x2 （1）22T故自然平衡拱為拋物線型。在拱腳處，有一水平推力T ' ，維持整個拱的平衡，普氐認(rèn)為 T ' 必須小于或者等于垂直反力所產(chǎn)生的最大摩擦力，以使保持拱腳的穩(wěn)定 T 'Qaif ，取： T 'Q ai f / 2qai f ，則x 22x 0 得 TT 'qa1 f（1）得： y2a1 f當(dāng) xa1 時， ya1為拱的矢高，令 ba1 （自然平衡拱的最大ff高度）自然拱的最大跨度：a1ah tan452（2）圍巖壓力計算（自然冒落拱內(nèi)巖體的重量）頂壓（集度）： q1 rd ra 1 取最大值，拱簡化為矩形。f側(cè)壓： e1rb tan 2 45e2r b h tan 2 45228.1 巖石邊坡有那幾種破壞類型，各有何特征？答：（1）崩塌。坡體中被陡傾的張性破壞面分割的巖體，因根部折斷或壓碎而傾倒， 突然脫離