岩体力学教学大纲及答案.docx

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岩体力学教学大纲及答案

思考题

1.何谓岩体力学?

它的研究任务和对象是什么?

岩体力学是力学的分支学科，是研究岩体在各种力场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。

研究对象是各类岩体。

2.岩体力学采用的研究方法是什么?

工程地质研究法，试验法，数学力学分析法，综合分析法。

3.何谓岩块，岩体?

试比较岩块与岩体,岩体与土有何异同点?

岩块是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。

岩体是指在地质历史中形成的，有岩块和结构面网组成的，具有一定结构并赋存在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。

4.岩石的矿物组成是怎样影响岩块的力学性质的?

一般来说，含硬度大的粒柱状矿物（如石英、长石、角闪石、辉石等）越多时，岩块强度越高；

含硬度小的片状矿物（如云母、绿泥石、蒙脱石、高岭石等）越多时，岩块的强度越低。

5.何谓岩块结构?

它是怎样影响岩块的力学性质的?

岩块的结构是指岩石内矿物颗粒的大小、形状、排列方式和颗粒间连接方式以及微结构面发育情况等反映在岩块构成上的特征。

一般来说，结晶越细、越均匀，非晶质成分越少，岩块强度越高。

6.岩体力学研究岩块有何实际意义

7.何谓结构面?

从地质成因和力学成因上各自分为哪几类?

各自什么特点?

结构面是指地质历史发展过程中，在岩体内形成的具有一定延伸方向和长度，厚度相对较小的地址界面或带。

地质成因类型分类：

●原生结构面（沉积结构面、岩浆结构面、变质结构面）：

原生结构面中，除部分经风化卸载作用裂开者外，多具有不同程度的联结力和较高的强度；

●构造结构面：

工程地质性质很差，其强度接近于岩体的残余强度，主要影响岩体的完整性和力学性质；

●次生结构面：

包括卸荷裂隙（具有张特性）、风化裂隙、次生夹泥层和泥化夹层（性质差，属于软弱结构面）等。

力学成因类型分类：

●张性结构面：

张开度大、连续性差、形态不规则、面粗糙、起伏大及破碎带较宽等，构造岩多为角砾岩，因此含水丰富，导水性强；

●剪性结构面：

连续性好，面较平直，延伸较长并有擦痕、镜面等现象发育。

8.何谓岩体结构?

各类岩体结构的主要区别是什么?

（P21）

岩体结构是指岩体中的结构面和结构体的排列组合特征。

不同结构类型的岩体，其岩石类型、结构体、结构面的特征不同。

分为：

整体块结构、块状结构、层状结构、碎裂状结构、散体状结构。

（强度和稳定性依次减小）

9.剪性结构面有何特征?

为什么岩体中以剪性结构面数量最多?

剪性结构面的特点是连续性好，面较平直，延伸较长并有擦痕、镜面等现象发育。

10.结构面特征包括哪几个方面?

各自用什么指标表示?

定义如何?

它是怎样影响岩体力学性质的?

（P15）

a）产状：

用走向、倾向、倾角表示，结构面与最大主应力的关系控制着岩体的破坏机理和强度；

b）连续性：

结构面的连续性反映结构面的贯通程度，常用线连续性系数，迹长和面连续性系数等表示。

结构面的连续性对岩体的变形、破坏机理、强度和渗透性都有很大的影响；

c）密度：

结构面的密度反映结构面发育的密集程度，常用线密度Kd、间距d（两者互为倒数）等指标表示；

d）张开度：

结构面的张开度e是指结构面两壁之间的垂直距离。

一般导致粘聚力降低，若有填充物则其强度主要由填充物决定。

另外，结构面的张开度对岩体的渗透性有很大的影响。

（分级有闭合结构面、裂开结构面和张开结构面）；

e）填充胶结特征：

结构面经胶结后，力学性质有所改善。

改善程度随胶结物成分不同而异。

未胶结的张开面往往被外来物质填充，其力学性质取决于填充物成分、厚度、含水性和的壁岩性质等。

（分类薄膜填充、断续填充、连续填充及厚层填充）；

f）结构面组合关系：

结构面组合关系控制着可能滑移岩体的几何边界条件、形态、规模、滑动方向及滑移破坏类型。

11.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?

岩体分类是通过岩体的一些简单和容易实测的指标，把工程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、施工和处理等方面成功与失败的经验教训，对岩体进行归类的一种工作方法。

RMR值分类（P118）分类指标：

岩块强度、RQD值、节理间距、节理条件及地下水

方法：

（1）根据各类指标的数值，按表中A的标准评分，求和得总分RMR值。

（2）按表的规定对总分作适当的修正

（3）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，φ）值。

岩体质量指标Q值（P119）有

其中RQD为岩石质量指标；Jn为节理组数；Jr为节理粗糙度系数；Ja为节理蚀变系数，Jw为节理水折减系数；SRF为应力折减系数。

JW/SRF表示水与其它应力存在对岩体质量的影响；RQD/Jn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；

12.何谓岩石的吸水性、软化性、抗冻性、渗透性？

各自用什么指标表示？

定义如何？

三大类岩的上述指标如何？

a）岩石的吸水性是指岩石在一定条件下吸收水分的能力常用吸水率Wa（

），饱和吸水率Wp（

）和饱和系数

，沉积岩吸水性较强。

b）岩石的软化性是指岩石浸水饱和后强度降低的性质，用软化系数KR表示，为岩石试件的饱和抗压强度（σcw）与干抗压强度（σc）的比值，用百分比表示。

当岩石中含有较多的亲水性和可溶性矿物，且含大开空隙较多时，岩石的软化性较强，软化系数较小。

c）岩石的抗冻性是指岩石抵抗冻融破坏的能力，抗冻系数（Rd）是指岩石试件经反复冻融后的干抗压强度（σc2）与冻融前干抗压强度（σc1）之比，用百分数表示；质量损失率（Km）是指冻融试验前后干质量之差（ms1－ms2）与试验前干质量（ms1）之比，以百分数表示。

d）岩石的渗透性是指在一定的水力梯度或压力差作用下，岩石能被水透过的性质，常用渗透系数K（渗透流速与水力梯度的比值）表示。

一般裂隙发育时，渗透系数急剧增大。

13.岩块在单向压力条件下的变形过程有什么特征？

空隙压密阶段（OA）：

（应力应变曲线呈上凹型）

弹性变形阶段（AB）：

B点:

弹性极限

微裂隙稳定发展阶段（BC）：

C点:

屈服强度

非稳定发展阶段（CD）：

D点:

峰值强度

14.常用于岩块变形与强度性质的指标有哪些？

定义如何？

各自的测定方法式什么？

影响各种力学指标的因素有哪些？

三大类岩的各种指标如何？

（P46）

变形性质指标：

变形模量（初始模量、切线模量和割线模量）和泊松比（在实际工作中，常采用σｃ／２处的εｄ与εＬ来计算岩块的泊松比）

岩块的变形模量和泊松比受岩石矿物组成、结构构造、风化程度、空隙性、含水率、微结构面及其与荷载方向的关系等多种因素的影响，变化较大。

强度性质指标：

1）单轴抗压强度（P56、57）：

在单向压缩条件下，岩石所能承受的最大压应力。

影响因素（实验思考题有，内因外因）

2）三轴压缩强度：

试件在三向压应力状态下能抵抗的最大轴向应力（影响因素：

岩石本身性质和实验条件）

3）单轴抗拉强度：

岩石在单向拉伸时能承受的最大拉应力（影响因素：

矿物成分、（裂隙）空隙、颗粒联结）

4）剪切强度：

在剪切荷载作用下，岩石抵抗剪切破坏的最大剪应力。

（影响因素：

岩石颗粒间联结的牢固程度）

15.何谓三轴压缩强度、强度包络线？

围压对岩块变形、破坏及强度的影响如何？

三轴压缩强度：

试件在三向压应力状态下能抵抗的最大轴向应力

根据一组试件试验得到的三轴压缩强度σ1m和相应的σ3以及单轴抗拉强度σt。

在σ-τ坐标系中可绘制出一组破坏应力及其公切线，即为岩块的强度包络线。

各种岩石的三轴压缩强度σ1m均随围压σ3的增大而增大，但σ1m增加速率小于σ3的增加率，此外围压还影响岩块的残余强度。

16.试推导出岩块强度参数及应力间的关系式。

见14题。

三轴试验求岩块剪切强度参数C、Φ值的方法是将一组试件试验得到的三轴压缩强度σ1m和相应的围压σ3投影到σ1-σ3坐标中，得到极限的σ1-σ3曲线，然后在该曲线上选取最佳直线段，得到斜率m截距b，有：

17.何谓蠕变、蠕变模型？

研究它有何实际意义？

常见的几种模型的本构关系如何？

蠕变是指岩石在恒定的荷载应力作用下，其变形随时间而逐渐增大的性质。

蠕变模型法是将岩石材料抽象成一系列简单的元件及其组合模型来模拟岩石的蠕变特性构成其本构方程的方法。

岩石蠕变是一种十分普遍的现象，在天然斜坡，人工边坡及地下洞室中都可以直接观测到，由于岩石蠕变的影响，在岩体内及建筑物内会产生应力集中而影响其稳定性。

Maxwall模型由弹性元件和粘性元件串联而成。

Kelvin模型由弹性元件和粘性元件并联而成。

18.何谓强度判据？

常见的几种判据的表达式与应用条件如何？

如何判别岩石中一点是否破坏？

19.分别总结结构面的法向变形与剪切变形的主要特征？

法向变形主要特征（P67）：

剪切变形主要特征（P73）：

20.结构面的法向刚度与剪切刚度的定义如何？

各自如何确定？

法向刚度Ｋｎ是指在法向应力作用下，结构面产生单位法向变形所需要的应力，在数值上等于σｎ-Ｖｊ曲线上一点的切线斜率。

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τ-u曲线上任一点的切线斜率。

21.总结四种类型结构面的剪切强度特征（表达式及强度曲线特征）

一、平直无充填的结构面：

二、粗糙起伏无充填的结构面

1、规则锯齿形结构面：

剪断后有

2、不规则起伏结构面

三、非贯通断续的结构面：

四、具有充填物的软弱结构面：

过于繁琐

22.原位岩体的力学试验与岩块力学试验在本质上有什么区别？

23.岩体的变形性质与岩块相比有什么区别？

在外力作用下岩体的变形是岩块变形和结构变形的总和，而结构变形通常包括结构面闭合、充填物的压密及结构体转动和滑动等变形。

24.常见确定岩体变形参数的原位试验有哪几种？

平板荷载试验和声波法试验的基本原理是什么？

●静力法：

承压板法、钻孔变形法、狭缝法、水压洞室法、单（双）轴压缩试验法。

●动力法：

声波法、地震波法。

●静力法实验原理：

在选定的岩体表面、槽壁或钻孔壁面上施加法向荷载，并测定其岩体的变形值；然后绘制出压力-变形关系曲线，计算出岩体的变形参数。

●声波法实验原理：

用人工方法对岩体发射（或激发）声波，并测定其在岩体中的传播速度，然后根据波动理论求岩体的变形参数。

25.岩体的动弹性模量与静弹性模量相比如何？

为什么？

不管岩体还是岩块，其动弹性模量普遍大于静弹性模量，一般两者的比值Ed/Eme对于完整坚硬的岩体为1.2到2.0；而对于风化，裂隙发育的岩体和软弱岩体Ed/Eme较大，一般为1.5到10.0。

原因：

●静力法采用的最大应力一般在1到19Mpa之间，少数则更大，变形量常以毫米计，而动力法的作用应力则约为10-4Mpa量级，引起的变形量微小，因此静力法必然会测得较大的不可逆变形，而动力法测不到这种变形。

●静力法持续的时间比较长。

●静力法扰动了岩体的天然结构和应力状态。

然而由于静力法实验时，岩体的受力情况更接近于工程岩体的实际受力状态，故在实际应用中除某些特殊情况外，多数工程仍以静力变形参数为主要设计依据。

26.在垂直层面的法向应力作用下，层状岩体的变形参数怎样确定？

（P89）

均假设为岩体各岩层厚度相等为S，且性质相同。

岩块变形参数为E，μ和G，层面的变形参数为Kn，取n-t坐标系，n为垂直层面，t为平行层面。

（1）法向应力σn作用下的岩体变形参数

1）沿n方向加荷

2）沿t方向加荷

（2）剪应力作用下的岩体变形参数

27.原位岩体剪切试验的原理是什么？

通过它可以求得哪些参数？

在平巷中制备试件，并以两个千斤顶分别在垂直和水平方向上施加外力进行直剪。

可以获得1）岩体剪应力τ-剪位移u曲线及法向应力σ-法向变形W曲线。

2）剪切强度曲线及岩体剪切强度参数Cm、Φm值

28.工程岩体常见的破坏形式有哪几种？

对应的强度叫什么强度？

各自有何区别？

29.何谓天然应力、重分布应力及天然应力比值系数？

研究天然应力的意义何在？

天然应力是指人类工程活动之前存在于岩体中的应力。

重分布应力是指岩体中由于工程活动改变后的应力。

岩体中的天然应力状态，在研究区域地壳稳定性、地震预报、油田油井的稳定性、核废料储存、岩爆、煤和瓦斯突出的研究以及地球动力学的研究均具有重要的实际意义。

（或区域稳定性、地下洞室稳定性、高陡边坡稳定性、地基岩体稳定性）

30.岩体中铅直天然应力与自重应力及天然主应力是否为同一概念？

关系如何？

绝大部分地区的垂直天然应力συ大致等于按ρ=2.7g/cm3计算出来的上覆岩体自重，但在某些地区有συ显著大于上覆岩体自重，而某些地方它比自重小很多甚至为张应力。

συ常常是岩体中天然主应力之一，与单纯的自重应力场不同的是，在天然应力场中，συ大多是最小主应力，少数为最大或中间主应力。

31.岩体中的天然应力有哪些基本特征？

影响因素有哪些？

基本特征：

a）地壳中主应力一压应力为主，方向基本上是水平和垂直的

b）天然应力场是一个具有相对稳定性的非稳定应力场，是时间和空间的函数。

c）垂直天然应力随深度呈线性增长

d）水平天然应力分布较为复杂

●岩体中水平天然应力以压应力为主，出现拉应力者甚少

●大部分岩体中的水平天然应力大于垂直应力

●岩体中的两个水平应力σhmax和σhmin通常不相等

●在单薄的山体、谷泊附近以及未受构造变动的岩体中，水平天然应力小于垂直应力。

e）天然水平应力和垂直应力的比值λ在1.5-10.6范围内

f）一个相当大的区域内，最大主应力的方向是相对稳定的

g）区域构造场常常决定局部点的主应力

h）岩体中天然应力状态一般处于三维应力状态

影响因素：

地壳板块运动及其相互挤压、地幔热对流、地球重力、岩浆侵入、地温梯度、地表剥蚀。

32.常见的实测天然应力的方法有哪些？

各自的基本原理如何？

（P138）

●应力恢复法：

用扁千斤顶使得已解除了应力的岩石恢复到初始应力状态。

●套心法：

在钻孔中安装变形测量元件，通过测量套心应力解除前后，钻孔孔径变化或孔底应变变化或孔壁表面应变变化值来确定天然应力的大小和方向。

●水压致裂法：

把高压水泵入由栓塞隔开的试段中。

当钻孔试段中的水压升高时，钻孔孔壁的环向压应力降低，并在某些点出现拉应力。

33.何谓地下洞室？

地下洞室的岩体力学问题有哪些？

地下洞室是指人工开挖或天然存在于岩体内的构筑物。

a）围岩应力重分布问题——重分布应力计算

b）围岩变形与破坏问题——位移计算、破坏区确定

c）围岩压力问题——围岩压力计算

d）有压洞室围岩抗力问题——围岩抗力计算

34.以水平圆形无压洞室为例，说明弹性围岩应力的分布规律。

（P197）

1）围岩内重分布应力与θ角无关，仅与R0和σ0有关。

2）由于τrθ=0，则σr，σθ均为主应力，且σθ恒为最大主应力，σr恒为最小主应力。

3）当r＝R0（洞壁）时，σr=0，σθ=2σ0，可知洞壁上的应力差最大，且处于单向受力状态，说明洞壁最易发生破坏。

4）随着离洞壁距离r增大，σr逐渐增大，σθ逐渐减小，并都渐渐趋近于天然应力σ0值。

在理论上，σr，σθ要在r→∞处才达到σ0值，但实际上σr，σθ趋近于σ0的速度很快。

5）当r=6R0时，σr和σθ与σ0相差仅2.8%。

因此，一般认为，地下洞室开挖引起的围岩分布应力范围为6R0。

在该范围以外，不受开挖影响，这一范围内的岩体就是常说的围岩，是有限元计算模型的边界范围。

35.何谓围岩？

其范围一般为多大？

一般认为，地下洞室开挖引起的围岩分布应力范围为6R0。

在该范围以外，不受开挖影响，这一范围内的岩体就是常说的围岩，是有限元计算模型的边界范围。

36.何谓塑性松动圈？

具有塑性圈后围岩中的重分布应力如何变化？

地下开挖后，洞壁的应力集中最大,当它超过围岩屈服极限时，洞壁围岩就由弹性状态转化为塑性状态，并在围岩中形成一个塑性松动圈。

1）随着距洞壁距离增大，径向应力σr由零逐渐增大，应力状态由洞壁的单向应力状态逐渐转化为双向应力状态，围岩也就由塑性状态逐渐转化为弹性状态。

围岩中出现塑性圈和弹性圈。

2）塑性松动圈的出现，使圈内一定范围内的应力因释放而明显降低，而最大应力集中由原来的洞壁移至塑、弹圈交界处，使弹性区的应力明显升高。

3）弹性区以外则是应力基本未产生变化的天然应力区（或称原岩应力区）。

37.试总结各类结构围岩的变形破坏特点。

所谓渐进式破坏的含义？

1）整体状和块状岩体围岩：

在力学属性上可视为均质、各向同性、连续的线弹性介质，应力应变呈近似直线关系。

围岩具有很好的自稳能力，其变形破坏形式主要有岩爆、脆性开裂及块体滑移等。

2）层状岩体围岩:

常呈软硬岩层相间的互层形式。

结构面以层理面为主，并有层间错动及泥化夹层等软弱结构面发育。

变形破坏主要受岩层产状及岩层组合等控制，破坏形式主要有：

沿层面张裂、折断塌落、弯曲内鼓等。

3）碎裂状岩体围岩:

碎裂岩体是指断层、褶曲、岩脉穿插挤压和风化破碎加次生夹泥的岩体。

变形破坏形式常表现为塌方和滑动。

4）散体状岩体围岩:

围岩结构均匀时，以拱顶冒落为主。

当围岩结构不均匀或松动岩体仅构成局部围岩时，常表现为局部塌方、塑性挤入及滑动等变形破坏形式。

围岩的变形破坏是渐进式逐次发展的。

开挖-->应力调整-->变形、局部破坏-->再次调整-->再次变形-->较大范围破坏

38.如何确定地下洞室围岩的破坏范围？

试举例说明。

弹性力学法：

当岩体天然应力比值系数λ＜1/3时，洞顶、底将出现拉应力。

若拉应力大于围岩的抗拉强度σt，则围岩就要发生破坏。

在λ＞1/3的天然应力场中，洞壁围岩均为压应力集中，当大于围岩的抗压强度σc时，洞壁围岩就要破坏。

39.何谓围岩压力？

按其形成原因可分为哪几类？

各自用什么方法确定？

围岩压力是指地下洞室围岩在重分布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衬砌上的压力。

按围岩压力的形成机理，可将其划分为：

●形变围岩压力：

由于围岩塑性变形如塑性挤入、膨胀内鼓、弯折内鼓等形成的挤压力；

●松动围岩压力：

由于围岩拉裂塌落、块体滑移及重力坍塌等破坏引起的压力，这是一种有限范围内脱落岩体重力施加于支护衬砌上的压力；

●冲击围岩压力：

由岩爆形成的一种特殊围岩压力。

40.试述形变围岩应力确定的基本原理与方法。

（P212）

为防止塑形变形的过度发展，必须对围岩设置支护衬砌。

当支衬结构与围岩共同作用时，支护力与作用于支衬结构上的围岩压力是一对作用力与反作用力。

只要求得支护力，一般也就求得了围岩压力。

41.试述用块体极限平衡方法确定松动围岩压力的方法与步骤。

（P217）

在整体块状结构岩体中，常被各种结构面切割成不同形状不同大小的结构体。

地下洞室开挖后，围岩中的某些块体在自重作用下向洞内滑移，那这些作用在支护衬砌上的压力就是这些滑块的重量。

采用块体极限平衡方法确定松动围岩压力时，首先从地质构造分析入手，找出结构面的组合形式与洞轴线的关系。

进而得出围岩中可能的不稳定块体的位置和形状，并对不稳定体塌落或滑移的运动学特征进行分析，确定其滑动面的方向、可能滑动面的位置、产状和力学强度参数，然后对块体进行稳定性校核。

如果校核后块体处于稳定状态，其围岩压力为0，若不稳定则进行具体计算。

42.何谓围岩抗力及围岩抗力系数？

常用什么方法确定抗力系数？

在有压洞室中，作用有很高的内水压力，并通过洞壁传递给围岩，这时围岩将产生一个力，称为围岩抗力。

围岩抗力的大小常用抗力系数K表示。

K值越大常用的直接测定法，说明围岩承受内水压力的能力越大。

常用的直接测定法有双筒橡皮囊法、隧洞水压法和径向千斤顶法。

43.边坡岩体中的重分布应力有哪些主要特征？

与哪些因素有关

特征：

1）无论在什么样的天然应力场下，坡面附近的主应力迹线均明显偏转，表现为最大主应力于坡面平行，最小主应力与坡面近似正交，向坡体内逐渐恢复初始应力状态。

2）由于应力的重分布，在坡面附近产生应力集中带，不同部位其应力状态是不同的。

在坡脚附近，平行坡面的切向应力显著提高，而垂直坡面的径向应力显著降低，由于应力差大，于是就形成了最大剪应力增高带最易发生剪切破坏，在坡肩附近形成拉应力带。

3）在坡面上各处径向应力为0，因此坡面岩体仅处于双向应力状态，向坡内逐渐转为三向应力状态。

4）由于主应力偏转，坡体的最大剪应力迹线也发生变化，由原来的直线变为凹向剖面的弧线

影响因素：

1）天然应力：

水平天然应力增大，坡内拉应力范围增大。

2）坡形、坡高、坡角及坡底宽度等：

坡高增大主应力量值增大；坡角增大，边坡岩体中拉应力区范围增大，坡脚剪应力也增高。

3）岩体性质及结构特征：

泊松比是水平自重应力发生改变；结构面的存在使坡体中应力发生不连续分布。

44.边坡岩体的变形破坏有哪些基本类型?

单平面滑动与楔形体滑动的特点是什么?

（P180）

变形基本类型：

卸荷回弹、蠕变变形；

破坏基本类型：

圆弧破坏、平面破坏、稧（木字旁的）体破坏、倾覆破坏。

特点见图表自己理解

45.应用刚体极限平衡法计算边坡稳定性的一般步骤是什么?

求补充

46.何谓几何边界条件,受力条件,稳定性系数,安全系数?

几何边界条件是指构成可能滑动岩体的各种边界面及其组合关系。

受力条件是指在工程是使用期间，可能滑动岩体或其边界面上承受里的大小、方向和合力的作用点的统称。

稳定性系数是反映滑动面上抗滑力于滑动力的比例关系。

安全系数，简单的说就是允许的稳定性数值，安全系数的大小是根据各种影响因素人为规定的

47.单平面滑动的稳定性系数如何计算,并推导出其计算公式.（P183）

抗滑力

滑动力

稳定性系数

48.异向双平面（楔形体）滑动的稳定性分析的基本思路是什么?

（P188）