巖石力學(xué)與工程課后習(xí)題與思考解答

1、第一章 巖石物理力學(xué)性質(zhì)1.構(gòu)成巖石的主要造巖礦物有哪些？答：巖石中主要造巖礦物有：正長石、斜長石、石英、黑云母、白云母、角閃石、輝石、橄欖石、方解石、白云石、高嶺石、磁鐵礦等。2.為什么說基性巖和超基性巖最容易風(fēng)化？答：基性和超基性巖石主要是由易風(fēng)化的橄欖石、輝石及斜長石組成，所以非常容易風(fēng)化。3.常見巖石的結(jié)構(gòu)連接類型有哪幾種？各有什么特點(diǎn)？答：巖石中結(jié)構(gòu)連接的類型主要有兩種，分別是結(jié)晶連接和膠結(jié)連接。結(jié)晶連接指礦物顆粒通過結(jié)晶相互嵌合在一起。這類連接使晶體顆粒之間緊密接觸，故巖石強(qiáng)度一般較大，抗風(fēng)化能力強(qiáng)；膠結(jié)連接指巖石礦物顆粒與顆粒之間通過膠結(jié)物連接在一起，這種連接的巖石，其強(qiáng)度主要取

2、決于膠結(jié)物及膠結(jié)類型。4.何謂巖石中的微結(jié)構(gòu)面，主要指哪些，各有什么特點(diǎn)？答：巖石中的微結(jié)構(gòu)面（或稱缺陷）是指存在于礦物顆粒內(nèi)部或礦物顆粒及礦物集合之間微小的若面及空隙。包括礦物的解理、晶格缺陷、晶粒邊界、粒間空隙、微裂隙等。礦物解理面指礦物晶體或晶粒受力后沿一定結(jié)晶防線分裂成光滑平面，解理面往往平行于礦物晶體面網(wǎng)間距較大的面網(wǎng)。晶粒邊界：由于礦物晶粒表面電價不平衡而引起礦物表面的結(jié)合力，該結(jié)合力源小于礦物晶粒內(nèi)部分子、原子、離子鍵之間的作用力，因此相對較弱，從而造成礦物晶粒邊界相對軟弱。微裂隙：指發(fā)育于礦物顆粒內(nèi)部及顆粒之間的多呈閉合狀態(tài)的破裂痕跡線。具有方向性。粒間空隙：多在成巖過程中形成

3、晶粒之間、膠結(jié)物之間微小的空隙。5.自然界中的巖石按地質(zhì)成因分類，可以分為幾大類，各大類有何特點(diǎn)？答：按地質(zhì)成因分類，自然界中巖石可分為巖漿巖、沉積巖和變質(zhì)巖三大類。巖漿巖按照巖漿冷凝成巖的地質(zhì)環(huán)境不同又可分為深成巖、淺成巖和噴出巖。其中深成巖常形成巨大的侵入體，有巨型巖體，大的如巖盤、巖基，其形成環(huán)境都處在高溫高壓之下，形成過程中由于巖漿有充分的分異作用，常常形成基性巖、超基性巖、中性巖及酸性、堿性巖等，其巖性較均一，變化較小，巖體結(jié)構(gòu)呈典型的塊狀結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)多為六面體和八面體，巖體顆粒均勻，多為粗-中粒結(jié)構(gòu)，致密堅硬，空隙少，力學(xué)強(qiáng)度高，透水性弱，抗水性強(qiáng)；淺成巖成分與相應(yīng)的深成巖相似，其產(chǎn)

4、狀多為巖床、巖墻、巖脈等小侵入體，巖體均一性差，巖體結(jié)構(gòu)常呈鑲嵌式結(jié)構(gòu)，巖石常呈斑狀結(jié)構(gòu)和均粒-中細(xì)粒結(jié)構(gòu)，細(xì)粒巖石強(qiáng)度比深成巖高，抗風(fēng)化能力強(qiáng)，斑狀結(jié)構(gòu)則差一些；噴出巖有噴發(fā)及溢流之別，其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，巖性不一，各向異性顯著，巖體連續(xù)性差，透水性強(qiáng)，軟弱結(jié)構(gòu)面發(fā)育。沉積巖是由風(fēng)化剝蝕作用或火山作用形成的物質(zhì)，在原地或被外力搬運(yùn)，在適當(dāng)條件下沉積下來，經(jīng)膠結(jié)和成巖作用而形成的。其礦物成分主要是粘土礦物、碳酸鹽和殘余的石英長石等，具層理構(gòu)造，巖性一般具有明顯的各向異性，按形成條件和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，沉積巖可分為：火山碎屑巖、膠結(jié)碎屑巖、粘土巖、化學(xué)巖和生物化學(xué)巖等。變質(zhì)巖是在已有巖石的基礎(chǔ)上，經(jīng)過變質(zhì)混

5、合作用形成的。因其形成的溫度、壓強(qiáng)等變質(zhì)因素復(fù)雜，其力學(xué)性質(zhì)差別很大，不能一概而論。6.表示巖石物理性質(zhì)的主要指標(biāo)及其表示方式是什么？答：見下表所示：物理性質(zhì)符號物理意義計算公式容重巖石單位體積（包括巖石內(nèi)空隙體積）的重量=W/V比重Gs巖石固體部分的重量和4時同體積純水重量的比值Gs=Ws/(Vs·）空隙性總空隙率n巖石空隙的體積與巖石總體積的比值n=V/V×100%總開空隙率no巖石開型空隙的體積與巖石總體積的比值no=V，o/V*100%大開空隙率nb巖石大開型空隙的體積與巖石總體積的比值nb=V，b/V×100%小開空隙率ns巖石小開型空隙的體積與巖石總體

6、積的比值ns=V，s/V×100%閉空隙率nc巖石閉型空隙的體積與巖石總體積的比值nc=V，c/V×100%水理性天然含水率天然狀態(tài)下巖石中水的質(zhì)量與巖石烘干質(zhì)量的比值=m/mrd吸水率a巖石在常溫條件下吸入水分的質(zhì)量與其烘干質(zhì)量的比值a=(m0-mdr)/mdr×100%飽和吸水率sa巖石在強(qiáng)制條件下（高壓、真空煮沸）下，巖石吸入水的質(zhì)量與巖樣烘干質(zhì)量的比值,亦稱飽水率wsa=(msa-mdr)/mdr×100%飽水系數(shù)k巖石吸水率與飽水率的比值k=a/sa×100%透水性巖石能被水透過的性能，用滲透系數(shù)衡量軟化性c巖石浸水后軟化的性能，用軟

7、化系數(shù)衡量(飽水巖樣抗壓強(qiáng)度與烘干巖樣抗壓強(qiáng)度比值）c=c/c抗凍性cf巖石抵抗凍融破壞的性能，用抗凍系數(shù)衡量（巖樣在±25的溫度區(qū)間內(nèi)，反復(fù)降溫、凍結(jié)、升溫、溶解，其巖樣抗壓強(qiáng)度下降值與凍融前抗壓強(qiáng)度比值）cf=(c-cf)/c×100%7.巖石破壞有幾種形式？對各種破壞的原因作出解釋。答：巖石在單軸壓縮載荷作用下，破壞形式包含三種： X狀共軛面剪切破壞、單斜面剪切破壞和拉伸破壞。前兩類破壞形式主要是因?yàn)檩S向主應(yīng)力因起破壞面的剪應(yīng)力超過巖石最大剪應(yīng)力而導(dǎo)致的破壞；后一類破壞主要是因?yàn)檩S向主應(yīng)力引起破壞面橫向拉應(yīng)力超過巖石最大拉應(yīng)力而導(dǎo)致的破壞。8.劈裂法實(shí)驗(yàn)時，巖石承受對

8、稱壓縮，為什么在破壞面上出現(xiàn)拉應(yīng)力？繪制試件受力圖說明實(shí)驗(yàn)的基本原理。答：試件受力圖如下：從圖上看出：在圓盤邊緣x、y向都表現(xiàn)出壓應(yīng)力，隨著位置向圓盤中心移動，X向壓應(yīng)力變小并出現(xiàn)拉應(yīng)力，并逐漸均勻化，在Y向上，隨著位置向圓盤中央靠近，壓應(yīng)力逐漸減小并均勻化，但始終是處于壓的狀態(tài)，又因?yàn)閹r石抗拉強(qiáng)度低，故圓盤試件在中央沿直徑發(fā)生劈裂破壞。9.什么是全應(yīng)力-應(yīng)變曲線，為什么普通材料試驗(yàn)機(jī)得不出全應(yīng)力-應(yīng)變曲線？答：能全面反映巖石受壓破壞過程中的應(yīng)力、應(yīng)變特征，特別是巖石破壞后的強(qiáng)度與力學(xué)性質(zhì)變化規(guī)律的應(yīng)力應(yīng)變曲線就叫全應(yīng)力-應(yīng)變曲線。普通試驗(yàn)機(jī)只能得出半程應(yīng)力-應(yīng)變曲線不能得出全應(yīng)力-應(yīng)變曲線的

9、原因是由于試驗(yàn)機(jī)的剛性不足，在巖石壓縮過程中，試件受壓，試驗(yàn)機(jī)框架受拉，隨著巖樣不斷被壓縮，試驗(yàn)機(jī)發(fā)生的彈性變形以應(yīng)變能形式存于機(jī)器中，當(dāng)施加壓力超過巖石抗壓強(qiáng)度，試件破壞，此時，試驗(yàn)機(jī)迅速回彈，被存于試驗(yàn)機(jī)中的應(yīng)變能瞬間釋放到巖石試件中，引起巖石的激烈破壞和崩解，因而造成無法獲得巖石在超過峰值破壞強(qiáng)度后受壓的應(yīng)力應(yīng)變曲線。10.如何根據(jù)全應(yīng)力-應(yīng)變曲線預(yù)測巖石的巖爆、流變和反復(fù)加、卸載作用下的破壞？答：（1）如下圖示全應(yīng)力應(yīng)變曲線：左半部A的面積代表，達(dá)到峰值強(qiáng)度時，積累在試件內(nèi)部的應(yīng)變能，右半部B代表試件從破裂到破壞所消耗的能量。若AB，說明巖石破壞后尚余一部分能量，這部分能量突然釋放就會

10、產(chǎn)生巖爆，若AB，則說明應(yīng)變能在破壞過程中全部消耗掉，因而不會產(chǎn)生巖爆。（2）在試件加載到一定程度，保持一定應(yīng)力水平不變，試件將發(fā)生蠕變，蠕變發(fā)生到一定程度，即應(yīng)變達(dá)到某一值，蠕變就停止，全應(yīng)力-應(yīng)變曲線預(yù)測蠕變可由下應(yīng)變-應(yīng)力曲線預(yù)測蠕變破壞圖示意：圖中，全應(yīng)力-應(yīng)變曲線及蠕變終止軌跡線由大量實(shí)驗(yàn)所得，（1）當(dāng)應(yīng)力在H點(diǎn)以下時，保持應(yīng)力不變，試件不會發(fā)生蠕變；（2）當(dāng)應(yīng)力在H至G點(diǎn)見時，保持應(yīng)力不變，試件發(fā)生蠕變，最終發(fā)展到蠕變終止軌跡線，停止蠕變，試件不破壞，如EF；（3）當(dāng)應(yīng)力在G點(diǎn)以上時，保持應(yīng)力值不變，試件發(fā)生蠕變，蠕變應(yīng)變最終達(dá)到破壞段應(yīng)力應(yīng)變曲線破壞段，試件發(fā)生破壞，如AB,CD

11、；（4）從C點(diǎn)開始發(fā)生蠕變則到D點(diǎn)發(fā)生破壞，若從A點(diǎn)發(fā)生蠕變，則到B點(diǎn)發(fā)生破壞，前者，蠕變時間較后者長。（3）全應(yīng)力-應(yīng)變曲線預(yù)測循環(huán)加載下巖石的破壞：由于巖石的非完全彈性（或非線彈性），在循環(huán)荷載作用下，在應(yīng)力應(yīng)變圖中表現(xiàn)出若干的滯回環(huán)，并不斷向破壞段應(yīng)力-應(yīng)變曲線靠近，在循環(huán)荷載加載到一定程度，巖石將發(fā)生疲勞破壞，通過全應(yīng)力-應(yīng)變圖可看出，高應(yīng)力狀態(tài)下加載循環(huán)荷載，巖石在較短時間內(nèi)發(fā)生破壞，在低應(yīng)力狀態(tài)下加載循環(huán)荷載則需要較長時間才發(fā)生破壞。11.在三軸壓縮試驗(yàn)條件下，巖石的力學(xué)性質(zhì)會發(fā)生哪些變化？答：三軸壓縮試驗(yàn)條件下，巖石的抗壓強(qiáng)度顯著增大；巖石的變形顯著增大；巖石的彈性極限顯著增大；

12、巖石的應(yīng)力-應(yīng)變曲線形態(tài)發(fā)生明顯變化，表明巖石由彈性向彈塑性變化。12.什么是莫爾強(qiáng)度包絡(luò)線？如何根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果繪制莫爾強(qiáng)度包絡(luò)線？答：莫爾強(qiáng)度理論認(rèn)為材料在單向壓縮、拉伸、純剪切時所得到的在各種應(yīng)力狀態(tài)下的極限應(yīng)力圓具有一條公共包絡(luò)線，這條包絡(luò)線與每個極限應(yīng)力圓相切，能夠反映材料內(nèi)部各點(diǎn)受外荷載作用時材料破壞的性質(zhì)，這條包絡(luò)線就叫做莫爾包絡(luò)線。對巖石試件的三軸壓縮試驗(yàn)，可以通過對同種巖石試件在不同圍壓條件下（圍壓值從小到大），繪制莫爾圓，連接各莫爾圓的公切線，形成平滑曲線就能繪制出該巖石試件的莫爾包絡(luò)線。從工程應(yīng)用的角度來看，可以在單向拉伸與壓縮兩種應(yīng)力狀態(tài)下，以通過試驗(yàn)結(jié)果得到的兩個極限應(yīng)力

13、圓為依據(jù)，以這兩個圓的公切線作為近似而取直線的公共包絡(luò)線。13.巖石的抗剪強(qiáng)度與剪切面所受正應(yīng)力有什么關(guān)系？試?yán)L圖加以說明？答：如圖角模壓剪試驗(yàn)受力示意圖：上圖說明，剪切面上可分解為沿剪切面的剪應(yīng)力T=Psina/A和垂直于剪切面的正應(yīng)力N=Pcosa/A，上圖示試驗(yàn)表明，剪切面得正應(yīng)力越大，試件被剪切破壞前的剪應(yīng)力也越大，因?yàn)榧羟衅茐那耙欢ㄒ朔Σ亮和剪切面得粘結(jié)力（內(nèi)聚力）c，又f=N，故T=N+c，及正應(yīng)力越大，摩擦力越大，巖石發(fā)生剪切破壞所需的剪應(yīng)力也越大，說明抗剪強(qiáng)度越強(qiáng)。14.簡述巖石在單軸壓縮條件下的變形特征。答：單軸壓縮條件下巖石變形特征分四個階段：（1）空隙裂隙壓密階段（

14、0A段）：試件中原有張開結(jié)構(gòu)面或微裂隙逐漸閉合，巖石被壓密，試件橫向膨脹較小，體積隨載荷增大而減小。（2）彈性變形至微彈性裂隙穩(wěn)定發(fā)展階段（AC段）：巖石發(fā)生彈性形變，隨著載荷加大巖石發(fā)生軸向壓縮，橫向膨脹，總體積縮小。（3）非穩(wěn)定破裂發(fā)展階段（CD段）：微破裂發(fā)生質(zhì)的變化，破裂不斷發(fā)展直至試件完全破壞，體積由壓縮轉(zhuǎn)為擴(kuò)容，軸向應(yīng)變和體積應(yīng)變速率迅速增大。（4）破裂后階段（D點(diǎn)以后）：巖塊承載力達(dá)到峰值強(qiáng)度后，內(nèi)部結(jié)構(gòu)遭到破壞，試件保持整體狀，隨著繼續(xù)施壓，裂隙快速發(fā)展，出現(xiàn)宏觀斷裂面，此后表現(xiàn)為宏觀斷裂面的塊體滑移。15.簡述巖石在反復(fù)加載和卸載條件下的變形特性。答：（1）線彈性或完全彈性巖

15、石：在反復(fù)加載和卸載條件下，因其應(yīng)力-應(yīng)變曲線路徑重合或形成閉合回路，多次循環(huán)加-卸載，其應(yīng)力-應(yīng)變圖形不變，因?yàn)樽冃卧趶椥苑秶鷥?nèi)。（2）彈塑性巖石等荷循環(huán)加、卸載荷：如果卸載點(diǎn)未超過屈服點(diǎn)，其受力處于彈性狀態(tài)與（1）同論；若卸載點(diǎn)超過屈服點(diǎn)，在加載過程中發(fā)生塑性形變，每次加、卸載都形成滯回環(huán)，這些滯回環(huán)隨著加、卸次數(shù)增加而愈來愈窄，并且彼此越來越近，巖石愈來愈接近彈性變形，一直到某次變形沒有塑性變形為止，當(dāng)循環(huán)應(yīng)力峰值小于臨界應(yīng)力1時，循環(huán)次數(shù)及時很多也不會導(dǎo)致試件破壞，而超臨界應(yīng)力巖1石將在某次循環(huán)中發(fā)生破壞。（3）彈塑性巖石不斷加大循環(huán)加、卸載荷：多次反復(fù)加、卸載，每次施加的最大載荷比上

16、一次循環(huán)的最大荷載大，則形成上述曲線，隨循環(huán)次數(shù)增多，塑性滯回環(huán)面積擴(kuò)大，卸載曲線斜率增加表明卸載應(yīng)力下的巖石材料彈性有所增強(qiáng)，此外，每次卸載再加載，形成變形記憶曲線，塑性變形隨著循環(huán)荷載不斷加大而增大，當(dāng)循環(huán)加、卸載到一定程度時，試件發(fā)生破壞。16.線彈性體、完全彈性體、彈性體三者的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系有什么區(qū)別？答：如下應(yīng)力-應(yīng)變曲線彈性體：應(yīng)力-應(yīng)變圖成直線形式，滿足關(guān)系式=E(E-彈性模量);完全彈性體：應(yīng)力-應(yīng)變曲線為曲線，加載卸載曲線重合，滿足關(guān)系式=f();彈性體：加、卸載應(yīng)力-應(yīng)變曲線形成閉合的滯回環(huán)，卸載曲線與加載曲線不重合，此類材料稱為彈性體材料；彈塑性體：加、卸載應(yīng)力-應(yīng)變曲線

17、不重合，且不形成閉合的滯回環(huán)，此類材料稱彈塑性材料，如上圖示，其中OM段位可恢復(fù)的彈性形變，MN段稱不可恢復(fù)的塑性形變。17.什么是巖石的擴(kuò)容？簡述巖石擴(kuò)容的發(fā)生過程。答：巖石擴(kuò)容是巖石在荷載作用下，在其破壞之前的一種明顯的非彈性體積形變。巖石受壓過程中，試件任意微小單元X、Y、Z方向發(fā)生形變，1、2、3分別對應(yīng)最大、中間、最小主應(yīng)變，彈性模量和泊松比為常數(shù)的巖石受壓體積變化經(jīng)歷三個階段：（1）體積變形階段：體積應(yīng)變在彈性范圍內(nèi)，隨應(yīng)力增加而呈線性變化，此階段1|2+3|體積減??；（2）體積不變階段：體積發(fā)生形變，但體積應(yīng)變增量近似為零，1|2+3|體積不變；（3）擴(kuò)容階段：兩側(cè)向變形之和超過

18、最大主應(yīng)力壓縮變形，1|2+3|，體積增大。18.什么是巖石的各向異性？什么是正交各向異性？什么是橫觀各向同性？寫出正交各向異性和橫觀各向同性的巖石應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系式。答：巖石的全部或部分物理、力學(xué)性質(zhì)隨方向不同而表現(xiàn)出差異的現(xiàn)象稱著巖石的各向異性；如果在彈性體中存在著三個相互正交的彈性對稱面，在各個面兩邊對稱方向上彈性相同，但在這個彈性主向上彈性并不相同，這種物體稱為正交各向異性體；其應(yīng)力-應(yīng)變對應(yīng)關(guān)系表示為：物體內(nèi)部某一面的各個方向彈性性質(zhì)相同，這個面稱為各向同性面，垂直該面方向的力學(xué)性質(zhì)不同，具有這樣性質(zhì)的物體稱為橫觀各向異性體，其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系表示為：（需校驗(yàn)）19.影響巖石力學(xué)性質(zhì)的主

19、要因素有哪些？如何影響的？答：主要影響因素有：水、溫度、加載速率、圍壓、風(fēng)化程度等。水對巖石力學(xué)性質(zhì)影響：連接作用、潤滑作用、水楔作用、空隙壓力作用、溶蝕及潛蝕作用等；溫度對巖石力學(xué)性質(zhì)影響：一般而言，隨溫度增高，巖石延性加大，屈服點(diǎn)降低，強(qiáng)度降低；加載速率對巖石力學(xué)性質(zhì)影響：單軸壓縮實(shí)驗(yàn)時，荷載加載速率愈快，單位應(yīng)變需用力愈大，反之愈?。粐鷫簩r石力學(xué)性質(zhì)影響：圍壓的存在使巖石的抗壓強(qiáng)度顯著增大；巖石的變形顯著增大；巖石的彈性極限顯著增大；巖石的應(yīng)力-應(yīng)變曲線形態(tài)發(fā)生明顯變化；風(fēng)化對巖石力學(xué)性質(zhì)影響：風(fēng)化過程中，原生礦物經(jīng)物理、化學(xué)、生物作用而發(fā)生變化，產(chǎn)生次生礦物，引起巖體成分結(jié)構(gòu)和構(gòu)造的

20、變化，降低了巖石的物理力學(xué)性質(zhì)。第二章 巖體力學(xué)性質(zhì)1.巖體賦存環(huán)境包括哪幾部分？答：包括地應(yīng)力、地下水和地溫三部分。2.地應(yīng)力對巖體的影響體現(xiàn)在哪幾方面？答：（1）地應(yīng)力影響巖體的承載能力。對賦存在一定地應(yīng)力環(huán)境中的巖體來說，地應(yīng)力對巖體形成的圍壓越大，其承載能力越大。（2）地應(yīng)力影響巖體的變形和破壞機(jī)制。試驗(yàn)表明低圍壓下表現(xiàn)出脆性破壞的巖體在高圍壓下呈剪塑性變形。（3）地應(yīng)力影響巖體中應(yīng)力的傳播法則。地應(yīng)力可以使不連續(xù)變形的巖體轉(zhuǎn)化為連續(xù)變形的巖體。3.巖體結(jié)構(gòu)劃分的主要依據(jù)是什么？答：巖體結(jié)構(gòu)劃分的第一依據(jù)是巖體結(jié)構(gòu)面類型，分軟弱結(jié)構(gòu)面和堅硬結(jié)構(gòu)面；巖體結(jié)構(gòu)劃分的第二依據(jù)是結(jié)構(gòu)面切割程度

21、或結(jié)構(gòu)體類型，結(jié)構(gòu)體類型有塊狀結(jié)構(gòu)和板狀結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)面切割程度有塊裂、板裂、碎裂、續(xù)斷和完整。4.簡述各類巖體結(jié)構(gòu)主要地質(zhì)特征。答：（1）完整結(jié)構(gòu)巖體：多為碎裂結(jié)構(gòu)在后生愈合作用下形成，后生愈合包括壓力愈合和膠結(jié)愈合。壓力愈合指具有粘性成分的物質(zhì)的碎裂巖體經(jīng)高圍壓作用下，其結(jié)構(gòu)面重新粘結(jié)在一起，形成完整結(jié)構(gòu)；膠結(jié)愈合指碎裂巖體經(jīng)膠結(jié)物粘結(jié)在一起，形成完整結(jié)構(gòu)，但后期愈合面強(qiáng)度低于原巖強(qiáng)度。（2）塊裂結(jié)構(gòu)巖體：多組或至少有一組軟弱結(jié)構(gòu)面切割及堅硬結(jié)構(gòu)面參與切割成塊狀結(jié)構(gòu)體的高級序巖體結(jié)構(gòu)，有的是塊狀原生結(jié)構(gòu)巖體構(gòu)成，有的是層狀原生結(jié)構(gòu)巖體構(gòu)成，其軟弱結(jié)構(gòu)主要是斷層，堅硬結(jié)構(gòu)面一般延伸較長且多為錯動

22、過的堅硬結(jié) 構(gòu)面。（3）板裂結(jié)構(gòu)巖體：主要發(fā)育于經(jīng)過皺褶作用的層狀巖體內(nèi)，受一組軟弱結(jié)構(gòu)面切割，結(jié)構(gòu)體呈板狀，軟弱結(jié)構(gòu)面組要為層間錯動面或塊狀原生結(jié)構(gòu)巖體內(nèi)的似層間錯動，結(jié)構(gòu)體多為組合板塊結(jié)構(gòu)，有的亦為完整板塊狀結(jié)構(gòu)。（4）碎裂結(jié)構(gòu)巖體：切割巖體的結(jié)構(gòu)面主要是原生結(jié)構(gòu)面及構(gòu)造結(jié)構(gòu)面，分塊狀碎裂結(jié)構(gòu)及層狀碎裂結(jié)構(gòu)兩種，前者結(jié)構(gòu)體塊度大，厚度均勻，后者塊度小。（5）續(xù)斷結(jié)構(gòu)巖體：結(jié)構(gòu)面不連續(xù)，對巖體切而不斷。（6）散體結(jié)構(gòu)：分碎屑狀散體和糜棱狀散體結(jié)構(gòu)巖體5.闡述工程巖體結(jié)構(gòu)的唯一性。答：巖體結(jié)構(gòu)的分類對特定的工程條件有唯一性，對于確定的地質(zhì)條件只有在確定的工程尺寸條件下，工程巖體結(jié)構(gòu)才是唯一的。

23、比如，對于小斷面的硐室，其涉及的巖體分類可能是完整結(jié)構(gòu)，但對于同樣位置大斷面的硐室結(jié)構(gòu)而言，巖體分類可能是板裂、塊裂、續(xù)斷、碎裂結(jié)構(gòu)等，這與硐室斷面在巖體空間的跨度有關(guān)。6.按結(jié)構(gòu)面成因，結(jié)構(gòu)面分為幾種類型？答：按照結(jié)構(gòu)面成因，巖體結(jié)構(gòu)面分為原生結(jié)構(gòu)面、構(gòu)造結(jié)構(gòu)面及次生結(jié)構(gòu)面。7.結(jié)構(gòu)面的級別及其特征。答：巖體結(jié)構(gòu)面分為五級，見下表：級序分級依據(jù)地質(zhì)類型力學(xué)屬性對巖體穩(wěn)定性的影響級延伸數(shù)十公里，深度可切穿一個構(gòu)造層，破碎帶寬度在數(shù)十米至十米以下主要指區(qū)域性深達(dá)斷裂或大斷裂屬于軟弱結(jié)構(gòu)面，構(gòu)成獨(dú)立的力學(xué)介質(zhì)單元。影響區(qū)域穩(wěn)定性，山體穩(wěn)定性，如直接通過工程區(qū)，是巖體變形和控制的條件，形成巖體力學(xué)作

24、用邊界。級延伸數(shù)百米至數(shù)公里，破碎帶寬度比較窄，幾厘米至數(shù)米。主要包括不整合面、假整合面，原生軟弱夾層、層間錯動帶、斷層侵入接觸帶、分化夾層等。屬于軟弱結(jié)構(gòu)面，形成塊裂邊界?？刂粕襟w穩(wěn)定性，與級結(jié)構(gòu)面可形成大規(guī)模的塊體破壞，及控制巖體變形記破壞方式。級延展十米或數(shù)十名，無破碎帶，面內(nèi)不含泥，有的具泥膜，僅在一個地質(zhì)時代的地層中分布，有的僅僅在某一種巖性中分布。各種類型的斷層、原生軟弱夾層、層間錯動帶等。多數(shù)屬于堅硬結(jié)構(gòu)面，少數(shù)屬于軟弱結(jié)構(gòu)面?？刂茙r體的穩(wěn)定性，與級級結(jié)構(gòu)面組合可形成不同規(guī)模的塊體破壞，劃分類巖體的重要依據(jù)。級延展數(shù)米，未錯動，不夾泥，有的呈弱結(jié)合狀態(tài)，統(tǒng)計結(jié)構(gòu)面節(jié)理、劈裂、片理

25、、層理、卸荷裂隙、風(fēng)化裂隙等。堅硬結(jié)構(gòu)面劃分類巖體結(jié)構(gòu)的基本依據(jù)，是巖體力學(xué)性質(zhì)、結(jié)構(gòu)效應(yīng)的基礎(chǔ)。破壞巖體的完整性，與其他結(jié)構(gòu)面結(jié)合形成不同類型的邊坡破壞方式級連續(xù)性極差，剛性接觸的細(xì)小或隱微裂面，統(tǒng)計結(jié)構(gòu)面微小節(jié)理，隱微裂裂隙和線理硬性結(jié)構(gòu)面分布隨即，降低巖塊強(qiáng)度，是巖石力學(xué)性質(zhì)效應(yīng)基礎(chǔ)，若十分密集，又因風(fēng)化，可形成松散介質(zhì)。8.描述結(jié)構(gòu)面狀態(tài)的指標(biāo)。答：（1）結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀：（2）結(jié)構(gòu)面形態(tài)：（2）結(jié)構(gòu)面延展尺度：（3）結(jié)構(gòu)面密集程度：9.結(jié)構(gòu)面的剪切變形、法向變形與結(jié)構(gòu)面的哪些因素有關(guān)？答：結(jié)構(gòu)面剪切變形與巖石強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)面粗糙度和法向力有關(guān)；結(jié)構(gòu)面法向變形與巖石本身的力學(xué)性質(zhì)、結(jié)構(gòu)面粗糙度、

26、結(jié)構(gòu)面受載歷史等因素有關(guān)。10.結(jié)構(gòu)面的力學(xué)性質(zhì)的尺寸效應(yīng)體現(xiàn)在哪幾個方面？答：(1)隨著試塊面積增加，巖石平均峰值摩擦角和平均峰值剪切應(yīng)力呈減少趨勢；（2）隨著結(jié)構(gòu)面尺寸的增大。達(dá)到峰值強(qiáng)度時的位移量增大；（3）由于尺寸的增加，剪切破壞由脆性破壞向延性破壞轉(zhuǎn)化；（4）尺寸加大，峰值剪脹角減?。唬?）隨著結(jié)構(gòu)面粗糙度減小，詞寸效應(yīng)減小。11.在多次循環(huán)荷載作用下巖體變形有什么特點(diǎn)？答：（1）加、卸在過程相應(yīng)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線出現(xiàn)閉環(huán)形式，出現(xiàn)卸載回彈變形的滯后現(xiàn)象，產(chǎn)生殘余變形;(2)隨外荷載加大和循環(huán)次數(shù)增多，閉環(huán)曲線逐漸后移，其原因是巖體裂隙與結(jié)構(gòu)面被嚴(yán)密與嚙合所致；（3）重復(fù)循環(huán)加、卸載次

27、數(shù)越多，結(jié)構(gòu)體與結(jié)構(gòu)面被壓密程度越高，閉環(huán)曲線上的滯后變形量越小，甚至把閉環(huán)曲線演變成一條直線；（4）隨著荷載和循環(huán)次數(shù)的增加，一定程度后，巖體變形由結(jié)構(gòu)控制轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)構(gòu)效應(yīng)的消失；（5）當(dāng)外載荷降至零，并持續(xù)一段時間后，巖體產(chǎn)生較大的回彈變形，及巖體彈性變形能的釋放；12.具有單結(jié)構(gòu)面的巖體，其強(qiáng)度如何確定？答：如下圖示：若結(jié)構(gòu)面受力狀態(tài)其莫爾應(yīng)力圓與巖石強(qiáng)度包絡(luò)線相切，巖石沿某截面發(fā)生剪切破壞；當(dāng)結(jié)構(gòu)面受力狀態(tài)處于其莫爾強(qiáng)度包絡(luò)線之上或以上，則巖體沿該結(jié)構(gòu)面發(fā)生破壞，若結(jié)構(gòu)面受力狀態(tài)落在其莫爾強(qiáng)度包絡(luò)線之下，則巖體不沿該結(jié)構(gòu)面發(fā)生破壞。13.多結(jié)構(gòu)面巖體的破壞形式如何分析？答：當(dāng)結(jié)構(gòu)面受力狀

28、態(tài)處于其莫爾強(qiáng)度包絡(luò)線之上或以上，則巖體沿該結(jié)構(gòu)面發(fā)生破壞，若結(jié)構(gòu)面受力狀態(tài)落在其莫爾強(qiáng)度包絡(luò)線之下，則巖體不沿該結(jié)構(gòu)面發(fā)生破壞?？紤]結(jié)構(gòu)面與第一主應(yīng)力1的夾角，分析結(jié)構(gòu)面應(yīng)力狀態(tài)，分步應(yīng)用單結(jié)構(gòu)面理論，見下圖示：圖示兩組結(jié)構(gòu)面莫爾包絡(luò)線。（1）當(dāng)?shù)谝唤M結(jié)構(gòu)面與第一主應(yīng)力夾角221或221時，巖體不發(fā)生破壞；（2）當(dāng)?shù)谝唤M結(jié)構(gòu)面與第一主應(yīng)力夾角21222或21 22時，巖體沿第一組結(jié)構(gòu)面發(fā)生破壞；(3) 當(dāng)?shù)诙M結(jié)構(gòu)面與第一主應(yīng)力夾角21221，且未達(dá)到巖石破壞極限，則巖體沿第二組結(jié)構(gòu)面破壞；（4）上述條件不滿足，則巖體沿某一截面發(fā)生破壞。14.簡述Heok-Brown巖體強(qiáng)度估算方法。答：H

29、eok-Brown經(jīng)驗(yàn)方程表述如下： 式中1、3分別為為破壞時巖體的最大主應(yīng)力何最小主應(yīng)力，c為巖塊的單軸抗壓強(qiáng)度，m、s為與巖性及結(jié)構(gòu)面有關(guān)的常數(shù)，分別令3=0和1=0可得出巖體單軸抗壓和抗拉的破壞強(qiáng)度，分別表述為：mc=c和mc=c(m ) =Tc（剪應(yīng)力表現(xiàn)為：=Ac（T）B其中A、B為常數(shù)，查表求得，T= (m )15.巖體中水滲流與土體中水滲流有什么區(qū)別？答：土體滲流特點(diǎn)：（1）土體滲透性取決于巖性，土體顆粒越細(xì)，滲透性越差（2）土體可看成多孔連續(xù)介質(zhì)（3）土體滲透性一般具有均質(zhì)（或非均質(zhì)）各向同性（黃土為各向異性）特點(diǎn)（4）土體滲流符合達(dá)西滲流定律。巖體以裂隙滲流為主，其特點(diǎn)：（1

30、）巖體滲透性取決大小取決于巖體中結(jié)構(gòu)面的性質(zhì)及巖塊的巖性（2）巖體滲流以裂隙導(dǎo)水、微裂隙和巖石空隙儲水為其特點(diǎn)（3）巖體裂隙網(wǎng)絡(luò)滲流具有定向性（4）巖體一般看著非連續(xù)介質(zhì)（5）巖體滲流具有高度的非均質(zhì)性和各向異性（6）一般巖體中滲流符合達(dá)西滲流定律（7）巖體滲流受應(yīng)力場影響明顯（8）復(fù)雜裂隙系統(tǒng)滲流，在裂隙交叉處具有“偏流效應(yīng)”。16.地下水對巖體的物理、化學(xué)作用體現(xiàn)在哪幾個方面？答：地下水對巖體的物理作用主要表現(xiàn)在潤滑作用、軟化和泥化作用和結(jié)合水的強(qiáng)化作用三個方面；地下水對巖體的化學(xué)作用主要體現(xiàn)在地下水與巖體之間的離子交換、溶解作用，水化作用，水解作用，溶蝕作用，氧化還原作用，沉淀作用以及超

31、滲透作用等。17.簡述地下水對巖土體的力學(xué)作用？答：主要通過空隙靜水壓力及空隙動水壓力作用對巖土體的力學(xué)性質(zhì)施加影響。前者減小巖土體的有效應(yīng)力而減低巖土體的強(qiáng)度，在裂隙巖體中的空隙靜水壓力可使裂隙產(chǎn)生擴(kuò)容變形；后者對巖土體產(chǎn)生切向的推力以降低巖土體的抗剪強(qiáng)度。18.巖體質(zhì)量分類有什么意義？答：作為選擇工程結(jié)構(gòu)參數(shù)、科學(xué)管理生產(chǎn)以及評價工程經(jīng)濟(jì)效益的依據(jù)之一。19.如何通過巖體分級確定巖體的有關(guān)力學(xué)參數(shù)？答：如表：級別密度抗剪強(qiáng)度變形模量泊松比/g/cm³/°C/Mpa2.6560°2.1330.22.6660-5033-2050-3920-639-276-1.32

32、.25270.21.30.3520.CSIR分類方法和Q分類方法各考慮的是巖體的哪些因素？答：CISR分類指標(biāo)值RMR由巖塊強(qiáng)度、RQD值、節(jié)理間距、節(jié)理?xiàng)l件及地下水5個指標(biāo)組成；Q分類法考慮RQD值、節(jié)理組數(shù)、節(jié)理粗糙系數(shù)、節(jié)理蝕變系數(shù)、節(jié)理水折減系數(shù)和應(yīng)力折減系數(shù)6個參數(shù)，反映了巖體的完整性，結(jié)構(gòu)面的形態(tài)、充填物特征及次生變化程度和地下水與其它應(yīng)力存在對巖體質(zhì)量的影響。第三章 地應(yīng)力及其測量1.簡述地應(yīng)力測量的重要性。答：地應(yīng)力是引起地下或露天巖石開挖工程變形和破壞的根本作用力，是引起巖石開挖工程穩(wěn)定性因素中最更本最重要的因素之一，進(jìn)行地應(yīng)力測量是確定工程巖體屬性 ，進(jìn)行圍巖穩(wěn)定性分析，實(shí)

33、現(xiàn)巖石工程開挖設(shè)計和決策科學(xué)化的必要前提條件。2.地應(yīng)力是如何形成的？控制某一工程區(qū)域地應(yīng)力狀態(tài)的主要因素是什么？答：地應(yīng)力的形成主要與地球的各種運(yùn)動過程有關(guān)，其中包括：板塊邊界受壓、地幔熱對流、地球內(nèi)應(yīng)力、地心引力、地球旋轉(zhuǎn)、巖漿侵入和地殼非均勻擴(kuò)容等。其中，構(gòu)造應(yīng)力場和重力應(yīng)力場為現(xiàn)今地應(yīng)力場的主要組成部分?？刂乒こ虆^(qū)域地應(yīng)狀態(tài)的主要因素是構(gòu)造應(yīng)力場和重力應(yīng)力場。3.簡述地殼淺部地應(yīng)力分布的基本規(guī)例。答：(1)三向不等壓，應(yīng)力分布是時間和空間的函數(shù)；（2）實(shí)測垂直應(yīng)力基本等于上覆巖層重量（3）淺層地殼中，實(shí)測水平應(yīng)力普遍大于垂直應(yīng)力；（4）平均水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力比值相當(dāng)分散，隨深度增加比值

34、減??；（5）最大水平應(yīng)力與最小水平應(yīng)力比值隨深度增加呈線性增長；（6）最大水平應(yīng)力與最小水平應(yīng)力比值相差較大，顯示出很強(qiáng)的方向性；（7）地應(yīng)力分布規(guī)例受地形和斷層影響較大。4.地應(yīng)力測量方法分哪兩類？兩類的主要區(qū)別在哪里？每類包括哪些測量技術(shù)？答：依據(jù)測量基本原理不同分為直接測量法和間接測量法。直接測量法是由儀器直接測量和記錄各種應(yīng)力量；間接測量法借助某些傳感元件或某些介質(zhì)，測量和記錄巖體中某些與應(yīng)力有關(guān)的物理量的變化，以此通過有關(guān)公式計算巖體中的應(yīng)力值。直接測量法測量技術(shù)包括：扁千斤頂法、水力致裂法、剛性包體應(yīng)力計法和聲發(fā)射法；間接測量方法包括：全應(yīng)力解除法（套孔解除法）、局部應(yīng)力解除法（平

35、行鉆孔法和中心鉆孔法）、松弛應(yīng)變測量法、孔壁崩落測量法和地球物理探測法（聲波觀察法和超聲波譜法）等，涉及測量技術(shù)包括：孔徑變形測量技術(shù)、孔底變形測量技術(shù)、孔壁應(yīng)變測量技術(shù)、空心包體應(yīng)變測量技術(shù)、實(shí)心包體應(yīng)變測量技術(shù)和環(huán)境溫度的影響及其完全溫度補(bǔ)償技術(shù)。5.簡述水壓致裂法的基本測量原理。答：彈性力學(xué)原理知當(dāng)一無限體中的鉆孔受到無窮遠(yuǎn)處二維應(yīng)力場（1，2）的作用，離開鉆孔端部一定距離部位處于平面應(yīng)力狀態(tài)：=1+22（12）cos2 r=0其中，r分別為鉆孔周邊的切向應(yīng)力和徑向應(yīng)力；為周邊一點(diǎn)與1軸的夾角，當(dāng)=0時，取最小值，此時=321。采用水壓致裂裝置將鉆孔中某段隔離起來，并向隔離段注射高壓水，

36、當(dāng)水壓超過321和巖石的抗拉強(qiáng)度T之后，巖石在=0處發(fā)生開裂，開裂時水壓為Pi=321+T，繼續(xù)增加水壓至裂隙深度達(dá)3倍鉆孔直徑，保持壓力穩(wěn)定，測得此穩(wěn)定壓力Ps=2，利用上述公式，在測算出巖石抗拉強(qiáng)度T后，就能計算出原巖應(yīng)力1和2。巖石存在裂隙水壓P0時Pi=321+TP0 ；若在開裂鉆孔中再次注入高壓水，使致裂裂隙張開，保持壓力穩(wěn)定，此時測得裂隙重開壓力Pr= d321P0，結(jié)合Ps=2就能避開再次測算T而直接計算出1，2，達(dá)到試驗(yàn)?zāi)康摹?.簡述水壓致裂法的主要測量步驟。答：（1）打鉆孔到準(zhǔn)備測量應(yīng)力的部位，并將鉆孔中待加壓段用隔離器隔離取來；（2）向隔離段鉆孔內(nèi)注入高壓水，不斷加大水壓，

37、至孔壁出現(xiàn)裂隙，記錄初始開裂水壓Pi；（3）繼續(xù)施加水壓，至裂隙深度達(dá)到3倍鉆孔直徑，關(guān)閉高壓水系統(tǒng)，保持水壓很定，并記錄次關(guān)閉水壓Ps，然后卸壓使裂隙閉合；（4）重新向密閉段注射高壓水，是裂隙重新打開，并記錄裂隙重開時的壓力Pr和隨后的關(guān)閉水壓Ps；（5）重復(fù)上述步驟2-3次，以提高測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性；卸壓，退出裝置，完成實(shí)驗(yàn)。7.對水壓致裂法的主要優(yōu)缺點(diǎn)作出評價。答：水壓致裂法認(rèn)為初始開裂發(fā)生在鉆孔壁切向應(yīng)力最小的部位，亦即平行于最大主應(yīng)力方向，這是基于巖石為連續(xù)、均質(zhì)和各向同性的假設(shè)。如果孔壁本身存在天然節(jié)理裂隙，那么初始裂隙可能發(fā)生在這些部位，而并非切向最小應(yīng)力處，因而水壓致裂法較為實(shí)用

38、于完整的脆性巖石中。水壓致裂法的突出優(yōu)點(diǎn)是測量深部應(yīng)力，另外水壓致裂法在工程應(yīng)用中相比其它測量方法經(jīng)濟(jì)成本低，測量精度相對可靠。8.簡述聲發(fā)射的主要測試原理。答：材料在受到外荷載作用時，其內(nèi)部存儲的應(yīng)變能快速釋放產(chǎn)生彈性波，發(fā)出聲響，稱為聲發(fā)射；聲發(fā)射測試的原理是基于凱澤效應(yīng)的；凱澤效應(yīng)是指多晶金屬的應(yīng)力從其歷史最高水平釋放后，在重新加載，當(dāng)應(yīng)力未達(dá)到先前最大應(yīng)力值（凱澤點(diǎn)）時，很少發(fā)生聲發(fā)射現(xiàn)象，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到或超過先前最大應(yīng)力值時，則產(chǎn)生大量的聲發(fā)射現(xiàn)象。9.簡述套孔應(yīng)力解除法的基本測量原理和主要測量步驟。答：套孔應(yīng)力解除法是一種全應(yīng)力解除法，通過監(jiān)測測量巖體在應(yīng)力解除過程中引起的變形（孔徑變

39、形、孔壁變形、孔底變形），進(jìn)而計算原巖應(yīng)力場大小及其分布情況。主要測量步驟有：（1）從巖開挖體表面（巷道、隧道、硐室及其它開挖體等）向巖體內(nèi)部打大孔?？讖揭话?30-150mm，孔深一般為開挖跨度的2.5倍，形成大孔之后磨平孔底并在孔底打出同心錐形孔，以利進(jìn)一步鉆同心小孔；（2）完成上述工作，從大孔孔底打同心小孔，供安裝探頭用。孔徑一般16-38mm，孔深為孔徑的10倍左右，并清洗小孔。（3）用專用裝置將測量探頭，如孔徑變形計、孔壁應(yīng)變計等安裝到小孔中部。（4）用打大孔的薄壁鉆頭繼續(xù)延伸大孔，使小孔周圍巖芯實(shí)心應(yīng)力解除，并通過測量裝置記錄小孔變形情況；（5）取出巖芯測量巖芯的E，等物理力學(xué)參數(shù)

40、，撤出實(shí)驗(yàn)裝置，根據(jù)理論公式計算原巖應(yīng)力值。10.簡述USBM孔徑變形計的基本工作原理。答：USAM孔徑變形計探頭由3組圓頭活塞，每組由2個徑向?qū)α⒌膱A頭活塞組成，每個圓頭活塞由一個懸臂梁式的彈簧施加壓力，彈簧正反兩面各貼一個應(yīng)變片記錄彈簧拉壓形變（提高測量精度），每組圓頭活塞沿徑向成60°布置，其上4個應(yīng)變片組成惠特斯頓全橋電路（解決溫度補(bǔ)償），當(dāng)應(yīng)力解除，鉆孔直徑發(fā)生形變，圓頭活塞預(yù)壓變形得到釋放，應(yīng)變片探測變形并通過儀器記錄下來，這樣就實(shí)現(xiàn)了孔徑變形的測量。11.如何使用USBM孔徑變形計測量一點(diǎn)的三維地應(yīng)力狀態(tài)？請列出完整的計算過程。答：方式一：垂直鉆孔軸線平面內(nèi)的應(yīng)力狀態(tài)求

41、解如下圖表：如圖，孔徑變形計記錄垂直孔軸線平面的變形量U1、U2、U3，通過下試求取平面內(nèi)主應(yīng)力1，2:其中E,為巖體彈性模量和泊松比，泊松比可通過在巖芯上貼徑向應(yīng)變片測量其軸向和徑向變形而得，對于彈性模量可通過對巖芯施加圍壓P0，利用公式：其中，U:圍巖引起的平均變形量；R、r：套孔巖芯的外、內(nèi)徑。利用上述公式考慮如下條件：當(dāng)U2U3且U2+U32U1時，0°45°當(dāng)U2U3且U2+U32U1時，45°90°當(dāng)U2U3且U2+U32U1時，90°135°當(dāng)U2U3且U2+U32U1時，135°180°為U1與1夾

42、角，逆時針為正。打另外一垂直上述孔進(jìn)行相同的測試，得出另外一組1，2考慮方向性及可得出巖石三維應(yīng)力狀態(tài)1，2，3。方式二：任意空間點(diǎn)三維應(yīng)力狀態(tài)求解（1）選定整體坐標(biāo)系Oxyz（2）選擇局部坐標(biāo)系O1：O1x1y1z1為鉆孔局部坐標(biāo)系，其中O1z1平行鉆孔軸線，求得坐標(biāo)系O1在整體坐標(biāo)系中的轉(zhuǎn)換參數(shù)；（3）測量鉆孔徑向變形U1；（4）利用公式：U1=x1f1+y1f2+z1f3+x1y1f4 其中f1=(1+2cos2)(12)+d2f2=(12cos2)(12)+d2f3=d/Ef4= (12)sin2式中:d為鉆孔直徑；為孔徑方向與x1方向夾角，從x1軸逆時針轉(zhuǎn)到孔徑方向?yàn)檎?；E、分別為巖

43、石的彈性模量和泊松比；計算過程中，裝換x1、y1、z1、x1y1為整體坐標(biāo)系Oxyz下坐標(biāo)；（5）打三個互不平行相交一點(diǎn)的鉆孔，逐個采用上述計算方法，可求解空間一點(diǎn)三維應(yīng)力狀況，得出x、y、z、xy、yz、zx。12.簡述CSIR門塞孔式孔底應(yīng)變計的基本工作原理并對其主要優(yōu)缺點(diǎn)作出評價。 答：CSIR門塞式孔底應(yīng)變計工作原理為：將電阻應(yīng)變片粘貼在磨平的孔底，通過延伸鉆孔，實(shí)現(xiàn)粘有應(yīng)變片的巖芯應(yīng)力解放，取出該段含應(yīng)變片的巖芯，到實(shí)驗(yàn)室做加載實(shí)驗(yàn)，從而發(fā)現(xiàn)原先存在孔底表面的應(yīng)力。該法缺點(diǎn)是：孔底應(yīng)力狀態(tài)和周圍原巖應(yīng)力狀態(tài)關(guān)系復(fù)雜，影響孔底應(yīng)變計測量的精度和實(shí)際中的運(yùn)用，同時需要打三個互不平行的鉆孔

44、測量；其優(yōu)點(diǎn)是：不需要很長的套孔巖芯，因而有可能在破碎巖石條件下使用。13.簡述孔壁應(yīng)變計的基本工作原理。答：通過應(yīng)力解除測量鉆孔壁表面應(yīng)變，進(jìn)而計算出鉆孔表面應(yīng)力，利用彈性力學(xué)原理，一個無限體中的鉆孔表面的應(yīng)力分布狀態(tài)可以通過周圍巖體中應(yīng)力狀態(tài)給出精確解，因此，通過鉆孔表面應(yīng)力狀態(tài)可反算出周圍巖體應(yīng)力狀態(tài)。14.對CSIR孔壁應(yīng)變計的主要優(yōu)缺點(diǎn)作出評價并說明為什么使用GSIR孔壁應(yīng)變計通過一孔的測量就能確定一點(diǎn)的三維應(yīng)力狀態(tài)。答：以無限體中的鉆孔受到遠(yuǎn)處無窮遠(yuǎn)的三維應(yīng)力場（x、y、z、xy、yz、zx）作用，形成孔邊圍巖應(yīng)力分布（r、z、r、z、rz），二者有一一對應(yīng)關(guān)系，孔壁應(yīng)變計采用3組

45、12只電阻應(yīng)變片組成的應(yīng)變花，每組應(yīng)變花中各應(yīng)變片間隔45°，一組應(yīng)變花能測量四個應(yīng)變值（、z、45、45）可對應(yīng)列出3個應(yīng)力應(yīng)變方程，涉及（r、z、r、z、rz）中3個未知量，經(jīng)轉(zhuǎn)化可列出涉及原巖應(yīng)力場（x、y、z、xy、yz、zx）中4個應(yīng)力應(yīng)變方程式，3組應(yīng)變花可列出12個涉及原巖應(yīng)力場所有未知量的12個方程式，因而可以通過3組應(yīng)變花測量的孔壁形變計算出原三維巖應(yīng)力場。15.簡述空心包體應(yīng)變計的基本工作原理。答：空心包體應(yīng)變計主體使用環(huán)氧樹脂制成的空心圓筒，在其中部沿同一圓周等間距（120°）嵌埋三組應(yīng)變花，每組應(yīng)變花由3支（或4支）應(yīng)變片組成，測試過程中，使用專門工

46、具將應(yīng)變計推入安裝小孔，用力推動應(yīng)變計，可以間斷其固定銷，使應(yīng)變計柱塞進(jìn)入內(nèi)腔，使內(nèi)腔膠結(jié)劑流入應(yīng)變計與孔壁之間的環(huán)形槽中，實(shí)現(xiàn)應(yīng)變計與孔壁緊密粘帖，通過應(yīng)力解除，孔徑變化，變形計中各組應(yīng)變花分別記錄孔壁沿不同方向的應(yīng)變，考慮應(yīng)變片與孔壁之間夾有一定距離，引入適當(dāng)修正系數(shù)，就可以通過測量應(yīng)變計算出應(yīng)力狀態(tài)。16.空心包體應(yīng)變計和孔徑變形計、孔底應(yīng)變計及孔壁應(yīng)變計相比，有哪些主要優(yōu)點(diǎn)？答：空心包體應(yīng)變計突出優(yōu)點(diǎn)是應(yīng)變計和孔壁在相當(dāng)大的一個面積上膠結(jié)在一起，因此膠結(jié)質(zhì)量好，而其膠結(jié)劑可以注入到周圍裂隙巖體中，使巖石整體化，因而較易得到完整的套孔巖芯，能夠使用在中等破碎和松軟巖體中，同時有較好的防水

47、性。17.簡述實(shí)心包體應(yīng)變計的基本工作原理。答：實(shí)心包體應(yīng)變計采用實(shí)心圓筒環(huán)氧樹脂中沿9個方向布置10支應(yīng)變片，膠結(jié)劑附著在其端部，使用過程中利用安裝工具推入安裝小孔底部，應(yīng)變計底部裝有膠結(jié)劑的薄膜破裂，膠結(jié)劑流出，實(shí)現(xiàn)應(yīng)變計與小孔的緊密粘結(jié)，解除應(yīng)力過程中記錄各應(yīng)變片變化，通過適當(dāng)公式，進(jìn)而求出各向應(yīng)力狀態(tài)。18.實(shí)心包體應(yīng)變計與剛性包體應(yīng)變計的主要區(qū)別是什么？答：實(shí)心應(yīng)變計采用彈性材料環(huán)氧樹脂，其剛度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于巖芯剛度，不影響應(yīng)力解除過程中，巖芯的變形，因而是測量應(yīng)變，通過彈性理論知識計算應(yīng)力；剛性包體則采用剛度較巖芯剛度高的材料，使巖芯在應(yīng)力解除過程中，不發(fā)生形變，因而是直接測量應(yīng)力。 1

48、9.從環(huán)境溫度對地應(yīng)力測量結(jié)果的影響，論述地應(yīng)力解除測量中溫度補(bǔ)償技術(shù)的重要性。答：地應(yīng)力測量過程中多數(shù)應(yīng)變計和形變計都是采用電阻應(yīng)變片采集測量量數(shù)據(jù)，電阻應(yīng)變片是基于電阻應(yīng)變片長度變化引起電阻變化這一原理，在實(shí)際使用過程中，電阻變化受溫度影響明顯，這就會導(dǎo)致電阻變化，造成虛假的輸出結(jié)果，影響輸出電壓，使結(jié)果偏離真實(shí)。而溫度引起的變化可以通過惠特斯頓全橋電路相互抵消，該電路采用4個橋臂，溫度變化下，引起4臂溫度等量變化，引起各橋電勢變化量相互抵消后不引起多余的輸出電壓，實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償，在各種應(yīng)變計設(shè)計原理中，USBM孔徑變形計就是這類，因此為了減少溫度對測量結(jié)果的影響，對大多數(shù)非全橋電路設(shè)計的應(yīng)

49、變計采用增加補(bǔ)償臂，實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償，有重要意義。第四章 巖石本構(gòu)關(guān)系和強(qiáng)度理論1.巖石力學(xué)彈性平面問題的基本方程有幾個？每一類基本方程是從什么方面考慮的？答：彈性平面問題的基本方程有平衡方程、幾何方程和本構(gòu)方程三種。平衡方程從受力巖石平面中心力矩平衡，X軸向和Y軸向受力平衡考慮列出平衡方程組：幾何方程考慮物體受力后的形狀和尺寸改變，推導(dǎo)應(yīng)變分量與位移之間的關(guān)系，從而列出幾何方程組：本構(gòu)關(guān)系考慮應(yīng)力與應(yīng)變（或應(yīng)力增量與應(yīng)變增量）的關(guān)系，通過胡克定理（完全彈性各向同性體）建立本構(gòu)關(guān)系方程組（包括應(yīng)力問題和應(yīng)變問題兩類）：或2.什么是巖石的本構(gòu)關(guān)系？巖石的本構(gòu)關(guān)系一般有幾種類型？答：巖石的本構(gòu)關(guān)系指巖

50、石的應(yīng)力或應(yīng)力速率與其應(yīng)變或應(yīng)變速率的關(guān)系。根據(jù)巖石變形性質(zhì)，巖石的本構(gòu)關(guān)系可分為巖石彈性本構(gòu)關(guān)系和巖石塑性本構(gòu)關(guān)系，統(tǒng)稱為彈塑性本構(gòu)關(guān)系；巖石彈性本構(gòu)關(guān)系根據(jù)巖石變形是否成線性分為線性彈性本構(gòu)關(guān)系和非線性彈性本構(gòu)關(guān)系；巖石材料一般表現(xiàn)為既有彈性又有塑性，是彈塑性體，因而根據(jù)巖石是否各向同性又分為各向同性彈塑性本構(gòu)關(guān)系和非各向同性彈塑性本構(gòu)關(guān)系。3.什么是巖石的強(qiáng)度？巖石的破壞一般有幾種類型？答：巖石強(qiáng)度時指巖石提抗破壞的能力。巖石破壞的形式主要由斷裂破壞（應(yīng)力達(dá)到強(qiáng)度極限）和流動破壞(應(yīng)力達(dá)到屈服極限)。4.對于彈性平面問題，（1）應(yīng)力狀態(tài)有哪兩種？其本構(gòu)方程有什么關(guān)系？（2）如果體力為常量

51、，其應(yīng)力分布是否與應(yīng)力狀態(tài)和材料性質(zhì)有關(guān)？為什么？答：（1）彈性平面問題中應(yīng)力狀態(tài)包含垂直平面方形主應(yīng)力z=0，z0的應(yīng)力問題和z0，z=0的應(yīng)變問題兩類。兩類本構(gòu)方程都是由胡克定理推到而來，只要將應(yīng)力問題中彈性模量E換成E/（12），換成/（1）就可得到平面應(yīng)變問題。（2）如果體力為常量，從彈性平面問題解答式看出，平面問題的相容方程、應(yīng)力分量解答式、邊界條件皆不含任何彈性常數(shù)，因此平面問題的應(yīng)力分布規(guī)律與材料的性質(zhì)無關(guān)。5.在平面問題中，已知一點(diǎn)M處的應(yīng)力分量x、y、xy=yx，參見課本圖4-5，試求該點(diǎn)的平行于z軸而傾斜于x軸和y軸的任一斜面上的應(yīng)力。答：如下圖示：由n=0和=0求得，任意

52、截面應(yīng)力狀態(tài)：6.使用莫爾應(yīng)力圓畫出：（1）單向拉伸；（2）純剪切；（3）單向壓縮；（4）雙向拉伸；（5）雙向壓縮。答：如下圖示：7.試證明：在發(fā)生最大與最小剪應(yīng)力的面上，正應(yīng)力的數(shù)值都等于兩個主應(yīng)力的平均值。答：解析法：平面狀態(tài)下，任意斜面面上的應(yīng)力狀態(tài)由下述公式表示：是的函數(shù)，求d/d=0得到：將上式帶回求得：=（1+3）/2圖解法：如下圖莫爾應(yīng)力圓莫爾應(yīng)力圓圓心處，取得最大最小剪應(yīng)力，此處應(yīng)力=（1+3）/2。8.將一個圓柱形材料放在厚壁圓筒內(nèi)承受軸向壓縮，使之無法生產(chǎn)橫向應(yīng)變，（1）試?yán)貌此杀却_定水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力之比；（2）當(dāng)泊松比是0.1和0.5時，試計算上述的應(yīng)力比值；（3）試

53、確定各向同性彈性巖石的（x+y+z）與體積變化之間的關(guān)系。答：(1)題設(shè)條件下，圓柱形材料任意垂直于軸向的應(yīng)變r=0由胡克定理r=（r（r+z）/E 得：r/z=/(1)；(2)當(dāng)泊松比=0.1時，r/z=0.11；當(dāng)=0.5時，z/r=1；(3)完全彈性的各向同性體中，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系用胡克定律表述如下：上述公式可得：x+y+z=（x+y+z），其中體積應(yīng)變v=x+y+z，因此x+y+z=v9.在某些模型試驗(yàn)中，豎向放置的明膠板載側(cè)邊給予約束，使之在這一方不能產(chǎn)生應(yīng)變，而在明膠板的垂直方向則不受約束，因而該明膠板處于平面應(yīng)變狀態(tài)。如果明膠的密度為，至任一點(diǎn)的深度是z，泊松比是，試計算明膠板在任一

54、點(diǎn)的水平應(yīng)力。答：題設(shè)條件下：x=y=0 ；x=y；x=z由胡克定律：得水平應(yīng)力x=y=z / (1) =z/ (1)。10.給某一物體內(nèi)的位移分量為u=v=0，w=w(z)，試求位移函數(shù)w(z)。答：計算如下：11.給出簡單拉伸時的增量理論和全理論的本構(gòu)關(guān)系。答：12.試求下述情況的塑性應(yīng)變增量之比：（1）簡單拉伸：=0（2）二維應(yīng)力狀態(tài)：1=0/3，2=0/3（3）純剪：xy=0答：13.什么是蠕變、松弛、彈性后效和流變？答：蠕變是當(dāng)應(yīng)力不變時，變形隨時間增加而增長的現(xiàn)象；松弛是當(dāng)應(yīng)變不變時，應(yīng)力隨時間增加而減小的現(xiàn)象；彈性后效是加載或卸載時，彈性應(yīng)變滯后于應(yīng)力的現(xiàn)象；流變是指材料變形過程

55、中具有時間效應(yīng)的現(xiàn)象。14.蠕變一般包括哪幾個階段？每個階段的特點(diǎn)是什么？答：蠕變過程可分為三個階段：第一蠕變階段：應(yīng)變速率隨時間增加而減小，稱為減少蠕變階段或初始蠕變階段；第二蠕變階段：應(yīng)變速率保持不變，稱等速蠕變階段；第三蠕變階段：應(yīng)變速率迅速增加直到巖石破壞，承加速蠕變階段。15.不同受力條件下巖石的流變有哪些特征？答：巖石在不同的應(yīng)力作用下，巖石變形與時間的關(guān)系各不相同。當(dāng)作用在巖石上的應(yīng)力小于某一值時，巖石的變形速率隨時間的增加而減小，最后趨于穩(wěn)定，這中蠕變稱為穩(wěn)定蠕變。當(dāng)作用在巖石上的應(yīng)力超過某一值時，巖石的變形速率隨著時間的增加而增加，最后導(dǎo)致巖石的破壞，這種蠕變稱為不穩(wěn)定蠕變。

56、16.描述巖石流變性質(zhì)的流變方程主要由幾種？答：巖石的流變包括蠕變、松弛和彈性后效。其流變方程主要有蠕變方程、松弛方程、彈性后效方程。17.流變模型的基本元件有哪幾種？答：流變模型的基本原件有彈性元件、塑性元件和粘性元件三種。18.敘述巖石力學(xué)中常見的幾個流變模型。答：有圣維南（St.Venant）體、馬克斯威爾（Maxwell）體、開爾文（Kelvin）體、廣義開爾文（modified Kelvin）體、飽依丁湯姆遜（Poying-Thomson）體、博格斯（Burgers）體、西原體和賓漢姆（Bingham）體等。其中圣維南（St.Venant）體：理想彈塑性體，無蠕變、無松弛，無彈性后效；馬克斯威爾（Maxwell）體：彈粘性體，有瞬時變形，有等速蠕變，有松弛，無彈性后效，有殘余變形。開爾文（Kelvin）體：粘彈性體，有穩(wěn)定蠕變，有彈性后效，無松弛，