巖石力學(xué)復(fù)習(xí)資料

1、巖石力學(xué)復(fù)習(xí)資料 巖土11巖石力學(xué)復(fù)習(xí)資料1.1 簡(jiǎn)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(shí)驗(yàn)室測(cè)得；巖體是指由諸如節(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(chǎng)進(jìn)行測(cè)定，因此更接近巖體的實(shí)際情況，反映巖體的實(shí)際強(qiáng)度。另外，巖石就是不含有地質(zhì)結(jié)構(gòu)面的巖體；巖體包含若干連續(xù)面，巖體的強(qiáng)度遠(yuǎn)低于巖石強(qiáng)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(shì)，隨著受力巖體的結(jié)構(gòu)趨向不同力學(xué)性質(zhì)

2、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，造成巖體的不均勻性；（4）巖塊單元的可移動(dòng)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(dòng)，它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(chǎng)的地應(yīng)力場(chǎng)、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(lèi)？它們各自的基本特點(diǎn)是什么？ 答：（1）巖漿巖：由巖漿冷凝形成的巖石，強(qiáng)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(yùn)、沉積和結(jié)硬成巖作用而形成的巖石，具有層理構(gòu)造，強(qiáng)度不穩(wěn)定，且具

3、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(dòng)性流體的影響發(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(jiǎn)述巖體力學(xué)的研究任務(wù)與研究?jī)?nèi)容。研究任務(wù)：建模與參數(shù)辨別；確定試驗(yàn)方法、儀器與信息處理；現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試；實(shí)際應(yīng)用；研究?jī)?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(qiáng)度特征，結(jié)構(gòu)面的變性特征和強(qiáng)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(lèi)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(qiáng)度理論（巖體初始應(yīng)力測(cè)量及分布規(guī)律，巖體

4、中應(yīng)力、應(yīng)變和位移計(jì)算，巖體破壞機(jī)理、強(qiáng)度理論和工程穩(wěn)定性維護(hù)與評(píng)價(jià)）：巖石（巖塊）室內(nèi)實(shí)驗(yàn)（室內(nèi)實(shí)驗(yàn)是巖石力學(xué)研究的基本手段）；巖體測(cè)試和工程穩(wěn)定監(jiān)測(cè)（巖體原位力學(xué)實(shí)驗(yàn)原理和方法，巖體結(jié)構(gòu)面分布規(guī)律的統(tǒng)計(jì)測(cè)試，巖體的應(yīng)力、應(yīng)變、位移檢測(cè)方法及測(cè)試數(shù)據(jù)的分析利用，工程穩(wěn)定準(zhǔn)則和安全預(yù)測(cè)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(shí)驗(yàn)、理論分析與工程緊密結(jié)合的方法。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的地質(zhì)條件和工程環(huán)境進(jìn)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(jìn)行室內(nèi)外的物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)、模型試驗(yàn)或原型試驗(yàn)，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(diǎn)分別采用彈性理論、

5、塑性理論、流變理論以及斷裂、損傷等力學(xué)理論進(jìn)行計(jì)算分析。2.2 簡(jiǎn)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：。3.1簡(jiǎn)述巖柱劈裂破壞機(jī)理。 答：巖柱受壓時(shí)，軸向趨于縮短，橫向趨于擴(kuò)張，是張拉破壞。當(dāng)試件兩端面無(wú)摩擦力時(shí)，若試件受到軸向壓縮，試件橫向自由擴(kuò)張，其中的張拉應(yīng)力使試件產(chǎn)生平行于軸線(xiàn)的垂直裂縫，呈柱狀劈裂破壞。3.2 剛性試驗(yàn)機(jī)的工作原理是什么？ 答：剛性試驗(yàn)機(jī)（KmKs），由于試驗(yàn)機(jī)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(qiáng)度后的試驗(yàn)平穩(wěn)進(jìn)行，并記錄下巖石峰值強(qiáng)度

6、后的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)，即剛性試驗(yàn)機(jī)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(shí)，由于軸向趨于縮短，橫向趨于擴(kuò)張，而試件和壓板間的摩擦約束作用則阻止其擴(kuò)張，在試件端面部分形成了一個(gè)箍的作用，這一作用隨著遠(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(rùn)滑試件端部；加長(zhǎng)試件。3.4 簡(jiǎn)述抗剪試驗(yàn)及裂隙法試驗(yàn)的試驗(yàn)要點(diǎn)。 【抗剪試驗(yàn)】試驗(yàn)要點(diǎn)：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(yàn)機(jī)上緩慢加壓至破壞，并記錄下極限荷載P。試驗(yàn)

7、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(guò)程中，角模會(huì)產(chǎn)生水平位移，為減少角模與試驗(yàn)機(jī)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，一般在30°70°。 【裂隙法試驗(yàn)】實(shí)驗(yàn)要點(diǎn)：如圖，用一個(gè)實(shí)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(qiáng)度。鋼絲直徑為5mm，作用為將試驗(yàn)機(jī)壓板荷載轉(zhuǎn)化為線(xiàn)性荷載傳遞給試件。試件尺寸為直徑d=50mm，長(zhǎng)度t=25mm。此時(shí)，試件的單軸抗拉強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)關(guān)鍵：嚴(yán)格對(duì)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(xiàn)，上、下兩鋼絲的連

8、線(xiàn)為試件的直徑，保證破裂面通過(guò)試件的直徑。3.5 簡(jiǎn)述摩爾-庫(kù)倫曲線(xiàn)的制作方法。 答：摩爾曲線(xiàn)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)力圓；找出各應(yīng)力圓上的破壞點(diǎn)；用光滑曲線(xiàn)連接個(gè)破壞點(diǎn)，這條光滑曲線(xiàn)就是極限莫爾應(yīng)力圓的包絡(luò)線(xiàn)，即莫爾準(zhǔn)則曲線(xiàn)。庫(kù)倫曲線(xiàn)的制作方法：作一系列不同傾角的壓剪試驗(yàn)，并由式（1）計(jì)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(diǎn)作出強(qiáng)度準(zhǔn)則曲線(xiàn)，或用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法確定其方程。通常由抗剪試驗(yàn)得出的強(qiáng)度曲線(xiàn)是一條弧形曲線(xiàn)，一般把它簡(jiǎn)化為直線(xiàn)，即得到式（2）所示的強(qiáng)度準(zhǔn)則。（1）（2）3.6 影響巖石強(qiáng)度的主要因素有哪些？ 答：（1）承

9、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(qiáng)度隨尺寸的增加而減??；高徑比：高徑比越大試件抗壓強(qiáng)度越低。（3）加載速率的影響：巖石的單軸抗壓強(qiáng)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(qiáng)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(guò)180，溫度越高強(qiáng)度越小，380左右時(shí)強(qiáng)度急劇下降。（5）層理結(jié)構(gòu)的影響：巖塊的抗壓強(qiáng)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(jiǎn)述單向壓縮下的巖石全過(guò)程應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)的特征。

10、 答：巖石應(yīng)力應(yīng)變?nèi)^(guò)程曲線(xiàn)只有在剛性試驗(yàn)中才能做出，如圖所示，典型巖石應(yīng)力應(yīng)變?nèi)^(guò)程曲線(xiàn)一般可以分為5個(gè)階段來(lái)描述其性質(zhì)：OA階段，通常被稱(chēng)為壓密階段。其特征是應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)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。1、孔裂隙壓密階段：軸向應(yīng)力應(yīng)變特征：曲線(xiàn)呈上凹形，其斜率隨應(yīng)力增加而逐漸增大，包含永久變形。主要原因：試件種原有微裂隙在壓應(yīng)力作用下逐漸閉合（巖石被壓密）。AB階段，彈性變形階段。這一階段的應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)基本呈直線(xiàn)。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(xiàn)呈下凹狀，明顯的表現(xiàn)出應(yīng)變?cè)龃螅?/p>

11、軟化）的現(xiàn)象。進(jìn)入了塑性階段，巖石將產(chǎn)生不可逆的塑性變形。同時(shí)1，3應(yīng)變速率將同時(shí)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。2、彈性變形至微破裂穩(wěn)定發(fā)展階段：軸向應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)特征：呈近似直線(xiàn)。AB段為線(xiàn)彈性變形，BC段屬于塑性變形，B點(diǎn)應(yīng)力為彈性極限，C點(diǎn)應(yīng)力為屈服極限。主要原因：巖石變形到A點(diǎn)，原生裂隙壓密過(guò)程已經(jīng)完成，在A點(diǎn)之后就是巖石實(shí)體的線(xiàn)彈性變形；在B點(diǎn)，達(dá)到了巖石的彈性極限，試件內(nèi)開(kāi)始出現(xiàn)新的微破裂，并隨應(yīng)力增加而逐漸發(fā)展，當(dāng)荷載保持不變時(shí)，微破裂也停止發(fā)展；在BC段卸載時(shí)，會(huì)有殘余應(yīng)變。CD階段，為應(yīng)變軟化階段。雖然此時(shí)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

12、載力將隨著應(yīng)變的增大而逐漸減小，表現(xiàn)出明顯的軟化現(xiàn)象。3、非穩(wěn)定破裂發(fā)展階段：軸向應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)特征：曲線(xiàn)呈下凹狀，在C點(diǎn)之后顯示應(yīng)變軟化（應(yīng)變率隨應(yīng)力增大而增大的現(xiàn)象），巖石將產(chǎn)生不可逆的塑性變形。D點(diǎn)之后的應(yīng)力稱(chēng)為峰值強(qiáng)度或單軸抗壓強(qiáng)度。主要原因：C點(diǎn)之后，試件內(nèi)新的裂隙不斷產(chǎn)生，原生裂隙繼續(xù)擴(kuò)展，眾多裂隙相互貫穿，巖石成為碎塊結(jié)構(gòu)。在D點(diǎn)之后，即使外荷載保持不變，變形仍會(huì)不斷發(fā)展，在普通試驗(yàn)機(jī)上，試驗(yàn)在D點(diǎn)終止。D點(diǎn)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。4、應(yīng)變軟化階段（D點(diǎn)以后的峰值后階段）：軸向應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)特征：曲線(xiàn)斜率為負(fù)，軟化現(xiàn)象顯

13、著。試件承載力隨變形的增大而迅速下降，但并不降為零，說(shuō)明破裂的巖石仍有一定的承載能力。主要原因：巖塊承載力達(dá)到峰值后，巖石雖成為碎塊，但試件仍然基本保持整體狀，靠破裂面之間的摩擦力來(lái)抵抗外力。3.8 試說(shuō)明巖石流變?nèi)A段的特點(diǎn)。 答：巖石的蠕變是指在恒定的壓力作用下應(yīng)變隨時(shí)間的增長(zhǎng)而增長(zhǎng)的特性； 巖石的蠕變特性可分為三階段來(lái)描述：瞬態(tài)蠕變階段（初始蠕變階段）（AB段）：加載：首先巖石產(chǎn)生瞬時(shí)彈性應(yīng)變，這一應(yīng)變與時(shí)間無(wú)關(guān)，即OA段； 當(dāng)外荷載維持一定時(shí)間后，巖石將產(chǎn)生隨時(shí)間增大的應(yīng)變，應(yīng)變速率將隨時(shí)間的增加而逐漸減小，曲線(xiàn)呈下凹形，并向直線(xiàn)狀態(tài)過(guò)渡；卸載：巖石的瞬時(shí)彈性應(yīng)變最先恢復(fù)（PQ段）；

14、QR段的存在說(shuō)明巖石具有隨時(shí)間增加應(yīng)變逐漸恢復(fù)的特性，即彈性后效。穩(wěn)定蠕變階段（等速蠕變階段）（BC段）：加載：應(yīng)變速率為一常數(shù)，該應(yīng)變率與外荷載的大小和介質(zhì)的黏度系數(shù)有關(guān)。卸載：出現(xiàn)與第一階段卸載時(shí)一樣的瞬時(shí)彈性應(yīng)變最先恢復(fù)的特性； 在此階段存在彈性后效和粘性流動(dòng)（應(yīng)變無(wú)法全部恢復(fù)，存在部分不能恢復(fù)的永久變形）。非穩(wěn)態(tài)蠕變階段（加速蠕變階段）（C點(diǎn)以后），又稱(chēng)破壞蠕變階段或非穩(wěn)定蠕變階段，加載：應(yīng)變速率劇烈增加； 整個(gè)曲線(xiàn)呈上凹形； 一般經(jīng)過(guò)短暫時(shí)間后試件將發(fā)生破壞。（一般過(guò)了C點(diǎn)以后巖石破壞（失穩(wěn)）不可避免。）C點(diǎn)被稱(chēng)為蠕變極限應(yīng)力。蠕變+松弛流變?nèi)渥儯簯?yīng)力為常量，應(yīng)變隨時(shí)間延長(zhǎng)而增大的現(xiàn)

15、象。分為彈性后效和黏性流動(dòng)。彈性后效：加載或卸載后經(jīng)一段時(shí)間后，應(yīng)變才增加或減小到一定值的現(xiàn)象。黏性流動(dòng)：卸載后，部分應(yīng)變永久不能恢復(fù)的現(xiàn)象。松弛：應(yīng)變?yōu)槌Ａ?，?yīng)力隨時(shí)間延長(zhǎng)而減小的現(xiàn)象。3.9 蠕變力學(xué)模型（兩元件）的結(jié)構(gòu)關(guān)系推導(dǎo)過(guò)程。 答：（1）馬克斯韋爾模型（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(xiàn) 松弛曲線(xiàn) 彈性后效和粘性流動(dòng)靜力平衡條件： 變形協(xié)調(diào)條件： 本構(gòu)關(guān)系：蠕變方程： 松弛方程：粘性流動(dòng)：流變特征瞬變?nèi)渥兯沙趶椥院笮д承粤鲃?dòng)M體有有有無(wú)有（2）開(kāi)爾文模型（K體）開(kāi)爾文模型是由彈簧和阻尼器并聯(lián)組成。K=H|N。 蠕變曲線(xiàn) 松弛曲線(xiàn)

16、 彈性后效和粘性流動(dòng)靜力平衡條件： 變形協(xié)調(diào)條件： 本構(gòu)方程：松弛方程：蠕變方程： 彈性后效：流變特征瞬變?nèi)渥兯沙趶椥院笮д承粤鲃?dòng)K體無(wú)有無(wú)有無(wú)（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|St V。 蠕變與粘性流動(dòng)曲線(xiàn)靜力平衡條件： 變形協(xié)調(diào)條件： 本構(gòu)關(guān)系： 蠕變方程： 粘性流動(dòng)：流變特征瞬變?nèi)渥兯沙趶椥院笮д承粤鲃?dòng)N|St V體2f無(wú)無(wú)無(wú)無(wú)無(wú)2=f無(wú)有無(wú)無(wú)有3.10 莫爾庫(kù)侖準(zhǔn)則提出機(jī)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(jī)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(lái)克服與正應(yīng)力無(wú)關(guān)的粘結(jié)力，使材料顆粒間相

17、脫離；另一部分用來(lái)克服與正應(yīng)力成正比的摩擦力，使面間發(fā)生錯(cuò)動(dòng)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)力剪應(yīng)力，將其簡(jiǎn)化為直線(xiàn)，即得到的強(qiáng)度準(zhǔn)則。（4）主應(yīng)力表示：若某點(diǎn)有一個(gè)斜面正好處于極限破壞狀態(tài)，則該點(diǎn)應(yīng)力圓與強(qiáng)度直線(xiàn)相切。由圖的三角關(guān)系可以得出。3.11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(jī)分布的，相互獨(dú)立的微裂紋。在外力作用下，當(dāng)微裂紋尖端處的變形達(dá)到某極值時(shí)，裂紋產(chǎn)生擴(kuò)展、連接、貫通等現(xiàn)象，最終導(dǎo)致材料的破壞。其中有一個(gè)方向的裂紋最有利于破裂，在外力作用下，首先在該方向裂紋的尖端張拉擴(kuò)展。4.2 簡(jiǎn)述結(jié)構(gòu)面分類(lèi)及其特征指標(biāo)。 答

18、：（1）按地質(zhì)成因分類(lèi)：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)面的破壞屬性分類(lèi)：分為單個(gè)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(lèi)型。（3）按結(jié)構(gòu)面的分布規(guī)模分類(lèi)：相對(duì)分類(lèi)和絕對(duì)分類(lèi)。 相對(duì)分類(lèi)是相對(duì)于工程的尺度和類(lèi)型對(duì)結(jié)構(gòu)面的規(guī)模進(jìn)行分類(lèi)，可分為細(xì)小、中等、大型三類(lèi)；絕對(duì)分類(lèi)只考慮了結(jié)構(gòu)面的延伸長(zhǎng)度和破壞帶的寬度，將結(jié)構(gòu)面分為五級(jí)。4.3 簡(jiǎn)述結(jié)構(gòu)面的切向、法向變形特性。 答：【切向變形】（1）-u曲線(xiàn)。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(qiáng)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(xiàn)可以分為四類(lèi)。 有充填結(jié)平面接觸 無(wú)充填齒狀接觸

19、 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(qiáng)度較大，充填物被剪壞后，接觸面變?yōu)槠矫娼佑|，抗剪強(qiáng)度迅速下降至殘余強(qiáng)度。此時(shí)，初始強(qiáng)度即為最大強(qiáng)度，由充填物質(zhì)的抗剪強(qiáng)度決定，而殘余強(qiáng)度受充填物質(zhì)的顆粒級(jí)配、結(jié)構(gòu)壁的強(qiáng)度和形態(tài)等因素的影響。無(wú)充填齒狀接觸。隨著剪應(yīng)力的增加，上下接觸面逐漸進(jìn)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(shí)，達(dá)到初始強(qiáng)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(dá)到最大強(qiáng)度，結(jié)構(gòu)面變成平面接觸進(jìn)入殘余變形階段。部分充填齒狀接觸

20、。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(shí)，結(jié)構(gòu)面達(dá)到初始強(qiáng)度并開(kāi)始進(jìn)入齒狀接觸，以后的變形同無(wú)充填齒狀接觸，并出現(xiàn)二次強(qiáng)化現(xiàn)象。軟弱式接觸。結(jié)構(gòu)面兩壁巖石比較軟弱，沒(méi)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(qiáng)化現(xiàn)象。其強(qiáng)度隨位移的增加而增加，直至塑性破壞。（2）擴(kuò)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(shí)。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(shí)，其上部的巖體會(huì)隆起，體積增大，稱(chēng)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(shí)，滑動(dòng)面以上的巖體會(huì)產(chǎn)生沉降，體積縮小，擴(kuò)容為負(fù)，稱(chēng)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(kāi)始為

21、點(diǎn)或線(xiàn)接觸，當(dāng)承受垂直于結(jié)構(gòu)面的壓力時(shí)，經(jīng)擠壓后，局部破碎或劈裂，逐漸變?yōu)槊娼佑|，并繼續(xù)產(chǎn)生壓縮變形；當(dāng)超過(guò)極限之時(shí)，其變形將會(huì)傳遞給結(jié)構(gòu)體。開(kāi)始時(shí)隨著法向應(yīng)力的增加，結(jié)構(gòu)面閉合變迅速增長(zhǎng)，-u曲線(xiàn)呈上凹形；隨應(yīng)力的不斷增大，-u曲線(xiàn)逐漸變陡，趨向各自的漸近線(xiàn)u=Vmc，因?yàn)橹灰獛r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(qiáng)度的三分之一時(shí)，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(xiàn)與結(jié)構(gòu)面的類(lèi)型及巖壁性質(zhì)基本無(wú)關(guān)，屬于非線(xiàn)性曲線(xiàn)，可以擬合為雙曲線(xiàn)或指數(shù)曲線(xiàn)。4.4 結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度指標(biāo)有哪些

22、？ 答：（1）平直結(jié)構(gòu)面 強(qiáng)度條件：最易破壞方向：（2）齒狀結(jié)構(gòu)面規(guī)則齒狀結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度條件：雙線(xiàn)性準(zhǔn)則： 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(qiáng)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(jí)配。隨著粗顆粒的增加，脆性變形增加，峰值強(qiáng)度逐漸增大，峰值強(qiáng)度后，過(guò)渡到理想塑性狀態(tài)。厚度。充填物較薄時(shí)，隨厚度的增加摩擦因數(shù)迅速降低，內(nèi)聚力開(kāi)始時(shí)迅速升高，升到一定值后又逐漸降低；當(dāng)充填物厚度達(dá)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(shí)結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度主要取決于充填?yuàn)A層的強(qiáng)度。充填程

23、度。充填程度越小，結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)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(qiáng)度的關(guān)系）。 答：（1）當(dāng)w或90°時(shí)，巖體不可能沿結(jié)構(gòu)面破壞，即結(jié)構(gòu)面的存在不會(huì)削弱巖體的強(qiáng)度。（2）巖體最大強(qiáng)度為完整巖石強(qiáng)度，其破壞面與主平面的夾角；巖體最小強(qiáng)度為結(jié)構(gòu)面的最小強(qiáng)度，其破壞面與主平面的夾角。（3）造成巖體強(qiáng)度削弱的結(jié)構(gòu)面傾角范圍：minmax。（4）當(dāng)min或max時(shí)，巖塊先發(fā)生破壞，巖體強(qiáng)度等于巖塊強(qiáng)度；當(dāng)minmax時(shí)，節(jié)理（結(jié)構(gòu)面）先發(fā)生破壞，巖體強(qiáng)度小于巖塊強(qiáng)度；當(dāng)min或max時(shí)，巖塊和節(jié)理（結(jié)構(gòu)面）同時(shí)破壞，巖體強(qiáng)度等于巖塊強(qiáng)度。（5）巖體強(qiáng)度曲線(xiàn)4.6 巖體的變形模量

24、的表達(dá)方式及測(cè)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：，其中p+e為巖體在壓應(yīng)力作用下產(chǎn)生的總應(yīng)變，p為永久應(yīng)變，e為彈性應(yīng)變，Em為巖體的變形模量，是-曲線(xiàn)的割線(xiàn)斜率。測(cè)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(jiǎn)述工程巖體分類(lèi)的目的及原則。 答：目的：為巖石工程建設(shè)的勘察、設(shè)計(jì)、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)改革和管理。原則：有明確的類(lèi)級(jí)和適用對(duì)象；有定量的指標(biāo)；類(lèi)級(jí)一般分五級(jí)為宜；分類(lèi)方法簡(jiǎn)單明了，數(shù)字便于記憶和應(yīng)用；根據(jù)適用對(duì)象，選擇考慮因素。5.2 影響圍巖分類(lèi)的主要因素有哪些？

25、答：（1）巖石強(qiáng)度。巖石強(qiáng)度是巖體固有承載能力天然屬性。表示巖石強(qiáng)度的參數(shù)常由實(shí)驗(yàn)測(cè)定，包括巖石的抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)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(kāi)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；減少巖體內(nèi)的有效應(yīng)力，降低了巖體的抗剪強(qiáng)度，改變了巖體中的應(yīng)力場(chǎng)和破壞機(jī)理。（4）地應(yīng)力。（5）工程圍巖的穩(wěn)定性。工程圍巖分類(lèi)中，通常用巖體工程的自穩(wěn)時(shí)間和工程頂部的沉降來(lái)反映工程的穩(wěn)定性。

26、5.3 工程巖體幾種典型的分類(lèi)方法。 答：（1）單因素分類(lèi)。按巖塊的單軸抗壓強(qiáng)度分類(lèi)（5類(lèi)）；按巖體波速分類(lèi)（7類(lèi)，完整性系數(shù)：彈性波在巖體中傳播速度與在巖塊內(nèi)傳播速度比值的平方；按巖石質(zhì)量指標(biāo)（RQD）分類(lèi)（5類(lèi)）；按巷道圍巖穩(wěn)定性分類(lèi)（9類(lèi)）。（2）多因素分類(lèi)。Q分類(lèi)（逐漸變好）RQD-巖體的質(zhì)量指標(biāo)，Jn-巖體裂度影響系數(shù)；Jr-結(jié)構(gòu)面粗糙度影響系數(shù)；Ja-結(jié)構(gòu)面巖壁強(qiáng)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(lèi)法（逐漸變差）RMR=R1+R2+R3+R4+R5+R6RMR-巖體質(zhì)量分類(lèi)值；R1-巖石抗壓強(qiáng)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)

27、；R5-地下水狀態(tài)；R6-修正指標(biāo)。5.4 簡(jiǎn)述我國(guó)工程巖體分級(jí)的基本方法。 答：我國(guó)兩種代表性的分類(lèi)方法是：煤炭系統(tǒng)圍巖分類(lèi)（五類(lèi)，質(zhì)量由最好過(guò)渡到最差）和公路隧道圍巖分類(lèi)（六類(lèi)，質(zhì)量由最好過(guò)渡到最差）。首先以巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度和巖體完整性指標(biāo)為基本參數(shù)，按給定的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算巖體的基本質(zhì)量指標(biāo)；再考慮地下水、結(jié)構(gòu)面、原巖原應(yīng)力等因素對(duì)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(jí)；最后給出了各類(lèi)巖體的力學(xué)性質(zhì)參數(shù)，描述了各類(lèi)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(qiáng)度；Kv-巖體完整性系數(shù)）

28、若c 90+250Kv，取c=90+250Kv；若Kv0.4+0.04c，取Kv=0.4+0.04c。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)）。6.1 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(chēng)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(jì)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)。；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，（2）構(gòu)造應(yīng)力。由于地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的應(yīng)力為地質(zhì)

29、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(chǎng)。6.3 簡(jiǎn)述水壓致裂法的原理與特點(diǎn)。 答：原理：通過(guò)液壓泵向鉆孔內(nèi)擬定量測(cè)深度加液壓將孔壁壓裂，測(cè)定壓裂過(guò)程中的各特征點(diǎn)壓力及開(kāi)裂方位，然后根據(jù)測(cè)得的壓裂過(guò)程中泵壓表的讀數(shù)，計(jì)算測(cè)點(diǎn)附近巖體中地應(yīng)力大小和方向。壓裂點(diǎn)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(guò)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(guò)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?jí)毫褖毫?；Ps液體進(jìn)入巖體內(nèi)連續(xù)地將巖體劈裂的液壓，稱(chēng)為穩(wěn)定開(kāi)裂壓力；Ps0關(guān)泵后壓力表上保持的壓力，稱(chēng)為關(guān)閉壓

30、力。如果圍巖滲透性大，該壓力將逐漸衰減；Pb0停泵后重新開(kāi)泵將裂縫壓開(kāi)的壓力，稱(chēng)為開(kāi)啟壓力。特點(diǎn)：設(shè)備簡(jiǎn)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(guò)壓裂裝置壓裂巖體，不需要復(fù)雜的電磁測(cè)量設(shè)備。操作方便。只通過(guò)液壓泵向鉆孔內(nèi)注液壓裂巖體，觀測(cè)壓裂過(guò)程中泵壓、液量即可。測(cè)值直觀。它可根據(jù)壓裂時(shí)泵壓（初始開(kāi)裂泵壓、穩(wěn)定開(kāi)裂泵壓、關(guān)閉壓力、開(kāi)啟壓力）計(jì)算出地應(yīng)力值，不需要復(fù)雜的換算及輔助測(cè)試，同時(shí)還可求得巖體的抗拉強(qiáng)度。測(cè)值代表性大。所測(cè)得的地應(yīng)力值及巖體抗拉強(qiáng)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(qiáng)。這一方法不需要電磁測(cè)量元件，不怕潮濕，可在干孔及孔中有水的條件下試驗(yàn)，不

31、怕電磁干擾，不怕震動(dòng)。6.4簡(jiǎn)述應(yīng)力解除法的原理。 答：原理：當(dāng)需要測(cè)定巖體中某點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)時(shí)，人為地將該處的巖體單元與周?chē)鷰r體分離，此時(shí)，巖體單元上所受的應(yīng)力將被解除。同時(shí)，該單元體的幾何尺寸也將產(chǎn)生彈性恢復(fù)。應(yīng)用一定的儀器，測(cè)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(lái)計(jì)算巖體單元所受的應(yīng)力狀態(tài)。應(yīng)力解除法按測(cè)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(cè)試變形或應(yīng)變的方法不同，又可分為孔徑變形測(cè)試法、孔壁應(yīng)變測(cè)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(chǎng)是

32、一個(gè)非穩(wěn)定應(yīng)力場(chǎng)。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(chǎng)，三個(gè)主應(yīng)力大小和方向隨時(shí)間和空間變化而變化，是一個(gè)非穩(wěn)定的應(yīng)力場(chǎng)。（2）實(shí)測(cè)垂直應(yīng)力基本上等于上覆巖體重量。v=0.027H。 （3）水平應(yīng)力普遍大于垂直應(yīng)力。兩個(gè)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(gè)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。7.2 簡(jiǎn)述塑、彈性區(qū)應(yīng)力分布特點(diǎn)。 答：當(dāng)圍巖進(jìn)入塑性狀態(tài)時(shí)，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

33、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(chēng)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(chēng)作松動(dòng)區(qū)。松動(dòng)區(qū)內(nèi)應(yīng)力和強(qiáng)度都有明顯下降，裂隙擴(kuò)張?jiān)龆啵莘e擴(kuò)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(kāi)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(duì)彈性區(qū)的支護(hù)作用。 答：洞室周邊的位移公式：，故，硐室塑性位移與塑性區(qū)半徑的平方及遠(yuǎn)場(chǎng)應(yīng)力成正比。7.4 =1時(shí)彈、塑性應(yīng)力分析開(kāi)挖引起的圍巖位移的計(jì)算。 答：塑性區(qū)開(kāi)挖前：開(kāi)挖

34、后：開(kāi)挖引起的位移：彈性區(qū)開(kāi)挖前：開(kāi)挖后：開(kāi)挖引起的位移：7.5 圍巖壓力分為哪幾類(lèi)？影響圍巖壓力的主要因素有哪些？ 答：（1）分類(lèi)：松動(dòng)壓力。又稱(chēng)塌落圍巖壓力，是指松動(dòng)的巖體或施工爆破所破壞的巖體作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的壓力，即為部分巖石的重量直接作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的壓力；塑性變形壓力。阻止圍巖塑性變形時(shí)作用在支護(hù)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(dòng)狀況；巖體的性質(zhì)和強(qiáng)度。工程方面： 洞室的形狀和尺寸； 支護(hù)結(jié)構(gòu)的形式和

35、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(kāi)挖順序等；洞室的軸線(xiàn)走向7.6 什么是新奧法？簡(jiǎn)述其要點(diǎn)。 答：（1）定義：新奧法是應(yīng)用巖體力學(xué)原理，以維護(hù)和利用圍巖的自承能力為基點(diǎn)，采用錨桿和噴射混凝土為主要支護(hù)手段，及時(shí)進(jìn)行支護(hù)，控制圍巖的變形和松弛，使圍巖成為支護(hù)體系的組成部分，并通過(guò)對(duì)圍巖和支護(hù)的量測(cè)、監(jiān)控來(lái)指導(dǎo)隧道施工和地下工程設(shè)計(jì)施工的方法和原則。（2）要點(diǎn)：開(kāi)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(kāi)挖，以減少對(duì)圍巖的擾動(dòng)；隧道開(kāi)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(hù)作用；根據(jù)圍巖特征采用不同的支護(hù)類(lèi)型和參數(shù)，及時(shí)施作密貼于圍巖的柔性噴射混凝土和錨桿初期支護(hù)，以控制圍巖的變形和松弛；在軟弱破碎圍巖地段，是斷面