岩石力学与工程课后习题与思考解答.doc 53页

'岩石力学与工程【科学出版社蔡美峰主编】习题与思考题及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容易风化？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，所以非常容易风化。3.常见岩石的结构连接类型有哪几种？各有什么特点？答：岩石中结构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紧密接触，故岩石强度一般较大，抗风化能力强；胶结连接指岩石矿物颗粒与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.何谓岩石中的微结构面，主要指哪些，各有什么特点？答：岩石中的微结构面（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若面及空隙。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一定结晶防线分裂成光滑平面，解理面往往平行于矿物晶体面网间距较大的面网。晶粒边界：由于矿物晶粒表面电价不平衡而引起矿物表面的结合力，该结合力源小于矿物晶粒内部分子、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破裂痕迹线。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。岩浆岩按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，常常形成基性岩、超基性岩、中性岩及酸性、碱性岩等，其岩性较均一，变化较小，岩体结构呈典型的块状结构，结构多为六面体和八面体，岩体颗粒均匀，多为粗-中粒结构，致密坚硬，空隙少，力学强度高，透水性弱，抗水性强；浅成岩成分与相应的深成岩相似，其产状多为岩床、岩墙、岩脉等小侵入体，岩体均一性差，岩体结构常呈镶嵌式结构，岩石常呈斑状结构和均粒-《岩石力学与工程》科学出版社2002年第一版蔡美峰主编Z.N.Lee解答整理第53页 岩石力学与工程【科学出版社蔡美峰主编】习题与思考题及解答中细粒结构，细粒岩石强度比深成岩高，抗风化能力强，斑状结构则差一些；喷出岩有喷发及溢流之别，其结构比较复杂，岩性不一，各向异性显著，岩体连续性差，透水性强，软弱结构面发育。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、碳酸盐和残余的石英长石等，具层理构造，岩性一般具有明显的各向异性，按形成条件和结构特点，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基础上，经过变质混合作用形成的。因其形成的温度、压强等变质因素复杂，其力学性质差别很大，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岩石固体部分的重量和4℃时同体积纯水重量的比值Gs=Ws/(Vs·γω）空隙性总空隙率n岩石空隙的体积与岩石总体积的比值n=Vρ/V×100%总开空隙率no岩石开型空隙的体积与岩石总体积的比值no=Vρ，o/V*100%大开空隙率nb岩石大开型空隙的体积与岩石总体积的比值nb=Vρ，b/V×100%小开空隙率ns岩石小开型空隙的体积与岩石总体积的比值ns=Vρ，s/V×100%闭空隙率nc岩石闭型空隙的体积与岩石总体积的比值nc=Vρ，c/V×100%水理性天然含水率ω天然状态下岩石中水的质量与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与其烘干质量的比值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，岩石吸入水的质量与岩样烘干质量的比值,亦称饱水率wsa=(msa-mdr)/mdr×100%饱水系数kω岩石吸水率与饱水率的比值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(饱水岩样抗压强度与烘干岩样抗压强度比值）ηc=σcω/σc《岩石力学与工程》科学出版社2002年第一版蔡美峰主编Z.N.Lee解答整理第53页 岩石力学与工程【科学出版社蔡美峰主编】习题与思考题及解答抗冻性cf岩石抵抗冻融破坏的性能，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与冻融前抗压强度比值）cf=(σc-σcf)/σc×100%7.岩石破坏有几种形式？对各种破坏的原因作出解释。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.劈裂法实验时，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实验的基本原理。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，并逐渐均匀化，在Y向上，随着位置向圆盘中央靠近，压应力逐渐减小并均匀化，但始终是处于压的状态，又因为岩石抗拉强度低，故圆盘试件在中央沿直径发生劈裂破坏。9.什么是全应力-应变曲线，为什么普通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，特别是岩石破坏后的强度与力学性质变化规律的应力应变曲线就叫全应力-应变曲线。普通试验机只能得出半程应力-应变曲线不能得出全应力-应变曲线的原因是由于试验机的刚性不足，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，试验机迅速回弹，被存于试验机中的应变能瞬间释放到岩石试件中，引起岩石的激烈破坏和崩解，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。《岩石力学与工程》科学出版社2002年第一版蔡美峰主编Z.N.Lee解答整理第53页 岩石力学与工程【科学出版社蔡美峰主编】习题与思考题及解答10.如何根据全应力-应变曲线预测岩石的岩爆、流变和反复加、卸载作用下的破坏？答：（1）如下图示全应力应变曲线：左半部A的面积代表，达到峰值强度时，积累在试件内部的应变能，右半部B代表试件从破裂到破坏所消耗的能量。若A＞B，说明岩石破坏后尚余一部分能量，这部分能量突然释放就会产生岩爆，若A＜B，则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）在试件加载到一定程度，保持一定应力水平不变，试件将发生蠕变，蠕变发生到一定程度，即应变达到某一值，蠕变就停止，全应力-应变曲线预测蠕变可由下应变-应力曲线预测蠕变破坏图示意：图中，全应力-应变曲线及蠕变终止轨迹线由大量实验所得，（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，最终发展到蠕变终止轨迹线，停止蠕变，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，蠕变应变最终达到破坏段应力应变曲线破坏段，试件发生破坏，如AB,CD；（4）从C点开始发生蠕变则到D点发生破坏，若从A点发生蠕变，则到B点发生破坏，前者，蠕变时间较后者长。（3）全应力-应变曲线预测循环加载下岩石的破坏：《岩石力学与工程》科学出版社2002年第一版蔡美峰主编Z.N.Lee解答整理第53页 岩石力学与工程【科学出版社蔡美峰主编】习题与思考题及解答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若干的滞回环，并不断向破坏段应力-应变曲线靠近，在循环荷载加载到一定程度，岩石将发生疲劳破坏，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则需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化？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化，表明岩石由弹性向弹塑性变化。12.什么是莫尔强度包络线？如何根据实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，这条包络线与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，可以在单向拉伸与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.岩石的抗剪强度与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：《岩石力学与工程》科学出版社2002年第一版蔡美峰主编Z.N.Lee解答整理第53页 岩石力学与工程【科学出版社蔡美峰主编】习题与思考题及解答上图说明，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，上图示试验表明，剪切面得正应力越大，试件被剪切破坏前的剪应力也越大，因为剪切破坏前一定要克服摩擦力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）：试件中原有张开结构面或微裂隙逐渐闭合，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发展阶段（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）非稳定破裂发展阶段（CD段）：微破裂发生质的变化，破裂不断发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迅速增大。（4）破裂后阶段（D点以后）：岩块承载力达到峰值强度后，内部结构遭到破坏，试件保持整体状，随着继续施压，裂隙快速发展，出现宏观断裂面，此后表现为宏观断裂面的《岩石力学与工程》科学出版社2002年第一版蔡美峰主编Z.N.Lee解答整理第53页 岩石力学与工程【科学出版社蔡美峰主编】习题与思考题及解答块体滑移。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，多次循环加-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：如果卸载点未超过屈服点，其受力处于弹性状态与（1）同论；若卸载点超过屈服点，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，一直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，循环次数及时很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：多次反复加、卸载，每次施加的最大载荷比上一次循环的最大荷载大，则形成上述曲线，随循环次数增多，塑性滞回环面积扩大，卸载曲线斜率增加表明卸载应力下的岩石材料弹性有所增强，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、卸载到一定程度时，试件发生破坏。16.线弹性体、完全弹性体、弹性体三者的应力-应变关系有什么区别？答：如下应力-应变曲线《岩石力学与工程》科学出版社2002年第一版蔡美峰主编Z.N.Lee解答整理第53页 岩石力学与工程【科学出版社蔡美峰主编】习题与思考题及解答弹性体：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，卸载曲线与加载曲线不重合，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段位可恢复的弹性形变，MN段称不可恢复的塑性形变。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，试件任意微小单元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化经历三个阶段：（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化，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：岩石的全部或部分物理、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；如果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相同，但在这个弹性主向上弹性并不相同，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：《岩石力学与工程》科学出版社2002年第一版蔡美峰主编Z.N.Lee解答整理第53页 岩石力学与工程【科学出版社蔡美峰主编】习题与思考题及解答物体内部某一面的各个方向弹性性质相同，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：单轴压缩实验时，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化；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、生物作用而发生变化，产生次生矿物，引起岩体成分结构和构造的变化，降低了岩石的物理力学性质。《岩石力学与工程》科学出版社2002年第一版蔡美峰主编Z.N.Lee解答整理第53页 岩石力学与工程【科学出版社蔡美峰主编】习题与思考题及解答第二章岩体力学性质1.岩体赋存环境包括哪几部分？答：包括地应力、地下水和地温三部分。2.地应力对岩体的影响体现在哪几方面？答：（1）地应力影响岩体的承载能力。对赋存在一定地应力环境中的岩体来说，地应力对岩体形成的围压越大，其承载能力越大。（2）地应力影响岩体的变形和破坏机制。试验表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则。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.岩体结构划分的主要依据是什么？答：岩体结构划分的第一依据是岩体结构面类型，分软弱结构面和坚硬结构面；岩体结构划分的第二依据是结构面切割程度或结构体类型，结构体类型有块状结构和板状结构，结构面切割程度有块裂、板裂、碎裂、续断和完整。4.简述各类岩体结构主要地质特征。答：（1）完整结构岩体：多为碎裂结构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，其结构面重新粘结在一起，形成完整结构；胶结愈合指碎裂岩体经胶结物粘结在一起，形成完整结构，但后期愈合面强度低于原岩强度。（2）块裂结构岩体：多组或至少有一组软弱结构面切割及坚硬结构面参与切割成块状结构体的高级序岩体结构，有的是块状原生结构岩体构成，有的是层状原生结构岩体构成，其软弱结构主要是断层，坚硬结构面一般延伸较长且多为错动过的坚硬结构面。（3）板裂结构岩体：主要发育于经过皱褶作用的层状岩体内，受一组软弱结构面切割，结构体呈板状，软弱结构面组要为层间错动面或块状原生结构岩体内的似层间错动，结构体多为组合板块结构，有的亦为完整板块状结构。（4）碎裂结构岩体：切割岩体的结构面主要是原生结构面及构造结构面，分块状碎裂结构及层状碎裂结构两种，前者结构体块度大，厚度均匀，后者块度小。（5）续断结构岩体：结构面不连续，对岩体切而不断。《岩石力学与工程》科学出版社2002年第一版蔡美峰主编Z.N.Lee解答整理第53页 岩石力学与工程【科学出版社蔡美峰主编】习题与思考题及解答（6）散体结构：分碎屑状散体和糜棱状散体结构岩体5.阐述工程岩体结构的唯一性。答：岩体结构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，工程岩体结构才是唯一的。比如，对于小断面的硐室，其涉及的岩体分类可能是完整结构，但对于同样位置大断面的硐室结构而言，岩体分类可能是板裂、块裂、续断、碎裂结构等，这与硐室断面在岩体空间的跨度有关。6.按结构面成因，结构面分为几种类型？答：按照结构面成因，岩体结构面分为原生结构面、构造结构面及次生结构面。7.结构面的级别及其特征。答：岩体结构面分为五级，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级延伸数十公里，深度可切穿一个构造层，破碎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结构面，构成独立的力学介质单元。影响区域稳定性，山体稳定性，如直接通过工程区，是岩体变形和控制的条件，形成岩体力学作用边界。Ⅱ级延伸数百米至数公里，破碎带宽度比较窄，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。属于软弱结构面，形成块裂边界。控制山体稳定性，与Ⅰ级结构面可形成大规模的块体破坏，及控制岩体变形记破坏方式。Ⅲ级各种类型的断层、原生软弱夹层、层间错动带等。多数属于坚硬结构面，少数属于软弱结构面。控制岩体的稳定性，与Ⅰ级Ⅱ级结构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。《岩石力学与工程》科学出版社2002年第一版蔡美峰主编Z.N.Lee解答整理第53页 岩石力学与工程【科学出版社蔡美峰主编】习题与思考题及解答延展十米或数十名，无破碎带，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。Ⅳ级延展数米，未错动，不夹泥，有的呈弱结合状态，统计结构面节理、劈裂、片理、层理、卸荷裂隙、风化裂隙等。坚硬结构面划分Ⅱ类岩体结构的基本依据，是岩体力学性质、结构效应的基础。破坏岩体的完整性，与其他结构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，统计结构面微小节理，隐微裂裂隙和线理硬性结构面分布随即，降低岩块强度，是岩石力学性质效应基础，若十分密集，又因风化，可形成松散介质。8.描述结构面状态的指标。答：（1）结构面产状：（2）结构面形态：（2）结构面延展尺度：（3）结构面密集程度：9.结构面的剪切变形、法向变形与结构面的哪些因素有关？答：结构面剪切变形与岩石强度、结构面粗糙度和法向力有关；结构面法向变形与岩石本身的力学性质、结构面粗糙度、结构面受载历史等因素有关。10.结构面的力学性质的尺寸效应体现在哪几个方面？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减少趋势；（2）随着结构面尺寸的增大。达到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）随着结构面粗糙度减小，词寸效应减小。11.在多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，产生残余变形;(2)《岩石力学与工程》科学出版社2002年第一版蔡美峰主编Z.N.Lee解答整理第53页 岩石力学与工程【科学出版社蔡美峰主编】习题与思考题及解答随外荷载加大和循环次数增多，闭环曲线逐渐后移，其原因是岩体裂隙与结构面被严密与啮合所致；（3）重复循环加、卸载次数越多，结构体与结构面被压密程度越高，闭环曲线上的滞后变形量越小，甚至把闭环曲线演变成一条直线；（4）随着荷载和循环次数的增加，一定程度后，岩体变形由结构控制转变为结构效应的消失；（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.具有单结构面的岩体，其强度如何确定？答：如下图示：若结构面受力状态其莫尔应力圆与岩石强度包络线相切，岩石沿某截面发生剪切破坏；当结构面受力状态处于其莫尔强度包络线之上或以上，则岩体沿该结构面发生破坏，若结构面受力状态落在其莫尔强度包络线之下，则岩体不沿该结构面发生破坏。13.多结构面岩体的破坏形式如何分析？答：当结构面受力状态处于其莫尔强度包络线之上或以上，则岩体沿该结构面发生破坏，若结构面受力状态落在其莫尔强度包络线之下，则岩体不沿该结构面发生破坏。考虑结构面与第一主应力σ1的夹角β，分析结构面应力状态，分步应用单结构面理论，见下图示：《岩石力学与工程》科学出版社2002年第一版蔡美峰主编Z.N.Lee解答整理第53页 岩石力学与工程【科学出版社蔡美峰主编】习题与思考题及解答图示两组结构面莫尔包络线。（1）当第一组结构面与第一主应力夹角2β＜2β1或2β＞2β1’时，岩体不发生破坏；（2）当第一组结构面与第一主应力夹角2β1＜2β＜2β2或2β1’＞2β＞β2’时，岩体沿第一组结构面发生破坏；(3)当第二组结构面与第一主应力夹角2β1＜2β＜2β1’，且未达到岩石破坏极限，则岩体沿第二组结构面破坏；（4）上述条件不满足，则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经验方程表述如下：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为与岩性及结构面有关的常数，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.岩体中水渗流与土体中水渗流有什么区别？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结构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《岩石力学与工程》科学出版社2002年第一版蔡美峰主编Z.N.Lee解答整理第53页 岩石力学与工程【科学出版社蔡美峰主编】习题与思考题及解答）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）复杂裂隙系统渗流，在裂隙交叉处具有“偏流效应”。16.地下水对岩体的物理、化学作用体现在哪几个方面？答：地下水对岩体的物理作用主要表现在润滑作用、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现在地下水与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，氧化还原作用，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：作为选择工程结构参数、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＞2.6660-502.1-1.533-200.2-0.25Ⅲ2.65-2.4550-391.5-0.720-60.25-0.3Ⅳ2.45-2.2539-270.7-0.26-1.30.3-0.35Ⅴ＜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，结构面的形态、充填物特征及次生变化程度和地下水与其它应力存在对岩体质量的影响。《岩石力学与工程》科学出版社2002年第一版蔡美峰主编Z.N.Lee解答整理第53页 岩石力学与工程【科学出版社蔡美峰主编】习题与思考题及解答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，进行地应力测量是确定工程岩体属性，进行围岩稳定性分析，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？控制某一工程区域地应力状态的主要因素是什么？答：地应力的形成主要与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、岩浆侵入和地壳非均匀扩容等。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部分。控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基本规例。答：(1)三向不等压，应力分布是时间和空间的函数；（2）实测垂直应力基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）平均水平应力与垂直应力比值相当分散，随深度增加比值减小；（5）最大水平应力与最小水平应力比值随深度增加呈线性增长；（6）最大水平应力与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？两类的主要区别在哪里？每类包括哪些测量技术？答：依据测量基本原理不同分为直接测量法和间接测量法。直接测量法是由仪器直接测量和记录各种应力量；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与应力有关的物理量的变化，以此通过有关公式计算岩体中的应力值。直接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发射法；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（声波观察法和超声波谱法）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.简述水压致裂法的基本测量原理。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《岩石力学与工程》科学出版社2002年第一版蔡美峰主编Z.N.Lee解答整理第53页 岩石力学与工程【科学出版社蔡美峰主编】习题与思考题及解答）的作用，离开钻孔端部一定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为周边一点与σ1轴的夹角，当θ=0时，σθ取最小值，此时σθ=3σ2－σ1。采用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，继续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；若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而直接计算出σ1，σ2，达到试验目的。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）继续施加水压，至裂隙深度达到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，是裂隙重新打开，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，以提高测试数据的准确性；卸压，退出装置，完成实验。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。如果孔壁本身存在天然节理裂隙，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实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成本低，测量精度相对可靠。8.简述声发射的主要测试原理。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，称为声发射；声发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，当应力未达到先前最大应力值（凯泽点）时，很少发生声发射现象，当应力达到或超过先前最大应力值时，则产生大量的声发射现象。《岩石力学与工程》科学出版社2002年第一版蔡美峰主编Z.N.Lee解答整理第53页 岩石力学与工程【科学出版社蔡美峰主编】习题与思考题及解答9.简述套孔应力解除法的基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情况。主要测量步骤有：（1）从岩开挖体表面（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继续延伸大孔，使小孔周围岩芯实心应力解除，并通过测量装置记录小孔变形情况；（5）取出岩芯测量岩芯的E，μ等物理力学参数，撤出实验装置，根据理论公式计算原岩应力值。10.简述USBM孔径变形计的基本工作原理。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.如何使用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下图表：《岩石力学与工程》科学出版社2002年第一版蔡美峰主编Z.N.Lee解答整理第53页 岩石力学与工程【科学出版社蔡美峰主编】习题与思考题及解答如图，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与σ1夹角，逆时针为正。打另外一垂直上述孔进行相同的测试，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：任意空间点三维应力状态求解（1）选定整体坐标系Oxyz《岩石力学与工程》科学出版社2002年第一版蔡美峰主编Z.N.Lee解答整理第53页 岩石力学与工程【科学出版社蔡美峰主编】习题与思考题及解答（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为孔径方向与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，逐个采用上述计算方法，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基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，通过延伸钻孔，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，到实验室做加载实验，从而发现原先存在孔底表面的应力。该法缺点是：孔底应力状态和周围原岩应力状态关系复杂，影响孔底应变计测量的精度和实际中的运用，同时需要打三个互不平行的钻孔测量；其优点是：不需要很长的套孔岩芯，因而有可能在破碎岩石条件下使用。13.简述孔壁应变计的基本工作原理。答：通过应力解除测量钻孔壁表面应变，进而计算出钻孔表面应力，利用弹性力学原理，一个无限体中的钻孔表面的应力分布状态可以通过周围岩体中应力状态给出精确解，因此，通过钻孔表面应力状态可反算出周围岩体应力状态。14.对CSIR孔壁应变计的主要优缺点作出评价并说明为什么使用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《岩石力学与工程》科学出版社2002年第一版蔡美峰主编Z.N.Lee解答整理第53页 岩石力学与工程【科学出版社蔡美峰主编】习题与思考题及解答）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，孔壁应变计采用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个涉及原岩应力场所有未知量的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基本工作原理。答：空心包体应变计主体使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，使用专门工具将应变计推入安装小孔，用力推动应变计，可以间断其固定销，使应变计柱塞进入内腔，使内腔胶结剂流入应变计与孔壁之间的环形槽中，实现应变计与孔壁紧密粘帖，通过应力解除，孔径变化，变形计中各组应变花分别记录孔壁沿不同方向的应变，考虑应变片与孔壁之间夹有一定距离，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周围裂隙岩体中，使岩石整体化，因而较易得到完整的套孔岩芯，能够使用在中等破碎和松软岩体中，同时有较好的防水性。17.简述实心包体应变计的基本工作原理。答：实心包体应变计采用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，使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破裂，胶结剂流出，实现应变计与小孔的紧密粘结，解除应力过程中记录各应变片变化，通过适当公式，进而求出各向应力状态。18.实心包体应变计与刚性包体应变计的主要区别是什么？答：实心应变计采用弹性材料环氧树脂，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，通过弹性理论知识计算应力；刚性包体则采用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，因而是直接测量应力。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。《岩石力学与工程》科学出版社2002年第一版蔡美峰主编Z.N.Lee解答整理第53页 岩石力学与工程【科学出版社蔡美峰主编】习题与思考题及解答答：地应力测量过程中多数应变计和形变计都是采用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化引起电阻变化这一原理，在实际使用过程中，电阻变化受温度影响明显，这就会导致电阻变化，造成虚假的输出结果，影响输出电压，使结果偏离真实。而温度引起的变化可以通过惠特斯顿全桥电路相互抵消，该电路采用4个桥臂，温度变化下，引起4臂温度等量变化，引起各桥电势变化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，因此为了减少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采用增加补偿臂，实现温度补偿，有重要意义。《岩石力学与工程》科学出版社2002年第一版蔡美峰主编Z.N.Lee解答整理第53页 岩石力学与工程【科学出版社蔡美峰主编】习题与思考题及解答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基本方程有几个？每一类基本方程是从什么方面考虑的？答：弹性平面问题的基本方程有平衡方程、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状和尺寸改变，推导应变分量与位移之间的关系，从而列出几何方程组：本构关系考虑应力与应变（或应力增量与应变增量）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与其应变或应变速率的关系。根据岩石变形性质，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；岩石弹性本构关系根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，因而根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。《岩石力学与工程》科学出版社2002年第一版蔡美峰主编Z.N.Lee解答整理第53页 岩石力学与工程【科学出版社蔡美峰主编】习题与思考题及解答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能力。岩石破坏的形式主要由断裂破坏（应力达到强度极限）和流动破坏(应力达到屈服极限)。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）如果体力为常量，其应力分布是否与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）如果体力为常量，从弹性平面问题解答式看出，平面问题的相容方程、应力分量解答式、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与材料的性质无关。5.在平面问题中，已知一点M处的应力分量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：如下图示：由Σn=0和Στ=0求得，任意截面应力状态：6.使用莫尔应力圆画出：（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：如下图示：《岩石力学与工程》科学出版社2002年第一版蔡美峰主编Z.N.Lee解答整理第53页 岩石力学与工程【科学出版社蔡美峰主编】习题与思考题及解答7.试证明：在发生最大与最小剪应力的面上，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，任意斜面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《岩石力学与工程》科学出版社2002年第一版蔡美峰主编Z.N.Lee解答整理第53页 岩石力学与工程【科学出版社蔡美峰主编】习题与思考题及解答）试利用泊松比确定水平应力与垂直应力之比；（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）与体积变化之间的关系。答：(1)题设条件下，圆柱形材料任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给予约束，使之在这一方不能产生应变，而在明胶板的垂直方向则不受约束，因而该明胶板处于平面应变状态。如果明胶的密度为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分量为u=v=0，w=w(z)，试求位移函数w(z)。答：计算如下：11.给出简单拉伸时的增量理论和全理论的本构关系。答：12.试求下述情况的塑性应变增量之比：（1）简单拉伸：σ=σ0《岩石力学与工程》科学出版社2002年第一版蔡美峰主编Z.N.Lee解答整理第53页 岩石力学与工程【科学出版社蔡美峰主编】习题与思考题及解答（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，称为减少蠕变阶段或初始蠕变阶段；第二蠕变阶段：应变速率保持不变，称等速蠕变阶段；第三蠕变阶段：应变速率迅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，岩石变形与时间的关系各不相同。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，最后趋于稳定，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，最后导致岩石的破坏，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.流变模型的基本元件有哪几种？答：流变模型的基本原件有弹性元件、塑性元件和粘性元件三种。18.叙述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：理想弹塑性体，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，有残余变形。《岩石力学与工程》科学出版社2002年第一版蔡美峰主编Z.N.Lee解答整理第53页 岩石力学与工程【科学出版社蔡美峰主编】习题与思考题及解答开尔文（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，它与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与0.8之间。20.何为岩石强度准则？为什么要提出强度准则？答：强度准则又称为破坏判据，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。岩石强度准则是用来判断岩石材料发生破坏的原因和条件，从而达到工程目的。21.试论述Coulomb、Mohr、Griffith三准则的基本原理及其主要其别与它们之间的关系。答：库伦准则认为，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，考察莫尔圆与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。库伦准则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结构面的压剪破坏，但不适用受拉破坏；莫尔强度理适用与塑性、脆性岩石的剪切破坏，较好的解释了岩石抗压强度远远大于抗拉强度的特征，解释了三向等拉时破坏、等压时不破坏的现象，同时考虑拉、压、剪，可判断破坏方向，但是忽视了第二主应力的影响，没有考虑结构面情况，不适合解释拉伸及流变现象；格里菲斯强度理解释了脆性岩石抗压强度时抗拉强度的8倍，反映了岩石的真实情况，但是只适用于脆性材料，对裂隙被压闭合，抗剪强度增高解释不够。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.将一个岩石试件进行单轴试验，当其压应力达到27.6MPa时及发生破坏，破坏面与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化，试计算：《岩石力学与工程》科学出版社2002年第一版蔡美峰主编Z.N.Lee解答整理第53页 岩石力学与工程【科学出版社蔡美峰主编】习题与思考题及解答（1）在正应力等于零的那个平面上的抗剪强度；（2）在上述实验中与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：已知得,岩石进行单轴压缩，所以，当时,岩石破坏,则27.6=得出:C=7.97(Mpa)（1）莫尔圆上任意一点的正应力为剪应力为由库仑准则可知，当=0时,即在莫尔圆上的圆点，即和，所以,剪切强度S：==7.97(Mpa)（2）与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）《岩石力学与工程》科学出版社2002年第一版蔡美峰主编Z.N.Lee解答整理第53页 岩石力学与工程【科学出版社蔡美峰主编】习题与思考题及解答=20.7=19.92(Mpa)（2）已知得岩石内摩擦角（4）破坏面为所以,==6.9(Mpa)==11.95(Mpa)24.将岩石试件进行一序列单轴试验，求得抗压强度的平均值0.23MPa，将同样的岩石在0.59MPa的围压下进行一序列的三轴试验，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：已知，当时Mohr应力圆:上式可求出C和值.《岩石力学与工程》科学出版社2002年第一版蔡美峰主编Z.N.Lee解答整理第53页 岩石力学与工程【科学出版社蔡美峰主编】习题与思考题及解答2.24=2.01=tg=tg0.59tg=3.407得,61.50由=(Mpa)《岩石力学与工程》科学出版社2002年第一版蔡美峰主编Z.N.Lee解答整理第53页 岩石力学与工程【科学出版社蔡美峰主编】习题与思考题及解答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。求弹性应力分布情况，并指出最大应力及确定σθ=1.1γZ、1.15γZ时的影响半径。答：已知R0=3m重力应力：P0=γZ=2500×400=10（MPa）当围压p=P0时，在圆巷围岩周围的径向应力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,则R1≈9.5（m）；当σθ=1.15γZ时，得出R2=6.7×R02=600.5,则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’《岩石力学与工程》科学出版社2002年第一版蔡美峰主编Z.N.Lee解答整理第53页 岩石力学与工程【科学出版社蔡美峰主编】习题与思考题及解答分为两部分第一部分p和第二部分p’，第一部分解答如上σr，σθ，对第二部分解答，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的两种情况。答：分析如下（1）p1=0时巷道周边：r=R0时σr=0，σθ=σc《岩石力学与工程》科学出版社2002年第一版蔡美峰主编Z.N.Lee解答整理第53页 岩石力学与工程【科学出版社蔡美峰主编】习题与思考题及解答塑性区一点：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，《岩石力学与工程》科学出版社2002年第一版蔡美峰主编Z.N.Lee解答整理第53页 岩石力学与工程【科学出版社蔡美峰主编】习题与思考题及解答原岩区一点：r→∞时,上述公式知==p04.设有地下隧道如题6图，试用你掌握的所有办法，确定其顶板、侧帮压力，并进行比较。答：题设矩形巷道断面尺寸2a×H顶压计算（两帮不稳定）：（1）普式地下学说安全拱高b1=a1/fd=式中普氏坚固系数fd=σc/10=则近似顶压集度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）则顶压Qd=2aqd=2a或简化为（3）近代弹塑性理论顶压系数qd=γ（Rp-H/2）式中则顶压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：《岩石力学与工程》科学出版社2002年第一版蔡美峰主编Z.N.Lee解答整理第53页 岩石力学与工程【科学出版社蔡美峰主编】习题与思考题及解答总测压5.设题6图已知AB，BC，CD，DA，AC，BD可以通过收敛计测获得，求AO，BO，CO，DO。说明通过比较两次测定计算量是岩壁什么样的变形量，哪些因素会影响它与实际变形量的误差？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.设计一种采用多点位移计和收敛计的测量方法，可以判断巷道收敛位移的测量结果是否绝对位移。ACBDo多点位移计多点位移计多点位移计答：向围岩内部打孔安装多点位移计（穿过围岩松动圈），测量围岩内部的移动情况，通过观察多点位移计是否测出围岩有整体性移动结合收敛变形计测量数值可以判断收敛位移是否是绝对位移，若未测出岩石内部发生移动变形，则收敛计测出结果及是绝对位移，反之则是收敛位移。如下图示：《岩石力学与工程》科学出版社2002年第一版蔡美峰主编Z.N.Lee解答整理第53页 岩石力学与工程【科学出版社蔡美峰主编】习题与思考题及解答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、水利等国民经济基础建设在生产效益、安全效益、经济效益等方面有直接影响。2.边坡的分类有哪些？答：分自然边坡和人工边坡。3.分析边坡失稳与破坏的基本类型及其力学成因。答：按其破坏方式主要分为崩塌和滑坡两种。（1）崩塌：是指块状岩体与岩坡分离向前翻落而下。崩塌一般以边坡表面的破坏现象体现。（2）滑坡：是指岩体在自重力作用下，沿坡内软弱结构面产生的整体滑动。一般以深层破坏体现出来。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：滑动面通常为弧形状，岩体沿此弧形状滑移。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，因表层蠕动进一步发展，使它沿着剪切变形带顺坡滑移、滚动与坐塌，从而达到稳定坡脚的斜坡破坏过程，称为滑塌。（4）岩块流动：常发生在均质硬岩中，岩石在达到其峰值强度时，岩体发生破坏。而使岩体全面崩塌的情况。（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结构面是边坡变形与破坏的首要条件；（2）斜坡外形引起的坡体应力分布，导致坡体的变形与破坏；（3）坡体岩土体的物理力学性质；（4）坡体直接受到的外力作用。5.土体与岩体的区别何在？答：土体与岩体的结构不同，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？《岩石力学与工程》科学出版社2002年第一版蔡美峰主编Z.N.Lee解答整理第53页 岩石力学与工程【科学出版社蔡美峰主编】习题与思考题及解答答：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，使滑体更容易发生滑坡。7.哪些因素对节理的抗剪强度有影响？答：可由下列公式给出：其中s：结构面的抗剪强度，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。因此其抗剪强度与结构面本身的物理力学性质及滑动面含水情况有关。8.边坡坍塌为何有不同模式？它们能预测吗？答：边坡坍塌的模式不同主要因为不同边坡其赋存环境、受力情况、边坡岩体结构和边坡岩体力学性质不同，其破坏模式可以根据节理裂隙或岩土性质及外力作用条件进行粗略预测。9.监测边坡有何意义？答：发现隐患，消除危害，有效而经济地采取整治滑坡的措施，保证各种边坡工程的正常使用。10.预报滑坡有无可能？如何才能作出预报？答：可能。监测边坡的变化情况并分析相关资料。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周围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)地面倾斜变化观测(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）观测上述方法根据实际情况采取一种或多种方法实现准确检测，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）确定滑坡各部分变形的速度；（4）确定滑坡受力的性质；（5）判断滑坡面的形状；（6）确定滑坡移动与时间的关系；（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抉择？《岩石力学与工程》科学出版社2002年第一版蔡美峰主编Z.N.Lee解答整理第53页 岩石力学与工程【科学出版社蔡美峰主编】习题与思考题及解答答：整治原则：（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）对大中型复杂的滑坡应采取一次性根治与分期整治相结合的原则；（4）针对病因综合治理，治早治小；（5）因地制宜，推广先进技术，注意施工方法；（6）对危机斜坡的各种建筑物采取措施，避免滑坡；（7）全面规划，选择最佳整治方案。整治措施：（1）消除或减小地表水或地下水的作用；（2）恢复山体平衡条件；（3）改善滑动带或滑动体土壤性质。为此，采取下列手段：避——工程或建筑物等避开滑坡的影响；排——排水导流，采用多种形式的截水沟、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，以土层固化改变滑动带的土石性质，提高它的强度。如采用陪烧法、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。《岩石力学与工程》科学出版社2002年第一版蔡美峰主编Z.N.Lee解答整理第53页 岩石力学与工程【科学出版社蔡美峰主编】习题与思考题及解答第八章岩石地基工程1.岩石地基与土质地基相比有哪些特点？主要表现在那些方面？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，主要表现在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)。基础宽度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.某砌体结构工程，墙下采用直径为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，单桩极限承载能力设计值为1000kN，桩体穿越地层情况如图，已知粘土层、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。《岩石力学与工程》科学出版社2002年第一版蔡美峰主编Z.N.Lee解答整理第53页 岩石力学与工程【科学出版社蔡美峰主编】习题与思考题及解答答：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.复杂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.石质路堑边坡的决定条件是什么？请列举之。答：8.控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，已知水平推力H1=250kN，V1=500kN，V2=150kN，滑动面AB与BC的面积分别为：A1=50㎡，A2=23㎡，内摩擦系数f1=0.4，f2=0.6，凝聚力分别为C1=C2=0，作用在滑移面AB和BC上的抗压力分别为：U1=80kN，U2=20kN。若已知滑面AB和BC得倾角为α=10°，β=30°，试用“等K法”计算坝基的抗滑安全系数。课本8-14（a）：《岩石力学与工程》科学出版社2002年第一版蔡美峰主编Z.N.Lee解答整理第53页 岩石力学与工程【科学出版社蔡美峰主编】习题与思考题及解答答：（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）按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《岩石力学与工程》科学出版社2002年第一版蔡美峰主编Z.N.Lee解答整理第53页 岩石力学与工程【科学出版社蔡美峰主编】习题与思考题及解答=250cos10°+500sin10°=333（kN）则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则(66-0.4P)/K=0.8P-75(式2)式1和式2联立解得K=《岩石力学与工程》科学出版社2002年第一版蔡美峰主编Z.N.Lee解答整理第53页 岩石力学与工程【科学出版社蔡美峰主编】习题与思考题及解答简答题补充1．简述水压致裂法测量地应力的基本原理及测量步骤并对其优缺点作出评价。答：基本原理为：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，离开钻孔端部一定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为周边一点与σ1轴的夹角，当θ=0时，σθ取最小值，此时σθ=3σ2－σ1。采用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，继续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；若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而直接计算出σ1，σ2，达到试验目的。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）继续施加水压，至裂隙深度达到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，是裂隙重新打开，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，以提高测试数据的准确性；卸压，退出装置，完成实验。优缺点评价：《岩石力学与工程》科学出版社2002年第一版蔡美峰主编Z.N.Lee解答整理第53页 岩石力学与工程【科学出版社蔡美峰主编】习题与思考题及解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。如果孔壁本身存在天然节理裂隙，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实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成本低，测量精度相对可靠。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与钻孔长度比值（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基本原则。答：（1）合理利用和充分发挥岩体强度：①将工程设置在岩性好的岩层中；②避免岩石强度的损坏（爆破影响及水软化）；③充分发挥岩体的承载能力（通过支护与围岩共同作用原理，适当减少支护刚度，允许围岩适当变形，以充分利用围岩自支撑能力）④加固围岩（锚固、注浆）；（2）改善围岩的应力条件：①选择合理的隧（巷）道断面形状和尺寸；②选择合理的位置和方向（最佳轴比）；③采取适当的“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情况、支护的经济效益、支护的安全效益，选择合理的支护形式、支护刚度、支护时间等。（4）强调监测和信息反馈。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与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崩塌和滑坡，其次还有滑塌、岩块流动、岩层曲折等破坏形式。崩塌：是指块状岩体与岩坡分离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，沿破内软弱结构面产生整体滑动的现象，分，滑坡方式包括：（1）平面剪切滑动：简单平面剪切滑动、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。《岩石力学与工程》科学出版社2002年第一版蔡美峰主编Z.N.Lee解答整理第53页 岩石力学与工程【科学出版社蔡美峰主编】习题与思考题及解答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，这条包络线与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，判断它与材料莫尔包络线之间的关系就可以判断材料是否发生破坏及破坏面的位置。莫尔强度理适用与塑性、脆性岩石的剪切破坏，较好的解释了岩石抗压强度远远大于抗拉强度的特征，解释了三向等拉时破坏、等压时不破坏的现象，同时考虑拉、压、剪，可判断破坏方向，但是忽视了第二主应力的影响，没有考虑结构面情况，不适合解释拉伸及流变现象。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）及时性：采用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，及时限制支护前围岩的变形和变形发展，阻止围岩进入松动状态，必要的情况可进行超前支护。（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结构面，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，因而能及时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与支护的共同作用，发挥围岩自支撑能力）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能力）。（4）柔性：锚喷支护属薄性支护，能够与围岩紧粘在一起共同作用，与围岩共同产生形变，在一定的非弹性变形区能有效地控制塑性区的发展，使岩体自支撑能力得到充分发挥，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。《岩石力学与工程》科学出版社2002年第一版蔡美峰主编Z.N.Lee解答整理第53页 岩石力学与工程【科学出版社蔡美峰主编】习题与思考题及解答施工过过程：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，开挖之后及时喷射混凝土，开挖施工与一次支护交叉作业。（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，进行永久支护，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，称为减少蠕变阶段或初始蠕变阶段；第二蠕变阶段：应变速率保持不变，称等速蠕变阶段；第三蠕变阶段：应变速率迅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，蠕变特征不相同：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，最后趋于稳定，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，最后导致岩石的破坏，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能力；（2）锚杆的挤压加固与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，提高其整体承载能力。锚喷联合支护是软弱破碎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能力、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：（1）空隙裂隙压密阶段（0A段）：试件中原有张开结构面或微裂隙逐渐闭合，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发展阶段（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。《岩石力学与工程》科学出版社2002年第一版蔡美峰主编Z.N.Lee解答整理第53页 岩石力学与工程【科学出版社蔡美峰主编】习题与思考题及解答（3）非稳定破裂发展阶段（CD段）：微破裂发生质的变化，破裂不断发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迅速增大。（4）破裂后阶段（D点以后）：岩块承载力达到峰值强度后，内部结构遭到破坏，试件保持整体状，随着继续施压，裂隙快速发展，出现宏观断裂面，此后表现为宏观断裂面的块体滑移。10．简述边坡整治的措施。答：（1）避：使构筑物尽量避开滑坡体；（2）排：排水导流，采用各种形式的截水沟、排水沟、急流槽，来拦截和排引地表水；用截水渗沟、盲沟、纵向和横向渗沟、支撑渗水沟、泄水隧洞、立井、渗井、砂井、平孔排水，防止水浸入滑坡范围或疏干滑坡范围内的已有水；（3）档：设置抗滑支档，在滑坡舌部或中前部修筑各种形式的抗滑挡墙，在滑坡体其它部位设置各种多级挡墙，如抗滑挡土墙、抗滑干砌片石垛、沉井式抗滑挡墙、叠框式抗滑挡墙、锚杆挡墙、抗滑桩、支垛、钢筋混凝土桩和支撑抗滑明硐；（4）减：减重反压，挖去滑体上部主滑和牵引地段，（或用石质材料）填在滑坡体坡脚，反压阻滑；（5）固：利用物理化学加固滑体，改善滑坡的土石性质，提高它的强度，达到稳定滑坡的目的。例如焙烧法、电渗排水法、水泥灌浆法。（6）植：植树造林，绿化边坡。11．轴对称隧道围岩处于理想弹塑性状态，其塑性区半径与哪些因素有关？围岩应力分布规律如何？答：轴对称围岩条件下理想弹塑性隧道围岩，其塑性区半径可由下列公式给出：因此，塑性区半径与隧洞断面半径R0，围岩应力p0、岩石的内摩擦角φ和岩石的粘结力c，支护反力pi有关。围岩应力的分布规律：（1）巷道周边附近应力集中系数最大，远离周边应力集中程度逐渐减小，在距3-5倍巷道半径处，围岩应力趋于与原岩应力相等；（2《岩石力学与工程》科学出版社2002年第一版蔡美峰主编Z.N.Lee解答整理第53页 岩石力学与工程【科学出版社蔡美峰主编】习题与思考题及解答）巷道围岩应力受测压系数、巷道断面轴比影响，一般来说巷道长轴平行于原岩最大应力方向时能获得较好的围岩应力分布；当巷道长轴与短轴之比等于长轴方向最大主应力与短轴方向原岩应力时，巷道周围应力分布最为理想，此时，巷道顶底板中点及巷道两帮中点切应力处处相等，不出现拉应力。12．岩石边坡稳定性分析的极限平衡分析法有哪三个前提？它的分析计算步骤是什么？答：三个前提是：（1）滑动面上实际岩土提供的抗剪强度S与作用在滑面上的垂直应力σ满足关系式：或式中c、c’为滑动面的粘结力或有效粘结力；φ、φ’为滑动面的内摩擦角或有效内摩擦角；σ为滑动面上的有效应力；u为滑动面空隙水压。（2）稳定性系数F的定义为沿最危险破坏面作用的最大抗滑力（或力矩）与下滑力（或力矩）的比值。即F=抗滑力/下滑力（3）二维（平面）极限分析的基本单元是单位宽度的分块滑体。计算步骤为：（1）在断面上绘制滑面形状；（根据坡体外形、坍塌情况、中段滑面深度）（2）推定滑坡后裂隙及塌陷带深度，计算或确定其产生的影响；（3）对滑块进行分块；（小条块、多数目）（4）计算滑动面上的空隙水压；（通过地下水监测）（5）采用合适的计算方法，计算稳定性系数。（采用两种或以上计算方法）13．简述平面破坏计算法的假设条件、主要特点及适用条件。答：假设条件：（1）滑动面是平面或近似平面；（2）滑动面及张裂隙的走向平行于坡面；（3）张裂隙是直立的，其中充有高度ZW的水柱；（4）水沿张裂隙的底部进入滑动面并沿滑动面渗透；（5）滑体沿滑动面做刚体下滑。主要特点及适用条件：力学模型和计算公式简单，主要适用于均质砂性土、顺层岩质边坡以及沿基岩产生的平面破坏的稳定性分析，但要求滑体做整体刚体运动，对于滑体内产生剪切破坏的边坡稳定性分析误差较大。《岩石力学与工程》科学出版社2002年第一版蔡美峰主编Z.N.Lee解答整理第53页 岩石力学与工程【科学出版社蔡美峰主编】习题与思考题及解答14．简述简化Bishop法的假设条件、主要特点及适用条件。答：假设条件：（1）滑动面为圆弧形或近圆弧形；（2）假定条块侧面间的垂直剪应力合力为零。主要特点及适用条件：Bishop法稳定性系数的计算考虑了条块间作用力，是对Fellenius的改进，计算较准确，但要采用迭代法。分割条块时要求采用垂直条分。适用于均质粘性及碎石堆土等斜坡形成的圆弧形或近圆弧形滑动滑坡。15．简述Janbu法的假设条件、主要特点及适用条件。答：假设条件：（1）垂直条块侧面上的作用力位于滑面之上1/3条块高度；（2）作用于条块上的重力、反力通过条块底面的中点。主要特点及适用条件：计算准确但是计算复杂，适用于复合破坏面的边坡，既可以用于圆弧形滑动也可以用于非圆弧形滑动，要求垂直条分。16．简述Sarma法的基本原理、主要特点及适用条件。答：基本原理：边坡破坏除非是沿着一个理想的平面或弧面滑动，才可能作为一个完整的刚体运动，否则，滑体必须先破裂成多个可相对滑动的块体，才可能发生滑动。也即滑体内部必须产生剪切破坏才可能发生滑动。主要特点及适用条件：用极限加速度KC来描述边坡的稳定程度，可以用于评价各种破坏模式下边坡稳定性，而且条块分条是任意性的，从而可以对各种特殊边坡的破坏模式进行稳定性分析，但是计算比较复杂。17．简述滑坡的工程分类、滑坡监测的目的和主要方法。答：滑坡工程分类为：岩块流动滑坡、平面剪切破坏滑坡和旋转剪切滑坡三类。滑坡监测的目的：（1）研究不同地质条件下不同类型的滑坡产生过程、发育阶段和动态规律；（2）研究滑坡的主要影响因素；（3）研究抗滑构筑物的受力状态；《岩石力学与工程》科学出版社2002年第一版蔡美峰主编Z.N.Lee解答整理第53页 岩石力学与工程【科学出版社蔡美峰主编】习题与思考题及解答（4）在整治过程中，监视滑坡发展变化情况、预测发展动向，作出危险预报；（5）整治完工后，检验工程的整治效果。主要方法有：（1）地面位移建网观测；（2）地表裂隙简易观察；（3）建筑物裂缝简易观察；（4）地面倾斜变化观测；（5）滑坡深部位移观测；（6）滑动面位置测定；（7）滑坡滑动力推测。18．影响岩石试件强度指标的主要因素有哪些。它们是怎么影响的？答：（1）试件尺寸，一般情况随试件尺寸增大，试验所获得的岩石强度值减低；（2）试件形状，不同试件形状，正方体、长方体、圆柱体试件试验所获得的强度指标值是不同的；（3）试件三维尺寸比例，比如单轴拉、压试验中，试件宽高比大的试件所测得的强度指标比宽高比小的试件所测得的强度值要高；（4）加载速率，例如，单轴抗压试验中，岩石的抗压强度与加载速率成正比，及加载速率越大测得抗压强度越大；（5）湿度，一般来说，饱水岩样的强度指标要低于烘干岩样。19．简述岩体的赋存环境及其对岩体力学性质的影响。答：岩体的赋存环境包括：地应力、地下水和地温。地应力对岩体力学性质的影响：①地应力影响岩体的承载能力——对赋存于一定地应力环境中的岩体来说，地应力对岩体形成的围压越大，其承载能力越大；②地应力影响岩体的变形和破坏机制——试验表明，在低围压下表现出脆性破坏的岩石在高位压下呈剪塑性变形；③地应力影响岩体中的应力传播法则——高围岩下不连续的岩体介质表现出某些连续介质的特征。地下水对岩体力学性质的影响：影响岩体的变形和破坏、影响岩体工程的稳定性。地温对岩体力学性质的影响：《岩石力学与工程》科学出版社2002年第一版蔡美峰主编Z.N.Lee解答整理第53页 岩石力学与工程【科学出版社蔡美峰主编】习题与思考题及解答20.简述岩体的水理性。答：岩石与水相互作用时所表现的性质称为岩石的水理性，包括吸水性、透水性、软化性和抗冻性。吸水性：岩石在一定条件下吸入水份的性能，用吸水率、饱和吸水率和饱水系数表征岩石的吸水性；透水性：岩石能被水透过的性能称为岩石的透水性，岩石透水性能可用渗透系数来衡量，它主要取决于岩石空隙大小、方向及其贯通情况；软化性：岩石浸水后强度减低的性能称为岩石的软化性，常用软化系数来衡量；抗冻性：岩石抵抗冻融破坏的能力称为岩石的抗冻性，常用抗冻系数来表示。21．简述岩石的物性质及其基本属性。答：岩石的物力力学性质是指岩石固有的物质组成和结构特征所决定的比重、容重、空隙率、水理性等基本属性。（1）岩石的容重：单位体积岩石的重量；（2）岩石的比重：岩石固体部分的重量与4℃时同体积纯水重量的比值；（3）岩石的空隙性：天然岩石中包含着成因、数量各异的空隙和裂隙的结构特征；（4）岩石的水理性：岩石与水相互作用时所表现出来的性质；22．简述岩石的力学性质及影响岩石力学性质的主要因素。答：岩石的力学性质是指岩石在受到外力作用时表现出来的抗破坏能力及变形特征。由岩石的强度和岩石的变形性质来表述。（1）岩石的强度：岩石在各种荷载（单轴拉伸、单轴压缩、三轴压缩）作用下达到破坏时所能承受的最大应力。（2）岩石的变形：岩石在各种外力作用下几何特征及内部结构发生的变化。影响岩石力学性质的因素有：水、温度、风化程度、加载速率、围压大小、各向异性等。水：结合水的连接作用、润滑作用、水楔作用和重力水的空隙水压力作用和溶蚀、潜蚀作用；温度：一般说来，随着温度的增高，岩石的延性增大，屈服点降低，强度也降低；加载速率：对岩石试件进行加载试验，加载速率愈大，获得的强度指标愈（弹性模量）高。围压：在高围压下，岩石的变形、强度、弹性极限都显著增大。风化：风化过程中，原生矿物成分经物力、化学、生物作用而发生变化，并产生次生矿物，降低了岩石的物力力学性质，同时引起了岩体的构造变化。23．简述地下坑道围岩分区，及围岩应力分布规例。《岩石力学与工程》科学出版社2002年第一版蔡美峰主编Z.N.Lee解答整理第53页 岩石力学与工程【科学出版社蔡美峰主编】习题与思考题及解答答：根据围岩应力分别情况，可将巷道周围岩体分为应力松弛区、塑性强化区、弹性区承载区和原岩应力区。巷道围岩应力分布规律：（1）巷道周边附近应力集中系数最大，远离周边应力集中程度逐渐减小，在距3-5倍巷道半径处，围岩应力趋于与原岩应力相等；（2）巷道围岩应力受测压系数、巷道断面轴比影响，一般来说巷道长轴平行于原岩最大应力方向时能获得较好的围岩应力分布；当巷道长轴与短轴之比等于长轴方向最大主应力与短轴方向原岩应力时，巷道周围应力分布最为理想，此时，巷道顶底板中点及巷道两帮中点切应力处处相等，不出现拉应力。24．什么是深埋地下工程，深埋地下工程有什么特点。答：地下工程自身影响达不到地表的称为深埋地下工程。其特点是：（1）可视为无限体中的孔洞问题，孔洞各方向无穷远处，仍为原岩应力；（2）当埋深等于或大于巷道半径R0或其宽、高之半的20倍以上时，巷道影响范围（3～5R0）以内的岩体自重可以忽略不计；（3）原岩水平应力λP0可以简化为均匀分布，通常误差不大（10％以下）；（4）深埋的水平巷道长度较大时，可作为平面应变问题处理。其它类型巷道，或作为空间问题。25.巷道的支护反力与哪些因素有关。答：支护反力因此，支护反力与巷道半径R0，塑性区半径RP，原岩应力才p0；岩石的粘集力c和岩石的内摩擦角φ有关。《岩石力学与工程》科学出版社2002年第一版蔡美峰主编Z.N.Lee解答整理第53页'