岩石力学与工程(蔡美峰主编)重点题目与详解

5自然界中的岩石按地质成因分类，可分为几大类，各大类有何特点？

答：根据地质学的岩石成因分类可把岩石分为岩浆岩、沉积岩和变质岩。

岩浆岩：依据冷凝成岩浆岩的地质环境的不同，可将岩浆岩分三大类，其特点：

1）深成岩：常形成较大的入侵体。颗粒均匀，多为粗-中粒状结构，致密坚硬，孔隙很小，力学强度高，透水性较弱，抗水性较强。（花岗岩，正长岩）

2）浅成岩：成分与深成岩相似，但产状和结构都不相同，多为岩床、岩墙和岩脉。均匀性差，与其他岩种相比，它的性能较好。（花岗斑岩）

3）喷出岩：结构较复杂，岩性不均一，连续性较差，透水性较强，软弱结构面比较发育。（玄武岩，安山岩，流纹岩）

沉积岩特点：是由于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，具有层理构造，岩性具有明显的各项异性，按形成条件及结构特点分：

1）火山碎屑岩：具有岩浆和普通沉积岩的双重特性和过渡关系，各类火山岩的性质差别很大。（火山积块岩，火山角砾岩，凝灰岩）

2）胶结碎屑岩：是沉积物经过胶结、成岩固结硬化的岩石。其性质取决于胶结物的成分、胶结形式和碎屑物成分和特点。（砂岩，粉砂岩）

3）粘土岩：包括页岩和泥岩。其性质较差。（泥岩，页岩）

4）化学岩和生物岩：碳酸盐类岩石，以石灰石分布最广。结构致密、坚硬、强度较高。（石灰岩，白云岩）

变质岩特点：是在已有岩石的基础之上，经过变质混合作用后形成的。在形成过程中由于其形成的温度和压力的不同而具有不同的性质，形成了变质岩特有的片理、剥理和片麻结构等。据有明显的不均匀性和各向异性。

1）接触变质岩：侵入体周围形成岩体。其强度一般比原岩高，但由于侵入体的挤压，接触带附近易发生断裂，使岩体透水性强，抗风化能力降低。

2动力变质岩：构造作用形成的断裂带及附近受到影响的岩石。它的胶结不好，裂隙、孔隙发育，强度低，透水性强。

3）区域变质岩：这种变质岩的分布范围广，岩石厚度大，变质程度均一。一般块状岩石性质较好，层状片状岩石性质较差。

6．表示岩石物理性质的主要指标及其表示方式是什么？

答：指由岩石固有的物理组成和结构特性所决定的比重G S=W S/(V S γW)、容重γ=w/v、孔隙率n=孔隙体积/岩石总体积（总孔隙率n=Vρ/V100％，总开孔隙率n0，大开孔隙率nb，小开孔隙率ns，闭孔隙率nc）、水理性（吸水性，透水性，软化性，抗冻性）等基本属性。

7、岩石破坏有几种形式？对各种破坏的原因作出解释。

答：试件在单轴压缩载荷作用破坏时，在试件中可产生三种破坏形式:

(1)X状共轭斜面剪切破坏，破坏面上的剪应力超过了其剪切强度，导致岩石破坏。

(2)单斜面剪切破坏，破坏面上的剪应力超过了其剪切强度，导致岩石破坏。

(3)拉伸破坏，破坏面上的拉应力超过了该面的抗拉强度，导致岩石受拉伸破坏。

9、什么是全应力-应变曲线？为什么普通材料实验机得不出全应力-应变曲线？

答：全应力应变曲线：能显示岩石在受压破坏过程中的应力、变形特性，特别是破坏后的强度与力学性质的变化规律。由于材料试验机的刚度小，在试件压缩时，其支柱上存在很大的变形和变形能，在试件快要破坏时，该变形能突然释放，加速试件破坏，从而得不出极限压力后的应力应变关系曲线。（增加刚度:增加面积，减小长度）

10.如何根据全应力-应变曲线预测岩石的岩爆、蠕变和在反复加载、卸载作用下的破坏？答：(a)预测岩爆：左半部分OEC 代表达到峰值强度时,积累在岩石试件中的应变能，右边

CED 代表试件从破坏到破坏整个过程所消耗的能量。如果A>B,可能产生岩爆，如果A

(b)预测蠕变破坏：如图1-24 。当岩石应力小于H 点的应力值,岩石不会发生蠕变,当岩石应力大于H 点而小于I 点,岩石会发生蠕变,但蠕变为稳定蠕变,岩石不会破坏,当岩石应力大于I 点,则岩石会发生不稳定蠕变,岩石最终会破坏.

(c)预测循环加载条件下岩石的破坏。当岩石在低应力条件下,进行反复加载卸载,岩石破坏时的循环次数比高应力条件下进行反复加载卸载的循环次数要多。当反复加载卸载曲线与全应力应变曲线相交，则岩石破坏。

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：三轴压缩条件下，应力应变曲线如图1-31、1-32所示，围压对岩石变形的影响主要有：

(1)随着围压(σ2= σ3) 的增大，岩石的抗压强度显著增加；

(2)随着围压(σ2= σ3) 的增大，岩石破坏时，岩石的变形显著增加；

(3)随着围压(σ2= σ3) 的增大，岩石的弹性极限显著增加；

(4)随着围压(σ2= σ3) 的增大，岩石的应力应变曲线形态发生明显的改变，岩石的性质发生了变化，由弹脆性---弹塑性---应变硬化。抗压强度显著增加；

12.什么是莫尔强度包络线？如何根据试验结果绘制莫尔强度包络线？

答：三轴抗压强度实验得出：对于同一种岩石的不同试件或不同实验条件（不同的围压时的最大轴向压力值）给出了几乎恒定的强度指标值（直线性强度曲线时为岩石的内聚力和内摩擦角）。这一强度指标以莫尔强度包络线（Mohr’sstrength envelop）的形式给出。5~6个试件做三抽压缩试验，在不同围压条件下，得出不同的抗压强度，因而可以做出不同的莫尔应力圆，这些莫尔应力圆的包络线就是莫尔强度包络线。

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：岩石的抗剪切强度S 与正应力σ成正比。S=c+σtanφ

14.简述岩石在单轴压缩条件下的变形特征。

答：在单轴压缩条件下，岩石的应力-应变曲线如图。

全应力-应变曲线可分为四个阶段：

（1）孔隙裂隙压密阶段(OA)：岩石试件中的孔隙裂隙被压密，形成早期的非线形变形，σ-ε曲线呈上凹型。（2）弹性变形至微弹性裂隙稳定发展阶段(AC)：该阶段的应力-应变曲线近似为直线。其中AB段为弹性变形阶段，BC段为微破裂稳定发展阶段。（3）非稳定破坏发展阶段(CD)：C点是岩石从弹性变为塑性的转折点，称为屈服点。该点相应的应力为屈服应力。该阶段中，微裂隙的发展出现了质的变化，破裂不断发展，直至试件完全破坏。（4）破裂后阶段(D点以后)：轴压力达到试件的峰值强度后，试件内部结构遭到破坏，但试件基本保持整体状。之后，裂隙快速发展，形成宏观断裂面，试件承载能力随变形增大而迅速下降，但并不为零，说明破裂的岩石仍具有一定的承载力。

15.简述岩石在反复加载和卸载条件下的变形特征。

答：对于线弹性岩石，反复加载和卸载时的应力应变路径完全相同，对于完全弹性岩石，反复加载和卸载时的应力应变路径完全相同，但是应力应变关系是曲线。对弹性岩石，加载与卸载曲线不重合，但反复加载和卸载时的应力应变路径总是服从此环路的规定。

非弹性体岩石：在弹性范围内服从弹性岩石的变形特征，当卸载点P 超过屈服点时，卸载曲线与加载曲线不重合，形成塑性滞回环。

等荷载循环加载、卸载时的应力应变曲线，塑性滞回环随着加载卸载次数的增加而变窄，直至接近弹性变形，没有塑性变形为止。不断增大荷载的循环加载、卸载时的应力应变曲线。在每次卸载后再加载，在荷载超过上一次循环的最大荷载以后，变形曲线仍沿着原来的单调加载曲线上升，好像不曾受到循环加载的影响似的，这种现象成为岩石的变形记忆。

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：完全弹性体：循环加载时的σ-ε关系为曲线。加载路径与卸载路径完全重合。

线弹性体：循环加载时的σ-ε关系为直线。加载路径与卸载路径完全重合。

弹性体岩石：加载路径与卸载路径不同，但反复加载与卸载时，应力应变关系总是服从此环路的规律。

17.什么是岩石的扩容？简述岩石扩容的发生过程。

答：岩石在荷载作用下，在其破坏之前产生的一种明显的非弹性体积变形。对E和υ为常数的岩石，其体积应变曲线可分为三个阶段：（出现扩容的应力约为其强度的1/3~1/2）（1）体积变形阶段：体积应变ε在弹性阶段内随着应力的增加而呈线形变化（体积减小），在此阶段ε 1 >ε 2 +ε 3 （2体积不变阶段：在这一阶段，随应力的增加，岩石体积应变增量接近为零。岩石体积几乎不变。(3)扩容阶段：外力继续增加时，岩石的体积不是减小，而是增加，增加速率越来越大，最终岩石破坏。

19.影响岩石力学性质的主要因素有哪些，如何影响的？

答：影响岩石力学性质的主要因素有水、温度、加载速度、风化程度及围压。

(1) 水对岩石力学性质的影响

1）连结作用：束缚在矿物表面的水分子通过其吸引力作用将矿物颗粒拉近、接紧，起连接作用。2）润滑作用：由可溶盐、胶体矿物连接的岩石，当有水入侵时，可溶盐溶解，胶体水解，导致矿物颗粒间连接力减弱，摩擦力减低，从而降低岩石的强度。

3)水楔作用：当两个矿物颗粒靠得很近，有水分子补充到矿物表面时，矿物颗粒利用其表面吸附力将水分子拉倒自己周围，在两个颗粒接触处由于吸着力作用使水分子向两个矿物颗粒之间的缝隙内挤入，这种现象称水楔作用。（a）使岩石体积膨胀，产生膨胀压力(b)水胶连接代替胶体连接产生润滑作用，降低岩石强度

4）孔隙压力作用：岩石受压时，岩石内孔隙水来不及排出，在孔隙内产生很高的孔隙压力，降低了岩石的内聚力和内摩擦角，减小了岩石的抗剪强度。

5）溶蚀-潜蚀作用：岩石中渗透水在流动过程中可将岩石中可溶物质溶解带走，从而使岩石强度大为减低。

(2) 温度对岩石力学性质的影响：如图1-39 所示。随着温度的增高，岩石的延性加大，屈服点降低，强度也降低。

(3) 加载速度对岩石力学性质的影响：加载速率越快，测得的弹性模量越大，获得的强度指标越高。

(4) 围压对岩石力学性质的影响：岩石在三轴压缩条件下，岩石的强度和弹性极限都有显著增加。

(5) 风化对岩石力学性质的影响a) 降低岩体结构面的粗糙程度并产生新的裂隙，b) 岩石在化学风化过程中，矿物成分发生变化，岩体强度降低。

第二章

2．地应力对岩体的影响体现在哪几个方面？

答：地应力对岩体力学性质的影响主要有(1)地应力影响岩体的承载能力：围压越大、承载能力越大。(2)地应力影响岩体的变形和破坏机制。如在低围压条件下破坏的岩体，在高围压条件下呈现出塑性变形和塑性破坏。3)地应力影响岩体中的应力传播的法则。非连续介质岩体在高围压条件下，其力学性质具有连续介质岩体的特征。

3岩体结构划分的主要依据是什么？

答：岩体结构单元有结构面和结构体两种基本要素。因此，岩体结构分类主要依据结构面及结构体的类型进行分类。将软弱结构面切割成的岩体结构定位1级结构，坚硬结构面切割成的岩体结构可以定位2级结构，在相同级序之内有可按结构体地质特征再划分为不同结构类

型。第一依据：结构面类型（软弱结构面1级岩体结构，坚硬结构面2级岩体结构）第二依据：结构面切割程度或结构体类型

4．简述各类岩体结构主要地质特征。

答：(1)完整结构岩体的地质特征多半是碎裂岩体中的结构面被后生作用愈合而成。后生愈合作用有两种：其一为压力愈合，其二为胶结愈合。

(2)块裂结构岩体的地质特征：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。其软弱结构面主要为断层、层间错动也是重要的软弱结构面之一，参与切割的坚硬结构面一般延展较长，多数为错动过的坚硬结构面。

(3)板裂结构体的地质特征：主要发育于经过褶皱作用的层状岩体内，受一组软弱结构面的切割，结构体呈板状。软弱结构面主要为层间错动面结构体多数为组合板状结构体。

(4)碎裂结构岩体的地质特征：岩体的结构面主要为原生结构面及构造结构面。块状碎裂结构的结构体块度大，大多为1~2米，层状碎裂结构的块度小，起块度与岩层厚度有关。(5)断续结构岩体的地质特征：结构面不连续，对岩体切割而不断，个别地方也有连续贯通结构。

(6)散体结构岩体的地质特征(a)碎屑状散体结构岩体结构面:无序分布，结构面中有软弱的，也有坚硬的。结构体主要为角砾。(b)糜棱化散体结构岩体：主要指断层泥而言。

5．简述工程岩体的惟一性

答：在不同的岩体工程条件下，岩体结构可视为块裂结构，断续结构和碎裂结构。因此，岩体结构是相对的，而在确定的地质条件和工程尺寸条件下，工程岩体结构才是唯一确定的。6．按结构面成因、结构面通常分为几种类型？

答：.结构面按成因分：原生结构面、构造结构面、次生结构面

原生结构面：成岩阶段所形成的结构面。岩石成因不同又分为沉积结构面、火成结构面和变质结构面。

构造结构面：岩体在构造运动作用下形成的结构面，如劈理，节理，断层错动面等。

次生结构面：在外力作用下（风化、地下水、卸载、爆破等）形成的各种界面。

8．描述结构面状态的指标。

答：结构面（非贯通性结构面，半贯通性结构面，贯通性结构面)

结构面状态的指标包括：1）结构面产状：对岩体是否会沿某一结构面滑动起控制作用。2）结构面形态：决定结构面抗滑力的大小。结构面起伏越大，抗滑力也越大。

3）结构面的延展尺度：在工程范围内，延展尺度最大的结构面，控制着岩体的强度。

4）结构面的密集程度：以岩体裂隙度K 和切割度X 表示岩体结构面的密集程度。岩体裂隙度K：指沿取样线方向单位长度上的节理数量。切割度Xe 是指岩体被节理割裂分离的程度。

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：结构面的剪切变形、法向变形与岩石强度、结构面粗糙性和法向力有关。

10.结构面力学性质的尺寸效应体现在哪几个方面？

答：结构面试块长度增加，平均峰值摩擦角降低，试块面积增加，剪切应力呈现出减小趋势。此外，还体现在以下几个方面：（1）随着结构面尺寸的增大，达到峰值强度时的位移量增大；（2）试块尺寸增加，剪切破坏形式由脆性破坏向延伸破坏转化；（3）尺寸增加，峰值剪胀角减小，结构面粗糙度减小，尺寸效应也减小。

11. 岩体在多次循环荷载作用下岩体变形有什么特征？

答：岩体在加载过程中，应力应变曲线呈上凹型，中途卸载回弹变形有滞后现象，并出现不可恢复的残余变形，不论每一级加载与卸载循环曲线都是开环型。岩体在循环荷载作用下，而卸载时荷载又不降至零时，相应的变形过程将出像闭环型式。

12.具有单结构面的岩体其强度如何确定？

答：具有单结构面的岩体强度为结构面强度与岩体强度二者之间的最低值。

结构面强度为；自己写

13.多结构面岩体的破坏形式如何分析？

答：当岩体内有多组结构面时，则岩体强度受加载方向与多个结构面的控制，根据每组结构面与加载方向夹角，分别求出各结构面单独存在时，在最大主应力σ 1 作用下的岩体强度，然后，取出各组结构面单独存在时岩体强度的最小值为多结构面的岩体强度值。

15.岩体中水渗流与土体中水渗流有什么区别？

答：岩体的水力学性质指岩体的渗透性能及在渗流作用下所表现的力学性质。

(1)岩体与土体渗流的区别:土体的渗流以孔隙为主。特点：(a)土体渗透性大小取决于岩性，土体中颗粒愈细，渗透性愈差；(b)土体可看作多孔连续介质；(c)土体的渗透性一般具有均质（或非均质）各向同性（黄土为各向异性）；(d)土体渗流符合达西渗流定律。

岩体的渗流以裂隙为主。特点：(a)岩体渗流大小取决于岩体中结构面的性质及岩块的性质；

(b)岩体渗流以裂隙导水，微裂隙和孔隙储水为其特征；(c)岩体裂隙网络渗流具有定向性；

(d)岩体一般看作非连续介质（对于密集裂隙可看作等效连续介质）；(e)岩体的渗流具有高度的非均质性和各向异性；f)一般岩体中的渗流符合达西定律（岩溶管道流一般为紊流，不符合达西定律）；(g)岩体渗流受应力场影响明显；(h)复杂裂隙系统中的渗流，在裂隙交叉处，具有“偏流效应”，即裂隙水流经大小不同裂隙交叉时，水流偏向宽大裂隙一侧流动。

18.岩体质量分类有和意义？

答：为了在工程设计与施工中能区分岩体质量的好坏和表现在稳定性上的差别，需要对岩体做出合理分类，作为选择工程结构参数、科学管理生产以及评价经济效益的依据之一，也是岩石力学与工程应用方面的基础性工作。RQD=10CM以上岩心累计长度/钻孔长度x100℅第三章

3．简述地壳浅部地应力分布的基本规律。

答：地应力分布的一些基本规律：

(1)地应力是一个相对稳定的应力场，它是时间和空间的函数；(2)实测垂直应力基本等于上覆岩层的重量(3)水平应力普遍大于垂直应力；(4)平均水平应力与垂直应力的比值随深度的增加而减小(5)最大水平应力与最小水平应力也随深度呈线形增长关系；(6)最大水平主应力和最小水平主应力之值一般相差较大，显示出很强的方向性。（7)地应力的上述分布规律还会受到地形、地表剥蚀、风化、岩体结构特征、岩体力学性质、温度、地下水等因素的影响。4,.地应力测量方法分哪几类？它们的主要区别在哪里？每类包括那些主要测量技术？

答：依据测量基本原理的不同，可将测量方法分为直接测量法和间接测量发两大类。

直接测量法是由测量仪器直接测量和记录各种应力量，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。

间接测量法是借助某些传感器或某些介质，测量和记录岩体中某些与应力有关的间接物理量的变化，如岩体中的变形和应变，然后由计算公式求出原岩应力值。包括：套孔应力解除法和其他的应力应变解除法以及地球物理方法等。其中套孔应力解除法是目前国内外广泛使用的一种方法。

5．简述水压致裂法的基本原理。

答：弹性力学：三假定：1)岩石是均匀线弹性和各向同性的2)岩石是完整的、非渗透性的3)岩层中有一个主应力分量的方向和孔轴平行三维问题转为二维问题即平面问题，通过

对孔内封隔段施加液压，使周围岩土体破坏并产生裂缝扩展，记录对应的压力大小

7．对水压致裂法的主要优缺点做出评价。

答优点：(a)能测量深部应力（已知最深为 5000 米）;(b)在没有地下工程或硐室的条件下,对露天边坡工程的地应力进行估算；缺点：(a)只能确定垂直钻孔平面内的最大主应力和最小主应力的大小和方向；(b)只适用与完整的脆性岩石中。

第四章

2.什么叫岩石的本构关系？岩石的本构关系一般有几种类型？

岩石的本构关系是指岩石的应力或应力速率与其应变或应变速率的关系。

岩石的本构关系一般分为：弹性本构关系、弹塑性本构关系和流变本构关系。

3.什么叫岩石的强度？岩石的破坏一般有几种类型？

岩石的强度是岩石抵抗外力破坏的能力。破坏是指岩石材料的应力或应变超过了自身的应力或应变的极限。

岩石的破坏的形式主要有两种：断裂破坏（应力达到强度极限）和流变破坏（出现显著的塑性变形或流动现象）

13.什么叫蠕变、松弛、弹性后效和流变？

答：蠕变：当应力不变时，变形随时间增加而增加的现象。

松弛：当应变不变时，应力随时间的增加而减小的现象。

弹性后效：加载和卸载时，弹性应变滞后于应力的现象。

岩石流变就是指材料的应力-应变关系与时间因素有关的性质，材料变形过程中具有时间效应的现象称为流变现象。

14.蠕变一般包括几个阶段？每个阶段的特点是什么？

答：当岩石在某一较小的恒定荷载持续作用下，其变形量随时间增长有所增加，但蠕变变形的速率随时间增长而减少，最后趋于一个稳定的极限值，这种蠕变称稳定蠕变。

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，这种蠕变成为不稳定蠕变。这是典型的蠕变曲线。根据应变速率不同，其蠕变过程分为三个阶段：

第一阶段：图中ab段，应变速率随时间增加而减小，又称减速蠕变或初始蠕变阶段。第二阶段：图中bc段，应变速率基本不变，也叫等速蠕变阶段。第三阶段：图中cd段，应变速率迅速增加直到岩石破坏为止，也叫加速蠕变阶段。

17.流变模型的基本元件有哪几种？

答：流变模型的基本元件有弹性元件、塑性元件和粘性元件

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