岩体力学 s
《岩体力学》课后习题附答案
《岩体力学》课后习题附答案一、绪论岩体力学：研究岩体在各种力场作用下变形与破坏规律的科学。
.二、1．从工程的观点看，岩体力学的研究内容有哪几个方面？答：从工程观点出发，大致可归纳如下几方面的内容：1）岩体的地质特征及其工程分类。
2）岩体基本力学性质。
3）岩体力学的试验和测试技术。
4）岩体中的天然应力状态。
5）模型模拟试验和原型观测。
6）边坡岩体、岩基以及地下洞室围岩的变形和稳定性。
7）岩体工程性质的改善与加固。
2．岩体力学通常采用的研究方法有哪些？1）工程地质研究法。
2）试验法。
3）数学力学分析法。
4）综合分析法。
二、岩块和岩体的地质基础一、1、岩块：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。
有些学者把岩块称为结构体、岩石材料及完整岩石等。
2、波速比k v：波速比是国标提出的用来评价岩的风化程度的指标之一，即风化岩块和新鲜岩块的纵波速度之比。
3、风化系数k f：风化系数是国标提出的用来评价岩的风化程度的指标之一，即风化岩块和新鲜岩块饱和单轴抗压强度之比。
4、结构面：其是指地质历史发展过程中，在岩体内形成的具有一定的延伸方向和长度、厚度相对较小的地质面或带。
它包括物质分异面和不连续面，如层面、不整合、节理面、断层、片理面等，国内外一些文献中又称为不连续面或节理。
5、节理密度：反映结构发育的密集程度，常用线密度表示，即单位长度内节理条数。
6、节理连续性：节理的连续性反映结构面贯通程度，常用线连续性系数表示，即单位长度内贯通部分的长度。
7、节理粗糙度系数JRC：表示结构面起伏和粗糙程度的指标，通常用纵刻面仪测出剖面轮廓线与标准曲线对比来获得。
8、节理壁抗压强度JCS：用施密特锤法（或回弹仪）测得的用来衡量节理壁抗压能力的指标。
9、节理张开度：指节理面两壁间的垂直距离。
10、岩体：岩体是指在地质历史过程中形成的，由岩块和结构面网络组成的，具有一定的结构，赋存于一定的天然应力状态和地下水等地质环境中的地质体。
岩体力学名词解释
岩石力学定义：岩石力学是研究岩石的力学性状的一门理论和应用的科学，它是力学的一个分支，是探讨岩石对周围物理环境中力场的反应。
应力：应力指物体在所受面力作用下内部产生的内力的集度。
正应力：应力在其作用截面的法线方向的分量。
剪应力：应力在其作用截面的切线方向的分量。
体力：分布在物体体积内的力。
面力：分布在物体表面上的力。
内力：物体本身不同部分之间相互作用的力。
正面：外法线沿着坐标轴的正方向的截面。
正面上的应力分量与坐标轴方向一致为正，反之为负。
负面：外法线是沿着坐标轴的负方向的截面。
负面上的应力分量与坐标轴方向相反为正，反之为负。
主平面：单元体剪应力等于零的截面。
主应力：主平面上的正应力。
强度（峰值强度）：在一定条件下，岩石发生破坏时单位面积所能承受的最大载荷。
残余强度：岩石完全破坏后所能承受的一个较小的应力值。
应变软化：指岩石达到峰值强度以后继续变形，其强度随变形量增加而降低/减少的特性。
塑性变形：岩石失去承载能力以前所承受的永久的变形。
屈服：有些材料在开始出现塑性变形之后，常在应力不变或应力增加很小的情况下继续产生变形，这种现象称为屈服。
屈服点：岩石从弹性转变为塑性的转折点有效应力：一般意义，是指对多孔渗水材料总的力学特征起主导作用的应力。
有效应力是外加或总应力和孔隙压力的函数。
切线杨氏模量：应力－应变曲线上某一确定点的斜率，一般取50%峰值强度点的斜率。
平均杨氏模量：应力－应变曲线上近似直线部分的斜率平均值割线杨氏模量：坐标原点与某一定点连线的斜率扩容：岩石在塑性阶段的体积膨胀称为扩容现象，它主要由于变形引起裂隙发展和张开而造成的岩石：岩石是组成地壳的基本物质，它由各种岩矿或岩屑在地质作用下按一定规律通过结晶联结成或借助于胶结物粘结组合而成。
岩体：是指天然埋藏条件下大范围分布的，由结构面和结构体组成的地质体。
岩石结构面的产状：即结构面在空间的产生状态和方位，用结构面上倾斜度最大的倾斜线与水平面成的夹角，以及对应倾向线的方位（从真北方向顺时针测得）来描述结构面的间距：一组结构面在法线方向上两相邻面的距离。
岩土力学
岩体力学的发展可分为两个阶段： 连续介质力学阶段。把岩体视为一种完整的连续介质材料，将连 续介质力学的理论和方法，特别是把土力学理论移植过来，用于 解决在工程建设中遇到的岩体力学问题。 碎裂岩体力学阶段。在20世纪50年代末和60年代初，国际上发生 了几次大型水坝工程事故。在对这些重大事故研究过程中，逐渐 注意到岩体并不是完整一块，而是由节理、断裂等切割成的碎裂 岩体。在岩体力学研究中重视了节理、断裂面等力学作用，提出 了不连续性、不均匀性、各向异性是岩体的重要特征；注意到尺 寸效应等现象。在力学分析上出现了块体分析的理论和方法。 当 前，连续介质力学理论仍具有支配作用。同时，正在注意研究碎 裂介质岩体力学分析理论和方法；研究结构力学的理论和方法在 岩体力学研究中的应用；研究运用岩体变形观测反分析与岩体改 造措施相结合的实用岩体力学问题，不断地深入认识岩体，修改 设计，补充岩体改造措施，使岩体工程设计逐步完善，并有了一 套应用岩体力学的理论和方法。
拉伸破坏
劈裂破坏
剪切破坏
延性破坏
岩石材料的试验机
非刚性机
刚性机
岩石的强度
岩石的强度——表示岩石抵抗外力破坏能力的大小 峰值强度——在临近破坏时具有的最大承载能力。 残余强度——在发生破坏后仍然具有的承载能力。 岩石的抗压强度、抗剪强度及抗拉强度——岩石在
压缩、剪切或拉伸应力作用下的抗破坏能力各不相同，与 之相对应的强度值分别为抗压强度、抗剪强度和抗拉强度。
o B、沉积岩 o 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，具层理构造。
o C、变质岩 o 是在已有岩石的基础上，经过变质混合作用后 形成的。由于温度、压力的不同，则有高温变 质、中温变质及低温变质，再加上作用力的不 同，又有更多的组合的变质混合条件。
第3章岩石结构面、力学性质岩体力学
岩石力学
3.3.1.2 结构面的连续性 结构面的连续性又称为结构面的延展性或贯通性，常用
迹长、线连续性系数和面连续性系数表示。 （1）迹长 结构面与勘测面交线的长度，称为迹长。 国际岩石力学学会(ISRM，1978年) 制订的分级标准(见
3.2.2 岩体结构的类型
在《岩土工程勘察规范（GB 50021-2001）》中，将岩体 结构划分为5大类（见下表）。
岩石力学
岩体结 构
类型 整体状
结构
块状结 构
层状结 构
岩体地质 类型
巨块状 岩浆岩和 变质岩
厚层状 沉积岩， 块状岩浆 岩和变质 岩 多韵律 薄层、中 厚层状沉 积岩，副
结构体 形状
岩石力学
3.1 概述
工程涉及的实际岩体与实验室内测试的岩石试件的力学 性能有着很大的差别，引起这种差别的主要因素有：
（1）岩体的非连续性； （2）岩体的非均质性； （3）岩体的各向异性； （4）岩体的含水性等。 其中最关键的因素是岩体的非连续性。
岩石力学
结构面（亦称弱面）：岩体内存在的各种地质界面，
巨块状
块状 柱状
层状 板状
结构面发育情况
以层面和原生、 构造节理为主， 多呈闭合型，间 距大于1.5m，一 般为1~2组，无 危险结构
有少量贯穿性节 理裂隙，结构面 间距0.7~1.5m， 一般为2~3组， 有少量分离体
有层理、片理、 节理，常有层间 错动
岩土工程特 征
岩体稳定， 可视为均质 弹性各项同 性体
岩石力学
当试件沿结构面发生剪切破坏时，作用在结构面上的应力有：
T A
P cos
岩体力学总复习
1、岩体力学的研究内容；岩体力学是力学的一个分支学科，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。
其研究内容是：（1）岩块、岩体地质特征的研究。
（2）岩石的物理、水理与热学性质的研究。
（3）岩块基本力学性质的研究。
（4）结构面力学性质的研究。
（5）岩体力学性质的研究。
（6）岩体中天然应力分布规律及其量测的理论与方法的研究。
（7）工程岩体分类及分类方法的研究。
（8）岩体变形破坏机理及其本构关系与破坏判据的研究。
（9）边坡岩体、地基岩体及地下洞室围岩等工程岩体的稳定性研究。
（10）岩体性质的改善与加固技术的研究。
（11）各种新技术、新方法与新理论在岩体力学中的应用研究。
（12）工程岩体的模型、模拟实验及原位监测技术的研究。
2、结构面特征及其对岩体性质的影响；结构面对岩体力学性质的影响是不言而喻的，但其影响程度则主要取决于结构面的发育特征。
如岩性完全相同的两种岩体，由于结构面的空间方位、连续性、密度、形态、张开度及其组合关系等的不同，在外力作用下，这两种岩体将呈现出完全不同的力学反应。
因此研究结构面特征及其力学效应是十分必要的。
（1）产状：结构面的产状常用走向、倾向和倾角表示。
结构面与最大主应力间的关系控制着岩体的破坏机理与强度。
当结构面结构面与最大主平面夹角为锐角时，岩体将沿结构面滑移破坏；但夹角等于0度时，表现为横切结构面产生剪断岩体破坏；当夹角为90度时，则表现为平行结构面的劈裂拉张破坏。
随破坏方式不同，岩体强度也发生变化。
当围压不变时，岩体强度随结构面倾角变化而变化。
（2）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。
线连续性细数K1是指沿结构面延伸方向上，结构面各段长度只喝预测线长度的比值，K1值越大，说明结构面的连续性越好，当K=1时，结构面完全贯通。
结构面的连续性对岩体的变形、破坏机理、强度及渗透性都有很大的影响。
(完整版),岩石力学总结,推荐文档
抗剪切强度：岩石在剪切荷载作用下达到破坏前所能承受的最大剪应力 三轴抗压强度：岩石在三向压缩荷载作用下，达到破坏时所能承受的最
大压应力 端部效应其消除方法：润滑试件端部（如垫云母片；涂黄油在端部）加长试件 岩石的变形：岩石在外力作用下发生形态（形状、体积）变化。 岩石变形过程中表现出弹性、塑性、粘性、脆性和延性等性质
煤与瓦斯突出预测及处理理论和技术 铁路隧道设计和施工技术 水库诱发地 震的预报问题 地震预报中的岩石力学问题 岩体力学的研究对象： 岩石 由矿物或岩屑在地质作用下按一定规律聚集而 形成的自然物体
岩体力学的发展历程：
20 世纪以前萌芽阶段 宋应星《天工开物》 古德恩维地表移动范围
20 世纪初到 20 世纪 50 年代第二阶段 松散介质学派 卡曼型三轴试验机 三下
②塑性滞回环：则每次加、卸载曲线都形成一个塑性滞回环。这些塑性滞回环
随着加、卸载的次数增加而愈来愈狭窄，并且彼此愈来愈近，岩石愈来愈接近
弹性变形，一直到某次循环没有塑性变形为止，如图中的 HH‘环。
③临界应力：当循环应力峰值小于某一数值时，循环次数即使很多，也不会导
致试件破坏；而超过这一数值岩石将在某次循环中发生破坏（疲劳破坏），这一
6
RMR Ri i 1
岩石分类评价 1. 岩石普氏系数(f=σc/10)分类法
2. 岩石质量指标 RQD
3. RMR(Rock Mass Rating)值分类法 六个参数 完整岩石强度 岩芯质量指标 节理间距
节理条件 地下水条件 节理走向或倾向
4. 巴顿岩体质量分类（Q 分类)
5.岩体基本质量分级－－计算 BQ 第三章
数值称为临界应力。此时，给定的应力称为疲劳强度。
岩石力学名词解释
84. 晶格缺陷
由于晶体外原子入侵结果产生的化学上的缺陷，或由于化学比例或原子重新排列的毛 病产生的物力上的缺陷。
85. 晶粒边界
由于矿物晶粒表面电价不平衡，引起矿物表面形成远远小于矿物晶粒内部键的结合 力，使晶粒边界相对软弱，称之为晶粒边界。
86. 径向应力
垂直于巷道周边切线的正应力。
87. 静水压力
97. 理想塑性材料
随着塑性应变的出现和发展，屈服面的大小和形状不发生变化的材料。
98. 粒间空隙
指多在成岩过程中形成的晶粒之间、胶结物之间微小空隙。
99. 连接作用
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、接近、起连接作用。
100. 裂隙网络介质
101.
102. 103.
零应力轴比（无 应力轴比） 流变 流变性
12. 剥蚀作用
指风及河流、地下水、海(湖)、冰川中的水体在运动状态下对地表或地下岩石产生的 破坏，并将破坏形成的产物带走的作用过程，称为剥蚀作用。
13. 泊松比
表述材料横向应变与纵向应变关系的物力量，用横向应变与纵向应变的比值表示。
14. 残余应力
指没有外力作用时在岩体内部由于某种原因在整个岩体内的不均匀的变形而引起的应 力。
60. 构造应力
由于地质构造活动在岩体中引起的应力场，这种应力与一定范围地质构造有关，其主 要特点是水平应力大于覆岩垂直应力分量。这一作用可以持续到地层深处。
61. 固结成岩作用
松散的沉积物转变为坚硬的岩石的作用称为固结成岩作用。
62. 广义双重介质
稀疏大裂隙（如断层）和其间的密集裂隙岩块构成的空隙结构，裂隙导水，密集裂隙 岩块储水及导水，这种含水介质称为广义双重介质。
岩石力学课本
第一章绪论第一节岩体力学与工程实践岩体力学(rockmass mechanics)是力学的一个分支学科，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。
岩体力学的研究对象是各类岩体，而服务对象则涉及到许多领域和学科。
如水利水电工程、采矿工程、道路交通工程、国防工程、海洋工程、重要工厂(如核电站、大型发电厂及大型钢铁厂等)以及地震地质学、地球物理学和构造地质学等地学学科都应用到岩体力学的理论和方法。
但不同的领域和学科对岩体力学的要求和研究重点是不同的。
概括起来，可分为三个方面：①为各类建筑工程及采矿工程等服务的岩体力学，重点是研究工程活动引起的岩体重分布应力以及在这种应力场作用下工程岩体(如边坡岩体、地基岩体和地下洞室围岩等)的变形和稳定性。
②为掘进、钻井及爆破工程服务的岩体力学，主要是研究岩石的切割和破碎理论以及岩体动力学特性。
③为构造地质学、找矿及地震预报等服务的岩体力学，重点是探索地壳深部岩体的变形与断裂机理，为此需研究高温高压下岩石的变形与破坏规律以及与时间效应有关的流变特征。
以上三方面的研究虽各有侧重点，但对岩石及岩体基本物理力学性质的研究却是共同的。
本书主要是以各类建筑工程和采矿工程为服务对象编写的，因此，也可称为工程岩体力学。
在岩体表面或其内部进行任何工程活动，都必须符合安全、经济和正常运营的原则。
以露天采矿边坡坡角选择为例，坡角选择过陡，会使边坡不稳定，无法正常采矿作业，坡角选择过缓，又会加大其剥采量，增加其采矿成本。
然而，要使岩体工程既安全稳定又经济合理，必须通过准确地预测工程岩体的变形与稳定性、正确的工程设计和良好的施工质量等来保证。
其中，准确地预测岩体在各种应力场作用下的变形与稳定性，进而从岩体力学观点出发，选择相对优良的工程场址，防止重大事故，为合理的工程设计提供岩体力学依据，是工程岩体力学研究的根本目的和任务。
岩体力学的发展是和人类工程实践分不开的。
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深部开采岩体力学研究的现状
摘要：在深部开采工程中产生的岩石力学问题是目前国内外采矿及岩石力学界研究的焦点，“三高一扰动”的复杂环境，是深部开采面临的挑战性、高难度课题。
虽然目前对于深部开采工程的研究已经取得了部分成果，但对深层次、注重个案、侧重技术的基础研究重视仍然不够。
今后主要研究方向应集中在深部岩石力学基本特性、深部开采工程稳定性控制、深部开采地表环境损伤控制以及深部厚煤层综放开采基础理论研究等方面。
关键词：深部开采；岩石力学；三高一扰动
深部开采岩石力学，主要是指在进行深部资源开采过程中引发的与巷道工程及采场工程有关的岩石力学问题。
目前，对能源的需求逐步增加，开采强度也不断加大，这些都造成了浅部资源的日益减少，因而国内外的矿山都相继进入深部资源开采状态。
而开采深度的不断增加，工程灾害也随之增多，这对深部资源安全高效的开采造成了巨大威胁。
1 深部开采岩体的力学特点
1.1 开采环境
深部开采和浅部开采最明显的区别在于深部岩石所处的特殊环境，也就是“三高一扰动”的复杂力学环境。
“三高”主要是指高地温、高地应力和高岩溶水压。
“一扰动”主要是指强烈的开采扰动。
当进入深部开采后，岩体呈现塑性状态，即由各向不等压的原岩应力引起的压、剪应力超过岩石的强度，并且对岩石造成破坏。
1.2 力学行为特性
深部岩石的“三高一扰动”复杂环境，对深部岩体的组织结构、基本行为特征和工程响应产生根本性的影响。
主要表现在深部岩体动力响应的突变性，深部岩体应力场的复杂性，深部岩体的大变形和强流变性，深部岩体的脆性一延性转化，深部岩体开挖岩溶突水的瞬时性等五个方面。
2 深部开采工程中的岩石力学问题
目前对于深部开采工程的研究已经取得了一系列成果，但是对于侧重技术、注重个案的深层次基础研究始终没有得到足够的重视。
深部开采“三高一扰动”的复杂力学环境，使深部岩石力学行为及其深部灾害的特征与浅部开采明显不同，因而在浅部开采基础上建立的传统理论不能适应现在的研究环境。
2.1 强度确定
深部开采时地应力水平比较高，因而工程开挖后的工程岩体在高围压作用下，一个或两个方向上应力状态的改变所表现出的强度变化并不是简单的表现在受拉或受压，而是复杂的拉压复合状态，即径向产生卸载，同时切向产生加载。
所以深部开采时工程岩体的强度不能单纯用岩块强度来确定，必须建立符合深部开采特点的工程岩体拉压复合强度确定理论。
2.2 设计理论
深部开采时，由于工程围岩所表现出的非线性力学特性，在稳定性控制设计时不能采用简单的一次线性设计，因而必须建立采用二次以至多次非线性大变形力学稳定性控制设计理论。
2.3 稳定性控制理论
在深部开采环境下，工程开挖后工程围岩就会有不同程度的破坏，必须采用二次支护甚至多次支护才能够实现工程稳定性。
因此，原有的稳定性控制理论不能适合新的环境，必须建立适合深部开采工程的二次（支护）稳定性控制理论。
3 今后研究重点
随着我国国民经济的提高和科学技术的发展，在复杂地质条件下一些长深铁路、公路隧道的修建，有了许多深部开采事故的预防应用，并由此发展了先进的科学技术和理论。
我们认为对岩石力学问题，今后主要研究方向应集中在对深部岩石力学基本特性、深部开采工程稳定性控制、深部开采地表环境损伤控制和深部厚煤层综放开采基础理论研究等方面。
3.1 “深部”的概念及其分类体系
目前国内外对深部工程中所引发的岩石力学问题研究十分重视，但是在“深部”、“深部工程”等一系列概念上的差异较大，这些对该领域理论与技术研究的发展及交流有一定影响。
因而，对“深部”的概念、分类体系以及评价指标进行科学的定义，是推动深部岩体力学的基础理论研究的当务之急。
3.2 深部岩石力学的基本特性研究
深部工程的“三高一扰动”复杂环境，使得深部岩体的组织结构、基本行为特征和工程响应都发生了根本性的变化，同时也导致深部开采中灾变事故的多发性和突发性。
因而，深部资源开采面临的核心科学问题正是采掘扰动表现出来的特殊力学行为。
其中的深部高应力场成因以及多个应力场的耦合作用状态研究、深部复杂应力状态下岩体拉压复合强度确定方法及其灾变机理更是今后研究的重点。
3.3 深部开采工程的稳定性研究
深部开采工程的稳定性问题是研究围岩在开采破坏后与支护系统相互作用所达到的二次稳定问题。
在深部条件下的工作面回采所形成的采动应力场与巷道掘进形成的开挖应力场相互耦合叠加，这些形成了复杂的三维应力场。
同时，采动应力的分布与回采空间动态、多维的时空规律以及支承压力区的范围和峰值应力等也将产生很大变化。
因此，应该结合深部岩体的非线性力学特性研究，在对深部采场以及巷道围岩采动的应力时空分布规律的深入分析基础上，探讨深部开采采场及巷道一体化的稳定性非线性力学控制对策。
3.4 深部工程灾害的发生机理以及控制对策的研究
在深部条件下，“三高一扰动”环境使深部岩体的基本行为特征、组织结构和工程响应发生了根本性的变化，这同时导致了深部开采中灾变事故的多发性和突发性。
因而，研究岩体在地下水、瓦斯、高地应力、温度等作用下的稳定与非稳定变形，破坏状态以及转化机理、条件和规律，探索深部多相介质、多场耦合的作用下工程灾害频度和强度等特征，这些对揭示深部工程灾害的诱发机理和成灾过程，并对相应的灾害提出预测方法及控制对策具有重要意义。
在“三高一扰动”特殊地质力学的环境下，传统的理论、方法和技术已经部分或全部失效。
因此，对深部开采工程岩石力学基础理论研究的大力开展，能够对深部资源开发提供可靠的理论基础，并为我国经济的可持续发展和国家安全战略的实施提供有效的能源和资源保证。
参考文献
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