天然应力分布
第四章 岩体的结构特征与主要力学特征-党
岩体结构特征的研究意义
岩体的结构特征是指岩体中结构面和结构体的形状、 规模、性质及其组合关系的特征。 岩体中的软弱结构面，常常成为决定岩体稳定 性的控制面。 靠近地表的岩体，其结构特征在很大程度上确 定了外营力对岩体的改造进程。这是由于结构面往 往是风化、地下水等各种外营力较活动的部位，也 常常是这些营力的改造作用能深入岩体内部的重要 通道，往往发展为重要的控制面。 研究结构面最关键的是研究各类结构面的分布规律、 发育密度、表面特征、连续特征以及它们的空间组 合形式等。
力学强度：较原岩大为降低，压缩性大
抗冲刷能力低，易于产生渗透变形
四、岩体的结构类型
表4-6 岩体结构分类表
《水利水电工程 地质勘察规范》， 将岩体结构划分 为：4个大类和 11个亚类，其基 本特征见表4-6。
类型 亚类 整体 整体状结构 块状 块状结构 结构 次块状结构 层状 整体层状结 结构 构 块层状结构 互层状结构 薄层状结构 碎裂 镶嵌碎裂结 结构 构 碎裂结构 散体 碎块状结构 结构 碎屑状结构
软弱夹层
特点
厚度薄
多呈相互平行，延伸长度和宽度不一的多层状
结构松散
岩性、厚度、性状和延伸范围，常有很大变化
力学强度低，与其结构、矿物成分和颗粒组成有关
泥化夹层 特点
成分：粘粒含量明显增多
结构：由固结或超固结变成了泥质散状结构
物理状态：干容重减小,天然含水量增高,接近塑限
具有一定的膨胀性
蠕变：在应力一定的条件下，应变随时间的持续而逐 渐增长的现象。 松弛：在变形保持不变时，应力随时间的增长而逐渐 减小的现象。 试验和工程实践表明，岩石和岩体具有流变性。
2、典型的蠕变曲线
石油工程岩石力学-地应力
平地应力方位
地应力纵向分布规律计算
不同深度，不同性质的地层其地应力大小及 非均匀性不同，即地应力不是随井深增加而 线性增大，对不同地层要分层计算地应力。
地应力主要来自于上覆岩层的自重及地质构 造运动产生的构造应力，用公式表示为：
H
H
H
T
地应力纵向分布规律计算
hmin
HMAX >> v > hmin
第二节 地应力的测量方法
垂直主应力的求取：
垂直地应力是由重力作用产生的（岩石的重量）； 在任意深度，垂直地应力等于上覆岩层压力：
v = gz （密度×重力加速度×深度） 通常垂直地应力通过对密度测井数据积分获得； 在海上钻井要包含泥线以上海水产生的压力；
B A
C
largely unfractured shale
static basal sheet
compression
四、进行地应力研究的意义：
是所有地质力学问题中重要的初始条件； 是勘探、钻井及油藏等石油工程的重要参数； 是钻井工程中井壁稳定分析的重要参数； 是采油工程中出砂防砂分析的重要参数； 是油气层增产改造措施制定的重要参数；
直井井眼周围地层应力状态
由水平最大地应力 H所引起的井周应力分布
r
H 2
(1
R2 r2 )
H 2
(1
3R 4 r4
4R2 r 2 ) cos2
H 2
(1
R2 r2
)
H 2
(1
3R 4 r4
) cos2
r
H 2
(1
3R 4 r4
2R2 r2
) sin 2
天津大学2021年《岩石力学》期末试题及答案
一、名词解释1,、岩体：只在地质历史过程中形成的，由岩块和结构面网络组成的，但有一定结构并赋存有一定的天然应力状态和地下水等地质环境中的地质体。
2、原生结构面：岩体在成岩过程中形成的结构面，其特性与岩体成因密切相关(可分为沉积结构面，岩浆结构面和变质结构面)。
3、岩石质量指标（RQD）：大于10cm的岩心累计长度与钻孔进尺长度纸币的百分数。
4、块体密度：指岩石单位体积内的质量5、初始天然应力：人类工程活动之前存在于岩体中的应力。
6、剪胀角：剪切时剪切唯一的轨迹线与水平线的夹角7、吸水率：指岩石试件在大气压力和室温条件下自由吸水的质量与岩样干质量之比，用不分手表示8、转化性：指岩石浸水饱和后强度降低的性质，即Kr=σcw/σc9、天然应力比值系数：岩体中天然水平应力σh余铅直应力σv之比，入=σh/σv10、单轴抗压强度：在单向压缩条件下，岩块能受的最大压应力二、填空1、岩石按成因可以分为：岩浆岩、变质岩、沉积岩2、岩石的块体密度课规则试件的量积法，不规则试件的蜡封法。
3、岩体的流变主要包括蠕度、松弛、弹性后效4、在研究岩石流变中常用流变模型的三个基本元件为：弹性元件、粘性元件、塑性元件5、大量的试验和观察证明，就破坏形式而言，岩石的破坏主要有拉破坏、剪切破坏和流动破坏6、影响天然应力分布的主要因素有：地形起伏、地表剥蚀、岩体性质、地下水、地温7、岩体天然应力量测方法主要包括应力恢复发、套心法、水压致裂法8、大量的岩体实验表明。
岩体的应力变形曲线可以划分为四种类型，即直线型、下凹型、S型和凹型复合型9、Kelvin体是由弹性元件和粘性元件并联而成的10、国家GB系用的BQ法岩体质量分组主要考虑了组成岩体岩石的坚硬程度、岩体完整性、岩体赋存条件三、简答题1、在掩饰的三轴试验中，固压对岩石的力学性质有什么影响？∙岩石破坏前应随σ3增大而增大∙岩石的峰值强度随σ3增大而增大∙随σ3增大岩石变形模量增大，软岩增大明显，致密硬岩增大不明显∙随σ3增大，岩石的塑形不断增大，随σ3增大到一定值时，岩石由脆性转变为塑性，这时，σ3的大小成为转化压力∙随σ3的增大岩块以脆性劈裂破坏逐渐向塑性剪切及塑性刘冬破坏方式过渡2、水平天然应力的主要特征有哪些∙岩体中水平天然应力以压力为主，出现啦应力折甚少，且多局部性质∙大部分岩体中的水平应力大于垂直应力∙岩体中两个水平应力σmax和σmin通常不相等∙在单薄的山体，坡附近以及未受构造变动的岩体中，天然水平应力均小于垂直应力3、简述岩石材料的弹性与塑性，脆性与延性、说明弹性与塑性和出现于延性的根本区别∙弹性：物体受理产生变形，在胃里撤除后能够恢复其原有形状和尺寸的性质，担心分为线弹性和非线弹性∙塑性：物体产生变形，在外力撤除后不能完全恢复原状的性质∙根本区别：物体发生破坏之前的变形是否可以恢复∙脆性：物体受力后，在变形很小时就产生破坏的性质∙延性：物体能承受较大塑性变形而不丧失其承载能力的性质∙根本区别：物体发生破坏前变形的大小四、计算题1、某种岩性的岩体中，存在一起伏状结构面，起伏角i=12°，已知岩石的内聚力C1=8MPa，内摩擦角φ1=45°，结构面的内聚力C2=0，内摩擦角φ2=33°，已测得岩体的应力状态σ1=52MPa, σ3=2MPa，结构面与最大主应力作用面夹角方向为30°，迟判断岩体是否破坏解：σ=（σ1+σ2）/2+（σ1-σ3）/2*cos2β=27=25*1/2=39.5MPaτ=（σ1-σ3）/2*sin2β=25*√3/2=21.65MPa当σ较小时τ1=σtan（Φ+i）=39.5tan（33°+12°）=39.5MPa当σ较大时τ2=tanΦ1+C=39.5tan45°+8=47.5MPaτ<τ1, τ<τ2岩体会破坏2、有如下的勘察资料：岩石纵波波速为4400m/s，岩体纵波波速为3200m/s，单轴饱和抗压强度为80MPa，工作面如淋雨状或涌流状出水，水压<=0.1MPa，主要结构面走向与同轴夹角76°，请教为80°，处于高应力区，试按我国工程岩体分级标准计算该岩体的基本质量和考虑工程的级别解：Kv=（Vmp/Vvp）^2=(3200/4400)^2=0.5390Kv+30=90*0.53+30=77.7MPa<σcw0.04σcw+0.4=0.04*80+0.4=3.6>KvBQ=90+3σcw+250Kv=90+3*77.7+250*0.53=455.6MPa[BQ]=BQ-100(K1+K2+K3)=455.6-100(0.1+0.1+0.5)=385.6MPa3、某岩体，在深度100m内，密度为2.54g/cm^3，在深度100~200内，密度为2.7 g/cm^3，天然应力比值系数为1.89，试按自重应力理论计算深度为50m，150m处的天然应力大小解：当深度为50m时ρ=2.54*10^3kg/m^3σv=ρgz=2.54*10^3*10*50=1.27MPaσh=λσv=1.89*1.27=2.4MPa当深度为100m时ρ=2.71*10^3kg/m^3σv=ρgz=2.71*10^3*10*50+2.54*10^3*10*100=3.895*10^6MPaσh=λσv=7.4*10^6MPa4、某花岗岩岩柱，横截面积A=0.5,m^2，柱顶承受荷载P=30MN，自重忽略不计，其坑剪强度指标，粘聚力C=20MPa，Φ=30°，试问该岩性是否会发生破坏，许用强度σ1=εσ3+2CcosΦ/(1-sinΦ)；若岩柱中，有一软弱结构面，软弱结构面的坑剪强度指标为σw=10，Φw=20°，其法线与岩柱轴线呈75°叫，试问是否会发生破坏解：σ1=εσ3+2CcosΦ/(1-sinΦ)=0+2*20*cos30°=69.28MPaσ=P/A=60MPa<σ1不会发生破坏σ=(σ1+σ3)/ σ2+(σ1-σ3)/ σ2*cos2β=30+30cos150°=4.02MPaτ=(σ1-σ3)/2*sin2β=30*sin(2*75°)=15MPaτ1’=σtanΦ+C=4.02tan20°=10=11.46MPa<τ沿结构面剪切破坏5、室内的剪切实验有一下成果当正应力分别为6MPa，10MPa，剪切强度分别是19.2MPa，22MPa，假设岩石强度符合莫尔且直线理论，求岩石剪切强度系数解：τ=σtanΦ+C19.2=6tanΦ+C22=10tanΦ=C2.8=4tanΦtanΦ=0.7C=15MPaΦ=35°6、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，岩石的抗压强度并求出破坏面的方位解：sinΦ=(σ1-σ3)/(2CcosΦ+σ1+σ3)=( σ1-20)/(2*40cos30°+σ1=20)=sin30°σ1=198.56MPa2θ=π/2+π/6θ=π/3破坏面与最小主应力夹角为60°。
原岩应力及其分布
③
岩体中的构造应力具有明显的方向性，最大
水平主应力和最小水平主应力之值一般相差较大。
④ 构造应力在坚硬岩层中出现一般比较普遍，
在软岩中贮存构造应力很少。
正断层
逆断层
平推断层
岩脉
褶皱
由地质特征推断构造应力方向的平面图
2 1 1 2 2 2 H 2 3E 1
由以上两式可知，岩体中积聚的弹性能与应力 状态有关，并随着开采深度的增加，与开采深度的 平方成正比关系增长。
应当指出，采矿活动破坏原岩应力状态，在岩
硐周围岩体内形成应力集中，应力集中系数k=3～5，
高应力导致岩体内积聚的弹性能增长数倍。这种大 量能量的突然释放，将产生矿山动压现象。
（四）讨论
由上述关系式可得以下几个主要结论：
①在双向等压应力场中，圆孔周边全处于压缩应力状态。
②应力大小与弹性常数E、μ 无关。
③ σ t、σ r的分布和角度无关，皆为主应力，即切向和径向平 面均为主平面。 ④双向等压应力场中孔周边的切向应力为最大应力，其最大应 力集中系数K=2，且与孔径的大小无关。当σt=2γH超过孔周 边围岩的弹性限时，围岩将进入塑性状态。
岩石的泊松比为0.2～0.3， ＝0.25～0.43。 1 2、静水应力状态假说：在埋藏较深条件下，垂直压 应力相当大，岩石呈现明显的塑性 ＝ 1.0 H
1
1
z
x
y
二.构造应力
构造应力是由于地壳构造运动在岩体中引 起的应力，岩体构造应力可以分为现代构造应 力和地质构造残余应力。前者是指正在经受地
岩体力学复习重点
岩体力学复习重点名词解释：1、软化性：软化性是指岩石浸水饱和后强度降低的性质;2、软化系数：是指岩石时间的饱和抗压强度于干燥状态下的抗压强度的比值;3、形状效应：在岩石试验中,由于岩石试件形状的不同,得到的岩石强度指标也就有所差异;这种由于形状的不同而影响其强度的现象称为“形状效应”;4、尺寸效应：岩石试件的尺寸愈大,则强度愈低,反之愈高,这一现象称为“尺寸效应”;5、延性度：指岩石在达到破坏前的全应变或永久应变;6、流变性：指在应力不变的情况下,岩石的应变或应力随时间而变化的性质;7、应力松弛：是指当应力不变时,岩石的应力随时间增加而不断减小的现象;8、弹性后效：是指在加荷或卸荷条件下,弹性应变滞后于应力的现象;9、峰值强度:若岩石应力--应变曲线上出现峰值,峰值最高点的应力称为峰值强度.10、扩容:在岩石的单轴压缩试验中,当压力达到一定程度以后,岩石中的破列或微裂纹继续发生和扩展,岩石的体积应变增量有由压缩转为膨胀的力学过程,称之为扩容.11、应变硬化:在屈服点以后在塑性变形区,岩石材料的应力—应变曲线呈上升直线,如果要使之继续变形,需要相应的增加应力,这种现象称之为应变硬化.12、延性流动:是指当应力增大到一定程度后,应力增大很小或保持不变时,应变持续增长而不出现破裂,也即是有屈服而无破裂的延性流动.13、强度准则:表征岩石破坏时的应力状态和岩石强度参数之间的关系,一般可以表示为极限应力状态下的主应力间的关系方程: σ1=fσ2,σ3或τ=fσ.14、结构面: ①指在地质历史发展过程中,岩体内形成的具有一定得延伸方向和长度,厚度相对较小的宏观地质界面或带. ②又称若面或地质界面,是指存在于岩体内部的各种地质界面,包括物质分异面和不连续面,如假整合,不整合,褶皱,断层,层面,节理和片理等.15、原生结构面:在成岩阶段形成的结构面.16、次生结构面:指在地表条件下,由于外力的作用而形成的各种界面.17、结构体:结构面依其本身的产状,彼此组合将岩体切割成形态不一,大小不等以及成分各异的岩石块体,被各种结构面切割而成的岩石块体称为结构体.18、结构效应：岩体中结构的方向性质密度和组合方式对岩体变形的影响;19、剪胀角：岩体结构面在剪切变形过程中所发生的法向位移与切向位移之比的反正切值;20、岩体基本质量：岩体所固有的影响工程掩体稳定性的最基本属性,岩体基本质量由岩石坚硬程度和岩石完整程度决定;21、自稳能力：在不支护条件下,地下工程岩体不产生任何形式的能力;22、地应力：自然状态下在原岩岩体中存在的由于岩石自重和构造应力形成的分布应力,也称天然应力23、原岩应力：在工程中指天然存在于岩体中而与任何认为因素无关的应力;24、残余应力：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25、初始地应力：岩体中存在的未受工程扰动的原始应力状态下的应力26、自重应力：由于岩体自重而产生的天然应力27、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底层深处;28、应力重分布：岩体受到工程活动扰动,引起岩体中初始应力的转移变化形成的新的应力场状态;29、二次应力：相对于初始应力而言,岩体上或岩体内部受到工程活动扰动,引起初始应力自然平衡状态的改变,使一定范围内的原始应力重分布形成的新的应力为二次应力,或称次生应力,直接与工程稳定性有关;30、岩爆：是地下洞室开挖过程中围岩发生突然脆性破坏的现象;一般在地应力较大部位,岩石被挤压超过其弹性限度,聚集的能量会突然释放出来,伴随有声音、碎石飞散、坠落等现象;31、构造线：指区域性挤压应力所形成的构造形迹,也就是指与产生地质构造运动的压应力方向相垂直的平面和地面的交线;32、围岩：指由于人工开挖使岩体的应力状态发生了变化,而这部分被改变了应力状态的岩体称为围岩;地下工程开挖过程中,在发生应力重分布的那一部分工程岩体称为围岩;33、围岩压力：地下洞室围岩在重分布应力作用下产生过量的塑性变形或松动破坏,进而引起施加于支护衬砌上的压力;作用在支护物上的围岩的变形挤压力或塌坍岩体的重力称为围岩压力;34、围岩抗力：在有压洞室中,作用有很高的内水压力,并通过衬砌或洞壁传递给围岩,这时围岩将产生一个反力,称为围岩抗力;35、静水应力状态：在岩石力学中,地下深部岩体在自重作用下,岩体中的水平应力和垂直应力相等的应力状态;36、形变围岩压力：指围岩在二次应力作用下局部进入塑性,缓慢的塑性变形作用在支护上形成的压力,或者是有明显流变性能的围岩的粘弹性或者粘弹—粘塑性变形形成的支护压力;一般发生在塑性或者流变性较显着的地层中;37、松动围岩压力：指因围岩应力重分布引起的或施工开挖引起的松动岩体作用在隧道或坑道井巷等地下工程支护结构上的作用压力;一般是由于破碎的、松散的、分离成块的或被破坏的岩体坍滑运动造成的;38、冲击围岩压力：1是地下洞室开挖过程中,在超过围岩弹性限度的压力作用下,围岩产生内破坏,发生突然脆性破坏并涌向开挖采掘空间的一种动力现象;2强度较高且完整的弹脆性岩体过渡受力后突然发生岩石弹射变形所引起的围岩压力;39、膨胀围岩压力：在遇到水分的条件下围岩常常发生不失去整体性的膨胀变形和位移,表现在顶板下沉、地板隆起和两帮挤出,并在支护结构上形成形变压力的现象;40、应力集中：受力物体或构件在其形状或尺寸突然改变之处引起应力在局部范围内显着增大的现象;41、应力集中系数：指岩体中二次应力与原始应力的比值,也可用井巷开挖后围岩中应力与开挖前应力的比值来表示;42、围岩弹性抗力系数：促使隧洞洞壁围岩产生单位径向位移所需要的内水压力值:K=P/Δα,P：隧洞受到来自隧洞内部的压力,洞壁围岩向外产生一定的位移Δα;43、单位抗力系数：在工程上规定洞径为200cm时隧洞围岩的抗力系数定义为单位抗力系数;44、岩体力学研究方法：工程地质研究法,试验法,数学力学分析法,综合分析法45、岩块：不含显着结构面的岩石块体,是构成岩体的最小岩石单元体;46、岩块构造：岩石内矿物颗粒的大小、形状、排列方式及微结构面发育情况与粒间连结的方式等反映在岩块构成上的特征;47、粒间连结方式：结晶连结、胶结连结硅质胶结的强度>铁质、钙质>泥质；基底式胶结>孔隙式>接触式;48、岩块构造：矿物集合体间及其与其他组分之间的排列组合方式;49、剪胀效应爬坡效应：当法向应力较小时,在剪切过程中,上盘岩体主要是沿结构面产生滑动破坏;50、啃断效应：当法向应力达到一定值后,破坏沿结构面滑动转化为剪断凸起而破坏;51、法向刚度：在法向应力的作用下,结构面产生单位法向变形所需要的应力;填空：1、影响蠕变性质的因素：岩性、应力、温湿度;2、岩石的块体密度可采用规则试件的量积法 ,不规则试件的蜡封法测定;3、岩石的颗粒密度属于实测指标,常用比重瓶法进行测量;4、岩石的弹性变形特性常用弹性模量和泊松比两个常数来表示;当这两个常数为已知时,就可用三维应力条件下的广义胡克定律计算出给定应力状态下的变形;5、岩石的变形性质按卸荷后变形是否可以恢复可分为弹性变形和塑性变形两类;6、岩石的破坏是指岩石材料的应力超过了岩石的极限或者变形超过了岩石的使用限制;7、岩石的力学性质可分为变形性质和强度性质两类,变形性质主要通过本构关系来反映,强度性质主要通过强度理论来反映;8、岩石的流变主要包括蠕变、松弛和弹性后效;9、根据变形速率的不同特点,软弱岩石的典型流变曲线可以划分为瞬时蠕变阶段、初始蠕变阶段、等速蠕变阶段和加速蠕变阶段三个阶段;10、在岩石的流变试验中,可以根据作用在岩石试件上应力或荷载大小的不同,将岩石蠕变曲线分为稳定蠕变曲线和加速发展蠕变曲线两类;11、研究岩石变形的时间效应,一般而言采用两种方法寻找其蠕变规律,即经验方法和蠕变模型方法;12、对于初始蠕变和等速蠕变,目前的经验方程主要有三种,即幂函数、对数函数和指数函数;13、岩石流变的Maxwall模型是由弹性体和粘性体串联而成,其能反应岩石的弹—粘弹性特征;14、对于常见的岩石而言,当围压一定时,随着温度的升高,岩石的延性将增加 ,并且将会出现屈服现象,同时其强度降低 ;15、根据延性度的不同,岩石的破坏可分为脆性破坏、延性破坏和过渡性破坏;16、按照岩石在变形过程中所表现出来的应力—应变—时间关系的不同,可以将岩石的变形划分为弹性变形、塑性变形和粘性变形三种形式各异的基本变性作用;17、大量的实验和观察证明,就破坏形式而言,岩石的破坏主要有脆性破坏、延性破坏和弱面剪性破坏;18、在岩石室内压缩试验中,岩石峰值后的荷载—位移曲线,实质上是岩石的破坏过程曲线;19、目前,实验室抗拉强度的测定常采用劈裂法进行,当用长度为L,直径为D的圆形试件进行试验时,在压力P max作用下,岩石发生了破坏,则此岩石试件的抗拉强度为2P max/πLD；如采用边长为a的立方块,则其抗拉强度为Pt=2P max/πa2 ;20、岩石的室内剪切试验常用的仪器有直剪仪、变角板剪力仪和岩石三轴试验机 ;21、岩体是指经历过多次地质作用,经历过变形,遭受过破坏,形成了一定的岩石成分和结构,赋存于一定地地质环境中的地质体;因此,岩体力学性质与岩体中的结构面、结构体岩块以及赋存条件环境密切相关;22、在工程岩体范围内,结构面按贯通情况可分为贯通性、半贯通性以及非贯通性三种类型;23、岩体抵抗外力作用的能力称为岩体的力学性质;它包括岩体的稳定特征、变性特征和强度特征等;24、岩体结构面的剪切变形与岩石的强度、结构面的粗糙程度和法向应力有关;25、岩体结构面的几何特性是反映节理的外貌,它的组成要素包括：走向、倾向、连续性、粗糙度以及起伏度和组合关系;26、岩体的力学性质不仅取决于岩石本身及结构面的力学性质,也与结构面的空间组合密切相关;27、岩体的强度不仅与组成岩体的岩石的性质有关,而且与岩体内的软弱结构面有关,此外还与岩体所受的应力状态有关;28、岩体中存在各种结构面,结构面的变形大小主要由结构面和结构面填充物控制的;29、大量的岩体实验表明,岩体的压力——变形曲线可以化分为四种类型,即：直线型、上凹型和下凹型、复合型;30、岩体变形的结构效应是指岩体结构对其变形性质的影响与控制作用,包括结构面、结构体以及两者的组合关系三个方面,其结构面对岩体变形的作用效应尤为突出;31、粗糙起伏无充填的规则锯齿状结构面的剪切机制一方面是爬坡摩擦效应；另一方面是凸起体剪切;32、岩体基本质量应由受岩石的坚硬程度和岩石的完整性程度两个因素确定;33、国际工程岩体分级标准规定,对岩石坚硬程度和岩体完整程度应采用定性划分和定量指标两种方法确定;34、当人类还不能对原岩应力进行测量之前,认为原岩应力是由岩土自重引起的,因此把原岩应力单纯的看成自重应力;35、近期地质力学的观点认为,从全球范围来看,构造应力的总规律是以水平应力为主;根据地质构造运动的发展阶段,一般可把构造应力分为以下三种阶段原始构造应力,残余构造应力,现代构造应力;36、影响原岩应力分布的因素有地形,岩体结构面,岩体力学性质,剥蚀作用,37、重力作用和构造运动是引起地应力的主要原因,其中尤以水平方向的构造运动对地应力的形成影响最大;38、岩体天然应力测量方法主要包括：水压致裂法,扁千斤顶法和钻孔套心应力解除法;39、地质构造运动的结果,使构造应力的特点主要表现在具有强烈方向性,数值较大的水平应力,从而形成构造区域水平应力大于垂直应力的情况;、40、原岩应力主要由自重应力和构造应力组成;41、研究岩石应力状态的目的在于正确认识岩石的力学性能,阐述围岩的破坏机制,充分利用和发挥围岩的自承能力,是工程设计更加合理安全和经济;42、岩体变形的不均匀导致围岩局部破裂的原因是应力分布的不均匀性和强度不均匀性;43、岩石在三轴压缩时,随着侧向应力σ3和σ1—σ3的增加,岩石强度也随之增大：岩石发生破坏后,仍保留一定的承载能力;44、隧洞根据其内部的受力情况可分为有压洞室和无压洞室两大类;45、对于无衬砌有压洞室,洞内水压力P在围岩中所产生的径向和切向应力随隧洞半径r的增大而迅速降低,在6r处该应力基本可以忽略不计,在有些有压隧洞中常见到新形成的,平行于洞轴线的放射状张裂隙,这主要是由于内水压力使围岩产生的应力抵消了围岩的压应力,并超过了岩体的抗拉强度所致;46、围岩在不产生破坏的条件下,当岩石性质由硬岩,中硬岩,到软岩的变化过程中,对于同一种支护形式而言,围岩位移增长会越来越大,相应要求支护结构所承担的压力会越来越大,对于同一种岩石来说,随围岩的不断变化要求支护结构所承担的压力会越来越小;解答：1、在三轴试验中,围压对岩石的力学性质有什么影响1破坏前岩块的总应变随围压增大而增加2随围压增大,岩块的塑性也不断增大,且由脆性破坏逐渐转化为延性破坏3随围压的增大,岩块三轴极限强度明显增大4随围压增大,弹性模量和泊松比不同程度的提高5当围压达到一定值时,出现应变硬化现象2、结构面的成因类型与分类结构面的成因分为两类：地质成因和力学分类：1地质成因类型包括原生结构面沉积结构面、岩浆结构面、变质结构面构造结构面断层、节理、劈理和层间错动面次生结构面卸荷裂隙、风化裂隙、次生夹泄层、泥化夹层2力学成因类型有剪性结构面逆断层、平移断层、多数正断层张性结构面羽状张裂面、纵张及横张破裂面和岩浆岩中的冷凝节理3、结构面的分级：由结构面的伸长度、切割深度、破碎带宽度及其力学效应可分为5级：1级指大断层或区域性断层,延伸数公里至数十公里以上破碎宽约数米至几百米以上；2级指延伸长、宽度不大数百米至数千米,宽数十厘米至数米；3级长数十米至数百米的断层、区域性节理、延伸较好的层面及层间错动等,宽数厘米至一米左右；4级延伸较差的节理、层面等长一般10mm~30mm,宽数厘米；5级微结构面有隐节理、微层面等;规模小、连续性差、常包含在岩块内;4、结构面特征及其影响：产状结构面与最大主应力间的关系控制着岩体的破坏机制与强度、连续性对岩体的变形、变形破坏机理、强度及渗透性都有很大影响、密度控制着岩体的完整性和岩块的块度,密度越大,岩体完整性越差,块度越小,导致岩体力学性质变差,渗透性增强、张开度、形态对岩体的力学性质及水力学性质存在明显影响、充填胶结特征经胶结的结构面力学性质改善,未胶结的力学性质取决于充填物成分、厚度、含水性和壁岩性质等、结构面的组合关系控制着可能滑移岩体的几何边界条件、形态、规模、滑动方向及滑移破坏类型;5、岩块的力学属性：弹性、塑性、粘性、脆性、延性;1弹性：在一定应力范围内,物体受外力作用产生全部变形,而去除外力后能立即恢复其原有形状和尺寸大小的性质;2塑性：物体受力后产生变形,外力去除后不能完全恢复的性质;不能恢复的那部分变形称为塑性变形或永久变形或残余变形;3粘性：物体受力后,变形不能瞬时完成,且变形速率随应力增加而增加的性质;4脆性：物体受力后,变形很小时就发生破裂的性质;5延性：物体能承受较大塑性变形而不丧失其承载力的性质;6、单轴压缩应力-应变曲线：εv=εl+εd阶段：Ⅰ：孔隙裂隙压密阶段：原有张开性结构面或微裂隙逐渐闭合,岩石被压密,早期非线性变形,呈上凹形,斜率随应力增大而增大,微裂隙的闭合在开始较快随后逐渐下降;Ⅱ：弹性变形至为微破裂稳定发展阶段：近似直线,开始为直线,应力增加,变为曲线,出现弹性极限,之后为塑性变形,出现新裂隙和微破裂,随着应力发展而发展,达到屈服极限;Ⅲ：非稳定破裂发展阶段：破裂不断发展,薄弱部位首先破坏,应力重分布,次薄弱部位破坏,体积压缩转为扩容,达到峰值强度或单轴抗压强度;Ⅳ：破坏后阶段：裂隙快速发展,交叉且联合成宏观断裂面,岩块沿其滑移,试件承载力迅速下降但不为0;7、变形参数：变形模量弹性模量：单轴压缩条件下,轴向压应力与轴向压应变之比;E=σ/ε初始模量：曲线原点处的切线斜率,Ei=σi/εi切线模量：曲线上任一点处的切线斜率,Et=σ2-σ1/ ε1-ε2割线模量：曲线上某特定点原点连线的斜率,通常取σc/2处的点与原点连线的斜率,Es=σ50/ε50泊松比：单轴压缩条件下,横向应变与轴向应变之比,μ=-εd/εl8、结构面的强度性质分类：平直无充填的结构面、粗糙起伏无充填~、非贯通断续~、有充填的软弱结构面;9、岩体中天然应力的分布特征1重力应力场与构造应力场的分布特点①重力应力场：以垂直应力为主,垂直应力大于水平应力；应力为压应力；应力随深度增加而增加；②构造应力场：应力有压应力,也可有拉应力；以水平应力为主,水平应力大于垂直应力；分布很不均匀,通常以地壳浅部为主;2地壳浅部3km原岩应力的规律：原岩应力是非稳定的应力场,其大小和方向随空间和时间而变化；实测垂直应力基本上等于上覆岩体的重力；水平应力普遍大于垂直应力;10、各类结构围岩的变形破坏特点1整体状和块状岩体围岩：破坏形式主要有岩爆、脆性开裂及块体滑移等;2层状岩体围岩：破坏形式主要有：沿层面张裂、折断塌落、弯折内鼓等;3碎裂状岩体围岩：变形破坏形式常表现为塌方和滑动;4散体状岩体围岩：其变形破坏形式以拱形冒落为主;11、岩爆的产生条件1围岩应力条件;判断岩爆发生的应力条件有两种方法：一是用洞壁的最大环向应力σθ与围岩单轴抗压强度σc之比作为岩爆产生的应力条件；另一种是用天然应力中的最大主应力σ1与岩块单轴抗压强度σc之比进行判断;σθ≤σc时,洞壁不出现岩爆；σc＜σθ≤~σc时,洞壁围岩出现岩射和剥落；σθ＞σc时,洞壁出现岩爆和猛烈岩射;另外,根据我国已产生岩爆的地下洞室资料统计,得出当岩体中最大天然主应力σ1与σc达到σ1≥~σc时,将产生岩爆;2岩性条件;当弹性变形能系数ω＞70%时,会产生岩爆,ω越大发生岩爆的可能性越大;12、影响岩爆的因素1地质构造;岩爆大都发生在褶皱构造中,岩爆与断层、节理构造也有密切的关系;2洞室埋深;随着洞室埋深增加,岩爆次数增多,强度也增大;此外,地下开挖尺寸、开挖方法、爆破震动及天然地震等对围岩也有明显的影响;13、影响岩体边坡变形破坏的因素1岩性;这是决定岩体边坡稳定性的物质基础;一般来说,构成边坡的岩体越坚硬,又不存在产生块体滑移的几何边界条件时,边坡不易破坏,反之则容易破坏而稳定性差; 2岩体结构;岩体结构及结构面的发育特征是岩体边坡破坏的控制因素;首先,岩体结构控制边坡的破坏形式及其稳定程度,其次,结构面的发育程度及其组合关系往往是边坡块体滑移破坏的几何边界条件;3水的作用;水的渗入使岩土的质量增大,进而使滑动面的滑动力增大；其次,在水的作用下岩土被软化而抗剪强度降低；另外,地下水的渗入对岩体产生动水压力和静水压力,这些都对岩体边坡的稳定性产生不利影响;4风化作用;风化作用使岩体内裂隙增多、扩大,透水性增强,抗剪强度降低;5地形地貌;边坡的坡形、坡高及坡度直接影响边坡内的应力分布特征,进而影响边坡的变形破坏形式及边坡的稳定性;6地震;因地震波的传播而产生的地震惯性力直接作用于边坡岩体,加速边坡破坏;7天然应力;影响边坡拉应力及剪应力的分布范围与大小;在天然应力大的地区开挖边坡时,由于拉应力及剪应力的作用,常直接引起边坡变形破坏;8人为因素;边坡的不合理设计、爆破、开挖和加载,大量生产生活用水的渗入等都造成边坡变形破坏,甚至整体失稳;。
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一、绪论1、工程岩体力学研究的根本目的和任务。
根本目的：评价和研究岩体的稳定性。
任务：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的变形和稳定性。
2、工程力学的研究内容：（1）岩块、岩体的地质特征；（2）岩石的物理、水理及热学特性；（3）岩块的力学性质；（4）结构面的力学性质；（5）岩体的力学性质；（6）岩体的天然应力分布规律；（7）岩体工程问题：地基、边坡、洞室岩体；（8）岩体性质改善与加固。
3、岩体力学的研究方法：（1）工程地质方法：研究岩块、岩体的地质与结构特征，为岩体力学研究提供地质资料和地质模型。
分为：a、岩矿鉴定：了解岩石的岩性、矿物成分及结构构造及成因环境。
b、地层、构造：了解岩体的地质成因、空间分布及各种结构面的发育情况，分析岩体构造变形及应力状态。
c、赋水特性：了解岩体中水分的形成、赋存与运移规律。
（2）物理实验方法：提供岩体的物理力学参数；评价岩体的变形和稳定性；岩石力学的变形与强度的机制。
分为：室内岩石物理力学试验；原位岩体力学试验、监测；天然应力测量；工程岩体物理模型试验。
（3）数学力学分析方法：建立岩体力学模型，采用适当的分析方法预测岩体在不同力场作用下的变形与稳定性。
分为：a、力学模型：本构关系、强度准则刚体力学；弹性力学；弹塑性力学；断裂力学；损伤力学；流变力学等b、分析方法：块体极限平衡法；数值模拟法等系统论；信息论；人工智能专家系统；灰色系统等二、岩块和岩体的地质特征1、岩石：由具有一定结构构造的矿物集合体组成。
2、岩块：由地质作用形成的，具有一定的岩矿组合和较强的连接强度、不含显著结构面的岩石块体，是构成岩体的最小单元。
3、结构面：地质历史发展过程中，在地质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界面。
包括：物质分异面和不连续面。
软弱结构面：在结构面中，那些规模较大、强度低、易变形的结构面称为软弱结构面。
4、岩体：在地质历史过程中形成的、由岩石块体和结构面网络组成的、具有一定的岩石成分和结构，并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。
岩体中的天然应力概述
第一节概述一、定义（1）天然应力:人类工程活动之前存在于岩体中的应力。
又称地应力、初始应力等。
（2）重分布应力:由于工程活动改变了的岩体中的应力。
又称二次分布应力、附加应力等。
天然应力，没有工程活动开挖洞室后的应立场，为重分布应力，与天然应力有所改变在附近开挖第二个洞室，则视前一个洞室开挖后的应立场为天然应力，第二个洞室开挖后的应力场为重分布应力二、天然应力的组成天然应力一般由以下几部分组成：•由岩体自重引起的自重应力•由构造运动引起的构造应力•由流体作用引起的渗流应力•其它（如，地温引起的温差应力、地球化学作用引起的化学应力等）三、天然应力的研究历史与研究意义1、研究历史（1）世界上•1878年海姆提出天然应力；•l932年，在美国胡佛水坝下的隧道中，首次成功地测定了岩体中的天然应力；•到目前天然应力测点遍布全球，有几十万个测点。
大部分是浅部，最深5108米（美国密执安水压致裂法）。
（2）中国•20世纪50年代末开始天然应力量测，有几万个测点，最深的有3958米（天津大港）。
2、研究意义（1）区域稳定任何地区现代构造运动的性质和强度，均取决于该地区岩体的天然应力状态和岩体的力学性质。
从工程地质观点看，地震是各类现代构造运动引起的重要的地质灾害。
从岩体力学观点出发，地震是岩体中应力超过岩体强度而引起的断裂破坏的一种表现。
在一定的天然应力场基础上，常因修建大型水库改变了地区的天然应力场而引起水库诱发地震。
（2）地下洞室稳定对于地下洞室而言，岩体中天然应力是围岩变形和破坏的力源。
如果天然应力分布不均匀，可能在洞顶拉裂掉块，洞侧壁内鼓张裂和倒塌。
（3）边坡稳定天然应力状态与岩体稳定性关系极大，它不仅是决定岩体稳定性的重要因素，而且直接影响各类岩体工程的设计和施工。
越来越多的资料表明，在岩体高应力区，地表和地下工程施工期间所进行的岩体开挖，常常能在岩体中引起一系列与开挖卸荷回弹和应力释放相联系的变形和破坏现象，使工程岩体失稳。
岩体天然应力的分布特征
第二节岩体天然应力的分布特征一、中国天然应力的分区性中国板块处在四大板块环绕中，西南面受印度板块向NNE挤压（5mm/a），东面受太平洋板块向W俯冲（1cm/a），南面受菲律宾板块向N俯冲，北面受西伯利亚板块阻挡。
如下图：在它们碰撞挤压下，形成了中国大陆岩体中的天然应力，大致可以以东经100～105°为界分东西两区。
东西两区的天然应力特征差别很大。
例如：（1）天然应力强度：西强东弱（西高东低）（2）最大水平应力方向：西区以NNE-SSW为主，东区近E-W方向，如下图：二、铅直应力（σV）铅直应力主要由上覆岩体自重构成，因此可用下式估算：因此，σV随深度的增加而线性增加。
天然应力的实测结果也证实了这一点。
铅直应力与埋藏深度关系的实测结果见下图。
σV多为压应力，且σV多为最小主应力，少数为中间主应力与最大主应力。
三、水平应力（σh )1、岩体中天然应力常以水平应力为主，即σh > σV ，特别是 σhmax > σV ,据统计资料： σh /σV ≈0.8-3.0 ，说明岩体中水平天然应力主要受地区现代构造应力场的控制;2、水平应力具有强烈的各向异性，即σh 1≠ σh 2 ，我国华北σhmin / σhmax ≈0.2-0.8，华南σhmin /σhmax ≈0.3-0.75 。
原因a.岩体各向异性;b.构造运动的方向性;3、水平天然应力以压应力为主，仅在一些裂谷区、地堑区出现拉应力，且是以一向压，一向拉多见。
另外在地表卸荷带影响区，也可能出现水平应力为拉应力的现象。
四、天然应力比值系数λ与深度z 的关系1、定义：天然水平应力与铅直应力的比值为天然应力比值系数(λ)。
2、特点：天然应力比值系数随深度增加而减小。
见右下图。
五、主应力平面与水平面的关系据主应力平面与水平面的关系，天然应力状态划分为：1、水平应力场：两个应力轴近水平，或与水平面夹角很小，另一应力轴近铅直，三个应力轴与空间坐标一致，我国大陆范围内属这种应力场;2、非水平应力场：水平应力与水平面夹45°左右，另一轴与水平面夹0~45°左右，分布于板块边缘。
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p1(121 C/svicntg)sin
4、据实测数据统计 (0.31z0) 0hav(0.51z5)00
二）、天然应力的量测
天
水压致裂法
然 应
应力恢复法（扁千斤顶法）
力 套芯应力解除法 的
量
光弹法
测
方
声发射法
法
X射线法
1、水压致裂法
pc1 pc2 ps p0
t
水压力随时间的变化曲线
假设： 天然应力为水平应力场，其铅直应力 gz
剥蚀
0 h
z
'gz0gz g(z0z) gz
z0
h'0 gz g(0z0 z)
1
1
· h
现地面
'
z
· h'
g0(z
z)
1
z
o
h'
g0(z
z) 1
z
'
gz
0
0
1
z z
该式说明：剥蚀后，岩体中一
点 增大了，当△Z大到一定 的情况下，必有>1的情况出
现;
3.结构面
……
岩体中天然应力常以 水平应力为主，即h> v 水平应力具有强烈的 方向性和各向异性
水平天然应力以压应 力为主
四）、天然应 力比值系数与 深度z 的关系
❖定义：天然水平 应力与铅直应力 的比值为天然应 力比值系数 ， 它 随深度增加而 减小。
(0.31z0)0ha v(0.51z5)00
五）、应力轴与水平面的关系
天然应力分布
6 岩体中的天然应力
❖ 6.1 概 述 ❖ 6.2 岩体天然应力的分布特征 ❖ 6.3 岩体天然应力的确定
6.1 概 述
一）、定义
1.天然应力(地应力、初始应力等）人类工程活 动之前存在于岩体中的应力。
2.重分布应力（二次分布应力、附加应力等）由 于工程活动改变了的岩体中的应力。
++++++
钻孔假设在均质、各向同性、连续的线弹性岩体中
的一个小圆孔。作用应力为 hmax hm , ，in根据弹性
开挖洞室时，常产生岩爆、剥离； 收敛变形大，使开挖断面变小； 软弱夹层内的物质被挤出，节理
闭合； 饼状岩心； 水下开挖无水渗出。
七）、影响天然应力的因素
1.地形起伏 ❖ a.水平应力向负地形集中，向正地形释放 ❖ b.在斜坡附近，应力方向发生偏转
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
++++
+
h
+
+
2.地表剥蚀
原地面
g0 ,zh00g0z
据应力轴与水平面的关系，天然应力状态划分为：
❖水平应力场— 两个应力轴近水平，或与水平面 夹角很小，另一应力轴近铅直，他的三个应力轴 与空间坐标一致，我国大陆范围内属这种应力场;
❖非水平应力场—水平应力与水平面夹45°左右， 另一轴与水平面夹0~45 °左右，分布于板块边 缘。
六）、高天然应力的标志：
东：近E-W。
二）、铅直应力 （V）
❖ 上覆岩体自重
V 2.7gh
❖ V多为压应力 ❖ V多为最小主应力，少数
为中间主应力与最大主应 力
三）、 水平应力（ h）
❖ 岩体中天然应力常以水平应力为主，即h> v， 特别是 hmax> v ,据统计资料： h/v≈0.8-3.0 ， 说明岩体中水平天然应力主要受地区现代构造应 力场的控制;
++++++
++++++
天然应力
∧
→ ←
↓↑
重分布应力
∧
→ ←
↓↑
相对于第2洞 室的天然应力
二）、天然应力的组成及起源
1.组❖❖岩 构成体 造：自 运重 动→→自构重造应应力力V h1
gh
h2
V
1
❖流体作用→渗流应力 pwg(hz)
❖其它（地温、地球化学作用等）
2.起源（主要指构造运动的起源）：
❖ 水h2平，应我力国具华有北强烈hm的in/方h向ma性x≈和0.2各-0向.8异，性华，南即hmhin1/≠ hmax≈0.3-0.75 。原 因a.岩体各向异性;b.构造运 动的方向性;
❖ 水平天然应力以压应力为主，仅在一些裂谷区、 地堑区出现拉应力，且是以一向压，一向拉多见。 另外在地表卸荷带影响区，也可能出现水平应力 为拉应力的现象。
❖板块运动
❖地幔热对流 ❖地球自转速度变化
拉张区 挤压区
板块运动
•中国板块处在四大板块环 绕中，它们碰撞挤压，形 成了中国大陆岩体中的天 然应力。 •西南：印度板块向NNE挤 压（5mm/a） •东：太平洋板块向W俯冲 （1cm/a） •南：菲律宾板块向N俯冲 •北：西伯利亚板块的阻挡 •1迹线：N-NE-SSE
1
…
4.岩体性质
硬岩往往可积累较高的应力，而软岩则相反
5.地下水
产生渗流应力
6.地温
产生温度应力
6.3 岩体天然应力的确定
天然 应力 确定 方法
自重应力理论
天然应力测量 大地水准测量
地变形量测
三角网测量
GPS测量 地震震源机制解
一）、根据自重应力理论确定岩体中的天然应力
地质构造简单、地层平缓、当地侵蚀基准面
1、均质各向同性岩体
V h1
gz h2
1
V
z
A ·h
2、水平层状岩体
V
n i 1
i gzi
h1
h2
1
E|| E
V
1z1 2z2 3z3
i zi
…
A · h
3、垂直层状岩体
V
gz
h1
1
E E|
V
h2
1
V
z
…
·
A
h
如果除自重应力外，还有渗流应力、地温应力等 时，分别叠加即为天然应力。
三）、天然应力的研究历史与研究意义 1.研究历史
①世界上 :
❖ 1878年海姆提出天然应力
❖ 1932年，在美国胡佛水坝下的隧道中，首次成功地 测定了岩体中的天然应力
❖ 到目前天然应力测点遍布全球，有几十万个测点。 大部分是浅部，最深5108米（美国密执安水压致 法）。
②中国：
❖ 50年代末开始天然应力量测，有几万个测点，最深 的有3958米（天津大港）。
2.研究意义
❖ 1）区域稳定 ❖ 2）地下洞室稳定 ❖ 3）边坡稳定 ❖ 4）地基岩体稳定
6.2 岩体天然应力的分布特征
一 ） 、
分
区
性
（
以
中
国
为 以东经100～105o为界分东西两区。
例 ）
• 强度上：西强东弱（西高东低）
• 方向上：西： NNE-SSW为主，东：近E-W。
以东经100～105o为界分东西两区。 •强度上：西强东弱（西高东低） •方向上：西： NNE-SSW为主，
侧压力系数概念与确定
侧压力系数
h v
侧压力系数确定：
1、弹性体
m 1
式中：m为系数；对各向同性岩体：m=1 对各向异性岩体：m=EⅡ/E⊥ 或 m=E ⊥ /E Ⅱ
侧压力系数确定：
2、对散体结构岩体
a p
式中： atg2(4o5/2) ptg2(4o5/2)
3、对粘塑性岩体
a p
式中：
a1(121 C/ svicntg)sin