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第5章岩体天然应力及其测量

第5章岩体天然应力及其测量学习指导：本章主要介绍了岩石的初始应力概念，包括自重应力和构造应力，介绍了初始应力的量测方法及原理，包括应力解除法和应力恢复法。

重点：1 岩体的初始应力概念；

2岩体初始应力的测量方法。

5.1 概述

地壳在漫长的地质年代里始终处于不断运动与变化之中，例如，由于地壳的构造运动常使岩层产生褶皱、断裂和错动，这些现象的出现都是岩层或岩体受力的结果。引起岩体产生应力的原因很多，有构造运动所产生的构造应力，由上覆岩体的重量所引的自重应力、气温变化所引起的温度应力、地震力以及由于结晶作用、变质作用、沉积作用、固结作用、脱水作用所引起的应力，其次还有由于地下开挖在洞室围岩中所引起的应力重分布和高坝等建筑物在岩基中所引起的附加应力等。岩体中的应力有的是由于人类活动而引起的，有的则在工程建筑之前早就产生了。凡是在工程施工开始前就已存在于岩体中的应力，称为初始应力或天然应力或地应力(构造应力和自重应力都是初始应力)。初始应力的大小主要取决于上覆岩层的重量、构造作用的类型、强度和持续时期的长短等。

岩体中的初始应力分布是极其复杂的，特别是岩体遭受地质构造运动之后应力状态更为复杂，分布规律千变万化。目前，对于岩体中初始应力的大小及其分布规律的研究，还缺乏完整的系统的理论。当岩体的形状比较规律、表面平整、产状平缓，岩体本身又没有经受构造作用与呈现显著的不均匀性时，此时可认为岩体中的垂直应力与上覆岩体的重量成正比，水平应力可按垂直应力乘以侧压力系数而计算，

一般它约为垂直应力的30%。但自然界中的岩体很少具备上述那些典型条件。近几年来很多学者对于初始应力的现场量测和理论研究都作了大量工作，并取得了一定的进展。但是，要达到能够确切掌握岩体中初始应力的大小及其分布规律，目前还有相当大的困难。

5.2 岩体的初始应力

5.2.1自重应力

根据大量应力的实测资料已经证实，对于没有经受构造作用、产状较为平缓的岩层，其中的应力状态十分接近于由弹性理论所确定的应力值。对于表面为水平的半无限体，在深度为z 处的垂直应力z σ可按下式计算：

z z γσ= (5-1)

式中 γ 岩石的块体密度。

在半无限体中的任一微分单元体上的正应力x σ、y σ、z σ是主应力；而且水平方向的两个应力与应变彼此相等，亦即：

y x σσ=

y x εε=

如果考虑到半无限体中的任一单元体都不可能产生侧向变形，亦即

0==y x εε 由此可得：

()0=+-

z y

E σσ

式中 E 、μ 岩石的弹性模量与泊松比。

因为Y X σσ=，所以上式可以写成：

z y x σμ

μσσ-=

如令μ

μ-=10K ，则有：

z y x K σσσ0== (5-2)

μ-=

10K (5-3) 式中 0K 称为岩石静止侧压力系数。

一般在试验室条件下所测定的泊松比μ=0.2～0.3，此时测压力系数为μ

μ-=10K =0.25～0.4。

但是，根据大量隧洞、矿井以及其它地下巷道工程的经验，在很多地区的坚硬岩体中都发现水平应力大于垂直应力的现象，亦即这些地区的水平应力不符合公式(5-2)所确定的值。

由公式(5-2)可以看出，当侧压力系数

K=1时，就出现侧向水平

应力与垂直应力相等的所谓静水压力情况。这就是1878年著名瑞士地质学家海姆(Heim)所指出的情况。他根据在开挖横贯阿尔卑斯山的大型隧洞的观察中，发现隧洞的各个方向上都承受着很高的压力。于是他提出了著名的海姆假说：在岩体深处的初始垂直应力与其上覆岩体的重量成正比，而水平应力大致与垂直应力相等。

5.2.2构造应力概说

在漫长的地质年代里，由于地壳的构造运动，不仅在岩层或岩体中引起构造应力，同时也在岩层和岩体中引起相应的变形，这种变形表现为各种岩层和岩体以不同产状、形状和一定的几何形态有规律地分布于地壳中。上述岩层和岩体中的变形形成地质学中所称的地质构造。在野外所观察到的各式各样的地质构造，都是岩体在构造应力的长期作用下所产生的残余变形的结果。当然，对于这些地质构造的岩体变形过程和构造应力的作用方式我们是无法见到的。因此，这就使我们在确定岩体应力分布规律构造应力场时产生巨大困难。

对于现时还在活动的构造应力场的研究，主要的手段之一就是进行构造应力的实测。对于过去所形成的古构造应力场的研究，最重要的手段就是在野外对于古时地壳运动所遗留下来各种踪迹进行实地调查研究，并确定各种构造型式的存在和它们的构造特征。然后再采用各种相应的方法进行模拟实验，同时配合有关应力场的理论分析进行研究。

5.2.3初始应力的分布特点

由于受到地质构造、岩性、地形、地貌等因素的影响，位于地壳浅部的地应力分布规律较为复杂，根据部分工程实测资料的分析，可概括如下：

1)一般情况下岩体中的初始应力场多数是三向不相等的空间应力场，最大水平主应力大于垂直应力，最小水平主应力的数值则变化较大。如三峡工程中的石英闪长岩，当上覆岩体厚度为120米时，实测垂直应力为3.2MPa，然而最大水平主应力几乎是它的4倍左右，最小水平主应力只是它的1/8。据实测表明，按自重计算的垂直应力常小于实测的水平应力，两者比值随空间位置而异；

2)初始应力的大小、方向与地质构造有着密切关系。很明显，位于活动断层的拐弯或交叉处的断裂构造则产生较大的应力集中，其它部位的断裂构造反而引起应力释放，促使岩体应力的重新分布。例如苏联戈尔诺绍里亚地区的矿井距断层5~10米范围内，应力比其它部位高2~3倍；又如葡萄牙的毕可托(Picote)地下电站，由于下游部位出现断层引起了应力释放，其最大主应力为7.8MPa，只是上游最大主应力的1/4左右。坚硬完整的岩体内，可积聚大量应变能形成较高的初始应力；反之，软弱破碎岩体中由于积聚的应变能不大，因而初始应力较低。由此可知，在地质构造大体相同的条件下，可认为初始应力的量级与岩体的力学性质直接有关；

3)岩体上覆岩层的重量是形成岩体初始应力的基本因素之一。一般认为，岩体垂直初始应力基本上与上覆岩体的重量H

γ相等。但就国

p与上覆岩体重量Hγ的比值的变化内某些实测资料来看，垂直应力

范围是在0.43～19.8之间。值得指出的是，比值2.1

γ的情况占

实测数据中的65.4%。这表明在多数情况下垂直初始应力是大于上覆岩体重量的。一般认为，产生这种现象的原因是由于某种力场作用的结果。而这种力场(如构造力场等)不一定是上覆岩层自重所引起的；

4)地形地貌对初始应力有一定的影响，因为地形被切割后必然引起新的重分布应力，这就使得河谷两岸岩壁的最大主应力方向往往与山坡方向一致，而最小主应力方向则是谷坡的法线方向。例如锦屏工程大理岩的初始应力分布情况就有这种趋势。此外，在深切河床的底部，岩体往往产生初始应力的局部集中，因此在这种岩体中进行钻探时，由于应变能急剧释放的原因，常使岩心破裂成饼状现象。在二滩工程坝址区的112个钻孔中，就有58个孔内出现饼状现象(饼厚2cm 左右)；在河床部位的48个钻孔中，出现饼状岩心的有40个孔，占84%。这些现象说明脆性、高强度的岩体中聚集着较大的初始应力(实测初始应力为19~25MPa)，因此钻孔时就会出现上述现象。

5.3 岩体初始应力的量测方法

由于初始应力不易计算，最好的办法是现场量测。此外，即使在工程建成后的使用阶段，为了监视岩体中应力的变化和活动情况以及对理论计算进行校核，也需对岩体应力进行量测。在工程设计时岩体中初始应力的大小及其分布状态，是不可缺少的重要资料之一。下面

介绍工程上常用的应力解除法和应力恢复法。 5.3.1应力解除法

应力解除法既可量测洞室周围较浅部分的岩体应力，又可量测岩体深部的应力。

1）应力解除法的基本原理

以如图5-1(a )所示的测定洞室边墙岩体深部的应力为例，说明应力解除法的基本原理（以孔底法为例）。为了测定距边墙表面深度为Z 处的应力，这时利用钻头自边墙钻一深度为Z 的钻孔，然后再用嵌有细粒金刚石的钻头将孔底磨平、磨光。为了简化问题，现假定钻孔方向与该处岩体的某一主应力方向重合(如与第三主应力重合)，这时钻孔底面即应力的主平面，因此确定钻孔底部的主应力也就十分方便(如果钻孔轴线与主应力方向并不一致，这时则按后面所述方法确定主应

应力解除后，在应变仪上可读出三个读数。它们分别与掏槽前所读的三个初读数相应之差，就表示图5-1(d )中岩芯分别沿1、2、3三个不同方向的应变值，现在分别以1ε、2ε和3ε表示。

根据材料力学的原理，这时可由下列公式计算大、小主应变：

()()()()213232221321min max 3

31εεεεεεεεεεε-+-+-±++=??? (5-4)

最大主应变与1ε之间的夹角α下式确定(图5-1d ):

()3

2132232εεεεεα---=

tg (5-5)

求得主应变m a x ε、m in ε之后，可按下式计算相应于这两个方向的主应力

max σ和min σ：

()()???

????

+-=+-=max min 2min min max 2max 11μεεμσμεεμσE E (5-6)

在一般情况下，量测浅处岩体应力时，可按平面应力问题计算主

应力，亦即可按公式(5-6)计算；如果量测深处岩体应力则按平面变形问题计算主应力，此时公式(5-6)中的E 和μ分别以2

1μ-E 和μμ-1代替。

2)岩体的空间应力量测

岩体中任一点的应力状态应由六个应力分量x σ、y σ、z σ、xy τ、yz τ以及zx τ表示。为了便于计算，这里以压应变力为正，如图5-2(a )所示。由上述第一部分的可知，每一钻孔仅能提供两个正应变与一个剪应变的值，因此确定岩体中的六个应力分量时，一般情况下需通过三个钻孔的量测资料才能确定。下面介绍两种按应力解除法原理来确定岩体三向应力状态的方法。

（1）采用共面三孔交汇法确定三维应力在钻孔的应力量测中，有各种不同方法。有的通过孔底处岩体的应变来测定孔底平面中的三个应力分量；有的则通过钻孔中孔径的变化来测定与孔轴正交平面中的三个应力分量。前者称为孔底应变法，后者称为孔径变形法。但是，这些方法只能确定与孔轴正交平面中的平面应力状态。为了确定岩体的空间应力状态，不论是采用孔底应变法，还是孔径变形法都必须首先利用这些方法在岩体中测定三个钻孔中的平面应力分量，然后根据这些实测数据确定岩体的空间应力。这里介绍的共面三孔交汇法就讨论如何确定岩体空间应力的问题。

其余两钻孔与Z 轴的交角分别为2δ与3δ。各钻孔底面的平面应力状态如图5-2(c )所示；各钻孔底面中的坐标分别以i x ，i y 表示(i =1，2，3)，其中i y 与Y 轴平行。由弹性理论可知，图5-2(c )中坐标系为i x ，i y 的平面应力分量i

x σ，i

y σ，i

i y x τ与六个待求的空间应力分量之间具有以下

关系：

()()()??

???

++++++++=+++++=+++++=x y y x yz x y y x xy x y y x zx y x z y x y y x x y x y y zx y y yz y y xy y z y y y x y x x zx x x yz x x xy x z x y x x x n m n m m l m l l n l n n n m m l l l n n m m l n m l l n n m m l n m l i i i i

τττσσσττττσσσστττσσσσ2222222

222

22 (5-7)

式中x l ，x m ，x n 以及y l ，y m 和y n 分别表示i x 与i y 轴对于X ，Y ，Z 轴的方

向余弦。

表5-1第(3)栏列出各钻孔i 中相应坐标系i x ，i y 对于轴X ，Y ，Z 的方向余弦的具体数值，该表第(4)栏根据公式(5-7)列出相应的平面应力分时i

x σ，i

y σ以及i

i y x τ的表达式。由于各钻孔中的这些平面应力分量

可按本第一部分所述方法(或其它方法)进行测定，因此利用表5-1中所列的有关公式即可确定待求的六个空间应力分量。

表5-1 确定待求的六个空间应力分量

值得指出的是，这里是对共面三钻孔①，②，③进行讨论的。如果这些钻孔互相正交，在此情况下这里所介绍的方法也同样完全适用。（2）孔壁应变测试法孔壁应变测试法的优点是只需在一个钻孔中通过对洞壁应变的量测，即可完全确定岩体的六个空间应力分量，因此量测工作十分简便。

(a)孔壁应变测试法的原理：

假定在弹性岩体中钻一半径为0γ的圆形钻孔，如图5-3(a )所示。

钻孔前岩体中的应力分量是：0x σ、0y σ、0z σ以及0xy τ、0yz τ、0zx τ。钻孔

后由于钻孔附近的应力发生变化，钻孔附近的应力不再保持岩体中原有的均匀应力场。为了方便起见，我们采用圆柱坐标系r —θ—z 来表示钻孔孔壁各点的应力分量，如图5-3(b )所示。孔壁上坐标为0γ、θ、z 的任意一点，其应力分量是：z σ、θσ、z θτ，孔壁上的这些应力可以

通过钻孔前岩体中的六个应力分量0x σ、0y σ……z θτ表示如下：

()[]

0002cos 2z y x z σθσσμσ+--=

()()θτθσσσσσθ2sin 42cos 20

0000xy y x y x ---+= (5-8)

θτθττθs in 2c o s 20

0zx yz z -=

上式左边的三个应力z σ、θσ以及z θτ可在孔壁上直接测出。因此，是

已知的。上式右侧的6个应力分量0x σ、0y σ……，正是所要求的未知应

力。要确定这六个应力分量必须建立六个关系式。自公式(5-8)可以看出，每测定孔壁上一个点的应力，只能获得类似于(5-8)式的三个关系式。因此，在孔壁上任选三个测点进行应力测量，这样就可建立九个关系式，然后再在其中挑选六个关系式，由此即可确定所求的六个未

知应力0x σ，0y σ……z θτ。

上述三测点位置是任选的，为方便计这三个测点可选在同一圆周上，它们的角度分别是πθ=1，22πθ=，473πθ=，如图5-3(c )所示。其

中第i 测点的应力分量以()i z σ、()t θσ、()i z θτ表示，该测点的相应角度为i θ(i =1、2、3)，利用公式(5-8)对上述三测点可写出以下九个关系式：

第一测点(πθ=1)：

()()()()??

?-=+-=+--=010

0100

01232yz

z y x z y

x z ττσσσσσσμσθθ (5-9) 第二测点(2

2πθ=)：

()()()()??

?-=-=+-=020

0200

02232zx

z y x z y

x z ττσσσσσσμσθθ (5-10) 第三测点(4

73πθ=)

()()()()()??

???+=++=+=0

0300030

3244zx

yz z xy y x z xy z ττττσσσσμτσθθ (5-11) 以上各式左侧的应力分量都是由应力量测来确定的。因此，下面介绍各测点的应力量测原理和方法。现在就以其中第i 测点为例进行说明。为了测定第i 测点的三个应力分量，我们必须在第i 测点上布置三个应变元件(譬如是量测应变的应变计)分别以i A 、i B 、i C 表示，如图5-3(d )所示。这些应变计的具体方位是：i A 和i B 应分别与第i 测点的z 和θ方向平行，而且i A 与i B 之间夹角为2

π；元件i C 应放置在i A 和

i B 之间的角平分线上，如图5-3(c )和5-3(d )所示。沿i A ,i B 以及i C 三方

向所测的应变值分别以Ai ε、Bi ε、Ci ε表示，根据这三个应变值(这些应变以拉为正，以压为负)可直接由下式计算出测点i 的三个应力分量：

()()()()????

??????++-=??????+-+-+=??????+-+-+=

μεεετμεεμε

εσμεεμεεσθθθ122112112Bi Ai i

i z Bi Ai Bi Ai i Bi Ai Bi Ai i z E E E (5-12) 通过应力量测按照公式(5-12)可确定孔壁上所选定的三个测点的九个应力分量。因此，公式(5-9)～(5-11)中所有左侧的应力分量都已知的。现在我们利用公式(5-9)中的三个关系式，公式(5-10)中的第(2)、第(3)式，公式(5-11)中的第2式，直接解出所求的六个应力分量如下：

()()[]()()[]()()()[]()()()[]()

()?

?????

???

?????-=-=-+-=-+=+=+=

3210

1210210

120212

1281238

1381

z zx z yx xy z z y x θθθθθθθθθθθττττσσστσσμσσσσσσσσ (5-13) (b)孔壁应变测试法的具体应用：

采用孔壁应变测试法测定岩体的三向应力时，需用到套取岩心的应力解除法。具体方法是用钻机钻孔，钻到需测定应力的深度为止，如图5-4(a )所示。钻孔底面应用金刚石钻头磨平，然后再用较小的钻头自钻孔底面沿孔轴方向钻一深度约为45cm 的小钻孔，如图5-4(b )所示。这时就在小钻孔的中部孔壁上选定三个测点，并在每一测点上按前述规定方向安置三个应变元件，如图5-4(c )所示。此时读出各测点应变计的初始读数，并将应变计的量测导线引出孔外，然后封住小钻孔的孔口，以防止随后进行套取岩芯时的冷却水流入小钻孔而损坏孔内的应变元件。最后再选用适当大小的钻头在小钻孔外围进行套钻并取出岩芯，如图5-3(d )与5-3(e )所示。此时再读出完全解除了应力之后的岩芯中各应变元件读数，然后就套取岩芯前后应变元件读数之

5.3.2应力恢复法

利用应力恢复法量测岩体表面应力时，应在岩体表面沿不同方向安置三个应变计，以便能够测出岩体沿这三个不同方向的伸缩变形。先读出应变计的初始读数。然后，沿着与所测应力相垂直的方向开挖一狭长槽，如图5-5所示。

挖槽后，槽壁上的岩体应力即被解除，此时岩体表面上的三个应变计的读数显然与挖槽之前不同。其次将扁千斤顶装于槽中，并逐渐

中

第二章地壳岩体的天然应力状态

第二章地壳岩体的天然应力状态 1．岩体应力地壳岩体内的天然应力，主要是在重力场和构造应力场的综合作用下，有时也在岩体的物理、化学及岩浆侵入等的作用下形成的应力状态。按成因，地壳岩体应力包括如下成分： ①自重应力(gravitational stress)：在重力场作用下生成的应力；垂直应力σ v =γh 水平应力σ h =(μ/1-μ)γh ②构造应力(tectonic stress)：地壳运动在岩体内形成的应力；活动的(active tectonic stress)：地壳内现代正在积累的、能够导致岩体变形破裂的应力，即狭义的地应力；剩余的(residual tectonic stress)：古构造运动的残留应力； ③变异应力(altered stress)：岩体的物理状态、化学性质或赋存条件的变化所引起的应力，通常只具有局部意义；岩浆侵入-内部静水式应力；挤压围岩；岩浆喷出-冷凝收缩、水平应力显著降低；深部蠕变-σ h =σ v (d) 残余应力(residual stress)：岩体卸荷时，岩体中某些组分的膨胀回弹趋势部分地受到其它组分的约束，于是岩体结构内形成残余的拉、压应力自相平衡的应力系统。 2．地壳岩体的天然应力状态（1）主要观点： ①“静水应力” σh =σv =γh ②垂直应力为主的观点 σv =γh σh=(μ/1-μ)γh ③水平应力为主的观点地壳运动以水平运动为主，应力场以水平应力为主导。 a. σ h >σ v ,水平应力随深度线性增加。 b.水平应力具有明显的方向性，σ h1 >σ h2 = 0.3～0.75 （2）地壳岩体应力状态的三种基本情况：

岩石力学

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、；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；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；结晶连接指矿物颗粒通过结晶相互嵌合在一起；4.何谓岩石中的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-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？

岩体力学名词解释

1.岩体力学：是力学的分支学科，是研究岩体在各种立场作用下变形与破坏规律的理论及其实际应用的学科，是一门应用性学科 2.天然应力：人类工程活动之前存在于岩体中的应力。 3.研究方法：工程地质研究法，实验法，数学力学分析法，综合分析法 4.岩石质量指标(RQD)值：大于10cm的岩芯累计长度与钻孔进尺长度之比的百分数。 5.岩体：在地质历史过程中形成的，有岩石单元体和结构面网络组成，具有一定的结构并赋存一定的天然应力状态和地下水等地质环境中的地质体 6.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 7.结构面：地质历史发展过程中，在岩体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或带 8.造岩矿物：含氧岩，氧化物，氢氧化物，卤化物，硫化物，自然元素 9.粒间连接分类：结晶连接，胶结连接 10.风化程度指标：定性指标主要有颜色，矿物腐化程度。定量指标主要有风化孔隙率指标和波速指标 11.结构面成因分类：1地质成因类型原生结构面（沉积结构面，岩浆结构面，变质结构面）2力学成因：性结构面，剪性结构面12.机构面的影响因素：产状，连续性，密度，开度，形态，填充

胶结特征（贴硅胶结的强度最高），结构面的组合关系 13.岩石软化性：是指岩石浸水饱和后强度降低的性质。 14.岩体成因分类：岩浆岩体，沉积岩体（他生沉积岩，自生沉积岩），变质岩体 15.岩体工程分类：岩体质量分级，洞室围岩分类，岩体地质力学分类（RMR分类），巴顿岩石质量分类（Q分类） 16.岩石的物理性质：岩石的密度（颗粒密度，岩块密度），岩石的空隙性 17.岩石的水理性质：岩石的吸水性，岩石的软化性，岩石的抗冻性，岩石的透水性 18.岩石的吸水率：是指岩石在常温压下自由吸入水的质量与岩样干密度之比。岩石的饱和吸水率是指岩试件在高压或者真空的条件下吸收水的质量与岩式样干质量之比。饱水系数：岩石的吸水率与饱和吸水率之比 19.饱和吸水率：岩石试件在高压或真空条件下吸入水的质量与岩样干质量之比 20.质量损失率：是指冻容前后干质量之差与实验前干质量之比——百分数表示 21.剪切强度：在剪切荷载作用下，岩块抵抗剪切破坏的最大剪应力。 22.剪切（法向）刚度：是反应结构面剪切（法向）变形性质的重要参数

《岩石力学》期末试卷及答案印 (1)

《岩石力学》期末试卷及答案姓名学号成绩一、选择题(每题1分，共20分) 1. 已知岩样的容重为γ，天然含水量为0w ，比重为s G ，40C 时水的容重为w γ，则该岩样的饱和容重m γ为（ A ） A. ()()w s s G w G γγ++-011 B. ()()w s s G w G γγ+++011 C. ()()γγ++-s s w G w G 011 D. ()()w s s G w G γγ+--011 2. 岩石中细微裂隙的发生和发展结果引起岩石的（ A ） A ．脆性破坏 B. 塑性破坏 C. 弱面剪切破坏 D. 拉伸破坏 3. 同一种岩石其单轴抗压强度为c R ，单轴抗拉强度t R ，抗剪强度f τ之间一般关系为（ C ） A.f c t R R τ<< B. f t c R R τ<< C. c f t R R <<τ D. t f c R R <<τ 4. 岩石的蠕变是指（ D ） A. 应力不变时，应变也不变； B. 应力变化时，应变不变化； C. 应力变化时，应变呈线性随之变化； D. 应力不变时应变随时间而增长 5. 模量比是指（A ） A ．岩石的单轴抗压强度和它的弹性模量之比 B. 岩石的弹性模量和它的单轴抗压强度之比 C ．岩体的单轴抗压强度和它的弹性模量之比 D ．岩体的弹性模量和它的单轴抗压强度之比 6. 对于均质岩体而言，下面岩体的那种应力状态是稳定状态（ A ） A.??σσσσsin 23131<++-cctg B.?? σσσσsin 23131>++-cctg C. ??σσσσsin 23131=++-cctg D.??σσσσsin 23131≤++-cctg 7. 用RMR 法对岩体进行分类时，需要首先确定RMR 的初始值，依据是（ D ） A ．完整岩石的声波速度、RQD 值、节理间距、节理状态与地下水状况 B. 完整岩石的强度、RQD 值、节理间距、节理状态与不支护自稳时间 C. 完整岩石的弹性模量、RQD 值、节理间距、节理状态与地下水状况 D. 完整岩石的强度、RQD 值、节理间距、节理状态与地下水状况 8. 下面关于岩石变形特性描述正确的是（ B ） A. 弹性就是加载与卸载曲线完全重合，且近似为直线 B. 在单轴实验中表现为脆性的岩石试样在三轴实验中塑性增强 C. 加载速率对应力－应变曲线没有影响 D. 岩基的不均匀沉降是由于组成岩基的不同岩石材料含水量不同导致的 9. 下面关于岩石水理性质描述正确的是（ B ）

岩体力学模拟试卷

一、名词解释（每词2分，共20分） 1、结构面 2、蠕变 3、饱和吸水率 4、强度判据 5、围岩 6、剪切刚度 7、天然应力 8、RQD值 9、围岩抗力系数 10、岩石软化性二、填空（每空1分，共30分） 1、结构面发育的密集程度通常用（）和（）表示，结构面形态通常考虑结构面侧壁的（）和（）两个方面。 2、表征岩石抗剪强度的基本指标是（）和（）。 3、垂直层面加压时，岩体的抗压强度比平行层面加压时（），而变形模量则比平行层面加压时（）。 4、有一对共轭剪节理，其中一组走向为N300E，另一组走向为N300W，问形成该剪节理的最大主应力 σ1的方向为（）；假定岩石强度服从莫尔直线型强度理论，则该岩体的内摩擦角Φ为（）。 5、测定岩石抗拉强度的方法有（）和（）。 6、RMR分类依据的分类指标为（）、（）、（）、（）和（）。 7、从力学的观点出发，岩石的脆性破坏有（）和（）两种。 8、天然应力为静水压力状态时，洞壁上一点的剪应力为（），径向应力为（），重分布应力中的（）为最大主应力，（）为最小主应力。 9、岩体天然应力的测量方法主要有（）、（）和（）。 10、按边坡岩体中滑动面形态、数目及组合关系，把边坡岩体破坏类型划分为（）、（）、（）和（）四种。三、问答（共30分） 1、试述地下洞室弹性围岩重分布应力的基本特点。（10分） 2、试述粗糙起伏无充填结构面的剪切强度特征（要求图加简要文字说明）。（10分） 3、试述岩体中水平天然应力的基本特点。（10分）

四、计算（共30分） 1、某岩块的剪切强度参数为：C=50MPa，Φ=600，设岩石强度服从莫尔直线型强度理论。如用该岩石试件做三轴试验,当围压σ3和轴压σ1分别加到50MPa和700MPa后，保持轴压不变，逐渐卸除围压σ3，问围压卸到多少时，岩石试件破坏？（15分） 2、在某岩体中开挖一直径为6m的水平圆形洞室，埋深为400m，已知洞室围岩的剪切强度参数为：C=9MPa，Φ=400，岩体的平均密度ρ=2.7g/cm3，设岩体天然应力比值系数λ=1，试评价该洞室开挖后的稳定性。一、名词解释（每词2分，共20分） 1、岩体 2、单轴抗压强度 3、吸水率 4、强度判据 5、围岩 6、剪切刚度 7、重分布应力 8、RQD值 9、围岩抗力系数 10、变形模量二、填空（每空1分，共30分） 1．按边坡岩体中滑动面形态、数目及组合关系，把边坡岩体破坏类型划分为（）、（）、（）和（）四种。 2．结构面发育的密集程度通常用（）和（）表示，结构面的形态通常考虑结构面侧壁的（）和（）两个方面。 3．表征岩石变形性质的基本指标是（）和（）。 4．垂直层面加压时，岩体的抗压强度比平行层面加压时（），而变形模量则比平行层面加压时（）。

岩石力学复习资料(终审稿)

岩石力学复习资料文稿归稿存档编号：[KKUY-KKIO69-OTM243-OLUI129-G00I-FDQS58-

1.岩石在反复冻融后其强度降低的主要原因是什么? ①构成岩石的各种矿物的膨胀系数不同，当温度变化时由于矿物的涨缩不均而导致岩石结构的破坏②当温度减低到0℃以下时岩石孔隙中的水将结冰，其体积增大约9%，会产生很大的膨胀压力，使岩石的结构发生改变，直至破坏 2. 岩石试件在单轴压力作用下常见的破坏形式有哪些？ ①单轴压力作用下时间的劈裂②单斜面剪切破坏③多个共轭斜面剪切破坏 3.影响单轴抗压强度的因素有哪些？端部效应，试件的形状和尺寸，加载速率 4. 巴西劈裂试验测得的是岩石的哪个强度指标为什么岩石抗拉强度。根据弹性力学公式，沿竖直直径长沙几乎均匀的水平方向拉力，在试样的水平方向直径平面内，产生最大的压应力。可以看出，圆柱体试样的压应力只有拉应力的3倍，但岩石的抗压强度往往是抗拉强度的10倍，这表明岩石试样在这样条件下总是受拉破坏而不是受压破坏。因此我们可以用劈裂法来确定岩石的抗拉强度。 5. 库伦准则的适用条件。 ①库伦准则是建立在试验基础上的破坏数据②库伦准则和莫尔准则都是以剪切破坏做为其物理机理，但岩石试验证明岩石破坏存在大量的微破裂，这些微破裂是张拉破坏而不是剪切破坏③莫尔库伦准则适用于低围压的情况 6. 岩石单轴压缩状态下的应力-应变曲线一般可分为那四个阶段？ ①在OA区段内，曲线稍微向上弯曲，属于压密阶段，这期间岩石中初始的微裂隙受压闭合②在AB区段内，接近直线，近似于线弹性工作阶段③BC区段

内，曲线向下弯曲，属于非弹性阶段，主要是再平行于荷载方向开始逐渐生成新的微裂隙以及裂隙的不稳定④下降段CD为破坏阶段，C点的纵坐标就是单轴抗压强度Rｃ 7. 岩石全程应力-应变曲线的作用是什么？岩爆的预测，蠕变的预测，疲劳破坏 8. 蠕变分为哪几个阶段？初始蠕变段，等速蠕变段，加速蠕变段 9. 为何岩石的蠕变曲线很难测得？ 10. 在一定法向应力作用下，结构面在剪切作用下产生的切向变形形式有哪两种？ ①对非充填粗糙结构面，随剪切变形的发生，剪切应力相对上升较快，当达到剪应力峰值后，结构面抗剪能力出现较大的下降，并产生不规则的峰后变形或滞滑现象 ②对于平坦的结构面，初始阶段的剪切变形曲线呈下凹型，随剪切变形的持续发展，剪切应力逐渐升高但没有明显的峰值出现，最终达到恒定值。 11. 影响结构面力学性质的因素。 ①尺寸效应②前期变形历史③后期填充性质 12. 影响结构面剪切强度的因素。 ①法向应力②粗糙度③结构面抗压强度 13. 岩体强度的决定因素。节理，裂隙，岩块和结构面强度 14. 结构面方位对岩体强度的影响。P65 在某些应力条件下，破坏不沿结构面发生，只有当结构面的倾角A满足内摩擦角

岩体力学中国地质大学贾洪彪第七章岩体中的天然应力

第七章岩体中的天然应力第一节概述岩体中的应力是岩体稳定性与工程运营必须考虑的重要因素。人类工程活动之前存在于岩体中的应力，称为天然应力或地应力(stress in the earth’s crust)。人类在岩体表面或岩体中进行工程活动的结果，必将引起一定范围内岩体中天然应力的改变。岩体中这种由于工程活动改变后的应力，称为重分布应力。相对于重分布应力而言，岩体中的天然应力亦可称为初始应力(initiaLstress)。 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应力。半个多世纪来，在世界各地进行了数以十万计的岩体应力量测工作，从而使人们对岩体中天然应力状态有了新的认识。1951年，瑞典的哈斯特(Hast)成功地用电感法测量岩体天然应力，并于1958年在斯堪的纳维亚半岛进行了系统的应力量测。首次证实了岩体中构造应力的存在，并提出岩体中天然应力以压应力为主，埋深小于200m的地壳浅部岩体中，水平应力大于铅直应力，以及天然应力随岩体埋深增大而呈线性增加的观点。利曼(Leeman，1964)以“岩体应力测量”为题，发表了一系列研究论文，系统地阐明了岩体应力测量原理、设备和量测成果。1973年苏联出版了《地壳应力状态》一书，汇集了苏联矿山坑道岩体的应力实测成果。各国的研究都证明了哈斯特的观点。 1957年，美国哈伯特(Hubbert)和威利斯(Willis)提出用水压致裂法(hydraulic fracturing method)测量岩体天然应力的理论。1968年美国海姆森(Haimson)发表了水压致裂法的专题论文。与此同时，伴随石油工业的发展，水压致裂法在生产实践中得到了广泛的应用。水压致裂法的应用，使岩体中应力量测工作，从几十米、数百米延至数千米深度，并获得大量的深部岩体天然应力的实测数据。在此基础上，美国用水压致裂法开展了兰吉列油田注水引起的诱发地震机理的综合研究，并成功地解析了诱发地震的机理。1975年盖依等人根据岩体应力的实测数据的分析，提出了临界深度的概念，在该深度以上水平应力大于铅直应力，该深度以下水平应力小于铅直应力。研究表明，临界深度随地区不同而不同，如冰岛等地为200m，日本和法国为400～500m，中国和美国为1 000m，加拿大为2 000m。我国的岩体天然应力测量工作开始于50年代后期，至60年代才广泛应用于生产实践。到目前为止，我国岩体应力测量已得到数以万计的数据，为研究工程岩体稳定性和岩石圈动力学问题提供了重要依据。一般认为，天然应力是各种作用和各种起源的力，它主要由自重应力和构造应力组成，有时还存在流体应力和温差应力等。研究还表明，岩体应力状态不仅是一个空间位置的函数，而且是随时间推移而变化的。岩体在天然应力作用下，不是处于静力稳定，而是处于一种动力平衡状态，一旦应力状态发生改变，这种动力平衡条件将遭破坏，岩体也将发生这样或那样的失稳现象。引起岩体应力条件改变的因素很多，例如地球旋转速度的变化、日月的潮汐作用、太阳活动性的变化及人类工程活动等，均可以使岩体的应力状态发生变化。

岩石应力应变的各个阶段

岩石的变形特性岩石的基本物理力学性质及其试验方法(之二) 一、内容提要：本讲主要讲述岩石的变形特性、强度理论二、重点、难点：岩石的应力-应变曲线分析及岩石的各种强度理论。三、讲解内容：四、岩石的变形特性与岩石的强度特性一样，岩石的变形特性也是岩石的重要力学特性。只有对岩石的变形特性的变化规律有了足够的了解，才能应用某些数学表达式描述岩石的变形特性，进而运用这些表达式计算岩石在外荷载作用下所产生的变形特性，并评价其稳定性。在实际的工程中，经常遇到岩石在单轴和三轴压缩状态下的变形问题。 (一)岩石在单向压缩应力作用下的变形特性 1. 岩石在普通试验机中进行单向压缩试验时的变形特性岩石的变形特性通常可从试验时所记录下来的应力-应变曲线中获得。岩石的应力-应变曲线反映了各种不同应力水平下所对应的应变(变形)规律。以下先介绍具有代表性的典型的应力-应变曲线。 1)典型的岩石应力-应变曲线分析图15-1-17例示了典型的应力-应变曲线。根据应力-应变曲线的变化，可将其分成OA，AB，BC 三个阶段。三个阶段各自显示了不同的变形特性。 (1)OA阶段，通常被称为压密阶段。其特征是应力-应变曲线呈上凹型，即应变随应力的增加而减少。形成这一特性的主要原因是存在于岩石内的微裂隙在外力作用下发生闭合所致。 (2)AB阶段，也就是弹性阶段。从图15-1-17可知，这一阶段的应力-应变曲线基本呈直线。若在这一阶段卸荷的话，其应变可以恢复，由此可称为弹性阶段。这一阶段常用两个弹性常数来描述其变形特性。即弹性模量E和泊松比。所谓弹性模量，是指应力—应变曲线中呈直线阶段的应力与应变之比值(或者是该曲线在直线段的斜率)被称作平均模量。就模量的概念而言，岩石的模量还有初始模量、切线模量、割线模量等。在岩石力学中比较常用的是平均弹性模量E和割线模量E50，E50是指岩石峰值应力一半的应力、应变之比值，其实质代表了岩石的变形模量。所谓泊松比，是指在弹性阶段中，岩石的横向应变与纵向应变比之值。这是描述岩石侧向变形特性的一个参数。最近几年来，经过大量的试验发现，在AB阶段，由于岩石受荷后不断地出现裂纹扩展，将产生一些不可逆的变形。因此从某种意义上来说，它并不属于真正的弹性特性，只能是

《岩石力学》地应力及其测量

1. 地壳是静止不动的还是变动的？怎样理解岩体的自然平衡状态？答：地壳是变动的。自然平衡状态是指：岩体中初始应力保持不变的状态。 2. 初始应力、二次应力和应力场的概念。答：未受影响的应力称为初始应力工程开挖时，受工程开挖影响而形成的应力称为二次应力地应力是关于时间和空间的函数，可以用“场”的概念来描述，称之为地应力场。 3. 何谓海姆假说和金尼克假说？答：海姆首次提出了地应力的概念，并假定地应力是一种静水应力状态，即地壳中任意一点的应力在各个方向上均相等，且等于单位面积上覆岩层的重量，即σ?=σv=γH 金尼克认为地壳中各点的垂直应力等于上覆岩层的重量，而侧向应力（水平应力）是泊松效应的结果，其值应为乘以一个修正系数K。他根据弹性力学理论，认为这个系数等于μ 1?μ，即σv=γH，σ?=μ 1?μ γH 4. 地应力是如何形成的？答：地应力的形成主要与地球的各种动力运动过程有关，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。另外，温度不均、水压梯度、地表剥蚀或其他物理化学变化等也可引起相应的应力场。 5. 什么是岩体的构造应力？构造应力是怎样产生的？土中有无构造应力？为什么？答：岩体中由于地质构造运动引起的应力称为构造应力。关于构造应力的形成有两种观点：地质力学观点认为是地球自转速度变比的结果；大地构造学说则认为是出于地球冷却收缩、扩张、脉动、对流等引起的，如板块边界作用力。土中没有构造应力，由于土本身是各向同性介质，不存在地质构造。 6. 试述自重应力场与构造应力场的区别和特点。答：由地心引力引起的应力场称为重力应力场，重力应力场是各种应力场中惟一能够计算的应力场。地壳中任一点的自重应力等于单位面积的上覆岩层的重量，即σG=γH。重力应力为垂直方向应力，它是地壳中所有各点垂直应力的主要组成部分，但是垂直应力一般并不完全等于自重应力，因为板块移动，岩浆对流和侵入，岩体非均匀扩容、温度不均和水压梯度均会引起垂直方向应力变化。构造应力是由地质构造运动形成的。当前的构造应力状态主要由最近一次的构造运动所控制，但也与历史上的构造运动有关。构造应力主要表现为以水平应力为主，“在构造应力的作用仅影响地壳上层一定厚度的情况下，水平应力分量的重要性远远超过垂直应力分量。” 7. 岩体原始应力状态与哪些因素有关？答：地形地貌；岩体结构；岩石力学性质；地下水。 8. 简述地应力场的分布规律答：1）地应力场的特性（1）地应力场是一个以水平应力为主的三向不等压应力场（2）地应力场是一个具有相对稳定性的非稳定应力场 2）垂直应力的分布规律在深度为25~~2700m的范围内，σv呈线性增长，大致相当于按平均容量γγ等于273kN?m?3?计算出来的重力γH。 3）水平应力的分布规律

6、岩体的初始应力状态

第六章岩体的初始应力状态第一节初始应力状态的概念与意义岩体的初始应力，是指岩体在天然状态下所存在的内在应力，在地质学中，通常又称它为地应力。岩体的初始应力主要是由岩体的自重和地质构造运动所引起的。岩体的地质构造应力是与岩体的特性(例如，岩体中的裂隙发育密度与方向，岩体的弹性、塑性、粘性等)有密切关系，也与正在发生过程中的地质构造运动以及与历次构造运动所形成的各种地质构造现象(例如，断层、褶皱等)有密切关系。因此，岩体中每一单元的初始应力状态随该单元的位置不同而有所变化。此外，影响岩体初始应力状态的因素还有地形、地质构造形态、水、温度等，但这些因素大多是次要的，只是在特定的情况下才需考虑。对于岩体工程来说，主要考虑自重应力和构造应力，二者叠加起来构成岩体的初始应力场。地面和地下工程的稳定状态与岩体的初始应力状态密切相关。岩体的初始应力状态可以指在没有进行任何地面或地下工程之前，在岩体中各个位置及各个方向所存在的应力的空间分布状态，它是不取决于人类开挖活动的自然应力场。在岩体中进行开挖以后，改变了岩体的初始应力状态，使岩体中的应力重新分布，引起岩体变形，甚至破坏。在高地应力地区，开挖后常会出现岩爆、洞壁剥离、钻孔缩径等地质灾害。对于地下洞室工程来讲，我们把与洞室本身稳定密切相关的周围岩体称为围岩。洞室的开挖引起围岩的应力重分布和变形，这不仅会影响洞室本身的稳定状态，而且为了维持围岩的稳定，需施作一定的支护结构或衬砌。合理地设计支护结构，确定经济合理的衬砌尺寸，是与岩体的初始应力状态紧密相关。所以，研究岩体的初始应力状态，就是为了正确地确定开挖过程中岩体的应力变化，合理地设计岩体工程的支护结构和措施。第二节组成岩体初始应力状态的各种应力场及其计算一、岩体自重应力场及计算地心对岩体的引力，使原岩体处于受力状态，由此而引起的岩体应力称为重力应力。它可以通过计算获得，其计算理论一般是建立在假定岩体为均匀连续介质的基础之上的。 1.海姆公式（Haim , 1878）海姆认为，原岩体的垂直应力为上覆岩体自重，且在漫长地质年代由于地下岩体蠕变的结果，造成各向等压状态，即静水压力状态（图6－1），即 Z Z Y X γσσσ=== (6－1) 式中：γ为岩体平均重度，一般取25KN/m 3；Z 为岩体中某点的深度，m 。在静水压力状态下，无剪应力，任意方向都是主方向，则图6－1 原岩自重应力计算

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。（4）地基岩体稳定开挖基坑或边坡，由于开挖卸荷作用，将引起基坑底部发生回弹隆起，并同时引起坑壁或边坡岩体向坑内发生位移。

《岩石力学与工程》蔡美峰版考试知识点

地应力是存在于地层中的为受工程扰动的天然应力。也称为岩体初始应力、绝对应力或原岩应力。地质软岩：单轴抗压强度小于25MPa的松散、破碎、软化及风化膨胀性一类岩体的总称。工程软岩：工程力作用下能产生显著性变形的工程岩体。声发射：材料在受到外载荷作用时，其内部贮存的应变能快速释放产生弹性波，发生声响。岩石岩石地下工程：地下岩石中开挖并临时获永久修建的各种工程。围岩：在岩石地下地下工程中，由于受开挖影响而发生应力状态改变的周围岩体。锚喷支护：锚杆与喷射混凝土联合支护的简称。边坡：岩体、土体在自然重力作用或人为作用而形成一定倾斜度的临空面。。岩石：自然界各种矿物的集合体，是天然地质作用的产物。容重：岩石单位体积的重量。根据含水情况将岩石的容重分为天然容重、干容重、饱和容重。孔隙性：天然岩石中包含着数量不等、成因各异的孔隙和裂隙。孔隙率：指岩石孔隙的体积与岩石总体积的比值，以百分数表示。分为总孔隙率、总开孔隙率、大开孔隙率、小开孔隙率、和闭孔隙率。孔隙率愈大，岩石力学性能越差。水理性：岩石与水相互作用时所表现的性质。包括岩石的吸水性、透水性、软化性和抗冻性。岩石强度：岩石在各种载荷作用下达到破坏时所能承受的最大应力。单轴抗压强度：岩石在单轴压缩载荷作用下达到破坏前所能承受的最大压应力。岩石破坏形式：x状共轭斜面剪切破坏。这种破坏形式是最常见的破坏形式；单斜面剪切破坏。这两种破坏都是由于破坏面上的剪应力超过极限引起的。拉伸破坏：横向拉应力超过岩石抗拉极限引起的。流变破坏：岩石的三轴抗压强度：岩石在三向荷载作用下，达到破坏时所能承受的最大压应力。莫尔强度包络线：同一种岩石对应各种应力状态下破坏莫尔应力圆外公切线。直线型、抛物线型、双曲线型。点载荷试验：试验所获得的强度指标值可以用做岩石分级的一个指标。点载荷实验装置是便携式的，可带到岩土工程现场去做实验。点载荷试验对试件的要求不严格。缺点是要根据经验公式进行换算。抗拉强度：岩石在单轴拉伸荷载作用下达到破坏时所能承受的最大拉应力。拉伸试验分为直接试验和间接试验两类。间接试验著名的有劈裂试验。抗拉强度一般为抗压强度的1/4到1/25平均为1/10。岩石的变形：岩石在外力或其他物理因素作用下发生形状或体积的变化。弹性、塑性、粘性、脆性、延性。扩容：岩石在载荷作用下，在其破坏之前产生的一种明显的非弹性体积变形。各向异性：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。弹性模量：应力与应变的比率。泊松比：岩石的横向应变与纵向应变的比值。泊松比将随应力的增大而增大，直到0.5停止。滞回效应：卸载曲线不走加载曲线的路线滞回曲线：在反复作用下岩石的荷载－变形曲线记忆性：岩石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，好像不曾受到反复加载的影响似的，这种现象称为岩石的记忆性。塑形滞回环：加载曲线与卸载曲线所形成的环。水楔作用：当两个矿物颗粒靠的很近，有水分子补充到矿物表面时，矿物颗粒利用其表面吸着力将水分子拉到自己周围，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的现象结构面：不同成因、不同特性的地质界面的统称。原生结构面、构造结构面、次生结构面、整合面、不整合面、层理、劈理、节理、断层、结构体：被各种结构面切割而成的岩石块体。岩体结构：不同类型的岩体结构单元在掩体内的组合、排列形式称为岩体结构。岩体结构单元：结构体和结构面。裂隙度：沿取样线方向单位长度上的节理数量。切割度：岩体被节理割裂分离的程度。结构面的力学性质：法相变形、剪切变形、抗剪强度。为什么岩体的力学性质和岩石不同是因为结构面的存在。水力学性质：岩石的渗流特性及在渗流作用下所表现出的力学性质。质量指标（RQD）：长度在10cm（含10cm）以上的岩芯累计长度占钻孔总长的百分比。地应力方法：直接测量法扁千斤顶法、刚性包体应力计法、水压致裂法、声发射法。间接测量法：全应力解除法、局部应力解除法、孔径变形法、孔底应变法、孔壁应变法、空心包体应变法、实心包体应变法。流变：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。包括蠕变、松弛、弹性后效。弹性后效：材料在弹性范围内受某一不变载荷作用，其弹性变形随时间缓缓增长的现象岩石强度理论：研究岩石在各种应力状态下的强度准则的理论。表征岩石在极限应力状态下的应力状态和岩石强度参数之间的关系。数值分析常用方法：有限元法、边界元法、有限差分法、加权余量法、离散元法、刚体元法、不连续变形分析法、流形方真三轴：真三轴加载试件为立方体，1为主应力，23为侧向压力，六个面均受摩擦力，对实验结果影响很大。伪三轴加载试件为圆柱体；轴向压力1的加载方式和单轴压缩试验时相同，但由于有了侧向压力，其加载时的端部效应比单轴加载时要轻微的多。侧向压力23相同，侧向压力均匀的施加到试件中。刚性试验机：由于传统试验机的刚度不够大，在试验过程中试件受压，试验机受拉，试验机产生的弹性变形以应变能的形式存在机器中，当施加的压缩应力超过岩石抗压强度后，试件破坏，机架迅速回弹，以便回到其原始位置，并将其内部贮存的应变能释放到岩石试件中，从而使试件急剧破裂和崩解。而刚性试验机提高了自身刚度，机架变形小，就不会引起试件的突发性破坏。采用液压伺服系统，伺服系统有一个反馈信号系统，它检查当前施加的载荷是否事先确定的变形速度，否则它会自动调整施加载荷，以保持变形素的的恒定。地下水对岩体的物理作用：1.润滑作用，使岩体的摩擦角减小；软化和泥化作用，使岩体的力学性能降低，内聚力和摩擦角值减小。主要表现在对岩体结构面中充填物的物理性状的改变上，岩体结构中充填物随含水量的变化，发生由固态向塑态直至液化的弱化效应；结合水的强化作用，处于非饱和带的岩体中的有效应力大于岩体的总应力，强化了岩石的力学性能。有限元步骤：确定计算模型，根据对称性、材料性质和所关心部位的边界尺寸等确定计算模型；划分单元；选择位移函数；建立单元刚度矩阵，并进行坐标转换；形成总体刚度矩阵；载荷等效移置，确定节点力列阵；列出有限元基本方程，并根据已知位移对方程进行修正；求解总体方程，可获得节点位移；利用几何关系和物理方程计算单元的应变和应力；绘制计算结果图，以便直观了解分析结果，给出定量的评价。维护岩石地下工程稳定的基本原则：合理利用和充分发挥岩体强度；改善围岩应力条件；合理支护；强调监测和信息反馈。地应力的组成地应力是存在于地层的未受扰动的天然应力。构造应力场和重力应力场是主要组成还有比如：大陆板块边界受压引起的应力场；地幔热对流引起的应力场；由地心引力的应力场；岩浆侵入引起的应力场；地温梯度引起的应力场；地表剥蚀产生的应力场。基本规律：1地应力是一个具有相对稳定性的非稳定应力场，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水平应力普通大于垂直应力；4平均水平与垂直应力的比值随深度增加而减小；5最大水平主应力和最小水平主应力也随深度呈线性增长关系；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还受地形、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，特别是地形和断层的扰动影响最大。

岩石力学总结

1.试述库仑准则和莫尔假定的基本内容，并说明对其研究的工程实际意义。（补：莫尔假定的优缺点）该准则是1773年由库仑引入的，他认为趋于使一平面产生破坏的剪应力受到材料的内聚力和乘以常数的平面的法应力的抵抗，即 |τ| = S 0 + μσ 其中，σ和τ是该破坏平面的法向应力和剪应力，S 0可以看作是材料的固有剪切强度的常数， μ是材料的内摩擦系数的常数。根据该理论可以推论出，当岩石发生破坏时所产生的破裂面将有两个可能的共轭破裂面，且均通过中间主应力的方向，并与最大主应力方向成夹角(φ π2141-)，这里的内摩擦角μφ1tan -=。莫尔假定是莫尔于1900年提出的一种剪切破坏理论，该理论认为岩石受压后产生的破坏主要是由于岩石中出现的最大有效剪应力所引起，并提出当剪切破坏在一平面上发生时，该破坏平面上的法向应力σ和剪应力τ由材料的函数特征关系式联系： |τ| = f （σ）按莫尔假定可以看出：①岩石的破坏强度是随其受力条件而变化的，周向应力越高破坏强度越大；②岩石在三向受压时的破坏强度仅与最大和最小主应力有关，而与中间主应力无关；③三向等压条件下，莫尔应力圆是法向应力σ轴上的一个点圆，不可能与莫尔包络线相切，因而岩石也不可能破坏；④岩石的破裂面并不与岩石中的最大剪应力面相重合，而是取决于其极限莫尔应力圆与莫尔包络线相切处切点的位置，这也说明岩石的破裂不仅与破裂面上的剪应力有关，也与破裂面上出现的法向正应力和表征岩性的内聚力和内摩擦角有关。总之，莫尔假定考虑了岩石的受力状态、周向应力约束的影响和岩石的本身性能，能较全面的反映岩石的破坏强度特征，但该假定忽视了中间主应力对岩石破坏强度的影响，而事实证明中间主应力对其破坏强度是有一定程度影响的。补：摩尔判据的优点是：①在判断复杂应力状态下岩石是否发生破坏以及破坏面的方向时，很简单，也很方便；②能比较真实地反映岩石的抗剪特性；③可以解释为什么在三向等拉时会发生破坏，而在三向等压时不会发生破坏。但其缺点是：①只考虑了最大主应力和最小主应力对岩石破坏强度的影响，而忽略了中间主应力的作用，实验表明中间主应力对岩石破坏强度是有一定程度影响的；②摩尔判据不适用于含有结构面的岩石试件，尽管岩石中的结构面会严重地影响岩石试件的破坏强度；③摩尔判据只适用于剪切，对受拉区研究不够充分，不适于膨胀或蠕变破坏。 2.论述岩石在复杂应力状态下的破坏类型，并阐述其在工程岩体稳定性研究中的意义。在关于岩石破裂的所有讨论中，破裂面的性质和描述是最重要的，出现的破裂类型可用下图中岩石在各种围压下的行为来说明。在无围压受压条件下，观测到不规则的纵向裂缝[见图(a)]，这个普通现象的解释至今仍然不十分清楚；加中等数量的围压后，图(a)中的不规则性态便由与方向倾斜小于45度

第5章岩体天然应力及其测量

第5章岩体天然应力及其测量学习指导：本章主要介绍了岩石的初始应力概念，包括自重应力和构造应力，介绍了初始应力的量测方法及原理，包括应力解除法和应力恢复法。重点：1 岩体的初始应力概念； 2岩体初始应力的测量方法。 5.1 概述地壳在漫长的地质年代里始终处于不断运动与变化之中，例如，由于地壳的构造运动常使岩层产生褶皱、断裂和错动，这些现象的出现都是岩层或岩体受力的结果。引起岩体产生应力的原因很多，有构造运动所产生的构造应力，由上覆岩体的重量所引的自重应力、气温变化所引起的温度应力、地震力以及由于结晶作用、变质作用、沉积作用、固结作用、脱水作用所引起的应力，其次还有由于地下开挖在洞室围岩中所引起的应力重分布和高坝等建筑物在岩基中所引起的附加应力等。岩体中的应力有的是由于人类活动而引起的，有的则在工程建筑之前早就产生了。凡是在工程施工开始前就已存在于岩体中的应力，称为初始应力或天然应力或地应力(构造应力和自重应力都是初始应力)。初始应力的大小主要取决于上覆岩层的重量、构造作用的类型、强度和持续时期的长短等。岩体中的初始应力分布是极其复杂的，特别是岩体遭受地质构造运动之后应力状态更为复杂，分布规律千变万化。目前，对于岩体中初始应力的大小及其分布规律的研究，还缺乏完整的系统的理论。当岩体的形状比较规律、表面平整、产状平缓，岩体本身又没有经受构造作用与呈现显著的不均匀性时，此时可认为岩体中的垂直应力与上覆岩体的重量成正比，水平应力可按垂直应力乘以侧压力系数而计算，

一般它约为垂直应力的30%。但自然界中的岩体很少具备上述那些典型条件。近几年来很多学者对于初始应力的现场量测和理论研究都作了大量工作，并取得了一定的进展。但是，要达到能够确切掌握岩体中初始应力的大小及其分布规律，目前还有相当大的困难。 5.2 岩体的初始应力 5.2.1自重应力根据大量应力的实测资料已经证实，对于没有经受构造作用、产状较为平缓的岩层，其中的应力状态十分接近于由弹性理论所确定的应力值。对于表面为水平的半无限体，在深度为z 处的垂直应力z σ可按下式计算： z z γσ= (5-1) 式中 γ 岩石的块体密度。在半无限体中的任一微分单元体上的正应力x σ、y σ、z σ是主应力；而且水平方向的两个应力与应变彼此相等，亦即： y x σσ= y x εε= 如果考虑到半无限体中的任一单元体都不可能产生侧向变形，亦即 0==y x εε 由此可得： ()0=+- z y x E E σσ μ σ 式中 E 、μ 岩石的弹性模量与泊松比。因为Y X σσ=，所以上式可以写成： z y x σμ μσσ-= =1 如令μ μ-=10K ，则有： z y x K σσσ0== (5-2) μ μ-= 10K (5-3) 式中 0K 称为岩石静止侧压力系数。一般在试验室条件下所测定的泊松比μ=0.2～0.3，此时测压力系数为μ μ-=10K =0.25～0.4。

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