岩体力学——天然应力

《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。

岩体力学复习资料一、名词解释1、结构面：岩体中存在着的各种不同成因（特性）的地质界面，包括物质的分界面、不连续面，如节理、片理、断层、不整合面等。

2、结构面：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界面或带。

3、蠕变：是指岩石在恒定的荷载作用下，其变形随时间而逐渐增大的性质。

4、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。

5、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。

6、剪切刚度：在剪切荷载作用下，岩块抵抗剪切破坏的最大剪应力。

7、天然应力：人类工程活动之前存在于岩体中的应力。

8、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。

9、围岩抗力系数：使洞壁围岩产生一个单位径向变形所需要的内水压力。

10、岩石软化性：是指岩石浸水饱和后强度降低的性质。

11、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，具有一定的结构并赋存于一定的天然应力状态和地下水等地质坏境中的地质体，是岩体力学研究的对象。

12、单轴抗压强度：在单向压缩条件下，岩块能承受的最大压应力。

13、吸水率：是指岩石试件在大气压力和室温条件下自由吸入水的质量与岩样干质量之比。

14、重分布应力：由于人类工程活动改变后的应力。

15、变形模量：是指在儋州压缩条件下，轴向应力与轴向应变之比二、填空题1、围岩的支承压力分为应力降低区、应力升高区、应力不变区这三个区。

其中以应力峰值点为界限，又将支承压力分为弹性区、极限平衡区。

2、结构体和结构面是岩体结构的两个基本单元。

3、地应力的测量方法分直接法、间接法两大类，分别各举一例：如前者水压致裂（声发射法、扁千斤顶法）、后者应力解除法。

4、按围岩压力的形成机理可划分为变形围岩压力、松动围岩压力、冲击围岩压力、膨胀围岩压力等四类。

5、岩石的破坏形式包括脆性断裂和塑性流动，其中前者细分为拉伸断裂和剪切破坏。

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。

岩石的1岩石的力学性质－岩石的变形岩石的强度：岩石抵抗外力作用的能力，岩石破坏时能够承受的最大应力。

岩石的变形：岩石在外力作用下发生形态（形状、体积）变化。

岩石在荷载作用下，首先发生的物理力学现象是变形。

随着荷载的不断增加，或在恒定载荷作用下，随时间的增长，岩石变形逐渐增大，最终导致岩石破坏。

岩石变形过程中表现出弹性、塑性、粘性、脆性和延性等性质。

▪ 1.5岩石变形性质的几个基本概念▪1）弹性(elasticity)：物体在受外力作用的瞬间即产生全部变形，而去除外力(卸载)后又能立即恢复其原有形状和尺寸的性质称为弹性。

▪弹性体按其应力－应变关系又可分为两种类型：▪线弹性体：应力－应变呈直线关系。

▪非线性弹性体：应力—应变呈非直线的关系。

▪2）塑性（plasticity）：物体受力后产生变形，在外力去除（卸载）后变形不能完全恢复的性质，称为塑性。

▪不能恢复的那部分变形称为塑性变形，或称永久变形，残余变形。

▪在外力作用下只发生塑性变形的物体，称为理想塑性体。

▪理想塑性体，当应力低于屈服极限时，材料没有变形，应力达到后，变形不断增大而应力不变，应力－应变曲线呈水平直线.▪3）黏性(viscosity):物体受力后变形不能在瞬时完成，且应变速率随应力增加而增加的性质，称为粘性。

▪应变速率与时间有关，－>黏性与时间有关▪其应力－应变速率关系为过坐标原点的直线的物质称为理想粘性体（如牛顿流体），▪4）脆性(brittle):物体受力后，变形很小时就发生破裂的性质。

▪5）延性(ductile):物体能承受较大塑性变形而不丧失其承载力的性质，称为延性。

▪ 1.7岩石变形指标及其确定▪岩石的变形特性通常用弹性模量、变形模量和泊松比等指标表示。

3）全应力－应变曲线的工程意义▪①揭示岩石试件破裂后，仍具有一定的承载能力。

▪②预测岩爆。

▪若A>B，会产生岩爆▪若B>A，不会产生岩爆▪③预测蠕变破坏。

▪当应力水平在H点以下时保持应力恒定，岩石试件不会发生蠕变。

岩体力学名词解释全集岩体力学名词解释全集1、矿山压力：这种由于矿山开采活动的影响，在巷硐周围岩体中形成的和作用在巷硐支护物上的力，叫矿山压力。

2、矿山压力显现：这些由于矿山压力作用使巷硐周围岩体和支护物产生的种种力学现象，叫矿山压力显现。

3、矿山压力控制：所有减轻、调节、改变和利用矿山压力作用的各种方法，均叫做矿山压力控制。

4、原岩应力：存在于地层中未受工程扰动的天然应力称为原岩应力，也称为岩体初始应绝对应力或地应力。

5、支承压力：在岩体内开掘巷道后，巷道围岩必然出现应力重新分布，一般将巷道两侧改变后的切应力增高部分称为支撑应力。

6、老顶：通常把位于直接顶之上（有时直接位于煤层之上）对采场矿山压力直接造成影响的厚而坚硬的岩层称为老顶。

7、直接顶：一般把直接位于煤层上方的一层或几层性质相近的岩层称为直接顶。

8、直接顶初次垮落：直接顶的第一次大面积垮落称为直接顶初次垮落。

9、顶板下沉量：一般指煤壁到采空区边缘裸露的顶底板相对移近量。

10、老顶初次来压：当老顶悬露达到极限跨距时，老顶断裂形成三铰拱式的平衡，同时发生已破断的岩块回转失稳（变形失稳）。

有时可能伴随滑落失稳（顶板的台阶下沉），从而导致工作面顶板的急剧下沉。

此时，工作面支架呈现受力普遍加大现象。

即称为老顶的初次来压。

11、周期来压：由于裂隙带岩层周期性失稳而引起的顶板来压现象称之为工作面顶板的周期来压。

12、关键层：将对采场上覆岩层局部或直至地表的全部岩层活动起控制作用的岩层称为关键层。

13、沿空留巷：如果通过加强支护或采用其他有效方法，将相邻区段巷道保留下来，供本区段工作面回采时使用的巷道，称为沿空保留(煤体―无煤柱)巷道。

14、沿空掘巷：巷道一侧为煤体另一侧为采空区，如果采空区一侧采动影响已经稳定后，沿采空区边缘掘进的巷道称为煤体－无煤柱（沿空掘进）巷道。

15、锚固力：锚杆对围岩的约束力。

（1）根据锚杆对围岩的约束力方式定义锚固力可分为托锚力、粘锚力、切向锚固力；（2）根据锚杆的锚固作用阶段定义锚固力可分为初锚力、工作锚固力、残余锚固力。

第七章 岩体中的天然应力第一节 概 述地应力（天然应力）：自然状态下在原岩体中存在的由于岩体自重和构造应力形成的分布应力。

（1）天然应力（地应力）（Stress in the earth’s crust & Initial stress ）：—指岩体在天然状态下所存在内在应力。

—人类工程活动之前存在于岩体中的应力。

存在于地层中的未受工程扰动的天然应力—地应力（2）天然应力主要是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。

（3）①1912年，瑞士地质学家海姆（A.Heim ）在大型越岭隧道的施工过程中，通过观察和分析，首次提出了地应力的概念。

是静水应力状态σn =σv =γH②1926年，苏联学者金尼克（A.H.пNHH иK ）修正了海姆的静水压力假设：⎪⎩⎪⎨⎧-==H Hh v γμμσγσ1③1951年，瑞典的哈斯特（N.Hast ）首先在斯堪的纳维亚半岛进行了地应力的量测工作，发现存在于地壳上部的最大主应力几乎处处是水平或接受水平的，而且max max )21(V h σσ-≅。

这从根本上动摇了地应力是静水压力的理论和以垂直应力为主的观点。

后来的进一步研究表明：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影响最大。

（4）地应力（天然应力）的形成：⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧岩浆侵入作用地质构造运动重力作用（6）自重应力：由岩体自重所引起的应力。

自重应力场：自重应力在空间有规律的分布状态。

构造应力：由于地质构造作用在岩体内积存的应力。

活动构造应力：狭义地应力，是地壳内现在正在积累的能够导致岩体变形和破裂，形成地震和活动构造的应力。

残余构造应力：古构造运动残留下来的应力。

它的基本特征：具有较高的水平压应力，一般情况下，v h σσ>，并具有明显的各向异性。

到目前为止，岩体的天然应力状态主要还是靠实测方法确定。

求岩体中一点的自重应力？在地表近水平的情况下，假设岩体均质各向同性连续性，则：⎪⎩⎪⎨⎧=-====z zv h h v γμμλσσσγσ1 21在地表以下较深部位，岩体近于塑性状态，其λ→1，即处于静水压力状态。

名词解释1.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，具有一定的结构并赋予于一定的天然应力状态和地下水等地质环境中的地质体。

2.弹性：在一定的应力范围内，物理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的形状和尺寸大小的性质。

3.脆性：物体受力后，变形很小时就发生破裂的性质。

4.三轴抗压强度：试件在三向压应力作用下能抵抗的最大的轴向应力。

5.抗压强度：在单向压缩条件下，岩块能承受的最大压应力。

6.抗拉强度：岩块试件在单向拉伸时能承受的最大拉应力。

7.抗剪强度：在剪切荷载作用下，岩块抵抗剪切破坏的最大剪应力。

8.莫尔强度理论：认为材料发生破坏是由于材料的某一面剪应力达到一定的限度,而这个剪应力与材料本身性质和正应力在破坏面上所造成的摩擦阻力有关。

9.稳定性系数：可供利用的抗滑力与滑动力的比值。

10.蠕变：指岩石在恒定的荷载作用下，变形随时间逐渐增大的性质。

11.天然应力：人类工程活动之前存在于岩体的应力。

12.剪切刚度：反应结构面剪切变形性质的重要参数。

13.孔隙比：岩石中各种孔隙体积与原体积内固体矿物颗粒的体积之比14.法向刚度：在法向应力作用下结构面产生单位法向变形所需要的应力。

15.围岩应力：围岩在无支护的情况下，经过应力重新调整达到的新的平衡状态即为围岩应力。

16.软化系数：定义为岩石试件的饱和抗压强度与干抗压强度的比值。

17.变形模量：指单轴压缩条件下，轴向应力与轴向应变之比。

18.围岩：重分布应力影响范围内的岩体。

19.主应力：单元体主平面上的正应力。

20.主平面：单元体剪应力为零的平面。

21.结构面：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界面或带。

22.塑性：物体受力后：产生变形在外力除去后不能恢复原状的性质。

23.围岩抗力系数：是表征围岩抵抗衬砌向围岩方向变形能力的指标，定义为使洞壁围岩产生一个单位径向变形所需的水压力。

一、名词解释岩体：是指在地质历史过程中形成的，由岩石单元体(或称岩块)和结构面网络组成的，具有一定的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。

软化系数：为岩石试件的饱和抗压强度与干抗压强度的比值。

变形模量：指单轴压缩条件下，轴向压应力与轴向应变之比。

弹性后效：岩石的大部分弹性变形在卸荷后能很快恢复，而小部分(约10％一20％)须经一段时间才能恢复，这种现象称为弹性后效。

RQD：大于10cm的岩心累计长度与钻孔进尺长度之比的百分数。

天然应力：人类工程活动之前存在于岩体中的应力。

饱水系数：指岩石的吸水率与饱和吸水率之比天然应力比值系数：指岩体中天然水平应力与垂直应力之比。

结构面连续性系数：围岩：重分布应力影响范围内的岩体。

围岩抗压系数：使洞壁围岩产生一个单位径向变形所需要的内水压力。

围岩压力：地下洞室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。

二、简答题1．连续加载条件下岩块的变形特征根据应力—应变全过程曲线可将岩块变形过程划分成不同的阶段：①孔隙裂隙压密阶段：随着荷载的增加，试件中原有张开性结构面或微裂隙逐渐闭合（微裂隙的闭合开始较快，随后逐渐减慢），岩石被压密。

本阶段变形对裂隙化岩石来说明显，而对坚硬少裂隙的岩石则不明显，甚至不会出现。

②弹性变形至微破裂稳定发展阶段：据其变形机理又可细分为弹性变形阶段和微破裂稳定发展阶段。

弹性变形阶段不仅变形随应力成比例增加，而且在很大程度上变现为可恢复的弹性变形。

微破裂稳定发展阶段的变形主要表现为塑性变形，试件内开始出现新的微破裂，并随应力增加而逐渐发展，当荷载保持不变时，微破裂也停止发展。

③非稳定破裂发展阶段：进入本阶段后，微破裂的发展发生了质的变化。

由于破裂过程中所造成的应力集中效应显著，即使外荷载保持不变，破裂仍会不断发展，并在某些薄弱部位首先破坏，应力重新分布，其结果又引起次薄弱部位的破坏。

依次进行下去直至试件完全破坏。

岩石力学复习总结岩石的结构和组织特点1、岩石力学（Rock Mechanics）：研究岩体在各种不同受力状态下产生变形和破坏规律的学科。

2、矿物：存在地壳中的具有一定化学成分和物理性质的自然元素和化合物3、结构：组成岩石的物质成分、颗粒大小和形状以及其相互结合的情况4、构造: 岩石组成成分的空间分布及其相互间排列关系5、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6、结构面：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界面或带7、岩块：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8、岩体：指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9、岩体结构：指岩体中结构面与结构体的排列组合关系。

其包括两个基本要素，即结构面和结构体10、岩石风化：岩石长期暴露在地表之后，经受太阳辐射热、大气、水及生物等作用，使岩石结构逐渐破碎、疏松，或矿物成分发生次生变化，称为风化f岩石风化定量指标岩石的物理性质风化空隙率Iw::快速浸水后风化岩石吸入水的质量mw与干燥岩石质量mrd之比波速比kv:风化岩石纵波波速Vcp与新鲜完整岩石纵波波速vrp之比风化系数kf:风化岩石饱和单轴抗压强度与新鲜完整岩石饱和单轴抗压强度之比常见的岩石结构类型:结晶联结,胶结联结,岩石中的微结构面微结构面:是指存在于矿物颗粒内部或矿物颗粒及矿物集合体之间微小的弱面及空隙。

它包括矿物的解理、晶格缺陷、晶粒边界、粒间空隙、微裂隙等重力密度：岩石单位体积（包括岩石中孔隙体积)的重量称为重力密度，通常简称为重度质量密度：岩石单位体积（包括岩石中孔隙体积)的质量称为质量密度，一般简称密度相对密度：岩石的干重量Ws除以岩石的实体积Vs（不包括岩石中孔隙体积）所得的量与1个大气压下4℃时纯水的重度γw的比值天然含水率：天然状态下岩石中水的重量与岩石烘干重量Ws的百分比，简称含水率吸水率：指干燥岩样在一个大气压和室温条件下吸入水的重量WW与岩样干重量Ws的百分比饱和吸水率：岩样在强制状态（真空、煮沸或高压）下，岩样的最大吸入水的重量Ww与岩样的烘干重量Ws的百分比渗透性：指在水压力作用下，岩石的孔隙和裂隙透过水的能力岩石的膨胀性：指岩石浸水后体积增大的性质岩石的崩解性：指岩石与水相互作用时失去粘结性并变成完全丧失强度的松散物质的性能岩石的软化性：指岩石与水相互作用时强度降低的特性岩石的抗冻性：指岩石抵抗冻融破坏的性能岩石的热容性：在岩石内部及其与外界进行热交换时，岩石吸收热能的能力，称为岩石的热容性岩石力学的性质弹性：是指在一定的应力范围内，物体受外力作用产生变形，而去除外力（卸荷）后能够立即恢复其原有的形状和尺寸大小的性质塑性：是指物体受力后，在应力超过屈服应力时仍能继续变形而不即行断裂，撤去外力（卸荷）后，变形又不能完全恢复的性质。

第一节概述地应力（天然应力）：自然状态下在原岩体中存在的由于岩体自重和构造应力形成的分布应力。

（1）天然应力（地应力）（Stress in the earth’s crust & Initial stress）：—指岩体在天然状态下所存在内在应力。

—人类工程活动之前存在于岩体中的应力。

存在于地层中的未受工程扰动的天然应力—地应力（2）天然应力主要是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。

（3）①1912年，瑞士地质学家海姆（A.Heim）在大型越岭隧道的施工过程中，通过观察和分析，首次提出了地应力的概念。

是静水应力状态σn=σv=γH②1926年，苏联学者金尼克（A.H.пNHHиK）修正了海姆的静水压力假设：③1951年，瑞典的哈斯特（N.Hast）首先在斯堪的纳维亚半岛进行了地应力的量测工作，发现存在于地壳上部的最大主应力几乎处处是水平或接受水平的，而且。

这从根本上动摇了地应力是静水压力的理论和以垂直应力为主的观点。

后来的进一步研究表明：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影响最大。

（4）地应力（天然应力）的形成：（6）自重应力：由岩体自重所引起的应力。

自重应力场：自重应力在空间有规律的分布状态。

构造应力：由于地质构造作用在岩体内积存的应力。

活动构造应力：狭义地应力，是地壳内现在正在积累的能够导致岩体变形和破裂，形成地震和活动构造的应力。

残余构造应力：古构造运动残留下来的应力。

它的基本特征：具有较高的水平压应力，一般情况下，，并具有明显的各向异性。

到目前为止，岩体的天然应力状态主要还是靠实测方法确定。

求岩体中一点的自重应力？在地表近水平的情况下，假设岩体均质各向同性连续性，则：在地表以下较深部位，岩体近于塑性状态，其→1，即处于静水压力状态。

（1）水平层状岩体：（2）铅直层状岩体：（5）岩体中天然应力状态对研究区域稳定、岩体稳定性以及原位岩体测试中均具有重要的实际意义。