岩石力学习题 刘佑荣

岩体力学习题
1、何谓岩体力学? 谈谈你对岩体力学的认识和看法。

答：岩体力学（rock mass 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。

岩体力学的应用范围涉及广泛，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、核电站等。

岩体力学的发展与人类工程实践分不开，而今，由于矿产资源勘探开采、能源开发及地球动力学研究等的需要，工程规模越来越大，涉及的岩体力学问题越来越复杂，这对岩体力学提出了更高的要求。

2、何谓岩块、岩体? 试比较岩块与岩体,岩体与土有何异同点?
答：岩块（rock 或rock block）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。

岩体（rockmass）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环境中的地质体，是岩体类型研究的对象。

岩块与岩体的异同点：岩块和岩体均为岩石物质和岩石材料。

然而，岩体与岩块在性质上有本质的区别，其根本原因之一是岩体中存在有各种各样的结构面及不同于自重应力的天然应力场和地下水。

相对岩块而言，岩体的各向异性和不
岩体与土的异同点：岩石和土一样，是由固体、液体和气体三相组成的。

岩石是有较多缺陷的多晶材料，具有相对较多的孔隙。

同时，由于岩石经受过多种
地质作用，还发育有各种成因的裂隙，如原生裂隙、风化裂隙及构造裂隙等。

所
以，岩石的空隙性比土复杂得多，即除了孔隙外，还有裂隙存在。

另外，岩石中
的空隙有些部分往往是互不连通的，而且与大气也不相通。

3、何谓岩体分类? RMR 分类和Q 分类各自用哪些指标表示? 怎样求得?
答：岩体分类（rock mass classification ）是通过岩体的一些简单和容易实测
的指标，将工程地质条件和岩体参数联系起来，并借鉴已建工程设计、施工和处
理等方面成功与失败的经验教训，对岩体进行归类的一种工作方法。

RMR 分类，即岩体地质力学分类，由岩块强度、RQD 值、节理间距、节理
条件及地下水5类参数组成。

分类时，根据各类参数的实测资料，按岩体地质力学分类表的标准评分，然
后将各类参数的评分值相加得岩体质量总分RMR 值。

并按节理方向及节理走向和
倾角对隧道开挖的影响对总分作适当的修正。

最后用修正后的岩体质量总分RMR
值，对照按总评分值确定的岩体级别及岩体质量评价表，求得岩体的类别及相应
的不支护地下开挖的自稳时间和岩体强度指标（粘聚力和内摩擦角）。

RMR 值变
化在0—100之间，据RMR 值把岩体分为5级。

Q 分类，即巴顿岩体质量分类，用岩体质量指标Q 值对岩体进行分类，Q 值
的定义如下：
r w
n a RQD J J Q J J SRF =
⨯⨯ 式中，RQD 为岩石质量指标、n J 为节理组数、r J 为节理粗糙系数、a J 为节
理蚀变系数、w J 节理折减系数、SRF 为应力折减系数。

分类时，根据这6个参数的实测资料，查表确定各自的数值后，代入上式求
得岩体质量指标Q 值。

以Q 值为依据将岩体分为9类。

4、试述围压对岩块变形、破坏及强度的影响
答：围压对岩块变形的影响：试验研究表明：有围压作用时，岩石的变形性
质与单轴压缩时不尽相同。

首先，破坏前岩块的应变随围压增大而增加；另外，
随围压增大，岩块的塑性也不断增大，且由脆性逐渐转化为延性。

围压对岩块变
形模量的影响常因岩性不同而异，通常对坚硬少裂隙岩石的影响较小，而对软弱
多裂隙岩石的影响较大。

总的来说，随围压增大，岩块的变形模量和泊松比都有
不同程度的提高。

围压对岩块破坏的影响：岩块在三轴压缩条件下的破坏型式大致分为脆性劈
裂、剪切及塑性流动三类。

但具体岩块的破坏方式，除了受岩石本身性质影响外，
在很大程度上受围压的控制。

随着围压的增大，岩块从脆性劈裂破坏逐渐向塑性
流动过渡，破坏前的应变也逐渐增大。

围压对岩块强度的影响：理论和实践都证实，各种岩石的三轴压缩强度(σ1m )
均随围压(σ3)的增加而增大。

但σ1m 的增加率小于σ3的增加率，即σ1m 与σ3成非线
性关系。

此外，围压还影响岩块的残余强度。

当围压为零或很低时，应力达到峰
值后曲线迅速下降至接近于零，岩块残余强度很低，而随围压增大，其残余强度
也逐渐增大，直到产生应变硬化。

当然围压对强度的影响还受到岩性的制约，通
常岩性愈脆，围压对强度的强化效应愈明显。

5、结构面的法向刚度与剪切刚度的定义如何？各自如何确定？
答：（1）法向刚度n K (normal stiffness)是在法向应力作用下，结构面产生单
位法向变形所需要的应力，数值上等于n j V σ-∆曲线上一点的切线斜率，即：
n n j
K V σ∂=∂∆
结构面法向刚度的确定可直接用试验，求得结构面的n j V σ-∆曲线后，在曲线
上直接求得。

具体试验又分为室内压缩试验和现场压缩试验两种。

室内压缩试验可在压力机上进行，也可在携带式剪力仪或中型剪力仪上配合
结构面剪切试验一起进行。

试验时先将含结构面岩块样装上，然后分级施加法向
应力n σ并测记相应的法向位移t V ∆，绘制n t V σ-∆曲线。

同时还必须对相应岩块进
行压缩变形试验，求得岩块n r V σ-∆曲线。

通过这两种试验即可求得结构面的
n j V σ-∆曲线。

现场压缩变形试验是用中心孔承压板法。

试验时先在制备好的试件上打垂向
中心孔，在孔内安装多点位移计。

然后采用逐级一次循环法施加法向应力并测记
相应的法向变形V ∆，绘制出各点的n V σ-∆曲线。

利用某级循环荷载下的应力差
和相应的变形差；用下式即可求得结构面的法向刚度n K ：
11n i n i
n n i i K V V V
σσσ++-∆==∆-∆∆ 另外，也可由下式求得某级法向应力下结构面的法向刚度。

其中的ni K 、m V 可
通过室内含结构面岩块压缩试验求得。

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ni n n ni m n K K K V σσ=-+ 在无试验资料时，可用班迪斯(Bandis ，1983)提出的经验方程求ni K 、m V ，
即：
7.15 1.750.02ni JCS K JRC e ⎛⎫=-++ ⎪⎝⎭
()D m JCS V A B JRC C e ⎛⎫=++ ⎪⎝⎭
（2）剪切刚度s K (shear stiffness)的数值等于峰值前u τ-∆曲线上任一点的切
线斜率，即：
s K u
τ∂=∂∆ 结构面的剪切刚度可通过室内和现场剪切试验确定。

室内剪切试验是在携带式剪力仪或中型剪力仪上进行的。

试件面积约100～
400cm2。

试验时将含结构面的岩块试件装入剪力仪中，先施加预定的法向应力，
待其变形稳定后，再分级施加剪应力，并测记结构面相应的剪位移，绘出u τ-∆曲
线。

然后在u τ-∆曲线上求结构面的剪切刚度。

现场剪切试验时也是先施加预定的法向应力，待变形稳定后，分级施加剪应
力。

各级剪应力下的剪切位移可由变形传感器或自动记录装置测记。

利用各级剪
应力τ下的剪切位移u ∆，可绘制出u τ-∆曲线，进而求得结构面的剪切刚度s K 。

另外，巴顿(Barton ，1977)和乔贝(Choubey ，1977)根据大量的试验资料总结
分析，并考虑到尺寸效应，提出了剪切刚度Ks 的经验估算公式如下：
100tan lg s n r n JCS K JRC L σφσ⎛⎫=+ ⎪⎝⎭
式中：L 为被剪切结构面的长度；r φ为结构面的残余摩擦角。

6、原位岩体的力学试验与 岩块力学试验在本质上有何区别？岩体的变形性质与岩块相比有什么区别？
答：原位岩体试验对岩体的扰动小，尽可能的保持了岩体的天然结构和环境
状态，且考虑了岩体的结构及结构面对岩体力学性质的影响。

而岩块试验中的试
件往往经过加工，受扰动程度大，从而破坏了岩块原来的天然结构和所处的环境
状态。

因此原位岩体试验成果较室内试验更符合实际。

岩体的变形性质与岩块有显著的差别。

一般情况下，岩体比岩块更易于变形，
其强度也显著低于岩块的强度。

正因为如此，岩体在外力的作用下其力学属性往
往表现出非均质、非连续、各向异性和非弹性。

由于岩体中存在有大量的结构面，
结构面中还往往有各种充填物。

因此，在受力条件改变时岩体的变形是岩块材料
变形和结构变形的总和，而结构变形通常包括结构面闭合、充填物压密及结构体
转动和滑动等变形。

在一般情况下，岩体的结构变形起着控制作用。

结构面的影
响是岩体的力学性质不同于岩块力学性质的本质原因。

7、试述岩体结构控制论的基本原理及其实际意义。

答：岩体结构控制论的基本原理：大量实践与试验研究表明，岩体的应力传
播、变形破坏以及岩体力学介质属性无不受控于岩体结构。

岩体结构对工程岩体
的控制作用主要表现在三方面，即岩体的应力传播特征、岩体的变形与破坏特征
及工程岩体的稳定性。