岩体力学知识点期末复习题及答案

岩体力学知识点

一、岩体与岩石区别与联系

岩石是由矿物或岩屑在地质作用下按一定的规律聚集而形成的自然物体。岩体是由岩

石块与各种各样的结构面共同组成的综合体。结构面是指具有极低的或没有抗拉强度的不

连续面。岩体与岩石的主要联系是岩体由岩石与结构面组成，他们的区别是岩体中结构面

的存在使岩体具有不连续性，岩体的不连续性主要受结构面对岩体结构的隔断性质所控

制，因而岩体多数是属不连续介质，而岩石块木身则可作为连续介质看待。同时，结构面

还降低了岩体的力学强度和稳定性能，使得岩体强度远低于岩石强度。

二、岩石基本物理性质的指标计算

1.岩石的密度指标

（1）岩石的密度

①天然密度（天然密度是指岩石在自然条件下，单位体积的质量）：p=^（g/cm3）

其中，m是岩石试件的总质量，V是该试件的总体积。

②饱和密度（饱和密度是指岩石中的孔隙都被水充填时单位体积的质量）：.§。=四等

其中，nis是岩石中固体的质量，力是孔隙的体积，pw是水的密度。

③干密度（干密度是指岩石孔隙中的液体全部被蒸发，试件中仅有固体和气体的状态下，

其单位体积的质量）：PL詈（g/cm3）

④重力密度（重力密度是指单位体枳中岩石的重量）：通常由密度乘上重力加速度而得，单

位是kN/m?

（2）岩石的颗粒密度（岩石的颗粒密度是指岩石固体物质的质量与固体体枳之比）：？$=

2.岩石的孔隙性

（1）岩石的孔隙比（岩石的孔隙比是指孔隙的体积与固体体积之比）：e=^

（2）岩石的孔隙率（孔隙率是指孔隙的体积与试件总体积的比值百分数）：n=^x

100（%

根据试件中二相体的相百关系.孔隙比e与孔隙率n存在着如下关系式：e=^：n=1-

Pa

Ps

3.岩石的水理性质

（1）岩石的含水性质

①岩石的含水率（岩石的含水率是指岩石孔隙中含水的质量与固体质量之比百分数）：3=

100（%）

ms

②岩石的吸水率（岩石的吸水率是指岩石吸入水的质量与试件固体的质量之比）：

自由吸水率：U)a=^^x100(%)饱和吸水率：牝a="匚口X100(%)

其中，mo是试件浸水48h的质量，mp是试件经煮沸或真空抽气饱和后的质量。

(2)岩石的渗透性(岩石的渗透性是指岩石在一定的水力梯度作用下，水穿透岩石的能

力)：

3

达西定律：qx=AK^(m/s)

其中，q》是沿x方向水的流量，h是水头的高度，A是垂直于x方向的截面积，K是岩石

沿x方向的渗透系数。

4.岩石的抗风化指标

(1)软化系数(软化系数是指岩石饱和单轴抗压强度与干燥状态下的单轴抗压强度的比

值)："=詈

Kcd

软化系数是一个小于等于1的系数，该值越小，则岩石受水影响越大。

(2)岩石的耐崩解性指数：/=^xl00(%)

d2ms

其中，是经两次循环实验所求的的耐崩解性指数，6s是试验前试块的烘干质量，

是两次循环试验后，残留在圆筒内的石块的烘干质量。

(3)岩石的膨胀性

①岩石的自由膨胀率(岩石的自由膨胀率是指岩石试件在无任何约束的条件下浸水后所产

生膨胀变形与试件原尺寸的比值)：

径向自由膨胀率：V=vx100(%)轴向自由膨胀率：V=^xlOO(%)

HHDu

其中，△。分别为浸水后岩石试件轴向、径向膨胀变形量，H,。分别是岩石试

件实验前的高度、直径。

岩石的侧向约束膨胀率：rHp=^xioo(%)

其中，△”HP为有侧向约束条件下所测得的轴向膨胀变形量。

③膨胀压力：膨胀压力是指岩石试件浸水后，使试件保持原有体积所施加的最大压力。

5.岩石的其他特性

岩石的抗冻性：悔=今

其中，Rf是岩石冻融后的饱和单轴抗压强度，心是岩石冻融前的饱和单轴抗压强度，

抗冻性越大，影响变化越大。

三、岩体结构面的基本参数

1.产状：产状是指结构面在空间的分布状态，由走向、倾向、倾角所组成的三要素来描

述。

2.间距：结构面的间距是指同组相邻结构面的垂直距离。通常采用同组结构面的平均间

距。间距的大小反应了岩体的完整程度。

3.延展性：延展性指在一个岩体的露头上所见到的结构面迹线的长度。该参数反映了该

组结构面的规模大小。

4.粗糙度和起伏度：反映了相对于结构面平均平面的表面不平整度。起伏度较大可能

影响结构面的局部产状，结构面越粗糙其抗剪强度也会越高。

5.结构面面壁强度：结构面是由两个表面组成。当结构面的面壁风化程度与母岩很接

近，则其强度与母岩一致，

6.结构面的开度与充填物：结构面两个面壁之间的垂直距离称作结构面的开度。处在

结构面缝隙中的物质被称作充填物.

7.结构面的渗透性：在单个结构面或者整个岩体中所见到的水流和水量的状态。

8.结构面的组数和岩块的尺寸：岩体中结构面的组数反映了结构面的发育程度，而结

构面组数的多少，又可反映岩体被结构面切割所形成的岩块的大小。

四、结构面的分类

1.按结构面成因分类

(1)原生节理：通常指在成岩过程中所形成的结构面。

(2)构造节理：由于构迨运动所形成的结构面。

(3)次生节理：成岩后期由于风化作用而形成的结构面。

2.结构面的绝对分类和相对分类

(1)绝对分类：该分类是建立于结构面的延展长度基础上的。一般将结构面分为：细小的

结构面，其延长小于1m；中等的结构面，其延长为l-10m；巨大的结垢面，其延长大雨

lOlDo

(2)相对分类：按工程结构类型和其规模大小将结构面分为细小的、中等的及大型的等不

同类型。

3.按地质力学观点进行的结构面分类

按地质力学观点可将岩体的地质破坏分为三大种：第一种为破坏面，它属于大面积的破

坏，一般认为这种破坏是由缓慢地质作用形成的。第二种是破坏带，属于小面积的密集的

破坏，一般认为是由快速的地质作用所形成。第三种为破坏面与破坏带的过渡类型，它同

时具有破坏面和破坏带的力学特点，并表现为介于这二者之间的破坏特征。

五、工程岩体分类

1.RQD：是以修正的岩心采取率来确定的。岩心采取率是指采取岩心总长度与钻孔在岩

层中的长度之比，RQD是选用坚固完整的、其长度等于或大于10cm的岩心总长度与钻孔在

岩层中的长度之比，并用百分数来表示。

2.按岩体综合指标分类：

(1)RMR：岩体的RMR取决于五个通用参数和一个修正参数，五个通用参数为岩石抗压

强度、岩石质量指标、节理间距、节理状态和地下水状态，修正参数取决于节理方向对工

程的影响。把上述各个参数的岩体评分值相加起来就得到岩体的RMR值。岩石的抗压强度

可以用标准试件进行单轴压缩来确定；岩石质量指标RQD由修正的岩心采取率确定。节理

间距可以由现场露头统计测定，通常是指对工程稳定性最起关键作用的那一组的节理问

距；对了对「节理状态主要考虑节理面的粗糙度、张开度、充填物状态以及节理延伸长度

等因素。：地下水状态由地下水的总状态确定；修正参数值采用扣除分值的形式。

(2)Q分类：该分类根据隧道工程岩体的特点，采用六个参数，即岩体的质晟指标RQD、

节理的组数系数九、节理的粗糙度系数人、节理的噬变系数人、地下水的影响系数九、应力

折减系数SRF。Q=左x上

)n)a卜

六、岩体初始应力场的分布规律

1.岩体初始应力场是时间和空间的函数

岩体初始应力在绝大部分地区是以水平应力为主的三向不等压应力场。三个主应力的

大小和方向是随着空间和时间的变化而变化的，因而它是个非稳定的应力场。

2.实测垂直应力基本等于上覆岩层的重量

3.水平应力普遍大于垂直应力

在几乎所有地区均有两个主应力位于水平或接近水平的平面内，其与水平面的夹角一

般不大于30°

4.平均水平应力与垂直应力的比值随深度增加而减小

5.水平主应力随深度呈现性增长关系

6.两个水平主应力一般相差较大

七、岩体初始应力量测方法

1.水压致裂法

水压致裂法是通过液压泵向钻孔内拟定测量深度处加液压将孔壁压裂，测定压裂过程

中的各特征点压力及开裂方位，以此计算测点附近岩体中初始应力大小和方向。其测量结

果只能确定垂直于钻孔平面内的最大主应力和最小主应力的大小和方向，是一种二位应力

测量方法。

2.应力解除法

(1)孔底应力解除法

把应力解除法用到钻孔孔底就成为孔底应力解除法。由于采取岩芯较短，因此，适应

性强，可用于完整岩体及较破碎岩体中。

(2)孔壁应变法

孔壁应变法是在钻孔壁上粘贴三向应变计，通过测最应力解除前后的应变，来推算岩

体应力，利用单一钻孔可获得一点的空间应力分量。采用孔壁应变法只需打一个钻孔就可

以测出一点的应力状态，测试工作量小，精度高。

(3)孔径变形法

孔径变形法是在岩体小钻孔中埋入变形计，测量应力接触前后的孔径变化量，来确定

岩体应力的方法。其测试元件具有零点稳定性好，直线性、重复性和防水性好，适应性

强，操作简便，可以重复使用。

3.应力恢复法

应力恢复法是用来直接测定岩体应力大小的一种测试方法仅用于岩体表层。

4.声发射法

如果从原岩中取网定向的岩石试件，通过对加工的不同方向的岩石试件进行加再生发

射试验，测定凯泽点，即可找出每个试件以前所受的最大应力，并进而求出取样点的原始

三维应力状态。

八、高地应力状态

由于不同岩石具有不同的弹性模量，岩石的储能性能也不同。一般来说，地区初始地

应力大小与该地区岩体的变形特征有关，岩质坚硬，则储存弹性能多，地应力也大。因此

高地应力是相对于围岩强发而言。当围岩内部围岩强度与最大地应力的比值达到某一水平

时，才能称为高地应力。

九、按弹性分析二次应力状态分布

1.侧压力系数入=1

(1)洞周的二次应力分布特征

极坐标下的切向应力。。随着半径r的增大而减小，径向应力与随之而增大。此外，围

岩的二次应力状态，与岩体的弹性常数E,K无关，也与径向夹角8无关，在一个圆环上的

应力是相等的。而应力的大小与洞石半径和径向距离的比值以及初始应力值Po的大小有

关。

（2）洞室的径向位移

由于圆形洞室形状和荷载对称，使得洞石的切向位移为零。而径向位移u的表达式是由

两部分组成，一部分是与开挖洞石的半径有关，而另一部分则与洞石半径无关。

（3）洞周的应变

圆形洞室周边岩体的应变特性由两部分组成，一部分为开挖前由于初始应力所产生的

应变，另一部分由于开挖而产生的应变。切向应变与径向应变的绝对值相等，符号相反，

切向应变是压应变，径向应变是拉应变，表明了在人=1二次应力为弹性分布的条件下，岩

体体积不发生变化的特点，

（4）洞壁的稳定性评价

洞壁的稳定性可以用下式进行评价：的工［%］，其中，［分］为岩石允许单轴抗压强

度。

2.侧压力系数人工1

当人二0时，其洞壁的应力分布为最不利状态。此时，洞顶的切向应力-Po,出现

拉应力；而在洞的侧壁中展将承受最大的压应力的=3p0.当人=1/3时，洞顶的应力为

零。可见入=1/3是洞顶是否出现拉应力的临界值，若入<1/3,则洞顶将产生拉应力；

若人>1/3,洞顶将产生压应力。

十、按弹塑形与弹性分析区别

L当开挖后，洞壁的切向应力的=2p0>/时，洞周的岩体将产生塑形区；

2.在\=1的条件下，塑形区是一个圆环，塑形区内的应力％口和%将随r的增大而增

大，且塑形区内的应力应该满足所假设的起诉条件、当「二%时，围岩处在塑形区的边界

上，而塑形区边界上的径向应力将影响弹性区的应力、位移、应变的计算。

3.当r>Rp时，围岩的应力将进入弹性区。由于塑形区的存在，将限制弹性区内的应

力、位移、应变的变化。因此，与弹性二次应力状态相比，各计算式中增加了由于塑形区

边界上的径向应力。RO的作用所引起的增品，而分布规律与纯弹性分布大致相同。

十一、围岩压力的分类

1.松动压力：松动的岩体或者施工爆破所破坏的岩体等在自重的作用下，掉落在洞石上的

压力称为松动压力。

2.形变压力：岩体在重力和构造应力的作用下，由于洞石的开挖所产生的围岩二次应力状

态。

3.冲击压力：岩爆是地层压力中的一种特殊现象，有时成为冲击地压。