岩石力学与工程习题答案全解

1． 构成岩石的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、赤铁矿。 2． 为什么说基性岩和超基性岩最容易风化？ 答：基性岩石和超基性岩石主要由易风化的橄榄石、辉石及基性斜长石组成。所以基性岩石和超基性岩石 非常容易风化。

3、常见岩石的结构连结类型有那几种？

1.结晶连结：岩石中矿物颗粒通过结晶相互嵌合在一起，如岩浆岩、大部分变质岩以及部分沉积岩的结构连结。

2.胶结连结：指颗粒与颗粒之间通过胶结物质连结在一起的连结。如沉积碎屑岩、部分粘土岩的结构连结。

4． 何谓岩石中的微结构面，主要指那些，各有什么特点？

答：岩石中的微结构面（或缺陷）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。 矿物的解理面：是指矿物晶体或晶粒受力后沿一定结晶方向分裂成的光滑平面。 晶粒边界：矿物晶体内部各粒子都是由各种离子键、原子键、分子键等相连结。由于矿物晶粒表面电价不平衡而使矿物表面具有一定的结合力，但这种结合力一般比起矿物内部的键连结力要小，因此，晶粒边界就相对软弱。微裂隙：是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迹线，也称显微裂隙。 粒间空隙：多在成岩过程中形成，如结晶岩中晶粒之间的小空隙，碎屑岩中由于胶结物未完全充填而留下的空隙。粒间空隙对岩石的透水性和压缩性有较大的影响。 晶格缺陷：有由于晶体外原子入侵结果产生的化学上的缺陷，也有由于化学比例或原子重排列的毛病所 产生的物理上的缺陷。它与岩石的塑性变形有关。

5． 自然界中的岩石按地质成因分类，可分为几大类，各大类有何特点？ 答：根据地质学的岩石成因分类可把岩石分为岩浆岩、沉积岩和变质岩。 岩浆岩特点： 1）深成岩：常形成较大的入侵体。颗粒均匀，多为粗-中粒状结构，致密坚硬，孔隙很小，力学强度高， 透水性较弱，抗水性较强。2）浅成岩：成分与深成岩相似，但产状和结构都不相同，多为岩床、岩墙和岩脉。均匀性差，与其他 岩种相比，它的性能较好。3）喷出岩：结构较复杂，岩性不均一，连续性较差，透水性较强，软弱结构面比较发育。 沉积岩特点：1）火山碎屑岩：具有岩浆和普通沉积岩的双重特性和过渡关系，各类火山岩的

性质差别很大。2）胶结碎屑岩：是沉积物经过胶结、成岩固结硬化的岩石。

其性质取决于胶结物的成分、胶结形式和 碎屑物成分和特点。3）粘土岩：包括页岩和泥岩。其性质较差。4）化学岩和生物岩：碳酸盐类岩石，以石灰石分布最广。结构致密、坚硬、强度较高。 变质岩特点：是在已有岩石的基础之上，经过变质混合作用后形成的。在形成过程中由于其形成的温度和 压力的不同而具有不同的性质，形成了变质岩特有的片理、剥理和片麻结构等。据有明显的不均匀性和各向异性。变质岩特点1） 接触变质岩：侵入体周围形成岩体。岩

体透水性强，抗风化能力降低。

2） 动力变质岩：构造作用形成的断裂带及附近受到影响的岩石。它的胶结不好，裂隙、孔隙发育， 强度低，透水性强。3） 区域变质岩：这种变质岩的分布范围广，岩石厚度大，变质程度均一。一般块状岩石性质较好， 层状片状岩石性质较差。 6． 表示岩石物理性质的主要指标及其表示方式是什么？

答：指由岩石固有的物理组成和结构特性所决定的比重、容重、孔隙率、水理性等基本属性。 7、 岩石破坏有几种形式？对各种破坏的原因作出解释。

答：试件在单轴压缩载荷作用破坏时，在试件中可产生三种破坏形式:

(1)X状共轭斜面剪切破坏，破坏面上的剪应力超过了其剪切强度，导致岩石破坏。 (2)单斜面剪切破坏，破坏面上的剪应力超过了其剪切强度，导致岩石破坏。 (3)拉伸破坏，破坏面

上的拉应力超过了该面的抗拉强度，导致岩石受拉伸破坏。 9、 什么是全应力-应变曲线？为什么普通材料实验机得不出全应力-应变曲线？

答：全应力应变曲线：能显示岩石在受压破坏过程中的应力、变形特性，特别是破坏后的强度与力学性质 的变化规律。由于材料试验机的刚度小，在试件压缩时，其支柱上存在很大的变形和变形能，在试件快要破坏时，该变形能突然释放，加速试件破坏，从而得不出极限压力后的应力应变关系曲线。 11.在三轴压缩试验条件下，岩石的力学性质会发生哪些变化？ 答：三轴压缩条件下，应力应变曲线如图1-31、1-32所示，围压对岩石变形的影响主要有： (1)随着围压(σ 2= σ 3) 的增大，岩石的抗压强度显著增加；

(2)随着围压(σ 2= σ 3) 的增大，岩石破坏时，岩石的变形显著增加； (3)随着围压(σ 2= σ 3) 的增大，岩石的弹性极限显著增加；

(4)随着围压(σ 2= σ 3) 的增大，岩石的应力应变曲线形态发生明显的改变，岩石的性质发生了变化，由弹脆性---弹塑性---应变硬化。抗压强度显著增加；

12.什么是莫尔强度包络线？如何根据试验结果绘制莫尔强度包络线？

答：三轴抗压强度实验得出：对于同一种岩石的不同试件或不同实验条件（不同的围压时的最大轴向压力值）

给出了几乎恒定的强度指标值（直线性强度曲线时为岩石的内聚力和内摩擦角）。这一强度指标以莫尔强度包络线的形式给出.在不同围压条件下，得出不同的抗压强度，因而可以做出不同的莫尔应力圆,这些莫尔应力圆的包络线就是莫尔强度包络线。

16.线弹性体、完全弹性体、弹性体三者的应力-应变关系有什么区别？ 答：完全弹性体：循环加载时的σ -ε 关系为曲线。加载路径与卸载路径完全重合。 线弹性体：循环加载时的σ -ε关系为直线。加载路径与卸载路径完全重合。弹性体岩石：加载路径与卸载路径不同，但反复加载与卸载时，应力应变关系总是服从此环路的规律。 19.影响岩石力学性质的主要因素有哪些，如何影响的？

答：影响岩石力学性质的主要因素有水、温度、加载速度、风化程度及围压。 (1) 水对岩石力学性质的影响

1） 连结作用：束缚在矿物表面的水分子通过其吸引力作用将矿物颗粒拉近、接紧，起连接作用。 2） 润滑作用：由可溶盐、胶体矿物连接的岩石，当有水入侵时，可溶盐溶解，胶体水解，导致矿物颗 粒间连接力减弱，摩擦力减低，从而降低岩石的强度。 3） 水楔作用：当两个矿物颗粒靠得很近，有水分子补充到矿物表面时，矿物颗粒利用其表面吸附力将 水分子拉倒自己周围，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，这种现象称水楔作用。（a）使岩石体积膨胀，产生膨胀压力 (b)水胶连接代替胶体连接产生润 滑作用，降低岩石强度 4） 孔隙压力作用：岩石受压时，岩石内孔隙水来不及排出，在孔隙内产生很高的孔隙压力，降低了岩 石的内聚力和内摩擦角，减小了岩石的抗剪强度。5） 溶蚀-潜蚀作用：岩石中渗透水在流动过程中可将岩石中可溶 物质溶解带走，从而使岩石强度大为减低。 (2) 温度对岩石力学性质的影响：随着温度的增高，岩石的延性加大，屈服点降低，强度也降低。(3) 加载速度对岩石力学性质的影响：加载速率越快，测得的弹性模量越大，获得的强度指标越高。国际岩石力学学会建议的加载速率为 0.5~1Mpa/s。(4) 围压对岩石力学性质的影响：岩石在三轴压缩条件下，岩石的强度和弹性极限都有显著增加。(5) 风化对岩石力学性质的影响a) 降低岩体结构面的粗糙程度并产生新的裂隙，b) 岩石在化学风化过程中，矿物成分发生变化，岩体强度降低。 2.地应力对岩体的影响体现在哪几个方面？ 答：地应力对岩体力学性质的影响主要有：

(1)地应力影响岩体的承载能力：围压越大、承载能力越大。(2)地应力影响岩体的变形和破

坏机制。如在低围压条件下破坏的岩体，在高围压条件下呈现出塑性变 形和塑性破坏。(3)地应力影响岩体中的应力传播的法则。非连续介质岩体在高围压条件下，其力学性质具有连续介质岩体的特征。 3．岩体结构划分的主要依据是结构面和结构体 4.简述各类岩体结构主要地质特征。

答：(1)完整结构岩体的地质特征多半是碎裂岩体中的结构面被后生作用愈合而成。 后生愈合作用有两种：其一为压力愈合， 其二为胶结愈合。(2)块裂结构岩体的地质特征： 多组或至少有一组软弱结构面切割及坚硬结构面参与切割成块状结构体的高级序岩体结构。其软弱结 构面主要为断层、层间错动也是重要的软弱结构面之一，参与切割的坚硬结构面一般延展较长，多数 为错动过的坚硬结构面，(3)板裂结构体的地质特征： 主要发育于经过褶皱作用的层状岩体内，受一组软弱结构面的切割，结构体呈板状。软弱结构面主要 为层间错动面结构体多数为组合板状结构体。(4)碎裂结构岩体的地质特征： 岩体的结构面主要为原生结构面及构造结构面。块状碎裂结构的结构体块度大，大多为1~2米，层状 碎裂结构的块度小，起块度与岩层厚度有关。如图2.2d。(5)断续结构岩体的地质特征结构面不连续，对岩体切割而不断，个别地方也有连续贯通构。(6)散体结构岩体的地质特征(a)碎屑状散体结构岩体 结构面:无序分布，结构面中有软弱的，也有坚硬的。 结构体主要为角砾(b)糜棱化散体结构岩体：主要指断层泥而言。 5．简述工程岩体的惟一性

答：在不同的岩体工程条件下，岩体结构可视为块裂结构，断续结构和碎裂结构。因此，岩体结构是相对的，而在确定的地质条件和工程尺寸条件下，工程岩体结构才是唯一确定的。 6． 按结构面成因、结构面通常分为几种类型？

答：.结构面按成因分：原生结构面、构造结构面、次生结构面

原生结构面：成岩阶段所形成的结构面。岩石成因不同又分为沉积结构面、火成结构面和变质结构面。 构造结构面：岩体在构造运动作用下形成的结构面。

次生结构面：在外力作用下（风化、地下水、卸载、爆破等）形成的各种界面。 7． 结构面的级别及其特征。

答：根据结构面的发育程度、规模大小、组合形式等可以将结构面分为五级. Ⅰ级结构面: 对区域构造起控制作用的断裂带,延伸数十公里,深度可穿一个构造层. Ⅱ级结构面: 延伸性强而宽度有限的地质界面,延伸数百米。 Ⅲ级结构面：局部性的断裂结构，主要指小断层，延伸数十米。 Ⅳ级结构面：一般延展性较差，无明显的宽度的结构面，延伸数米。 Ⅴ级结构面：延伸性甚差的微裂隙、节理。 8．描述结构面状态的指标。 答：结构面状态的指标包括： （1）结构面产状：对岩体是否会沿某一结构面滑动起控制作用。（2）结构面形态：决定结构面抗滑力的大小。结构面起伏越大，抗滑力也越大。（3）结构面的延展尺度：在工程范围内，延展尺度最大的结构面，控制着岩体的强度。（4）结构面的密集程度：以岩体裂隙度 K 和切割度 X 表示岩体结构面的密集程度。 9． 结构面的剪切变形、法向变形与岩石强度、结构面粗糙性和法向力有关。 10.结构面力学性质的尺寸效应体现在哪几个方面？

答：结构面试块长度增加，平均峰值摩擦角降低，试块面积增加，剪切应力呈现出减小趋势。此外，还体现在以下几个方面：（1）随着结构面尺寸的增大，达到峰值强度时的位移量增大；（2）试块尺寸增加， 剪 切破坏形式由脆性破坏向延伸破坏转化；（3）尺寸增加，峰值剪胀角减小，结构面粗糙度减小，尺寸效应也减小。 11. 岩体在多次循环荷载作用下岩体变形有什么特征？ 答： 岩体在加载过程中，应力应变曲线呈上凹型，中途卸载回弹变形有滞后现象，并出现不可恢复的残余 变形，不论每一级加载与卸载循环曲线都是开环型。岩体在循环荷载作用下，而卸载时荷载又不降至零时， 相应的变形过程将出像闭环型式。

15.岩体中水渗流与土体中水渗流有什么区别？

答：岩体的水力学性质指岩体的渗透性能及在渗流作用下所表现的力学性质。

(1)土体的渗流以孔隙为主。 特点：(a)土体渗透性大小取决于岩性，土体中颗粒愈细，渗透性愈差；(b)土体可看作多孔连续介质；(c)土体的渗透性一般具有均质（或非均质）各向同性（黄土为各向异性）；(d)土体渗流符合达西渗流定律。 岩体的渗流以裂隙为主。特点：(a)岩体渗流大小取决于岩体中结构面的性质及岩块的性质；(b)岩体渗流以裂隙导水，微裂隙和孔隙储水为其特征；(c)岩体裂隙网络渗流具有定向性；(d)岩体一般看作非连续介质（对于密集裂隙可看作等效连续介质）；(e)岩体的渗流具有高度的非均质性和各向异性；(f)一般岩体中的渗流符合达西定律（岩溶管道流一般为紊流，不符合达西定律）；(g)岩体渗流受应力场影响明 显；

(h)复杂裂隙系统中的渗流，在裂隙交叉处，具有“偏流效应”，即裂隙水流经大小不同裂隙交叉 时，水流偏向宽大裂隙一侧流动。

16. 地下水对岩体的物理、化学作用体现在哪几个方面？

答：地下水对岩体的影响分为：物理的、化学的和力学的影响。 (1)岩体的物理作用： (a)润滑作用：在裂隙面上，水使裂隙面之间的摩擦系数减小。

(b)软化和泥化作用：结构面内某些物质与水结合后变软并成泥，减小了结构面之间的粘聚力和摩擦力。 (c)结合水的强化作用：在非饱和状态下，岩体含水能增强岩体颗粒之间的联系，从而增加岩体的强度。 (2)对岩体的化学作用： (a)离子交换作用：富含 Ca、Mg 离子的地下水在流经富含 Na 离子的岩土时，Ca、Mg 离子置换岩土中的 Na 离子， 一方面，由水中 Na 离子富集使天然地下水软化，另一方面，岩土中的 Ca、Mg 离子增加了孔隙度和渗透性能。 (b)溶解作用和溶蚀作用：大气降雨中的酸性物质在地下水中对岩石中的石灰岩、白云岩、石膏等产生溶蚀作用，使岩体产生裂隙和溶洞，增加了岩体的渗透性能。 (c)水化作用：水渗透到岩体的矿物结晶格架中，使岩体的结构发生微观及宏观的改变，减小了岩体的内聚 力，膨胀岩体与水结合，使起岩体内部产生膨胀力。

(d)水解作用：当岩土体中的阳离子与水作用，使地下水中的 H+ （M ++H O=M OH+H+ ）浓度增加，水的酸度

增加，当岩土体中的阴离子与水作用，使地下水中的 OH-

浓度增加，水的碱度增加。水解作用一方面改变地下水的 PH 值。 岩体的力学性质： (e)氧化还原作用：岩土体与氧气作用发生氧化反应，岩土体的矿物组成发生改变，地下水的化学组成也发生改变（如硫化铁氧化后生成氧化铁和硫酸），从而影响岩土体的力学性质。 17.叙述地下水对岩土体的力学作用。 答：对岩土体产生的力学作用：主要通过空隙静水压力和空隙动水压力作用对岩土的力学性质施加影响。前者减小岩土体的有效应力而降低岩土体的强度，在裂隙岩土体中的空隙静水压力可使裂隙产生扩容变形； 后者对岩土体产生切向的推力以降低岩土体的抗剪强度。 18.岩体质量分类有和意义？ 答：为了在工程设计与施工中能区分岩体质量的好坏和表现在稳定性上的差别，需要对岩体做出合理分类，作为选择工程结构参数、科学管理生产以及评价经济效益的依据之一，也是岩石力学与工程应用方面的基础性工作。 1． 简述地应力测量的重要性。

(1)应力测量为各种岩体工程进行科学合理的开挖设计和施工提供依据；(2)地应力状态对地震预报、区域地壳稳定性评价、油田油井的稳定性、核废料储存、岩爆、煤和瓦斯突出 的研究以及地球动力学的研究也有重要的意义。

2．地应力是如何形成的？控制某一工程区域地应力状态的主要因素是什么？

答：地应力是存在于地层中的未受工程扰动的天然应力，也称岩体初应力、绝对应力或原岩应力。地应力主要与地球的各种动力运动过程有关，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、岩浆入侵和地壳非均匀扩容等。控制某一工程区域地应力

状态的主要因素是构造应力场和重力应力场。 1）、大陆板块边界受压引起的应力场。2）、地幔热对流引起的应力场。3）、由地心引力引起的应力场。4）、 岩浆入侵引起的应力场。5）、地温梯度引起的应力场。6）、地表剥蚀产生的应力场。 3．简述地壳浅部地应力分布的基本规律。 答：地应力分布的一些基本规律：

(1)地应力是一个相对稳定的应力场，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)水平应力普遍大于垂直应力；

(4)平均水平应力与垂直应力的比值随深度的增加而减小， σ h，average =(σ h,max +σ h,min )/2

100/H + 0.3<=σ h，average /σ v <=1500/H +0.5

(5)最大水平应力与最小水平应力也随深度呈线形增长关系； σ h，max =6.7 +0.0444·H (Mpa) σ h，min =0.8 +0.0329·H (Mpa)

(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。 地应力的上述分布规律还会受到地形、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。

地应力测量方法分哪几类？它们的主要区别在哪里？每类包括那些主要测量技术？ 答：依据测量基本原理的不同，可将测量方法分为直接测量法和间接测量法两大类。

直接测量法是由测量仪器直接测量和记录各种应力量，包括：扁千斤顶法、水力致裂法、刚性包体应 力计法和声发射法。间接测量法是借助某些传感器或某些介质，测量和记录岩体中某些与应力有关的间接物理量的变化， 如岩体中的变形和应变，然后由计算公式求出原岩应力值。包括：套孔应力解除法和其他的应力应变解除法以及地球物理方法等。其中套孔应力解除法是目前国内外广泛使用的一种方法。 4． 简述水压致裂法的基本原理 5． 简述水压致裂法的主要测量步骤。

(a)打钻孔到准备测量应力的部位；并将钻孔中待加压段用封隔器密封起来；(b)向隔离段注入高压水，记录孔裂开时的压力值 Pi,继续加压，直到裂隙扩张到孔径的 3 倍，关闭高压水 系统，保持水压恒定，此时的应力为关闭应力，记为 Ps ，最后卸压，使裂隙闭合，此时孔内压力为 P0 。(c)重新向密闭段注入高压水，使裂隙重新打开，记录裂隙重新打开时的压力 Pr,和随后的恒定关闭压力 Ps,其孔内压力时间曲线如图 3-9。(d)

将封隔器卸压，从孔中取出，(e)用摄象机记录孔内的水压致裂裂隙，天然节理、裂隙的位置、方向和大小。 6． 对水压致裂法的主要优缺点做出评价。 优点(a)能测量深部应力（已知最深为 5000 米）;(b)在没有地下工程或硐室的条件下，对露天边坡工程的地应力进行估算；缺点 (a)只能确定垂直钻孔平面内的最大主应力和最小主应力的大小和方向；(b)只适用与完整的脆性岩石中。 9．简述套孔应力解除法的基本测量原理和主要测试步骤。

答：全应力解除法（套孔应力解除法） 全应力解除法即是测点岩体完全脱离地应力的作用，测量其变形值，再根据岩体的物理力学性质计算其原 岩应力。此种方法最为适用、可靠。 操作步骤：

(a)从岩体表面向岩体内打大钻孔，直径一般为 130~150mm，(b)从大钻孔内再打小钻孔，直径一般为 36~38mm，(c)在小孔中央安装探头，(d)再用大钻头打大孔，解除探头上的压应力，记录岩体的变形值，(e)取出岩芯，测量岩芯的 E，μ 等物理力学参数，(f)根据理论公式计算原岩应力值。 套孔应力解除法又分为：孔径变形法、孔底应变法、孔壁应变法、空心包体应变法和实心包体应变法五种。 1.岩石力学弹性平面问题的基本方程有几个？每一类基本方程是从什么方面考虑的？ 答: 岩石力学弹性平面问题的基本方程有三组共 8 个方程: 第一组: 平衡微分方程，它考虑微元体的力学平衡。

第二组:平面问题的几何方程，它考虑物体受理后的几何尺寸改变关系，即位移与应变的关

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