《赵文《岩石力学》笔记和课后习题（含考研真题）详解》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。
目录内容简介目录绪论O1复习笔记02典型题（含考研真题）详解第1章岩石的物理力学性质1.1复习笔记1.2课后习题详解1.3典型题（含考研真题）详解第2章岩体的力学性质2.1复习笔记2.2课后习题详解2.3典型题（含考研真题）详解第3章地应カ及其测量3.1复习笔记32课后习题详解3.3典型题（含考研真题）详解第4章露天矿边坡4.1复习笔记4.2课后习题详解4.3典型题（含考研真题）详解第5章井巷地压5.1复习笔记5.2课后习题详解5.3典型题（含考研真题）详解第6章采场地压及其控制6.1复习笔记62课后习题详解
163典型题（含考研真题）详解第7章岩石工程支护及治理
27.1复习笔记7.2课后习题详解7.3典型题（含考研真题）详解
30.1复习笔记「岩石力学的基本慢念『什么是岩石力学イ岩石分类【岩石和岩体的区别桀丿岩石力学的发展c岩石和岩体的物理力学性质论「研究内容ノ岩石的破坏机制和强度准则工程岩体的特定性分析I岩石力学的济究内容和方法《I岩体的加固和处理技术“科学实验I济究方法|理论分析I模拟计算【知识框架】【重点难点归纳】ー、什么是岩石力学1.基本概念(1)岩石力学是研究岩石的力学性状和岩石对各种物理环境的カ场产生效应的ー门理论科学,是力学的一个分支,同时它也是ー门应用科学。(2)岩体力学是固体力学的一个分支,它研究岩体在力场作用下的强度、变形与破坏，以及与其相关的岩体稳定性问题。(3)岩石是组成地壳的基本物质,它是由矿物或岩屑在地质作用下按一定的规律聚集而成的自然体,如花岗岩、大理岩、石灰岩等。2.岩石分类岩石按成因的分类如下:①岩浆岩。指岩浆冷凝而形成的岩石,具有强度高、均质等特性。②沉积岩。指母岩经搬运、沉积而形成的岩石,它具有层理性与各向异性。③变质岩。指原岩在高温、高压下及化学性流体的影响下发生变质而形成的岩石,其性质和变质程度有关。3.岩石和岩体的区别
4（1）基本概念①岩石。是指从地壳岩层中切割出来的岩块。②岩体。岩体是地质体,它的形成与漫长的地质年代有关,它是一定工程范围内的自然地质体,经过各种地质运动,内部含有构造和裂隙。岩体具有多样复杂的特性,即使是由相同物质组成的岩体,其力学特性也可能有很大的差异。（2）结构特点与区别①岩体的特点:不均质性、地质体、时间因素影响、环境因素影响、含有缺陷。②岩石与岩体的区别。岩体是非均质各向异性体;岩体内部存在着初始应カ场;岩体内含有各种各样的裂隙系统,处于地下环境,受地下水等因素的影响。③岩石结构。岩石矿物颗粒的大小、形状、表面特征、颗粒相互关系、脉结类型等。④岩石构造。岩石的组成部分在空间排列的情况,如岩石的层面构造、层理构造等。二、岩石力学的发展（1）岩石力学最早源于采矿工程,20世纪以前，岩石力学处于萌芽阶段。我国明末科学家宋应星在1637年编著的《天工开物》中记有大量的开采情况。后来西欧ー些国家在19世纪也有一些研究。（2）20世纪初至50年代,人们借助土力学的研究成果解决岩石力学问题,出现了相似材料和光弹模拟方法。奥地利地质力学学会的出现,以及1957年法国的塔罗勃（J.Talobre）所著《岩石力学》的出版,标志着岩石力学开始进入发展期。（3）20世纪60年代以后,岩石力学发展较快,无论是从理论和实验手段方面都形成了完整的体系，特别是随着电子计算机的出现,更加推动了岩石力学的发展。尽管岩石力学发展很快,但是工程方面遇到的问题也越来越复杂,如深部开采、岩爆问题、海底隧道、核废料存储、灾害预测与防治等方面面临许多问题,需要更加深入的理论体系来支撑。随着高新技术的发展和新的测试技术的出现如遥感技术、三维地震CT、声发射和微震监测等技术的应用丰富了岩石力学的研究手段，加速了岩石力学的发展。三、岩石力学的研究内容与方法1.研究内容（1）岩石和岩体的物理力学性质;（2）岩石的破坏机制和强度准则;（3）工程岩体的稳定性分析;（4）岩体的加固和处理技术。2.研究方法31）科学实验。包括实验室和现场实验。42）理论分析。采用岩石力学理论分析。（3）模拟计算。采用计算软件借助飞速发展的计算机技术,对复杂的岩石力学问题
5进行模拟计算,这是岩石力学研究中十分有用的强大工具,现代的岩石力学研究已离不开模拟计算。
60.2典型题（含考研真题）详解1.岩体工程分析所考虑主要因素有哪些?国内外代表性的岩体分析方法有哪些?［中南大学2012年］答:（1）岩体工程分析主要考虑因素有:①岩石和岩体的地质特征,其中包括:岩石的物质组成和结构特征;结构面特征及其对岩体力学性质的影响;岩体结构及其力学特征；岩体工程分类；②岩石的物理、水理与热力学性质；③岩石的基本力学性质；④结构面的力学性质;⑤岩体力学性质。（2）目前国内外代表性的岩体分析方法有:①工程地质研究法。包括岩矿鉴定法、工程勘探法;②科学实验法。包括遥感技术、激光散斑和切层扫描技术、三维地震CT成像技术、微震技术等；③数学力学分析法。包括数值分析法（有限差分法、有限元法、边界元法等）、模糊类聚和概率分析法（随机分析、可靠度分析、灵敏度分析等）、模拟分析法；④整体综合分析法。2.简述岩石和岩体的联系和区别。答:（1）区别:岩石是从地壳岩层中切割出来的岩块；而岩体是由结构体和结构面组成的地质体,它的形成与漫长的地质年代有关,它是一定工程范围内的自然地质体,经过各种地质运动，内部含有构造和裂隙。岩体是非均质各向异性体;岩体内部存在初始应カ场;岩体内含有各种各样的裂隙系统，处于地下环境，受地下水等因素影响。（2）联系:岩石是组成岩体的基本单元,岩体是由岩石组成的地质体。
7第1章岩石的物理力学性质1.1复习笔记【知识框架】
8-岩石与岩体囈述イ彩冠岩石物理力学性史的医索I岩石物婴力学性差的斤究内容「岩石的老度岩石的物理性受J岩石的孔隙性1岩石的水理性更ク岩石变形分类岩石材料分类岩石里向压缩应カー应变曲或特征ク岩石的变形特性《嗜环荷载条件下岩石的变形特征三竝压缩条件下的岩石变形特征岩石的力学性更,岩石变形指标及其测定]I应カー应变全过程曲淡「岩石的雪毡抗压强变I岩石的强度特性ノ岩石的望拄抗拉强笠!岩石的抗更强度I岩石的三竝抗压强变ク基本考念求变阶段丸分「彈性元件流变元小把性元件岩石的流变性受（〔塑性元件「马克斯佈尔（Naxwll）噴型流变嘆玄イ凯尔文（Kelvin）复雍【其他里ヱ【岩石长期强变「地性拉倬破坏!剪切破坏ク岩石的破坏形式]沿结构面滑移（重契切破坏）、塑性破坏岩石的强叟理论＜莫尔一年仑强度准则〔格里詐斯准则【重点难点归纳】ー、概述1.岩石与岩体（1）岩石是由各种造岩矿物或岩屑在地质作用下按一定规律组合而形成的多种矿物颗粒的集合体,是组成地壳的基本物质。(2)由于岩石中常含有节理和裂隙等结构面,因此岩石力学中将岩石分成岩块和岩体。
9(3)岩石是指从岩体中取出的、无显著结构面的块体物质,有时又称岩块。(4)广义的岩石是岩块和岩体的泛称,面狭义的岩石则专指岩石块体(或称岩石材料)。1.影响岩石物理力学性质的因素岩石根据其成因可分为:岩浆岩、沉积岩、变质岩三大类。岩石的结构与构造是影响岩石力学性质的根本因素。(1)岩石结构是指岩石中矿物颗粒的大小、形状、表面特征、颗粒相互关系、胶结类型特征等。根据岩石的结晶程度,岩石可分为结晶岩和非结晶岩两类，因而岩石颗粒间连接方式分为结晶连接和胶结连接两类。①结晶连接是矿物颗粒通过结晶相互嵌合在ー起,如岩浆岩、大部分变质岩和部分沉积岩都具有这种连接。②胶结连接是矿物颗粒通过胶结物连接在ー起,如沉积岩碎屑之间的连结，这种连接的岩石的强度取决于胶结物的成分和胶结类型。岩石矿物颗粒结合的胶结物质有硅质、铁质、钙质、泥质等。几种胶结物质的岩石强度为:硅质〉铁质〉钙质〉泥质。泥质胶结的抗水性也比较差。从胶结类型看,沉积岩可具基质胶结、接触胶结、孔隙胶结结构。(2)岩石构造是指岩石中不同矿物集合体之间及其与其他组成部分之间在空间的排列方式及充填形式。2.岩石物理力学性质的研究内容岩石物理力学性质包括物理性质和力学性质。(1)物理性质。指因岩石三相组成部分的相对比例关系不同所表现出来的物理性质。与工程密切相关的岩石物理性质有密度、孔隙率、水理性质等。(2)力学性质。主要指在各种类型载荷作用下，它们的变形特征,出现塑性流动和发生破坏的条件。岩石的力学性质包括变形特性、强度特性和强度准则。表征岩石力学性质的参数:变形特性参数有岩石的变形模量、弹性模量、切变模量、泊松比和流变性等;强度特性参数有岩石抗拉、抗弯、抗剪、抗压等强度。这些参数通常采用岩石试件进行室内试验的方法获得。二、岩石的物理性质岩石的物理性质是指由岩石固有的物质组成和结构特征所决定的密度、颗粒密度、孔隙率等基本属性。影响岩石力学性质的物理、水理性质包括内容较多,但与工程密切相关的有岩石的密度、孔隙性、渗透性、软化性、膨胀性等。
101.岩石的密度岩石密度是指单位体积岩石的质量,单位为kg/nv。岩石的密度又可分为块体密度和颗粒密度。(1)块体密度。指单位体积岩石(包括岩石孔隙体积)的质量。根据岩石试样的含水状态不同,可分为天然密度、饱和密度和干密度。①天然密度p。指岩石块体在天然含水状态下的单位体积的质量;②饱和密度p皿。指岩石块体在饱和水状态下单位体积的质量;③干密度p.指岩石块体在105〜110C温度下干燥24h后单位体积的质量。在未说明含水状态时一般指岩石的天然密度。各种块体密度可用下式表示:'VドーダIdV(1-1-1)式中,m为岩石试件的天然质量，kg；msat为岩石试件的饱和质量,kg；hl为岩石试件的干质量,kg；V为试件的体积,m3〇岩石块体密度取决于组成岩石的矿物成分、孔隙性及含水状态,也与其成因有关。岩则它的性质(1-1-2)恒重时,nrp。岩石石密度大小可在一定程度上反映出岩石的力学性质情况。通常岩石密度越大,就愈好，反之愈差。岩石块体密度试验可采用量积法、水中称量法或蜡封法。(2)颗粒密度岩石颗粒密度p,是岩石固相物质的质量与其体积的比值。其公式为p.=—Vs式中,m，为岩石固相部分质量(岩石试件在烘箱中烘至105C保持恒温、岩石固体质量)，kg；Vs为岩石试件固相部分体积(不包括岩石孔隙体积)，颗粒密度是在试验室中用比重瓶法测定的。2.岩石的孔隙性统称为岩石的孔隙性。岩石孔隙率n为岩石试件中孔隙总体积与岩石试把岩石所具有的孔隙和裂隙特性,岩石孔隙性通常用孔隙大小表示。件总体积之比,即„=_LxlOO°oV(1-1-3)式中，い为岩石中孔隙的总体积,m3；V为岩石试件的总体积，iw。
11孔隙率分为开口孔隙率和封闭孔隙率。两者之和称为总孔隙率,上式中的n即为总孔隙率。试件中与大气相通的孔隙体积占试样总体积的百分比称为开口孔隙率ル,可按下式计算(1-1-4)式中,Vk为岩石中开口孔隙的体积,rm。试件中不与大气相通的孔隙体积占试样总体积的百分比称为封闭孔隙率nc,可用总孔隙率减去开口孔隙率获得,即nc=n—nk(1-1-5)孔隙率是反映岩石致密程度和岩石力学性能的重要参数,孔隙率越大，岩石中的孔隙和裂隙就越多，岩石的力学性能就越差。总孔隙率也可以根据岩石块体干密度和颗粒密度计算(1-1-6)1.岩石的水理性质岩石在水溶液作用下所表现出的力学的、物理的、化学的作用性质,称为岩石的水理性质。(1)吸水性岩石在一定的实验条件下吸收水分的能力,称为岩石的吸水性,其吸水量的大小取决于岩石孔隙体积的大小及其敞开或封闭的程度等。常用含水率、吸水率、饱和吸水率与饱水系数等指标表示。①岩石含水率。指天然状态下岩石孔隙中水的质量mw与岩石固体质量m，之比,一般用百分数表示,即M^=—2-m：(1-1-7)②岩石吸水率。指岩石试样在大气压カ和室温条件下吸入水的质量m*(kg)与试样固体质量m,的比值,以百分数表示,即H,宀1ーてー呵3m：m：(1-1-8)式中,m。为烘干试样浸水48h的质量，kgo岩石吸水率大小取决于岩石所含孔隙数量和细微裂隙的连通情况,孔隙愈大、愈多,孔隙和细微裂隙连通情况愈好,则岩石的吸水率愈高,因而岩石质量愈差。③岩石饱和吸水率。指岩石试样在强制状态下的最大吸水量mwz与试样固体质量ms的比值，以百分数表示,即
12式中,为试样经煮沸或真空抽气饱和后的质量,kgo岩石饱水率反映岩石张开型裂隙和孔隙的发育情况,对岩石的抗风化性和抗冻性有较大影响。④岩石饱水系数。岩石吸水率与岩石饱和吸水率之比,称为饱水系数Kい即ム=旦“レ(1-1-10)一般岩石的饱水系数介于0.5〜0.8之间。饱水系数对于判别岩石的抗冻性具有重要意义。吸水性较大的岩石(如软岩)当吸水后往往产生膨胀,它会给井巷支护造成很大的压カ。(2)渗透性地下水在水力坡度(压力差)作用下,岩石能被水透过的性能称为岩石的渗透性。用渗透系数K来表征岩石渗透性能的大小。一般认为,水在岩石中的流动服从达西定律v=Ki(1-1-11)式中,v为地下水渗透速度，v=dQ/dA,m/s；Q为通过的流量，nv/s；A为渗透方向上的截面积,nv；i为水力坡度(压カ差)，i=(h,-h2)/AZ,见图1-1-1;ん为高LS厂后)/△厶压水头,m；hz为低压水头,m。图1-1-1水力坡度图岩石渗透系数K用下式表示d厶(1-1-12)=v—dh
13由此可见,渗透系数K在数值上等于水力梯度为1时的渗流速度,其大小取决于岩石中孔隙的大小、数量、方向、相互贯通情况,并可根据达西定律在室内测定。(3)溶蚀性由于水的化学作用,把岩石中某些组成物质带走的现象称为水对岩石的溶蚀。溶蚀作用使岩石致密程度降低,孔隙率增大,导致岩石强度降低。(4)软化性岩石浸水饱和后强度降低的性质,称为软化性,通常用软化系数表示。软化系数限为岩石试件的饱和抗压强度。巾(MPa)与干抗压强度Oc(MPa)的比值,即5(1-1-13)岩石的软化性取决于它的矿物组成和孔隙性,岩石中含有较多的亲水性和可溶性矿物,岩石的软化性弱，工程地质性岩石的软化系数均小于1。通常以岩石的自由膨胀率、岩石孔隙较多,岩石的软化性较强,软化系数较小。K>0.75,质较好;K<0.75,岩石软化性较强,工程地质性质较差。(5)膨胀性岩石的膨胀性是指岩石浸水后发生体积膨胀的性质。的侧向约束膨胀率、膨胀压カ等来表述。①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应变与试件原尺寸的比值。常用的有岩石的轴向自由膨胀率Vh和径向自由膨胀率Vd。这ー参数适用于遇水不易崩解的岩石。VH=^x100%(1-1-14)匕＞=竿x100%式中,AH,9分别是浸水后岩石试件轴向、径向膨胀变形量,mm；H,D分别是岩石试件试验前的高度、直径,mm。自由膨胀率的试验通常是将加工完成的试件浸入水中,按一定的时间间隔测量其变形量，最终按式(1-1-14)计算而得。②侧向约束膨胀率岩石的侧向约束膨胀率Vhp是将具有侧向约束的试件浸入水中,使岩石试件仅产生轴向膨胀变形而求得的膨胀率。其计算公式如下:%=当X100%(1-1-15)式中,・ち为有侧向约束的试件轴向膨胀变形量,mm。③膨胀压カ
14膨胀压カ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カ。其试验方法类似于膨胀率试验。只是要求限制试件不出现变形而测量其相应的最大压カ。上述3个参数从不同的角度反映了岩石遇水膨胀的特性。我们可利用这些参数,评价建造于含有粘土矿物岩体中的洞室的稳定性,并为这些工程的设计提供必要的参数。（6）崩解性岩石的崩解性是指岩石与水相互作用时推动黏结性并变成完全丧失强度的松散物质的性能。三、岩石的力学性质岩石的力学性质是指岩石在受力后所表现出来的某种力学特性，它主要包括岩石的变形特性和岩石的强度特性以及强度准则。1.岩石的变形特性（见表1-1-1）表!-1-1岩石的变形特性分类简介弹性变形在一定的应カ范围内,物体受外力作用产生全部变形,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，称为弹性。产生的变形称为弹性变形，并把具有弹性性质的物体称为弹性介质塑性变形物体受力后产生变形,在外力去除（卸荷）后不能完全恢复原状的性质,称为塑性。不能恢复的那部分变形称为塑性变形,又称永久变形、残余变形。在外力作用下只发生塑性变形,或在一定的应カ范围内只发生塑性变形的物体，称为塑性介质粘性（流动）变形物体受力后变形不能在瞬时完成,且应变速率随应カ增加而增加的性质,称为粘性。应变速率随应カ变化的变形称为流动变形（2）岩石材料分类根据岩石材料的应カ应变曲线所表现出的破坏特征,可将岩石划分为脆性材料和延性材料。①脆性。指物体受力后,变形很小时就发生破裂的性质;②延性。指物体能承受较大塑性变形而不丧失其承载カ的性质。岩石的变形特性是岩石的重要力学性质。一般可通过岩石变形试验研究岩石的变形特性。材料的变形特征与应力状态、作用时间等因素有关,因而在不同的应カ状态下,同一材料可表现为不同的变形特征。（3）岩石单向压缩应カー应变曲线特征为了获得岩石在单向压缩条件下应カ应变关系,可采用圆柱形或方柱形试件（其规格h=2d）,在材料试验机上，采用一次连续加载,并借助应变测量仪可测得不同应カ条件下,试件轴向及横向应变值。将所测得数据绘于。セ坐标图上,便得出如图1-1-2所示应
15カ应变曲线。图1-1-2岩石的典型应カ应变全过程曲线图中&,&两条曲线分别表示试件横向及轴向应カ应变关系。同时根据弹性理论线应变和与体应变相等(£x+Ey+£z=£v,£x=Ey=-£d,Ez=El),可得出在单向压缩条件下线应变与体应变关系为:£v=2Ex+£z=£i—2fid(1-1-16)按上述关系可绘出岩石单向压缩时试件体积应カ应变曲线&(见图1-1-2)。从图1-1-2所示试件轴向(8)、体积(Ev)应カ应变曲线可看出,试件受载后直到破坏经历以下五个阶段:①微裂隙压密阶段(0A)〇此阶段反映出岩石试件受载初期，内部已存在裂隙及孔隙受压闭合,岩石被逐渐压密,形成早期的非线性变形。应カ应变曲线上凹,表明裂隙、孔隙压密开始较快，随后逐渐减慢。在此阶段试件横向膨胀较小,试件体积随载荷增大而减小，伴有少量声发射出现。②弹性变形阶段(AB)。在此阶段应カ应变曲线保持线性关系,服从虎克定律〇=Ee。试件中原有裂隙继续被压密，体积变形表现继续被压缩。③裂隙发生和扩展阶段(BC)〇岩石变形表现为塑性变形,这ー阶段的上界应カ称为屈服极限(c点应カ)。④裂隙不稳定发展直到破裂阶段(CD)〇试件内斜交或平行加载方向的裂隙扩展迅速,裂隙进入不稳定发展阶段,其发展不受所施加应カ控制。⑤破裂后阶段(DE)。岩石试件通过峰值应カ后,其内部结构遭到破坏，但试件基本保持整体状。随后裂隙快速发展,试件承载カ随变形增大迅速下降,但并不降到零,说明破裂后的岩石仍有一定的承载能力,只是保持ー较小值,相应于E点所对应的应カ值称为残余强度。从上述可见，受载岩石试件随载荷增加直到破坏，试件体积不是减小而足增加。这种体积增大现象称为扩容，即岩石受载破坏历经ー个扩容阶段。扩容，是指岩石在外力作用下，形变过程中发生的非弹性的体积增长。扩容往往是岩石破坏的前兆。（4）循环荷载条件下岩石的变形特征
16岩石在循环荷载条件下的应カー应变关系,随加、卸载方法和荷载应力大小不同而异。循环加载的方式可分为两种:逐级循环加载和反复循环加载。①在同一荷载下对岩石加、卸载时，如果卸荷点的应カ低于岩石的弹性极限,则卸荷曲线将基本上沿加荷曲线同到原点,表现为弹性恢复。②应当注意，多数岩石的大部分弹性变形在卸载后很快恢复,而小部分（约10%〜20%）须经一段时间才能恢复,这种现象称为弹性后效。③如果卸荷点的应カ高于弹性极限,则卸荷曲线偏离原加荷曲线，也不再回到原点,变形除弹性变形（&）タト，还出现了塑性变形（知）。④在逐级循环加载条件下,即多次反复加载、卸载循环，每次施加的最大荷载比前一次循环的最大荷载高,则可得到如图1-1-3所示的应カ应变曲线。如果卸载点P超过屈服点,则每次加荷、卸荷曲线都不重合,且围成一环形面积,形成塑性回滞环。⑤随循环次数增加，塑性回滞环面积有所扩大，卸载曲线的斜率逐次略有增加，表明卸载应カ下的岩石材料的弹性有所增强。此外其应カー应变曲线的外包线与连续加载条件下的曲线基本一致,说明加、卸荷过程并未改变岩石变形的基本习性,这种现象又称为岩石记忆。⑥由图1-1-4可见，卸荷后的再加荷曲线随反复加、卸荷次数的增加而逐渐变陡,回滞环的面积变小,岩石越来越接近弹性变形。残余变形逐次增加，岩石的总变形等于各次循环产生的残余变形之和,即累积变形。⑦岩石的破坏产生在反复加、卸荷曲线与应カー应变全过程曲线交点处。这时的循环加、卸荷试验所给定的应カ,称为疲劳强度。它不是一个定值,是ー个比岩石单轴抗压强度低且与循环持续时间（即循环次数）等因素有关的值。
17图1-1-3不断增加荷载循环加、卸载时的应カー应变曲线图1-1-4等荷载循环加、卸载时的应カー应变曲线(5)三轴压缩条件下的岩石变形特征工程岩体一般处于三向应カ状态下,三轴压缩条件下的变形特征主要通过三轴试验进行研究。根据试验时的应カ状态,三轴试验可分为两类:常规三轴试验和真三轴试验。常规三轴试验的应カ状态为6＞。2=。3＞0,即岩石试件受轴压和围压作用,又称为普通三轴试验或假三轴试验,试验主要研究围压(。尸。3)对岩石变形、强度或破坏的影响。真三轴试验的应カ状态为。|＞。2＞。3＞0,即岩石试件在三个彼此正交方向上受到不相等的压カ,又称为不等压三轴试验。目前普遍使用的是常规三轴试验。试验时,将加工好的圆柱形岩石试件装入隔水胶囊内,置于三轴压カ试验机的压カ室中。通过油泵向压カ室送入高压油,对试件施加预定的均匀围压。ア。3,并保持恒定，然后按一定速率逐级施加轴向压カ。I,直至试件破坏。
18①常规三轴压缩条件下的岩石变形特征常规三轴压缩条件下岩石的变形特征通常用（5ー。3）〜&曲线图来表示。在不同围压下,岩石的变形特征不同。图1-1-5和图1-1-6为大理岩和花岗岩在不同围压下的5004003002001000246810百（％）（（5—03））~£|〇图1-1-5不同围压下大理岩的应カー应变曲线
19图1-1-6不同围压下花岗岩的应カー应变曲线由图可知,在常规三轴压缩条件下:a.破坏前岩石的应变随围压增大而增加;b.随围压增大,岩石的塑性也不断增大,且由脆性逐渐转化为延性。c.如图1-1-5所示的大理岩,在围压为零或较低的情况下,岩石呈脆性状态;d.当围压增大至50MPa时,岩石显示出由脆性向延性转化的过渡状态;围压增加到68.5MPa时,呈现出延性流动状态;围压增至165MPa时，试件承载カ（or-ch）则随围压稳定增长,出现应变硬化现象。e.图1-1-6所示的花岗岩也有类似特征,所不同的是其转化压カ比大理岩大得多，且破坏前的应变随围压增加更为明显。（6）岩石变形指标及其测定表征岩石的变形指标一般有弹性模量、变形模量、泊松比等。①岩石弹性模量E岩石弹性模量是指在单向压缩条件下，弹性变形范围为轴向应カ与试件轴向应变之比,即E=o/£。当岩石在单向压缩条件下,其轴向应カー应变曲线呈直线时（见图1-1-8）,其弹性模量E（MPa）为E旦ら（1-1-17）
201020*%)式中,5,ヨ分别为应カー应变曲线上的轴向应カ（MPa）和轴向应变。图1-1-7裂隙不同取向应カ应变图小裂隙产状（与。间夹角）图1-1-8线性轴向应カー应变图
21因为大多数岩石在单向应力作用下,应カ应变之间不保持线性关系,因此岩石弹性模量不是常数。当其轴向应カー应变曲线为非线性关系时,其弹性模量有3种:初始弹性模量E、割线弹性模量&、切线弹性模量E.oa.初始弹性模量&,用应カ应变曲线坐标原点切线斜率表示,即Ei=da/de(1-1-18)b.割线弹性模量&,用应カ应变曲线原点与某一特定应力点之间的弦的斜率表示。一般规定特定应カ为极限强度5的50%,即ら。(1-1-19)c.切线弹性模量&,用应カ应变曲线直线段的切线斜率表示(1-1-20)图1-1-9岩石弹性模量确定方法上述3种弹性模量随岩性不同差异很大。一般E#E#Et,对于细粒岩浆岩Es=Et=0.9Elo孔隙度较大变形呈塑弹性型的岩石E,>Es>Eio②岩石变形模量Eo
22当岩石受力后既有弹性变形又有塑性变形时（见图1-1-10）,用岩石的变形模量E。来表征其总变形,岩石变形模量是指岩石在单轴压缩条件下,轴向应カ与轴向总应变（为弹性应变&和塑性应变ミ之和）之比Eo=ct/E=a/(&++)(1-1-21)图!-1-10弹塑性岩石的变形模量计算③泊松比n在单向载荷作用下,除发生轴向变形之外,还发生横向变形。横向应变（&=&）与轴出:一向应变（&）之比称为泊松比,可用式（1-1-22）确定。或ら2ーらI（1-1-22）式中,&1，分别对应轴向应カ应变曲线上直线段始点、终点应カ值为5,6的横向应变值;分别对应カ值为5,6的轴向应变值。在实际工作中,常采用岩石单轴抗压强度50%处的&与&来计算岩石的泊松比。
23。双»(1-1-23)岩石的弹性模量和泊松比受岩石矿物组成、结构构造、风化程度、孔隙性、含水率、微结构面及其与荷载方向的关系等多种因素的影响,变化较大。④其他变形参数除弹性模量和泊松比两个最基本的参数外,还有一些从不同角度反映岩石变形性质的参数。如剪切模量(G)、体积模量(乩)等。根据弹性力学,这些参数与弹性模量(E)及泊松比(雜之间有如下公式所示的关系。GヨJ一2(1+〃)(1-1-24)3(1-2〃)(1-1-25)(7)应カー应变全过程曲线工程岩体在破坏后仍具有承载能力，故破坏后岩石仍具有它的变形与强度特征。因此,必须了解岩石破坏后应カ应变关系。应用普通材料试验机试验只能获得岩石试件破坏前的应カ应变曲线,只有应用刚性试验机或伺服试验机才能反映出试件在破坏后的应カ应变关系。普通材料试验机所测得的结果与岩石所表现不一致的主要原因，在于现在普遍使用的材料试验机加载系统刚度小于试件刚度,这类试验机称为柔性试验机。在普通材料试验机实验过程中,在相同的载荷作用下,因为Km
24a.II类岩石在峰值之后有一段相当长度的方向改变的反转,以至曲线返回,再次保持正斜率。通过峰值点后,伺服卸载，由于岩石试件弹性较大，发生弹性恢复。一般极硬的脆性岩石属于这ー类,如花岗岩等。图!-1-11岩石应カー应变全过程曲线基本形式
25图!-1-12岩石应カー应变全过程曲线新模型综上所述可看出,根据岩石的应カ应变全图可以判断在一定应カ状态下它的破坏特征。2.岩石的强度特性岩石在外荷载作用下,当荷载达到或超过某ー极限值时,就会产生破坏。岩石在各种荷载作用下达到破坏时所能承受的最大应カ称为岩石的强度。由于受力状态的不同，岩石的强度也不同,如单轴抗压强度、单轴抗拉强度、抗剪强度、三轴抗压强度等等,分别讨论如下。(1)岩石的单轴抗压强度①测定方法岩石的单轴抗压强度是指岩石试件在无侧隙条件下,受轴向压カ作用至破坏时,单位横截面积上所承受的最大压应カ，一般简称抗压强度。它在岩体工程分类、建立岩体破坏判据、工程岩体稳定性分析、估算其他强度参数等方面都是必不可少的指标。根据试件破坏时,施加的最大荷载p,试件截面积A,按式(1-1-26)计算岩石单轴抗压强度。6=与4(1-1-26)式中,。为岩石抗压强度,MPa；P为试件破坏时施加的最大载荷，N；A为试件横截面积，〇国际岩石力学学会推荐用最大最小尺寸比大约为1.5:1,体积大约为100cmコ的卵形不规则试件，用手锤加工15〜20个,其重量差为±20%。试验时平行于试件长轴并垂直于层面加载。也可采用点载荷法确定岩石抗压强度。根据加载点间距离D(m)和试件破坏时施加的最大载荷p(N),可计算出点荷载强度指数L(MPa)/=ム*D2(1-1-27)
26根据试验知卜值不仅与岩石种类有关,而且与D亦有关。抗压强度与点荷载强度指数关系如下ct=K/L(1-1-28)根据有关实验数据,K=20〜25。图1-1-13不规则试件点荷载试验②单轴压缩条件下试件的破坏方式常见的破坏形式主要有三种:剪切破坏、对顶锥形破坏和纵向劈裂破坏,如图!-1-14所示。试件的破坏形式是由端面效应(试件两端面与承压板之间的摩擦约束效应)引起的。由于承压板与试件端面问的摩擦大小不同,造成岩石试件破坏形式的不同。若直接在试验机上加载,端面存在较大的侧向摩擦约束时，则岩石试件呈剪切破坏或对顶锥形破坏。若采取减少端面摩擦约束的措施,对于比较坚硬的脆性岩石,则岩石试件破坏时产生平行压カ方向的纵向劈裂，且强度降低。
27图1-1-14单轴压缩条件下试件破坏方式③影响岩石单轴抗压强度的因素影响岩石单轴抗压强度的因素很多,主要包括两方面:一方面是岩石本身方面的因素,如岩石的矿物组成、结构构造、密度、风化程度及含水量等;另一方面是实验条件方面的因素,如试件的几何形状、尺寸、试件加工精度、端面条件、加载速率及温度等因素。a.试件几何形状，尺寸第一,试件形状对测定结果有很大影响,圆柱形试件的强度高于棱柱形试件的强度。在棱柱形试件中，截面为六角形的试件的强度高于四角形的,而四角形的又高于三角形的。这是因为棱角处易产生应カ集中,棱角越尖应カ集中越大的缘故。这种影响称为形态效应。第二,通过不同尺寸试件测定结果看出,岩石试件的尺寸越大,则强度越低，反之越高,这ー现象称为尺寸效应。因为试件内分布着从微观到宏观的细微裂隙,它们是岩石破坏的基础。试件尺寸越大,细微裂隙越多,破坏的概率也增大，因而强度降低。试件的高径比,即试件高度（h）与直径或边长（D）的比值，它对岩石强度也有明显的影响。ー般来说,随h/D增大,岩石强度降低。b.端面条件端面条件是指岩石试件端面的边界条件。端面条件对岩石强度的影响,称为端面效应。其产生原因是由于试件端面与试验机承压板间的摩擦作用,改变了试件内部的应カ分布和破坏形式,进面影响岩石的强度。c.加载速率测定强度时,施加载荷速率对抗压强度值有很大影响。随加载速率增加,强度提高,但对某些种类岩石,当施加载荷速率逐渐增加时,弹性模量反而降低。加载速率最小时,会出现蠕变现象。加载速率最大时,会像炸药爆炸时引起的冲击载荷,具有动的性质的岩
28石性态。为了规范试验方法,现行的试验规程都规定了加载速率，一般约为0.5〜l.OMPa/Sod.温度温度对岩石强度也有明显的影响。随温度升高，岩石的脆性降低,黏性增强,岩石强度也随之降低。e1层理结构具有层状、片状等层理结构特征的岩石,因受力方向不同，其单轴抗压强度往往具有明显的各向异性。垂直于岩石层理方向的抗压强度大于平行层理方向的抗压强度。以上岩石单轴抗压强度的因素,也会同样以不同的程度影响岩石的其他强度。(2)岩石的单轴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カ，称为岩石的单轴抗拉强度,一般简称抗拉强度。岩块的抗拉强度是通过室内试验测定的,其方法包括直接拉伸法和间接拉伸法两种。在间接拉伸法中,又有劈裂法、抗弯法及点荷载法等。其中以劈裂法和点荷载法最常用。①直接拉伸法直接拉伸法类似于钢材抗拉强度的测量方法,即把岩石试件加工成钢材试件那样形状或圆棒形,利用特制的夹具和粘合剂将岩石试件两端固定在材料试验机上进行拉伸。根据试件断裂时,施加的载荷p和试件截面积A,按下式计算岩石的抗拉强度前a(=p/A一般不采用这个方法测定岩石抗拉强度，大多采用间接拉伸法。②劈裂法劈裂法是沿圆盘形试件直径方向上施加相对线性载荷,使试件内部沿径向引起拉应カ而破坏的试验方法，又称巴西劈裂法。通常采用厚度为直径0.5〜1.0倍的圆盘形试件,试件在压カ试验机上受线集中载荷作用(见图1-1-15)。根据弹性理论可知,受径向压缩作用的圆盘中，在纵向直径平面上作用着几乎等值的拉应カ。圆盘试件使在拉应カ作用下,沿加载方向断裂。根据弹性力学，在试件纵向直径平面上作用的拉应カ与施加载荷p的关系,可用式(1-1-29)表示。2P'fD](1-1-29)式中,。,为岩石抗拉强度,MPa；p为岩石试件断裂时所施加最大载荷,N；D为岩石试件直径,m；t为岩石试件厚度，m；n为圆周率。
29在试件中心附近拉应カ分布均匀,应カ数值近于相等。如果作用在圆盘上载荷不是理想的线集中载荷时,在距圆盘中心上下方向0.8R（半径）处,应カ值为零。大于0.8R处应カ转为压应カ。应カ分布情况示于图1-1-16。在两端受力点处压应カ为最大,其值为拉应カ值io倍以上。但因岩石抗拉强度很低,抗压强度较高,所以岩石试件是在拉应カ作用下断裂。此拉应力值就是岩石的抗拉强度。图!-1-15劈裂试验试件上载荷分布
30p图1-1-16劈裂法试件中拉应カ分布③点荷载法点荷载法测定抗拉强度时,可采用圆棒、圆盘、矩形板等(见图1-1-17)形状试件,也可采用不规则试件、钻孔岩芯或现场采取的岩块略加修整即可。根据试件破坏载荷,求得岩石的点荷载强度指数，然后求岩石抗拉强度。图1-1-17圆棒、圆盘、矩形板试件施加点载荷这时岩石的抗拉强度与点荷载强度指数关系如下E)=KIS(1-1-30)式中,K为系数，一般取。.86〜0.96;而对于圆棒形试件K=0.96;圆盘形试件!<=0.7；矩形板试件K=0.8o
31岩石的抗拉强度明显低于其抗压强度。这时因为岩石中包含有大量的微裂隙和孔隙,岩石抗拉强度受其影响很大,直接削弱了岩石的抗拉强度。相对而言,孔隙性对岩石抗压强度的影响就小得多,因此，岩石的抗拉强度一般远小于其抗压强度。通常把抗压强度与抗拉强度的比值称为脆性度，n=s/5（5为抗压强度，。,为抗拉强度），用以表征岩石的脆性程度。岩石的抗拉强度一般为抗压强度的1/25~1/10o（3）岩石的抗剪强度岩石在剪切荷载作用下抵抗剪切破坏的最大剪应カ称为岩石抗剪切强度,简称抗剪强度,是反映岩石力学性质的重要参数之一。根据莫尔ー库仑理论,岩石的抗剪强度由内聚力C和内摩擦阻カ。，tan。（。为内摩擦角）两部分组成。按剪切试验方法不同,所测定的抗剪强度的含义也不同,通常可分为如下3种抗剪强度（见图1-1-18）。①抗剪断强度。指试件在一定的法向应力作用下，沿预定剪切面剪断时的最大剪应力［图1-1-18（a）］〇此时的抗剪强度是ー个变量,它反映了岩石的内聚力和内摩擦阻カ。②抗切强度。指试件上的法向应カ为零时，沿预定剪切面剪断时的最大剪应カ［图1-1-18（b）］〇它反映了岩石的内聚カ。该试验一般用于校核抗剪断强度试验所求得的内聚カ。③摩擦强度。指试件在一定的法向应力作用下,沿已有破裂面再次剪切破坏时的最大剪应カ［图1-1-18（c）］。它反映了岩石中微结构面（裂隙、层理等）或人工破裂面上的摩擦阻カ。通常所说的抗剪强度是指抗剪断强度。当前在实验室测定岩石抗剪强度的方法有直剪试验、倾斜压模剪切法和三轴试验等。直剪试验是在直剪仪上进行的。试验时，先在试件上施加法向压カN,然后在水平方向逐级施加水平剪力T,直至达到最大值T试件发生破坏为止。
32图!-1-18岩石抗剪强度试验三种类型及强度特征（a）抗剪断强度;（b）抗切强度;（c）摩擦强度r；r■剪切面上的正应カ。和剪应カT按下列公式计算;式中,A为试件的剪切面面积,m2。用同一组岩样（4〜6块）,在不同法向应力び下进行直剪试验,可得到不同。下的抗剪断强度T,且在「0坐标中绘制出岩石强度包络线。试验研究表明,该曲线不是严格的直线,但在法向应カ不太大的情况下,可近似地视为直线（见图1-1-19）。这时可按库伦ー纳维尔理论求岩石的抗剪强度参数C,0值。
33图1-1-19C»值的确定示意图b.倾斜压模剪切法倾斜压模剪切法（变角板剪切试验）是将圆柱形或立方体（5cmx5cmx5cm）试件放在剪切夹具的两个钢制的倾斜压模之间,而后把夹有试件压模放在压カ试验机上加压。当施加载荷达到某ー值时,试件沿预定剪切面A-B剪断。为使在剪切破坏过程中剪切夹具不受承压板与压模端面间摩擦カ影响,在压模端面与压カ机承压板间放置滚柱板。考虑承压板与剪切夹具问的滚动摩擦,试件发生剪切破坏时,作用在破坏面上-的应カ为7=~=^（sina-fcosa）立一JLAん.4(coscr+/sina),ヽ(1-1-31)式中,p为试件发生剪切破坏时施加的最大载荷,N；T为作用在破坏面上的剪切カ,N；N为作用在破坏面上的正压カ，N；A为剪切破坏面的面积,nv；a为剪切面与水平面的夹角;f为压カ机承压板与剪切夹具间的滚动摩擦系数。试验时采用4~6个试件，分别以不同的a角进行试验。每变动一次压模的倾角a值,可得到该试件破坏时相应的ー组。,t数值。根据所获得的不同a值条件下。,t值，便可在。-T坐标系上画出反映岩石发生剪切破坏的强度曲线（见图1-1-20）,图中的三条曲线表示三种岩石的强度曲线）,进而求出反映岩石剪切破坏时力学性质的两个参数:内聚力C和内摩擦角屮。在一般情况下C,屮值不是常数。
34图1-1-20剪切强度曲线剪切试验过程中若不考虑滚动摩擦カ,则式(1-1-31)为(1-1-32)(4)岩石的三轴抗压强度岩石的三轴抗压强度是指岩石在三轴压缩荷载作用下,试件破坏时所承受的最大轴向压应カ。在一定围压作用下，岩石的三轴抗压强度・e(MPa)为Pぴ3c=オヽん(1-1-33)式中,P为试件破坏时的最大轴向载荷,N；A为试件的初始横截面积,m%岩石的三轴抗压强度通过岩石的三轴压缩试验(常规三轴试验或真三轴试验)获得。①常规三轴试验常规三轴试验是指の二03的情况。用常规三轴压カ试验机进行。试验表明,岩石处于三向应カ状态下,其强度随侧向压カ增加而增大。其变形特征显现塑性变形的能力亦增加。岩石三向抗压强度与侧向压カ(围压)的关系，可用下式表示:
35び“ニ。び.(1-1-34)
36式中，5c为岩石三向抗压强度,MPa；5为岩石单向抗压强度,MPa；d为侧向压カ,MPa；K为系数，与岩石种类有关;人_I+sin.与岩石内摩擦角关系可写成I一点”K值随侧向应カ03增大而降低,其关系示意图见图1-1-21。从该图看出,增加侧向压カ对提高岩石向抗压强度是有限度的。图1-1-21K与侧向压カ5的关系②真三轴试验真三轴试验是指5＞。2＞。ユ的情况,岩石在真三轴应カ状态破坏时5、d与5的关系如图1-1-22所示,从该图可以看出,最小主应カ03保持不变,随Oz增大,试件破坏时所必要的最大主应カ6也增大。说明中间主应カ对强度有影响,但6影响与。3相比较小。在给定的6为常数时，由于。2增加,在一定应カ变化区间内，可以使岩石破坏时的5增大。但当。2超过这ー特定区间之后,5随。2增加而迅速下降。这个区间大小与岩石性质有关,根据相关资料其破坏类型示于图1-1-23。
37门公む(BCBN00T)5图1-1-220”6与6的关系图1-1-23中间主应カ6的影响范围
38试验研究表明,岩石的三轴抗压强度与岩石本身性质、围压、温度、湿度、孔隙压カ及试件高径比等因素有关。特别是矿物成分、结构、微结构面发育情况及其相对于最大主应カ的方向和围压的影响尤为显著。综上所述可知,岩石在不同应カ状态下其强度值不同,一般符合如下规律:三轴抗压强度〉双轴抗压强度〉单轴抗压强度〉抗剪强度〉抗弯强度〉抗拉强度。四、岩石的流变性质1.基本概念(1)流变性。是指介质在外カ不变条件下,应カ或应变随时间而变化的性质。(2)岩石的流变力学特性主要包括:蠕变、松弛、弹性后效。(3)蠕变。是指介质在大小和方向均不改变的外力作用下,其变形随时间的变化而增大的现象。(4)松弛。是指介质的变形(应变)保持不变时,内部应カ随时间变化而降低的现象。(5)弹性后效。是指对介质加载或卸载时，弹性应变滞后于应カ的现象。它是ー种延迟发生的弹性变形和弹性恢复,外カ卸除后最终不留下永久变形。2.蠕变阶段划分根据岩石蠕变试验,在一定的应力条件下,岩石发生蠕变时,可得到图1-1-24所示〇的应变与时间关系的典型蠕变曲线。根据蠕变曲线特征,可将其划分成下列几个阶段:图1-1-24岩石的典型蠕变曲线(1)瞬时弹性变形阶段(0A段)。加载后以近于声速速度完成的弹性变形。
39（2）蠕变开始阶段（AB段）。在这个阶段内,蠕变速度是递减的,而且递减很快,又称为衰减蠕变阶段。（3）蠕变第二阶段（BC段）。在这个阶段蠕变速度保持不变,称稳定蠕变阶段或等速蠕变阶段。（4）蠕变第三阶段（CD段）。此阶段内蠕变速度以加速形式迅增,直至破坏阶段,称为加速蠕变阶段。岩石全部蠕变变形£”为£t=£o+Ei+E2+E3式中,£1,£2,む分别为蠕变各阶段的应变。并不是任何岩石材料在任何应カ水平上都存在蠕变的三个阶段,ー种岩石既可以发生稳定蠕变也可以发生不稳定蠕变，这取决于岩石应カ的大小。小于次临界应カ时,蠕变按稳定蠕变发展,不会导致岩石破坏;超过某ー临界应カ时，蠕变向不稳定蠕变发展,并随着时间的增长,将导致岩石破坏。通常称此临界应カ为岩石的长期强度。同一种岩石的蠕变曲线,根据其应カ水平，可划分为三个类型（见图1-1-25）：图1-1-25岩石蠕变曲线类型①类型I〇在低应カ水平下,包含衰减蠕变和稳定蠕变段。这种蠕变不导致岩石破坏。又称为稳定蠕变。②类型II。在中等应カ水平下,包含典型蠕变三个阶段。③类型III。在较高应カ水平下，应变率很高，几乎没有稳态蠕变阶段。类型II、HI都将导致岩石破坏,故统称不稳定蠕变。
40岩石蠕变曲线类型也与岩性有关。坚硬岩石表现出稳定蠕变,而软弱岩石往往发生不稳定蠕变。岩石的蠕变特性除了受应力大小和岩性影响外,还受围压、加载状态、温度和湿度等因素的影响。在流变学中,流变性主要研究材料流变过程中应カ、应变和时间的关系,用流变方程来表达。流变方程主要包括本构方程、蠕变方程、卸载方程和松弛方程。1.流变元件流变模型主要由三个基本元件ー弹性元件、粘性元件、塑性元件组成。(1)弹性元件弹性元件用弹簧表示(见图1-1-26),又称为虎克体,用于模拟理想弹性体。其本构关系服从虎克定律°~ニレ£(1-1-35)图1-1-26弹性元件(2)粘性元件粘性元件常用ー个带孔的活塞和充满粘性液体的圆筒组成的缓冲活塞表示(见图1-1-27),又称为牛顿体,用于模拟理想粘性体。其本构关系服从牛顿粘性定律,应カ与应变速率成正比关系:"得=加(1-1-36)式中,り为粘性系数,N・s/np或Pa・s；t为时间,s；£为应变。
41图1-1-27粘性元件（3）塑性元件塑性元件由摩擦片组成（见图1-1-28）,又称为圣维南体,用于模拟理想刚塑性体即模拟屈服点以后的塑性变形。其本构关系服从库仑摩擦定律。图1-1-28塑性元件当〇<¢0寸,£=0«当寸，£->x,-=const'dt（1-1-37）式中,〇,为屈服极限，即摩擦片之间的摩擦カf。1.流变模型将上述元件以不同方式（串联、并联、串并联、并串联）组合，可构成一系列线性模型和非线性模型,用以说明岩石的流变力学特性。其中最简单的模型有马克斯伟尔体、凯尔文体、伯格斯、翟纳等粘弹性介质模型。下面简单介绍几个模型。（1）马克斯伟尔模型该模型由弹性元件和粘性元件串联组成（见图1-1-29）,用以说明粘弹性变形材料的蠕变。
42£\£1a〇WW{III)〇.en图1-1-29马克斯伟尔模型①本构方程在应カ。的作用下,模型轴向应变£由弹性元件和粘性元件两部分组成,模型的应カ。分别等于各元件的应カ，即£=戸+—山nJ7)根据各元件应カ应变关系,该模型状态方程式可写成:将上式对时间微分可得—一«—^―义・+.山E山yd-i-38)式(1-1-38)称为马克斯伟尔方程,又称为马克斯伟尔体的本构方程。②蠕变方程心_%(1Zりdど=—(1/刀包。n当。为常量应カ时，。=。0,则小="式(1-1-38)可写为
43对上式积分可得当t=0时，E所以ー。“则得“0(1-1-39)+一り式(1-1-39)反映马克斯伟尔模型在应カ不变条件下有瞬时应变,并且应变随时间呈线性增加(见图1-1-30),即有等速蠕变现象。图1-1-30应变与时间关系图③松弛方程如图1-1-31所示,0随时间增加而降低的现象称为应力松弛。当随时间增加,应カ0降低到。。/e(即初始应力的37%)时,所需时间tM称为松弛时间。VE(1-1-40)松弛时间越短,马克斯伟尔体越接近液体;松弛时间越长,马克斯伟尔体越接近固体。
44图1-1-31应カ与时间关系④卸载方程对于该模型,在时间七时施加载荷并保持加载状态到レ以后去掉所施加载荷。这时,时间从t=tl到匕时模型中应カ为常值,当tWtVt2时〇・〇,〇。，,,ヽET)t>t2,应变为(1-1-42)上式指出应变随时间增加而增大发生蠕变，但当时间t=tz时除掉所施载荷，应变E立即恢复,即不存在弹性后效。而粘性蠕变部分ッ)则为永久变形(见图1-1-32)。
45£O=e-a0(t2-t\)/17图1-1-32应变与时间的关系根据以上分析,马克斯伟尔模型具有瞬时变形、等速蠕变和松弛特性,不具有弹性后效,可模拟具有这些性质的岩石。（2）凯尔文模型此模罩由弹性元件和粘性元件并联组成（见图1-1-33）,具有弹性固体及粘性流体性能,但A（ね/也）趋于零，即应变逐渐趋于稳定。因此,这说明粘弹性介质模型属于固体的范畴。应用与上面相近的分析方法可以得到凯尔文模型的基本方程和蠕变曲线（见图aa►〇-〇・一IED6n.£1-1-34)图1-1-33凯尔文模型
46图1-1-34凯尔文体蠕变曲线和弹性后效曲线①本构方程(1-1-43)(1-1-44)’山②蠕变方程£=却一心紬③卸载方程ー却ー呵ー:川(1-1-45)④松弛方程a-Ee=Ee0(1-1-46)综上所述,凯尔文模型具有稳定蠕变和弹性后效性质,而不具备应力松弛和瞬时变形性能。5.岩石长期强度由于岩石具有流变性,因此研究地下工程围岩破坏时,必须考虑时间因素。一般利用岩石长期强度值作为岩石强度的计算指标。一般情况下,当荷载达到岩石瞬时强度S。(通称为岩石的单轴抗压强度)时,岩石发生破坏。在岩石承受荷载低于其瞬时强度的情况下,如持续作用较长时间，由于流变作用,岩石也可能发生破坏。因此,岩石的强度是随外载作用时间的延长而降低,通常把作用时间tT8的强度(最低值)Ss称为岩石长期强度。
47岩石长期强度值，可在试验室研究岩石在恒定不同应カ状态下，发生破坏的时间获得。如对某ー岩石施加恒定不同应カ,得出的蠕变曲线族见图1-1-35(a)〇在曲线上标出各种应カ状态下,岩石试件发生破坏时间。根据破坏时间t与相应施加应カ。,可绘出et曲线。从而可得出岩石强度随时间降低的关系曲线(见图l-l-35b),称为长期强度曲线。0.0250.05300750.125所得曲线的水平渐近线在纵轴上的截距,即为所求的长期强度极限S„o图1-1-35长期强度曲线从图1-1-35(b)曲线看出,在恒定载荷长期作用下,岩石会在比瞬时作用载荷小得多的情况下破坏，即SsVS。。对大多数岩石So/S8=1.2〜1.7。五、岩石的强度理论岩石强度理论是岩石力学的基本问题之一，它是岩石工程稳定性研究的基础。岩石强度理论是研究岩石在各种应カ状态下的破坏机理及强度准则的理论。强度准则又称破坏判据，它表征岩石破坏条件的应力状态与岩石强度参数间的函数关系,一般可以用破坏条件下（极限应力状态）的应カ间关系。尸f（6,6）或T=f（a）来表示。通过强度准则判断岩石在什么样应カ、应变条件下破坏。岩石力学中习惯规定:压应カ符号为正,拉应カ符
48号为负;与此相应的拉应变为负,压应变为正。剪应カ规定为使受カ物体沿逆时针方向转动为正,反之为负。1.岩石的破坏形式岩石的破坏有脆性破坏和塑性破坏两种形式。脆性破坏的特点是破坏前的变形量很小,当继续加载时岩石突然破坏,岩石碎块强烈弹出。塑性破坏（又称为延性破坏或韧性破坏）的特点是岩石在破坏前的总应变量很大，表现出很明显的塑性变形或流变行为,然后オ逐渐破坏。一般坚硬岩石表现为脆性破坏、软弱岩石表现为塑性破坏，考虑岩石的破坏机制,岩石破坏进ー步又可分为下列几种。（1）脆性拉伸破坏在特定的单向压缩或低围压三向压缩条件下比较容易发生。这种破坏表现为,在试件内部和矿柱中可看到与最大主应カ方向一致的平行裂隙。这种破坏很可能起因于微裂隙或裂隙周围的局部拉应カ。拉伸试验中的岩石试件在拉应カ下破坏也属于脆性拉伸破坏。（2）剪切破坏在单向或三向压缩时,ー种经常出现的破坏形式是剪切破坏。当断裂面上所受的剪应カ达到其抗剪强度时发生剪断。此时在试件或矿柱中出现ー组与最大主应力作用方向呈锐角（30。〜35。）的X型共挽裂隙;在地质构造形迹中属于此种破坏类型的有压性结构面、扭性结构面等。（3）沿结构面滑移（重剪切破坏）在单向或三向压缩条件下,试件内存在有贯通性结构面时，而且结构面强度较完整,岩石强度低,结构面倾角大于完整岩石的抗剪角时,试件则表现为沿结构面重剪切破坏,发生滑移。（4）塑性破坏在ー些软岩中，如泥岩、粘土岩常发生较为明显的塑性破坏;岩石试件在较高围压条件下也表现为塑性破坏，塑性破坏是在塑性流动状态下发生的，这是由于岩石中的结晶颗粒内部晶格间或颗粒之间的滑移破坏所致。这种破坏主要是在剪应カ作用下产生的,虽然也可以产生微破裂和剪胀现象，但其变形的主要特点是能够在一定的应カ水平下发生随时间的连续不断的变形ー塑性流动。所有岩石的破坏形式基本相同,并可归纳为两种:拉断与剪坏。这两种破坏类型的发生机制,都基于晶格内部的原子或分子的可能运动。2.莫尔ー库仑强度准则（1）莫尔强度理论莫尔认为材料破坏取决于作用于破坏面上的剪应カ和正应カ,此时,剪切破坏面上的r=/（a）剪应カア应与该面上的正应カ0之间有在一定的函数关系，可用下式表示:
49这ー函数关系称为莫尔强度条件。它在O-T平面上可用一曲线表示,这条曲线通常称为强度曲线。岩石的强度曲线,可通过实验方法获得。通过一系列不同应カ状态试验,便可求得一系列破坏状态。于是根据试验结果就能得出一系列代表这些破坏状态的极限应カ圆。这些极限应カ圆的包络线即为强度曲线（见图1-1-36）,包络线上所有点反映了该种岩石在一切危险状态下T=f（o）这一曲数关系,即反映出沿某ー破坏面剪坏时,所需要的剪应カ与正应カ。按照莫尔强度理论确定岩石强度曲线的方法一般有下述几种。①三向压缩试验求强度曲线。在三轴压カ试验机上测定不同围压条件下破坏时的各向应カ,绘出相应的一系列反映这些破坏状态的极限应カ圆。这些应カ圆的包络线就是所求的强度曲线（见图1-1-36）。图1-1-36莫尔包络线图②按单向抗拉、抗压强度绘制强度曲线。在。ーT平面上，以岩石的单向抗拉强度、抗压强度作应カ圆（见图1-1-37）,并作这两个应カ圆的公切线。此切线即为该岩石的近似强度曲线。强度曲线为直线,可用下式表示:血5zcr-erヽky一(1+亠ーLけ)2OQt(1-1-47)
50式中,5为岩石单向抗拉强度;“为岩石单向抗压强度。图1-1-37按抗拉、抗压强度求强度曲线③倾斜压模剪切法。根据岩石的强度曲线,配合莫尔应カ圆,可以判断岩石中一点能否发生剪切破坏,以及破坏面的产状如何。莫尔强度理论最大不足是忽略了中间主应カ。z对强度的影响。而ー些试验却证实6对强度是有影响的，特别是对各向异性的岩石强度影响较大。(2)莫尔ー库仑理论库仑ー纳维尔理论为莫尔强度理论的特例，强度曲线为直线，因而有人把它称为莫尔ー库仑理论。它是由纳维尔在库仑最大剪应カ理论的基础上,对包括岩石在内的脆性材料进行试验研究后提出的。他认为:岩石发生剪切破坏时,破坏面上的剪应カ应等于岩石本身的内聚カ和作用于该面上由法向应カ引起的摩擦阻力之和,由此得到库仑ー纳维尔强度准则:T-C+fff(1-1-48)式中,T和0分别为岩石剪切破坏面上的剪应力和正应カ;C和f分别表示岩石的内聚カ和内摩擦系数，f=tan 51r=C+erlang库仑ー纳维尔准则也可采用应カ6、。3表示。根据材料力学,如图1-1-38所示,与。3成a角的剪切破坏面上的正应カ和剪应カ为图1・1・38剪切面上的应カ与主应カ关系ぴ=丄（％+5）+丄（%cos2a（1-1-49）-r=彳（%-6）sin2a库仑认为材料受压缩作用发生剪切破坏时，必然引起破坏面发生相对滑动。但由于正应カ。T作用产生摩擦阻カ,因此在破坏面上有效剪应カ为ブ,ブホデぴ。根据式（1-1-49）,将破坏面上正应カ。值和剪应カT值代入其中便得t'=I•（の-の）sin2a-行（5+g）+テ（のーの）.剪切破坏必发生在具有最大有效剪应カ的面上。按上述条件对式（1-1-50）微分,经整理可得lan2a=一f-一col2a 52—cot2a=tanp已知f=tan(p,根据式上式可得7T上述所求出的a称为剪切破坏角,即为岩石在受压破坏时,破坏面与最小主应力方向夹角。内摩擦角不同的岩石，其破坏角亦不同。由式1-1-51可知,2a介于90。〜180。之间,并有sin2a=(/'+1)一テ，cos2a=-/(/'+I)'([152)当式(1-1-51)满足时，T'=T—fu取最大值,由于T=C+fo,该最大值等于C,此时岩石开始发生剪切破坏。据此将上式(1-1-52)代入式(1-1-50),得到用主应カ5,6表达的库仑ー纳维尔准则: 53|(1+/2)-/]+[(1+/')!+/]>0(1-1-54)式(1-1-54)与式(1-1-53)联立求解,可得"11a>c(i+y*)2+/=彳4LJ2(1-1-55)由此可见,仅直线的AP部分(见图1-1-39)代表有效准则。当。コ为负值(拉应カ)时，由实验知,可能会在垂直于。コ平面内发生拉伸破裂,特别是在单轴拉伸中，拉应カ值达到岩石抗拉强度时,岩石发生拉伸断裂。但是,这种破裂行为完全不同于剪切破裂,而且在库仑ー纳维尔准则中没有描述。4|(1+/')+ーハーの1(1+グ)。ハ=2¢の…，(°号可(1-1-56)我们仍称之为库仑ー纳维尔准则。根据莫尔极限应カ圆和库仑ー纳维尔强度曲线之间的关系,也可以推导强度准则的其他形式。当已知岩石中某点在某ー应カ状态5,5下处于极限下平衡状态,如岩石的C、(P值已知,则在。-T平面上绘出该点应カ圆。而后在T轴上截取To=C点，过C点做与。轴成9角的直线,必与应カ圆相切于M点(见图1-1-40)。 54库仑ー纳维尔准则的完整强度曲线图1-1-40某点极限平衡状态图6sing=-0,,+の+2しcot(p从图1-1-40看出,有下列关系存在将上式化简可得 55=〇1-sins1—sins(1-1-57)根据三角关系式,式（1-1-57）还可改写成-63パほ+，-2Ctanほ+；)=0当5=0,则极限应カ5为岩石单轴抗压强度d,由式（1-1-58）即有 56图1-1-41平面压缩的格里菲斯裂隙模型在上述基本观点的基础上,格里菲斯建立了平面压缩的格里菲斯裂隙模型（见图1-1-41）,获得了双向压缩作用下的裂隙扩展准则,即格里菲斯强度条件①当Oi+3g3>0时（け1ー。3）~+8ス（。|+ぴ3）=0（1-1-62）②当5+303<0时,5为拉应カ,此值为5时产生裂隙。5=5（1-1-63）式中,5为材料抗拉强度。由格里菲斯条件可得出如下结论:a,抗压强度与抗拉强度关系。从式（1・1・62）可看出,单向压缩破坏时,6=5；〇13二0〇于是从该式可得(1-1-64)b.材料发生断裂时,可能处于各种应カ状态。这ー结果验证了格里菲斯理论的基本观点,即材料的破坏机理是拉伸破坏。在其理论解中还可以证明,新裂隙与最大主应力方向斜交,而且扩展方向会最终趋于与最大主应カ平行。 571.2课后习题详解（-）思考题1.名词解释:岩石、岩石结构、岩石构造,岩石的密度、块体密度、颗粒密度、孔隙性、孔隙率、渗透系数、软化系数、岩石的膨胀性、岩石的吸水性,扩容、弹性模量、变形模量、泊松比、脆性度、尺寸效应、常规三轴试验、真三轴试验、岩石三轴压缩强度,流变性、蠕变、松弛、弹性后效、岩石长期强度、强度准则。答:（1）岩石是由各种造岩矿物或岩屑在地质作用下按一定规律组合而形成的多种矿物颗粒集合体,是组成地壳的基本物质。（2）岩石结构是指岩石中矿物颗粒的大小,形状,表面特征，颗粒相互关系,胶结类型特征等。（3）岩石构造是指岩石中不同矿物集合体之间及其与其他组成部分之间的在空间的排列方式及充填形式。（4）岩石的密度是指单位体积岩石的质量。（5）块体密度是指单位体积岩石（包括岩石孔隙体积）的质量。（6）颗粒密度是指岩石固相物质的质量与其体积的比值。（7）岩石所具有的孔隙和裂隙特性,统称为孔隙性。（8）孔隙率是指岩石试件中孔隙总体积与岩石试件总体积之比。（9）表征岩石渗透性能的大小称为渗透系数,它在数值上等于水利坡度为1时的渗透速度。（10）软化系数是指岩石试件的饱和抗压强度与干抗压强度的比值。（11）岩石的膨胀性是指岩石浸水后发生体积膨胀的性质。（12）岩石的吸水性是指岩石在一定的实验条件下吸收水分的能力。（13）扩容是指岩石在外力作用下,形变过程中发生的非弹性的体积增长。（14）弹性模量是指在单向压缩条件下,弹性变形范围为轴向应カ与试件轴向应变之比。（15）变形模量是指岩石在单轴压缩条件下,轴向应カ与轴向总应变之比。（16）泊松比是指横向应变与轴向应变之比。（17）脆性度是指物体受力后,变形很小时发生破裂的脆性程度。（18）岩石试件的尺寸越大,强度越低,反之越高的现象称为尺寸效应。（19）常规三轴试验是指在三轴压缩荷载作用下,测试试件破坏时所能承受的最大轴 58向压应カ的试验,其中,巧＞生=生。（20）真三轴试验是指在三轴压缩荷载作用下，测试试件破坏时所能承受的最大轴向压应カ的试验，其中，巧＞%＞巧。（21）岩石的三轴压缩强度是指岩石在三轴压缩荷载作用下，试件破坏时所承受的最大轴向压应カ。（22）流变性是指介质在外カ不变条件下,应カ或应变随时间而变化的性质。（23）蠕变是指介质在大小和方向均不改变的外力作用下,其变形随时间的变化而增大的现象。（24）松弛是指介质的变形（应变）保持不变时,内部应カ随时间变化而降低的现象。（25）弹性后效是指对介质加载或卸载时,弹性应变滞后于应カ的现象。（26）通常把作用时间趋于无穷的强度（最低值）称为岩石长期强度。（27）强度准则又称破坏判据,它表征岩石破坏条件的应力状态与岩石强度参数间的函数关系。1.岩石结构与岩石构造有何区别?并举例加以说明。答:岩石结构是指岩石中矿物颗粒的大小,形状,表面特征,颗粒相互关系,胶结类型特征等,例如根据结晶颗粒大小可分为等粒状结构,不等粒状结构和斑状结构;岩石构造是指岩石中不同矿物集合体之间及其与其他组成部分之间的在空间的排列方式及充填形式,如岩浆岩中的流线,流面,块状构造,沉积岩中的层理,页片状构造等。2.岩石颗粒间连接方式有哪几种?答:岩石颗粒间连接方式有两种,分别为结晶连接和胶结连接。（1）结晶连接是矿物颗粒通过结晶相互嵌合在ー起,如岩浆岩、大部分变质岩和部分沉积岩都具有这种连接。（2）胶结连接是矿物颗粒通过胶结物连接在ー起,如沉积岩碎屑之间的连结,这种连接的岩石的强度取决于胶结物的成分和胶结类型。3.岩石物理性质的主要指标及其表达式是什么?答：主要指标主要有岩石的密度,岩石的孔隙性，岩石的水理性质。（1）岩石的密度①块体密度。表达式为: 59TJ[Pd=V式中,m为岩石试件的天然质量,kg；msat为岩石试件的饱和质量,kg；nh为岩石试件的干质量,kg；V为试件的体积,m3〇②颗粒密度。表达式为:式中,m5为岩石固相部分质量(岩石试件在烘箱中烘至105'C保持恒温、恒重时，岩石固体质量)，kg；し为岩石试件固相部分体积(不包括岩石孔隙体积)，iw。岩石颗粒密度是在试验室中用比重瓶法测定的。(2)岩石的孔隙性Vn=_LxlOO%V①孔隙率。表达式为:式中,い为岩石中孔隙的总体积,nv；V为岩石试件的总体积,m3。匕n.=x100%V②开口孔隙率。表达式为:式中,Vk为岩石中开口孔隙的体积,m3。③封闭孔隙率。表达式为:nc=n-nk(3)岩石的水理性质①吸水性 60a.岩石含水率町;枕岩石吸水率一八I一九一人m.m.c.岩石饱和吸水率叫;d.岩石饱水系数②渗透性其渗透系数表达式为③软化性ム=ム侧向约束膨胀率,膨胀压カ等。其软化系数表达式为d④膨胀性:包括自由膨胀率,I”=ウ;，X100%rh=^xioo%其表达式为式中，AH,AD分别是浸水后岩石试件轴向、径向膨胀变形量，mm；H,D分别是A//,VHr=JxlOO%岩石试件试验前的高度、直径，mm。式中,为有侧向约束的试件轴向膨胀变形量,mm〇5.何谓岩石的水理性?水对岩石力学性质有何影响?答:（1）岩石在水溶液作用下所表现出的力学的,物理的,化学的作用性质,称为岩石的水理性。（2）水降低了岩石的强度,打破了岩石内部原有的应力状态,减小了岩石的变形。岩石的水理性质包括吸水性、渗透性、溶蚀性、软化性、膨胀性、崩解性。①岩石在一定的实验条件下吸收水分的能力,称为岩石的吸水性,其吸水量的大小取决于岩石孔隙体积的大小及其敞开或封闭的程度等。②地下水在水力坡度（压力差）作用下，岩石能被水透过的性能称为岩石的渗透性。用渗透系数K来表征岩石渗透性能的大小。③由于水的化学作用,把岩石中某些组成物质带走的现象称为水对岩石的溶蚀。溶 61蚀作用使岩石致密程度降低,孔隙率增大,导致岩石强度降低。④岩石浸水饱和后强度降低的性质,称为软化性，通常用软化系数表示。⑤岩石的膨胀性是指岩石浸水后发生体积膨胀的性质。通常以岩石的自由膨胀率、岩石的侧向约束膨胀率、膨胀压カ等来表述。⑥岩石的崩解性是指岩石与水相互作用时推动黏结性并变成完全丧失强度的松散物质的性能。5.岩石受载时会产生哪些类型的变形?岩石的塑性和流变性有什么不同?从岩石的破坏特征看,岩石材料可分为哪些类型?答:（1）岩石的变形有三种类型,分为弹性变形,塑性变形和粘性变形。（2）岩石的塑性是指物体受カ卸载后不能完全恢复原状的性质，与时间无关;而流变性是指应カ（应变）保持不变的状态时,其应变（应カ）随时间的变化而改变的性质,与时间有关。（3）岩石材料可分为两类，分别是脆性材料和延性材料。6.简述岩石单向压缩条件下的变形特征。答:其变形主要分为5个阶段。（1）微裂隙压密阶段（0A）。此阶段反映出岩石试件受载初期,内部已存在裂隙及孔隙受压闭合,岩石被逐渐压密,形成早期的非线性变形。应カ应变曲线上凹，表明裂隙、孔隙压密开始较快，随后逐渐减慢。在此阶段试件横向膨胀较小，试件体积随载荷增大而减小,伴有少量声发射出现。（2）弹性变形阶段（AB）〇在此阶段应カ应变曲线保持线性关系,服从虎克定律a=E£o试件中原有裂隙继续被压密,体积变形表现继续被压缩。（3）裂隙发生和扩展阶段（BC）。从图1-2-1可以看出,在此阶段轴向（&）曲线仍保持近于直线;过B点后，随载荷增加,曲线&偏离直线。此时声发射频度明显增大,反映有新的裂隙（微破裂）产生。试件相对于单位应カ的体积压缩量减小。岩石变形表现为塑性变形,这ー阶段的上界应カ称为屈服极限（C点应カ）。（4）裂隙不稳定发展直到破裂阶段（CD）〇从图1-2-1I曲线看出,C点切线斜率为无穷大（da/dE=oo）,是&曲线拐点。过C点后，随施加载荷增加试件横向应变值明显增大,试件体积增大（应变反号）。这说明试件内斜交或平行加载方向的裂隙扩展迅速,裂隙进入不稳定发展阶段,其发展不受所施加应カ控制。（5）破裂后阶段（DE）。岩石试件通过峰值应カ后,其内部结构遭到破坏，但试件基本保持整体状。随后裂隙快速发展，试件承载カ随变形增大迅速下降,但并不降到零,说明破裂后的岩石仍有一定的承载能力,只是保持一较小值,相应于E点所对应的应カ 62扩容压缩值称为残余强度。如图1-2-1所示。图1215.简述循环荷载条件下岩石的变形特征。答:（1）在逐级循环加载条件下,即多次反复加载、卸载循环,每次施加的最大荷载比前一次循环的最大荷载高,则可得到如图1-2-2所示的应カ应变曲线。如果卸载点P超过屈服点,则每次加荷、卸荷曲线都不重合,且围成一环形面积，形成塑性回滞环。（2）随循环次数增加,塑性回滞环面积有所扩大,卸载曲线的斜率逐次略有增加,表明卸载应カ下的岩石材料的弹性有所增强。此外其应カー应变曲线的外包线与连续加载条件下的曲线基本一致,说明加、卸荷过程并未改变岩石变形的基本习性,这种现象又称为岩石记忆。（3）由图可见，卸荷后的再加荷曲线随反复加、卸荷次数的增加而逐渐变陡，回滞环的面积变小,岩石越来越接近弹性变形。残余变形逐次增加,岩石的总变形等于各次循环产生的残余变形之和,即累积变形。（4）岩石的破坏产生在反复加、卸荷曲线与应カー应变全过程曲线交点处。这时的循环加、卸荷试验所给定的应カ，称为疲劳强度。它不是一个定值，是ー个比岩石单轴抗压强度低且与循环持续时间（即循环次数）等因素有关的值。如图1-2-3所示。 63图122图!-2-35.简述岩石在三轴压缩条件下的变形特征与强度特征。答:（1）常规三轴压缩条件①变形特征a.破坏前岩石的应变随围压增大而增加。 64b.随围压增大,岩石的塑性也不断增大,且由脆性逐渐转化为延性。c.如图1-2-4所示的大理岩,在围压为零或较低的情况下,岩石呈脆性状态。d.当围压增大至50MPa时，岩石显示出由脆性向延性转化的过渡状态;围压增加到68.5MPa时,呈现出延性流动状态;围压增至165MPa时，试件承载カ（〇广妬）则随围压稳定增长,出现所谓应变硬化现象。e.如图1-2-5所示的花岗岩也有类似特征,所不同的是其转化压カ比大理岩大得多,そ工)61668.5MPa5OMPa84.5MPa貫ぐ尸!フ!>—Jv且破坏前的应变随围压增加更为明显。一般来说,岩石越坚硬,转化压カ越大,反之亦然。图124 65(edwf6157MPaヽ\78MPa1\***•55MPa、、33MPaヽ-17MPa7.5MPaGy-300MPa246MPa108MPaO|234轴向应变う(%)图!-2-5②强度特征试验表明,岩石处于三向应カ状态下,其强度随侧压增加而增大。其变形特征显现塑性变形的能力亦增加。び』岩石三向抗压强度与侧向压カ的关系,表示为式中,6c为岩石三向抗压强度,MPa;びc为岩石单向抗压强度,MPa:必为侧向压カ,人._I+sin.MPa；K为系数，与岩石种类有关;与岩石内摩擦角关系可写成1-§山ゆ。(2)真三轴压缩条件①变形特征如图所示,当。3为ー固定值(a3=1.25xlO2MPa)时,岩石强度(oi-o.?)随着中间主应カ6增加而增大,且。ク值比03较大时,岩石往往呈现出脆性状态。02逐渐下降时,则岩石由脆性逐渐过渡到延性状态。当6=。”，相当于围压情况时，则岩石呈现出延性流动状态。换句话说,一般岩石的力学性质受到中间主应力影响,当中间主应カ6增大时,岩石脆性加强延性减弱。 66若保持中间主应カ。为ー常数,研究CT变化对应カ应变的影响,如图1-2-6(b)所示，可知随着最小主应カ6的加大，大理岩由脆性逐渐过渡到延性，但其屈服应カ仍保(a)DunhamflzrYlaj-常数时。,的影响(b)大理岩。产常数时の的影响持不变。图1-2-6对完整岩石中间应カ值对应变特性产生影响，而对裂隙岩石则随裂隙产状不同,其变形特征有很大差异。②强度特征在给定的。3为常数时,由于6增加,在一定应カ变化区间内,可以使岩石破坏时的5增大。但当。z超过这ー特定区间之后,5随。z增加而迅速下降。这个区间大小与岩石性质有关,根据相关资料其破坏类型示于图1-2-7。 67图1-2-7试验研究表明,岩石的三轴抗压强度与岩石本身性质、围压、温度、湿度、孔隙压カ及试件高径比等因素有关。特别是矿物成分、结构、微结构面发育情况及其相对于最大主应カ的方向和围压的影响尤为显著。综上所述可知,岩石在不同应カ状态下其强度值不同,一般符合如下规律:三轴抗压强度〉双轴抗压强度〉单轴抗压强度〉抗剪强度〉抗弯强度〉抗拉强度。5.岩石的弹性模量与变形模量有何区别?答:岩石弹性模量是指在单轴压缩条件下，弹性变形范围为轴向应カ与试件轴向应变之比,它只包括弹性变形,不包括塑性变形;而变形模量是指岩石在单轴压缩条件下,轴向应カ与轴向总应变之比,既有弹性变形又有塑性变形。6.什么是岩石全应カー应变曲线?为什么普通材料试验机得不出全应カー应变曲线?研究它有何意义?答:（1）岩石全应カー应变曲线是指材料在试验机试验下,岩石试件破坏前以及破坏后的应カ和应变关系变化曲线。（2）在普通材料试验机实验过程中,在相同的载荷作用下,因为Km 68式中,〇为岩石抗压强度,MPa；P为试件破坏时施加的最大载荷,N；A为试件横截面积,（2）m2o单轴抗拉强度。其表达式为 695.岩石抗剪强度有哪几种测定方法?如何获得岩石的抗剪强度曲线?答:（1）岩石抗剪强度有三种测定方法,分别是直剪试验,倾斜压模剪切法和三轴试验。r=v=i\"ma-/cosa）（2）根据公式レ=*=4（＜x+/sina）,对不同的。（或法向应カ0）进行试验,得到多组不同的a（或法向应カ。）,即可画出岩石的抗剪强度曲线。6.岩石的受力状态不同对其强度大小有什么影响?哪一种状态下的强度较大?答:岩石的受力状态不同,其强度值也不同,有如下规律:（1）在压应カ条件下岩石的强度要大于在拉应カ状态下的强度;（2）对于压应カ而言,在有围压的作用的岩石强度要大于没有围压作用的岩石强度。三轴压应カ状态下的岩石强度较大。岩石在不同应カ状态下其强度值不同,一般符合如下规律：三轴抗压强度〉双轴抗压强度〉单轴抗压强度〉抗剪强度〉抗弯强度,抗拉强度。7.岩石典型蠕变可划分为几个阶段?图示并说明其变形特征。答：根据岩石蠕变试验,在一定的应力条件下,岩石发生蠕变时,可得到图1-2-8所示的应变与时间关系的典型蠕变曲线。根据蠕变曲线特征,可将其划分为下面四个阶段：（1）瞬时弹性变形阶段（0A段）。加载后以近于声速速度完成的弹性变形。（2）蠕变开始阶段（AB段）。在这个阶段内,蠕变速度是递减的,而且递减很快，又称为衰减蠕变阶段。（3）蠕变第二阶段（BC段）。在这个阶段蠕变速度保持不变,称稳定蠕变阶段或等速蠕变阶段。（4）蠕变第三阶段（CD段）。此阶段内蠕变速度以加速形式迅增，直至破坏阶段,称为加速蠕变阶段。 70图!-2-85.岩石流变模型的基本元件有哪几种?分别写出其本构关系。答:岩石流变模型基本元件有三种,分别是弹性元件,粘性元件和塑性元件。a=Ee(1)弹性元件。其本构方程为(If•び二ラぶ二リe(2)粘性元件。其本构方程为(3)塑性元件。其本构方程为当〇＜ザ寸,E=0-当C20■.时,—i-=constI-dt6.不同受力条件下岩石流变具有哪些特征?答:不同受力条件下岩石流变具有的特征为蠕变，松弛和弹性后效。其中,蠕变是指介质在大小和方向均不改变的外力作用下,其变形随时间的变化而增大的现象。松弛是指 71介质的变形（应变）保持不变时,内部应カ随时间变化而降低的现象。弹性后效是指对介质加载或卸载时,弹性应变滞后于应カ的现象。它是ー种延迟发生的弹性变形和弹性恢复,外カ卸除后最终不留下永久变形。5.何为岩石长期强度?其与岩石瞬时强度的关系如何?其实际意义是什么?答:（1）通常把作用时间趋于无穷的强度（最低值）称为岩石长期强度。（2）当荷载达到岩石瞬时强度时，岩石发生破坏,岩石的强度随外载作用时间的延长而降低，此最低值为岩石长期强度。（3）研究地下工程围岩破坏时，必须考虑时间因素,而岩石长期强度是ー种极有意义的时间效应指标,当衡量永久性及使用期长的岩石工程稳定性时，以长期强度作为岩石强度指标。6.何为强度准则?研究强度准则的意义是什么?常用的岩石强度准则有哪些?答:（1）强度准则又称破坏判据,它表征岩石破坏条件的应力状态与岩石强度参数间的函数关系。（2）意义在于它反映了岩石的破坏机理,通过强度准则可以判断岩石在什么样的应力,应变条件下破坏。（3）常用的强度准则有库伦准则,莫尔强度准则和格里菲斯强度准则。7.岩石的破坏有几种形式?破坏的机理是什么?答:岩石的破坏有以下四种形式。（1）脆性拉伸破坏。这种破坏起因于微裂隙或裂隙周围的局部拉应カ。（2）剪切破坏。破坏机理是当断裂面上所受的剪应カ达到其抗剪强度时发生剪断。（3）沿结构面滑移。当岩石强度低,结构面倾角大于完整岩石的抗剪角时,试件则沿结构面发生滑移。（4）塑性破坏。这种破坏是由于岩石中的结晶颗粒内部晶格间或颗粒间发生滑移破坏,主要是在剪应カ作用下产生。8.莫尔强度理论的主要观点是什么?如何根据莫尔强度理论判断岩石中一点破坏与否?答:（1）主要观点是认为材料破坏取决于作用于破坏面上的剪应カ和正应カ,此时,剪切破坏面上的剪应カt与该面上的正应カa之间有在一定的函数关系,可用下式表示: 72t=/(tr)这ー函数关系称为莫尔强度条件。它在LT平面上可用一曲线表示,这条曲线通常称为强度曲线。（2）通过一系列不同应カ状态试验,便可求得一系列破坏状态。于是根据试验结果就能得出ー系列代表这些破坏状态的极限应カ圆。这些极限应カ圆的包络线即为强度曲线,包络线上所有点反映了该种岩石在一切危险状态下T=f（0）这一曲数关系,即反映出沿某ー破坏面剪坏时，所需要的剪应カ与正应カ。根据岩石的强度曲线,配合莫尔应カ圆,可以判断岩石中一点能否发生剪切破坏,以及破坏面的产状如何。5.简述格里菲斯强度理论的基本观点,并写出格里菲斯条件。答:（1）基本观点格里菲斯认为:任何材料内部都存在着各种缺陷（称为格里菲斯裂隙）;当含有这些缺陷的材料处于复杂应カ状态之下,在这些裂隙端部会产生大的拉应カ集中。当这些裂隙端部某ー个拉应カ值超过该材料的抗拉强度值时，裂隙便开始扩展,其方向最后将与最大主应カ方向平行,导致材料发生脆性拉伸破坏。（2）格里菲斯条件①当CTi+3ct3>0时（5-6）2+8at（01+03）=06=5②当6+36V0时,03为拉应カ,此值为5时产生裂隙。式中,5为材料抗拉强度。6.对岩石进行单轴抗压试验,如果发生剪切破坏,破坏面是否一定是试样中的最大剪应カ面?为什么?如果发生拉断破坏，此时的抗压强度是否即为抗拉强度?为什么?答:（1）破坏面不一定是试样中的最大剪应カ面。根据岩石的强度特性画出莫尔圆以及莫尔强度曲线,从图中可以知道,莫尔圆与强度曲线的交点即为剪切破坏点,面此点不一定是莫尔圆的最高点也即剪切强度最大值点,面此时最大剪应カ点在强度曲线下方,并不发生破坏。（2）此时的抗压强度不是抗拉强度,岩石的抗拉强度是在没有剪应力作用下的情况。7.库仑ー纳维尔理论的主要观点是什么?其能否解释受拉区的强度?答:（1）主要观点 73岩石发生剪切破坏时,破坏面上的剪应カ应等于岩石本身的内聚カ和作用于该面上由法向应カ引起的摩擦阻カ之和。（2）受拉区的破坏行为完全不同于剪切破裂,而且在库仑ー纳维尔准则中没有描述。故该结论不能解释受拉区的强度。（二）习题5已知某种玲岩的块体密度为2.5xl03kg/m3,孔隙率为2.5%。求岩石的颗粒密度。答:由已知得:pd=2.5xl03kg,n=2.5%on=（I-—jx100%根据公式、pJ,解得岩石的颗粒密度ps=2.56xl03kg/nv。6已知一块5cmx5cmxl0cm的白云岩长方体试件受单向压缩。当载荷（单位:kN）分别加到p】=30,p2=50,p3=75,p4=100,ps=150和p6=200时,测得试件的轴向变形量（单位:103cm）分别为△>=4.28,△37.14,"=8.56,Al4=11.43,Al5=17.14,AL=22.26,试绘出白云岩的应カ应变曲线,并求它的初始弹模、切线弹模和割线弹模。答：由已知得:受カ面积S=5x5=25cmz。根据公式。=P/S得,Oi=12MPa,s=20MPa,s=30MPa,a=40MPa,as=60MPa,a6=80MPa岩石应カー应变曲线102030405060708090岩石应变石2015105SS画出应カ应变曲线得图!-2-9耳ー熄ー丐1通过计算可得,初始弹性模量E产do/d£=200MPa/cm,切线弹性模量’号「J耳=%=280MPa/cm,割线弹性模量ら。=255MPa/cm。 745将某矿的页岩岩样做成边长为5cm的三块立方体试件，分别作剪切角度为45。,55。和60。的抗剪强度实验,施加的最大载荷相应地为22.4,15.3和12.3kN,求该页岩的内聚力C和内摩擦角年值,并给出该页岩的抗剪强度曲线图。t=;=q(sina-/；x)AA=厶(<«>'a+/sin«)A答:根据公式有:此时,不考虑滚动摩擦カ,所以上0。代入数据得:Ti=6.33MPa,ai=6.33MPa,T2=5.01MPa,a2=3.51MPa,T3=3.69MPa,as=2.46MPao页岩的抗剪强度曲线001234S6抗压强度。い越策早麻画出页岩的抗剪曲线图图!-2-10由于抗剪强度曲线为T=atan(p+C,由图可得,内聚カC=2.4MPa,内摩擦角(p=32.5°o6某种岩石的两组抗剪强度试验数据为:CTni=6MPa,Ti=19.2MPa；a„2=10MPa,Tz=22MPa。求该岩石的内聚力和内摩擦角,并估算在围压为5MPa时的三轴抗压强度。答:由己知得:T=atan(p+C,其中，C为内聚カ，屮为内摩擦角。 75于是代入数据得,(p=35°,C=15MPaocr=~~--———"sin(pr=———-cos(p山干222将s=5MPa代入得:x=29MPa,o=20MPa。5将直径为5cm的岩芯切成厚度为2.5cm的圆盘形试件,然后进行劈裂试验,当荷载达到9.125kN时,试件即发生开裂破坏，试计算试件的抗拉强度。答:根据公式，有‘其中,5为岩石抗拉强度,MPa；p为岩石试件断裂时所施加最大载荷,N；D为岩石试件直径,m；t为岩石试件厚度,m；tt为圆周率。代入数据,得o,=4.65MPa。6若用岩石的单轴抗压强度Oc和单轴抗拉强度5应カ圆公切线表示莫尔ー库仑准则的岩石强度曲线,试推导出强度曲线表达式。答：由已知得:sin(p=(CTc/2)/(CTt+Qc/2)〇_§丝得tan(p=±k'+a5,。〜メ3の推导得出强度曲线表达式为郎;。7已知びハ5,试根据莫尔ー库仑理论推导抗剪强度参数C,屮的表达式。答:由已知得:sin(p=(Qc/2)/(at+Oc/2)〇得tan(p=q%一45，c=++bq。8已知抗剪强度参数C, 76/一口tan*（—Fく）-2ctan（—+g）=04_4_（2）根据库伦ー纳维尔判据,对应的强度曲线为:代入得可知,岩块会发生破坏。综合分析，库伦ー维纳尔判据不适用于。3<0的情况，因此无法使用该判据;而格里菲斯判据针对的是拉破坏,因此可以使用该判据,岩块不会发生破坏。5.试用莫尔应カ圆画出:①单向拉伸;②单向压缩;③纯剪切；④双向压缩;⑤双向拉伸。T双向拉伸单向拉伸单向压缩双向压缩答:莫尔应カ圆如图!-2-11所示:其中纯剪切应カ圆为原点。图1-2-116.有一岩柱,在单向受压时，其抗压强度为60MPa,该岩石内摩擦角（p=30。。采用莫尔ー库仑强度理论，当侧向压カ为5MPa时,求:①其轴向应カ为多大时,岩柱发生破坏?②破坏面的位置。③其破坏面上的正应カ和剪应カ。a=———-—=sin0答:（1）根据公式22,代入得o=15MPa；5一巧小r=--cos（p2,代入得て=26MPa。因此强度曲线为て二0.58び+17.3。代入得ai=75MPao 77c=45°+£=60°(2)2,所以破坏面与水平面呈60。。(3)根据公式可得,a=22.5MPa,T=30MPa.12.将一个岩石试件置于压カ机上施加压カ,直到IMPa时发生破坏。已知破坏面与最小主应カ所在的平面成60。,并假定抗剪强度随正应カ呈线性变化。试求:①在正应カ为零的那个面上的抗剪强度等于多少?②破坏面上的正应カ和剪应カ。③与最小主应力作用平面成30。角平面上的抗剪强度等于多少?a=-+^=45o-15°=30°答:已知42得。=30。,岩石进行单轴压缩,所以5=0,1+sin02®C»cos(z)=ー匕G+；-1-sin°'1-sin。,l+sin30°へ2xCxcos3001=x0+l-sin30°l-sin30°当Oi=lMPa时,岩石破坏,则,得出C=0.29MPao(1)由已知得:S=C=0.29MPao(2)由已知得:a=30°5十び35ーび3へ!+01-0うつCCハラ“ieゝ-cosla=+cos2x30c=0.75(J/Pa)根据公式,有r=ZLZ£Lsin2a=^sin2x30==0.43(3ZPa)(3)与最小主应カ面的夹角为30。时,即a=60。该面上为正应カ〇,剪应カ为T,剪切强度So 78cr=--+-="cos2a=-^―+cos2x600=0.25(J/Pa)t=gl~g3sm2a=—sin2x60°=0.43(J/Pa)S=CT-rg<£»+c=0.25xrg30°+0.29=0.43(J/Pa)13.某岩石三轴试验时,围压为6=O3=10MPa,并在轴压达到64MPa时破坏,破坏面与最小主应カ夹角为60。已知岩石的破坏服从库仑准则,试求:（1）内摩擦角;（2）单轴抗压强度;（3）内聚カ;（4）若该岩石在正应カ为lOMPa条件下进行剪切试验,抗剪强度多大?a=-+^=45°+15°=60°答:（1）已知42得屮=30°。l+sin(z)2«C»cos(pl+sin30cA2x9.8xcos30c-j,=g+-=x0+=j4MPal-sin。l-sing1ー疝30cl-sin30°1+sin32»C«cos(z?ax=；~—a3+；-l-sin°'l-sinpハl+sin30c,ハ2xCxcos30°64=x10+(2)根据!-sin30°l-sin30°得出C=9.8MPa。(3)由已知得，C=9.8MPa。(4)r=atan纣C=1Oxtan30°+9,8=15.6NIPa14.有一矿柱受40MPa的垂直应カ,矿柱的内聚カC=10MPa,内摩擦角（p=30。。采用莫尔ー库仑强度理论，求:①判断该矿柱是否发生破坏?②破坏面的位置。③如不使岩柱破坏,需加多大的侧向应カ? 79答:a=2+义=45。+15。=60。(1)已知42代入公式，显然,该矿柱发生破坏 80(2)破坏面的位置为与水平面呈60。。(3)设刚好发生破坏时,有:l+sin(z>2*C«cos(z)=：——气+：-l-sin(^>"l-sin°小l+sin30°2xl0xcos30°40=xg+l-sin30°•l-sin30°解得s=l.79MPa。因此需加1.79MPa的侧向应カ。15.已知某种岩石试件的内聚カC=2.5MPa,内摩擦角e=30。,当岩石试件受侧向围岩s=10MPa时,求该岩石试件的三轴抗压强度。l+sin(z>2»C«cos(z)%=-丐十-l-sin(p'1-sin】型3。、］0,ど・33ピl-sin30°l-sin30°=38.66“尸a答:由已知得,1.3典型题（含考研真题）详解1.岩石密度［中南大学2011年、2012年］答:岩石密度是指单位体积岩石的质量,单位为kg/nF。岩石的密度又可分为块体密度和颗粒密度。块体密度。指单位体积岩石（包括岩石孔隙体积）的质量。根据岩石试样的含水状态不同,可分为天然密度、饱和密度和干密度。。各种块体密度可用下式表示:（んッ式中,m为岩石试件的天然质量，kg；msat为岩石试件的饱和质量,kg；m8为岩石试件的干质量,kg；V为试件的体积,nv。p.=—匕岩石颗粒密度Ps是岩石固相物质的质量与其体积的比值。其公式为式中,ms为岩石固相部分质量（岩石试件在烘箱中烘至105C保持恒温、恒重时，岩石固体质量），kg；し为岩石试件固相部分体积（不包括岩石孔隙体积），iw。岩石颗粒密度是在试验室中用比重瓶法测定的。 811.岩石吸水率［中南大学2013年］答:岩石吸水率是指岩石试样在大气压カ和室温条件下吸入水的质量（kg）与试卬ーー一ー叫m：ms样固体质量m’的比值,以百分数表示,即式中，m。为烘干试样浸水48h的质量,kg〇岩石吸水率大小取决于岩石所含孔隙数量和细微裂隙的连通情况,孔隙愈大、愈多，孔隙和细微裂隙连通情况愈好,则岩石的吸水率愈高,因而岩石质量愈差。2.岩石软化系数［中南大学2011年］答:岩石浸水饱和后强度降低的性质,称为软化性,通常用软化系数表示。软化系数Kr为岩石试件的饱和抗压强度。巾(MPa)与干抗压强度a(MPa)的比值,即岩石的软化性取决于它的矿物组成和孔隙性,岩石中含有较多的亲水性和可溶性矿物,孔隙较多,岩石的软化性较强,软化系数较小。K>0.75,岩石的软化性弱,工程地质性质较好;K<0.75,岩石软化性较强,工程地质性质较差。岩石的软化系数均小于1。3.岩石膨胀性［中南大学2013、2011年］答:岩石膨胀性是指岩石浸水后发生体积膨胀的性质,通常以岩石的自由膨胀率、侧向约束膨胀率、膨胀压カ等来表述。4.岩石崩解性［中南大学2013年］答：岩石的崩解性是指岩石与水相互作用时推动黏结性并变成完全丧失强度的松散物质的性能。一般用耐崩解性指数表示。5.岩体的渗透性［中南大学2012年］答：岩体的渗透性是指在水力坡度作用下岩石能被水透过的性能,其定量指标可用渗透率、渗透系数、渗透率张量和渗透系数张量描述。6.岩石本构关系［中南大学2010年、2012年］ 82答：岩石的本构关系是指岩石在外力作用カ应カ(应カ速率)与应变(应变速率)的关系。1.岩石的松弛［中南大学2012年］答：岩石的松弛是指岩石在应变不变情况下,应カ随时间增加而减小的现象。岩石的松弛是岩石流变现象的ー种。2.岩石的长期强度［中南大学2012年］答：岩石的长期强度是指岩石在长期荷载作用下抵御破坏的最低强度值。岩石在长期荷载下会产生蠕变效应,故而把蠕变强度作为岩石的长期强度。 831.岩石的蠕变［中南大学2010年、2013年］答:岩石的蠕变是指介质在大小和方向均不改变的外力作用下,其变形随时间的变化而增大的现象。2.岩石的流变［中南大学2011年］答:岩石的流变是指岩石的应カ与应变随时间变化的性质。包括蠕变,松弛和弹性后效。3.岩石弹性模量［中南大学2011年］答：岩石弹性模量是指岩石在单向压缩条件下,弹性变形范围内的轴向应カ与试件轴向应变之比。4.岩石切线弹模［中南大学2012年］答：岩石切线弹模是指岩石的应カ一应变关系曲线上任意一点切线的斜率。岩石的切线弹模反应了岩石的弹性变形特征。5.岩石的单轴抗压强度［中南大学2012年］答:岩石单轴抗压强度是指岩石在单轴压缩荷载作用下达到破坏前所能承受的最大压应カ。6.岩石单轴抗拉强度［中南大学2013年］答：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カ，称为岩石的单轴抗拉强度,一般简称抗拉强度。7.岩石三轴抗压强度［中南大学2011年］答：岩石的三轴抗压强度是指岩石在三轴压缩荷载作用下,试件破坏时所承受的最大轴向压应カ。在一定围压作用下,岩石的三轴抗压强度5c(MPa)为式中,P为试件破坏时的最大轴向载荷,N；A为试件的初始横截面积,nv。岩石的三轴抗压强度通过岩石的三轴压缩试验(常规三轴试验或真三轴试验)获得。8.岩石的变形 84答:岩石的变形是指岩石在外力作用下发生形态（形状、体积）的变化,岩石变形有弹性变形、塑性变形和黏性变形三种。1.岩石中的微结构面答:岩石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。2.岩石饱水系数K“宀答：岩石饱水系数是指岩石吸水率与饱水率的比值,以百分率表示,即w”,一般岩石的饱水系数介于0.5〜0.8之间。饱水系数对于判别岩石的抗冻性具有重要意义。吸水性较大的岩石（如软岩）当吸水后往往产生膨胀,它会给井巷支护造成很大的压カ。3.岩石扩容答：扩容是指岩石在外力作用下,形变过程中发生的非弹性的体积增长。扩容往往是岩石破坏的前兆。4.岩石各向异性答：岩石各向异性是指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。由于岩石的各向异性,如在不同方向加载时,岩石可表现出不同的变形特性,不同的弹性模量和泊松比，不同的强度等。二、简答题1.如何确定岩石的弹性模量?岩石的三种弹性模量各反映什么特征?［中南大学2013年］答：（1）岩石弹性模量是指在单向压缩条件下,弹性变形范围为轴向应カ与试件轴向应变之比，即E=o/£。岩石的弹性模量,应根据岩石的应カー应变关系曲线确定：①若岩石的应カー应变关系具有近似直线的形式,则直线的斜率即为岩石的弹性模②因为大多数岩石在单向应力作用下,应カ应变之间不保持线性关系,因此岩石弹性模量不是常数。当其轴向应カー应变曲线为非线性关系时,其弹性模量有3种：初始弹性模量E、割线弹性模量Es、切线弹性模量Etoa.初始弹性模量E“用应カ应变曲线坐标原点切线斜率表示,即E尸do/加b.割线弹性模量&,用应カ应变曲线原点与某ー特定应力点之间的弦的斜率表示。 85一般规定特定应カ为极限强度ふ的50%,即'c.切线弹性模量E“用应カ应变曲线直线段的切线斜率表示‘ねー%（2）岩石不同的弹性模量反映了岩石不同的特性:①岩石的初始弹性模量反映了岩石中裂隙的多少;②岩石的割线模量反映了岩石的整体变形特征;③岩石的切线模量反映了岩石的弹性变形特征。1.什么是全应カ一应变曲线?它有什么工程意义?为什么普通材料实验机得不出全应力ー应变曲线?［中南大学2011年］答:（1）全应カ一应变曲线是指能全面反映岩石受压破坏过程中的应カ、应变特征,特别是岩石破坏后的强度与力学性质变化规律的应カ应变曲线。（2）全应カ一应变曲线的工程意义在于它能预测岩爆,保证作业人员的工作安全,同时能预测蠕变破坏和预测循环加载条件下的岩石的破坏,工程中能利用岩石的这些性质完成工程项目,节约成本。（3）普通材料试验机所测得的结果与岩石所表现不一致的主要原因,在于现在普遍使用的材料试验机加载系统刚度小于试件刚度，这类试验机称为柔性试验机。在普通材料试验机实验过程中，在相同的载荷作用下,因为Km 86度曲线联系起来，建立莫尔强度准则。（2）莫尔ー库伦强度准则:岩石的破坏主要是剪切破坏,岩石的强度,即抗摩擦强度等于岩石本身抗剪切摩擦的黏结カ和剪切面上法向カ产生的摩擦カ。（3）莫尔强度准则是将莫尔ー库伦强度准则推广到考虑三向应カ状态，认识到材料性质的本身乃是应力的函数。莫尔强度包络线包括斜直线型、二次抛物线型、双曲线型等。其中斜直线型与莫尔ー库伦强度准则基本一致,因此可以说莫尔ー库伦强度准则是莫尔强度准则的特例。1.莫尔提出的关于岩石破坏强度理论的基本观点是什么?什么是莫尔ー库仑强度准则?莫尔岩石强度判据的不足之处是什么?［中南大学2010年］答:（1）莫尔强度理论的基本观点是:材料在压应カ作用下发生破坏或屈服是由于材料的某ー截面上剪应カ达到一定的限度,而这个剪应カ与材料特性和该面上的正应カ所产生的摩擦阻力有关。即材料发生破坏取决于破坏面上的剪应カ和正应カ。（2）莫尔ー库仑强度准则是指：岩石发生剪切破坏时,破坏面上的剪应カ应等于岩石本身的内聚カ和作用于该面上由法向应カ引起的摩擦阻カ之和。（3）莫尔强度理论的不足之处在于：忽略了中间主应カ6的影响,与实验结果有一定的出入。另外，该判据只适用于剪切破坏,受拉区的适用性还值得进ー步探讨,并且不适用于蠕变或膨胀破坏。2.表征岩石强度的基本指标及其公式。答：（1）单轴抗压强度。其表达式为：式中,。为岩石抗压强度,MPa；p为试件破坏时施加的最大载荷，N；A为试件横截面积,m%（2）单轴抗拉强度。其表达式为：.6=力Gt=p/A或（3）抗剪强度。其表达式为: 87Tsina-fco^a)(cosa♦・ホi”a)式中,p为试件发生剪切破坏时施加的最大载荷,N；T为作用在破坏面上的剪切カ,N；N为作用在破坏面上的正压カ,N；A为剪切破坏面的面积,nr；a为剪切面与水平面的夹角;f为压カ机承压板与剪切夹具间的滚动摩擦系数。Pの"彳（4）三轴抗压强度。其表达式为:式中,P为试件破坏时的最大轴向载荷,N；A为试件的初始横截面积,nv。6.分析在普通材料试验机上测岩石单轴抗压强度时试件发生崩裂的原因。答:由于试验机的刚性不足,在岩石压缩过程中,试件受压,试验机框架受拉,随着岩样不断被压缩,试验机发生的弹性变形以应变能形式存于机器中,当施加压カ超过岩石抗压强度，试件破坏,此时,试验机迅速回弹,被存于试验机中的应变能瞬间释放到岩石试件中,引起岩石的激烈破坏和崩解。7.简述弹性体和塑性体在外力施加和解除时,其变形特征。答:（1）弹性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;（2）塑性体受力后产生变形,在外力去除（卸载）后变形不能完全恢复,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。8.什么是岩石的扩容?简述岩石扩容的发生过程。答;（1）岩石扩容是指岩石在荷载作用下,在其破坏之前的一种明显的非弹性体积形变现象；（2）岩石受压过程中,试件任意微小单元X、Y、Z方向发生形变，&、e、&分别对应最大、中间、最小主应变,弹性模量和泊松比为常数的岩石受压体积变化经历三个阶段:①体积变形阶段。体积应变在弹性范围内，随应カ增加而呈线性变化,此阶段&>|&+&|体积减小;②体积不变阶段。体积发生形变,但体积应变增量近似为零,&=|&疋3|体积不变:③扩容阶段。两侧向变形之和超过最大主应カ压缩变形,&VI&+&I,体积增大。9.如何通过三轴压缩试验获得岩石的凝聚力C和岩石的内摩擦角0? 88答:（1）通过三轴压缩试验记录至少两组主应カ大小。在试验过程中,给试件提供轴向应カ和围压,当试件发生破坏时记录此时的轴向应カ和围压大小,至少完成两组实验,得到两组实验结果。，=a3（2）利用莫尔ー库仑准则,有:将得到的主应力代入公式即为二元一次方程,解方程可求出岩石的内聚力c和内摩擦角（p=三、作图与设计题6请作出岩石试件单轴压缩全应カー应变曲线示意图，并说明各阶段变形和破裂现象的特征。［中南大学2012年］答：岩石试件单轴压缩全应カー应变曲线示意图见图1-3-1。图1-3-1岩石试件单轴压缩全应カ应变曲线岩石试件单轴压缩全应カー应变曲线如上图所示，曲线可分为四个阶段：①孔隙裂隙压密阶段（0A段）。试件中原有张开性结构面或微裂隙逐渐闭合,岩石被压密。试件横向膨胀较小,试件体积随荷载增大而减小。②弹性变形至微弹性裂隙稳定发展阶段（AC段）。应カー应变成近似直线型,AB段为弹性变形阶段,BC段为微破裂稳定发展阶段。③非稳定破裂发展阶段（CD段）。微破裂的发展出现了质的变化,破裂不断发展直至试件完全破坏。试件由体积压缩转为扩容,轴向应变和体积应变速率迅速增大。④破裂后阶段（D点以后段）。岩块承载カ达到峰值强度后,其内部结构遭到破坏,但试件基本保持整体状。裂隙迅速发展,交叉且相互联合形成宏观断裂面。此后,岩块变形主要表现为宏观断裂面的块体滑移,试件承载カ随变形增大而迅速下降。7请示意性地绘出一条岩石的典型蠕变曲线，并在图上标出各个变形阶段的名称,然后详细说明各变形阶段的特点。［中南大学2013年］答：岩石的典型蠕变曲线见图1-3-2岩石的典型蠕变曲线可划分为下面四个阶段:（1）瞬时弹性变形阶段（0A段）。加载后以近于声速速度完成的弹性变形;（2）蠕变开始阶段（AB段）。在这个阶段内,蠕变速度是递减的,而且递减很快,又称为衰减蠕变阶段;（3）蠕变第二阶段（BC段）。在这个阶段蠕变速度保持不变,称稳定蠕变阶段或等速蠕变阶段; 89（4）蠕变第三阶段（CD段）。此阶段内蠕变速度以加速形式迅增，直至破坏阶段,称为加速蠕变阶段。图1-3-2岩石典型蠕变6岩石流变模型的基本元件有哪几种?请分别写出其本构关系。［中南大学2011年］答:岩石流变的基本元件有3种,分别为:①弹性元件:如果岩石在荷载作用下,其变形性质完全符合胡克定律,则称为胡克体，是ー种理想弹性体。其本构关系为:ね；②塑性元件:物体所受的应カ达到屈服极限时便产生塑性变形,即使应カ不再增加,变形仍不断增长。是ー种理想塑性体,其本构方程为：当"6时,£=0i当。る5时,£不确定（受周围物体与边界条件限制所定）。d为屈服极限。③黏性元件：应カ与应变速率成正比,满足牛顿流动定义。其本构关系为：_de_‘み"。”为牛顿黏性系数。7请作出马克斯韦尔流变模型组成图。写出其本构方程，然后推导出蠕变方程和松弛方程，并绘制出相应蠕变和松弛曲线示意图。［中南大学2012年］ 90答:马克斯韦尔流变模型是ー种粘弹性模型,它可以看作一个弹簧和一个阻尼器串联6\A〇WWIm)en而成,其力学模型如图1-3-3所示:图1-3-3马克斯韦尔流变力学模型示意图包—JL但g所以其本构方程为:山ート:山ワ。由于弹簧模型只有瞬时变形,没有蠕变性质。故马克斯韦尔流变模型的蠕变仅由阻尼器的变形引起，故其在。为定值的情况下，其本构方程可简化为:ワ％。解此微分方程可得:り'〇C为积分常数,由初始条件确定。当t=0时,£=£o=ao/k,所以C=a0/ko_と+町所以,其蠕变方程为：火）り’,其蠕变曲线如图1・3・4所示。 91图1・3・4马克斯韦尔流变力学模型蠕变曲线示意图=0Idacrハx,十え市リ&£=（）蛇=J_x如+ピ在此模型中如保持应变不变,即s=const,则山一’式山卜:山り变为移项则得Inez1り对上式积分得积分常数C可借助初始条件求得。当t=0时,a=ao（仇为瞬时应カ）,得C=lnm将er-び0exp（ーも）求得的C值代入上式便得该式即为松弛方程,该方程可用图1-3-5表示。从图可看出,。随时间增加而降低。这ー现象称为应力松弛。 92图1-3-5马克斯韦尔流变力学模型松弛曲线示意图6请作出凯尔文流变模型图,并示意地绘出该模型的蠕变曲线和卸载弹性后效曲线。［中南大学2010年］vwv¢5——6り,£答:（1）凯尔文体流变模型如图1-3-6所示。图!-3-6（2）凯尔文体蠕变曲线和弹性后效曲线如图1-3-7所示。图!-3-7四、推导题1.已知岩石单轴抗压强度”,抗拉强度。“试根据莫尔ー库仑强度理论推导出抗剪强度参数C、（p的表达式。［中南大学2011年］解:由已知得:sin 93片在豆（1+吐父のピ12M+w五、计算题1.试验测得花岗岩的单轴抗压强度为lOOMPa,破坏面与压应カ作用面夹角为60°,试根据莫尔一库仑强度准则计算这种岩石在lOMPa围压下的三轴抗压强度。［中南大学2013年］解:由莫尔准则可知,岩石发生剪切破坏时破坏面与压应カ作用面夹角B=n/4+f/2,因此岩石的内摩擦角f=30。。如图1-3-8所示。 94图1382cg(1—/cotaf)sin2a所以岩体的单轴抗压强度:将0=60。代入上述公式得:岩石内部粘结カc=50MPa。将f=30。,0=60。,c=50MPa…+エセえ刈ー(1—/cota)sin2a代入岩石三轴抗压强度公式:可得:ai=121.55MPa01.有一岩柱,在单向受力时其抗压强度为60MPa,该岩石内摩擦角叩=40。,采用莫尔一库仑强度理论，当侧向压カ为5MPa时,求:（1）其轴向应カ为多大时,岩体发生破坏?（2）破坏面位置?（3）其破坏面上的正应カ和剪应カ?［中南大学2012年］解：假定破坏面与最大主应カ方向夹角为ロ,由莫尔定理得:1,\1/、、c=一（5+6）+一（c「6）cos2a22（1） 95r=-( 961..、ヘc=ズ5+生)+彳(巧一(r3)cos2a㈤sin2a(1)(2)将公式（1）、公式（2）与库伦强度准则方程:『=热如。联立,可得岩石的三轴抗压强度满足:图139如图1-3-9所示,圆A与圆B为两个围压下测得的莫尔圆。当岩石的抗剪强度曲线与莫尔圆相切时,岩石开始破坏,此时夹角p=ir/4+f/2»分别将0、5、。ヨ代入公式（3）配+5团a=5〇2sintan0中有:2[c+lOtan0]"——；二652sin^-tan0联立求解得:c=7.73MPa,f=33.6°<,5.用大理岩进行单轴和三轴压缩试验，测得单轴抗压强度为40MPa,围压为lOMPa条件下三轴抗压强度为89MPa,试根据莫尔ー库仑准则计算这种岩石的粘结カ和内摩擦角,再根据结果写出强度曲线的表达式。［中南大学2010年］ 97_2cxeos。解:根据莫尔ー库仑定则,岩石的单轴抗压强度为:Irin。,三轴抗压强度为:1+sin0<7,=-a,+ar1-sin（p"〇将参数4=4°"ん,6=10“アa,5=89M外分别带入两式中,解得:¢>=41.38=,c=9.04JZPa。所以其库仑强度曲线的表达式为:r=c+c由。=9.04+°.881c。6.已知地下矿山运输巷道围岩中某类的最大主应カ5为lOOMPa,最小主应カ・为15MPa,若假设该处围岩的强度参数为:粘结カC=10MPa,内摩擦角屮=40。,试用莫尔ー库仑强度理论判断该类岩石是否破坏?（请注意:最大主应カ5=100MPa）［中南大学2010年］解：假定破坏面与最大主应カ方向夹角为0,由莫尔定理得：巧）「巧）852a一可）Gn2a⑵Bふ包当岩石的抗剪强度曲线与莫尔圆相切时,岩石处于临界破坏状态,此时42。将巧=100"ん,巧=l”"a,。=4〇.,代入方程（1）、方程（2）中可得:a=2495vpa,r=27.32MPa；将。=24.95M%,¢=40，,c=10MPa,代入岩石的抗剪强度曲线中得此时岩石的抗剪强度：7=c+ctan0=lO+24.95xtan4（T=3O.94.WPa>27.32MPa。所以不会岩石不会发生剪切破坏。7.已知岩石的c=10MPa, 98£=£-^=67.5°428.根据某地下工程围岩试件剪切破坏试验得到。ーT直角坐标系(o-T平面)上两点坐标(0,T)分别为(10,30)和(-10,10)〇设该岩石强度条件符合库仑准则。本题中的应カ单位为MPa。试求:(1)岩石的内摩擦角(年)和内聚カ(c),列出岩石强度条件方程;(2)已知地下工程围岩两点的应カ分别为A点5=97,6=70,5=0；B点5=120,02=75,e=23；A、B两点会破坏吗?如果破坏，其破坏面方位与5和6的方向有何关系?S=r=c+atano>解:(1)根据库仑准则,有:(c+10tan0=301c-10tan0=10把(o,t)分别为(10,30)和(-10,10)代入得:解得:c=20MPa,(p=45°o(2)根据库仑准则,试件强度与中间主应カ无关。破坏面与水平面夹角p=45°+ 992(C+Gtan〇)5=5+7:-'(1-tan0cotp)sin2a岩体服从库仑准则,有:解得:ai=67.68MPao 100第2章岩体的力学性质2.1复习笔记r岩体的结构面与结构体ざ岩体的结构同特征(［岩体的结构体特征岩体的结构类型r岩体破坏的概念岩体破坏机理及破坏判用岩体破坏机理【岩体破坏判据r岩体强堂特征岩体的强度特征I岩体强度岩体的力学性责c岩体的单轴和三轴压缩变形特性岩体的变形特性!结构面的剪切变形将在!岩体各向异性变形特征1票位岩体变形参数上量,岩体中应カ波类型及传播岩体的动力学特性t影之岩体弹性浹速度的因素「渗流的基本定律岩体的水力学特困岩体中水的渗流理论1岩体内孔琪水压力的作用了岩石的热力学性质岩体的热力学特性1岩体的热力学效应,「工程岩体分类的参考影响因素、岩体质量评价及其分类イ代表性的工程岩体分类方法〔我国工程岩体分级标准【知识框架】【重点难点归纳】ー、岩体的结构面与结构体岩体是由结构面和结构体组成的地质体。结构面和结构体是定义岩体不可缺一的两个方面的要素。1.岩体的结构面特征结构面是指岩体中存在着的各种不同成因和不同特性的地质界面,包括物质的分界面不连续面,如节理、片理、断层、不整合面等。(1)结构面的成因类型 101按照地质成因的不同,可将结构面划分为原生结构面、构造结构面和次生结构面三类,具体介绍见表2-1-1〇表2-1-1结构面的成因类型结构面特点典型代表生构原结面主要指在成岩过程中形成的构造面如岩浆岩体冷却收缩时形成的原生节理面、流动构造面、与早期岩体接触的各种接触面;沉积岩体内的层理、不整合风化变质岩体内的片理片麻理构造面等构造结构面它是在岩体形成后，地壳运动的过程中,在岩体内产生的各种破裂面或破碎带包括断层面、错动面、节理面及劈理面等自构ホ结逋是指岩体受加卸荷作用、风化作用和地下水活动所产生的结构面如卸荷裂隙、风化裂隙以及各种泥化夹层、次生夹泥等(2)结构面的几何特征①结构面的产状。是指结构面在空间的分布状态。它用走向、倾向、倾角三要素来描述。②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。间距的大小直接反映了该组结构面的发育程度,也可以反映岩体的完整程度。③结构面的空间分布与延展性。是与结构面规模大小相对应的,有的结构面在空间上连续分布,延伸相当远的结构面切割岩体,对岩体的稳定性影响较大;有的结构面则比较短小或不连贯，这种岩体的强度基本上取决于岩块的强度,工程稳定性较好。④结构面的粗糙度。一般是指节理表面的粗糙程度。平滑的表面较粗糙的表面有较小的摩擦角。⑤结构面的起伏度。是指结构面成波状起伏的程度，它通常反映了岩体滑移时爬坡或顺坡的能力。起伏度包括两个要素:幅度和长度。起伏波的幅度是指相邻两波峰连线与其下波槽的最大距离,起伏波的长度是指两相邻波峰的间距。当幅度越大面波长越小,则表示节理表面起伏越急峻。(3)结构面的分级及其特征 102工程实践涉及的岩体是有一定规模的。一定规模的岩体内发育的结构面按其规模及其力学效应可划分为表2-1-2所示的五级,其中I、n级属软弱结构面,HI、!V级及V级属于硬性结构面。表2-1-2结构面分级及其特征级序分级依据力学效应力学属性地质构造特征I级结构面延展长几公里至数十公里以上,贯通岩体,破碎带宽度达数米至数十米①形成岩体力学作用边界;②岩体变形和破坏的控制条件;③构成独立的力学介质单元①属于软弱结构面；②构成独立的力学模型ー软弱夹层较大的断层II级延展规模与研究的岩体相交,破碎带宽度比较窄,几厘米至数米①形成块裂边界；②控制岩体变形和破坏方式；③构成次级地应カ场边界属于软弱结构面小断层,层间错动面III级延展长度短,从十几米至几十米,无破碎带,面内不夹泥,有的具有泥膜①参与块裂岩体切割；②划分II级岩体结构类型的重要依据；③构成次级地应カ场边界多数属于坚硬结构面,少数属于软弱结构面不夹泥,大节理或小断层,开裂的层面IV级延展短,未错动,不夹泥,有的呈弱结合状态①划分岩体II级结构类型的基本依据；②是岩体力学性质，结构效应的基础；③有的为次级地应カ场边界坚硬结构面节理,劈理,层面,次生裂隙V级结构面小,且连续性差①岩体内形成应カ集中；②岩块力学性质结构效应基础坚硬结构面不连续的细小节理,隐节理,层面,片理面（4）结构面对岩体性质的影响IV级及部分HI级结构面（硬性结构面）对岩体力学性质的影响主要取决于结构面的产状、连续性、密度、形态、张开度、结构面充填状况及结构面组合关系等。结构面与最大主应カ间的关系控制着岩体的强度与破坏机理。（5）软弱结构面软弱结构面主要包括原生软弱夹层、构造及挤压破碎带、泥化夹层及其他夹泥层等,它们是岩体中具有一定厚度的软弱带（层）,与上下盘岩体相比具有高压缩和低强度等特征,软弱结构面在工程岩体中往往控制着岩体的变形破坏机理及稳定性。1.岩体的结构体特征岩体被结构面切割出的各种分离块体或岩块统称为结构体。结构体的特征可以采用其大小、 103形状及块度等来描述。(1)结构体的大小由于结构面规模的不同,它们之间切割包围的结构体的大小也就不同,这些大小不同的结构体在岩体稳定性分析中所起的作用也不同。按规模大小结构体可分为如下4种:①I级结构体一地质体;②II级结构体ー山体;③HI级结构体ー块体;④IV级结构体ー岩块(2)结构体的块度结构体的块度通常指最小结构体的尺寸。结构体的块度大小取决于结构面的密度。结构面的密度越大,结构体的块度越小；反之,块度越大。结构体的块度影响岩体工程围岩的破坏方式及支护和加固方法。在开挖过程中结构体的块度影响工程施工及临时支护。(3)结构体的形状岩体被各种结构面切割成不同形状的结构体,虽然它们的形态极为复杂、多样，但由于各种断裂、层面均呈一定规律的展布,所以岩块的几何形状也有一定的规律性。常见的有柱状结构体、板状结构体和锥形结构体。二、岩体的结构类型岩体的结构是指岩体中结构面及结构体的形态和组合特征。将由I、n级结构面切割的岩体定义为整体结构和块状结构岩体；in、w级结构面切割的岩体称为层状结构及碎裂结构岩体；存在于断层破碎带和风化破裂带中的破碎岩体则称为散体结构岩体,岩体结构类型的具体介绍见表2-1-3。表2-1-3岩体结构类型结构类型亜.类地质背景结构体形态整体结构—岩体单ー,构造变形轻微的岩浆岩、变质岩及巨厚层沉积岩岩体呈整体状态或巨形块体块状结构—岩体单ー,构造变形轻ー中等的厚层沉积岩、变质岩及火成岩体长方体、立方体、菱形块体及多角形块体层层构造变形轻ー中等长方体、柱状体、 104状状的单层厚度大于厚板状体及块体结构结构0.3m的层状岩体薄层状结构同层状结构,但单层厚度小于0.3m,有强烈褶皱及层向错动组合板状体或薄板状体镶嵌结构一般发育在脆性岩层中的压碎岩带,节理、劈理组数多,密度大形态不一,大小不同,棱角相互咬合碎裂层状碎裂结构软硬相间的岩石组合,通常为一系列近于平行的软弱破碎带与完整性较好的岩体组成软弱破碎带以碎屑、碎块、岩粉和泥为主,骨架部分岩体为大小不等、形态各异的岩块结构碎裂结构岩性复杂，构造变动剧烈,断裂发育,也包括弱风化带碎屑和大小不等,形态不同的岩块散体结构—一般为断层破碎带、侵入接触破碎带及剧烈强“匕、イゴ4y!ヽ!ry*块、碎片三、岩体破坏机理及破坏判据1.岩体破坏的概念工程中岩体的破坏分为两个阶段,依次是岩体破坏和岩体工程结构的破坏。(1)岩体破坏岩体破坏是指岩体在一定应力条件下,结构联结的丧失,包括结构面开裂、错动、滑动,结构体的拉伸破坏和剪切破坏。(2)岩体工程结构破坏岩体工程结构破坏是指岩体结构联结丧失之后,结构体的运动。第一阶段的岩体破坏导致岩体失去应有的承载カ和稳定性，是本质意义上的破坏;而第二阶段的岩体工程结构的破坏影响岩体工程的使用,甚至使岩体工程报废。2.岩体破坏机理 105岩体由结构面和结构体组成,在结构体中还存在着微裂隙。从破坏机理来讲,可分为拉伸破坏和剪切破坏,其中剪切破坏中既有沿结构面的破坏,也有穿切结构面的破坏。（1）拉伸破坏①垂直结构面方向的拉伸破坏结构面的抗拉强度极低（未开裂结构面）或接近于零（己开裂结构面），如果在垂直结构面方向存在拉应カ,最容易发生拉伸破坏。②沿结构面方向的拉伸破坏这种破坏的本质是在沿结构面方向的拉应力作用下,完整岩石的拉伸破坏。③完整岩体的拉伸破坏在三向不等压的应カ状态下,如果在最小主应カ方向产生拉应变,可引起完整岩体沿最大主应カ方向发展的张破裂。（2）剪切破坏岩体既可发生沿结构面的剪切破坏,也可发生穿切结构面的剪切破坏。沿结构面的剪切破坏主要取决于结构面的强度,面穿切结构面的剪切破坏则取决于岩石的强度。2.岩体破坏判据（1）耶格尔判据耶格尔判据主要是针对岩体发生沿结构面剪切破坏的情况。设二维应カ场中结构面上的应カ满足其抗剪强度条件,用主应カ表示结构面上的正应カ和剪应カ,得-F+Ctan.cos・丛tana-tan%）（2-1-1）该式即为沿结构面发生剪切破坏的判据。式中,C。、え分别为结构面的粘结カ和内摩擦角;a为结构面与。I作用方向间的夹角。当a=ir/2时，即结构面沿6方向,当a=4时,け|-*8,即:不会发生沿结构面的剪切破坏，只有当4）ハ<。<仃/2时,オ会发生沿结构面破坏。在"1一定时，岩体沿结构面发生剪切破坏所需最大主应カO1只与结构面倾角a有关。①最小值:。品”=2（“+の悟崛）（v5+tan&+怙喃）+6,这时。=45°+结构面的倾角与岩体破坏面重合。并满足结构面在正应カa和剪应カt作用下的摩尔ー库仑强度准则ItI= 106破坏,岩体的破坏准则与岩石相同。 107③中间值:"lmm＜＜。12ゝ,a必须满足＜Qく。2,岩体发生沿结构面破坏。其中%建+しsin（5+巧+2coeota）sinも5ー6J（2-1-2）兀、外、,CC>=—+——-arcsin-7??(药+6+2Gcot4)sin4(2-1-3)由此可见い,闻的大小随应カ状态而变。最大范围取决于在一定的。条件下结构体发生破坏的。Imax,如果a不在［ai,CC2］内,则岩体不沿结构面破坏。由上述分析可以作出组合判断曲线,如图2-1-1。从图中可以看出,改变。3的大小,可以作出不同的判断曲线,。3越大，判断曲线越高。B、D两点所对应的角度范围代表了沿结构面破坏时结构面的倾角范围,A、B和D、E点对应的角度范围,代表穿切结构面破坏时,结构面倾角的范围。图2-1-1岩体破坏判定曲线（2）霍克一布朗经验判据霍克一布朗根据岩块互锁和结构面表面条件，提出了估算节理岩体强度经验判据。霍克一布朗强度经验判据是以大量实验数据为根据的经验准则,其表达各向同性岩石材料的三轴抗压强度基本方程为Ci=C3+Q(m5—^+s尸ac(2-1-4)式中,0，为完整岩石单轴抗压强度;”为霍克一布朗常数,由岩石类型而定;s,a 108为取决于岩体特征的常数,对于完整岩石，s=l,a=0.5。四、岩体的强度特征一般情况下,岩体强度不等同于结构体或结构面的强度。1.岩体强度特征岩体的抗剪强度包络线介于结构面强度包络线和岩石强度包络线之间,见图2-1-2=图2-1-2岩体的强度特征I-岩石；II-岩体；HI-节理岩体强度受加载方向与结构面间夹角a的控制，因此，表现出岩体强度的各向异性。(1)岩体中只有一组结构面①当6与结构面垂直，岩体强度与结构面无关,为岩石强度。_1T电②当ー4.2,岩体将沿结构面破坏,岩体强度最低,其强度为结构面强度,其中R为结构面摩擦角。③当5与结构面平行,结构面的抗拉强度小，岩体将因结构面的横向扩展而破坏。(2)岩体中有多组结构面岩体的强度图像将为各单组结构面岩体强度图像的叠加。如果结构面分布均匀、且强度大体相同时，则岩体表现出各向同性的特性，但强度却大大削弱了。(3)水对岩体的作用①水对岩体的软化、泥化和崩解作用；②静水压力作用；③岩体和地下水之间的相互作用。 1092.岩体强度(1)岩体单向抗压强度和准岩体强度①岩体单向抗压强度5现场测试岩体单向抗压强度现场测试试件一般在巷道内开挖形成试验岩体,试验岩体的水平边长一般为0.5〜1.5m,高度不小于水平边长的立方块体。岩体单向抗压强度5采用下式求得A(2-1-5)式中,P为试件破坏时的作用力,N；A为试件横截面面积,m分②准岩体强度准岩体强度由完整岩石试件的强度和岩体完整性系数K确定。岩体完整性系数K为K即2'ルお石ノ(2-1-6)式中,セ父ヒき石,分别为弹性波在岩体和岩石中传播的纵波速度。准岩体抗压强度:0rm准岩体抗拉强度:ぴg=K-a,式中,0”ス分别为岩石试件的单轴抗压强度和单轴抗拉强度。(2)岩体抗剪强度现场测定岩体抗剪强度现场测定一般在巷道内或胴室内进行,有双千斤顶法、单千斤顶法和三轴强度试验法。①双千斤顶法(2-1-7)N为法(2-1-8)双千斤顶法采用双向加载的形式测定抗剪强度。受力计算公式为式中,0、T分别为试件剪切面上的正应カ和剪应カ;F为试件剪切面面积;向カ;Q为斜向カ;a为横向推力与剪切面的夹角,通常为15。。②单千斤顶法现场无法施加垂直荷载的情况下采用单千斤顶法测定,受カ计算公式为&(T=7TSIna2t=-vrcosa(3)现场三轴强度试验岩体三轴强度试验采用三向加载的方式在现场进行测定,岩体试件尺寸一般为2.8mxl.4mx2.8m,一般h>2a,矩形截面,加压装置一般为千斤顶或应カ枕。 110五、岩体的变形特性1.岩体的单轴和三轴压缩变形特性（1）岩体的应カー应变曲线岩体全应カー应变曲线的变化规律一般与岩石的全应カー应变曲线相似,但弹性模量、峰值强度和残余强度有所降低,泊松比则有所提高。岩体相对于岩石的另一个不同点，是由于弱面存在而引起岩体变形和强度上的各向异性。图2-1-3岩体的应カー应变曲线岩体不是ー个理想的弹性体,它同时具有弹性、塑性和粘性特征,是ー种多裂隙的非连续介质。因此岩体受力后的变形特征主要取决于岩体中的结构面和结构体的性质。岩体典型的全应カー应变曲线,即破坏全过程曲线（见图2-1-3）可以分为4个阶段:①微裂隙压密阶段（0A段）岩体中裂隙受压逐渐闭合后，充填物被压密实,出现不可恢复的残余变形。形成非线性上凹状压缩变形曲线,压缩变形的大小取决于裂隙的性态。在这ー阶段岩体表现出弹性、塑性并存的特点。②弹性变形阶段（AB段）经过压密阶段后,岩体中裂隙闭合,岩体压应カ传递由不连续状态进入连续状态，变形呈现弹性变形特征。③塑性变形阶段（BC段）当应カ超过屈服极限时,岩体进入塑性变形阶段,这个阶段内，即使荷载增加不大，也会产生较大的变形，应カー应变曲线形成向下弯曲的下凹型。 111④破坏阶段(CD段)当应カ达到岩体的强度极限时,岩体进入破坏阶段,出现岩体应カ释放过程。岩体在破裂时应カ并不是突然下降,在破裂面上尚存在一定摩擦カ，使岩体仍具有承载能力,直至最终达到岩体的残余强度。(2)岩体变形曲线的基本形式力学性质的不同导致岩体的应カー应变曲线有明显的差异,详细研究岩体变形曲线发现,岩体变形曲线可以划分为4种类型,即直线型、上凹型、下凹型及复合型,如图2-(d)更合型1-4所示。图2-1-4岩体变形曲线类型1.结构面的剪切变形特征结构面的剪切变形特征与结构面表面形态及其物质特征有关,具体介绍见表2-1-40表2-1-4结构面的剪切变形特征项目简介无填充物平直光滑结构面这种结构面在剪切过程中基本不发生垂直位移,其剪应カー剪位移曲线如图2-1-5所示，峰值抗剪强度与残余抗剪强度相近的结平直、光滑但这种结构面的剪应カー剪位移曲线如图2-1-6所示,峰值抗构面局部连接或相互咬合的台阶剪强度与残余抗剪强度相差较大,这是因为局部连接部分或咬合部分的粘结カ发挥了抗剪作用 112状结构面规则齿状（或波状）不连续面这种结构面在铅垂应カ。较小时,在剪切应力作用下将沿齿面向上滑动,即出现爬坡现象,剪切面积逐渐减小,然后剪断齿尖部分。如果铅垂应力足够大,则可以阻止爬坡现象,不连续面直接发生沿齿根剪断的现象,如图2-1-7所示不规则闭合齿状不连续面大多数天然不连续面凹凸不平,呈不规则齿状,起伏角不是常数,变化很大。这类不连续面剪切过程中发生剪胀现象,不连续面发生水平位移和垂直位移未闭合不规则状不连续面这种情况多发生在经过人工扰动过的不连续面,上下两盘齿不咬合，呈松开错位状态。开始剪切很少发生剪胀，相反,有时法向位移还下降;剪应カ增长缓慢,直到最后趋于稳定值有填充物的结构面充填不连续面有胶结和未胶结二种充填形式。胶结的不连续面的胶结物成分,未胶结的不连续面中充填物成分、厚度和粒度对不连续面的变形都有影响图2-1-5平直光滑不连续面t-u曲线 113(a)(b)图2-1-7规则齿状不连续面的剪切3.岩体各向异性变形特征 114由于组成岩体的地质体成因比较复杂,岩石变质、重结晶、侵入等作用,使其物理力学性质变化大,遭受的构造变动及次生变化的不均一性,导致了岩体结构的复杂性,反映在岩体的变形性质中,就表现出各向异性变形特征（见图2-1-8）。6（a）垂直层面加カ（b）平行层面加カ图2-1-8岩体各向异性变形特征示意图（1）构成岩体变形各向异性的两个基本要素①物质成分和物质结构的方向性;②结构面的方向性。（2）各向异性岩体变形主要特征①垂直层面方向岩体变形模量だ，明显小于平行层面方向岩体的变形模量E〃。②垂直层面的压缩变形量主要是由岩块和结构面（软弱夹层）压密而成;层状岩体层面压缩变形量大。③平行层面方向的压缩变形量主要是岩块变形和少量结构面错动而成。 1153.原位岩体变形参数测量（1）弹性模量与变形模量对岩体在极限强度范围内反复加载、卸载,可得到图2-1-9所示的应カー应变曲线。从该曲线可以看出,在第一次卸载后,应カー应变曲线并没有回到原点,而是有一个残余弹性模量和变形。随着加、卸载次数的增多,每次出现的残余变形逐渐变小并趋近于零。变形模量由下式确定:弹性模量:变形模量:(2-1-10)E瓷(2-1-9)式中，0・。为岩体所受的应カ;v为弹性变形;ら为永久变形（残余变形）图2-1-9岩体在极限强度范围反复加载、卸载的应カー应变曲线（2）岩体动弹性模量和动泊松比岩体动弹性模量是与岩体在动荷载作用下弹性性质有关的参数,根据弹性波在岩体中的传播速度求出。测定时,采用小量药包爆炸激发地震波，在距震源一定距离设置检波器,检测弹性波。根据弹性波波速算出动泊松比臼和动弹性模量ら计算式为从dニク/22(%2<ード)(2-1-11)式中,ッ为纵波传播速度；以为横波传播速度。由此可得: 1162(1+ル)(1-2%)二叫ール，|六、岩体的动力学特性区别岩体静力学和动力学问题的依据是岩体应变率大小。岩体受到不同荷载作用时,其应变率变化范围很大,根据应变率的大小,可把岩体的变形分为五个等级,如表2-1-5所示。表2-1-5应变率等级分类荷载状态应变率(1/S)试验方式动静态区别蠕变<105蠕变试验机静态10S--101普通试验机和刚性伺服试验机惯性カ可忽准动态10”-101气动快速加载机略惯性カ不可忽略动态101〜104霍布金逊压杆及其变形装置超动态>104轻气炮、平面波发生器1.岩体中应カ波类型及传播(1)岩体中应カ波类型波是指某种扰动或某种运动参数或状态参数的变化在介质中的传播。应カ波就是应カ在固体介质中的传播。由于固体介质变形性质不同，在固体中传播的应カ波有以下几类:①弹性波。是指在线弹性体(应カー应变关系服从胡克定律)的介质中传播的波。②粘弹性波。是指在非线性弹性体中传播的波,这种波,除产生弹性应力外，还产生摩擦应カ或粘滞应カ。③塑性波。是指应カ超过介质弹性极限的波。在能够传播塑性波的介质中,应カ在未超过弹性极限前,仍然是弹性的;当应カ超过弹性极限后,出现屈服应カ,其传播速度比弹性应カ传播速度小得多。④冲击波。是指如果固体介质的变形性质能使大扰动的传播速度远比小扰动的传播速度大,在介质中就会形成波头陡峭、以超声速传播的冲击波。(2)岩体中弹性波的传播①体波。是指在岩体内部传播的波。a.纵波。是指质点振动方向与波传播方向一致的波。又称压カ波或P波,它产生压缩或拉伸变形。b.横波。是指质点振动方向与波传播方向垂直的波。又称剪力波或S波，它产生剪切变形。②面波。是指沿着岩体表面传递的波。 117a.瑞利波。又称R波,其质点在沿波传播方向的垂直平面内作椭圆运动,长轴垂直地面,它与纵波的辐射有关。b.勒夫波。又称L波,其质点在水平面内垂直于波前进方向作水平振动。面波传播速度小于体波,其随着表面距离增加按指数规律减速减弱,传播距离较大。沿着表面方向上的纵波、横波和面波所占的能量分别为:纵波7%,横波26%,面波67%。因此,在岩体表面上,面波是最强的优势波。这种面波,在地震中起着主要作用。2.影响岩体弹性波速度的因素（1）结构面的影响①岩石的完整性越差,弹性波速度越低;②张性不连续面使波动（动应カ）传递受阻,弹性波只能在沿不连续面其边缘绕传递,导致弹性波速度降低;③结构面使波反射、折射、散射等,导致合成波复杂化；④结构面分布的不均匀性或方向性,使岩体中各方向弹性波传递速度不等。（2）岩性、地质年代、风化程度影响①坚硬岩石中弹性波速度高，软岩中弹性波速度低；②地质年代不同,波速也不同。（3）岩体应カ状态影响①在压应カ状态下,弹性波速高。在拉应カ状态下,波速低；②在一定应カ范围内,波速随压应カ增大面增大。（4）温度的影响在低温或常温条件下,以作用的应力的影响为主。在高温条件下,温度与作用的应カ对波速起联合控制作用，一般随着温度、应カ的升高,波速增大。七、岩体的水力学特性1.渗流的基本定律 118图2-1-10达西实验装置示意图根据实验,流量Q（单位时间流体流过的体积）与不变的横断面积A及水头差（h,-h2）成正比,而与流体经过的路径L成反比。将这些结论合并在ー起,就得到著名的达西公式Q=KA（ht-h2）/L（2-1-13）式中,K为渗透系数;h„hユ为相对于某个水平基准面测量的高度;（hi-hz）为经过长度为L的砂柱的侧压水头差。侧压水头是用水头表示的单位重量流体的压能与势能之和,（％—h2）/L为水力梯度。如果用川=（トーん）/L］表示水力梯度,而把比流量q定义为与流动方向垂直的每单位横截面积的流量（q=Q/A）,则达西定律可写为q=KJ（2-1-14）在实际地下水流中,水力梯度往往是各处不同的,所以我们把达西定律写成更一般性的表达式 119q=KgradU(2-1-15)式中,gradU为水力梯度;U为水力势,卜.アJ；z为位置高度:p为水压カ；丫”为水的容重。当位置高度没有变化或者当重力效应可以忽略不计时,有q—Kgrad('-)、ア丿(2-1-16)考虑到岩体可能具有各向异性的渗透性，一般可将达西定律写成下列关于x,y,z三个方向的分量的表达式:(2-1-17)式中,q«,qy,q,分别为x,y,z方向的比流量;K,Ky,K分别为x,y,z方向的主渗透系数。渗透系数的物理意义是介质对流体的渗透能力(量纲为L/T)。1.岩体中水的渗流理论(1)水在岩体中流动的基本微分方程岩石的渗透性主要取决于张开裂隙和细微裂隙,由于裂隙是有方向性的，这就使得岩石的渗透有各向异性,特别是层状岩石更为明显。下面分析岩体裂隙的渗流控制方程。在均质各向异性岩体含水层中取一微小立方体(见图2-1-11),使它的三组平行面分别垂直于x,y和z轴。它的棱长分别为dx、dy和dz,各侧面积分别为dydz、dzdx和dxdy)〇设与z,y,z主向对应的主渗透系数分别为(、Ky和Kz,Q«,。和Qz分别表示单元体在x,y,z方向的流量。 120图2-1-11三维流动区域中的单元体在dt时段内,通过垂直x轴的左侧面的流量是Qdt。右侧面的流量是(Q,+dQ、)di=Q、山+—(2-1-18)根据达西定律,有改=包(七犯dy&)=K*驾dydzdxdx\MdxJ"dx2式中，H为水头。此时段内,通过垂直x轴的两个侧面的净流入量为K,0§d*dy出山a*同理，此时段内，通过垂直y轴和z轴侧面的净流入量分别是K、カ，cLvdydsd/dvK.—~j-d*dydz 121中,水压通常高于大气压。承压含水层中的水称为承压水或自流水。1.岩体内孔隙水压カ的作用水对岩石强度的影响是明显的,受水影响岩石的力学性质弱化,主要是由胶结物的破坏所致。在极端的情况下,如蒙脱质粘土页岩在被水饱和时可能全部破坏。然而,在大多数情况中,对岩石强度有影响的还有孔隙和裂隙中的水压カ,这种水压カ统称为孔隙水压カ。如果水饱和岩石在荷载作用下不易排水或不能排水,那么，孔隙或裂隙中的水就有孔隙水压カpw,岩石固体颗粒所承受的压カ将相应地减少,强度则相应降低。如岩石中有连通的孔隙(包括细微裂隙)系统,土力学中的太沙基有效应カ定律，在6=ぴーPw岩石中也是适用的,即作用在岩石中的有效应カ，为式中,。为总应カ:Pw为孔隙水压カ;。’为有效应カ。根据莫尔一库仑强度理论，考虑到孔隙水压力的作用，饱和多孔岩石的抗剪强度用下式表示:Tj=C+a'\an(p1或者Tf=C+( 122含水状态岩石的比热可以用于试样的比热等指标进行换算,换算公式如下二+ヘム,'m+m“t(2-1-25)式中,Cs为含水试样的比热;m为干试样的质量;mm为含水试样的质量;c为温度t时干试样的比热;ユ是温度t时水的比热。(2)岩石的热传导性岩石的热传导性是指岩石传导热的能力,常用热导率来度量。其定义为当温度梯度为1时,单位时间内通过单位面积岩石所传导的热量,记为k,单位是J/(m3-s-℃)〇热量Q与k间的关系式为Qー噂市(2-1-26)式中,dT/dx为x点的温度梯度(C/cm),dt为时间的变化，S为面积,k为热导率。大多数造岩矿物的热导率值介于0.4〇〜7.00之间,一般为0.80〜2.00。水的热导率为0.63,空气的热导率为0.021。当岩石中全部孔隙被水所充满时，它的热导率达到最高,并且与孔隙内溶液的浓度无关。(3)热扩散率温度变化对于ー个物体的影响程度取决于物质的热扩散率。热扩散率好的岩石对温度的变化反应快，受影响的深度也比较大。热扩散率人可以用热导率k、比热c和密度p来表示,即:入=k/pc(2-1-27)(4)热膨胀性温度的变化不仅能改变岩石试件的形状和尺寸,也会引起岩石内部应カ的变化。一般用线膨胀系统(或体膨胀系统)表示岩石的热膨胀性。膨胀系数的定义是,岩石的温度升高1℃所引起的线性伸长量(体积增长量)与其在温度为0℃时的长度(体积)之比值。如果用Lo(Vo)和L(Vt)分别代表岩石试件在0C和t℃时的长度(体积),则热膨胀系数可用下式表示①线膨胀系数厶ーL。(2-1-28)②体膨胀系数匕(2-1-29)岩石的体膨胀系数大致为线膨胀系数的3倍。1.岩体的热力学效应(1)温度变化引起的热力学效应一般情况下,温度变化1℃,可在岩体中产生0.4〜0.5MPa的应カ变化,年温度变化可引起20〜30MPa的岩体应カ变化。(2)核废料库引起的岩体温度变化 123围岩温度变化梯度与核废料碉室的设计尺寸相关,核废料贮存室半径越大,核废料库近场的温度梯度越大。地下核废料库的运行，对远场的温度变化影响很小。九、岩体质量评价及其分类岩体分类是对影响岩体稳定性、工程设计、施工和维护的各种因素建立一些评价指标,对工程辖区岩体进行评价,划分出不同的级别或类别。通过一定的勘测和实验,在逐步认识岩石基本特征的基础上,对岩石的工程特性进行研究,并建立与之相应的计算模型、施工エ艺和处理措施，从而使有关工程设计和施工更加合理而经济。分类的目的是为岩体工程建设的勘察、设计、施工和编制定额提供必要的基本依据。1.工程岩体分类的参考影响因素影响岩石工程分类的因素很多,主要有以下ー些因素:(1)岩石的强度岩石的强度是岩石工程分类要考虑的ー个重要因素。国家标准《岩土工程勘察规范》(GB50021-2001,2009年版)中提出用岩石的饱和单轴抗压强度进行岩石坚硬程度分类(见表2-1-6),可供岩体工程参考。表2-1-6岩石坚硬程度分类类别亚类饱和单轴抗压强度(MPa)代表性岩石硬质岩石坚硬U-I石>60花岗岩、石灰岩、石英岩、大理岩、玄武岩、较硬U-I石3〇〜60闪长岩等软质较软岩15—30粘土岩、页岩、千枚岩、绿泥石片岩、云岩石软岩5-15母片岩等极软岩<5(2)岩体的完整性 124岩体完整性取决于不连续面的组数和密度,可用结构面频率(裂隙度)、间距、岩芯采取率、岩体质量指标RQD以及完整性系数作为定量指标进行描述。岩体完整性系数是岩体中纵波速度和同种岩体的完整岩石中纵波速度之平方比,即:(2-1-30)式中,ぽべ为岩体完整性系数,又称龟裂系数;Vp为岩体纵波速度,m/s；%为完整岩石纵波速度，m/s：Ke值越高岩体完整性越好。岩体完整性系数与岩体完整程度之间的关系见表2-1-7〇表2-1-7岩体完整性系数与岩体完整程度Krm>0.750.75-0.550.55-0.350.35—0.15<0.15完整程度完整较完整较破碎破碎极破碎(3)结构面条件结构面条件包括结构面产状、粗糙度和充填情况。岩体的工程性质主要取决于结构面的性质和分布状态以及其间的充填物性质。(4)岩体及结构面的风化程度风化程度越高,岩体越破碎,强度越低。不连续面风化程度越高,其抗剪强度越低。因此,岩体及不连续面的风化蚀变程度在岩体工程分类中占较大权重。(5)地下水的影响地下水的作用可以使岩体软化,进ー步风化，使岩体发生膨胀甚至崩解;同时地下水产生的静压カ使不连续面上的粘结カ减小,不连续面抗滑能力降低;地下水在岩体中流动产生的动水压力可以冲走不连续面的胶结物。2.代表性的工程岩体分类方法(1)普氏分类法以岩石试件的单轴抗压强度作为分类依据,根据普氏坚固性系数f将岩石分为十级。f值越大，岩体越稳定。住20为1级,最坚固;修0.3为第10级，最软弱。普氏坚固性系数f为，ー幺7~10(2-1-31)式中,〇。为岩石单轴抗压强度,MPa。(2)按岩石质量指标(RQD)分类RQD=岩石质量指标RQD是指本回次钻孔取芯不小于10cm岩芯的总长与进尺之比:(2-1-32)式中,h为所取岩芯中210cm长度的岩芯段的长度;L为本回次取芯钻孔进尺。表2-1-8按岩石质量指标分类表RQD(%)〇〜2525—505〇〜7575〜909〇〜100 125分类极差差一般好极好(3)宾尼奥夫斯基节理岩体地质力学分类(RMR分级系统)RMR(RockMassRatingSystem)由下列6种指标组成:①岩块强度(R1):②RQD值(R2)；③节理间距(R3)；④节理条件(R4)；⑤地下水(R5)；⑥节理方位对工程的影响的修正参数(R6)〇即:RMR=R1+R2+R3+R4+R5+R6(2-1-33)根据总分确定岩体分级:表2-1-9各类别岩体评分值类别岩体描述岩体评分值RMRIIIIIIIVV很好好较好较差很差81〜10061〜8041〜6021-40〇〜20(4)巴顿等人的Q值岩体质量分类法挪威岩土工程研究所的巴顿、Lien和Lunde等人,根据对已建的200座地下隧道稳定性的资料分析,提出了Q值岩体质量分类法。这种方法综合了RQD、节理组数、节理面粗糙度、节理面蚀变程度、裂隙水及地应力的影响等6个方面的因素，用ー个算式确定岩体综合质量指标Q,即nRODJrム,OFF,(2-1-34)式中，RQD为岩石质量指标;Jn为节理组数;Jr为节理粗糙度系数;Ja为节理蚀变影响系数；Jw为节理水折减系数;SRF为应カ折减系数。公式(2-1-38)可以看做是三个参数的函数:①结构体尺寸大小(RQD/Jn)；②结构面抗剪强度(Jr/Ja)；③有效应カ(Jw/SRF)〇宾尼奥夫斯基(Bieniaxvski,1976)在大量实测统计的基础上,发现Q值与RMR值之间具有如下条件关系:RMR=91nQ+44(2-1-35)2.我国工程岩体分级标准(1)工程岩体分级的基本方法①确定岩体基本质量,岩体质量好,则稳定性好,反之，稳定性差。a.采用饱和岩石单轴抗压强度R,划分岩石坚硬程度。表2-1-10 126R,(MPa)>606〇〜3030〜1515-5<5坚硬程度坚硬较坚硬较软岩软岩极软岩b.采用完整性系数K.划分岩体完整程度。表2-1-11Kv>0.750.75-0.550.55-0.350.35-0.15<0.15完整程度完整较完整较破碎破碎极破碎岩体体积节理数ト与に的对照关系:表2-1-12Jv<33-1010-2020-35>35Kv>0.750.75—0.550.55—0.350.35—0.15<0.15②岩体基本质量分级a.岩体基本质量指标(BQ)的计算:BQ=90+3CTc+250Kv(2-1-36)式中,BQ为岩体基本质量指标;&为岩石饱和单轴抗压强度,MPa；(为岩体完整性系数。使用上式时,应遵守下列限制条件：①当Rc>90Kv+30时,应以Rc=90Kv+30和Kv代入计算BQ值。②当Kv>0.04Rc+0.4时,应以Kv=0.04Rc+0.4和Rc代入计算BQ值。b.按BQ值进行岩体基本质量分级。表2-1-13基本质量级别岩体基本质量定性特征岩体基本质量指标(BQ)I坚硬岩,岩体完整>550II坚硬岩,岩体较完整:较坚硬岩,岩体完整550-451III坚硬岩,岩体较破碎；较坚硬岩或软硬岩互层,岩体较完整；较软岩,岩体完整450—351IV坚硬岩,岩体破碎;较坚硬岩,岩体较破碎ー破碎；较软岩或软硬岩互层,且以软岩为主，岩体较完整一较破碎软岩,岩体完整一较完整350-251V较软岩,岩体破碎;软岩,岩体较破碎ー破碎;全部极软岩及全部极破碎岩<250③基本质量指标BQ值的修正结合工程具体情况，需对BQ进行修正,修正值[BQ]按下式计算:[BQ]=BQ-100(Ki+K2+K3)(2-1-37) 127式中,必为地下水影响修正系数;Kz为主要软弱结构面产状影响修正系数;&为初始应力状态修正系数。(2)工程岩体分类标准的应用①岩体物理参数的选用工程岩体的级别一旦确定,可按表选用岩体的物理参数和结构面的抗剪强度参数。②地下工程岩体自稳能力的确定表2-1-14岩体级别与岩体物理力学参数基本质量级别重力密度Y(kN/m3)内摩擦角(P(°)粘结カC(MPa)变形模量E(GPa)泊松比I>26.5>60>2.1>33<0.2II6〇〜502.1-1.533-200.2~0.25III26.5-24.550-391.5-0.720-60.25 0.3IV24.5—22.539〜270.7〜0.26-1.30.3 0.35V<22.5<27<0.2<1.3>0.35表2-1-15岩体级别与岩体结构面抗剪强度参数基本质量级别两侧岩体的坚硬程度及结构面的结合程度内摩擦角(p(°)粘结カC(MPa)I坚硬、结合好>37>0.22II坚硬ー较坚硬、结合一般；软弱岩,结合好37〜290.22—0.12III坚硬ー较坚硬、结合差；较软弱岩,结合一般29-190.12-0.08IV较坚硬ー较软岩、结合差ー很差；软弱岩、结合差；软质岩的泥化面19-130.08-0.05V较坚硬及全部软质岩、结合很差；软质岩泥化层本身<13<0.05表2-1-16岩体级别与地下工程岩体自稳能力基本质量级别自稳能力I跨度＜20m,可长期稳定,偶有掉块,无塌方II跨度10-20m,可基本稳定,局部发生掉块或小塌方跨度＜10m,可长期稳定，偶有掉块III跨度10-20m,可稳定数月至1个月,可发生小至中塌方跨度5-10m,可稳定数月,可发生局部块体位移及小至中塌方跨度＜5m,可基本稳定IV跨度＞5m,一般无自稳能力，数日至数月内可发生松动变形、小塌方，可发展为中至大塌方。跨度＜5m,可稳定数日至1个月 128V无自稳能力 1292.2课后习题详解2.岩体中的结构面与几何上的面有何不同?什么叫不连续面?不连续面的起伏形态有哪几种?不连续面的粗糙度和形貌有何不同?答:（1）岩体中的结构面是指岩体中存在着的各种不同成因和不同特性的地质界面,包括物质的分界面不连续面,如节理、片理、断层、不整合面等;而几何上的面不具备任何实际意义,指空间中的任意界面。（2）在同一平面上具有不同物理和化学性质的结构面称为不连续面。（3）常见的不连续面的起伏形态有五种，分别为平直的、台阶状的、锯齿状的、波状的、不规则状的。（4）与完整面相比,不连续面的粗糙度较大且受结构面性质的影响，且会出现节理、劈理、断层等。3.胶结不连续面的胶结物有哪几种类型?它们对不连续面的力学性能有什么影响?非胶结不连续面的充填物有哪几种?它们对不连续面的力学性能有什么影响?答:（1）胶结不连续面的胶结物有铁硅质胶结,泥质胶结和易溶盐类胶结。（2）铁硅质胶结充填结构面的强度较高,往往与岩石强度差别不大，甚至超过岩石强度,而泥质与易溶盐类胶结的结构面强度最低,且抗水性差。（3）非胶结不连续面的充填物包括水、砂等,它们都减小了不连续面的强度,不利于不连续面的变形。4.不连续面剪切试验可以得到哪几方面的成果,各种无充填物不连续面的剪切变形特征如何?它们的抗剪强度与哪些因素有关?答:（1）不连续面剪切试验可以得到试件剪切面上的正应カ和剪应カ,可以得到不同倾角的抗剪强度。（2）各种无充填物不连续面的剪切变形特征：①平直光滑结构面这种结构面在剪切过程中基本不发生垂直位移，其剪应カー剪位移曲线如图2-2-1所示,峰值抗剪强度与残余抗剪强度相近。②平直、光滑但局部连接或相互咬合的台阶状结构面这种结构面的剪应カー剪位移曲线如图2-2-2所示,峰值抗剪强度与残余抗剪强度相差较 130大,这是因为局部连接部分或咬合部分的粘结カ发挥了抗剪作用。 131图2-2-1平直光滑不连续面t-u曲线图2-2-2局部连结和咬合不连续面T-u曲线③规则齿状（或波状）不连续面这种结构面在铅垂应カ。较小时,在剪切应力作用下将沿齿面向上滑动,即出现爬坡现象,剪切面积逐渐减小,然后剪断齿尖部分。如果铅垂应力足够大,则可以阻止爬坡现象,不连续面直接发生沿齿根剪断的现象，如图2-2-3所示。 132N(a)（b）图2-2-3规则齿状不连续面的剪切④不规则闭合齿状不连续面大多数天然不连续面凹凸不平,呈不规则齿状,起伏角不是常数,变化很大。这类不连续面剪切过程中发生剪胀现象，不连续面发生水平位移和垂直位移。⑤未闭合不规则状不连续面这种情况多发生在经过人工扰动过的不连续面,上下两盘齿不咬合,呈松开错位状态。开始剪切很少发生剪胀,相反，有时法向位移还下降;剪应カ增长缓慢,直到最后趋于稳定值。（3）它们的抗剪强度与结构面表面形态及其物质特征有关。4.充填不连续面的剪切变形特征如何?其抗剪强度与充填物成分和厚度有什么关系?答:（1）对于充填不连续面（诸如粘土质软夹层、泥化夹层和次生夹泥层）,剪应カー位移曲线有两种形式，一种峰值抗剪强度与残余抗剪强度相等，另ー种峰值抗剪强度大于残余抗剪强度,这两种类型都是塑性破坏或近于塑性破坏,其剪切破坏实质是充填物夹层剪切破坏。（2）不同充填物下抗剪强度各不相同。铁硅质胶结充填结构面的强度较高,往往与岩石强度差别不大,甚至超过岩石强度,而泥质与易溶盐类胶结的结构面强度最低,且抗水性差。而随着充填物厚度增加，抗剪强度逐渐降低。 1334.岩体中的结构体有哪几种类型?它们与岩石类型和构造变动有何关系?答:（1）岩体中的结构体类型①按结构体大小，可分为I级结构体（地质体），n级结构体（山体）,山级结构体（块体），w级结构体（岩块）。a.I级结构体ー地质体I级结构体是指在区域范围内,由I级结构面尤其是区域性大断裂的相互组合而形成的结构体,又称地质体。b.n级结构体一山体n级结构体是在地质体中,由n级结构面或I［级与1级结构面相互组合所包围的结构体,称为山体。c.in级结构体一块体ni级结构体是在I、II级结构体之中,由ni级结构面或ni级与I、n级结构面,甚至与w级结构面密集带所切割包围的岩体,往往由一个特性相近的工程地质岩组所组成。d.IV级结构体ー岩块w级结构体是存在于I、n、in级结构体之中，由w级结构面,或W级与II、in级结构面相互组合所包围的岩石结构体。②按结构面形状,结构体分为柱状结构体、板状结构体和锥形结构体。（2）结构体越完整,构造变动越轻微。5.简述岩石与岩体的区别与联系。答:（1）区别:岩石是从地壳岩层中切割出来的岩块:面岩体是由结构体和结构面组成的地质体,它的形成与漫长的地质年代有关,它是一定工程范围内的自然地质体,经过各种地质运动,内部含有构造和裂隙。总面言之,岩体是非均质各向异性体;岩体内部存在初始应カ场;岩体内含有各种各样的裂隙系统,处于地下环境,受地下水等因素影响。（2）联系：岩石是组成岩体的基本单元，岩体是由岩石组成的地质体。6.根据岩体中结构面和结构体的成因、特征及其排列组合关系,岩体结构划分为哪几种类型? 134答:根据结构面的等级及组合型式,对岩体结构类型分成整体结构、块状结构、层状结构、碎裂结构、散体结构。具体见表2-2-1。表2-2-1岩体结构类型结构类型亚类地质背景结构体形态整体结构—岩体单ー,构造变形轻微的岩浆岩、变质岩及巨厚层沉积岩岩体呈整体状态或巨形块体块状结构—岩体单ー,构造变形轻ー中等的厚层沉积岩、变质岩及火成岩体长方体、立方体、菱形块体及多角形块体层状结构构造变形轻ー中等的单层厚度大于0.3m的层状岩体长方体、柱状体、厚板状体及块体薄层状结构同层状结构,但单层厚度小于0.3m,有强烈褶皱及层向错动组合板状体或薄板状体层状结构镶嵌结构一般发育在脆性岩层中的压碎岩带,节理、劈理组数多,密度大形态不一,大小不同,棱角相互咬合碎裂结层状碎裂结构软硬相间的岩石组合,通常为一系列近于平行的软弱破碎带与完整性较好的岩体组成软弱破碎带以碎屑、碎块、岩粉和泥为主,骨架部分岩体为大小不等、形态各异的岩块构碎裂结构岩性复杂，构造变动剧烈，断裂发育,也包括弱风化带碎屑和大小不等,形态不同的岩块散体结构—一般为断层破碎带、侵入接触破碎带及剧烈ー强混机感“碎碎 135片碎火等4.试述结构面强度的特点。答:（1）岩体中只有一组结构面①当5与结构面垂直,岩体强度与结构面无关,为岩石强度。_1T立②当014+2,岩体将沿结构面破坏,岩体强度最低,其强度为结构面强度,其中。,为结构面摩擦角。③当の与结构面平行，结构面的抗拉强度小，岩体将因结构面的横向扩展而破坏。（2）岩体中有多组结构面岩体的强度图像将为各单组结构面岩体强度图像的叠加。如果结构面分布均匀、且强度大体相同时,则岩体表现出各向同性的特性,但强度却大大削弱了。5.如何理解岩体的破坏?岩体拉伸破坏和剪切破坏机理如何?答:（1）根据格里菲斯强度理论,岩体的破坏是由于岩体材料中随机分布着微小的裂纹，在受到外载荷的作用カ下微小裂纹开始萌生和扩展,逐渐形成宏观的结构面，最终结构面上的拉应カ达到极限而发生破坏。（2）下面分析岩体拉伸破坏和剪切破坏机理。①拉伸破坏a.垂直结构面方向的拉伸破坏结构面的抗拉强度极低（未开裂结构面）或接近于零（已开裂结构面），如果在垂直结构面方向存在拉应カ，最容易发生拉伸破坏。b,沿结构面方向的拉伸破坏这种破坏的本质是在沿结构面方向的拉应力作用下,完整岩石的拉伸破坏。c.完整岩体的拉伸破坏在三向不等压的应カ状态下,如果在最小主应カ方向产生拉应变,可引起完整岩体沿最大主应カ方向发展的张破裂。②剪切破坏岩体既可发生沿结构面的剪切破坏,也可发生穿切结构面的剪切破坏。沿结构面的剪切破坏主要取决于结构面的强度,而穿切结构面的剪切破坏则取决于岩石的强度。6.不连续面的抗剪强度曲线与完整岩石的抗剪强度曲线在形式上相同,在应用上有什么区别?答:不连续面的抗剪强度曲线与完整岩石相比,在形式上基本相同,不过在应用方面, 136完整岩石只需考虑岩石的内聚力和内摩擦角,找出最易破坏的面进行分析计算,由此判断岩石是否发生破坏;而含不连续面的岩石不仅要考虑内聚力和内摩擦角，还需要考虑不连续面上是否发生破坏，若同时含几组不连续面,则需分别考虑岩石是否会沿不连续面发生破坏，同时还需要分析最易破坏的面上是否发生破坏。4.简述不连续面剪切时,不连续面的起伏和充填对不连续面抗剪强度的作用,写出无充填规则齿状不连续面的抗剪强度表达式。答:(1)不连续面的起伏和充填对不连续面抗剪强度的作用，大致为以下几点:①起伏角度越大,粗糙度越大,结构面的摩擦角越大,增大了不连续面的抗剪强度;②结构面经胶结后力学性质一般有所改善,铁硅质胶结充填结构面的强度较高,往往均岩石强度差别不大,甚至超过岩石强度,面泥质与易溶盐类胶结的结构面强度最低,且抗水性差;③未胶结具有一定张开度的结构面往往被外来物质所充填，其力学性质取决于充填物成分、厚度、含水性及壁岩的性质等。(2)无充填规则齿状不连续面的抗剪强度表达式分为两种情况。①当正应カ较小时表达式为:T=otg(u+i)；②当正应カ较大的情况表达式为:x=atanu+Co5.岩体与地下水之间的相互作用有哪些?答:(1)水对岩体的软化、泥化和崩解作用几乎所有岩石在水的作用下都发生软化,其中泥岩、页岩等软岩的软化程度可能为严重。地下水渗入不连续面,对不连续面两侧岩石或不连续面内充填物质具有软化、泥化和崩解作用,从面改少不连续面的抗剪特性。水对岩体结构面的润滑使其摩擦阻カ降低。水的溶蚀作用使可溶岩类岩体产生溶蚀裂隙、空隙和溶洞等岩溶现象,破坏岩体的完整性,进面降低岩体的强度。(2)静水压力作用水的作用对岩体产生渗流应カ减少了作用在岩体固相L的有效应カ,从面降低了岩体的抗剪强度。(3)岩体和地下水之间的相互作用水、岩相互隅合作用产生的力学作用效应,改变岩体的渗透性能,降低或增大岩体的渗透系数,由于岩体的渗透性能发生改变,反过来影响岩体中的应カ分布,从而影响岩体的强度和变形性质。6.在三维应力作用下含有一组不连续面的岩体可能发生哪些破坏方式?产生某种破坏方式取决于什么参数?答:（1）当5与结构面垂直,岩体强度与结构面无关,为岩石强度。_1T也（2）当+2,岩体将沿结构面破坏,岩体强度最低,其强度为结构面强度,其中。 137为结构面摩擦角。（3）当0与结构面平行,结构面的抗拉强度小,岩体将因结构面的横向扩展而破坏。4.什么叫做岩体结构?岩体结构类型的划分有什么实际意义?答:（1）岩体的结构是指岩体中结构面和结构体的形态和组合特征。（2）根据岩体结构类型可初步确定岩体的稳定性,同时可确定岩体所属的力学介质类型,便于采用不同的力学方法进行研究。5.岩体工程分类与岩体结构分类有什么不同?岩体工程分类考虑的主要因素有哪些?目前国内外常用的岩体工程分类方法有哪些?答：（1）岩体工程分类是对影响岩体稳定性和影响工程设计、施工和维护的各种因素建立一些评价指标，对工程辖区岩体进行评价,划分出不同的的级别或类别。岩体结构分类是根据结构面的等级及组合形式进行分类。（2）岩体工程分类考虑的主要因素：①岩石的质量;②岩体的完整性;③结构面条件；④岩体及结构面的风化程度；⑤地下水的影响；⑥地应カ。（3）国内外常用的岩体工程分类方法:①普氏分类法；②按岩芯质量指标（RQD）分类；③宾尼奥夫斯基节理岩体地质力学分类（RMR分级系统）；④巴顿等人的Q值岩体质量分类；⑤我国的工程岩体分级标准。6.已知岩体应力状态:5=10MPa,s=50MPa,岩体中有一组与最大主平面成42。角的结构面,其粘结カ为C°=0.2MPa,摩擦角为中。=30。，完整岩石的强度参数为:C=30MPa,中=40。,问在此种应カ状态下岩体是否会发生破坏?答:（1）根据已知条件，可计算出结构面强度曲线和完整岩石强度曲线。结构面强度曲线：r=ctan唸+G=ctan30°+0.2①完整岩石强度曲线:r=crtan0+C=crtan4O°+3O②（2）将两种曲线和莫尔圆代入得: 138a-+1arccin++2c®cotsinL39＜〇LLi-十一oICS111-.J122[q一％_ムーだ+史ー13r”in[(5+6+2c：cot唸)sin4*222[“一6由于0=42。介于仇和仇之间,所以岩体会沿结构面发生破坏。4.如果某ー组结构面与最大主平面夹角为32。,岩体的强度参数为C=15MPa,¢=35°,其余条件为小=10MPa,6=50MPa,粘结カ为C0=0.2MPa,摩擦角为中。=30。岩石体是否会发生破坏或者发生什么方式的破坏?答:(1)根据已知条件，可计算出结构面强度曲线和完整岩石强度曲线。结构面强度曲线:r=crtan4)+Q)=crtan300+0.2①完整岩石强度曲线:r=crtan0+C= 1394.某岩石边坡岩石强度指标为C=40MPa,中=30。,边坡上有一结构面顺坡倾斜,角a=45。,结构面的强度参数为:Co=2OMPa,中。=20。,为防止边坡下滑,而采取加固措施,使边坡获得侧向应カs=10MPa。求:①边坡岩体可能具有的极限抗压强度;②如果结构面倾角为30°,求得的极限抗压强度是增大还是减小?答:(1)①若岩体沿结构面发生破坏生+,ズ…ド姆=83,75(MPa)根据公式,有(1-tancota)sin2a②若岩体不沿结构面发生破坏有a=45。+中/2=60。2=巧+—'c+qtanO)_=]678(MPa)根据公式，有"(l-tan0cota)sin2a综上所述,边坡岩体可能具有的极限抗压强度为83.75MPa。巧=弓+2&+C3tm.=153(MPa)(1-tancota)sin2a(2)若结构面倾角为30。,则显然，此时的抗压强度为153MPa,极限抗压强度大大增加。5.已知嗣室顶板的最大主应カcn=61.2MPa,最小主应カ。3=-19.1MPa,岩石的单轴抗拉强度5=-8.7MPa,粘结カC=50MPa,内摩擦系数Z'=tg°=L54,使用莫尔强度准则判据判断顶板的稳定性，并讨论计算结果。答:由已知得:(1)抗拉稳定性由公式CfWEア得,5=32MPa>8.7MPa,因此会发生拉破坏。(2)抗压稳定性二45。+中/2=73.5。巧=5+—'c-qt3n0)_=118(MPa)(1-tandcota)sin2a>61.2MPa因此,根据莫尔强度准则,顶板不会发生压破坏。综上所述,顶板会发生拉破坏,不会发生压破坏。 1404.岩体中有一结构面,其摩擦角中。=35。,粘结カC=0,岩石的内摩擦角中。=48。,Co=lOMPa,岩体受围压O3=6=10MPa,受最大主应カs=45MPa,结构面与6方向夹角为45。，问岩体是否沿结构面破坏?答:(1)计算岩体是否发生破坏5二6+—2(%+61皿唸)_=〔I8(.1"の(1-tan由cota)sin2a>45MPa,其中a=45°+(p/2=69°因此岩体不会发生破坏。(2)计算是否沿结构面破坏5=5+==5bコ(MPd)(1-tan(pcot/?)sin>45MPa因此岩体不会沿结构面发生破坏。5.某矿大理岩试验成果如下:其单向抗压强度为s=120MPa,当侧压カ为s=6=80MPa,其破坏时垂直压カ为5=360MPa。试问：①当侧压カ为CT3=a2=60MPa,垂直压カ6=240MPa时，其试件是否破坏?②当侧压カ为O3=Oz=50MPa时，能承受的最大垂直应カ是多少?2o;sin。2Ccos(pa=——t=：——=12QMPa,C=346Mpa得［。=30。l-sin01-sin-6=5If3+q=360MPaー答:(1)由于公式T-sin0代入结果得：1=0、＞sm〇fス=300ヽ1Pa'1-sin(p'>240MPa,因此试件不会破坏。…普・…血(2)代入数据得: 141因此能承受的最大垂直应カ为270Mpa。4.有一层状结构体,已知结构面参数为C°=2MPa,仇=30。,结构面与最大主应カ所在平面的夹角为70。,试问岩体的最大最小主应力分别为15MPa及6MPa时,岩体是否会沿结构面破坏?O'lmin=2（c0+火tan巾"）（ノスlan&+tan九）+の答:已知岩体发生破坏时的最大主应カ6的最小值为此时a=45°+九/2,结构面的倾角与岩体破坏面重合，即岩体要发生破坏,不变时,6在此处取得最小值,只有大于此时的5值,岩体オ可能发生破坏。,=%+LrcmJ（%+%+.。cot例）と-飨ー22L外一。3ーー已知有将ai=45得:仇/2=60可，s=6MPa代入得5=24.93MPa即若使岩石发生破坏的最小大主应カ值5=24.93MPa>15MPa由此可知岩体不会沿结构面破坏。23.做岩体试件等围压三轴试验,节理与。3方向的夹角为30。,已知C°=2.5MPa,中。=35。,C=10MPa,¢=45°,s=6MPa。求岩体三轴抗压强度、破坏面的位置和强度。2（c0+cr;tan©））__m巧=G+——=上—=32-8MPa"（1-tan已cota）sin2a答：（1）设岩体沿结构面破坏（2）设岩体不沿结构面破坏 142a=45°+^=67.5°…+总+・。)=8"a(1-tan0cota)sinla综上所述,岩体的抗压强度为32.8MPa,破坏面位置即为结构面,强度为32.8MPa。24.根据弹性波在某矿花岗岩中的测定结果:在岩体中弹性波的传播速度v=1750m/s,在该岩石试件中测得的弹性波的传播速度v=2120m/s,该岩石在室内试验测得的单向抗拉强度5=20MPa,单向抗压强度Oc=220MPa,试求该岩体的准岩体强度。=閏-fi75oY=0.68%=Kac=0.68x220=150MPac”=Kat=0.68x20=136Mpa答:由已知得:因此准岩体抗压强度为150MPa,准岩体抗拉强度为!3.6MPao25.图2-2-4为弱面抗剪试验试件受力图，5>oz,并且5与6作用面互相垂直,a为剪切面的倾角。试写出剪切面上正应カ。和剪应カT的表达式（不考虑试件自重），并在莫尔应カ圆上表不出a,t,a的关系。图2-2-4答：由己知得: 143相互关系如右图。0"=不（5+，）+：7（巧一外）cos2ar=W5-/）sin2a图2-2-5 1442.3典型题（含考研真题）详解ー、名词解释1.岩体结构［中南大学2012年］答:岩体结构是指岩体内不同类型的结构面和结构体的排列组合形式。结构体和结构面称为岩体结构单元或岩体结构要素。岩体结构单元可划分为两类四种,这四种结构单元在岩体内组合、排列形式不同,构成不同的岩体结构。2.结构面间距［中南大学2010年］答: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问距。间距的大小直接反映了该组结构面的发育程度,也可以反映岩体的完整程度。3.结构面视在间距［中南大学2013年］答：结构面视在间距是指ー组结构面内与测线相交的两条相邻结构面之间的间距。4.结构面粗糙度［中南大学2011年］答：结构面的粗糙度一般是指节理表面的粗糙程度,平滑的表面较粗糙的表面有较小的摩擦角。5.岩体完整性系数［中南大学2010年、2013年］答：岩体完整性系数是指岩体中弹性波纵波的传播速度与岩块中弹性波纵波的传播速度之比，又称为龟裂系数。6.岩体的渗透性［中南大学2012年］答：岩体的渗透性是指在水力坡度作用下岩石能被水透过的性能,其定量指标可用渗透率、渗透系数、渗透率张量和渗透系数张量描述。7.岩石质量指标RQD［中南大学2010年］答：岩石质量指标RQD是指本回次钻孔取芯不小于10cm岩芯的总长与进尺之比。8.节理频率［中南大学2010年］答：节理频率是指节理法向方向上单位长度内节理的条数。9.岩体的结构面 145答:结构面是指岩体中存在着的各种不同成因和不同特性的地质界面,包括物质的分界面不连续面,如节理、片理、断层、不整合面等。10.岩体裂隙度答:岩体裂隙度是指岩体中沿取样线方向单位长度上的结构面数量。二、简答题1.描述岩石结构面产状的三个要素（即倾向、走向和倾角）的意义分别是什么?结构面产状的表示方法有哪两种?［中南大学2011年］答：（1）用岩层产状的三个要素,能表达经过构造变动后的构造形态在空间的位置:①走向岩层层面与水平面交线的方位角,称为岩层的走向。岩层的走向表示岩层在空间延伸的方向。②倾向垂直走向顺倾斜面向下引出一条直线,此直线在水平面的投影的方位角,称为岩层的倾向。岩层的倾向,表示岩层在空间的倾斜方向。③倾角岩层层面与水平面所夹的锐角,称为岩层的倾角。岩层的倾角表示岩层在空间倾斜角度的大小。（2）结构面产状的两种表示方法：①用两个大写的英文字母表示方向,后加读数。先定南北方向再定东西方向,比如在表达ー组走向为北西320°,倾向南西230。，倾角35。的岩层产状时,一般写成：NW32O0,SW2300,乙35。的形式:②在地质图上，岩层的产状用符号"斎"表示,长线表示岩层的走向,与长线垂直的短线表示岩层的倾向（长短线所示的均为实测方位）,数字表示岩层的倾角。由于岩层的走向与倾向相差90。，所以在野外测量岩层的产状时，往往只记录倾向和倾角。如需知道岩层的走向时,只需将倾向加减90。即可。2.岩石的抗剪强度主要有哪几种测定方法?如何获得岩石的抗剪强度曲线?［中南大学2013年］答：（1）岩石的抗剪强度是指岩石抵抗外力剪切破坏的能力,抗剪强度的检测分为室内试验和现场试验两类：①室内测定方法主有:直接剪カ试验、扭转试验和三轴试验。②现场试验一般在巷道内或洞室内进行,有双千斤顶法、单千斤顶法和三轴强度试验法。（2）岩石结构面的抗剪强度一般可以用库伦准则表述:r=c+antan^> 146式中,c、＜p为结构面上的粘聚カ和摩擦角;d为结构面上的法向应カ。1.岩体工程分类考虑的因素有哪些?［中南大学2010年］答:目前国内外关于岩体的工程分类有很多种方法,目前常用的分类方法有:RQD法、岩体地质力学分类（RMR分类）、巴顿岩体质量分类（Q分类）。不同分类方法,考虑的因素也有所不同。①RQD法。仅考虑岩石的质量指标参数RQD,将工程岩体分为很差、差、一般、好、很好五类;②岩体地质力学分类法。考虑岩块强度、RQD值、节理间距、节理条件及地下水将工程，岩体分为很差、较差、较好、好、很好五类;③巴顿岩体质量分类法。考虑岩块的RQD值、节理组数、节理粗糙系数、节理蚀变系数、节理水折减系数、应カ折减系数,将工程岩体分为异常差、极差、很差、差、一般、好、很好、极好、异常好九类。2.描述结构面状态的指标有哪些。答：描述结构面状态的指标包括以下几点：（1）结构面产状：结构面产状对岩体是否沿某ー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，当结构面的起伏程度大,粗糙度高时,其抗滑カ就大;（3）结构面的延展尺度:在工程岩体范围内,延展尺度大的结构面,完全控制了岩体的强度;（4）结构面的密集程度:以岩体裂隙度K和え表征岩体结构面的密集程度。3.工程岩体分类的指标主要是什么?答;工程岩体分类的指标主要是岩体的结构和岩石的质量。其参数包括RQD值,节理组数ハ，粗糙度系数ト,节理蚀变系数ト,裂隙水折减系数ル等。4.岩体地质力学分类（CSIR分类）考虑了哪些因素?是如何进行分类的?答:（1）考虑的因素有；岩块强度、RQD、节理间距、节理条件及地下水条件。（2）分类时,各种指标的数值按标准评分，求和得总分RMR,对于隧道、地基、边坡工程需按规定对总分作适当修正,最后按总分将研究岩体进行分级。5.巴顿岩体质量分类指标值Q的计算公式是什么?其中各参数的物理意义是什么?0=理セX土*JnJaSRF 147答:巴顿岩体质量分类指标值Q的计算公式为:式中,RQD为岩石质量指标;Jn为节理组数;Jr为节理粗糙度系数;Ja为节理蚀变影响系数;Jw为节理水折减系数;SRF为应カ折减系数。三、作图与分析说明1.已知某结构面产状为:倾向北偏东45。,倾角为30。。请根据赤平极射投影原理示意性地绘出该结构面的赤平投影圆弧,并求出结构面的走向方向。答:如图2-3-1所示，根据赤平极射原理,得出圆弧ACB为结构面的赤平投影圆弧,走向为!350〇图2-3-1四、计算题1.现场试验测得某工程所处岩体的弹性纵波速度为5400m/s,在实验室内测得同种岩体完整岩石试件中弹性纵波速度为6000m/s,岩石单轴抗压强度为llOMPa。①求该工程所处岩体的完整性系数,并判断其完整性情况。②计算准岩体抗压强度。［中南大学2011年］解:(1)该岩体的完整性系数为:岩体中弹性波纵波的传播速度与岩块中弹性波纵kJ"］コ出［=081波的传播速度之比。即:ノバ丿、6000.,因为其完整性系数k>0.75,所以岩体完整。(2)其准岩体抗压强度为:%n=K・4=S81xllO=89.1MPa。 1481.已知某处岩体完整性系数为0.80,从现场取样后在实验室内测得该种岩石单轴抗压强度。c=80MPa,单轴抗拉强度5=4MPa,试估算该岩体的准抗压强度和准抗拉强度。［中南大学2012年］解:准岩体抗压强度:4"=K，=0.8x80=64MPa;准岩体抗拉强度:°ぺ=・%=0.8x4=3.2MPa=2用直径为75mm的金刚石钻头和双层岩芯管在岩石中进行钻进,连续取芯。某回次进尺1m采取岩石芯样,其中最大的5块长度分别是330mm、240mm、160mm、110mm和80mm,请计算该岩石的RQD指标。［中南大学2013年］解：岩石质量指标RQD是指长度在10cm(含10cm)以上岩芯的累计长度占钻孔总长的百分比。因此由题已知：RQD=(33+24+16+11)/100=0.84。因此,岩石质量指标RQD值为0.84o3做岩体试件等围压三轴试验，节理与。3方向的夹角为0=30。，已知节理面的内聚力G=2.5MPa,内摩擦角年产20。,岩石的内聚カc=10MPa,内摩擦角(p=45。,试件所受围压。3=6MPa,求岩体的三轴抗压强度、破裂面的位置和方位?解:对于存在结构面的岩体,其破坏可能发生在岩体的结构面上,也可能发生在岩体的某一方向的破坏面上。2(c.+dtan0.)5=6+："(1-tan(p.cota)sin2a(1)若岩体沿结构面发生破坏,根据强度准则,有:将s=6MPa,Cj=2.5MPa,^=20°,a=30。代入上式可得:0尸34.6MPa。(2)若岩体不沿结构面发生破坏,则。=45。+叩/2=67.5。。根据强度准则，有： 149%=%+2(c+6tan⑼将s=6MPa,c=10MPa,(p=45°,a=67.5。代入上式可得:5=82.7MPa。综上所述,岩体的三轴抗压强度为34.6MPa,破裂面为节理面位置,与。3方向的夹角为a=30。。1做岩体试件等围压三轴实验时，节理面与最大主应力作用面的夹角为40。,结构面强度指标G=8MPa,冉=20r,试件在试验围压为10MPa时沿结构面破坏,考虑结构面的力学效应按库仑强度准则求最大三轴抗压强度?解:由题意可知,节理面与水平面夹角a=40。,岩体沿结构面破坏。2(C.+5tan。)5=5+："(1-tan0cota)sin2a岩体服从库仑准则,有:解得:ai=67.68MPao 150第3章地应カ及其测量3.1复习笔记工地应カ的基本概念/・慢迷t地应カ研究的重要性r地应力的成因地应力的成因和影呜因素t影呜地应力的主要因素r地应カ场的特性地位カ及其总量,垂直应力的分布规律地应カ场的ー些基本特征“水平应カ的分布或建【水平应カ与垂直应カ的关系高地应カ慑念及其判别准则高地应力区的若干特征し高地应カ现象广地应力贪量方法分类［直接a及;法1间接丈及法I地应カ北最方逹)島千斤顶法］孔径变形法水压致裂法I言发射法【知识框架】【重点难点归纳】ー、概述1.地应カ的基本概念(1)地应カ岩石是地球表层的物质,在漫长的地质年代里,由于地质构造运动等原因使地壳物质产生了内应カ效应,这种应カ称为地应カ或原岩应カ。它是地壳应カ的统称。(2)原地应カ随着地质构造运动和地形的不断变化,又引起地应カ的积聚或释放,形成现存的原地应カ，又称残余应カ。(3)二次应カ和初始应カ 151①受工程开挖影响而形成的应カ称为二次应カ或诱导应カ;②未受工程开挖影响的应力称为初始应カ。初始应カ又称原地应カ或残余应カ。岩石中的内应カ,是在不断变化的应カ效应作用下产生和保存的,在一定时间和一定地区内地壳中的应カ状态是各种应カ效应综合作用的结果。因此,地应カ是时间和空间的函数,可以用“场”的概念来描述,称之为地应カ场。1.地应カ研究的重要性地应カ是引起各种地下或露天岩石开挖工程变形和破坏的根本作用カ。因此,研究地应カ是确定工程岩体力学属性,进行围岩稳定性分析,实现岩石工程开挖设计和决策科学化的必要前提条件。另外,地应カ状态对地震预报、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等也都具有重要意义。2.对地应カ的认识过程(1)海姆假说1912海姆首次提出了地应カ的概念，并假定地应カ是ー种静水应力状态,即地壳中任意一点的应カ在各个方向上均相等，且等于单位面积上覆岩层的重量,即の=4=汨(3-1-1)式中，Oh为水平应カ;a为垂直应カ;Y为上覆岩层的重力密度;H为深度。(2)金尼克假说金尼克对海姆假说进行了修正,认为地壳中各点的垂直位力等于上覆岩层的重量,而侧向应カ是泊松效应的结果,其值应为yH乘以ー个修正系数K。他根据弹性力学理论，认为这个系数等于Iー〃,即,1ー”(3-1-2)式中,卩为上覆岩层的泊松比；1一川又称为侧压系数。(3)后来的进ー步研究表明,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カ的形成影响最大。当前的应カ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。二、地应力的成因和影响因素1.地应カ的成因地应力的形成主要与地球的各种动カ运动过程有关,其中包括:板块边界受压、地幔热对流、地球内应カ、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カ场。其中,构造应 152カ场和重力应カ场为现今地应カ场的主要组成部分。2.影响地应力的主要因素从总体上讲,上述成因引起的应カ场是地应カ场的主要成分,但对局部地应カ场而言,地应力的分布还会受到地形地貌、岩体结构特征、岩体力学性质、地下水等因素的影响,特别是地形和断层的扰动影响最大。(1)地形地貌谷底应カ集中，应カ沿坡岸分布。随着深度不断增加或远离谷坡则地应カ分布状态逐渐趋于规律化，并且显示出与区域应カ场的一致性。(2)岩体结构在断层和结构面附近,地应カ分布状态将会受到明显的扰动。断层端部、拐角处及交汇处将出现应カ集中的现象。(3)岩石力学性质岩体应力的上限必然要受到岩体强度的限制。弹性模量较大的岩体有利于地应カ的积累,所以地震和岩爆容易发生在这些部位,而塑性岩体容易发生变形,不利于地应カ的积累。在软硬相交和互层的地质结构处,就会由变形不均匀而产生附加应カ。此外，软硬不同的岩石或重度不同的岩体，会出现自重应カ分布不均匀和塑性状态深度不等的现象。(4)水的影响在深层岩体中,水对地应力的影响是非常显著的。由于岩体中水的存在而形成岩石空隙压カ，它与岩石骨架承受的应カ共同组成岩体的地应カ。三、地应カ场的ー些基本特征3.地应カ场的特性(1)地应カ场是ー个以水平应カ为主的三向不等压应カ场;(2)地应カ场是ー个具有相对稳定性的非稳定应カ场。4.垂直应力的分布规律根据世界各国的地应カ实测资料，对垂直应カ5随深度H变化的规律进行了统计分析,如图3-1-1所示。该图表明,在深度为25〜2700m的范围内，5呈线性增长，大致相当于按平均重度Y等于27kN-mユ计算出来的重力yH。但在某些地区的测量结果有一定幅度的偏差,上述偏差除有一部分可能归结于测量误差外，板块移动、岩浆对流和侵入、扩容、不均匀膨胀等也有可能引起垂直应カ的异常。 153垂直应力aノMPa010203040506070E/fee勰〇□美国加拿大斯堪的纳维亚南非箕他地区3000i•澳大利亚图3-1-1世界各国垂直应カ5随深度H的变化规律2.水平应力的分布规律水平应力的分布比较复杂,它具有3个特点:（1）绝大多数情况下,水平主应カ之一为最大主应カ;（2）水平应カ具有明显的各向异性;（3）水平应カ随深度呈线性增长关系。3.水平应カ与垂直应カ的关系总结现有地应カ实测资料,可以归纳出水平应力与垂直应カ的关系具有如下两个带有普遍意义的特点:（1）水平应カ普遍大于垂直应カ实测资料表明,在绝大多数地区,最大水平主应カび%皿普遍大于垂直应カ。”与5之比一般为0.5〜5.5,在很多情况下该比值大于20。垂直应カ在多数情况下为最小主应カ,在少数情况下为中间主应カ,只在个别情况下为最大主应カ。这ー现象揭示，水平方向的构造运动（如板块移动、碰撞）对地壳浅层地应カ的形成起着控制作用。（2）平均水平应カ与垂直应カ的比值随深度增加而减小四、高地应カ区的若干特征 1542.高地应カ概念及其判别准则高地应カ是ー个相对的概念。不同岩石具有不同的弹性模量,岩石的储能性也不同。一般来说,地区初始地应カ大小与该地区岩体的变形特性有关,岩质坚硬,则存储弹性能多,地应力也大。因此高地应カ是相对于围岩强度而言的。当围岩内部的最大地应カUmax与围岩强度ル的比值围岩强度比=旦(3-1-3)达到某ー水平时,オ称为高地应カ或极高地应カ。3.高地应カ现象(1)岩芯饼化现象饼状岩芯是高地应カ产物。从岩石力学破裂成因来分析,岩芯饼化是剪张破裂产物。除此以外，还能发现钻孔缩径现象。(2)岩爆在岩性坚硬完整或较完整的高地应カ地区开挖隧洞或探洞的过程中时有岩爆发生。岩爆是岩体内积聚的能量由于开挖卸压而突然释放所造成的一种岩石破坏现象。(3)探洞和地下隧洞的洞壁产生剥离,岩体锤击为嘶哑声并有较大变形在坚硬岩体表面开挖基坑或槽，在开挖过程中会产生坑底突然隆起、断裂,并伴有响声；或在基坑底部产生隆起剥离。(4)岩质基坑底部隆起、剥离以及回弹错动现象在坚硬岩体表面开挖基坑或槽，在开挖过程中会产生坑底突然隆起、断裂,并伴有响声;或在基坑底部产生隆起剥离。在岩体中,如有软弱夹层,则会在基坑斜坡上出现回弹错动现象(如图3-1-2)〇(5)野外原位测试测得的岩体物理力学指标比实验室岩块试验结果高由于高地应カ的存在，致使岩体的声波速度、弹性模量等参数增高,甚至比实验室无应カ状态岩块测得的参数高。野外原位变形测试曲线的形状也会变化,在。轴上有截距(如图3-1-3)〇 155软弱夹层图3-1-2基坑边坡回弹错动图3-1-3高地应力条件下岩体变形曲线五、地应カ测量方法1.地应カ测量方法分类（见表3-1-1）表3-1-1地应カ测量方法分类分类标准名称根据测量手段的不同构造法、变形法、电磁法、地震法和放射性法根据测量原理的不同基于钻孔变形原理的测量方法、基于静力平衡原理的测量方法和基于岩石破裂原理的测量方法应カ测量部位的深度岩体表面地应カ测量、浅钻孔地应カ测量和深钻孔地应カ测量但目前依据测量基本原理的不同,多将测量方法分为直接测量法和间接测量法两大类。（1）直接测量法直接测量法是由测量仪器直接测量和记录各种应力量,如补偿应カ、恢复应カ、平衡应カ, 156并由这些应力量和原岩应力的相互关系,通过计算获得原岩应カ值。直接测量法主要包括扁千斤顶法、水压致裂法、刚性包体应カ计法和声发射法。（2）间接测量法间接测量法不是直接测量应力量,而是借助某些传感元件或某些介质,测量和记录岩体中某些与应カ有关的间接物理量的变化，然后由测得的间接物理量的变化,通过已知的理论公式或经验公式来计算岩体中的应カ值。因此，在间接测量法中,为了计算应カ值,首先必须确定岩体的某些物理力学性质以及所测物理量与应力的相互关系。间接测量法又可以分为全应カ解除法、局部应カ解除法和地球物理方法等3类方法。①全应カ解除法全应カ解除法是ー类使测点岩体完全脱离地应力作用的地应カ测量方法。通常采用套钻的方式使岩芯完全解除地应カ作用,因此又称套孔应カ解除法。套孔应カ解除法技术比较成熟、能定量测量地应力。根据所测量的力学量和所采用的测试元件不同,套孔应カ解除法主要有孔径变形法、孔底应变法、孔壁应变法、空心包体应变法和实心包体变形法等几种方法。②局部应カ解除法局部应カ解除法则是ー类采用某种方式使测点岩体局部解除地应力作用的地应カ测量方法。根据所采用的应カ解除方式不同，局部应カ解除法通常有径向切槽法、平行钻孔法、中心钻孔法、钻孔延伸法和千斤顶压裂法等几种方法。③地球物理方法地球物理学方法是通过测定某些物理量,进而根据这些物理量与原岩应力的内在的经验关系来确定岩体应カ的ー类测量方法。根据所测量的物理量不同，地球物理方法通常有超声波速法、超声波谱法、放射性同位素法和原子磁性共振法等几种方法。此外，应力作用所引起的电阻率、电容、电磁等岩体物理量的变化，也可用来推算岩体应カ状态。1.扁千斤顶法（1）基本原理①基本原理采取在岩壁上开切凹槽的方式，使岩体应力得到解除;岩体应カ解除导致凹槽两侧岩体发生变形;然后通过扁千斤顶（又称液压枕）对凹槽两面岩体加压,使岩体变形恢复到未开切凹槽时的初始状态,此时扁千斤顶的压カ就近似等于原岩应カ。②优缺点这种方法优点是能直接测读应カ,避免了用岩体弹模换算所带来的误差,而且操作简便。然而,由于在岩壁上开槽深度较浅,因此测出的是围岩爆破松动圈范围内的二次应カ,数值偏低,且只能测已知主应力方向的应カ大小。(2)试验步骤 157扁千斤顶法操作简单,图3-1-4为其试验装置示意图。具体试验步骤如下:①选择有代表性的岩壁,在岩壁上布置ー对或多对测点(如图中A,B为ー对测点)，每对测点的间距ん视所采用的引伸仪尺寸而定,一般每对测点间的距离为15cm左右。②在两测点之间的中线处,用金刚石锯切割一道狭缝槽。由于洞壁岩体受到环向压应カ。e的作用，所以，在狭缝槽切割后，两测点间的距离就会从初始值d0减小到d。③将扁千斤顶塞入狭缝槽内［如图3-1-4(b)所示］,并用混凝土充填狭缝槽,使扁千斤顶与洞壁岩体紧密胶结在ー起。④对扁千斤顶泵入高压油,通过扁千斤顶对狭缝两壁岩体加压,使岩壁上两测点的间距缓缓地由d恢复到d。,如图3-1-4(c)所示。这时扁千斤顶对岩壁施加的压カP”即为所要测定的洞壁岩体的环向应カ值m。 158〇时间!千斤顶压カPc(〇图3-1-4扁千斤顶试验装置示意图扁千斤顶法一般用于较坚硬完整的岩体,而且测出的应カ为一个二维应カ场,虽然通过数值模拟可以推算出深层岩体中的三维应カ场,但是这种推算需要许多假设,因而其结果是不准确的。1.孔径变形法(1)基本原理孔径变形测量法是套孔应カ解除法中的ー种。其基本原理是:当需要测定岩体中某点的应カ状态时,先钻ー大孔至该点,然后钻ー同心小孔(测量孔);再通过套钻方式将该处的岩体单元与周围岩体分离,此时岩体单元上所受的应カ将被解除并导致该单元体的几何尺寸产生弹性恢复:应用一定的仪器,测定这种弹性恢复引起的测量孔的孔径变形值;如果假定岩体是连续、均质和各向同性的弹性体，则根据孔径变形值就可以借助弹性理论的解答来计算岩体单元所受的应カ状态。(2)试验步骤 159这种方法的主要试验步骤为（见图3-1-5）：①钻ー个大直径孔至需要测量岩体应力的部位;②在大直径孔底部钻ー个同心小孔（测量孔）；③将探头（测试元件）安装到测量孔中;④用外径与大孔直径相同的薄壁钻头（套芯钻头）继续延深大孔（如虚线所示）,从而使测量孔周围的岩芯实现应カ解除;⑤用包括测试探头在内的量测系统测定和记录岩芯由于应カ解除引起的测量孔变形或应变;⑥计算测量点的应カ数值和方向。图3-1-5套孔应カ解除法示意图1.水压致裂法（1）基本原理从弹性力学理论可知,当ー个位于无限体中的钻孔受到无穷远处二维应カ场（5,6）的作用时，离开钻孔端部一定距离的部位处于平面应变状态。在这些部位，钻孔周边的应カ为ae=ax+Q2-l{ax-a)cos28⑶>4) 160(3-1-5)式中,CTe,5为钻孔周边的切向应カ和径向应カ:9为周边一点与5轴的夹角。由式（3-1-4）可知,当0=0。时,m取得极小值,此时ち=3%一巧,如果采用图3-1-6所示的水压致裂系统将钻孔某段封隔起来，并向该段钻孔注入高压水,当水压超过4=負「5与抗拉强度区之和后,在〇=〇。处，即％所在方位将发生孔壁开裂。设钻孔壁发生初始开裂时的水压为P“则有水压致裂装浮R=3ら一巧+凡(3-1.6)图3-1-6水压致裂应カ测量原理如果继续向封隔段注入高压水使裂隙进ー步扩展,当裂隙深度达到3倍钻孔直径时,此处已接近原岩应カ状态,停止加压,保持压カ恒定,将该恒定压カ记为认,则由图3-1-6可见,P3应与原岩应カ02相平衡，即P：=a2(3-1-7)由式(3-1-6)和式(3-1-7),只要测出岩石抗拉强度Ri,即可由p1和p”求出6和6,这样5和6的大小和方向就全部确定了。在钻孔中存在裂隙水的情况下,如封隔段处的裂隙水压カ为p。,则式(3-1-6)变为Pi=3%-%+&-Po(3-1-8)根据式(3-1-7)和式(3-1-8)求5和6,需要知道封隔段岩石的抗拉强度,这往往是很困难的。为了克服这ー困难，在水压致裂试验中增加一个环节,即在初始裂隙产生 161后，将水压卸除,使裂隙闭合，然后再重新向封隔段加压,使裂隙重新打开,记裂隙重开的压カ”,则有P,=3/_b\_p：(3-1.9)这样，由式(3-1-8)和式(3-1-9)求力和%就无须知道岩石的抗拉强度。因此,由水压致裂法测量原岩应カ将不涉及岩石的物理力学性质,而完全由测量和记录的压カ值来决定。(2)水压致裂法的主要步骤水压致裂法测量应カ包括6个步骤:①打钻孔到测试部位,并将试验段用两个封隔器隔离起来。②相隔离段注高压水流,直到孔壁出现裂隙，并记下此时的初始开裂压カ;然后继续施加水压使裂隙扩展，当水压增至2〜3倍开裂压カ，裂缝扩展到10倍钻孔直径时,关闭高压水系统，待水压恒定后记下关闭压カ;最后卸压使裂隙闭合。③重新向密封段注射高压水,使裂隙重新张开,并记下裂隙重开时的压カ。这种重新加压的过程重复2〜3次。④将封隔器完全卸压后从钻孔内取出。⑤将用特殊橡皮包裹的印模器送入破裂段并加压获取裂隙的形状、大小、方位及原来孔壁存在的节理、裂隙均由橡皮印痕器记录下来。⑥根据记录数据绘制压カー时间曲线图(如图3-1-7所示)，计算主应カ的大小，确定主应カ方向。 162初始开裂压カg)40edw'dR•土102030405060708090100时间〃min图3・1・7水压致裂试验的压カー时间曲线图(3)水压致裂法的特点①水压致裂法具有如下优点:a.设备简单。该法只需用普通钻探方法打钻孔,用双止水装置密封,用液压泵通过压裂装置压裂岩体,不需要复杂的电磁测量设备。b.操作方便。只通过液压泵向钻孔内注液以压裂岩体,观测压裂过程中泵压、液量即可。c.测值直观。它可根据压裂时泵压(初始开裂泵压、稳定开裂泵压、关闭压カ、开启压カ)计算出地应カ值,不需要复杂的换算及辅助测试,同时还可求得岩体抗拉强度。d.测值代表性大。所测得的地应カ值及岩体抗拉强度是代表较大范围内的平均值,有较好的代表性。e.适应性强。这一方法不需要电磁测量元件，不怕潮湿，可在干孔及孔中有水条件下作试验,不怕电磁干扰,不怕震动。②水压致裂法的缺点:a.主应カ方向定得不准。水压致裂测量结果只能确定垂直于钻孔平面内的最大主应カ和最小主应力的大小和方向,如果钻孔方向和实际主应力的方向偏差15。以上,用水压致裂法测得的三维应カ场有较为显著的误差;b.这种方法只能用于比较完整的岩石中。1.声发射法(1)基本原理材料在受到外荷载作用时,其内部贮存的应变能快速释放产生弹性波,从而发出声响,称为声发射。1950年,德国人凯泽(J.Kaiser)发现多晶金属的应カ从其历史最高水平释放后,再重新加载,当应カ未达到先前最大应カ值时,很少有声发射产生，而当应カ达到或超过历史最高水平后,则大量产生声发射,这ー现象称为凯泽效应。从很少产生声发射到大最产生声发射的转折点称为凯泽点,该点对应的应カ即为材料先前受到的最大应カ。如果从原岩中 163取回定向的岩石试件,通过对加工不同方向的岩石试件进行加载声发射试验,测定凯泽点,即可找出每个试件以前所受的最大应カ，并进而求出取样点的原始(历史)三维应カ状态。(2)试验步骤①从现场钻孔提取岩石试样,试样在原环境状态下的方向必须确定。将试样加工成圆柱体试件,径高比为1:2〜1:3。为了确定测点三维应カ状态,必须在该点的岩样中沿6个不同方向制备试件,假如该点局部坐标系为Oxyz,则3个方向选为坐标轴方向，另3个方向选为Oxy、Oyz、Ozx平面内的轴角平分线方向。为了获得测试数据的统计规律,每个方向的试件为15-25块。②将试件放在压カ试验机上加压。为了消除由于试件端部与压カ试验机上、下压头之间摩擦所产生的噪声和试件端部应カ集中,试件两端浇铸由环氧树脂或其他复合材料制成的端帽。 1643.2课后习题详解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:（1）地壳是不断变动的,不是静止不动的。（2）地壳虽然不断变动,但同时也达到一种动态平衡,称为自然平衡。岩体的自然平衡状态是指不受工程扰动,仅通过自身重力及自然作用包括板块碰撞，挤压等达到ー种动态平衡。2.初始应カ、二次应カ和应カ场的概念是什么?答:（1）受工程开挖影响而形成的应カ称为二次应カ或诱导应カ;（2）而未受工程开挖影响的应力称为初始应カ。实质上,初始应力就是原地应カ或残余应カ。（3）岩石中的内应カ，是在不断变化的应カ效应作用下产生和保存的,在一定时间和一定地区内地壳中的应カ状态是各种应カ效应综合作用的结果。因此,地应カ是时间和空间的函数,可以用"场”的概念来描述,称之为地应カ场。3.请阐述海姆假说和金尼克假说。答:（1）1912海姆首次提出了地应カ的概念,并假定地应カ是一种静水应カ状态,即地壳中任意一点的应カ在各个方向上均相等,且等于单位面积上覆岩层的重量，即式中，。,为水平应カ;d为垂直应カ;丫为上覆岩层的重力密度;H为深度。（2）金尼克对海姆假说进行了修正,认为地壳中各点的垂直位力等于上覆岩层的重量,而侧向应カ是泊松效应的结果,其值应为yH乘以ー个修正系数K。他根据弹性力学理论,认为这个系数等于Iー〃,即式中,卩为上覆岩层的泊松比；->-M,又称侧压系数。 1652.地应カ是如何形成的?答:地应力的形成主要与地球的各种动カ运动过程有关,其中包括:板块边界受压、地幔热对流、地球内应カ、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カ场。其中,构造应カ场和重力应カ场为现今地应カ场的主要组成部分。3.什么是岩体的构造应カ?构造应カ是怎样产生的?土中有无构造应カ?为什么?答：（1）岩体中由于地质构造运动引起的应カ称为构造应カ。（2）当前的构造应カ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。由于亿万年来,地球经历了无数次大大小小的构造运动，各次构造运动的应カ场也经过多次的叠加、牵引和改造。关于构造应カ的形成有两种观点：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。（3）土中没有构造应カ,由于土本身是各向同性介质,不存在地质构造。6.试述自重应カ场与构造应カ场的区别和特点。答:（1）由地心引力引起的应カ场称为重力应カ场，重力应カ场是各种应カ场中惟一能够计算的应カ场。地壳中任一点的自重应カ等于单位面积的上覆岩层的重量,即式中,Y为上覆岩层的容重;H为深度。（2）重力应カ为垂直方向应カ，它是地壳中所有各点垂直应力的主要组成部分,但是垂直应カー般并不完全等于自重应カ,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カ变化。构造应カ是由地质构造运动形成的。当前的构造应カ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。构造应カ主要表现为以水平应カ为主,在构造应力的作用仅影响地壳上层一定厚度的情况下，水平应カ分量的重要性远远超过垂直应カ分量。7.岩体原始应力状态与哪些因素有关?答:（1）地形地貌谷底应カ集中，应カ沿坡岸分布。随着深度不断增加或远离谷坡则地应カ分布状态逐渐趋于规律化，并且显示出与区域应カ场的一致性。（2）岩体结构 166在断层和结构面附近,地应カ分布状态将会受到明显的扰动。断层端部、拐角处及交汇处将出现应カ集中的现象。（3）岩石力学性质岩体应力的上限必然要受到岩体强度的限制。弹性模量较大的岩体有利于地应カ的积累,所以地震和岩爆容易发生在这些部位,而塑性岩体容易发生变形,不利于地应カ的积累。在软硬相交和互层的地质结构处,就会由变形不均匀而产生附加应カ。此外,软硬不同的岩石或重度不同的岩体,会出现自重应カ分布不均匀和塑性状态深度不等的现象。（4）水的影响在深层岩体中,水对地应力的影响是非常显著的。由于岩体中水的存在而形成岩石空隙压カ，它与岩石骨架承受的应カ共同组成岩体的地应カ。6.简述地应カ场的分布规律。答:（1）地应カ场是ー个以水平应カ为主的三向不等压应カ场;（2）地应カ场是ー个具有相对稳定性的非稳定应カ场:（3）在深度为25〜2700m的范围内,6呈线性增长,大致相当于按平均重度丫等于27kNnヨ计算出来的重力yH。但在某些地区的测量结果有一定幅度的偏差,上述偏差除有一部分可能归结于测量误差外,板块移动、岩浆对流和侵入、扩容、不均匀膨胀等也有可能引起垂直应力的异常;（4）绝大多数情况下,水平主应カ之一为最大主应カ:（5）水平应カ具有明显的各向异性:（6）水平应カ随深度呈线性增长关系；（7）水平应カ普遍大于垂直应カ；（8）平均水平应カ与垂直应カ的比值随深度增加而减小。7.什么是侧压系数?侧压系数能否大于1?从侧压系数值的大小如何说明岩体所处的应カ状态?答:（1）测压系数是对侧向应カ的泊松效应的结果进行修正的修正系数，在数值上等于水平应カ与垂直应カ的比值。（2）测压系数可以大于1,此时水平应カ大于垂直应カ。（3）测压系数小于1时,说明此时水平应カ小于垂直应カ;测压系数等于1时,说明水平应カ等于垂直应カ;测压系数大于1时,说明水平应カ大于垂直应カ。8.何谓高地应カ?如何判别高地应カ?答:（1）高地应カ是相对于围岩强度而言的。即当围岩内部的最大地应カUma・与围岩强度Rb的比值围岩强度比=ム 167达到某ー水平时,オ称为高地应カ或极高地应カ。（2）根据是否产生塑性地压进行判定。例如岩体,基坑是否有剥离现象,新生裂缝数量,成洞性，成形性。6.有哪些高地应カ现象?答:（1）岩芯饼化现象饼状岩芯是高地应カ产物。从岩石力学破裂成因来分析,岩芯饼化是剪张破裂产物。除此以外，还能发现钻孔缩径现象。（2）岩爆在岩性坚硬完整或较完整的高地应カ地区开挖隧洞或探洞的过程中时有岩爆发生。岩爆是岩体内积聚的能量由于开挖卸压而突然释放所造成的ー种岩石破坏现象。（3）探洞和地下隧洞的洞壁产生剥离,岩体锤击为嘶哑声并有较大变形在坚硬岩体表面开挖基坑或槽，在开挖过程中会产生坑底突然隆起、断裂，并伴有响声;或在基坑底部产生隆起剥离。（4）岩质基坑底部隆起、剥离以及回弹错动现象在坚硬岩体表面开挖基坑或槽,在开挖过程中会产生坑底突然隆起、断裂,并伴有响声;或在基坑底部产生隆起剥离。在岩体中,如有软弱夹层,则会在基坑斜坡上出现回弹错动现象。（5）野外原位测试测得的岩体物理力学指标比实验室岩块试验结果高由于高地应カ的存在,致使岩体的声波速度、弹性模量等参数增高,甚至比实验室无应カ状态岩块测得的参数高。7.简述地应カ测量的重要性。答;（1）科学合理的开挖设计和施工的需要；（2）地应カ是影响岩石开挖工程稳定性的重要因素；（3）地应カ是岩石工程定量设计计算以及数值模拟分析的需要；（4）地应カ状态对地震预报、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等也都具有重要意义。13,地应カ测量方法分哪两类?两类的主要区别在哪里?每类包括哪些主要测量技术?答:依据测量基本原理的不同,将测量方法分为直接测量法和间接测量法两大类。（1）直接测量法直接测量法是由测量仪器直接测量和记录各种应力量,如补偿应カ、恢复应カ、平衡应カ,并由这些应力量和原岩应力的相互关系,通过计算获得原岩应カ值。直接测量法主要包括扁千斤顶法、水压致裂法、刚性包体应カ计法和声发射法。 168（2）间接测量法间接测量法不是直接测量应力量,而是借助某些传感元件或某些介质,测量和记录岩体中某些与应カ有关的间接物理量的变化,然后由测得的间接物理量的变化,通过已知的理论公式或经验公式来计算岩体中的应カ值。因此，在间接测量法中,为了计算应カ值,首先必须确定岩体的某些物理力学性质以及所测物理量与应力的相互关系。间接测量法又可以分为全应カ解除法、局部应カ解除法和地球物理方法等3类方法。14.简述套孔应カ解除法的基本测量原理和主要测试步骤。答:以孔径变形法为例。（1）基本原理当需要测定岩体中某点的应カ状态时，先钻ー大孔至该点,然后钻ー同心小孔（测量孔）;再通过套钻方式将该处的岩体单元与周围岩体分离，此时岩体单元上所受的应カ将被解除并导致该单元体的几何尺寸产生弹性恢复;应用一定的仪器,测定这种弹性恢复引起的测量孔的孔径变形值;如果假定岩体是连续、均质和各向同性的弹性体,则根据孔径变形值就可以借助弹性理论的解答来计算岩体单元所受的应カ状态。（2）试验步骤这种方法的主要试验步骤为（见图3-2-1）：①钻ー个大直径孔至需要测量岩体应力的部位;②在大直径孔底部钻ー个同心小孔（测量孔）；③将探头（测试元件）安装到测量孔中；④用外径与大孔直径相同的薄壁钻头（套芯钻头）继续延深大孔（如虚线所示）,从而使测量孔周围的差芯实现应カ解除;⑤用包括测试探头在内的量测系统测定和记录差芯由于应カ解除引起的测量孔变形或应变；⑥计算测量点的应カ数值和方向。 169大直径孔钻杆测量导线图3-2-1套孔应カ解除法示意图14.根据测试元件的不同,套孔应カ解除法可分为哪几种方法?答:根据测试元件的不同,套孔应カ解除法可分为孔径变形法、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等。15.简述水压致裂法的基本测量原理。答:从弹性力学理论可知,当ー个位于无限体中的钻孔受到无穷远处二维应カ场（6,6）的作用时，离开钻孔端部一定距离的部位处于平面应变状态。在这些部位，钻孔周边的应カ为c,=%+巧一2（5ー0"、）cos28（］）6=°（2）式中,d,d为钻孔周边的切向应カ和径向应カ；6为周边一点与6轴的夹角。由式（1）可知,当。=0。时,供取得极小值，此时ち=支2-5,如果采用图1所示的水压致裂系统将钻孔某段封隔起来,并向该段钻孔注入高压水，当水压超过 170%=負「5与抗拉强度R,之和后,在0=0。处,也即4所在方位将发生孔壁开裂。设钻孔壁发生初始开裂时的水压为P,,则有图3-2-2水压致裂应カ测量原理如果继续向封隔段注入高压水使裂隙进一步扩展,当裂隙深度达到3倍钻孔直径时,此处已接近原岩应カ状态,停止加压,保持压カ恒定,将该恒定压カ记为P’,则由图3-2-2可见,Ps应与原岩应カ6相平衡,即P尸巧（4）由式（3）和式（4）,只要测出岩石抗拉强度R,,即可由R和P“求出6和6,这样6和6的大小和方向就全部确定了。在钻孔中存在裂隙水的情况下，如封隔段处的裂隙水压カ为P。,则式（1-3）变为ス=3%-5+K-po（5）根据式（4）和式（5）求5和6,需要知道封隔段岩石的抗拉强度,这往往是很困难的。为了克服这ー困难,在水压致裂试验中增加一个环节，即在初始裂隙产生后,将水压卸除,使裂隙闭合，然后再重新向封隔段加压,使裂隙重新打开，记裂隙重开的压カP,则有P,=3巧一百一ア〇（6） 171这样,由式（5）和式（6）求力和。:就无须知道岩石的抗拉强度。因此,由水压致裂法测量原岩应カ将不涉及岩石的物理力学性质,而完全由测量和记录的压カ值来决定。14.对水压致裂法的主要优缺点作出评价。答:（1）水压致裂法具有如下优点:①设备简单该法只需用普通钻探方法打钻孔,用双止水装置密封,用液压泵通过压裂装置压裂岩体,不需要复杂的电磁测量设备。②操作方便只通过液压泵向钻孔内注液以压裂岩体,观测压裂过程中泵压、液量即可。③测值直观它可根据压裂时泵压（初始开裂泵压、稳定开裂泵压、关闭压カ、开启压カ）计算出地应カ值,不需要复杂的换算及辅助测试,同时还可求得岩体抗拉强度。④测值代表性大所测得的地应カ值及岩体抗拉强度是代表较大范围内的平均值,有较好的代表性。⑤适应性强这一方法不需要电磁测量元件,不怕潮湿,可在干孔及孔中有水条件下作试验,不怕电磁干扰，不怕震动。（2）水压致裂法的缺点：①主应カ方向定得不准。水压致裂测量结果只能确定垂直于钻孔平面内的最大主应カ和最小主应力的大小和方向,如果钻孔方向和实际主应力的方向偏差15。以上,用水压致裂法测得的三维应カ场有较为显著的误差:②这种方法只能用于比较完整的岩石中。15.简述应カ解除法的基本原理。答：应カ解除法包括全应カ解除法和局部应カ解除法。（1）全应カ解除法是使测点岩体完全脱离地应力作用的地应カ测量方法,其基本原理以孔径变形法为例。基本原理:当需要测定岩体中某点的应カ状态时,先钻ー大孔至该点,然后钻一同心小孔（测量孔）;再通过套钻方式将该处的岩体单元与周围岩体分离,此时岩体单元上所受的应カ将被解除并导致该单元体的几何尺寸产生弹性恢复;应用一定的仪器,测定这种弹性恢复引起的测量孔的孔径变形值;如果假定岩体是连续、均质和各向同性的弹性体,则根据孔径变形值就可以借助弹性理论的解答来计算岩体单元所受的应カ状态。（2）局部应カ解除法是采用某种方式使测点岩体局部解除地应力作用的地应カ测量 172方法。其基本原理以千斤顶压裂法为例。基本原理:采取在岩壁上开切凹槽的方式,使岩体应力得到解除;岩体应カ解除导致凹槽两侧岩体发生变形:然后通过扁千斤顶（又称液压枕）对凹槽两面岩体加压,使岩体变形恢复到未开切凹槽时的初始状态,此时扁千斤顶的压カ就近似等于原岩应カ。14.简述声发射法的主要测试原理。答:基本原理;材料在受到外荷载作用时,其内部贮存的应变能快速释放产生弹性波,从而发出声响,称为声发射。从很少产生声发射到大量产生声发射的转折点称为凯泽点，该点对应的应カ即为材料先前受到的最大应カ。如果从原岩中取回定向的岩石试件，通过对加工不同方向的岩石试件进行加载声发射试验,测定凯泽点,即可找出每个试件以前所受的最大应カ,并进而求出取样点的原始（历史）三维应カ状态。15.哪些地应カ测量方法是国际岩石力学学会建议采用的方法?答:（1）表面应カ测量采用应カ恢复法;（2）深孔应カ测量采用水压致裂法；（3）浅孔应カ测量采用基于"USBM型钻孔孔径变形计”的钻孔孔径变形测量法；（4）基于"CSIR型钻孔三轴应变计"的孔壁应变测量法。 1733.3典型题（含考研真题）详解ー、名词解释1.岩体初始应カ［中南大学2013年］答:岩体初始应カ是指岩体在天然状态下所具有的应カ,即过去构造运动所残留在岩体中的应カ,又称原地应カ或残余应カ。2.地应カ［中南大学2010年］答:岩石是地球表层的物质,在漫长的地质年代里,由于地质构造运动等原因使地壳物质产生了内应カ效应,这种应カ称为地应カ或原岩应カ。它是地壳应カ的统称。3.原地应カ答：随着地质构造运动和地形的不断变化,又引起地应カ的积聚或释放,形成现存的原地应カ,又称残余应カ。四、简答题1.什么是岩体构造应カ?［中南大学2010年］答：地应力的形成主要与地球的各种动カ运动过程有关,其中包括：板块边界受压、地幔热对流、地球内应カ、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カ场。其中,构造应カ场和重力应カ场为现今地应カ场的主要组成部分。岩体中由于地质构造运动引起的应カ称为构造应カ。按其成因分类,构造应カ可分为惯性应カ、重应カ、热应カ、湿应カ四类。大多数情况下原岩水平应カ比垂直方向主应カ大1〜3倍或更大;两水平轴向的主应力也并不相同,比值为0.3〜0.8;垂直方向应力通常等于自重应カ,有时为自重应カ的1.5〜3倍。原岩主应カ方向，常稍偏离垂直和水平方向，这主要是受地质构造运动残余应カ场的影响。2.简述地应カ分布的一般规律。［中南大学2012年］答:①地应カ场是ー个以水平应カ为主的三向不等压应カ场；②地应カ场是ー个具有相对稳定性的非稳定应カ场;③在深度为25〜2700m的范围内,必呈线性增长，大致相当于按平均重度丫等于27kN-m3计算出来的重力yHo但在某些地区的测量结果有一定幅度的偏差,上述偏差除有一部分可能归结于测量误差外,板块移动、岩浆对流和侵入、扩容、不均匀膨胀等也有可能引起垂直应力的异常;④绝大多数情况下，水平主应カ之ー为最大主应カ;⑤水平应カ具有明显的各向异性;⑥水平应カ随深度呈线性增长关系;⑦水平应カ普遍大于垂直应カ；⑧平均水平应カ与垂直应カ的比值随深度增加而减小。 1742.什么是岩石声发射的凯赛（Kaiser）效应?岩石声发射凯赛效应对岩体力学研究与工程应用有何意义?［中南大学2010年］答:（1）岩石声发射的凯赛效应是指当岩石被加荷时,有声发射信号发生,若卸去后第二次加载,则在卸载点以前几平不再有声发射信号，只有当超过第一次加载的最大荷载时,オ有声发射出现，这种现象叫做声发射的不可逆效应,又称凯赛效应。（2）凯赛效应对岩体力学研究与工程应用有何意义为;①凯赛效应为测量岩石应カ提供了一个途径，即如果从原岩中取回定向的岩石试件,通过对加工的不同方向的岩石试件进行加载声发射实验,测定凯赛点（从岩石很少产生声发射到大量产生声发射的转折点）,即可找出每个试件以前所受的最大应カ,进而求出取样点的原始三维应カ状态。②在工程应用中,通常利用岩石声发射的凯赛效应,采取地下ー定深度的岩石,进行单轴压缩试验，然后利用弹性理论求得岩石的地应カ大小和方向，同时，还可以利用凯赛效应对岩体局部冒落进行预测预报以及检测大坝等建筑物的泄漏。3.简述地应カ形成原因。答:地应力的形成主要与地球的各种动カ运动过程有关，其中包括；板块边界受压、地幔热对流、地球内应カ、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カ场。其中，构造应カ场和重力应カ场为现今地应カ场的主要组成部分。4.地应カ测量方法分哪两类?它们的主要区别在哪里?每类包括哪些主要测量技术?答;（1）地应カ测量的方法主要有;直接测量法和间接测量法。（2）直接测量法是由测量仪器直接测量和记录各种应力量,并由这些应力量和原岩应力的相互关系,通过计算获得原岩应カ值；间接测量法不是直接测量应力量，而是借助某些传感元件或某些介质,测量和记录岩体中某些与应カ有关的间接物理量的变化,然后由测得的间接物理量的变化,通过已知的公式计算岩体中的应カ值。（3）直接测量法包括;扁千斤顶法、水压致裂法、刚性包体应カ计法和声发射法等;间接测量法又可以分为全应カ解除法、局部应カ解除法和地球物理方法等3类方法。5.绘制水压曲线图说明水压致裂法的主要测量步骤。答:水压致裂法测量应カ包括6个步骤: 175①打钻孔到测试部位,并将试验段用两个封隔器隔离起来。②相隔离段注高压水流,直到孔壁出现裂隙,并记下此时的初始开裂压カ;然后继续施加水压使裂隙扩展，当水压增至2〜3倍开裂压カ，裂缝扩展到10倍钻孔直径时,关闭高压水系统,待水压恒定后记下关闭压カ:最后卸压使裂隙闭合。③重新向密封段注射高压水,使裂隙重新张开,并记下裂隙重开时的压カ。这种重新加压的过程重复2〜3次。④将封隔器完全卸压后从钻孔内取出。⑤将用特殊橡皮包裹的印模器送入破裂段并加压获取裂隙的形状、大小、方位及原来孔壁存在的节理、裂隙均由橡皮印痕器记录下来。⑥根据记录数据绘制压カー时间曲线图（如图3-3-1所示）,计算主应カ的大小,仙初始开裂压カS）edw,dR.士〇102030405060708090100时间〃min确定主应カ方向。图3-3-1水压致裂试验的压カー时间曲线图2.简述测量地应カ的水压致裂法的优缺点。答:（1）水压致裂法具有如下优点:①设备简单。该法只需用普通钻探方法打钻孔,用双止水装置密封,用液压泵通过压裂装置压裂岩体,不需要复杂的电磁测量设备:②操作方便。只通过液压泵向钻孔内注液以压裂岩体,观测压裂过程中泵压、液量即可:③测值直观。它可根据压裂时泵压（初始开裂泵压、稳定开裂泵压、关闭压カ、开启压カ）计算出地应カ值,不需要复杂的换算及辅助测试,同时还可求得岩体抗拉强度:④测值代表性大。所测得的地应カ值及岩体抗拉强度是代表较大范围内的平均值,有较好的代表性: 176⑤适应性强。这一方法不需要电磁测量元件,不怕潮湿,可在干孔中有水条件下做试验,不怕电磁干扰,不怕震动。(2)水压致裂法的缺点:①主应カ方向定得不准。水压致裂测量结果只能确定垂直于钻孔平面内的最大主应カ和最小主应力的大小和方向,如果钻孔方向和实际主应力的方向偏差15。以上,用水压致裂法测得的三维应カ场有较为显著的误差:②这种方法只能用于比较完整的岩石中。三、计算题1.已知某处距地表深度为650m,假设上覆岩层为均质各向同性的线弹性体,容重为27.5kN/m3,泊松比卩=0.25,试计算该深度处的三维自重应カ场。［中南大学2011年］解:该点的垂直应カ为%=7"=650x27.5=17.88MPa;因为各土层为均质各向同性V的,所以该点的水平应カ%1ーレ'=5.96MPa。所以该点的三维应カ状态为:5=%=17.88A/Pac：=巧=区=q、=5.96.10a 177第4章露天矿边坡4.1复习笔记」露天矿边坡构成要蓑概迷セ边坡设计草因及设计内容影咤露天す边境稳定性的「主要因素主要因素和边坡破坏形式イ,平面破坏I露天犷边坡破坏类引模体破坏露天ナ边垓圆弧形破坏【傾倒破坏「极應平衡法的基本概念边坡稳定性分析《极限平衡法的计算步骐し板限平衡分析中的几个问题「对地表水和地下水的治理露天犷边坡加固治回挖凱爆破［边坡人工加固【知识框架】【重点难点归纳】一＞概述1.露天矿边坡构成要素在露天开采过程中所形成的采场、台阶和沟道的总和称为露天采场。（1）边帮露天采场周边由台阶组成的斜坡,称为露天矿的边帮。（2）最终边帮根据露天矿的设计,已达到开采境界不再进行采矿、剥岩的边帮称为最终边帮（非エ作帮）,矿体下盘边帮称为底帮,上盘边帮称为顶帮。（3）工作帮矿体两端的边帮称为端帮,如图4-1-1所示,正在进行开采（剥岩）或将要进行开采（剥岩）的台阶所组成的边帮称为工作帮（DF）,工作帮的位置是不固定的,它随开采（剥岩）工作的进行而不断变化。 1782.图4-1-1露天矿场构成要素1-工作平台;2-安全平台;3-运输平台;4-清扫平台(4)最终边坡角通过最终边帮最上一个台阶的坡顶线和最下ー个台阶的坡底线所作的斜面,称为露天矿的最终边帮坡面(AG,BH),最终边帮面与水平面的夹角称为最终边帮坡角或最终边坡角a),由最终边帮坡面及下面的岩体构成了露天矿的最终边坡,简称露天矿边坡。(5)安全平台、清扫平台、运输平台为了保证露天矿的生产与安全,在露天矿边坡台阶中按其用途分为安全平台、清扫平台和运输平台。安全平台是用作缓冲和阻截滑落的岩石,同时使最终边坡角变缓,以保证最终边坡的稳定性和下部工作水平的工作安全。清扫平台既阻截滑落的岩石,又对滑落的岩石不断进行清扫。运输平台是工作平台与出入沟之间的运输联系通道。露天矿边坡主要是挖掘具有原岩应カ的岩体之中。由于开挖,出现了临空面，使部分岩体暴露,改变了岩体中的原始应力状态(见图4-1-2),同时也改变了地下水流条件,加上岩石风化和爆破震动,促使部分边坡岩体发生变形和破坏。 179ヤ++XXxxxキ十xX图4-1-2边坡开挖后岩体应力的变化5-最大主应カ;6-最小主应カ露天矿边坡的变形和破坏,主要有崩落、散落、倾倒和滑动4种形式。在这4种变形和破坏形式中,崩落和散落一般只涉及台阶的变形和破坏;滑动则可涉及多个台阶乃至整体边坡的破坏,对露天矿的生产与安全危害巨大。它是露天矿边坡破坏的主要形式；倾倒破坏一般只涉及台阶,如它和滑动破坏结合起来也可造成较大规模的边坡破坏。1.边坡设计原则及设计内容(1)设计原则为了科学合理地做好露天矿边坡设计,必须遵循建立在岩石力学理论基础上的边坡设计基本原则;①边坡岩体结构的转化或岩体性质的强化；②爆破减震或控制爆破；③边坡变形观测设计；④允许边坡产生有限的变形或破坏。(2)设计的相关内容边坡工程实践表明:边坡设计是ー个复杂的系统工程。就系统的优化问题而言,它涉及的相关内容主要有:①设计最终边坡形状；②边坡岩体工程地质测绘；③岩体结构面参数的确定；④边坡岩体稳定性分析；⑤边坡加固治理措施及设计；⑥爆破减震；⑦边坡变形和失稳的监测及预报。二、影响露天矿边坡稳定性的主要因素和边坡破坏形式2.影响露天矿边坡稳定性的主要因素影响露天矿边坡稳定的因素是复杂的,其中岩体的岩石组成、岩体构造和地下水是最主要的因素,此外,爆破和地震、边坡形状等也有一定影响。 180(1)岩石的组成岩石是构成边坡岩体的物质基础,岩石的矿物成分和结构构造对岩石的工程地质性质起主要作用,对某些岩石边坡的稳定条件也起重要作用。(2)岩体结构面特征从边坡稳定性考虑,岩体结构面的主要特征将对边坡稳定状况、可能滑落形式、岩体强度等起重要作用。①结构面的产状结构面对边坡稳定性的影响，在很大程度上是取决于结构面的产状与边坡临空面的相对关系。当结构面的走向与边坡走向近于垂直时,结构面对边坡稳定性的影响较小,它ー般只能作为平面滑落的解离面或边界面;当结构面的走向与边坡走向近于平行时,则它对边坡稳定性的影响取决于它的倾向和倾角。②结构面的产状与边坡临空面的关系当两组结构面与坡面斜交时,则往往边坡面附近将岩体切割成楔形体。可根据楔形体的组合交线与坡面的相互关系,参照上述原理进行边坡是否稳定的判断。即当构成楔体的两平面的组合交线与坡面同倾向、且其倾角大于结构面的摩擦角而小于坡面角时，则楔体可能不稳定。(3)地下水露天矿的滑坡多发生在雨季或解冻期,说明地下水是影响边坡稳定的重要因素。地下水对边坡稳定性的影响主要表现在以下几方面:①静水压カ和浮托カ当地下水赋存于岩石裂隙充水时,水对裂隙两壁产生静水压カ，如图4-1-4所示。当由于边坡岩体位移而产生张裂隙充水时,则沿裂隙壁产生的静水压カ,压强为ア“z3总压カ为p,=(1/2)y,Z,(4.1.1)为式中，儿为水的容重:z”为裂隙充水深度。静水压力作用方向垂直于裂隙壁,作用点在Z.的三分之一处。此静水压カV是促使边坡破坏的推动カ。当张裂隙中的水沿破坏面继续向下流动，流至坡脚逸出坡面时,则沿此破坏面将产生水的浮托カ,压カ分布如图4-1-3(沿AB面)所示。沿AB面的总浮托カ为p't=(1/2)/.Z.Z(4-1-2)式中,L为AB面的长度。此カ和沿AB面作用的正应カ方向相反,抵消一部分正应力的作用,从而减小了沿该面的摩擦カ,对边坡稳定不利。当岩体比较破碎,地下水在岩体中比较均匀地渗透,并形成如图4-1-4所示的统ー的潜水面,面且当滑动面为平面时,则作用于滑面上的浮托力可用滑面下所画的三角形水压分布近似地表示。总浮托力可用下式计算:=yy.•儿・士し2'sinホ,(4-1-3) 181图4-1-3张裂隙充水的静水压カ和浮托カ 182PS图4-1-4潜水对平面滑面的浮托カ式中,厶•为滑面中点处的压力水头;其他符号见图4-1-4。如为圆弧滑面,用分条法进行稳定性分析时,则需在每分条中考虑水的浮托カ。②动水压カ或渗透カ当地下水在土体或碎裂中流动时,受到土颗粒或岩石碎块的阻力,水要流动就得对它们施以作用カ以克服它们对水的阻カ,这种作用カ称为动水压カ或渗透カ。动水压カ作用方向与渗透方向一致。动水压カ以P水代表,并以下式表示:p水-yJ（4-1-4）式中,ア川为水的容重;ノ为水力坡度。动水压カ是ー种体积カ,其方向与水流方向一致。在计算土边坡和散体结构的岩石边坡时,要考虑动水压力作用。③水对某些岩石的软化作用某些粘土质岩石浸水后发生软化作用，岩石强度显著降低。水对由这些岩石构成的边坡危害很大。(4)爆破震动露天矿爆破产生的震动波,可使岩石节理面张开,甚至使岩石破碎;爆破地震波通过岩体时,给潜在破坏面施加额外的动应カ,可促使边坡破坏。在边坡稳定分析中必须考虑此附加外应カ。为了保证边坡稳定,要求在生产中能控制一次爆破的炸药量或微差爆破一段的炸药量。在靠近最终边坡爆破时,要采取减震或缓冲爆破技术。对于爆破造成的岩体质点震动速度,目前研究尚不充分。我国使用下列经验公式确定:v=K(3&/R>(4-1-5) 183式中,v为边坡岩体质点的振动速度,m/s；Q为一次爆破的炸药量,kg；R为测点至爆源的距离;m；K为与岩石性质、地质条件等有关的系数;a为爆破地震波随距离衰减系数。利用上述公式计算v值时,必须先通过试验爆破加以确定。(5)其他因素①边坡几何形状边坡的平面形状对边坡岩体的应力状态有影响。当边坡向采场凸出时，岩体的侧向受拉カ,由于岩体抗拉性能很低,所以这种条件下边坡稳定条件差;当边坡向采场凹进时,边坡岩体侧向受压カ作用,这种形式的边坡比较稳定。同理,圆锥形采场边坡受カ和稳定条件均较好。②风化作用风化作用对边坡稳定也有明显影响，它可使边坡岩体随时间推移而不断产生破坏,最终也可能威胁边坡稳定。边坡岩体的风化速度和风化程度是比较复杂的问题。⑧人为因素有时由于对影响边坡稳定的因素认识不足,在生产中往往人为地促使边坡破坏。如在边坡上堆积废石和设备以及建筑房屋等,加大了边坡上的承重,增加了岩体的下滑カ；或挖掘坡脚;减小岩体的抗滑カ,这些都会使边坡的稳定条件恶化,甚至导致边坡破坏。1.露天矿边坡破坏类型露天矿边坡破坏类型,主要是受岩体的工程地质条件特别是岩体结构面的控制。常见的破坏形式有以下四种:(1)平面破坏边坡沿ー主要结构面如层面、节理、断层或层间错动面发生滑动［见图4-1-5(a)］。边坡中如有一组结构面与边坡倾向相近，且其倾角小于边坡角面大于其摩擦角时,发生这类破坏。(2)楔体破坏一般发生在边坡中有两组结构面与边坡斜交,且相互交成楔形体。当两结构面的组合交线倾向与边坡倾向相近，倾角小于坡面角面大于其摩擦角时，容易发生这类破坏［见图4-1-5(b)］〇坚硬岩体中露天矿台阶很多是以这种形式破坏的。(3)圆弧形破坏滑动面为圆弧形。土体滑坡一般取此种形式,散体结构岩体或坡高很大的碎裂岩体边坡也可以此种形式破坏［见图4-1-5(c)］〇 184坡顶代表极点集中点对应平面的大岡代表坡面的大圆滑动方向ー•代表坡面的大風坡顶坡顶代表坡面的大圆代表极点集中点对应平面的大圆图4-1-5边坡破坏主要类型及相应的赤平图以上3种形式破坏的机理主要为剪切破坏。(4)倾倒破坏当岩体中结构面或层面很陡时,岩体发生倾倒破坏[见图4-1-5(d)],其破坏机理与以上3种不同,它是在重力作用下岩块向外向下弯曲塌落,主要不是剪切破坏。另外从边坡破坏规模来说,也可分为以下3种情况:①单个台阶或组合台阶滑落。多呈平面或楔体形式滑落,这种滑落在露天矿山中是 185难于避免的,对采矿生产不会造成很大危害,但应注意人员和设备的安全。②多个台阶滑落。多沿规模较大的结构面如断层面滑落，可以呈平面形或楔形破坏,滑面也可呈折线形。这种滑落对采场运输和生产会造成威胁。③整体边坡变形破坏。可呈平面形、圆弧形或滑动ー倾倒形等形式。这种破坏可对采矿生产和安全造成严重威胁，应尽量避免这种破坏发生。三、边坡稳定性分析1.极限平衡法基本概念边坡稳定性分析可确定边坡是否处于稳定状态,是否需要对其进行加固与治理,是防止其发生破坏的重要决策依据。边坡稳定性分析的方法大体上可分为定性分析方法和定量分析方法两大类。定性分析方法包括工程类比法和图解法;定量分析方法主要有极限平衡法、极限分析法。极限平衡法是根据边坡上的滑体或滑体分块的力学平衡原理（即静カ平衡原理）分析边坡各种破坏模式下的受力状态,以及边坡滑体上的抗滑力和下滑カ之间的关系来评价边坡的稳定性。极限平衡法是边坡稳定性分析计算的主要方法,也是工程实践中应用最多的ー种方法。在极限平衡法的各种方法中,尽管每种分析方法都有它适用范围及假定条件,得出的计算公式所涉及的因素不同,但将它们都归结为极限平衡法一类里,其大前提是相同的。所有的极限平衡法都有3个前提。即:①滑动面上实际岩土提供的抗剪强度S与作用在滑面上的垂直应カQ存在如下关系:s=c+ぴ•tang（4-1-6）或s=cr+（tr-11）'lang'（4-1-7）式中,C.ゼ分别为滑动面的粘结カ和有效粘结カ;W，9,分别为滑动面的内摩擦角和有效内摩擦角;び为滑动面上的有效应カ;リ为滑动面孔隙水压。②稳定系数F（安全系数）定义为沿最危险破坏面作用最大抗滑カ（或力矩）与下滑力（或力矩）比值。即F=抗滑カ/下滑カ（4-1-8）③ニ维（平面）极限分析的基本单元是单位宽度的分块滑体。四种极限平衡法的具体介绍见表4-1-1。表4-1-1极限平衡法名称特点适用条件平面破力学模型和计算公式简单适用于均质砂性上、顺层岩质边坡以及沿基 186坏计算法岩产生的平面破坏的稳定分析,但要求滑体作整体刚体运动,对于滑体内产生剪切破坏的边坡稳定性分析误差很大简化Bishop法考虑了条块间作用カ,是对Fellenius法的改进,计算较准确,但要采用迭代法。分割条块时要求垂直条分适用于均质粘性及碎石堆土等斜坡形成的圆弧形或近似圆弧形滑动滑坡Janbu法计算准确但计算复杂适用于复合破坏面的边坡,既可用于圆弧滑动,也可用于非圆弧滑动。但条块分割时要求垂直条分Sarma法用极限加速度系数に来描述边坡的稳定程度,计算比较复杂,要用迭代法计算。目前已编制出相应的计算机程序,应用颇为方便用于评价各种破坏模式下的边坡稳定性,诸如平面破坏、楔形体破坏,圆弧面破坏和非圆弧面破坏等,而且它的条块的分条是任意的,无需条块边界垂直,从面可以对各种特殊边坡破坏模式进行稳定性分析1.计算步骤(1)在断面上绘制滑面形状。根据滑坡外形,观测滑坡中段滑面深度、坍塌情况、破坏方式,推测几个可能的滑动面形状。(2)推定滑坡后裂缝及塌陷带的深度,计算或确定其产生的カ。(3)对滑坡的滑体进行分块。分块的数目要根据滑坡的具体情况确定。一般来说应尽量使分块小些。条块数目越多,结果误差越小。此外,条块垂直不垂直条分要根据方法和岩体结构确定。(4)计算滑动面上的空隙水压カ,可采用地下水检测等方法确定。(5)采用合适的计算方法,计算稳定系数。原则上应采取两种或两种以上的计算方法进行结果比较。2.极限平衡分析中的几个问题(1)最危险滑面的确定在用极限平衡方法分析边坡稳定性时,首先需要确定滑面的形状和位置,对于直接由边坡体内的软弱结构面控制的滑面,可由工程地质的方法确定其位置和形状,而对于无软弱结构面控制的或部分受软弱结构面控制的边坡滑面,其最危险滑面的确定就显得重要而又必须解决的问题。寻找最危险滑面,实际上是找出安全系数最小(最容易发生滑坡)的那个滑面，即找出函数F(X)的最小值。Fmi„=Minimize{F(X,)}(4-1-9)式中,Fmm为最小安全系数;F(X,)为潜在滑面的安全系数,是滑面几何尺寸的函数,X是ーN维向量,Xk{Xi,X2,...,XN},控制着第i个滑面的几何形状和位置。危险滑面的确定包含着安全系数的优化,因而在安全系数的优化过程中,将产生最小 187安全系数值,同时也将产生相应于最小安全系数的滑面。安全系数的优化方法一般采用非线性优化求解方法。（2）稳定系数（安全系数）限值R的确定一般来说,不同性质的工程对边坡安全性有不同的要求,其稳定系数限值Fs就有不同的取值。我国《岩土工程勘察规范））（GB50021—2001）规定:①新设计的边坡,对一级边坡工程,R值宜采用1.3〜L5;二级边坡工程,宜采用1.15-1.3:三级边坡工程,宜采用1.05~1.15o②验算已有边坡的稳定性时,R值可采用1.10〜1.25。当需对边坡加荷、增大坡角或开挖坡角时，应按新设计的边坡选用R值。四、露天矿边坡加固治理露天矿边坡的加固治理,是矿山边坡研究和日常边坡管理的重要组成部分,其目的是对露天矿可能发生,正在发生和已经发生的滑坡进行预防与工程治理，一般包括对地表水和地下水的治理,控制爆破,边坡人工加固。1.对地表水和地下水的治理（1）原则治理地表水和地下水的原则是:防止地表水流入边坡表面裂隙中;采取用地下疏通措施降低了潜在破坏面附近的水压，边坡疏干工程的布置一般只限于疏干边坡附近的地下水,面没有必要在广大范围内疏干地下水。（2）方法边坡疏干的一般方法（见图4-1-6）为: 188图4-1-6边坡疏干方法示意图1ー地面排水沟;2ー潜在张裂隙:3ー坡面角;4ー垂直抽水井;5ー集水沟;6ー水平钻孔;7ー潜在滑动面;8ー水平钻孔;9-扇形钻孔;10-集水沟；11一地下疏干坑道;12ー潜在张裂隙①地表排水在边坡岩体外修筑排水沟,防止地表水流入边坡表面张裂隙中。对张裂隙还要用柔性物料（如粘土）及时充填密封,防止雨水进入裂隙中。当裂隙口比较宽大时,应先用砾石或废石充填,顶部再充填粘土等适当材料封闭雨水进入。不要使用灰浆或混凝土充填张裂隙,因为它在边坡中起阻水作用，可能形成危险水压。②水平疏干孔从坡面钻水平排水孔,可有效降低张裂隙底部或潜在破坏面附近的水压。钻孔一般必须垂直于地面结构面，钻孔上仰2。〜5。,孔径直1〇〜15cm,长度30〜60m。间距10〜20m不等。钻孔中排出的水应汇集于集水沟排走。以免继续影响下部边坡。③垂直疏干井在边坡岩体外围打疏干井,装配深井泵或潜水泵进行排水,降低地下水位；疏干高边坡可设置两个或两个以上的排水水平。 189④地下疏干巷道可用于水文地质条件复杂的重要边坡岩体的疏干。地下巷道一般布置在边坡后部或深部,在巷道内可以打扇形水孔,以提高疏干效果。在实际中,可根据边坡岩体水文地质条件,同时采用上述中的若干种方法对地表水和地下水进行综合治理。1.控制爆破采用控制爆破是维护露天矿边坡稳定的比较有效的方法,具体有3种:（1）减少每次延发爆破的炸药量减少每次延发爆破的炸药量,使爆破冲击波的振幅保持在最小范围内;每次延发爆破的最优炸药量以及延发系统应根据具体矿山条件试验确定。（2）预裂爆破预裂爆破是当前国内外露天矿用以改善最终边坡状况的最好办法。在最终边坡面钻ー排倾斜小直径孔,在生产炮孔爆破之前起爆这些孔,使之形成一条破碎槽,将生产爆破引起的冲击波反射回去,保护最终边坡岩体免遭破坏。预裂孔孔径为63.5〜127mm,孔间距为10〜20倍孔径，装药直径为孔径的一半,装药长度为孔深的一半。（3）缓冲爆破缓冲爆破是在预裂爆破带和生产爆破带之间爆破ー排孔，其孔距大于预裂孔而小于生产孔。其爆破顺序在预裂爆破和生产爆破之间。形成一个吸收爆破冲击波的缓冲区，进ー步减弱通过预裂爆破带传至边坡岩体的冲击波，使边坡岩体保持完好状态。2.边坡人工加固边坡人工加固对现有滑坡和潜在不稳定边坡是ー项有效的治理措施，而且它已发展成为提高设计边坡角、减速剥岩量、加快露天矿的开采速度，提高露天开采经济效益的一条重要途径。目前国内外边坡人工加固中,主要采用的加固方法有:①挡土墙及混凝护坡;②抗滑桩;③滑动面混凝土抗滑栓塞;④锚杆及钢绳锚索;⑤麻面爆破；⑥压カ灌浆。在这些加固方法中,锚杆及锚索加固、抗滑桩加固在边坡工程的应用日益普遍,引起了人们的注意与重视。 1904.2课后习题详解1.边坡设计应遵循哪些原则?答:为了科学合理地做好露天矿边坡设计,必须遵循建立在岩石力学理论基础上的边坡设计基本原则:①边坡岩体结构的转化或岩体性质的强化;②爆破减震或控制爆破;③边坡变形观测设计;④允许边坡产生有限的变形或破坏。2.分析影响露天矿边坡稳定性的主要因素。答:影响露天矿边坡稳定的因素是复杂的,其中岩体的岩石组成、岩体构造和地下水是最主要的因素,此外,爆破和地震、边坡形状等也有一定影响。(1)岩石的组成岩石是构成边坡岩体的物质基础，岩石的矿物成分和结构构造对岩石的工程地质性质起主要作用,对某些岩石边坡的稳定条件也起重要作用。(2)岩体结构面特征从边坡稳定性考虑,岩体结构面的主要特征将对边坡稳定状况、可能滑落形式、岩体强度等起重要作用。①结构面的产状结构面对边坡稳定性的影响,在很大程度上是取决于结构面的产状与边坡临空面的相对关系。当结构面的走向与边坡走向近于垂直时,结构面对边坡稳定性的影响较小,它ー般只能作为平面滑落的解离面或边界面;当结构面的走向与边坡走向近于平行时,则它对边坡稳定性的影响取决于它的倾向和倾角。②结构面的产状与边坡临空面的关系当两组结构面与坡面斜交时,则往往边坡面附近将岩体切割成楔形体。可根据楔形体的组合交线与坡面的相互关系，参照上述原理进行边坡是否稳定的判断。即当构成楔体的两平面的组合交线与坡面同倾向、且其倾角大于结构面的摩擦角面小于坡面角时,则楔体可能不稳定。(3)地下水露天矿的滑坡多发生在雨季或解冻期,说明地下水是影响边坡稳定的重要因素。地下水对边坡稳定性的影响主要表现在以下几方面:①静水压カ和浮托カ；②动水压カ或渗透カ；③水对某些岩石的软化作用。(4)爆破震动露天矿爆破产生的震动波,可使岩石节理面张开,甚至使岩石破碎;爆破地震波通过 191岩体时,给潜在破坏面施加额外的动应カ,可促使边坡破坏。在边坡稳定分析中必须考虑此附加外应カ。为了保证边坡稳定,要求在生产中能控制一次爆破的炸药量或微差爆破ー段的炸药量。在靠近最终边坡爆破时,要采取减震或缓冲爆破技术。(5)其他因素①边坡几何形状边坡的平面形状对边坡岩体的应力状态有影响。当边坡向采场凸出时,岩体的侧向受拉カ,由于岩体抗拉性能很低,所以这种条件下边坡稳定条件差;当边坡向采场凹进时,边坡岩体侧向受压カ作用,这种形式的边坡比较稳定。同理,圆锥形采场边坡受カ和稳定条件均较好。②风化作用风化作用对边坡稳定也有明显影响,它可使边坡岩体随时间推移而不断产生破坏,最终也可能威胁边坡稳定。边坡岩体的风化速度和风化程度是比较复杂的问题。③人为因素有时由于对影响边坡稳定的因素认识不足,在生产中往往人为地促使边坡破坏。如在边坡上堆积废石和设备以及建筑房屋等,加大了边坡上的承重,增加了岩体的下滑カ；或挖掘坡脚；减小岩体的抗滑カ,这些都会使边坡的稳定条件恶化，甚至导致边坡破坏。2.露天矿边坡破坏类型有几种?答;露天矿边坡破坏类型,主要是受岩体的工程地质条件特别是岩体结构面的控制。常见的破坏形式有以下四种;(1)平面破坏边坡沿ー主要结构面如层面、节理、断层或层间错动面发生滑动［见图4-2-1(a)］〇边坡中如有一组结构面与边坡倾向相近,且其倾角小于边坡角而大于其摩擦角时，发生这类破坏。(2)楔体破坏一般发生在边坡中有两组结构面与边坡斜交，且相互交成楔形体。当两结构面的组合交线倾向与边坡倾向相近,倾角小于坡面角而大于其摩擦角时,容易发生这类破坏［见图4-2-1(b)］〇坚硬岩体中露天矿台阶很多是以这种形式破坏的。(3)圆弧形破坏滑动面为圆弧形。土体滑坡一般取此种形式,散体结构岩体或坡高很大的碎裂岩体边坡也可以此种形式破坏［见图4-2-1(c)］〇 192代太极点集中点对应平面的大风代表极点集中点对应平面的大圆•代我坡面的大圆坡顶N代表坡面的大劇滑动方向坡顶滑动方向坡顶坡顶代表坡面的大風代表坡面的大圆ー代裹扱点集屮点对应平面的大圆图4-2-1边坡破坏主要类型及相应的赤平图以上3种形式破坏的机理主要为剪切破坏。(4)倾倒破坏当岩体中结构面或层面很陡时,岩体发生倾倒破坏[见图4-2-1(d)],其破坏机理与以上3种不同,它是在重力作用下岩块向外向下弯曲塌落,主要不是剪切破坏。另外从边坡破坏规模来说,也可分为以下3种情况:①单个台阶或组合台阶滑落。多呈平面或楔体形式滑落,这种滑落在露天矿山中是难于避免的，对采矿生产不会造成很大危害,但应注意人员和设备的安全。②多个台阶滑落。多沿规模较大的结构面如断层面滑落,可以呈平面形或楔形破坏, 193滑面也可呈折线形。这种滑落对采场运输和生产会造成威胁。③整体边坡变形破坏。可呈平面形、圆弧形或滑动ー倾倒形等形式。这种破坏可对采矿生产和安全造成严重威胁,应尽量避免这种破坏发生。2.极限平衡法分析计算的基本步骤是什么?答:（1）在断面上绘制滑面形状。根据滑坡外形,观测滑坡中段滑面深度、坍塌情况、破坏方式，推测几个可能的滑动面形状。（2）推定滑坡后裂缝及塌陷带的深度,计算或确定其产生的カ。（3）对滑坡的滑体进行分块。分块的数目要根据滑坡的具体情况确定。一般来说应尽量使分块小些。条块数目越多,结果误差越小。此外,条块垂直不垂直条分要根据方法和岩体结构确定。（4）计算滑动面上的空隙水压カ,可采用地下水检测等方法确定。（5）采用合适的计算方法,计算稳定系数。原则上应采取两种或两种以上的计算方法进行结果比较。3.分析四种极限平衡法优缺点及其适用条件。答:（1）平面破坏计算法平面破坏计算法的主要特点是,主要适用于均质砂性上、顺层岩质边坡以及沿基岩产生的平面破坏的稳定分析,但要求滑体作整体刚体运动,对于滑体内产生剪切破坏的边坡稳定性分析误差很大。（2）简化Bishop法Bishop法稳定性系数的计算考虑了条块间作用カ，是对Fellenius法的改进,计算较准确，但要采用迭代法。分割条块时要求垂直条分。此方法适用于均质粘性及碎石堆土等斜坡形成的圆弧形或近似圆弧形滑动滑坡。此法当m,>0.2时计算误差较小,当m,<0.2时,计算误差大。（3）Janbu法Janbu法计算稳定系数的特点是计算准确但计算复杂。主要适用于复合破坏面的边坡,既可用于圆弧滑动，也可用于非圆弧滑动。但条块分割时要求垂直条分。（4）Sarma法Sarma法的特点是用极限加速度系数（来描述边坡的稳定程度,它可以用于评价各种破坏模式下的边坡稳定性,诸如平面破坏、楔形体破坏,圆弧面破坏和非圆弧面破坏等,面且它的条块的分条是任意的,无需条块边界垂直,从而可以对各种特殊的边坡破坏模式进行稳定性分析。 194Sarma法计算比较复杂,要用迭代法计算。目前已编制出相应的计算机程序,应用颇为方便。6.露天矿边坡加固治理有哪些方法?答:（1）地表水和地下水的治理的方法①地表排水在边坡岩体外修筑排水沟,防止地表水流入边坡表面张裂隙中。对张裂隙还要用柔性物料（如粘土）及时充填密封，防止雨水进入裂隙中。当裂隙口比较宽大时，应先用砾石或废石充填,顶部再充填粘土等适当材料封闭雨水进入。不要使用灰浆或混凝土充填张裂隙,因为它在边坡中起阻水作用,可能形成危险水压。②水平疏干孔从坡面钻水平排水孔,可有效降低张裂隙底部或潜在破坏面附近的水压。钻孔一般必须垂直于地面结构面，钻孔上仰2。〜5。,孔径直10〜15cm,长度30〜60m。间距10〜20m不等。钻孔中排出的水应汇集于集水沟排走。以免继续影响下部边坡。③垂直疏干井在边坡岩体外围打疏干井,装配深井泵或潜水泵进行排水,降低地下水位;疏干高边坡可设置两个或两个以上的排水水平。④地下疏干巷道可用于水文地质条件复杂的重要边坡岩体的疏干。地下巷道一般布置在边坡后部或深部,在巷道内可以打扇形水孔，以提高疏干效果。在实际中,可根据边坡岩体水文地质条件,同时采用上述中的若干种方法对地表水和地下水进行综合治理。（2）控制爆破的方法①减少每次延发爆破的炸药量减少每次延发爆破的炸药量,使爆破冲击波的振幅保持在最小范围内;每次延发爆破的最优炸药量以及延发系统应根据具体矿山条件试验确定。②预裂爆破预裂爆破是当前国内外露天矿用以改善最终边坡状况的最好办法。在最终边坡面钻ー排倾斜小直径孔,在生产炮孔爆破之前起爆这些孔,使之形成一条破碎槽，将生产爆破引起的冲击波反射回去,保护最终边坡岩体免遭破坏。预裂孔孔径为63.5〜127mm,孔间距为1〇〜20倍孔径,装药直径为孔径的一半,装药长度为孔深的一半。③缓冲爆破缓冲爆破是在预裂爆破带和生产爆破带之间爆破ー排孔,其孔距大于预裂孔而小于生产孔。其爆破顺序在预裂爆破和生产爆破之间。形成一个吸收爆破冲击波的缓冲区,进ー 195步减弱通过预裂爆破带传至边坡岩体的冲击波,使边坡岩体保持完好状态。(3)边坡人工加固方法①挡土墙及混凝护坡;②抗滑桩;③滑动面混凝土抗滑栓塞;④锚杆及钢绳锚索;⑤麻面爆破；⑥压カ灌浆。 1964.3典型题（含考研真题）详解ー、名词解释1.工作帮答:矿体两端的边帮称为端帮,正在进行开采（剥岩）或将要进行开采（剥岩）的台阶所组成的边帮称为工作帮。2.最终边坡角答:通过最终边帮最上一个台阶的坡顶线和最下一个台阶的坡底线所作的斜面,称为露天矿的最终边帮坡面,最终边帮面与水平面的夹角称为最终边帮坡角或最终边坡角。二、简答题3.岩质边坡破坏的基本类型有哪些?请详细阐明岩质边坡的维护常用方法。［中南大学2010年］答：（1）常见的破坏形式有以下四种：①平面破坏;②楔体破坏;③圆弧形破坏;④倾倒破坏。（2）岩体边坡的维护主要思路是消除或减少地表水或地下水的作用；恢复山体平衡条件；改善滑动带或滑坡体土壤性质。具体方法有:①排水疏导。采用多种形式的截水沟、排水沟、急流槽、盲沟、截水渗沟等来拦截和排引地表水或地下水。使水不再进入或停留在滑坡范围内,并排除和疏干其中已有的水,以增加边坡稳定性。②抗滑支挡。在滑坡舌部或中前部修建各种形式的抗滑挡墙，在滑坡体其他不同部位修建各种多级挡墙，阻挡滑坡体的滑动,这是ー种对稳定滑坡有长久作用的有效措施,如:抗滑挡土墙、抗滑桩、锚杆挡墙等。③减重反压。把滑坡体上部主滑和牵引地段的土石方挖去,填在滑坡下部的抗滑地段,反压阻滑，改善边坡减少下滑力,增强抗滑カ,提高边坡稳定性,这是ー种常用来整治边坡的简便方法。④物理化学加固。利用物理或者化学方法加固边坡,改变滑动带的上石方性质,提高其强度。如:水泥注浆、化学灌浆法等。⑤植树造林,绿化山坡。植树造林可以绿化山坡,防止滑体、岸坡的冲刷,稳定滑坡。4.在什么情况下岩质边坡有可能发生平面破坏和楔体破坏?边坡监测的主要内容有哪些? 197［中南大学2012、2011年］答:（1）边坡发生平面破坏的条件:①滑动面的走向必须与坡面平行或者接近平行（约在20。范围之内）；②破坏面必须在边坡面露出,就是说它的倾角必须小于坡面的倾角;③破坏面的倾角必须大于该面的摩擦角;④岩体中必须存在对于滑移仅有很小阻カ的节理面,它规定了滑动的侧面边界。（2）边坡发生楔体破坏的条件:当两个不连续面的走向与边坡走向斜交，其交线在坡面上露出时,如果此交线的倾角显著大于摩擦角,则位于此两不连续面上的岩石楔体将沿交线下滑,形成空间楔体破坏。（3）边坡检测主要包括：①滑坡地面位移;②滑坡地表裂缝;③滑坡体上及其周围附近的所有建筑物的开裂、沉陷、位移和倾斜等变形均应进行观测;④地面的倾斜变化;⑤滑坡的深部位移;⑥滑动面的位置;⑦滑坡滑动カ和推力。 198第5章井巷地压r地压的概念、地压的分类5.1复习笔记r变形地压！散体地压I冲击地压膨胀地压,圆形巷道围岩的弹性应カ分布c椭圆形巷道非圆形巷道围岩的弹性应カ分布矩形巷道巷道围岩应カ分布直墙拱项形巷道)し马踣形巷道相邻巷道对围岩应カ状态的相互影响巷道围岩稳定性判断'•塑性区次生应カr基本概念围岩与支架的力学模型ー围岩与支架的共同作用■圆形巷道支架的压カー位移曲线c计算前提变形地压计算!巷道围岩的位移,弹性变形地压的计算-塑性变形地压的计算,普氏理论平巷散体地压计算!挡土墙主动土压公式］秦氏地压公式I太沙基计算法C平面挡土墙地压公式竖井地压イL圆柱形挡土墙地压公式【知识框架】【重点难点归纳】ー、概述1.地压的概念（1）原岩和初始应カ未经工程开挖（采动）扰动的岩体,称为原岩。未经扰动的岩体中存在的应カ,称原 199岩应カ，又称初始应カーー工程开挖进行之初就已存在的应カ。在地下岩体中开挖巷道（开采矿石）以前,岩体中任意一点的应カ是平衡的，其数值就是岩体中的初始应カ。（2）次生应カ巷道开挖后,初始应力的平衡状态被打破，初始应カ场将发生改变。如果新的应カ未超过岩体的承载能力,岩体中就会建立新的应カ平衡，应カ发生重新分布。这种新的应カ状态就称为次生应力,又称二次应カ。（3）围岩开巷（采动）后,初始应カ发生显著变化（通常界定为应カ的变化超过5%）的区域,称为采动影响范围;在此范围内的岩体,通常称为围岩。（4）地压当初始应力的数值较大而岩体强度较低时,支架不仅会发生变形,还可能发生破坏。围岩发生变形、出现裂隙、断裂冒落和支架破坏的现象，通常称地压现象;因围岩位移和冒落破坏而作用在支架上的压カ,称为地压，又称狭义地压。当岩体强度较高时，开巷后不需要架设支架,围岩仍可保持稳定。但岩石所具有的较高的强度,并不能阻止开巷后围岩中应カ重分布的发生，围岩中的应カ较开巷前仍会有很大变化。所不同的是,此时不需要支护，原岩的压カ,完全由围岩所承担。巷道无支护条件下原岩对围岩的压カ,称为广义地压。1.地压的分类地压显现时岩体将产生变形和不同形式的破坏。为便于分析各种不同形式的地压，按其表现形式,地压可分为以下4类:（1）变形地压变形地压是指在大范围内岩体受支架约束而产生的对支架的压カ。变形地压的特点表现在围岩与支架间的相互作用,变形压カ的大小既取决于围岩的力学性质和原岩应カ的大小、侧压カ系数等因素,又取决于支护支架的特性和假设时间。按照岩体变形的特征,变形地压又可以分为以下几类:①弹性变形压カ当采用紧跟掘进工作面支护的方法时,工作面附近岩体的弹性变形尚未完全释放。此时支架上即可承受弹性变形压カ。②塑性变形压カ开巷后,如果围岩中次生应カ的数值较大,使围岩应カ超过屈服极限而发生塑性变形,由此，作用在支架上的压カ,即为塑性变形压カ。③流变压カ 200某些岩体具有显著的流变特性，其变形随时间的增长而持续增加。在某些岩盐中掘进的巷道,会长期保持稳定的变形速率,若干年后巷道甚至会完全闭合。这类巷道中支架所承受的压カ，就是流变压カ。(2)散体地压当岩体较为松散破碎,或初始应カ较大时,开巷后围岩会发生冒落破坏。在这类岩体中的巷道,架设支架后,冒落下的岩体会以重力的方式作用在支架上。此时支架所承受的压カ,即为散体地压。散体地压又可分为以下情形:①整体稳定的岩体中，可能出现个别松动冒落的岩石,对支架造成落石压カ。②松散软弱的岩体中，出现顶板冒落，两帮片帮，形成对支架的压カ。③在岩块强度较高但节理裂隙发育的岩体中,某些部位的岩体沿弱面发生破坏,冒落块体形成对支架的压カ。当岩体的强度较高、完整性好、初始应カ数值较低时,地压形式一般为变形地压，巷道通常不需要支护。当岩体松散破碎,或节理裂隙发育时，则地压形式多表现为散体压カ。岩体完整性越差,初始应カ数值越大,地压形式越容易发展成散体压カ。因此，可以认为,变形地压和散体地压,是在不同性质的岩体中,以及地压发展的不同阶段,地压显现的不同形式。(3)冲击地压冲击地压又称岩爆,是坚硬围岩中积累了很大的弹性变形能,并以突然爆发的形式释放出的压カ。因此,冲击地压是ー种动カ现象,其过程类似于爆炸。冲击低压一般发生于坚硬、完整的岩体中,多在开采深部矿体时出现。冲击低压发生的原因是岩体中的高应カ和弹性变形能的突然释放。(4)膨胀地压在某些软岩的巷道中,由于围岩吸水膨胀，常发生较大变形，出现顶板下沉、底板鼓起、两帮突出的现象,造成支架破坏。这类由岩石膨胀而产生的压カ称膨胀地压。膨胀地压产生的主要原因是水的活动以及岩体本身的力学性质。某些含粘上、具有塑性特性的岩体,如膨胀上,存在显著的吸水膨胀的特性。巷道的开挖,造成岩体与水接触,导致膨胀地压的发生。二、巷道围岩应カ分布1.圆形巷道围岩的弹性应カ分布 201设在地下岩体中距地表深度为H处开挖一半径为a的圆形巷道。设岩体为均质、连续、各向同性的弹性体,沿巷道轴向无变形发生,可视为平面应变问题;巷道半径a远小于H,属于深埋巷道，因此,可以把巷道开挖后的岩体视为开有圆孔、双向受压的无限大弹性体,孔附近的应カ分布问题,如图5-1-1。巷道开挖前,岩体中原岩应カ在水平方向和垂直方向的分量分别为q和p。同时,假设岩体强度较高,巷道开挖后围岩仍处于弹マ…「丁丁丄「「「ガ性状态，没有破坏发生。图5-1-1以下考虑3种情况:(1)轴对称,即,入=1的情形在原岩应カ水平分量q与垂直分量p相等的条件下,入=1,围岩处于各向等压的静水压カ状态。根据公式可得(Tr=/>(Iーす)r~つ(し=p(1+4)r,rf)=0由式(5-1-1)可知,在q=p的条件下,巷道围岩中的剪应カ为零,即应カ与极角。无关,径向应カ5和切向应カ。°都是主应カ。 202有如下结论:①围岩中的应カ大小与岩石的弹性常数无关,与巷道尺寸无关,仅与原岩应カ的大小和距巷道周边的距离有关。②在巷道周边，径向应カ。尸。;随着距离r的增加,。「迅速增大，并在无限远处等于原岩应カ。切向应カ。e则在巷道周边处等于2p,并随距离r的增加而迅速减小,在无限远处等于原岩应カ。③巷道周边的主应カ差。。ー。「最大,达2p;随距离r的增加,。,ー。「的数值迅速减小。仇和。「之间有差值存在时,会产生的剪应カ2:在巷道周边，差值最大，剪应力也最大。即如果围岩发生破坏,破坏将总是从巷道周边开始。④从理论上说,巷道开挖所产生的影响范围为无穷远，即仅当在距离巷道周边为无限远处,。「和。<,オ等于p。但从工程的角度来考虑，当应カ变化不超过5%时,通常就可以忽略其影响。巷道开挖后,围岩中的应カ增大,称为应カ集中现象。巷道周边应カ。6与原岩应カK—之比P,称为应カ集中系数。由表5-1-1,当入=1且r=a的时候,在巷道周边,K=2or=ars2ar=3ar=4dr=5a0,00.75P0.89P0.2pL25p1.1Ip0.9375p0.96pl.0625pl.04p表5-1-1入=1时圆形巷道不同深度围岩中的径向应力和切向应カ(2)非轴对称,入=0的情形=(I+A)p(I+cos26>)此时,。1和T「e均为0,巷道周边。e的应力分布公式为于是可得:(Tfi--p(2+f+3T)；当9=0或0=ir时，2r*r或。=テ7Tム=テル（アー3戸），表5-1-2给出了r为不同数值条件下切向应カ。。的数值。 203r-a”2(1r=3ar=4絃r=5“のハ〇。3P1.219p1.074pLO37P1.022/)%8:900-p0.03Ip0.037P0.025/)0.()1Xp表5-1-2入=0时巷道围岩的应カ据此,可作出巷道周边仇的分布曲线图,如图5-1-2。该曲线系从巷道断面中心引出的射线。若射线自巷道边界圆周向外,表示应カ为正（压应カ）;自巷道边界圆周向内，则表示应カ为负（拉应カ）图5-1-2入=0时圆形巷道周边切向应カ。。的分布图可知,在人=0,即原岩应力水平分量q为。的条件下,巷道围岩中的应力有如下特占.①仇随距离r的增加而迅速减小。在距周边为4倍半径处,仇与原岩应カp的差已经小于4%。②应カ集中系数的最大值等于3,出现该应カ值的位置在两帮中点。③在巷道周边的顶板和底板中点,应カ的绝对值等于原岩应カP,但符号相反。¢3）人力1时巷道周边的应カ分布根据公式推导,有以下几个结论:①当6=0和n=i!时,满足上式的条件为人＞0。即,当人＞3时巷道两帮出现拉应カ;②当•72T2时,满足上式的条件为人V1/3。当入V1/3时,巷道顶、底板出现拉应カ。侧压カ系数入太大或太小,巷道围岩都容易出现拉应カ。当人的数值满足3N入21/3时,围岩中不会出现拉应カ。图5-1-3是入=1/2和入=1/4两种情形下,巷道周边切向应カ仇的分布曲线。图5-1-4则是入=2和入=4两种情形下仇的分布曲线。由图可见,当人=1/2和入=2时，巷道周边无拉应カ:当人=1/4和入=4时,周边附近有拉应カ存在。由以上讨论可以看出,对于ー个开挖于岩体中的圆形巷道，对巷道稳定性最有利的是入=1 204的情形,因为此时围岩处于均匀受压状态,没有拉应カ出现,且巷道周边各点的应カ大小都相等,应カ集中系数等于2。对巷道稳定性最不利的则是人=0（原岩应カ水平分量为零）的情形,此时巷道周边两帮中点的应カ集中系数等于3,顶底板中点则存在着绝对值等于原岩应カp的拉应カ（应カ集中系数K=-l）。入=8（原岩应カ垂直分量为零）的情形，与人=0情形相似。当人的数值在。〜1之间时,应カ集中系数在2〜3之间。但当入＜1/3或入＞3时,巷道周边仍然存在拉应カ;仅当人的数值满足1/3＜入＜3时,巷道周边不再有拉应カ存在。图5-1-3入=1/2和入=1/4时巷道周边供的分布曲线 205图5-1-4入=2和入=4时巷道周边CTe的分布曲线1.非圆形巷道围岩的弹性应カ分布(1)椭圆形巷道_a—b称椭圆的偏心率。图5-1-5在p，q共同作用的条件下,有 206厂-し!二2nーガ」上ヅ2の,+(I+2"-if-2v(>s2ff)ApI+n：-2ncos2«(5-1-2)由式(5-1-2)可知,应カ最大的点仍然出现在巷道的两帮中点(8=。，兀)以及顶底板中点了,2”)。令〃，称为椭圆形巷道的轴比，则可得:当。=0,1T时,の=p(2**+1-A)=p(2+1-A),一Qヽ当©胃‘,时,％=p[(2:+I)A-l>p[(2m+l)A-1](514)使巷道稳定性处于最有利的条件,应该是巷道周边不出现拉应カ，且各处应カ相等。令式(5-1-3)和式(5-1-4)相等,解得A=1m(5-1-5)即当巷道轴比的倒数与侧压カ系数相等，满足(5-1-5)式时，椭圆形巷道的周边任意点的应カ均为数值相等的压应カ,如图5-1-6,犹如圆形巷道入=1的情形。显然，这是对巷道稳定性最有利的最佳轴比。图5-1-6人=1/m时椭圆形巷道周边切向应カ的分布图(2)矩形巷道矩形巷道的应カ分布特点是:①侧压カ系数较小时,巷道顶底板围岩中容易出现拉应カ;②侧压カ系数较大时,巷道两帮围岩容易出现拉应カ;③当人=1时巷道顶板和侧帮均不存在拉应カ;④巷道隅角处存在较大的应カ集中。 207(3)直墙拱项形巷道直墙拱项形巷道的应カ分布特点是:①在顶压大于侧压的条件下,顶板岩石中不容易出现拉应カ。即使顶压远大于侧压,顶板岩石中也不容易出现拉应カ,但底板岩石中容易出现拉应カ；②在侧压大于顶压的条件下,巷道侧帮岩石中容易出现拉应カ；③巷道隅角会出现较大的应カ集中。(4)马蹄形巷道马蹄形巷道的应カ分布特点是:①在侧压カ系数大于1的情况下,巷道侧帮和隅角附近岩体中存在拉应力，但拉应カ较小。②当侧压カ系数小于1时，顶板附近巷道周边较大范围的围岩内存在拉应カ，但拉应カ很小。1.相邻巷道对围岩应カ状态的相互影响当存在的有2条巷道且其间的距离较近时,需要考虑相邻巷道间的相互影响。(1)尺寸相同的相邻圆形巷道设有二个彼此相距不远、在无限远处承受原岩应カ水平分量q和垂直分量p、半径均为a、相互间距离为d的圆形巷道,如图5-1-7(a)〇采用有限单元法进行分析计算的结果表明，两巷道间的距离对巷道围岩种的应カ分布有重大影响;巷道间的距离越近，相互的影响越大。同时,原岩应カ中水平分量q和垂直分量p之比,对应カ分布也有很大影响:巷道间的距离越小,相互影响就越大。两条巷道的开凿,会使两巷道间的围岩中的应カ集中系数增大，恶化巷道的稳定性。巷道顶底板(见图5-l-7a中的C点)的应カ变化则又有所不同。在相邻的第二条巷道开凿后，c点拉应カ的数值有所降低，但无论两条巷道间的距离如何,c点应カ变化不超过5%。因此，C点应カ变化的影响可以忽略不计。当q大于p(A>1),巷道侧帮A点附近有拉应カ出现时,所得结果又有很大不同：开凿第二条巷道后，A点的拉应カ几乎消失;D点的应力也显著降低，C点的压缩应力也略有降低。例如,当两巷道间的距离d等于巷道半径a,入=4时,开凿第2条巷道后,在巷道的A点和B点的连线上,拉应カ完全消失;D点的拉应カ则降低60%。在C点，则开凿第2条巷道后应カ集中系数降低约12%。A点、B点和D点拉应カ的降低，可视为相邻巷道的相互"屏蔽"作用。这种作用与巷道间的距离有关:距离越近，“屏蔽”作用越强。 208即对于图5-1-7的情形,当人＜1时,由于相邻巷道的相互影响,周边应カ增大,围岩稳定性降低;当人＞1以致巷道周边出现拉应カ时,则相邻巷道产生了相互的“屏蔽”作用,00.20.40.60.8Id/a(b)イ点和B点间应カ幼的分布(イ・a)»ゴrTTTTTTH(a)斷面相同的陶形巷道使拉应カ降低,提高了巷道的稳定性。图5-1-7两相邻圆形巷道的相互影响系列1-仅开凿了左边的巷道;系列2-仅开凿了右边的巷道;系列3-两条巷道分别开凿后应力的叠加；系列4-2条巷道都已开凿当两条巷道中心线的连线位于同一铅垂线上,如图5-1-8时,情况正好相反。此时,若人＞1时,因相邻巷道的相互影响,巷道之间岩体中的应カ增大,围岩稳定性降低；当A＜1时，相邻巷道产生相互的“屏蔽”作用,使拉应カ降低,巷道的稳定性有所提高。 209q图5-1-9两相邻的方形巷道（2）尺寸相同的相邻矩形巷道当两相邻巷道的断面形状为矩形时,如图5-1-9时,所得结果与圆形巷道相似。所不同的是,由此导致的相邻矩形巷道间岩体应カ的增加幅度,比圆形巷道更大。两种断面相邻巷道导致的A点与B点间应カ集中系数的升高,见图5-l-10o由图可见,圆形巷道周边的应カ集中系数高于矩形巷道，但因相邻巷道而导致的应カ集中系数的—A—系列I•系列2・邦央ニーヨ*毯升高，则使矩形巷道更为显著。图5-1-10两巷道间的距离与应カ集中系数的关系系列1一方形巷道;系列2ー圆形巷道(3)尺寸不同的相邻巷道 210当两相邻巷道具有不同尺寸时,所得结果又有很大不同。由于单个巷道对周围应カ所产生的扰动范围与巷道断面成正比,因此,尺寸较大的巷道,对周围岩体应カ所产生的扰动范围较大;尺寸较小的巷道则对周围岩体应カ所产生的扰动范围较小。当两相邻巷道具有不同断面尺寸时,大巷道对小巷道的影响显著,小巷道对大巷道的影响则小得多。在矿山生产中,ー些离采场很近的巷道往往容易发生冒顶破坏,主要原因就是巷道位于采场次生应カ场的高应カ带。对于这样的巷道，必要时应开凿在与采场有足够距离的岩层中。1.巷道围岩稳定性判断由前述各节可知,当岩体处于弹性状态时,巷道开挖后,围岩中的径向应力。,将减小,周向应カ5增大。在无支护的条件下,巷道周边的必为零，d则达到最大值。因此,如果巷道因所受应力太大而发生破坏,则破坏将始于周边；巷道的稳定性,可以用巷道周边周向应カ数值的大小来判断。在巷道周边,主要的危险点通常又出现在两帮中点(0=0,n)和顶底板中点(e=n/2,3n/2)。因此,对圆形、椭圆形和矩形巷道围岩进行稳定性判断时,通常只需要考察图5-1-11(a)中的A点和B点的应カ数值即可;对直墙拱顶形巷道进行稳定性判断,则只需考察图5-1-11(b)中的A,B,C,D等点处的应カ。图中的2a和2b分别为巷道的宽度(跨度)和高度。图5-1-11为了工程实践应用的方便,不同形状巷道两帮中点和顶底板中点以及其他关键点的应カ数值,可以根据有关计算结果,用表格的形式给出。 2111.塑性区次生应カ(1)塑性区次生应カ公式的推导①弹性状态在前述各节中,均假设围岩中的应カ低于岩体的屈服极限,开巷后围岩处于弹性状态。在这种情况下,巷道围岩保持稳定而无需支护。②塑性状态如果围岩应カ超过岩体的屈服极限,则围岩将处于塑性状态。因为巷道周边岩体的主应カ差最大,屈服和破坏将首先发生于巷道周边附近;巷道深处的岩体则仍然处于弹性状态。处于塑性和弹性状态的岩体范围分别称为塑性区和弹性区。从岩体中取出ー个微元体来分析其平衡状态,如图5-1-12。由于巷道围岩在整体上处于合外力为零的平衡状态，作用于微元体上的合外力也必为零。对于岩体,常用的屈服条件就是莫尔ー库仑准则。材料屈服时，其应カ状态的莫尔圆与强度曲线相切。由图5-1-13的几何关系可得證，=2(Ccot行のsm<1-sin(p(5-1-6)图5-1-12 212图5-1-13（2）塑性区内应カ的分布特点图5-1-14是根据公式绘出的d和6从巷道周边起沿径向的变化规律。 213图5-1-14弹塑性区围岩的应力分布状态由图可见,在围岩产生塑性变形（屈服）后,巷道周边附近出现了一个塑性区;深处的围岩则仍然处于弹性状态。与未发生塑性变形的情形相比,在巷道周边,塑性区内岩体切向应カ。け的数值较弹性区降低,并随距离r的增大而长高;切向应カ。e的最大值，从巷道周边转移到了弹性区与塑性区的交界处。在塑性区内,应カ。即的数值从弹塑性区交界起逐渐降低,在巷道周边达到最小值。根据应力的分布，可以把巷道围岩划分成塑性区、弹性区和原岩应カ区。在塑性区内,岩体应カ处于塑性状态。根据塑性区内切向应カ。e数值的大小,该区又可以分为松动区和塑性强化区。因此,围岩又可以划分为以下4个区:①松动区。这是塑性区内巷道周边的区域。划分该区的主要依据是,切向应カ。e的数值小于原岩应カP，该区又称应カ降低区。在松动区内,岩体已经被裂隙切割，而且在巷道周边切割最严重,致使周边岩体的强度大大降低，内聚カ趋于零,内摩擦角也有所降低。 214②塑性强化区。该区内的岩体仍处于塑性状态,但比松动区有更高的承载能力,岩体处于塑性强化阶段。该区内切向应カ。e的数值高于原岩应カp,又称应カ升高区。③弹性变形区。该区内岩体的切向应カ。。高于原岩应カ,但仍未超过屈服极限,处于弹性变形状态。④原岩应カ区。该区内岩体的应カ受巷道开挖的影响很小,可以忽略不计,岩体仍处于弹性状态。(3)塑性区的半径氏由图5-1-14可知，出现塑性区后，弹性区边界将转移到巷道深处;塑性区半径,就是弹塑性区交界处的半径K,如图5-1-15。因此,在塑性区半径处既满足塑性条件，也满足弹性条件。据此，即可解出RPo图5-1-15塑性区半径计算图塑性区外的弹性区,可看作一个壁厚为无限大的厚壁圆筒。因为人=1,弹性区内岩体的应カ可以按照弹性力学厚壁筒公式来计算。对于内半径为R”外半径为无穷大,内半径上作用有塑性区提供的支反カ。叫，外半径处作用有原岩应カp的厚壁圆筒,圆筒内的应カ可由下式计算出: 215cr,=p(1--f)+外(r9=P(1+~2)一%(5-1-7)=aP+Cc°t9(l-sin。)p.+Ccot。由此可得出塑性区半径的计算公式:(5-1-8)也可写成另外一种形式:/cヽ,、(巴)"3,_Ccot°p:=(.p+Ccot(p)(l-sin^)Rp-(5-1-9)由公式可知,塑性区半径Rp与原岩应カp、岩体的强度(C、(p值)、支架的支反カp“以及巷道半径a有关。原岩应カ越大,凡越大;岩体强度越高,K越小;支反カ越大,Rp越小:巷道半径越大,Rp越大。在工程实践中，随着围岩位移的增大，塑性区内的岩体往往不能保持极限平衡状态。塑性区内岩体的C、年值会逐渐降低,变成更低的值Ci、(pi,使强度曲线由T=cot(p+C变为T=cot(pi+Ci。在松动区,G、ゆ可能接近于零。因此,塑性区内的应カ会逐步降低,塑性区也会进ー步扩大，导致巷道周边岩体的冒落和破坏。三、围岩与支架的力学模型1.基本概念巷道开凿后,如果支架及早架设，围岩中的应カ尚未全部释放,于是,围岩进一步的变形和破裂松动,就受到支架的约束,形成围岩和支架共同承载的情况。如果支架具有足够的强度和刚度,则围岩与支架所形成的共同体是稳定的。如果开巷后支架未及时架设,围岩的变形已经得到充分的发展,就可能产生破裂和松动。此时架设支架,则支架上所承受的,是将要冒落和滑落的岩块所产生的压カ，此压カ即为散体地压。同时，未冒落的岩石产生进ー步的变形,也会继续对支架产生变形压カ。因此,支架架设后,在支架与岩体紧密接触的条件下，我们可以得到如下结论;(1)围岩对支架的作用力,等于支架对围岩的反作用カ(支护反カ,又称支护抗力)；(2)巷道周边的位移量,等于支架的被压缩量;(3)围岩对支架所施加的压カ,不仅与围岩本身的性质有关,也与支架的刚度有关。 2161.围岩与支架的共同作用围岩与支架间的相互的共同作用,可以用二者之间共同作用的压カー位移曲线来说明,如图5-1-16。图中曲线1围岩的压カー位移曲线，它所表示的,是支架所提供的支护反カ与巷道围岩周边位移之间的函数关系。该关系式的数学表达式为Ua=+Uh=/(/),)(5.1-10)式中,Ua为开巷后巷道周边的总位移;Au。为支护前围岩的弹塑性位移;Ub为支架的图5-1-16围岩与支架共同作用原理1ー围岩的压カー位移曲线;2ー支架特性曲线;u。ー巷道开挖前岩体已有的位移;IV支护前围岩的弹性位移;支护前围岩的塑性位移:5一有支护巷道周边的实际位移:支架的位移;Ul围岩容许的最大位移;Uma*-围岩理想的最大位移;ゝUo=Ue+Up-支护前围岩的位移。 217曲线2则是支架特性曲线,表示支架所承受的围岩载荷与支架位移(被压缩量)之间的函数关系。支架特性曲线的一个主要特征是其刚度。支架刚度较大时,就会更多地限制围岩,使巷道周边的位移较小,但支架会承受较大的压カ;支架刚度较小,则对围岩的限制小，巷道周边会产生较大的位移,而支架所承受的压力也较小，如图5-1-17所示。图5-1-17支架的特性曲线1-刚性支架;2-柔性支架对围岩于支架间的相互共同作用，假设两种极端的情况:(1)开挖后立即假设支架，而且支架为理想绝对刚性的。即受力后支架不发生变形。于是巷道周边的位移等于开巷后的瞬时弹性位移Ue。在这样的情况下,支架的工作点为图5-1-16中的A点；支架所需提供的支护反カ最大，即支架所能承担的最大载荷Rmax,又称最大支护抗力。围岩所承担的则是产生瞬时弹性变形的カP=plmaxo(2)开挖后不假设支架。此时支架所提供的支护抗力Pb=O,围岩位移Ua=Umax。此时支架的工作点在图5-1-16中的B点,即,围岩承担了全部地压,支架所承担的载荷为零。实际上,材料受力后都要发生变形，绝对刚性的支架是不存在的。因此,即使开巷后立即假设支架,支架的工作点也不会是支架特性曲线上的A点,而是A点以下的某一点。这一点,就是围岩位移曲线与支架特性曲线的交点C。其结果是，支架担负C点以下的压力R,围岩则担负C点以上的压カ(p-p,)〇因此,广义地压是由围岩和支架共同承担的。由此可知,支架最理想的工作点是B点。另一方面,很多巷道的围岩也常常不能承受住周边的最大位移量,而在周边位移量达到某ー数值Ud时,就发生围岩松脱、冒落。这时，围岩压カー位移曲线中的DB段就失去了意义。 218因为松脱发生后,支架上的压カ，就取决于从围岩中脱落下来的岩石的重量，其数值大小由DEF线来决定。D点称为松脱点。由此可知,支架的的最佳工作点,应该是D点以上,且距D点不远的小范围内。这样,就可以让围岩最大限度地承担地压，使支架所担负的压カ为最小;同时,又可保证围岩不产生岩石的局部松脱现象。对应于D点的支架支护抗力,就是最小支护抗力pm.因此,在支架设计中，支架所承担的支护抗力,应该满足:围岩位移也应满足:Ue 219引入系数Kc称为支架的刚度系数:则式(5-1-14)为PL&y(5-1-15)该式即为圆形支架的压カー位移特性曲线。四、变形地压计算1.计算前提变形地压计算的前提条件是,根据围岩与支架的共同作用原理,把巷道围岩与支架视为无限大弹性体或弹塑性体与支架间的接触问题。围岩与支架紧密接触,在围岩与支架的接触带上,径向位移相同,径向应力也相等。求解时需要以下条件和方程:围岩压カPi与支护抗力Pa大小相等,方向相反,即pa=pi(5-1-16)围岩与支架的变形协调。支架位移量等于开挖后巷道周边的位移减去支护前巷道围岩的位移,即Ub=ua—Auo(5-1-17)式中,Ub为支架的位移;Ua为围岩的位移;Au。为支架假设前围岩已发生的位移。围岩压カー位移方程Ua+Uo=fl(pi)(5-1-18)式中,u。为巷道开挖前，围岩在原岩应カ的作用下产生的位移。支架特性曲线Ub=fz(Pa)(5-1-19)此公式的意义是,支架的变形量Ub与围岩作用在支架上的压カP,成正比关系。归纳以上4个方程,可得«**-Au0=ん(p。)]««+«o=/i(P,)J求解方程式(5-1-20),可以获得围岩与支架共同作用条件下,支架的支护抗力P,以及巷道周边的径向位移Uao 2201.巷道围岩的位移 221(1)弹性区的位移对于开凿有圆形巷道的岩体,可以采用内半径为a、外半径为b的弹性力学厚壁圆筒公式来计算其应カ和位移。令b=8,可得厚壁圆筒的应カ公式为+p，-/.a"\a2(5-1-21)式中，a为巷道半径，p为原岩应カ，R为支架的支护抗力。将弹性力学平面应变问题的物理方程和几何方程代入式中，可得支架的位移为(_L+M)Q(p-p,)=-^a(5-1-22)式中,G为岩石的剪切弹模。(2)塑性区的位移巷道开挖后，如果出现塑性区,弹性区的边界将向围岩深处后退。此时塑性区的外半径凡就是弹性区的内半径。弹性区的内半径处的位移,可以采用公式来计算。但需要用弹塑性区交界处的径向应カ。叫代替支护反カp“用弹塑性区交界处的半径凡代替a,即PFr(5-1-23)通过公式计算,可得*'2Gル(5-1-24)式(5-1-24)是弹塑性区交界处，即塑性区外边界的位移。变形地压计算中需要的,是巷道周边,即塑性区内边界的位移。p 222图5-1-18塑性区的位移计算设UR为弹塑性区交界处的位移,Ua为巷道周边的位移,实线为变形前的边界,虚线为变形后的边界,如图5-1-18。变形前塑性区的截面积等于小0-”),变形后塑性区的截面积则等于“[(ムー")一假设发生塑性变形后塑性区体积不变,则有R](psin(p+Cc()s(f；)2Ga(5-1-25)式(5-1-25)就是在轴对称条件下,巷道周边的塑性位移。它仅适用于轴对称的条件。"塑性区体积不变”这ー假设对金属材料成立,对岩体则可能带来误差。1.弹性变形地压的计算在一般情况下,巷道掘进后,弹性变形在瞬间内就完成,因此,支架上不会承受到因弹性变形而释放的压カ。但在紧跟掘进工作面支护的条件下,由于工作面的空间效应,エ作面附近的弹性变形尚未完全释放。此时假设的支架,随着工作面的向前推进,就会承受弹性变形地压。无支护巷道周边的弹性位移,可用下式计算:_paU,)a~7C(5-1-26)对于紧跟掘进工作面支护的情况，设支护前巷道周边已经发生的位移为AU%。令4'"a的apa(5-1-27)A称为围岩暴露系数,或载荷释放系数。它表征支护前围岩已发生的位移与不支护巷道全部位移量之比。在采用喷射混凝土支护时,支护断面离开挖面越近,A值越小;离开挖而越远,A值越大。 2231.塑性变形地压的计算巷道围岩出现塑性区时,支架的作用在于把塑性变形控制在一定范围内。在这样的情况下,支架与围岩共同作用,变形协调,最后稳定在工作点C（见图5-1-16）。此时,巷道周边的径向位移Ua等于支护前围岩已经产生的径向位移与支护后周边的径向位移Ub（支架的位移）之和。即:Ua=AUo+Ubo同时,围岩压カ应等于支架的支护抗力:Pa=Pio（1）塑性变形压カ的计算仍然考虑ス=1的条件下圆形巷道的地压。开挖后巷道周边的塑性变形R；（パi呷+ム，ッ）o（psin«+Cゆ吗?）（1快）（（‘"宀ユuEIJ（5-1-28）式中,E和卩分别为塑性区平均变形模量和平均泊松比。对金属材料,在塑性区内卩可视为等于0.5。岩石在塑性条件下的泊松比较复杂,扩容发生时卩>0.5。塑性变形条件下可取0.4〇〜0.45。计算塑性变形地压:pt=(p+Ccot 224动区）。有松动区出现，就应该及时架设支架，给围岩提供支护抗力,防止围岩松动脱落。合理的支护抗力，应该能够维持松动区岩体的重力平衡。这样,松动区岩体就不会松动滑落,不会发展成散体地压。因此，可以把松动区内的岩体看作滑移体,把维持松动区内岩体平衡所需的抗力,作为围岩出现松动滑落和确定最小支护压カP,的条件图5-1-19最小围岩压カ 225图5-1-20围岩松动区滑移体在A=1的条件下,圆形巷道围岩中的松动滑移体,由两组相互交错的对数螺线组成,如图5-1-19。滑移体截面可近似看作底宽为b,高为(凡™"-")的三角形，其重量可按下式近似计算:6凡0-4)ア-2(5-1-31)式中,T为沿巷道轴向滑移体单位长度的重量;b为滑移体底部宽度;R1nH1为承受最小支护抗力时对应的松动圈半径;Y为岩体容重。假设松动区内岩体的强度已经大大降低,几乎尚失承载能力,于是滑移体重量完全以重力形式作用在支架上,因此，维持滑移体重力平衡所需的支护抗力应该满足下式:Mhin-a)2Q2(5-1-32)于是,将Rmi„代入式(5-1-32),即可计算出最小支护抗力。为了确定Rm,„的值,需要使用塑性区应カ公式。由于塑性区内应力升高区与应力降低区划分的条件是应カ的数值等于原岩应カP,因此,令％=P,所对应的半径r就是松动区半径Rmm。即可得到计算Rpwa的数学表达式:ルエ泣=a一(1-sinか在分析巷道周边的径向位移与对应的围岩应カ状态时,ル可看作围岩处于不同状态的临界值。当U'Ua时,说明周边岩体的位移值小于最大容许位移,周边岩体尚未破坏,此时产生的地压为变形地压;当Ua>Ud时,表明岩体已经发生破坏和松脱，产生了散体地压。Ua>Ud 226则表明岩体处于两类地压之间的临界状态。五、平巷散体地压计算1.普氏理论与散体地压计算（1）普氏理论普氏认为,由于受弱面切割的影响，岩体既不是连续介质,也与完全松散的介质有区别,而是具有一定粘结カ的松散介质。巷道开挖后,由于应カ的重新分布,部分围岩发生破坏,巷道顶部岩体冒落。顶板岩体的冒落是有限的;冒落到一定程度后,顶板形成拱形而稳定下来,即自然平衡拱，又称压カ拱。由于自然平衡拱以上未冒落岩体的重量都通过拱传递到巷道两帮,因此,作用在支架上的顶压,仅仅是自然平衡拱与支架间冒落岩石的重量。由于自然平衡拱内岩石已经破碎,其强度曲线中的参数C、（P都已经降低为C’和d，且很难测定。为此，近似地取破碎岩石的强度条件为:7="…屮（5.1-34）式中,0称为内摩擦角;tan阳f,f称普氏坚固性系数，且可由下式计算:7"!〇（5-1-35）式中,Sc为岩石试块的单向抗压强度（MPa）。 227(b)M入图5-1-21松散岩体的强度曲线图5-1-22自然平衡拱及其受カ简图设有宽度为2a,高为H,上部受均匀压应カq的矩形巷道,顶板已经垮落成自然平衡拱,如图5-1-22(a)〇拱的受カ简图见图5-1-22(b)»现从拱上取脱离体M0来研究拱在外力作用下的平衡条件。设M点的坐标是x,y。作用在M0上的外力有右半拱的水平推力T,岩体垂直方向的均布载荷q,和左半拱被截去部分的反カR。根据拱的カ矩Ty-qxxx/2-〇平衡条件,取M点以上外力对M点的カ矩,则有于是可得"ボ(5-1-36)由此可见，自然平衡拱的轮廓线是一条抛物线。拱高b的计算:将拱脚的坐标メ=2,y=b代入式(5-1-36),有t-S-a22b(5-1-37)为了保证拱在水平方向具有足够的稳定性,必须满足Tvqaf。如果取安全系数等于2,则有2T=(闾(5-1-38)将式(5-1-38)代入式(5-1-37),可得 228f(5-1-39)上式为自然平衡拱拱高的计算公式。根据以上推导可知,自然平衡拱冒落岩体的体积即为拱的面积。很容易计算出,抛物线拱的面积为:于是，每米巷道冒落拱内顶板岩石作用在支架上的压カ等于4«'3/(5-1-40)(2)挡土墙主动土压公式挡土墙常用于抵抗上壤边坡坍塌,防止土体沿边坡下滑。因此,墙受到土的压カ。在存在挡土墙的情况下,土体欲向下滑动而施加在墙上的最大可能压カ,称为土的主动土压。在矿山开采中,挡土墙理论常用于地下巷道侧帮、竖井地压等问题。在计算主动土压时,有如下近似的假设:①墙的表面光滑,土与墙之间没有摩擦カ:②墙体为无限长的直墙,沿轴线方向墙的各断面的尺寸和所受载荷都相同;③土体的滑动面为平面,与水平面间的夹角为0。由图5-1-23,5为上覆土体的重量,即Qi=Yh；最小主应カ。3是土与墙之间的应カ,即土的主动土压生=%;主动土压既然是土体即将滑动时施加给挡土墙的压カ，可知此时土体处于极限平衡状态,其应カ状态的摩尔圆与强度曲线相切,如图5-1-23(b)。2由图5-1-23(b)可得 229 230川山川山山出IEGOCA”90产(5-1-43)图5-1-24两帮不稳定条件下巷道地压计算简图由图5-1-24可以得出:两帮滑动岩体的上宽C为„900+Z3c二!icol-2(5-1-44)顶板岩石自然平衡拱的宽度等于巷道宽度加上两帮滑动岩体的上宽:2a尸2a+2c,即ロ90。+ガ=a+Hcot(5-1-45)自然平衡拱的高度为b,为„900+?a+Hcot(5-1-46)式中,H为巷道高度,。为顶板岩石的普氏坚固性系数。当巷道顶板与侧帮岩石种类、容重不同时,巷道侧帮岩石垂直方向的土压カ。I需要分别使用顶板和侧帮岩石的容重和高度来计算。在巷道顶部,有。尸丫心,在巷道底部侧帮,则有,。尸yb+YzH土体作用于侧帮的压カ,可采用挡土墙主动土压公式来计算。(4)平巷地压的太沙基计算法太沙基、理论也将岩体视为具有一定内聚力的松散体。但对支架上受力的原因,则认为是上覆岩层重量向下传递引起的。普氏理论则认为支架的压カ是自然平衡拱内冒落岩体重力形成的。两种理论的基本观点有很大差别,地压计算公式也有很大不同。由太沙基理论获得的作用于支架上压力的公式为: 231址311ゆ（5-1-47）太沙基理论主要适用于浅埋巷道的情形。六、竖井地压竖井地压可分为基岩地压和表土地压。当竖井开凿于基岩中时,会因应カ重分布而产生变形地压,在围岩破坏松脱时产生散体地压。竖井表土地压设计计算中主要使用的有平面挡土墙公式和圆柱形挡土墙公式。1.平面挡土墙地压公式图5-1-25竖井围岩滑移体对井壁的压カ平面挡土墙地压公式中,把竖井穿过的表土视为凝聚カ为零的松散体,将井筒衬砌看作平面挡土墙,作用在井筒衬砌上的地压为主动土压。根据挡土墙主动土压公式,当井壁周围岩（土）体处于即将要发生滑移破坏的瞬间,土体对井壁的压カ可用以下公式计算:2900p=yhlan-~エ2（5-1-48）式中,Y和屮分别为松散岩（土）体的容重和内摩擦角,h为地表至计算点的深度。由（5-1-48）式可知,井壁所受压カ与深度h成正比,沿深度呈线性分布,如图5-1-25。当竖井表土层由多层不同类型的土体组成,各层的ん、容重M以及ゆ各不相同,如图5-1-26时,井壁所受地压就需要分层计算。对于第n层土,顶面上的上覆岩（土）层重量为a1エアス=れス+ア也+…+みー1啞1 232底面上的上覆岩（土）层重量则为因此,在第n层顶面和底面上井壁所受压カ分别为(5-1-49)(5-1-50)式中,丫“丫2,丫3,…，Yn分别为各岩（土）层的容重;h>,hz,h3,...,hn分别为各岩（土）层的厚度;（P1,3,例,…，6分别为各岩（土）层的内摩擦角。在计算第n层井壁压カ时,无论是计算顶面还是底面的压カ，需要使用的都是第n层的内摩擦角。因此,当某层岩体内摩擦角的数值较大时,井壁所受压カ可能低于其上层ん外（h例ルん弘九んはX,井壁的压カ，如图5-1-26所示。 233图5-1-26竖井地压分层计算图图5-1-27圆柱形挡土墙地压计算1.圆柱形挡土墙地压公式用平面挡土墙公式来计算竖井地压,把竖井简化为平面问题,显然与实际情况不符。竖井井壁实际上是圆柱面,当土体（或破碎岩体）在上覆岩层重量作用下向竖井井壁内移动时,由于土体向内滑移时相互间有挤紧作用,可以增加其自身的稳定作用。这样,所得结果与平面挡土墙公式的结果就会有所不同。将竖井围岩的滑移体视为一个上半径为R„,下半径为a（竖井半径）的中空截圆锥,则这时ー个空间轴对称问题,如图5-1-27。略去数学推导,可以得到在岩土体即将发生滑移时的极限平衡状态下,作用在井壁上压カ的计算公式为:式中，入为侧压カ系数,叩“，C”分别为第n层岩层的内摩擦角和内聚カ;Q为上覆岩层作用于第n层岩层顶面处的载荷;R”为岩层滑移面与第n层岩层上表面相交圆的半径,Fし为第n层岩层的厚度。计算结果表明,由于土体向内相互挤紧的作用,采用圆柱形挡土墙公式的计算出的土 234体对井壁的压カ,较平面挡土墙公式的计算结果要小得多。 2355.2课后习题详解1.什么是地压?什么是地压现象?广义地压与狭义地压的区别何在?研究地压对矿山工程有什么意义?答:（1）因围岩位移和冒落破坏而作用在支架上的压カ,称为地压。（2）当初始应カ的数值较大而岩体强度较低时,支架不仅会发生变形,还可能发生破坏。围岩发生变形、出现裂隙、断裂冒落和支架破坏的现象，通常称地压现象。（3）当初始应カ的数值较大而岩体强度较低时,支架不仅会发生变形,还可能发生破坏。此时因围岩位移和冒落破坏而作用在支架上的压カ，称为狭义地压;当岩体强度较高时,开巷后不需要架设支架,围岩仍可保持稳定。但岩石所具有的较高的强度，并不能阻止开巷后围岩中应カ重分布的发生,围岩中的应カ较开巷前仍会有很大变化。所不同的是,此时不需要支护,原岩的压カ，完全由围岩所承担。巷道无支护条件下原岩对围岩的压カ,称为广义地压。（4）研究低压对矿山工程的意义在于了解地下岩石的变形特点，维护巷道的稳定性,保障矿山工作人员的作业安全。2.什么是原岩?什么是围岩?采矿工程中根据什么来定义原岩和围岩?答:（1）未经工程开挖（采动）扰动的岩体,称为原岩。（2）开巷（采动）后,初始应カ发生显著化（通常界定为应カ的变化超过5%）的区域,称为采动影响范围;在此范围内的岩体,通常称围岩。此范围以外则为原岩。3.说明围岩与支架的共同作用原理,围岩位移与支架刚度间的关系,以及支架设计的原则。答：对围岩于支架间的相互共同作用,假设两种极端的情况：（1）开挖后立即假设支架,而且支架为理想绝对刚性的即受力后支架不发生变形。于是巷道周边的位移等于开巷后的瞬时弹性位移へ。在这样的情况下,支架的工作点为图1中的A点;支架所需提供的支护反カ最大,这就是支架所能承担的最大载荷R2，又称最大支护抗力。围岩所承担的则是产生瞬时弹性变形的カタ=Rー。（2）开挖后不假设支架。此时支架所提供的支护抗力以=0,围岩位移u尸小変。此时支架的工作点在图5-2-1中的B点,即,围岩承担了全部地压,支架所承担的载荷为零。 236图5-2-1围岩与支架共同作用原理1ー围岩的压カー位移曲线;2ー支架特性曲线;u。ー巷道开挖前岩体已有的位移;U「支护前围岩的弹性位移;u『支护前围岩的塑性位移;5一有支护巷道周边的实际位移;支架的位移;山一围岩容许的最大位移;Umaxー围岩理想的最大位移;ゝUo=Ue+Up-支护前围岩的位移。1.圆形巷道围岩中的次生应カ分布有哪些特点?侧压カ系数对围岩应カ分布以及应カ集中系数有什么样的影响?椭圆形、矩形、直墙拱项形以及马蹄形巷道围岩中应カ分布有哪些特点?答:（1）圆形巷道围岩中的次生应カ分布特点如下:①轴对称,即,入=1的情形a.围岩中的应カ大小与岩石的弹性常数无关，与巷道尺寸无关，仅与原岩应カ的大小和距巷道周边的距离有关。b,在巷道周边,径向应カ。尸。;随着距离r的增加,迅速增大,并在无限远处等于原岩应カ。切向应カ。.则在巷道周边处等于2p,并随距离r的增加而迅速减小，在无限远处等于原岩应カ。c.巷道周边的主应カ差。。一。,最大,达2p;随距离r的增加，。。ー。,的数值迅速减 237_0“ーの小。。,和。1之间有差值存在时,会产生的剪应カ’-2;在巷道周边,差值最大,剪应力也最大。即如果围岩发生破坏,破坏将总是从巷道周边开始。d.从理论上说，巷道开挖所产生的影响范围为无穷远，即仅当在距离巷道周边为无限远处,。,和。eオ等于p。但从工程的角度来考虑,当应カ变化不超过5%时,通常就可以忽略其影响。②非轴对称，入=0的情形a.。。随距离r的增加而迅速减小。在距周边为4倍半径处，。。与原岩应カp的差已经小于4%〇b.应カ集中系数的最大值等于3,出现该应カ值的位置在两帮中点。c,在巷道周边的顶板和底板中点,应カ的绝对值等于原岩应カp,但符号相反。③入エ1时巷道周边的应カ分布侧压カ系数入太大或太小，巷道围岩都容易出现拉应カ。当入的数值满足テ时,围岩中不会出现拉应カ。（2）侧压カ系数对围岩应カ分布以及应カ集中系数的影响对于ー个开挖于岩体中的圆形巷道,对巷道稳定性最有利的是人=1的情形,因为此时围岩处于均匀受压状态，没有拉应カ出现,且巷道周边各点的应カ大小都相等，应カ集中系数等于2。对巷道稳定性最不利的则是人=0（原岩应カ水平分量为零）的情形,此时巷道周边两帮中点的应カ集中系数等于3,顶底板中点则存在着绝对值等于原岩应カp的拉应カ（应カ集中系数K=-l）。入=8（原岩应カ垂直分量为零）的情形,与人=0情形相似。当入的数值在0〜1之间时,应カ集中系数在2〜3之间。但当入＜1/3或入＞3时,巷道周边仍然存在拉应カ;仅当人的数值满足1/3（入＜3时,巷道周边不再有拉应カ存在。（3）椭圆形、矩形、直墙拱项形以及马蹄形巷道围岩中应力分布特点①椭圆形巷道当巷道轴比的倒数与侧压カ系数相等时椭圆形巷道的周边任意点的应カ均为数值相等的压应カ，犹如圆形巷道入=1的情形。这是对巷道稳定性最有利的最佳轴比。②矩形巷道a.侧压カ系数较小时,巷道顶底板围岩中容易出现拉应カ;b.侧压カ系数较大时,巷道两帮围岩容易出现拉应カ;c.当人=1时巷道顶板和侧帮均不存在拉应カ;d.巷道隅角处存在较大的应カ集中。③直墙拱项形巷道a.在顶压大于侧压的条件下,顶板岩石中不容易出现拉应カ。即使顶压远大于侧压,顶板岩石中也不容易出现拉应カ,但底板岩石中容易出现拉应カ。 238b.在侧压大于顶压的条件下,巷道侧帮岩石中容易出现拉应カ。c.巷道隅角会出现较大的应カ集中。④马蹄形巷道a,在侧压カ系数大于1的情况下,巷道侧帮和隅角附近岩体中存在拉应力,但拉应カ较小。b.当侧压カ系数小于1时,顶板附近巷道周边较大范围的围岩内存在拉应カ,但拉应カ很小。1.出现塑性区后,巷道围岩应カ分布发生了什么变化?塑性区应力分布的主要特点是什么?塑性区范围（半径）由哪些因素决定?答:（1）出现塑性区后,巷道围岩应カ分布发生了变化如下:在围岩产生塑性变形（屈服）后,巷道周边附近出现了一个塑性区；深处的围岩则仍然处于弹性状态。与未发生塑性变形的情形相比，在巷道周边,塑性区内岩体切向应カ。陣的数值较弹性区降低,并随距离r的增大而长高；切向应カ仇的最大值，从巷道周边转移到了弹性区与塑性区的交界处。在塑性区内,应カ。即的数值从弹塑性区交界起逐渐降低,在巷道周边达到最小值。（2）塑性区应カ分布的主要特点:根据应力的分布，可以把巷道围岩划分成塑性区、弹性区和原岩应カ区。在塑性区内,岩体应カ处于塑性状态。根据塑性区内切向应カ。°数值的大小,该区又可以分为松动区和塑性强化区。因此,围岩又可以划分为以下4个区：①松动区。这是塑性区内巷道周边的区域。划分该区的主要依据是,切向应カ。，的数值小于原岩应カp,该区又称应カ降低区。在松动区内，岩体已经被裂隙切割,而且在巷道周边切割最严重,致使周边岩体的强度大大降低,内聚カ趋于零,内摩擦角也有所降低。②塑性强化区。该区内的岩体仍处于塑性状态,但比松动区有更高的承载能力,岩体处于塑性强化阶段。该区内切向应カ。•的数值高于原岩应カP，又称应カ升高区。③弹性变形区。该区内岩体的切向应カ。e高于原岩应カ,但仍未超过屈服极限,处于弹性变形状态。④原岩应カ区。该区内岩体的应カ受巷道开挖的影响很小,可以忽略不计,岩体仍处于弹性状态。(3)出现塑性区后,弹性区边界将转移到巷道深处;塑性区半径,就是弹塑性区交-"。ー. —す界处的半径R”塑性区半径的计算公式为:Lp,+Ccot0」或f.ヽ/、(?)1^—Ccot0p,=(p+CcotG)(l-sin8)Rp,由公式可知,塑性区半径Rp与原岩应カP、岩体的强度(C、年值)、支架的支反カpi,以及巷道半径a有关。原岩应カ越大,凡越大; 239岩体强度越高,R,越小;支反カ越大,K,越小;巷道半径越大,R,越大。6.什么是普氏坚固性系数?普氏地压公式、秦氏公式和太沙基公式的出发点和适用条件各是什么?答:普氏坚固性系数,为岩石试块的单向抗压强度。普氏理论适用于顶板岩石稳定性较差,但侧帮稳定性较好,侧帮不发生破坏的情况。秦氏公式用于顶板岩石稳定性和侧帮岩体的稳定性均较差的情况。太沙基理论也将岩体视为具有一定内聚力的松散体。但对支架上受力的原因，则认为是上覆岩层重量向下传递引起的。 2405.3典型题（含考研真题）详解ー、名词解释1.围岩［中南大学2010年］答:开巷（采动）后,初始应カ发生显著变化（通常界定为应カ的变化超过5%）的区域,称为采动影响范围;在此范围内的岩体,通常称围岩。2.地压［中南大学2013年］答:当初始应力的数值较大而岩体强度较低时,支架不仅会发生变形,还可能发生破坏。围岩发生变形、出现裂隙、断裂冒落和支架破坏的现象,通常称地压现象;因围岩位移和冒落破坏而作用在支架上的压カ，称为地压,又称狭义地压。当岩体强度较高时,开巷后不需要架设支架,围岩仍可保持稳定。但岩石所具有的较高的强度,并不能阻止开巷后围岩中应カ重分布的发生,围岩中的应カ较开巷前仍会有很大变化。所不同的是,此时不需要支护,原岩的压カ,完全由围岩所承担。巷道无支护条件下原岩对围岩的压カ，称为广义地压。3.变形地压［中南大学2012年］答：变形地压是指在大范围内岩体受支架约束而产生的对支架的压カ。按其特征,也分为弹性变形压カ、塑性变形压カ和流变压カ。4,冲击地压答：冲击地压又称岩爆,是坚硬围岩中积累了很大的弹性变形能,并以突然爆发的形式释放出的压カ。因此,冲击地压是ー种动カ现象，其过程类似于爆炸。二、简答题1.请绘图说明围岩与支护结构相互作用的原理是什么?请结合该原理分析岩石地下工程新奧法施工中及时采用喷锚支护结构的合理性。［中南大学2013、2012年］答：（1）围岩与支架相互作用的原理是：支架所受的压カ及其变形,来自于围岩在其自身平衡过程中的变形或破裂对支架的作用。因此，围岩的形态及其变化状况对支架的作用有重要影响;另外，支架以自己的刚度和强度抑制岩体变形和破裂的进ー步发展，而这ー过程同样也影响支架自身的受カ,于是围岩和支架形成共同体。 241（2）如图5-3-1所示,在新奥法施工中,在围岩完全破坏前,及时采取喷锚支护,可以形成围岩与支架共同体,支架用自己的刚度和强度来抑制岩体变形和破坏,充分发挥围岩的自承能力。图5-3-1轴对称圆巷围岩与支架共同作用曲线Aー围岩特征曲线;b—支护工作曲线;dー围岩脱落点三、作图与分析说明1.在地下岩体中距地表深度为H处开挖一半径r=a的圆形巷道,设岩体为均质、连续、各向同性的弹性体。开挖前岩体处于静水压カ状态,原岩应カ为小。要求:（1）请分别计算出围岩中距巷道中心点距离为「=2,r=2a,r=3a,r=4a和r=5a各点处的径向应カ。「和切向应カ5。（2）示意性地绘制出巷道围岩中径向应カ①和切向应カ小的分布曲线。（3）分析说明:a）围岩应カ分布特点;b）工程中如果围岩发生破坏,总是从巷道周边开始的原因。［中南大学2011年］q=p：Q+ア答：（1）巷道切向应カ和径向应カ表达式为:0，=Po（i一午）其中，Ro=a。①当r=a时,ae=2po>ar=0；②当r=2a时，5=1.25p。、CTr=O.75po；③当r=3a时,CTe=l.llpo,ar=O.89po；④当r=4a时,ae=l.O625po/16,a=0.9375p0；⑤当r=5a时,5=1.04p（1、ar=0.96p0o（2）隧道开挖径向应力和切向应力曲线如图5-3-2所示： 242图5-3-2（3）分析说明①围岩应カ分布特点为:在隧道周边处r=Ro时围岩切向应カ取得最大值,为原始围压的两倍,围岩径向应カ取得最小值〇;随着r的增加,围岩切向应カ减小,径向应カ增加,切向应カ逐步向围岩径向应カ转换;当r趋近于正无穷时,切向应力与径向应カ相等。②在巷道周边处,围岩应カ集中,围岩切向应カ取得最大值,为初始应カ的2倍。所以巷道的破坏一般从巷道周边围岩开始。1.某工程所处的三维原岩应カ状态为:最大主应カ。1与中间主应カ6位于水平面,最小主应カ。3为垂直方向的自重应カ。其中5大小为45MPa,其方向为北偏东60。。s=30MPa,s=25MPa。为获得较理想的巷道围岩应カ分布状态,请利用岩石力学有关原理设计该巷道的走向、断面形状及相应轴比,并绘出巷道断面示意图。［中南大学2013、2010年］答:从围岩应カ均匀性考虑,等应カ轴比是最合理的轴比,其应カ分布特点是:围岩应カ是均匀分布的,不出现拉应カ和所出现的应カ最大值为最小,这时巷道围岩是最稳定的,断面形式为椭圆形,断面示意图如图5-3-3所示。 243图5-3-3为了获得较好的围岩应カ分布状态,使巷道受カ简单化,巷道的走向应与最大主应カめ+%）方向6垂直。由此巷道走向应为北偏西30。。此时,围岩的侧压カ系数式中,Y为侧压系数;Oh为最大水平主应カ;Oh为最小水平主应カ;5为垂直主应カ。带入参数得丫=1.5。其根据等应カ轴比规律，轴比b/a=l"=0.67。四、计算题1.设某巷道所处深度的原岩处于静水压カ状态，原岩应カP=25MPa,圆形巷道半径为2m,试计算圆形巷道周边以及距巷道中心4m处的径向和切向应カ，并说明为何巷道破坏一般都从巷道周边围岩开始。［中南大学2013年］解:（1）根据围岩处于静水压カ状态，可知原岩应カ水平分量等于垂直分量，处于轴对称状态,即侧压カ系数等于1〇于是得出公式:"丄引、ハ艮1、0,=p〇Qーホ） 244式中,ct8,d分别为切向应カ和径向应カ;R。为圆形巷道半径,Ro=2m；p。为原岩应力,p°=25MPa；r为考察点到巷道中心距离。①令r=4m,根据公式得出:Oe=31.25MPa,ar=18.75MPa；②令r=0,根据公式得出:d=50MPa,d=OMPa。所以巷道周边处的切向应カ和径向应カ分别为：50MPa和OMPa;距离巷道中心4m处的径向应力和切向应カ分别为：18.75MPa和31.25MPa。（2）根据方程①、②的表达式可知，围岩切向应カ在隧道周边处r=R。时取得最大值,为原始围压的两倍;随着r的增加,围岩切向应カ减小,逐步向围岩径向应カ转换。所以巷道的破坏一般从巷道周边围岩开始。2.有一圆形竖井,半径6.0m,围岩平均容重为28kN/np,试计算在650m深度距竖井中心8.0m处的三向应カ状态，设计算深度处岩石的泊松比为0.25。［中南大学2012年］解：根据岩石竖井的地压计算公式可得：在650m深度,距离竖井中心8米处的垂H&ヽ0’---就。—テ）直应カ为:s=Yh=5.2MPa;径向压カ为:1ー〃バ=2.654MPa;切向应カ为：%法（1+T-）1ール1=9.48MPa:所以5=Oe=9.48MPa、6=。产2.654MPa、s=s=5.2MPa。3.设在自重应カ场中有一圆形竖井,半径为4m,围岩平均容重为27kN/iw。岩体变形特性参数为：弹性模量E=1.5xlO，MPa,泊松比卩=0.15。试分别计算深度为450m时竖井的井壁表面以及距竖井中心6m处的径向、切向和铅垂方向的应カ。［中南大学2010年］解：根据岩石竖井的地压计算公式可得：（1）在450m深度,距离竖井中心6米处的垂直应カ为：%=冷=12.15”?ル径向d=-^―次1一与）J小（1+士）压カ为：1ー〃r=1.19MPa:切向应カ为：1ー〃L=3.10MPa；（2）在450m深度，竖井表面处的垂直应カ为：4=沙=12.152®;径向压カ为：。,二*・应1一与し=MQ+与）1ー〃r=OMPa;切向应カ为：1ー〃厂=4.29MPa。 245第6章采场地压及其控制6.1复习笔记エ场土玉及其控*.果场卍压的形式影的采场电压的主要三索采场应カ分布特征r主场法电玉麼述主场法也压《茶场极琅跨度嶷落注之王充填芯地压【知识框架】しジ柱的稳定性「则落法的电压持金有底柱崩落法的地压I无底柱超落法的电压（士表沅名及進落羌场主压挖割方法《采空区お理r整・续构「普氏法岩体的音落拱计算ー:歌作结构イ太沙基法I參状縛构I水电ま法利用至三拱挖制采场地压ゝ采场电压控制方法柢述某空区处理くC充填法「落法支球法隔离法I联合法-概述岩手及其挖制，岩重曳主机制I岩曝的预测和预访【重点难点归纳】ー、概述 246采场是在矿体内开采矿石的场所,是ー个立体的采动空间,采场地压是指采掘形成的空间破坏了原岩的自然平衡状态，岩体应カ重新分布,从而引起采场围岩变形、移动和破环的一系列地压现象。这些地压现象的发展过程和岩体或支架破坏称为采地压显现。地压呈现有不同的形式,主要形式有冒顶、片帮、顶板下沉、围岩变形，还可能出现采场矿柱压裂、围岩移动等。1.采场地压的形式根据采矿方法的不同,采场地压有不同的显现方式。有的体现在采准巷道中,有的体现在采场的顶板的稳定中,如采场垮塌，几个采场同时冒落,巷道错动,地震及地表开裂等,从而形成大的灾害。由于采动的影响,采区中巷道的应カ集中现象也比较普遍,如空场采矿法中出矿巷道的地压比较大。采区巷道破坏形式和主要原因见表6-1-lc表6-1-1采区巷道破坏形式及其主要原因巷道破坏地点及破坏形式示意图形成原因发生条件顶板顶板规则冒落ad在岩石自重条件下顶板中岩石单元体互相挤压出现极限平衡的楔紧拱，拱内岩石松脱形成抛物生于结松石发属体的岩多在散构软中 247形冒落拱咽顶板中多发生H岩石受在整体1\剪切破结构的lrr~1_1_)坏,石M-t-r-"石后石一般中。顶沿交错板岩石的成对越软,螺旋形形成的滑移线拱顶越滑落,形成尖桃形冒落拱。冒落拱顶是破裂面的交角尖顶板不顶板中规则冒有明显落〇的层理且主要压カ方向来自J贝〇故岩石破坏时戚本I沿层理弱面离层、弯曲下沉而逐层折断,形成阶梯形冒落空洞藏状岩及跨的埋层构中道大况斜的结体巷度情 248中显理由裂围不，理面时非的则落板明层弱，破范展匀层弱落成称规冒洞顶有的和面于带发均沿和冒形对不的空生斜的结块构体发倾藏状或结岩多在埋层构状的中1顶板中有明显滑面或层面间有泥质或云母等矿物质薄夹ノ在，rp出现沟状的抽条式冒洛・9月K顶板中有断裂Tn9J/lI|巷后引起顶板两侧岩层冒落多发生在急倾斜层状坚硬岩体中,存在水的作用时更易出现抽夂一日顶顶板危岩局部冒落顶板被斜交节理弱面切成形多发生在块状结构的岩体中 249状大小不一的岩块,当岩块自重在弱面上引起的下滑カ超过侧向挤压所形成的摩擦カ时,岩块就发生冒落顶板弯曲下沉S覆重用顶层下岩部而裂断上层作，岩曲，下拉现或在岩量下板弯沉梁受出缝裂生平倾状岩，巷度情发水缓层构中及跨的下多在或斜结体以道小况底板底板塑性膨胀为较粘岩在作产塑形板度的质，压下的变底强低土石底用生性多发生在整体结构的软岩中,在水的作用下更为严重底板鼓裂——率为强砂士板等的粘底中度质多发生在层状结构的中硬粘 250或页由性导层岩质，塑形岩裂页砂岩于变致破土质岩石中两帮巷道鼓帮・囿巷道两侧受压而形成双侧鼓帮,随来压条件及岩层组成情况不同,鼓帮可能出现在两帮中部或靠近底部整体结构或层状结构的岩层或煤层中都可能发生△1ー压成鼓随条岩成不鼓能在ー道受形侧，压及组况，可现道巷侧而单帮来件层情同帮出巷同上 251侧上部或下部巷帮开裂或破坏0由于巷道顶角处剪应カ超过岩石强度而造成巷帮出现剪切劈裂。裂缝面有磨碎的岩粉，说生体的层发整构岩多在结厚中 252明巷帮受力很大巷道底角在大压カ下剪坏，引起巷帮下沉，结果在巷帮靠顶角附近引起水平裂生状厚的体石发块、状整岩多在的层或性中 253缝，可能深入岩体几—厘米a巷帮岩石在顶压、侧压联合作用ド向巷道空间鼓出，并逐渐失稳而生斜和状的岩折度发急藏层构体，越，深大多在埋薄结岩中层薄断越 254破坏，形成巷道鼓帮折断生体的或中发整构柱柱多在结煤岩IE一道之间的矿柱受压后出现X型剪切破坏O--巷帮存在被斜交节理切割而生层构碎岩夹弱或结体发断，破，中软层状岩多在带造带层有夹块构 255 256围为抗压、抗剪能力差的较软弱岩层或煤体，层面光滑，平直，造成巷道一侧沿层理面片帮斜埋藏的层状结构岩体中 257顶板及两帮巷道大型冒顶及片帮3顶板冒落以后，由于两帮不坚固又出现片帮时，支座转移至深部，使冒落拱扩大，最后形成又多发生在散体结构的较软弱岩体屮 258高又宽的冒落空洞底板及两帮巷道鼓帮和鼓底S底板和两帮的松软泥质岩石产生强塑性变形，在水的作用下尤为严重多发生在塑性软岩中顶底板及两帮巷道断巷道围多发生 2592.影响采场地压的主要因素面全面收缩和闭部岩为松软的粘土质岩层，掘巷后粘土岩可能遇水膨胀，造成围岩塑性变形发展很快在各种类型的松软粘土质岩层中，如泥质页岩、泥岩、断层夹泥带(1)影响采场地压的主要因素主要包括矿石和围岩的物理力学性质、地质构造、开采深度、采矿方法、回采顺序、开采规模、开采强度、地下水及及时间因素等。 260(2)采矿方法采矿方法从大的方向分为支撑法和崩落法。这两种方法是完全不同的,是两种极端的情况。支撑法依赖于近场岩体(如矿柱)能否承受大的压缩应カ,而崩落法迫使矿岩能量耗散,使矿岩自动崩落从而保护采场的安全。3.采场应カ分布特征根据采场在地下埋深不同,如果埋深不是很大,根据损坏变形破坏程度,岩体变形破坏可分为几个带:(1)冒落带如果顶板由层状岩层构成时,由于各岩层岩性不同,于是在自重作用下顶板岩层发生弯曲变形。在顶板岩层发生弯曲变形过程中,各层的挠度不同,顶板岩层出现离层现象。因出现离层使作用在离层部分荷载减小,进而使作用在两侧部分荷载增加。顶板表面拉应力作用区加大到采场跨度的2/3左右。顶板岩层拉应カ区扩大及离层,导致在采场顶板中发生一断面形状略呈拱形的冒落区称为冒落带(见图6-1-1)。图6-1-1采场顶板岩层变形分带示意图冒落带出现与否取决于顶板岩层岩性及采场跨度。当其出现时,该区高度一般不超过开采层厚度的4〜6倍。冒落拱高度可用下式表示:25af(6-1-1)式中,a为采场跨度,m；f为岩石坚固性系数,’二条:也为岩石单轴抗压强度, 261MPao（2）裂隙带冒落区上部岩层由初始弯曲变形,进而发生裂隙，裂隙一般与弯曲层面成垂直或沿层面发展。这些裂隙组成一系列沿层面或垂直方向的透水通道。裂隙带的高度为采高20〜30倍。（3）弯曲带弯曲带位于裂隙带之上,在此带范围内岩层呈现弯曲变形。但在这ー带中产生的裂隙互不贯通,因此不会发生并向下透水的危险。二、空场法地压1.空场法地压概述空场法的最大特点是划分矿房和矿柱,回采矿房内的矿石,而矿柱保留（或临时保留）来承压。空场法地压活动大致分为:（1）预兆阶段岩层发出响声，声音由小到大,由里及表,频度由低到高;顶板岩层松动掉块;矿柱和采准巷道破坏。（2）大冒落阶段采场压カ剧增,出现岩石破裂并发生大面积岩层急剧冒落，有可能发生冲击汽浪,对人员和设备造成威胁。（3）稳定阶段当冒落岩石堆积充满采空区时,岩石冒落趋于稳定。如果采空区比较浅,冒落可触到达地表。如果空区离地表比较深，则地表会出现变形下沉甚至塌陷。2.采场极限跨度（1）极限暴露面积在保持顶板稳定的前提下,开采空间所允许的最大暴露面积称为极限暴露面积。（2）极限跨度开采空间所允许的最大宽度称为极限跨度。（3）影响极限跨度的主要因素影响极限跨度的主要因素有:岩体力学性质、开采深度、暴露面的倾角及暴露时间,以及开采空间的几何尺寸等。确定采场跨度可利用梁理论,以顶板岩石拉应カ达到极限值为判断标准。4C=1.294(叵1+え产7H(6-1-2)式中,H为开采深度,m;丫为上覆岩层容重,t/nv;入为原岩应カ场侧压系数;［洲为顶板岩层中许用抗拉强度,MPa。 262如果考虑多裂隙岩体,其极限跨度约为无裂隙岩体极限跨度0.6〜0.7倍。对于矿房和矿柱,还应考虑安全系数。1.矿柱的稳定性(1)矿柱两个或两个以上的地下坑端之间的岩体(包括矿体)称为矿柱。矿柱是采场中留下支撑顶柱或两则矿层的岩石实体。矿柱分为竖向垂直矿柱和横向的水平矿柱,又可分为盘区矿柱和支撑矿柱。作用在矿柱上的荷载并不能简单用每个矿柱所担负面积上部的覆岩柱的重量来计算,而是与L/H值有关(L为采场跨度:H为开采深度)。矿柱的强度、矿柱的宽度与高变比对矿柱强度影响较大，金属矿山常用的关系式为レfS=Se上1ん丿(6-1-3)式中,Sp为矿柱强度,MPa；Sc为构成矿柱岩石的单向抗压强度,MPa；3P为矿柱宽度,m；h为矿柱高度,m。矿柱的设计与验算:矿柱大小和几何形状对其强度与的影响通常由一个经验指数关系表达，即ssピュい丿(6-1-4)式中,エ为矿柱岩石的单轴抗压强度，MPa；V,期,h为矿柱的体积，m3,宽度和高度,m；a,b为反映矿体的地质构造和岩石力学条件的参数。三、崩落法地压1.崩落法的地压特点崩落法不划分矿房和矿柱,覆盖岩层将随着矿块回采而自然崩落或强制崩落，矿块回采是在已崩落覆盖岩石下进行的，随着矿石的放出，上覆岩层崩落填充原矿石所占据的位置,形成覆岩层。2.有底柱崩落法的地压底柱是设在矿块的底部,出矿ロ通过底柱连通采场。底柱内部布置漏斗或壁沟、电耙道、溜井等出矿巷道。底柱除在内部布设有各种井巷,同时还承受上部覆岩的压カ和采出矿石后转移来的压カ,若底部结构发生破坏,则矿石无法放出,直接影响矿石的回采。所以底柱结构的稳定性是这类采矿方法成败的关键。松散矿岩作用在底部结构上压カ的大小取决于矿岩的物理力学性质、崩落层的高度和水平面积、阶段或分段内采场回采顺序和放矿顺序。底部结构地压显现规律:松散矿岩对底部结构的压カ（静荷载）不是平均分布的,采场周围的压カ较小,而中心部分最大，这是由于松散矿岩的成拱作用及矿壁摩擦阻カ影响所致。 263矿房内松散矿岩对底部结构的平均压カP可参照太沙基公式:p=*-（l卅’）パ皿8（6-1-5）式中,丫为松散崩落矿岩的容重,t/nv；H为崩落矿岩的高度，m；R为A/L,其中A为采场面积，nv,L为采场周长,m；tan。为松散矿岩与采场岩壁间的摩擦系数;入为侧压カ系数。若松散矿岩处于静态平衡，自重应カ为最大主应カ,可得：…F瞥=1*45。4）l+su】3\2丿（宀）式中,年为松散崩落矿岩的内摩擦角。在放矿过程中,底部结构上的压カ处于动态变化的过程。由于放矿形成的松散椭球体范围内矿石发生二次松散,因而在其顶部形成卸压拱,而拱上部的压カ向两侧传递,这样就形成了以放矿漏斗为中心的降压带。加大放矿强度可以降底放矿期间底柱承受的荷载。1.无底柱崩落法的地压无底柱崩落法不设底柱,出矿是在进路（出矿巷道）中进行,所以地压主要体现在进路和联巷中。无底柱分段崩落法典型方案见图6-1-2。回采顺序对无底柱崩落法的地压影响较大，实践表明,台阶式的推进方法对控制地压有利,特别是通过联巷的时候。 264图6-1-2无底柱分段崩落法典型方案1,2ー上、下阶段沿脉运输巷道;3ー矿石溜井;4ー设备井;5一通风行人天井;6ー分段运输平巷;7ー设备井联络道;8一回采巷道;9ー分段切割平巷;10一切割天井;11ー上向扇形炮孔矿体回采时，不宜在已采完的区域中存在有残留的未采矿段,如孤立未采矿段存在,势必因承受大的地压而难于回采,尤其是附近的矿体,孤立矿段受压更大。另外,本段残留矿段会使下水平受力增大,从而影响下水平的矿石回采。回采应先采应カ较高的区域,再采其他区域。四、充填法地压地下矿石被采出以后形成采空区,用某种材料把采空区充填,就形成了充填采矿法。常用的充填材料可分为砂、干式和低标号混凝上。一般充填体的压缩变形量比较大,即使是胶结充填,其弹性模量为100〜1000MPa,是岩石弹模的十分之一至数百分之一。 265因而充填体对阻止围岩变形方面的作用有限,据测定,水砂充填的顶板沉缩率（顶板下沉量与开采高度之比）为13%〜28%,肝石充填约为25%。充填体一般都有一段固结或压密的过程，与覆盖岩层或岩石之间会有一定的间隙一空顶距,只有上部岩石破坏或冒落以后对充填体产生压カ，充填体才能真正起到支撑顶板的作用。通常充填体在地压控制方面的作用有:（1）改善围岩或矿柱的应カ状态。空区被充填体填满以后，岩石受力由二维变成三维。（2）限制围岩大范围崩落及岩石移动。五、采场地压控制方法1.地表沉陷及崩落地下矿石的回采打破了岩石的平衡,常会发生采场冒落及岩石移动，如果达到地表就表现为地表下沉、塌陷甚至崩落。地表表现形式可分为连续下沉和不连续下沉。连续下沉将形成一个没有阶梯状变化的光滑的地面下沉剖面。不连续下沉是在下沉剖面上产生阶梯状变化或不连续间断面,其中可能形成塌陷坑或大的裂缝,可能造成人员大量伤亡及地表建（构）筑物的损坏。这往往会导致灾难性后果。崩落区和移动区范围通常用崩落角和移动角来确定。（1）崩落角崩落角是指地表裂缝区的最边缘至井下采窄区下部边界线的连线与水平面所成的夹角,通常用历来表示，由崩落角圈定的范围为崩落区,该区内不允许有永久性建（构）筑物。（2）移动角移动角是指地表位移边界线至采空区下部边界线的连线与水平面所成的夹角。由移动角圈定的范围称为变形区,处于该区内的建（构）筑物可能因变形而破坏。岩体崩落角的大小受各种因素制约,其中包括岩体力学性质、结构面分布、采空区的大小形状、开采深度等,用理论精确计算比较困难。•一般情况下，崩落角:稳定岩体65。〜80。;中等稳定性岩体55。〜65。,表上约为45〇〇2.岩体的冒落拱计算岩体是一种抗压强度高,抗拉强度很低的材料,岩体的抗拉强度是其抗压强度j11020。当采场拉开以后,顶板的岩石往往受拉应カ的作用破坏后冒落,从面形成自然冒落拱。免压拱的计算方法与围岩岩体结构有关,下面按结构类别介绍。（1）整体结构在整体结构岩体中的掘进巷道,其周边破坏的现象与试验机下均质岩石试件受单轴压缩实验时的状态相似,主要的破坏形式有两种:①X型剪切裂缝;②张开裂缝。在这两种破坏形式中对巷道稳定有影响的主要是剪切破裂。从莫尔强度理论中已知, 266围岩任一点上剪切破裂面与最大主应カ方向的夹角2(见图6-1-3)。如果我们作一条光滑曲线,使这条曲线切于各极限应カ点的剪切方向,则该曲线必代表围岩中剪切破裂的轨迹线。在力学中将这种轨迹线称为塑性滑移线。设A点为塑性滑移线上的一点,同时又是最大主应カ迹线上的一点(见图6-1-4)。滑移线方程用函数r=f(0)表示。根据滑移线的定义:"塑性滑移线与最大主应カ迹线的dr=r(l0,tana=rd例an(45°-*)夹角0="ゝ5"可建立滑移线的微分方程为:图6-1-3剪切面与最大主应カ方向的夹角 267图6-1-4塑性滑移线的建立于是得塑性滑移线的方程为(0+0o)lan(450-f)r=roe(6-1-7)式中,e。为滑移线始点与水平轴线的夹角。属于成对交错的螺旋型曲线。由于巷道四角应カ高度集中,这种滑移线往往优先发育于四角或其他围岩的薄弱环节处。非弹性变形区内的岩石容易沿着滑移线脱落,使顶板出现尖桃型的冒落拱,侧帮亦如此(见图6-1-5)。 268(a)(b)(c)图6-1-5各种类型的剪切破坏如图6-1-6所示,在整体结构岩体中出现冒落拱时,其高度可按下式决定:b=r-h=rQe'*-h(6-1-8)式中,r。为巷道外接圆的半径，m；h为外接圆中心到顶的距离,m。p=ア(r_/1)巷道顶部单位长度的压カP(t/m)可近似地取为式中，丫为岩石的容重(t/m3)0(2)散体结构在这类岩体结构中最常见的是规则拱形冒落。规则拱形冒落的计算方法很多,这里仅作简要说明:①普氏法普氏通过对冒落拱的分析,提出:a.巷道顶板的自然平衡拱形为抛物线形;b.冒落拱高b可按下式计算：f(6-1-9)式中，a为巷道跨度的一半,m；f为岩石的坚固性系数;る为岩石单轴抗压强度，MPa。c.作用在支架上的压力等于冒落拱内岩石的重量。设抛物线的面积近似地为 269A=~abp=yA=ア=yナ,t/m则顶压为普氏法可用于巷道跨度小于5m的散体岩石中,对大跨度巷道与其他岩体结构,普氏法不适用。②太沙基法（见图6-1-6）太沙基认为支架上的荷载等于顶板岩柱中一部分高度所相应的重量。此岩体的高度Hp为匕.=a（2。+厶）(6-1-10)图6-1-6太沙基法图解式中,2a为巷道跨度;h为巷道高度;a为荷载系数。③水电部法 270尸=2噌(6-1-11)式中，ん为顶压系数，KP=0.3~0.5；凡为侧压系数,"0.05〜0.5；Q为侧压。(3)层状结构地压显现特征主要取决于层面与巷道轴线的空间关系,大致可分为3种情况:①层理水平或近水平赋存时顶板容易下沉折断[见图6-1-7(a)],因此顶板是主要来压方向。②岩层直立或急倾斜赋存时，两侧容易产生凸帮折断，为主要来压方向。③巷道轴向与层理近似正交时(石门或穿脉巷道)，巷道一般较稳定，仅在软夹层中易出现规则拱形冒落,计算方法与散体结构中采用的方法一致。图6-1-7水平层状岩体的顶板冒落1.利用免压拱控制采场地压卸压开采与免压拱开采原理上相似,卸压开采是运用应カ转移原理,将回采区的高应カ通过一定的措施转移到四周，使采区内应カ下降低，改善矿岩体的应力分布状态,控制由于多次采动影响而造成的应カ增高带相互重叠的程度,以实现顺利开采。卸压开采技术主要分垂直卸压和水平卸压エ艺。垂直卸压是将回采区上部覆岩压カ部分或全部转移到四周,压カ拱下的开采工程只承受矿岩重量,应カ值显著降低而变得易于开采。水平卸压是将作用于开采矿体上的水平应カ隔绝，形成水平应力降低区,以减小水平应カ对采矿工程和人员的危害。前国内外常用的卸压方法主要有:①在巷道围岩中开槽、切缝、钻孔或松动爆破;②在受保护巷道附近开掘专用的卸压巷道;③从开采中进行卸压或将巷道布置在应カ降低区内。 2711.采场地压控制方法采场的面积比较大,采场地压影响的范围广。研究采场地压必须弄清采场压力的主要来源、分布、显现和转移规律,从而寻找经济有效的控制方法。（1）采场地压的控制方法主要从以下几个方面着手:①选择合理的采矿方法；②确定合理的采矿参数,包括采场的面积,矿柱参数等；③选择合理的回采顺序；④采取经济有效的支护手段。（2）选择合理的回采顺序对控制采场地压有重大作用。矿块的回采顺序有如下原则:①先回采高应カ区矿块,再采低应カ区矿块；②回采的长轴方向尽量与矿区最大主应カ方向平行；③按上下分层和左右矿块的开采情况优化回采顺序。六、采空区处理1.概述矿体中因开采而形成采空区，为了防止地表陷落，消除生产隐患,确保坑内作业人员安全,需及时和有计划地处理采空区的各种措施（如充填或放顶封闭等），这些处理工作称为采空区处理。2.采空区处理采空区的处理方法,分为崩落和充填两大类，进ー步细分为:崩落法、充填法、支撑法、用封闭和隔离法和前述某几种方法的“联合法"。（1）充填法这种方法是用充填料对采空区进行采后充填。如采用废石充填、水砂充填和胶结充填等。（2）崩落崩落法又可分为自然冒落围岩和强制崩落围岩两种。前者适用于围岩强度低、较松软、易崩落的岩体。后者适用于坚硬、难冒顶板。其又细分为全面放顶、切顶和削壁充填。（3）支撑法该方法一般适用于缓倾斜薄至中厚以下矿体,用空场类方法回采且地表允许冒落,顶板又相当稳定的矿体或非贵重矿石。（4）隔离法根据采空区情况的不同，隔离法有两种:①隔绝孤立分散的小采空区与生产作业区段之间可能传递危害的一切通路;②在连续和基本连续的大矿体中设置隔离带,隔离两侧采空区次生应カ场的相互影响并消除它们和叠加的条件。（5）联合法联合法指在ー个空场内同时采用几种基本方法处理采空区。由于各矿矿体赋存条件各 272异,生产状况不一,各单ー空区处理方法均有局限性,某些采空区采用单一方法很难做到经济合理、简便适用,因而就产生了联合法。目前联合法有:支撑充填、崩落隔离、矿房崩落充填和支撑、控制爆破局部切槽放顶等方法。七、岩爆及其控制1.概述岩爆是在高地应カ岩体中开挖地下巷道或洞室时常发生的复杂的动カ失稳现象，它是由于岩石中蓄积的弹性应变能突然释放而发生的、以急剧猛烈地抛射矿岩为特征的动カ现象,是岩体的一种脆性破碎过程,有时还伴有产生空气浪及出现矿尘。（1）岩爆一般特点①岩爆发生的地点多在新开挖的工作面附近，个别的也有距新开挖工作面较远,常见的岩爆部位以拱部或拱腰部位为多;岩爆在开挖后陆续出现,多在爆破后的2〜3h,24h内最为明显，延续时间一般1〜2个月,有的延长1年以上,事前预兆不明显。②岩爆时围岩破坏的规模,小者几厘米厚,大者可多达几十吨重。石块由母岩弹出,小者形状常呈中间厚、周边薄、不规则的片状脱落,脱落面多与岩壁平行。③岩爆围岩的破坏过程,一般新鲜坚硬岩体均先产生声响,伴随片状剥落的裂隙出现,裂隙一旦贯通就产生剥落或弹出，属于表部岩爆;在强度较低的岩体，则在离掌子面一定距离产生，造成向洞内临空面冲击力量最大,这种岩爆属于深部冲击型。岩爆的等级划分见表6-1-2〇表6-1-2岩爆的能量分级岩爆分级地震能（J）震中的地震烈度（级）微冲击（岩块弹出、微震）<10<1弱冲击10~1021-2中等冲击1。2〜1°42-3.5强烈冲击107073.5-5灾害性冲击>107>5（2）各种级别岩爆的表现①微冲击。指仅有岩体或矿体表面的局部破坏和岩块弹出,岩体深部有微震动。②弱冲击。指巷道围岩有局部破坏和少量岩块抛出,伴有明显的声响和地震震动,但对支架、设备无严重损害。③中等冲击。指巷道围岩出现迅速的脆性破坏,并有大量岩石碎块、粉尘抛出,形成气浪冲击,可使几米长的一段巷道塌落,支架及设备损坏。④强烈冲击。指使长达几十米的地段上支架破坏和巷道塌落，机器及设备受到损坏。发生强烈冲击地压后,并下需要大量的修复工作。 273⑤灾难性冲击。指在整个开采区域或中段内有许多矿柱发生连锁反应式破坏,矿区或中段内巷道坍塌,甚至可使全矿报废。发生冲击地压时,矿岩脆性破坏过程的延续时间约为百分之几秒至2〜3s。冲击地压越强烈,这ー时间过程越长。地震频谱与冲击地压强度等级的关系是:微冲击时为500〜800Hz,中等冲击时为10Hz左右,强烈冲击时为1〜3Hz。1.岩爆发生机制岩爆产生的原因很多，地下开挖岩体改变了岩体的初始应カ场,引起开挖区周围岩体的应カ重新分布和应カ集中，岩体中也开始了能量的聚集,当脆性岩体内的能量积聚到ー定得程度,并有适合的释放空间时，就容易发生岩爆。岩爆产生条件:（1）地应カ较高，岩体内储存着很大的应变能;（2）围岩新鲜完整，裂隙极少或仅有隐裂隙，属坚硬脆性介质,能够储存能量，而其变形特性属于脆性破坏类型,应カ解除后,回弹变形很小;（3）具有足够的上覆岩体厚度,一般均远离沟谷切割的卸荷裂隙带,埋藏深度多大于200m。陶振宇教授提出的岩爆判别准则如表6-1-3所示。表6-1-3岩爆判别准则岩爆分级Rc/ai岩爆特性I>14,5无岩爆发生II14.5〜5.5低岩爆活动，有轻微声发射现象III5.5~2.5中等岩爆活动,有较强的爆裂声IV<2.5高岩爆活动，有很强的爆裂声由于岩爆非常复杂，目前对岩爆产生的机制尚未完全清楚。2.岩爆的预测和预防（1）岩爆的预测①地形地貌分析法及地质分析法依据地质理论,在地壳运动的活动区有较高的地应カ,在地区上升剧烈，河谷深切,剥蚀作用很强的地区,自重应カ较大的地区易发生岩爆。②钻屑法（岩芯饼化法）这种方法是通过对岩石钻孔进行,可在进行超前预报钻孔的同时,对钻出的岩屑和取出的岩芯进行分析;对强度较低的岩石,根据钻出岩屑体积大小与理论钻孔体积大小的比值来判断岩爆趋势。在钻孔过程中有时还可以获得如爆裂声、磨擦声和卡钻现象等辅助信息来判断岩爆发生的可能性。③微震监测方法 274在围岩中埋设声波探头,根据岩石中声发射的频度和幅度来预测岩爆。（2）岩爆防治措施①改善围岩应カ这种方法主要是降低围岩应カ使围岩应カ小于围岩强度,避免岩爆的发生。在此过程中主要采取如下措施:a.在开挖爆破时,采用“短进尺、多循环"，采用光面爆破技术,尽量减少对围岩的扰动,改善围岩应カ状态。选择合适的开挖断面形式,也可改善围岩应カ状态。b.应カ解除法。通过打设超前钻孔或在超前钻孔中进行松动爆破,在围岩内部造成ー个破坏带,即形成一个低弹区，从而使铜壁和掌子面应力降低,使高应カ转移至围岩深部,开挖时可在掌子面上打5〜6个超前钻孔，深15〜20m左右，既可以起到超前钻探地质的作用,又可以起到释放掌子面应力的作用。超前钻孔的布置形式及参数与地质预测预报孔相同。②改善围岩性质在开挖过程中,可采取对工作面钻孔注水来促进围岩软化,从面消除或减缓岩爆程度。③对围岩进行加强支护和超前支护加固④改善掌子面及1~2倍洞径洞段内围岩的应カ状态由于支护的作用，不但改变了应カ大小的分布,面且还使碉壁从单维应カ状态变为三维应カ状态。在更高的应カ水平下,岩爆危害将更加显著,因此在进行深部矿体采矿方法设计时,应充分考虑所采用的采矿方法和回采顺序，尽量避免产生过高的应カ集中，以防止大规模岩爆的发生。同时加强施工支护工作,对发生岩爆的地段,可采取在岩壁切槽的方法来释放应カ,以降低岩爆的强度。 2756.2课后习题详解1.采场地压和井巷地压有何不同?答:采场地压是指采掘形成的空间破坏了原岩的自然平衡状态,岩体应カ重新分布,从而引起采场围岩变形、移动和破环的ー系列地压现象。随回采工作的进行,采场规模和形状又不断变化。井巷地压是巷道围岩内的应カ和作用在支架上的カ。和井巷工程相比,采场地压具有暴露空间大、复杂性、多变性、显现形式的多样性、控制采场地压的难度大等特点。2.试述采场地压的特点。答:（1）呈现形式多种多样。主要形式有冒顶、片帮、顶板下沉、围岩变形，还可能出现采场矿柱压裂、围岩移动等。（2）由于采场内有巷道、洞室、各种采场,空间分布形式复杂,随回采工作的进行,采场规模和形状不断变化。（3）和井巷工程相比,采场地压具有暴露空间大、复杂性、多变性、显现形式的多样性、控制采场地压的难度大等特点。3.采场地压的控制方法有哪些?答：采场的面积比较大,采场地压影响的范围广。研究采场地压必须弄清采场压カ的主要来源、分布、显现和转移规律，从而寻找经济有效的控制方法。（1）采场地压的控制方法主要从以下几个方面着手：①选择合理的采矿方法;②确定合理的采矿参数，包括采场的面积，矿柱参数等;③选择合理的回采顺序;④采取经济有效的支护手段。（2）选择合理的回采顺序对控制采场地压有重大作用。矿块的回采顺序有如下原则:①先回采高应カ区矿块,再采低应カ区矿块；②回采的长轴方向尽量与矿区最大主应カ方向平行；③按上下分层和左右矿块的开采情况优化回采顺序。4.试述采空区的处理方法。答:采空区的处理方法,分为崩落和充填两大类,进ー步细分为:崩落法、充填法、支撑法、用封闭和隔离法和前述某几种方法的“联合法"。（1）充填法 276这种方法是用充填料对采空区进行采后充填。如采用废石充填、水砂充填和胶结充填等。（2）崩落法崩落法又可分为自然冒落围岩和强制崩落围岩两种。前者适用于围岩强度低、较松软、易崩落的岩体。后者适用于坚硬、难冒顶板。其又细分为全面放顶、切顶和削壁充填。（3）支撑法该方法一般适用于缓倾斜薄至中厚以下矿体,用空场类方法回采且地表允许冒落,顶板又相当稳定的矿体或非贵重矿石。（4）隔离法根据采空区情况的不同，隔离法有两种:①隔绝孤立分散的小采空区与生产作业区段之间可能传递危害的一切通路;②在连续和基本连续的大矿体中设置隔离带，隔离两侧采空区次生应カ场的相互影响并消除它们相叠加的条件。（5）联合法联合法指在ー个空场内同时采用几种基本方法处理采空区。由于各矿矿体赋存条件各异,生产状况不一,各单ー空区处理方法均有局限性,某些采空区采用单一方法很难做到经济合理、简便适用，因而就产生了联合法。目前联合法有:支撑充填、崩落隔离、矿房崩落充填和支撑、控制爆破局部切槽放顶等方法。1.试述岩爆发生的机制和如何控制岩爆。答：（1）岩爆发生机制岩爆产生的原因很多,地下开挖岩体改变了岩体的初始应カ场,引起开挖区周围岩体的应カ重新分布和应カ集中，岩体中也开始了能量的聚集，当脆性岩体内的能量积聚到ー定得程度,并有适合的释放空间时,就容易发生岩爆。岩爆产生条件:①地应カ较高,岩体内储存着很大的应变能;②围岩新鲜完整，裂隙极少或仅有隐裂隙，属坚硬脆性介质,能够储存能量,而其变形特性属于脆性破坏类型,应力解除后，回弹变形很小;③具有足够的上覆岩体厚度，一般均远离沟谷切割的卸荷裂隙带,埋藏深度多大于200m。（2）岩爆控制①改善围岩应カ这种方法主要是降低围岩应カ使围岩应カ小于围岩强度,避免岩爆的发生。在此过程中主要采取如下措施: 277a.在开挖爆破时,采用“短进尺、多循环”,采用光面爆破技术,尽量减少对围岩的扰动，改善围岩应カ状态。选择合适的开挖断面形式，也可改善围岩应カ状态。b.应カ解除法。通过打设超前钻孔或在超前钻孔中进行松动爆破,在围岩内部造成ー个破坏带,即形成一个低弹区,从而使碉壁和掌子面应力降低,使高应カ转移至围岩深部,开挖时可在掌子面上打5〜6个超前钻孔,深15〜20m左右，既可以起到超前钻探地质的作用,又可以起到释放掌子面应力的作用。超前钻孔的布置形式及参数与地质预测预报孔相同。②改善围岩性质在开挖过程中,可采取对工作面钻孔注水来促进围岩软化,从面消除或减缓岩爆程度。③对围岩进行加强支护和超前支护加固④改善掌子面及1〜2倍洞径洞段内围岩的应カ状态由于支护的作用,不但改变了应カ大小的分布,面且还使碉壁从单维应カ状态变为三维应カ状态。在更高的应カ水平下,岩爆危害将更加显著,因此在进行深部矿体采矿方法设计时,应充分考虑所采用的采矿方法和回采顺序,尽量避免产生过高的应カ集中,以防止大规模岩爆的发生。同时加强施工支护工作,对发生岩爆的地段,可采取在岩壁切槽的方法来释放应カ,以降低岩爆的强度。 2786.3典型题（含考研真题）详解ー、名词解释1,采场地压答:采场地压是指采掘形成的空间破坏了原岩的自然平衡状态,岩体应カ重新分布,从而引起采场围岩变形、移动和破环的一系列地压现象。2.采空区处理答:矿体中因开采而形成采空区,为了防止地表陷落,消除生产隐患,确保坑内作业人员安全,需及时和有计划地处理采空区的各种措施（如充填或放顶封闭等），这些处理工作称为采空区处理。3.岩爆答：岩爆是在高地应カ岩体中开挖地下巷道或洞室时常发生的复杂的动カ失稳现象，它是由于岩石中蓄积的弹性应变能突然释放而发生的、以急剧猛烈地抛射矿岩为特征的动カ现象,是岩体的一种脆性破碎过程,有时还伴有产生空气浪及出现矿尘。二、简答题1.岩爆的特点是什么,如何预测岩爆?答：（1）岩爆一般特点如下:①岩爆发生的地点多在新开挖的工作面附近,个别的也有距新开挖工作面较远,常见的岩爆部位以拱部或拱腰部位为多;岩爆在开挖后陆续出现,多在爆破后的2〜3h,24h内最为明显，延续时间一般1〜2个月,有的延长1年以上,事前预兆不明显。②岩爆时围岩破坏的规模,小者几厘米厚,大者可多达几十吨重。石块由母岩弹出,小者形状常呈中间厚、周边薄、不规则的片状脱落，脱落面多与岩壁平行。③岩爆围岩的破坏过程，一般新鲜坚硬岩体均先产生声响,伴随片状剥落的裂隙出现,裂隙一旦贯通就产生剥落或弹出,属于表部岩爆;在强度较低的岩体，则在离掌子面一定距离产生,造成向洞内临空面冲击力量最大,这种岩爆属于深部冲击型。（2）岩爆的预测方法如下:①地形地貌分析法及地质分析法依据地质理论,在地壳运动的活动区有较高的地应カ,在地区上升剧烈，河谷深切, 279剥蚀作用很强的地区,自重应カ较大的地区易发生岩爆。②钻屑法（岩芯饼化法）这种方法是通过对岩石钻孔进行,可在进行超前预报钻孔的同时,对钻出的岩屑和取出的岩芯进行分析;对强度较低的岩石,根据钻出岩屑体积大小与理论钻孔体积大小的比值来判断岩爆趋势。在钻孔过程中有时还可以获得如爆裂声、磨擦声和卡钻现象等辅助信息来判断岩爆发生的可能性。③微震监测方法在围岩中埋设声波探头，根据岩石中声发射的频度和幅度来预测岩爆。三、作图与分析说明1.绘图说明如何根据全应カ一应变曲线预测岩石的岩爆。答:如图6-3-1所示,全应カ应变曲线所围面积以峰值强度点C为界,可以分为左右两个部分。左半部分OEC代表达到峰值强度时,积累在岩石试件中的应变能,右边CED代表试件从开始破坏到破坏整个过程所消耗的能量。如果A>B,可能产生岩爆,如果A 280第7章岩石工程支护及治理7.1复习笔记イ支护慢述r井巷维护票则井巷理护憲则与票理t支拧基本票理r支架支护支架和链素支护1链素支护「保护和加固围岩啧浆支护的力学作用《改善围岩应カ状态I提高围岩的自承能力「悬吊作用错杆支护的力学作用イ组合作用岩石工程支护及治理ク^^咦导和稳杆的吸错支护J力学作用咦错设计计算I挤压加固作用【啧粮支护类型选择「位移监测I监委与治理イ应カ监测I其他监测手段【知识框架】【重点难点归纳】ー、支护概述在地下工程岩体内开挖井巷后,岩体内原有的应カ平衡被打破,井巷周围岩体内的应カ就会重新分布,以达到新的平衡状态。岩体内应カ重新分布导致某些部位的应カ升高,有时甚至出现拉应カ,当应力升高到岩体的极限抗压或抗拉强度后,最终导致井巷的变形破坏。地下水的活动也会引起岩体自身强度降低，爆破振动增加了岩体应カ集中，也可导致岩体变形破坏，此外,岩体在一定应カ条件下随时间的延长也可能发生蠕变破坏。因此，岩石工程稳定的条件包括岩石的应カ与位移均要保持在其允许的范围之内。a»u 281%!xVU(7-1-2)式中,〇ゆ和"ー为岩石工程围岩或支护的最大或最危险应力和位移;S和U为围岩或支护所允许的最大应カ(包括压应カ、剪应カ和拉应カ)和最大位移。地下岩石工程支护就是要保证工程的围岩或支护体本身的最大应カ或位移在其允许的最大值之内,并留有一定的安全系数。要精确设计岩石工程支护,就必须了解地下岩石工程自身的特点。与地面工程不同,地下工程有其自己的特点,主要体现在以下几个方面:(1)岩石工程受力特点不同地面工程结构是先有结构，后承载荷载；地下岩石工程是先有荷载,后形成结构。(2)岩石工程特性的不确定性地面工程材料多为人工材料,这些材料在力学性质方面基本可视为均质体,而地下岩石工程的围岩的力学性质不是均质体,其力学性质变化大,处于各向异性。(3)岩石工程荷载的不确定性地面结构所受到的荷载比较明显,其荷载值和变异性与地下工程比相对较小。地下岩石工程的计算与设计，一般难以准确确定作用在岩石工程上的荷载类型和量值。(4)岩石工程破坏模式的不确定性地面工程破坏模式一般容易确定,分为强度破坏、变形破坏、旋转失稳破坏等;地下岩石工程破坏模式难以确定,不仅取决于岩土体结构、地应カ环境、地下水条件，还与支护结构类型、支护时间与施エエ艺密切相关。(5)岩石工程信息不完整性地下工程只能获得局部有限工作面信息、,对整个岩石的性质的具体信息了解不充分。(6)岩石工程信息模糊性节理特征、充填物性质以及岩性的描述等具有模糊性。作为传统支护手段的木支护,在实际生产中日趋减少,而金属支架与混凝土支架,在井巷支护中已得到了较多的应用,特别是井巷的喷浆支护、锚杆支护和喷锚网联合支护作为新的支护方法,已经在我国井巷支护中得到了迅速发展和广泛的应用。二、井巷维护原则1.井巷维护原则井巷的尺寸和形状是根据工程需要、地压大小和方向来确定的。一般井巷工程的尺寸主要是根据设备的尺寸及相应的安全间隙确定的,而井巷的形状选取则往往根据地压的方向和工程需求面定。一般而言,井巷的长轴方向应与最大主应カ方向平行，这样有利于井巷的稳定。为了维护井巷工程的稳定性,通常要遵循以下原则: 282(1)根据用途和服务年限,确定设计标准,进行维护设计不同的井巷工程,其用途也不相同。有些井巷工程需要长期保持稳定,以满足工程需要,而有些井巷工程则只需要在相对长的一段时间内保持稳定就可以满足工程需求,因此,首先要根据井巷工程的用途和相应的服务年限,确定相应的设计标准。在相同岩体条件下,服务年限长或永久工程的支护强度相对较高,而服务年限短的工程的支护强度相对较低。（2）提高井巷围岩自身强度井巷工程都是在一定的岩体中施工，在施工过程中产生的爆破和震动使井巷围岩产生大量裂隙,从而降低了岩体原有的强度,此外,有些岩体在空气中暴露后容易风化，遇水软化,这些不利因素也会降低岩体强度。因此,在掘进井巷时,可采用如下方法提高井巷围岩强度。①快速掘进井巷,减小围岩暴露时间;②及时喷浆封闭井巷暴露面;③采用光面爆破、微差爆破或采用机械钻进的方法,减小对井巷围岩强度的削弱。（3）选择合理的井巷断面形状和尺寸井巷断面的形状主要有梯形、直墙拱形、圆形、椭圆形、马蹄形等。直墙拱形断面能承受较大的顶压,且断面利用率也相对较高,因此,大多数平巷、斜井都采用直墙拱形断面。竖井则多为圆形。在地压较大、围岩不稳的条件下可采用椭圆形和马蹄形的井巷断面。在设计井巷断面形状和尺寸时,为了减小井巷围岩的应カ集中现象,可遵循以下原则:①巷断面的最大尺寸方向与最大主应カ方向一致；②最大主应カ方向的井巷断面选用曲线形状；③在满足工程需要的前提下,尽量缩小井巷断面尺寸。（4）选择合适的支护类型和支护时间由于井巷种类繁多,各种井巷的技术经济条件不同，支护类型也多种多样。主要的支护种类可分为:锚杆支护、喷浆支护、喷锚网联合支护、金属支架支护、钢筋混凝土支护、石材支护和木材支护等。按使用比例和发展方向来看,锚杆或喷锚支护应用最广,应用比例逐步扩大,面石材和木材支护应用比例逐渐减小。在选择支护类型时,要充分发挥各种支护类型的特点。①锚杆或喷锚支护此支护方式具有技术先进、支护成本低、质量可靠、应用范围广等特点,在世界各国矿山、铁路、地下建筑以及水利工程等方面有广泛使用。②金属支架支护金属支架具有架设方便,承载能力大,在地压不太大的情况下还可以回收利用,经整形后可以循环使用。因而可以降低支护成本。这种支架可以根据巷道断面形状及大小分为几段,加工成装配式的可缩性支架,以利于架设及承受较大的地压。这种支架消耗钢材较多,因此还不宜过多使用。③钢筋混凝土支护此支护方式具有整体性好，承压能力大，材料来源广的特点,但是这种支护方式的材料消耗大,施工复杂,エ序多，因此,主要用于大跨度的重要井巷和洞室的支护。 283④木材支架支护木材支架加工方便,架设容易,但木材消耗量大,服务年限短,难以支撑较大的地压,在环保优先的形势下,应尽量少用木材支护。支护时间根据围岩的力学特性,在充分保证巷道围岩稳固的前提下,让围岩的有一定的变形,释放围岩自身的变形能，从而可以降低支护强度。1.支护基本原理合理的井巷支护是在保持围岩稳定的情况下,充分发挥围岩的自承能力,使支架的强度达到最小。根据围岩与支架共同作用原理可知，变形地压的大小与支护方法和支架特性密切相关。在支架与围岩密贴的条件下,围岩与支架构成共同承载体，共同变形,共同承担全部地压。在围岩稳定条件下,若原岩应カ为p。,支护抗力为p“则围岩的自承能力为p。ーP,。轴对称园巷周边的弹塑性位移u。与围岩自身的力学性质、原岩应カ及支护抗カ有关。(p.+c・cot。)(l-sin(d&(7-1-3)Pi+c・cos0式中，u。为圆形巷道周边位移，m；c,。为围岩的内聚力和内摩擦角;P。为原岩应カ,MPa；R。为圆形巷道半径,m；G为围岩巷道的剪切模量,MPa；ア:为支架支护抗力,MPa。由公式（7-1-3）可得到井巷周边围岩位移u。和支护抗力p,的关系曲线,如图7-1-1所示 284图7-1-1轴对称圆巷围岩与支架共同作用曲线aー围岩特征曲线:bー支护工作曲线;dー围岩脱落点图7-1-1中的支护工作曲线的刚度与支架本身材料的性质和尺寸有关,一般支架的厚度越大,则支架的工作曲线越陡。由于围岩的特性曲线是一定的,而支护工作曲线则是人为可以控制的,因此，在选择合适的支护时间和支架刚度就是井巷支护的重点。(1)合适的支护时间从图7-1-1中可以看出,支护刚度越大,时间越早,则支架所承受的地压也就越大,其相应消耗的支护材料也越多,增加支护成本。支护时间推迟,支护刚度降低，则支架所承受的地压就越小，其消耗的支护材料就越小，从而降低支护成本。(2)支护刚度支架的支护刚度与支架的半径、支护材料性质及支架厚度有关。支架的厚度越大,则支护刚度越大,消耗的材料越多,支护成本增加。支架刚度不能无限减小,支护刚度必须确保支护工作曲线与围岩特征曲线的交点在围岩脱落点d之前,已保证围岩的稳定。目前喷锚支护在国内外得到广泛的应用。喷射混凝土支护的喷层厚度较小,属于柔性支护,它与井巷围岩密贴,因此,喷层与围岩形成共同承载体,它们共同变形,共同承受全部地压。三、支架和锚索支护1,支架支护井巷支护所用的支架包括金属支架、木材支架、石材支架、混凝土支架和钢筋混凝土支架。 285(1)金属支架井巷所使用的金属支架可分为矿用工字钢支架和U型钢支架。金属支架能承受较大的地压。①矿用工字钢支架矿用工字钢是井巷支架的专用材料,主要用于制造刚性支架,也可用于可缩性支架。工字钢支架主要用于梯形巷道,因而其支架结构一般为梯形搭接的结构,。少数情况下,也可做成拱形支架,各梁间搭接成可缩结构,或用螺栓固定成刚性结构。②U型钢支架U型钢具有良好的断面形状和几何参数,搭接后易于收缩，因此,适于制作可缩性支架。U型钢可缩性支架在遇到应カ高峰时,支架可收缩,以释放围岩压カ,自动参与围岩应カ调整,在经过大变形后仍能保持足够的承载能力。因而支架结构可很好适应围岩大变形、高地压的特点。由于U型钢支架加工容易,故所支护的井巷断面形状也较多。可用于直墙拱形、马蹄形、圆形、梯形,如图7-1-2所示为圆形可缩性支架。图7-1-2圆形可缩性支架③金属支架承载能力的影响因素a.井巷断面形状的影响。同一种材质的金属支架在不同井巷断面形状的承载能力明显不同，当载荷均匀分布时,整个支架承载能力以圆形支架最高。当载荷形式是肩压大(即四个角的压カ大)时,整个支架的承载能力以方环形支架为最高。当载荷为侧压或顶压大时,两者的承压能力差不多。因方环形支架加工、运输和架设困难等缺点,一般仅在围岩压カ较大、其他支架失效时采用。b,井巷面积的影响。在型钢和断面形状相同的条件下,支架承载能力随断面增加而降低。 286c.型钢型号的影响。支架承载能力随型钢重量增加而增加。d.外载荷作用形式的影响。支架在外载荷作用下的受力状态分四种类型，其中圆周上均布载荷越多,其承载能力越大。e.壁后充填填实情况的影响。U型钢壁后充填填实情况对支架承载能力影响很大。如果壁后填实不好,则大大影响支架承载能力的发挥，有的甚至造成支架失效。f.支架架设质量的影响。支架架设质量,如卡缆螺母是否有足够的扭矩，支架架设是否平正,能否形成支架、拉杆、背板和壁后充填的有机统ー。有些井巷由于支架不配套,达不到支护的预期效果。(2)混凝土支架混凝土支架曾经是井巷工程中竖井、井底车场、各种碉室等的传统支护方法。混凝土在未凝固前具有良好的塑性,可以在现场直接浇灌成拱形、圆形的整体支架，也可以浇灌成各种混凝土预制块,再砌筑成巷道支架。现场浇筑的混凝土支架和混凝土砌筑支架都是整体性支架,对围岩能起到封闭和防止风化的作用。这种支架的优点是坚固、耐用、防火、服务期长,缺点是施工速度慢、断面利用率低、刚性过大、可缩性太小,不能承受剧烈动压。混凝土是胶结材料、水、细骨料和粗骨料按适当比例配合的混合物,经过硬化后形成的一种人工石材。井巷支护广泛采用水泥作为其胶结材料。①水泥水泥是混凝土中的胶结材料,矿山常用的水泥为普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰质硅酸盐水泥。②细骨料细骨料是指颗粒粒径在0.15〜5.0mm的天然砂石，如河砂、海砂以及山砂,其中以河砂应用较多。为了确保混凝土支架的质量,必须保证混凝土中的骨料的质量,不含或少含有害杂质。③粗骨料粗骨料是指颗粒粒径大于5mm的石子。粗骨料有卵石和碎石两种。卵石表面光滑,少棱角,空隙率和表面积小,与水泥浆的粘结カ较差,故用以配制的混凝土强度低。④水在拌制和养护混凝土用的水中,不得含有影响水泥正常凝结硬化的有害杂质或油脂糖类等物质,通常能饮用的自来水和洁净的天然水均可使用。在钢筋混凝土及预应カ钢筋混凝土中,不得用海水伴制混凝土。天然矿物水需要经试验符合要求才能使用。(3)注浆加固①注浆加固作用机理 287有时其他支护方法难以解决松软破碎岩体中的井巷工程稳定问题,可以采用注浆加固的办法，即在围岩内钻凿炮孔,对炮孔进行压カ注浆，浆液沿着裂隙进入围岩体内，从而将破碎岩体胶结成整体,大大提高了岩体的强度。围岩注浆的主要作用机理有:a.加大弱面上的摩擦カ,提高围岩的内聚力和内摩擦角,从而提高围岩的整体稳定性。b.浆液在裂隙中充填、加固后封闭裂隙，阻止水浸入岩体对岩体产生弱化作用，也阻止了围岩的进ー步风化。c.对破碎松散岩体，由于浆液在裂隙中的胶结作用,使破碎岩块重新胶结成整块，形成一个可以承受外载荷的注浆壳，使之于巷道支架共同承载,充分发挥围岩的自稳能力。②注浆材料围岩注浆加固所使用的材料主要由水泥浆液和化学浆液。化学浆液汁主要有水玻璃、服醛树脂类、珞木素类、氧化镁烯酰胺类、聚氨酯类、环氧树脂类等。浆液在松散介质中的渗透的难易程度,一方面取决于浆液本身的粘度,另一方面取决于松散介质的渗透系数(与裂隙发育程度有关)的大小。注浆时浆液首先进入大裂隙，但扩散不太远就会凝固封闭，堵塞大裂隙通道,面后浆液被压入小裂隙,注浆材料的消耗量少而注浆效果更好。(3)注浆エ艺①注浆孔布置注浆孔布置参数包括孔径、孔深、孔间距和孔的排列方式。注浆孔多为小孔,孔径通常为42〜60mm,可采用普通风钻或小型钻机钻孔。孔深主要根据被加固岩层的松动圈深度面定,一般选取加固深度与松动圈深度大体相当。松动圈深度可以采用声波测试仪在现场测定。如果松动圈较深,面围岩较破碎，打深孔较困难,则可采取由浅入深分段打眼、分段注浆固结的方法,每段注浆深度不超过2m。②注浆管安装与钻孔孔内的注浆管多采用普通钢管。管的外径比孔径小10mm左右，以利于插管。管的孔底端应呈圆锥形，四壁应钻有放射状径向小孔,孔径为3〜8mm,以便使浆液经小孔进入围岩。③浆液配制与注浆注水泥浆液时,一般采用单液泵。注水泥水玻璃和化学浆液时,需要采用双液泵系统,在注浆泵出口管以外，应设一组混合器以保证浆液混合均匀。起始注浆压カー般为0.8〜IMPa,终止注浆的压カ为1.5〜2MPa。④清洗设备与管路在注浆结束后关闭注浆钢管上的阀门，然后拆卸及清洗设备和管路,或进行其他孔的注浆工作。注浆效果可采取打检查孔钻取岩芯或切槽开挖的方法进行检査。(4)钢筋混凝土支架 288由混凝土与钢筋结合在一起制作的支架称为钢筋混凝土支架。包括现场浇筑的整体支架、装配式弧板支架和装配式普通支架。预应カ钢筋混凝土支架与混凝土支架相比，具有较高的抗拉强度，但是仍具有刚性及脆性大、可缩性差、施工速度慢等缺点。(5)石材支架砖石砌体支架属于连续整体支架,对围岩能起到封闭、防止围岩风化的作用。(6)木支架木材支架的优点是重量轻、有一定的强度、加工容易、架设方便，适用于多变的地下作业条件,缺点是承载能力低，不能防火、易腐烂、服务年限短。1.锚索支护锚索是抑制开挖后岩体变形和对失稳岩体进行加固的有效措施。随着深孔凿岩和注浆技术的发展,锚索支护在国内外得到了广泛的应用。(1)锚索结构锚索支护构件是在被加固的岩体中钻凿ー个具有一定直径的深孔,然后将带有锚头的钢绳或钢绞线ー并放入孔中经张拉锁定，达到加固岩体的目的,或用水泥砂浆注满全孔,将钢绳或钢绞线固结在其中，待其固结后即可对失稳岩体起到加固作用。如图7-1-3所示,锚索支护结构主要包括锚头、杆体、架线环、止浆阀、孔口承压扳、锚固块与锚塞。 289弟.次（预应カ后）灌浆段案一次（预应カ前）灌浆段图7-1-3典型的岩石锚索装置1一高抗拉强度钢丝绳;2ー钢丝绳集束在ー起,便于锚索放入;3ー锚固段（第一次灌浆段）；4ー钻孔;5ー灌浆管端头;6ー钢筋混凝土承载墩座;7ー带有导向板的承载板;8ー锚固块:9-灌浆管（2）锚索的锚固カ锚固カ的大小与锚孔直径,水泥砂浆的配比以及钢丝绳或钢绞线的粗细有关。①粘结强度。是指单位粘结面积上的粘结カ。它与水泥砂浆的标号,被粘结的岩石表面粗糙度有关。②握裹カ。是指水泥砂浆固结后,水泥砂浆对其所包裹的钢丝绳或钢绞线等芯材的ー种约束カ。握裹力的大小与钢丝绳或钢绞线的表面状态，表面积大小以及水泥标号和水泥砂浆的配比有关。（3）锚索施工锚索施工主要包括锚孔钻凿、锚索张拉和砂浆灌注等工艺。①锚孔钻凿根据设计所确定的锚孔直径,孔深及孔的倾角和岩层性质以及施工场地大小选择钻孔设备。铁路隧道、输水涵洞、大断面地下胴室,水工大坝以及露天边坡等场所的岩体锚固时大都采用大直径深孔，其孔径多为100〜130mm,孔深多为15〜60m或更深。对于作为临时支护的锚索孔,如采场支护的锚索孔,其钻孔质量要求不高,但对于作为永久支护的锚索孔,则钻孔质量要求严格。锚索孔的质量问题主要表现为孔偏离设计轴线和孔弯曲。一般采用潜孔钻机,可以取得良好的钻孔质量。②砂浆灌注a.水泥砂浆的成分及配比。水泥砂浆由水、水泥和黄砂组成。水的质量要符合要求,硫酸盐含量不得超过0.1%,氯盐含量不超过0.5%,水中不含糖分或悬浮有机物。 290水泥应当使用新鲜的未经长期贮存的高标号硅酸盐水泥。若施工对水泥类别有特殊要求时,如耐酸碱和抗低温等,则应使用相应的特种水泥。水泥砂浆中使用的砂,要求质地坚硬、洁净,一般均采用河砂,其细度模数为2.5〜3.2的中砂为宜。水泥砂浆的配比变化不大。水泥砂浆采用的水灰比为0.4〜0.45,灰砂比为1〜1.5。b.水泥砂浆的配制。在配制水泥砂浆时对水泥和砂子应严格过筛,根据泵送设备和输送管道的要求筛除不合格的颗粒,避免用人工搅拌水泥砂浆。将最佳用水量先行倒入搅拌机,再将称重后的水泥和砂子倒入搅拌机,搅拌时间依搅拌机型号而异，但不得少于2min,确保水与水泥完全混合，并生产稠度均匀的水泥砂浆。搅拌后的水泥砂浆应立即使用，或置于专门的容器内,并保持缓慢的搅拌状态，否则将发生离析沉淀现象。c.注浆。注浆有两种形式,即后退式注浆和前进式注浆。第一,后退式注浆后退式注浆エ艺是在锚索孔钻成后,将钢绳或钢绞线送至孔底,如为上向深孔,则应将钢丝绳或钢绞线中的数支钢丝弯成倒钩形状,送至孔底,借助倒钩使钢丝绳或钢绞线悬挂于孔中,然后将聚氯乙烯高压注浆管插至孔底，开启气阀,将一定数量的水泥砂浆自注浆罐压入锚索孔。此后将注浆管撤一段距离，并重新向注浆罐倒入一定水泥砂浆，再一次将浆压入锚索孔，如此间断地自孔底向孔口后退,并将整个锚索孔注满。一般后退式注浆采用注浆罐注浆，其设备和エ艺简单，但劳动强度大，锚孔注满系数低。第二，前进式注浆前进式注浆エ艺采用注浆泵注浆。当锚索孔钻成后,将钢丝绳或钢绞线连同排气塑料管ー并送至孔底，用木质封孔塞封堵锚索孔，注浆管通过封孔塞上的注浆孔插入至孔口,而排气管通过封孔塞上的排气孔通至孔外。水泥砂浆搅拌后均匀倒入专门的受浆容器，注浆泵自该容器吸入砂浆,经泵体、注浆管送至孔口位置,水泥砂浆在注浆泵压力的作用下逐渐向孔底移动，此时,孔内的空气则通过排气管排至孔外。在孔外端的排气管通入一盛有水的透明容器,自该容器中有气泡逸出即证明气体自封堵的锚索孔中排出,当发现自排气管有水泥砂浆排出或排气终止,即说明该孔已被砂浆注满。前进式注浆工艺的注浆质量好,注浆密实度高，其输送距离可达200多m,垂直输送高度超过40m。四、喷锚支护1.概述喷锚支护是指在井巷表面喷射混凝土或在井巷围岩中安装锚杆来支护巷道,也可以采 291用喷射混凝土和安装锚杆的联合支护,喷锚支护还可以与其他支护手段联合应用。喷锚支护是目前先进的支护手段。喷射混凝土是借助喷射机,利用压缩空气作动カ,将一定配合比的拌合料,通过管道输送,并以高速(30〜120m/s)喷射到岩石表面或其他受喷面上,经过凝结硬化而成的ー种混凝土。这种混凝土实际上是ー层紧密贴在岩面上的高强度薄层混凝土。锚杆是ー种锚固在岩体内部的杆状支架。锚杆支护是通过锚入岩体内部的锚杆,达到改善围岩受力状态,实现加固围岩,维护巷道的目的。(1)喷射混凝土的适用条件及其エ艺①适用条件喷射混凝土或喷锚支护可用于不同类别的围岩、不同工作条件和不同工程跨度的井巷工程、碉室。但是在下膨胀性岩体、未胶结的松散状岩体、有严重湿陷性的黄土层、有大面积淋水地段、能引起严重的腐蚀地段以及严寒地区的冻胀岩体中不宜采用喷射混凝土作永久支护。在稳定性较差的岩体中使用喷射混凝土支护时,常在喷射混凝土中加配钢筋，或采用喷锚支护或喷锚网联合支护。在喷层中使用钢筋的作用是提高喷射混凝土的整体性能，增加喷层的抗弯强度。钢筋的网度为150〜300mm。当井巷围岩为塑性流变岩体，或受开挖扰动影响,或有高速水流冲刷的地段,宜采用钢纤维喷射混凝土支护。②施エエ艺喷射混凝土施エエ艺有三种方案,即干式喷射、半湿式喷射和湿式喷射。a.干式喷射工艺。指水泥、砂、石干混合料经过搅拌，借助风压和管道输送至喷头,在喷头处与水混合后喷射到岩石表面。这种エ艺的回弹率高，工作面粉尘浓度大，使用量逐渐减少。b.半湿式喷射工艺。指在上述干混合料中加入一定量的水(水量为0.15〜0.25倍的水泥重量),经过喷射机,输送管道至喷头,在喷头处再次加入一定量的水,然后喷射到岩壁上,此エ艺的回弹率大为减少,粉尘浓度也明显降低。c.湿式喷射エ艺。是指在搅拌时,一次将水加到应加的水量,然后经充分搅拌,再输送、喷射到岩壁。这种喷射工艺的回弹率小，工作面上的粉尘也不会因喷射混凝土面增加,但是有时输送管道堵塞,影响正常作业。(2)喷射混凝土的原材料及配比喷射混凝土的原材料由水泥、砂子、石子、水和速凝剂等材料组成。①水泥喷射混凝土选用的水泥品种和标号应根据工程的要求而定。喷射混凝土所用水泥一般要求有良好的粘结性、早期强度高、凝结硬化快、收缩变形小,对速凝剂的适应性能好。因此,一般选用标号不低于42.5号的新鲜的普通硅酸盐水泥作为喷射水泥原材料。②砂子 292喷射混凝土所用的砂子通常为0.35〜0.5mm的中砂。不宜选用细砂,因为细砂的比表面积大,同体积的细砂比中砂所需要的水泥量大，而且容易使混凝土内出现收缩变形甚至开裂，严重影响喷射混凝土的强度。③石子石子一般选用坚硬的卵石或碎石。碎石表面粗糙,容易与混凝土中的水泥砂浆凝结，因此，喷射的混凝土的回弹率较小，强度较大,但这种材料在管道内输送过程中容易堵管,也增加了管道的磨损。④水喷射混凝土的用水质量与普通混凝土的要求相同,通常能饮用的自来水和洁净的天然水均可使用。⑤速凝剂喷射混凝土中的速凝剂的主要作用是使喷射的混凝土凝结硬化更快,防止或减少喷到岩壁上的混凝土因自重而产生脱落，减少回弹率。它可以提高混凝土的早期强度,使其对围岩提供及时的支护抗力。⑥减水剂减水剂是ー种表面活性剂,其作用是使混凝土的和易性得到改善,提高混凝土的早期强度,改进混凝土的不透水性和抗冻性,并能降低回弹率。⑦配比在选择混凝土配比时,要以提高其强度和粘结カ、减少回弹率、降低粉尘浓度，并降低成本为目标。可根据喷射部位的不同采用不同的配比。(3)喷射混凝土施工①喷射风压喷射混凝土时,有一部分砂石水泥会脱离岩面,即产生回弹，影响混凝土的强度。混凝土喷射时的风压与混凝土的回弹率和混凝土的抗压强度有关。正确控制风压,可以减少混凝土的回弹和粉尘，保证混凝土质量。②水压一般水压比风压高O.IMPa左右,以保证干混合料在喷射出的瞬间得到充分湿润。通常喷头供水压カ为0.25MPao③喷头与受喷面的距离当输料管道长为20m,风压为0.1〜0.13MPa时,其距离为1m左右为宜。④喷头与受喷面的夹角喷头垂直受喷面为最好,否则回弹率高。⑤ー次喷射厚度一次喷射的厚度与喷射方向有关,水平方向的喷层厚度大,垂直方向的喷层厚度小,如图 2937-1-4所示。⑥两次喷射的时间间隔喷射混凝土壁厚不是一次喷成的,相邻两次喷射的时间根据速凝剂而定,以稍大于混凝土终凝时间为好。图7-1-4一次喷射厚度与喷射方向的关系(4)喷射混凝土的施工组织与管理①喷射混凝土的准备工作首先用压力水清洗岩壁,埋设检査喷层厚度的指针。清除两帮壁下的肝石或回弹物,检查风水管路与照明、防尘措施及操作人员的防护用具等。②喷射作业操作喷头是要掌握好喷射角,距离和喷射顺序;先开水阀，后开压气阀，调整好水灰比;喷射的顺序是先墙后拱,由下而上呈螺旋状轨迹移动。喷射施工时,应合理划分区段,一般6m为一段。③喷射混凝土的养护一般在混凝土终凝后开始洒水养护,养护期间应经常保持混凝土表面湿润。当采用普通硅酸盐水泥,且空气湿度大于95%时,养护时间不少于10昼夜,在干燥地段的养护时间要大于10昼夜。(5)锚杆支护根据锚杆的使用特征,可将锚杆分为四大类,即点锚式锚杆、全长粘结式锚杆、摩擦式全长锚固锚杆和综合式锚杆。锚杆杆体常用圆钢、螺纹钢和钢管制成。锚杆多为¢16〜30mm 294锚杆的另ー个组件是托板。托板中心为锚杆孔,孔径稍大于锚杆体直径,以便锚杆能穿过锚孔。(6)软岩支护软岩是指强度低的岩体，是松散、破碎、膨胀、流变、强风化蚀变以及高地应カ岩体的总称。处在软岩中的井巷工程支护难度大。一般需要进行喷锚网联合支护或多次支护,才能保证井巷工程的稳定。软岩的基本特性包括重塑性、崩解性、胀缩性、流变性。在实际工程中，软岩往往具有各种特性的综合效应，但有主次之分。软岩支护的基本方法主要包括选择合理的井巷断面、加强地下水管理、选择能主动加固围岩的高阻可缩支架支护、采用二次支护方法、加强监控量测指导施工、锚注、喷锚网联合支护。1.喷层和锚杆的力学作用喷锚支护是近代井巷工程支护的主要手段，喷浆和锚杆支护的力学作用各不相同,两者相互配合,能支护地压更大的井巷工程。(1)喷浆支护的力学作用作为井巷支护的喷射混凝土,其主要作用是保护与加固围岩,改善围岩的应カ状态，充分发挥围岩的自承能力，从而达到维护井巷稳定的目的。①保护和加固围岩井巷掘进后立即喷射ー层混凝土,可以及时封闭井巷围岩的暴露面。喷层与岩壁密贴,有效隔绝了水和空气对围岩的影响,防止围岩的潮解风化产生的膨胀和剥落,部分混凝土砂浆渗入围岩中裂隙,胶结加固裂隙,从面起到加固围岩的作用。②改善围岩应カ状态喷射的混凝土砂浆能及时凝固,给围岩提供了支护抗力,使围岩由二向受力状态转变为三向受力状态,提高了围岩的承载能力。③提高围岩的自承能力由于喷浆支护可使围岩在未破坏前的变形较大,从而提高了围岩的自承能力,降低了支架的支护强度。(2)锚杆支护的力学作用锚杆支护井巷的力学作用主要包括锚杆的悬吊作用、组合作用和挤压加固作用。①悬吊作用在块状结构或裂隙岩体中，锚杆将松动岩块悬吊在较稳固的深部岩体里,如图7-1-5所示,从而实现对松动岩块的加固。②组合作用在层状岩层中安装锚杆,把数层岩石锚固在ー起，形成组合梁,使其层间的摩擦カ增 295大,提高了组合岩层的抗弯能力。图7-1-5锚杆悬吊松动岩块图7-1-6锚杆的组合作用B一井巷宽度;tー组合层厚度;Lー锚固段长度;Lー锚杆外露长度假设有n层等厚度板,则组合前n层板的总抗弯断面模量为W.oー〃,6心’'-6(7-1-4) 296式中,Wi为组合前n层板的总抗弯断面模量;n为组合板层数；b为板的宽度;h为板的高度。组合梁的抗弯断面模量为W?2~6(7-1-5)由式(7-1-4)和式(7-1-5)可得%="•%(7-1-6)由式(7-1-6)可见，组合后的岩层的抗弯能力增加。这种组合梁内的最大弯曲应变和应力大大降低。③挤压加固作用预应カ锚杆以一定的布置方式安装在松软岩层中,对围岩产生挤压,形成一个承载拱,起到拱形支架的作用,如图7-1-7所示。图7-1-7锚杆承载组合拱原理1ー锚杆;2ー承载组合拱在该承载拱中的岩石在锚杆的预应力作用下处于三向应カ状态,因而提高了围岩的强度。锚杆的有效作用范围是与锚杆成45。角的锥体部分。非预应カ的粘结式锚杆(如砂浆锚杆),由于其前后两端围岩的位移量不同,而使锚杆受拉,与此同时,锚杆向围岩提供ー个相应的支护抗力,使锚固区围岩处于径向受压,从而提高了围岩强度。 2973.喷锚设计计算喷锚设计计算分为锚杆支护设计计算,喷射混凝土支护设计计算和喷锚联合支护计算。(1)锚杆支护设计计算锚杆支护设计参数的确定，主要根据所需要的锚固カ大小来确定锚杆的直径、长度、间距和锚杆安装时间以及布置方式。主要借助于经验公式来确定锚杆的直径、长度、间距。①锚杆参数的经验公式根据国内外锚杆支护的经验和实例,对跨度小于10m的井巷工程,可按下述经验公式计算锚杆参数。a.锚杆长度Lい…1.1+令(7.1.7)L>2-s(7-1-8)式中,B为井巷跨度,m；n为围岩稳定性参数,对于稳定性较好的围岩,n=l,对于稳定性较差的围岩,n=l.l,对于不稳定围岩,n=1.2；s为围岩岩体的节理间距,m；L为锚杆长度,mo锚杆设计长度取上两经验公式计算值较大的ー个。在国内的井巷工程中，L=1.5〜2.0m:在采场中,L=2.〇〜3.0m:在大铜室中,L=2〜5m。b.锚杆间距D。近0.5厶(7-1-9)0<3/(7-1-10)式中,D为锚杆间距，m；s’为围岩岩体的裂隙间距,m；L为锚杆长度，m。锚杆设计间距取上两经验公式计算值较小的ー个。在国内的井巷工程中,D=0.8〜1.0m；最大不超过1.5m。c,锚杆直径dd=JL_~110(7-1-11)以上经验公式计算出的锚杆的参数没有考虑锚固カ,因此,所选用的锚杆参数,还必须经过理论计算检验。②锚杆参数的理论计算a.悬吊加固计算根据锚杆的悬吊作用原理,锚杆将不稳固的松动岩块悬吊在深部稳定岩层中。悬吊计算的基本原理是锚杆所能提供的悬吊カ应大于松动岩块重量,且安全系数取1.5〜2(粘结式锚杆取1.5,非粘结式锚杆取2)。b.侧锚加固计算侧锚加固松动岩块的计算如图7-1-8所示。主要根据滑块滑移面上的总摩擦カ大于滑 298块的下滑カ,则滑块处于稳定状态。总摩擦カ为滑面本身具有的抗剪强度与锚杆提供的摩擦カ和上拉カ之和。图7-1-8侧锚加固松动岩块滑块需要的锚杆的总载荷为To_IF（n-sinff~,tatゆ）-C,Acos®•tan0+sin"（7-1-12）式中,W为滑块岩块的重力,N；n为安全系数,取L5〜2；0为滑移面倾角,（°）；°为滑移面内摩擦角,（0）;。为滑移面法线与锚杆方向夹角,（0）；A为滑动岩块的滑动面积，nv；C为滑移面的内聚カ,Pa；T为滑块需要的锚杆总载荷,Noc.组合梁加固计算。对于层状岩体,锚杆的组合梁作用明显。因此,在层状岩体中采用锚杆支护,以降低顶板岩层的拉应カ。组合梁的有效厚度t（见图7-1-8）,可按式（7-1-13）计算。1=0.6128-7…’6（7-1-13）式中，B为井巷跨度,m；m为安全系数,掘进机掘进时取2〜3,爆破法掘进时取3-5,受采动影响的井巷取5〜6；p为组合梁所受垂直载荷（忽略侧压），MPa;“为抗拉强度折减系数,取0.6〜0.8;〇,为顶板岩层的抗拉强度,MPa；t为组合梁的有效组合厚度，m；b为与组合岩层层数有关的系数。则锚杆长度L应满足式（7-1-14）Lヨ。+2+ム（7-1-14）式中，し为锚杆外露长度,m；し为顶锚端长度,一般取0.3〜0.4m；t为组合梁的 299有效组合厚度,m。锚杆间距D应满足式(7-1-15)りW1.63叫7nmm1(7-1-15)式中,O,为顶板表层岩体的抗拉强度,Pa;ル为安全系数,取8〜10;中为表层岩体抗拉强度折减系数，取0.3〜0.4；mi为顶板表层岩体厚度,m；n为表层岩体单位体积的重力,N-m-3；D为锚杆间距,m。锚杆锚固カQ应满足QNp•L,"(7-1-16)式中的符号意义同上。组合梁锚杆应尽量选用对表层有较强加固作用、有预拉应カ、有坚固顶锚カ(如管楔式锚杆、预拉应カ灌浆锚杆),以提高表层的强度系数和承载能力。(2)单ー喷射混凝土支护设计计算喷射混凝土支护设计有3种方法,即以围岩分类为基础的工程类比法；以计算为基础的理论分析法和以测量为基础的现场监控法。为了做出经济有效并符合实际的设计,往往需要两种甚至三种设计方法结合使用。①工程类比法工程类比法是目前应用最广的设计方法，它是根据已经建成的类似工程经验直接提出支护设计参数。②理论分析法喷射混凝土支护坚硬裂隙岩体主要是防止局部松动岩块滑移坠落,喷射混凝土支护软弱破碎岩体则主要是防止围岩整体失稳。因此,理论分析计算包括两部分:a.坚硬裂隙岩体中喷射混凝土支护设计在坚硬裂隙岩体中,围岩的坠落常常从某一局部不稳定危岩的坠落开始,因此,一旦能阻止不稳定岩块的滑移和坠落,就可以维持围岩的稳定。这就要求喷层抗剪强度大于由岩块引起的剪切破坏,因此,喷层厚度除按工程类比法确定外,还应按下式进行验算。按冲切破坏计算喷层厚度:LK•Wん妾ー0.75•M•(7-1-17)式中,h为喷射混凝土厚度,m；K为安全系数,可取K=2；W为可能坠落岩块的重力，N；u为可能坠落岩块与喷射混凝土的接触周长,m;。し为喷射混凝土设计抗拉强度,Pa0b.软弱破碎岩体中喷射混凝土支护设计 300软弱破碎井巷中喷射混凝土支护设计主要考虑两种不同的情况,即侧压系数レ1和入＜0.8的两种情况。当侧压系数入时、按喷层内壁的切向应カ应小于喷层的单轴抗压强度计算喷层厚度。当侧压系数入＜0.8时,按拉布希维次的剪切破坏理论计算喷层厚度。③现场监控法现场监控法是指把喷锚支护的设计同现场测量紧密结合起来,通过现场量测,及时掌握围岩变形规律及支护受カ情况,为修改支护设计和指导施工提供信息。这种设计方法特别适用于软弱围岩（塑性流变围岩）中的巷道喷锚支护设计。支护设计包括预先设计与最终设计，预先设计是施工前根据经验或辅以理论计算,对初期支护的类型、参数、施工程序、工程量测方法进行设计,对后期支护类型进行预估计。最终设计是根据监测得到的信息,调整初期支护,设计后期支护（包括确定后期支护的类型、参数、施施工时间及仰拱闭合时间）。因此,现场监控设计,实际就是最终设计，又称为信息化设计。监测的主要内容包括巷道收敛测量、巷道围岩位移测量、喷层应カ测量和测量数据的反馈与应用。a.巷道收敛测量巷道收敛测量是测量巷道周边相对应的两点之间的距离变化,此项工作必须紧跟工作面迅速安装收敛计测点。收敛测量可采用机械式收敛计、伸缩测量杆和带钢尺进行测量。b.巷道围岩位移测量主要测量围岩表面及其内部发生的位移,一般用机械式、电阻式或电感式钻孔位移计进行测量。c.喷层应カ测量主要测量喷层间的切向应カ、围岩与喷层问的径向应カ。切向应カ可采用小应变计测量,径向压カ可采用压カ枕测量。d.测量数据的反馈与应用测量数据反馈到设计和施工,完成最终支护设计并指导施工。测量数据可以用来评价围岩的稳定性、确定二次支护时间、调整施工方法和支护时机,调整喷层厚度等。（3）喷锚支护设计井巷支护设计包括锚杆支护设计、喷浆支护设计、喷锚支护设计和喷锚网支护设计。3.喷锚支护类型选择喷射混凝土或喷射混凝土与锚杆联合支护可用于不同围岩类别,不同工作条件和不同工程跨度的井巷、碉室、采场工程。首先确定所要支护围岩的稳定程度,然后根据围岩的稳定性和井巷跨度，选择喷锚支护类型。五、监测与治理 301井巷压カ监测就是利用仪表实测巷道的围岩应力分布特征、围岩变形、支架受载及压缩等ー系列压カ显现。采用合理的数学方法对各种井巷压カ显现信息进行分析,总结井巷压カ显现规律,预报井巷压カ显现的发展趋势,用以解决具体的生产实际问题。监测的主要内容包括岩体位移测量和应カ测量。3.位移监测井巷围岩变形是应カ状态变化的最直观的反映,也是分析井巷稳定性的可靠信息。位移监测的仪器有测量井巷表面两点之间相对位移的收敛计、顶板沉降仪,以及测量围岩内部位移的多点位移汁。（1）井巷表面位移测量井巷表面位移测量可采用收敛计和顶板岩层沉降仪进行测量，所测的数据反映井巷围岩表面的相对移动情况。①收敛计收敛计主要用于测量井巷壁面上两点之间的距离的变化。收敛计主要由四部分组成，即壁面测点和球较连接部分、张紧弹簧（包括指示百分表）、螺旋调距部分和钢带尺架（包括带孔钢尺和钢尺限位装置等）。②顶板沉降仪顶板沉降仪是ー种普及型机械式高灵敏度、大量程位移计,主要用来监测井巷顶底板相对位移量、位移速度,其测量数据可以研究顶板活动规律。（2）围岩内部位移测量进行围岩内部测量时必须在围岩内打观测钻孔，在孔内不同深度布置若干测点,利用测试仪器和机具在孔外测定各测点的位移情况。围岩内部位移测量的主要仪器为多点位移计,该仪器可以测量围岩表面和围岩内部不同深度的位移量、位移速度。它可以确定围岩的位移随深度变化的关系,从而确定移动范围。①多点位移计结构多点位移计由连接件、测点锚固器和测量头组成。测点锚固器的作用是将测点固定在钻孔的预测深度上,锚固器有木锚固器、注浆式锚固器、机械式锚固器和混合式锚固器。连接件将测点锚固器与测量头连接起来,连接件有钢丝连接件（丝径0.5〜1mm）和杆式连接件（8~12mm的圆钢）。测量头是在孔口监测钻孔内各个测点位移的装置。测得各点的位移量是钻孔口至各测点的相对位移量,是以孔口固定板为基准的，所以测量头必须牢固可靠地固定在孔口处。测量各测点对孔口的相对位移后，可换算出各点对于孔底固定点的相对位移或绝对位移量。②测量原理 302多点位移计安装完毕后,各测点距孔口的初始读数为S。(i代表测点编号,0代表初始读数)，在一定时间后,各测点发生位移,此时第一次测得各点到孔口的距离为Sn,则各点相对于孔口的位移为SrSm,以后每隔一定时间测量各点相对于孔口的距离,则第n次测量后,各测点相对于孔口的位移量为Ss-Sm。经过几次测量后,孔口与测点1之问的总位移量为ス孔口与测点2之间的总位移量为ユ=易"f°,孔口与测点》之间的总位移量为D；=Sn-Sl0。当测点1深度足够大时,其本身的位移量近似为〇,因此,其他测点与测点1之问的相对位移量可近似为该点的绝对位移量。经过n次测量后,各测点的位移量可近似用下式表示。gーりメSr-SP-(S^-Sjq)(7-1-18)式中,ASi为测点i的位移总量;D为孔口与测点i之间的总位移量;Di为孔口与测点I之间的总位移量;Sm为n次测量时测点i的读数;S,。为测点i的初始读数；Su1为n次测量时测点1的读数；Su,为测点1的初始读数。3.应カ监测应カ监测主要包括围岩应カ变化的光弹监测、支架压カ监测、锚杆应カ监测。(1)光弹监测岩体应カ变化岩体绝对应カ是通过解除岩体应カ测得。岩体应カ解除比较复杂,成本高，而且需要较长时间才能得到测量结果。但是,有时井巷工程应カ监测工作只需要测定岩体应カ变化情况,从而了解岩体的稳定状态。这时可采取ー些简单的方法,如光弹应カ计或光应变计测量岩体应カ变化情况。①光弹性应カ计测量岩体应カ变化光弹应カ计是ー个具有反射层的玻璃中空扁圆柱体(光弹片),使用时将其粘结在孔底部的岩壁上,当岩体应カ发生变化时光弹片处于受力状态,用反射式光弹仪可以观测到光弹片上的等差条纹,把它与经过实验室标定的标准条纹进行比较，可以方便地确定应カ变化的比值与方向。在经过有关测定和计算,即可求出岩体的应カ值。②光弹性应カ计光弹性应カ计由普通玻璃作成测片。它由玻璃测片、反射镀层、防潮密封层和木质锥陀组成。玻璃测片和反射镀层用于观测条纹图,木质锥陀用于安装。光弹性应カ计的测片外径为5cm,内径为1cm,厚度为2cm。③光弹性应力计的安装光弹性应カ计安装在平直圆孔内,孔深1m左右为宜,最终孔径不应大于6cm。孔口直径可适当增加,以便于安装。埋设时,在孔底填塞约10cm的水泥砂浆,然后借助于专用工具将应カ计徐徐送入孔内,使木锥陀部分插入水泥砂浆。应カ计正确定位后,取出送入的工具,代以前端垫上数层草纸,小 303锤缓慢敲击该木棒,随着木锥陀的不断插入,被挤压的水泥砂浆填满应カ计与孔壁间的空隙，从而将应カ计与孔壁粘结成整体。④反射式光弹仪反射式光弹仪用于观测应カ计的条纹图。当光弹性应カ计安装在钻孔后,若钻孔周围应カ发生改变,那么,应用反射式光弹仪便可以观测到应カ计中心孔周围会出现ー系列条纹,即等差线图。观测人员记录下这些条纹图,与实验室的标准条纹图进行比较，从而得出岩体的主应カ方向和变化值。（2）支架压カ监测目前井巷支架上的压カ广泛采用钢弦压カ盒来测定。钢弦压カ盒的主要组成部分为金P属工作薄膜1、钢弦柱2、钢弦3、激发磁头4、感应磁头5等组成,如图7-1-9所示。图7-1-9钢弦压カ计图1-工作薄膜;2ー钢弦柱:3ー钢弦;4ー激发磁头;5ー感应磁头;6ー橡胶垫当压カ作用在压カ盒底部工作薄膜上时,工作膜受カ向外绕曲,使钢弦拉紧,钢弦内应カ和自振频率相应发生变化。根据弹性理论,钢弦受拉力作用的自振频率,可表示为压カ盒工作膜所受到的压カp的函数。J=v/G+R•P(7-1-19) 304式中,f。,f为压カ盒受压前后钢弦的振动频率,Hz；R为压カ盒的系数,实验室标定:p为压カ盒所受到的压カ,kN〇通过公式(7-1-19)就可以得出钢弦压カ盒的p-f曲线。压カ盒中的钢弦自振频率是用频率仪测定，由频率仪显小的钢弦振动频率f,就可由式(7-1-19)所标定的p-f曲线可得p值。(3)锚杆应カ监测锚杆应カ测量主要测量锚杆应カ和锚固カ。锚杆的应カー般采用电阻应变仪测量。①锚杆应カ测量首先,在锚杆表面贴上电阻应变片,做好防潮和绝缘处理，安装后,即可测量锚杆在应力作用下产生的应变，从而计算出锚杆受到的应カ。②锚固カ测量锚杆的锚固カー般采用锚杆拉拔器测定。将锚杆尾部与拉拔器连接,然后用油压千斤顶加载,直至锚杆失去承载能力。此时所得到的最大载荷即为锚杆的锚固カ。(4)自动监测系统井下应カ监测发展到使用计算机进行在线检测的自动监测系统。井下部分包括工作面压カ传感器、通讯分机、电源、通讯电缆等。工作面内可以连接多个压カ传感器，通讯分机的输出数据信号通过电话通讯线路发送至井上。井上部分包括接收机、计算机、打印机等。3,其他监测手段其他的监测手段包括声波监测、雷达监测、光纤传感监测、激光测距等。(1)声波监测声波监测可以用来测定井巷围岩破坏圈的大小及破坏圈内围岩变形特征,对研究围岩稳定及支护措施具有实际意义。①声波速度测定测定声波在岩体内部的传播速度的系统如图7-1-10所示。 305计算机数据显不图7-1-10声波速度探测原理图在钻孔孔口设置发射换能器F,同时在相距L的钻孔内或岩体表面设置接收换能器So发射换能器F向岩体内发射声波,同时开始计时,当声波到达接收换能器S时,记录所需要的时间t,则声波传播速度v产L/t。声波传递速度越低,则岩体的节理裂隙越发育。②声波幅度衰减测定声波在岩体内传播过程的振幅与频谱的改变,与岩体的结构特征及力学性态的改变密切相关。声波衰减系数。为:(7-1-20)式中,a为声波衰减系数;A。为初始发射波振幅;ん为声波通过距离L后的振幅。同样,声波衰减系数也表明了岩体的节理裂隙的发育程度。(2)雷达监测雷达监测采用探地雷达探测井巷围岩松动圈。探地雷达又称地质雷达,是当前国际上先进的地球物理勘探手段之一,它由控制面板、发射机、发射天线、接受机、光缆及笔记本电脑等组成。地质雷达的工作原理是发射高频、宽频带电磁波，接受介质界面的反射回波信号,界面两侧介质的物理性质差异越大，越利于地质雷达分辨。井巷开挖后,围岩松动、破碎,电磁波遇到破碎的围岩会产生相对杂乱的反射信号。围岩破碎区同相对完整的弹塑性区交界面将造成雷达波的强反射,电磁波的能量会有很大的消耗,即透过强反射界面的电磁波将很快消失殆尽,因此可将地质雷达用于确定井巷围岩松动圈范围。 3067.2课后习题详解3.井巷维护原则有哪些?答:为了维护井巷工程的稳定性,通常要遵循以下原则:(1)根据用途和服务年限,确定设计标准,进行维护设计不同的井巷工程,其用途也不相同。有些井巷工程需要长期保持稳定,以满足工程需要,而有些井巷工程则只需要在相对长的一段时间内保持稳定就可以满足工程需求,因此,首先要根据井巷工程的用途和相应的服务年限,确定相应的设计标准。在相同岩体条件下,服务年限长或永久工程的支护强度相对较高,而服务年限短的工程的支护强度相对较低。(2)提高井巷围岩自身强度井巷工程都是在一定的岩体中施工，在施工过程中产生的爆破和震动使井巷围岩产生大量裂隙，从而降低了岩体原有的强度,此外,有些岩体在空气中暴露后容易风化,遇水软化,这些不利因素也会降低岩体强度。因此,在掘进井巷时,可采用如下方法提高井巷围岩强度。①快速掘进井巷,减小围岩暴露时间;②及时喷浆封闭井巷暴露面;③采用光面爆破、微差爆破或采用机械钻进的方法，减小对井巷围岩强度的削弱。(3)选择合理的井巷断面形状和尺寸井巷断面的形状主要有梯形、直墙拱形、圆形、椭圆形、马蹄形等。直墙拱形断面能承受较大的顶压,且断面利用率也相对较高,因此,大多数平巷、斜井都采用直墙拱形断面。竖井则多为圆形。在地压较大、围岩不稳的条件下可采用椭圆形和马蹄形的井巷断面。在设计井巷断面形状和尺寸时,为了减小井巷围岩的应カ集中现象,可遵循以下原则:①巷断面的最大尺寸方向与最大主应カ方向一致；②最大主应カ方向的井巷断面选用曲线形状；③在满足工程需要的前提下,尽量缩小井巷断面尺寸。(4)选择合适的支护类型和支护时间由于井巷种类繁多,各种井巷的技术经济条件不同，支护类型也多种多样。主要的支护种类可分为;锚杆支护、喷浆支护、喷锚网联合支护、金属支架支护、钢筋混凝土支护、石材支护和木材支护等。按使用比例和发展方向来看,锚杆或喷锚支护应用最广,应用比例逐步扩大,而石材和木材支护应用比例逐渐减小。在选择支护类型时，要充分发挥各种支护类型的特点。4.井巷支护的支架包括哪些?答:井巷支护所用的支架包括金属支架、木材支架、石材支架、混凝土支架和钢筋混凝土支架。(1)金属支架井巷所使用的金属支架可分为矿用工字钢支架和U型钢支架。金属支架能承受较大的地压。 307①矿用工字钢支架矿用工字钢是井巷支架的专用材料,主要用于制造刚性支架,但也可以用于可缩性支架。工字钢支架主要用于梯形巷道，因而其支架结构一般为梯形搭接的结构，少数情况下,也可做成拱形支架，各梁间搭接成可缩结构，或用螺栓固定成刚性结构。②U型钢支架U型钢具有良好的断面形状和几何参数,搭接后易于收缩,因此,适于制作可缩性支架。(2)混凝土支架混凝土支架曾经是井巷工程中竖井、井底车场、各种兩室等的传统支护方法。混凝土在未凝固前具有良好的塑性,可以在现场直接浇灌成拱形、圆形的整体支架，也可以浇灌成各种混凝土预制块,再砌筑成巷道支架。现场浇筑的混凝土支架和混凝土砌筑支架都是整体性支架,对围岩能起到封闭和防止风化的作用。这种支架的优点是坚固、耐用、防火、服务期长,缺点是施工速度慢、断面利用率低、刚性过大、可缩性太小,不能承受剧烈动压。(3)钢筋混凝土支架由混凝土与钢筋结合在一起制作的支架称为钢筋混凝土支架。包括现场浇筑的整体支架、装配式弧板支架和装配式普通支架。预应カ钢筋混凝土支架与混凝土支架相比,具有较高的抗拉强度,但是仍具有刚性及脆性大、可缩性差、施工速度慢等缺点。(4)石材支架砖石砌体支架属于连续整体支架，对围岩能起到封闭、防止围岩风化的作用。(5)木支架木材支架的优点是重量轻、有一定的强度、加工容易、架设方便,适用于多变的地下作业条件,缺点是承载能力低,不能防火、易腐烂、服务年限短。3.注浆加固作用机理是什么?答:围岩注浆的主要作用机理有:(1)加大弱面上的摩擦カ,提高围岩的内聚力和内摩擦角,从面提高围岩的整体稳定性。(2)浆液在裂隙中充填、加固后封闭裂隙,阻止水浸入岩体对岩体产生弱化作用,也阻止了围岩的进ー步风化。(3)对破碎松散岩体,由于浆液在裂隙中的胶结作用,使破碎岩块重新胶结成整块,形成一个可以承受外载荷的注浆壳,使之于巷道支架共同承载，充分发挥围岩的自稳能力。4注浆包括哪些エ艺?答:注浆包括的工艺环节有:(1)注浆孔布置 308注浆孔布置参数包括孔径、孔深、孔间距和孔的排列方式。注浆孔多为小孔，孔径通常为42〜60mm,可采用普通风钻或小型钻机钻孔。孔深主要根据被加固岩层的松动圈深度而定,一般选取加固深度与松动圈深度大体相当。松动圈深度可以采用声波测试仪在现场测定。如果松动圈较深,而围岩较破碎,打深孔较困难,则可采取由浅入深分段打眼、分段注浆固结的方法,每段注浆深度不超过2m。(2)注浆管安装与钻孔孔内的注浆管多采用普通钢管。管的外径比孔径小10mm左右,以利于插管。管的孔底端应呈圆锥形,四壁应钻有放射状径向小孔,孔径为3〜8mm,以便使浆液经小孔进入围岩。(3)浆液配制与注浆注水泥浆液时，一般采用单液泵。注水泥水玻璃和化学浆液时,需要采用双液泵系统,在注浆泵出口管以外,应设ー组混合器以保证浆液混合均匀。起始注浆压カー般为0.8〜IMPa,终止注浆的压カ为1.5〜2MPa。(4)清洗设备与管路在注浆结束后关闭注浆钢管上的阀门，然后拆卸及清洗设备和管路,或进行其他孔的注浆工作。注浆效果可采取打检查孔钻取岩芯或切槽开挖的方法进行检查。3锚索支护结构主要包括哪些?答：锚索支护结构主要包括锚头、杆体、架线环、止浆阀、孔口承压扳、锚固块与锚塞。其中，锚头主要有机械式锚头、粘结式锚头和二者混合的复合式锚头;杆体通常采用钢绳或钢绞线;止浆泵用以保证第一次灌浆段的设计长度;外用锚固块与锚塞对所施加预应カ进行锁定。4锚索施工的主要工艺包括哪些?答：锚索施工主要包括锚孔钻凿、锚索张拉和砂浆灌注等工艺。(1)锚孔钻凿根据设计所确定的锚孔直径,孔深及孔的倾角和岩层性质以及施工场地大小选择钻孔设备。铁路隧道、输水涵洞、大断面地下嗣室,水工大坝以及露天边坡等场所的岩体锚固时大都采用大直径深孔,其孔径多为100〜130mm,孔深多为15〜60m或更深。对于作为临时支护的锚索孔,如采场支护的锚索孔,其钻孔质量要求不高,但对于作为永久支护的锚索孔,则钻孔质量要求严格。锚索孔的质量问题主要表现为孔偏离设计轴线和孔弯曲。一般采用潜孔钻机,可以取得良好的钻孔质量。(2)砂浆灌注①水泥砂浆的成分及配比。水泥砂浆由水、水泥和黄砂组成。水的质量要符合要求,硫酸盐含量不得超过0.1%,氯盐含量不超过0.5%,水中不含糖分或悬浮有机物。 309水泥应当使用新鲜的未经长期贮存的高标号硅酸盐水泥。若施工对水泥类别有特殊要求时,如耐酸碱和抗低温等,则应使用相应的特种水泥。水泥砂浆中使用的砂，要求质地坚硬、洁净,一般均采用河砂，其细度模数为2.5〜3.2的中砂为宜。水泥砂浆的配比变化不大。水泥砂浆采用的水灰比为04〜0.45,灰砂比为1〜:1.5。②水泥砂浆的配制。在配制水泥砂浆时对水泥和砂子应严格过筛,根据泵送设备和输送管道的要求筛除不合格的颗粒,避免用人工搅拌水泥砂浆。将最佳用水量先行倒入搅拌机,再将称重后的水泥和砂子倒入搅拌机,搅拌时间依搅拌机型号而异,但不得少于2min,确保水与水泥完全混合,并生产稠度均匀的水泥砂浆。搅拌后的水泥砂浆应立即使用,或置于专门的容器内,并保持缓慢的搅拌状态,否则将发生离析沉淀现象。③注浆注浆有两种形式,即后退式注浆和前进式注浆。第一,后退式注浆エ艺是在锚索孔钻成后,将钢绳或钢绞线送至孔底,如为上向深孔,则应将钢丝绳或钢绞线中的数支钢丝弯成倒钩形状，送至孔底,借助倒钩使钢丝绳或钢绞线悬挂于孔中，然后将聚氯乙烯高压注浆管插至孔底,开启气阀,将一定数量的水泥砂浆自注浆罐压入锚索孔。此后将注浆管撤一段距离,并重新向注浆罐倒入一定水泥砂浆,再一次将浆压入锚索孔,如此间断地自孔底向孔口后退,并将整个锚索孔注满。一般后退式注浆采用注浆罐注浆,其设备和エ艺简单,但劳动强度大，锚孔注满系数低。第二,前进式注浆エ艺采用注浆泵注浆。当锚索孔钻成后，将钢丝绳或钢绞线连同排气塑料管ー并送至孔底,用专门的，木质封孔塞封堵锚索孔，注浆管通过封孔塞上的注浆孔插入至孔口，而排气管通过封孔塞上的排气孔通至孔外。水泥砂浆搅拌后均匀倒入专门的受浆容器,注浆泵自该容器吸入砂浆,经泵体、注浆管送至孔口位置，水泥砂浆在注浆泵压力的作用下逐渐向孔底移动,此时,孔内的空气则通过排气管排至孔外。在孔外端的排气管通入一盛有水的透明容器,自该容器中有气泡逸出即证明气体自封堵的锚索孔中排出，当发现自排气管有水泥砂浆排出或排气终止,即说明该孔已被砂浆注满。前进式注浆工艺的注浆质量好,注浆密实度高,其输送距离可达200多m,垂直输送高度超过40m。3喷射混凝土的适用条件及施エエ艺是什么?答:(1)适用条件喷射混凝土或喷锚支护可用于不同类别的围岩、不同工作条件和不同工程跨度的井巷工程、胴室。但是在下膨胀性岩体、未胶结的松散状岩体、有严重湿陷性的黄土层、有大面积淋水地段、能引起严重的腐蚀地段以及严寒地区的冻胀岩体中不宜采用喷射混凝土作永久支护。在稳定性较差的岩体中使用喷射混凝土支护时，常在喷射混凝土中加配钢筋,或采 310用喷锚支护或喷锚网联合支护。在喷层中使用钢筋的作用是提高喷射混凝土的整体性能,增加喷层的抗弯强度。钢筋的网度为150〜300mm。当井巷围岩为塑性流变岩体,或受开挖扰动影响，或有高速水流冲刷的地段，宜采用钢纤维喷射混凝土支护。(2)施エエ艺喷射混凝土施エエ艺有三种方案，即干式喷射、半湿式喷射和湿式喷射。①干式喷射工艺。指水泥、砂、石干混合料经过搅拌,借助风压和管道输送至喷头,在喷头处与水混合后喷射到岩石表面。这种エ艺的回弹率高,工作面粉尘浓度大,使用量逐渐减少。②半湿式喷射工艺。指在上述干混合料中加入一定量的水(水量为0.15〜0.25倍的水泥重量),经过喷射机,输送管道至喷头,在喷头处再次加入一定量的水，然后喷射到岩壁上,此エ艺的回弹率大为减少，粉尘浓度也明显降低。③湿式喷射エ艺。指在搅拌时,一次将水加到应加的水量，然后经充分搅拌,再输送、喷射到岩壁。这种喷射工艺的回弹率小，工作面上的粉尘也不会因喷射混凝上而增加,但是有时输送管道堵塞,影响正常作业。3喷层和锚杆的力学作用什么?答:喷锚支护是近代井巷工程支护的主要手段,喷浆和锚杆支护的力学作用各不相同,两者相互配合,能支护地压更大的井巷工程。(1)喷浆支护的力学作用作为井巷支护的喷射混凝土,其主要作用是保护与加固围岩,改善围岩的应カ状态，充分发挥围岩的自承能力,从而达到维护井巷稳定的目的。①保护和加固围岩井巷掘进后立即喷射ー层混凝土,可以及时封闭井巷围岩的暴露面。喷层与岩壁密贴,有效隔绝了水和空气对围岩的影响,防止围岩的潮解风化产生的膨胀和剥落,部分混凝土砂浆渗入围岩中裂隙,胶结加固裂隙,从而起到加固围岩的作用。②改善围岩应カ状态喷射的混凝土砂浆能及时凝固,给围岩提供了支护抗力,使围岩由二向受力状态转变为三向受力状态,提高了围岩的承载能力。③提高围岩的自承能力由于喷浆支护可使围岩在未破坏前的变形较大,从而提高了围岩的自承能力,降低了支架的支护强度。(2)锚杆支护的力学作用 311锚杆支护井巷的力学作用主要包括锚杆的悬吊作用、组合作用和挤压加固作用。①悬吊作用在块状结构或裂隙岩体中,锚杆将松动岩块悬吊在较稳固的深部岩体里，从而实现对松动岩块的加固。②组合作用在层状岩层中安装锚杆，把数层岩石锚固在ー起,形成组合梁，使其层间的摩擦カ增大,提高了组合岩层的抗弯能力。③挤压加固作用预应カ锚杆以一定的布置方式安装在松软岩层中,对围岩产生挤压,形成一个承载拱,起到拱形支架的作用。非预应カ的粘结式锚杆(如砂浆锚杆)，由于其前后两端围岩的位移量不同,而使锚杆受拉,与此同时,锚杆向围岩提供ー个相应的支护抗力,使锚固区围岩处于径向受压,从而提高了围岩强度。 3127.3典型题（含考研真题）详解ー、名词解释1.锚索结构答:锚索支护构件是在被加固的岩体中钻凿ー个具有一定直径的深孔,然后将带有锚头的钢绳或钢绞线ー并放入孔中经张拉锁定,达到加固岩体的目的,或用水泥砂浆注满全孔,将钢绳或钢绞线固结在其中，待其固结后即可对失稳岩体起到加固作用。锚索支护结构主要包括锚头、杆体、架线环、止浆阀、孔口承压扳、锚固块与锚塞。2.握裹カ答:握裹カ是指水泥砂浆固结后,水泥砂浆对其所包裹的钢丝绳或钢绞线等芯材的ー种约束カ。握裹力的大小与钢丝绳或钢绞线的表面状态,表面积大小以及水泥标号和水泥砂浆的配比有关。3.喷锚支护答：喷锚支护是指在井巷表面喷射混凝土或在井巷围岩中安装锚杆来支护巷道，也可以采用喷射混凝土和安装锚杆的联合支护,喷锚支护还可以与其他支护手段联合应用。喷锚支护是目前先进的支护手段。4.现场监控法答：现场监控法是指把喷锚支护的设计同现场测量紧密结合起来,通过现场量测,及时掌握围岩变形规律及支护受カ情况,为修改支护设计和指导施工提供信息。这种设计方法特别适用于软弱围岩（塑性流变围岩）中的巷道喷锚支护设计。二、简答题1.请分别阐述地下工程中的喷射混凝土和锚杆支护的力学作用原理。［中南大学2010年］试阐述地下工程喷锚联合支护的岩石力学作用机理。［中南大学2013年］答：（1）喷浆支护的力学作用作为井巷支护的喷射混凝土,其主要作用是保护与加固围岩，改善围岩的应カ状态，充分发挥围岩的自承能力,从而达到维护井巷稳定的目的。①保护和加固围岩。井巷掘进后立即喷射ー层混凝土,可以及时封闭井巷围岩的暴露面。喷层与岩壁密贴,有效隔绝了水和空气对围岩的影响,防止围岩的潮解风化产生的膨胀和剥落，部分混凝土砂浆渗入围岩中裂隙,胶结加固裂隙，从而起到加固围岩的作用。 313②改善围岩应カ状态。喷射的混凝土砂浆能及时凝固,给围岩提供了支护抗力,使围岩由二向受力状态转变为三向受力状态,提高了围岩的承载能力。③提高围岩的自承能力。由于喷浆支护可使围岩在未破坏前的变形较大，从而提高了围岩的自承能力,降低了支架的支护强度。（2）锚杆支护的力学作用锚杆支护井巷的力学作用主要包括锚杆的悬吊作用、组合作用和挤压加固作用。①悬吊作用。在块状结构或裂隙岩体中,锚杆将松动岩块悬吊在较稳固的深部岩体里,从而实现对松动岩块的加固。②组合梁作用。在层状岩层中安装锚杆，把数层岩石锚固在ー起，形成组合梁，使其层间的摩擦力增大,提高了组合岩层的抗弯能力。③挤压加固作用。预应カ锚杆以一定的布置方式安装在松软岩层中,对围岩产生挤压，形成一个承载拱,起到拱形支架的作用。非预应カ的粘结式锚杆（如砂浆锚杆）,由于其前后两端围岩的位移量不同，而使锚杆受拉,与此同时,锚杆向围岩提供ー个相应的支护抗力,使锚固区围岩处于径向受压,从而提高了围岩强度。2.请绘图说明围岩与支护结构相互作用的原理是什么?请结合该原理分析岩石地下工程新奧法施工中及时采用喷锚支护结构的合理性。［中南大学2012年］答:图7-3-1轴对称圆巷围岩与支架共同作用曲线Aー围岩特征曲线;b—支护工作曲线;dー围岩脱落点（1）围岩与支架相互作用的原理是:支架所受的压カ及其变形,来自于围岩在其自身平衡过程中的变形或破裂对支架的作用。因此,围岩的形态及其变化状况对支架的作用有重要影响;另外,支架以自己的刚度和强度抑制岩体变形和破裂的进ー步发展,而这ー过程同样也影响支架自身的受カ，于是围岩和支架形成共同体。（2）如图7-3-1所示,在新奥法施工中,在围岩完全破坏前,及时采取喷锚支护,可以形成围岩与支架共同体,支架用自己的刚度和强度来抑制岩体变形和破坏,充分发挥围岩的自承能力。3.在什么情况下岩质边坡有可能发生平面破坏和楔体破坏?边坡监测的主要内容有哪些?［中南大学2012、2011年］答：（1）边坡发生平面破坏的条件：①滑动面的走向必须与坡面平行或者接近平行（约在20。范围之内）；②破坏面必须在边坡面露出,就是说它的倾角必须小于坡面的倾角;③破坏面的倾角必须大于该面的摩擦角;④岩体中必须存在对于滑移仅有很小阻カ的节理面，它规定了滑动的侧面边界。（2）边坡发生楔体破坏的条件:当两个不连续面的走向与边坡走向斜交,其交线在 314坡面上露出时,如果此交线的倾角显著大于摩擦角,则位于此两不连续面上的岩石楔体将沿交线下滑，形成空间楔体破坏。（3）边坡检测主要包括:①滑坡地面位移;②滑坡地表裂缝;③滑坡体上及其周围附近的所有建筑物的开裂、沉陷、位移和倾斜等变形均应进行观测;④地面的倾斜变化;⑤滑坡的深部位移;⑥滑动面的位置;⑦滑坡滑动カ和推力。2.岩质边坡发生圆弧形和平面破坏的条件各是什么?请列举岩质边坡检测的主要内容及相应设备。［中南大学2013年］答:（1）岩质边坡发生圆弧形破坏的条件是:当岩体中单个颗粒与边坡尺寸相比是极小的,且这些颗粒由于它们的形状关系,不是互相咬合的。圆弧形破坏常发生在岩体节理异常发育或高度风化,岩体为均质泥岩或页岩，岩体非常软弱的岩质边坡中。（2）岩质边坡发生平面破坏的条件是:①滑动面的走向必须与坡面平行或者接近平行（约在20。范围之内）；②破坏面必须在边坡面露出,就是说它的倾角必须小于坡面的倾角;③破坏面的倾角必须大于该面的摩擦角:④岩体中必须存在对于滑移仅有很小阻カ的节理面,它规定了滑动的侧面边界。（3）岩质边坡检测的主要内容包括:①利用光电测距仪、全站仪等仪器对滑坡的地面位移等进行观测;②利用直角观测尺、滑板式观测尺等仪器对地表裂缝发生观测;③利用灰块测标、金属板测标等仪器对岩质边坡附近建筑物的开裂、沉陷、位移和倾斜等变形进行观测;④利用地面倾斜仪对岩质边坡的地面倾斜度进行观测;⑤利用固定式钻孔倾斜仪对滑坡的深部位移进行观测;⑥利用摆锤式滑面测定器等仪器对滑动面的位置进行测定；⑦在建筑物上设置压カ盒来测量滑坡滑动カ。三、作图与分析说明1.请示意性地绘制出围岩位移特性曲线和支架工作特性曲线,利用围岩与支护共同作用原理分析说明:（1）喷锚支护优于传统支护结构的原因；（2）地下工程巷道选择合理支护刚度和支护施工时间的设计原则。［中南大学2011年］答:围岩位移特性曲线和支架工作特性曲线如图7-3-2所示图7-3-2a-围岩特征曲线;b-支护工作曲线;d-围岩脱落点（1）喷锚支护优于传统支护,是因为喷锚支护能够在围岩来不及破坏前进行加固,限制和延缓围岩的破坏过程。同时,由于其柔性支护的特点使围岩在制约条件下缓慢蠕变,从面有节制的释放围岩应カ集中产生的一部分能量。既能适应围岩的蠕变,使其充分变形,又不会形成使变形大到使局部围岩松脱破坏的程度,最终形成支护与围岩的共同体,充分发挥围岩的自承作用。(2)选择合理支护时间和支护刚度应遵从的原则为充分改善围岩的应カ状态,调动围岩的自承能力和考虑支护与岩体的相互作用的影响,在此基础上还应注意提高支护能力 315和效率,并使支护有一定的可缩性。
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