第七章岩体中的天然应力
第一节概述
岩体中的应力是岩体稳定性与工程运营必须考虑的重要因素。人类工程活动之前存在于岩体中的应力，称为天然应力或地应力(stress in the earth’s crust)。人类在岩体表面或岩体中进行工程活动的结果，必将引起一定范围内岩体中天然应力的改变。岩体中这种由于工程活动改变后的应力，称为重分布应力。相对于重分布应力而言，岩体中的天然应力亦可称为初始应力(initiaLstress)。
1932年，在美国胡佛水坝下的隧道中，首次成功地测定了岩体中的应力。半个多世纪来，在世界各地进行了数以十万计的岩体应力量测工作，从而使人们对岩体中天然应力状态有了新的认识。1951年，瑞典的哈斯特(Hast)成功地用电感法测量岩体天然应力，并于1958年在斯堪的纳维亚半岛进行了系统的应力量测。首次证实了岩体中构造应力的存在，并提出岩体中天然应力以压应力为主，埋深小于200m的地壳浅部岩体中，水平应力大于铅直应力，以及天然应力随岩体埋深增大而呈线性增加的观点。
利曼(Leeman，1964)以“岩体应力测量”为题，发表了一系列研究论文，系统地阐明了岩体应力测量原理、设备和量测成果。1973年苏联出版了《地壳应力状态》一书，汇集了苏联矿山坑道岩体的应力实测成果。各国的研究都证明了哈斯特的观点。
1957年，美国哈伯特(Hubbert)和威利斯(Willis)提出用水压致裂法(hydraulic fracturing method)测量岩体天然应力的理论。1968年美国海姆森(Haimson)发表了水压致裂法的专题论文。与此同时，伴随石油工业的发展，水压致裂法在生产实践中得到了广泛的应用。水压致裂法的应用，使岩体中应力量测工作，从几十米、数百米延至数千米深度，并获得大量的深部岩体天然应力的实测数据。在此基础上，美国用水压致裂法开展了兰吉列油田注水引起的诱发地震机理的综合研究，并成功地解析了诱发地震的机理。1975年盖依等人根据岩体应力的实测数据的分析，提出了临界深度的概念，在该深度以上水平应力大于铅直应力，该深度以下水平应力小于铅直应力。研究表明，临界深度随地区不同而不同，如冰岛等地为200m，日本和法国为400～500m，中国和美国为1 000m，加拿大为2 000m。
我国的岩体天然应力测量工作开始于50年代后期，至60年代才广泛应用于生产实践。到目前为止，我国岩体应力测量已得到数以万计的数据，为研究工程岩体稳定性和岩石圈动力学问题提供了重要依据。
一般认为，天然应力是各种作用和各种起源的力，它主要由自重应力和构造应力组成，有时还存在流体应力和温差应力等。研究还表明，岩体应力状态不仅是一个空间位置的函数，而且是随时间推移而变化的。岩体在天然应力作用下，不是处于静力稳定，而是处于一种动力平衡状态，一旦应力状态发生改变，这种动力平衡条件将遭破坏，岩体也将发生这样或那样的失稳现象。引起岩体应力条件改变的因素很多，例如地球旋转速度的变化、日月的潮汐作用、太阳活动性的变化及人类工程活动等，均可以使岩体的应力状态发生变化。
岩体中的天然应力状态，在研究区域稳定、岩体稳定性以及在原位岩体测试工作中，均具有重要的实际意义。
任何地区现代构造运动的性质和强度，均取决于该地区岩体的天然应力状态和岩体的力学性质。从工程地质观点看，地震是各类现代构造运动引起的重要的地质灾害。从岩体力学观点出发，地震是岩体中应力超过岩体强度而引起的断裂破坏的一种表现。在一定的天然应力场基础上，常因修建大型水库改变了地区的天然应力场而引起水库诱发地震。研究表明，水库诱发地震的发生，主要与地区的地震地质条件(尤其是岩体天然应力条件)、库水引起断裂构造带中水压力增大、岩体物理力学性质的改变以及水库水体重量作用有关。一般来说，水库蓄水，将会引起水库范围内和水库周边断裂带中法向应力减小。对于水库周边断裂而言，水库水体的重量还可以增大这些断裂发生倾向滑错的剪应力，这就是说，水库周边断裂更容易因蓄水而诱发地震。但是，根据对水库周边断裂的估算，由于修建大型水库引起的剪应力和抗剪强度下降的数值之和仅在几个兆帕范围之内。例如，我国新丰江水库，由于水库荷载造成的最大附加剪应力，在库心为0.3MPa，在主震发生的峡谷区仅为0.5MPa，主震应力降为1MPa。由此可见，水库地震能否发生，主要是取决于地区的地震地质条件，特别是地区岩体的天然应力状态。因此，岩体天然应力状态及其变化，对于研究地震的发生条件和进行地震预报，都是十分重要的。
天然应力状态与岩体稳定性关系极大，它不仅是决定岩体稳定性的重要因素，而且直接影响各类岩体工程的设计和施工。越来越多的资料表明，在岩体高应力区，地表和地下工程施工期间所进行的岩体开挖，常常能在岩体中引起一系列与开挖卸荷回弹和应力释放相联系的变形和破坏现象，使工程岩体失稳。
对于地下洞室而言，岩体中天然应力是围岩变形和破坏的力源。天然应力状态的影响，主要取决于垂直洞轴方向的水平天然应力σh和铅直天然应力σv的比值，以及它们的绝对值大小。从理论上讲，对于圆形洞室来说，当天然应力绝对值不大，σh／σv＝1时，围岩的重分布应力较均匀，围岩稳定性最好；当σh／σv＝1／3时，洞室顶部将出现拉应力，洞侧壁将会出现大于2.67σv的压应力，可能在洞顶拉裂掉块，洞侧壁内鼓张裂和倒塌。
如果地区的铅直应力σv为最小主应力，由于σhmax／σv＞1.0，所以洞轴线与最大主应力σhmax方向一致的洞室围岩稳定性，要较轴线垂直于σhmax方向的洞室围岩稳定性好。例如，前苏联希宾地块拉斯武姆齐尔矿在挖掘主巷道与辅助巷道时，曾出现了非常强烈的岩爆。研究表明，岩爆发生在弹脆性的霓霞石—磷霞岩组成的水平巷道顶面，而且最强烈的岩爆出现在南北方向的主巷道中，而东西方向巷道中几乎没有。该矿的岩体应力量测结果表明，在埋深为100m的600m范围内，岩体中最大水平主应力σhmax 的方向为SE100°，应力值为57.0MPa，另一水平主应力为23.0MPa，铅直应力σv也为23.0MPa；在埋深为600m的440m范围内，最大水平主应力σhmax的方向为SE110°，应力值为78.0MPa，另一水平主应力为15.0MPa，铅直应力为18.0MPa。南北方向巷道σhmax／σv比值约为2.5～4.3，东西方向巷道σhmax／σv比值约为0.83～1.0。因此，该区南北向巷道轴线近似垂直最大主应力方向，σhmax／σv 比值较大，且应力绝对值也较大，是导致该区南北向巷道顶板发生岩爆的根本原因。
对于有压隧道而言，当σh／σv≥1.0，且应力达到一定数值时，围岩将具有较大承受内水压力的承载力可资利用。因此，岩体中具有较高天然水平应力时，对有压隧洞围岩稳定有利。
对地表工程而言，如开挖基坑或边坡，由于开挖卸荷作用，将引起基坑底部发生回弹隆起，
并同时引起坑壁或边坡岩体向坑内发生位移。这类实例很多，其中以加拿大安大略省的一个露天采坑、美国南达科他州俄亥坝静水池基坑、美国大古力坝坝基以及我国葛洲坝电站厂房基坑开挖过程中所发生情况最为典型。
加拿大安大略省某露天采坑开挖在水平灰岩岩层中，当开挖深度达15m时，坑底突然裂开，裂缝迅速延伸，裂缝两侧15m范围内的岩层向上隆起，最大高度达2 4m。研究表明，隆起轴垂直于区域最大主应力作用方向。
美国南达科他州的俄亥坝静水池基坑开挖在白垩纪页岩夹薄层斑脱岩地层中。1954年2月开始开挖，1955年3月完成，最大开挖深度为6.1m。现场观察表明，到1954年12月，基坑底总回弹量达20cm，其中90％是在开挖期间发生的。当时基坑底部已有断层面未发现位移，但于1955年1月，发现基坑底面沿原断层面错开，上盘上升，错距达34cm。
美国大古力坝基坑开挖在花岗岩中，在开挖基坑过程中，发现花岗岩呈水平层状开裂，且这种现象延至较大深部。
我国葛洲坝电站厂房基坑开挖在白垩纪粉砂岩和粘土岩互层地层中，在开挖中，基坑上游坑壁沿坑底附近视倾斜1°～3°的212夹层泥化面发生逆向滑错，最大错距8cm。基坑坡面倾向为199°，而坑壁岩体位错方向却为223°，二者之间相差24°。事后岩体天然应力量测结果表明，该处最大水平主应力σhmax的作用方向为NE45°(即225°)左右，坑底高程处应力值为：σhmax＝3.1MPa，σhmin＝2.3MPa。因此，电站厂房基坑坑壁岩体滑错方向是与最大水平天然应力作用方向相一致的。
基坑岩体回弹隆起、位错和变形的结果，将使地基岩体的透水性增大，力学性能恶化，甚至使建筑物变形破坏。
总之，岩体的天然应力状态，对工程建设有着重要意义。为了合理地利用岩体天然应力的有利方面，根据岩体天然应力状态，在可能的范围内合理地调整地下洞室轴线、坝轴线以及人工边坡走向，较准确地预测岩体中重分布应力和岩体变形，正确地选择加固岩体的工程措施。因此，对重要工程，均应把岩体天然应力量测与研究当作一项必须进行的工作来安排。
第二节岩体中天然应力的分布特征
自50年代初期起，许多国家先后开展了岩体天然应力绝对值的实测研究，至今已经积累了大量的实测资料。本节从工程观点出发，根据收集到的岩体应力的实测资料，对地壳表层岩体天然应力的基本特征进行讨论。
一、岩体中的铅直天然应力
应力实测结果表明，绝大部分地区的铅直天然应力σv大致等于按平均密度ρ＝2.7g／cm3计算出来上覆岩体的自重(图7-1)。但是，在某些现代上升地区，例如位于法国和意大利之间的勃朗峰、乌克兰的顿涅茨盆地，均测到了σv显著大于上覆岩体自重的结果(σv／ρgZ≈1.2～7.0，Z为测点距地面的深度)。而在俄罗斯阿尔泰区兹良诺夫矿区测得的铅直方向上的
应力，则比自重小得多，甚至有时为张应力。这种情况的出现，大都与目前正在进行的构造运动有关。
图7-1 铅直应力与埋藏深度关系的实测结果
铅直天然应力σv常常是岩体中天然主应力之一，与单纯的自重应力场不同的是：在岩体天然应力场中，σv大都是最小主应力，少数为最大或中间主应力。例如，在斯堪的纳维亚半岛的前寒武纪岩体、北美地台的加拿大地盾、乌克兰的希宾地块以及其他地区的结晶基底岩体中，σv基本上是最小主应力。而在斯堪的纳维亚岩体中测得的σv值，却大都是最大主应力。此外，由于侧向侵蚀卸荷作用，在河谷谷坡附近及单薄的山体部分，常可测得σv为最大主应力的应力状态。
二、岩体中的水平天然应力
岩体中水平天然应力的分布和变化规律，是一个比较复杂的问题。根据已有实测结果分析，岩体中水平天然应力主要受地区现代构造应力场的控制，铜时，还受到岩体自重、侵蚀所导致的天然卸荷作用、现代构造断裂运动、应力调整和释放以及岩体力学性质等因素的影响。根据世界各地的天然应力量测成果，岩体中天然水平应力可以概括为如下特点。
(1)岩体中水平天然应力以压应力为主，出现拉应力者甚少，且多具局部性质。值得注意的是在通常被视为现代地壳张力带的大西洋中脊轴线附近的冰岛，哈斯特已于距地表4～65m 深处，测得水平天然应力为压应力。上述结论已为表7-1和表7-2的一些实测成果所证实。
(2)大部分岩体中的水平应力大于铅直应力，特别是在前寒武纪结晶岩体中，以及山麓附近和河谷谷底的岩体中，这一特点更为突出。如σhmax和σhmin分别代表岩体内最大和最小水平主应力，而在古老结晶岩体中，普遍存在σhmax＞σhmin＞σv＝ρgZ的规律。例如：芬兰斯堪的纳维亚的前寒武纪岩体、乌克兰的希宾地块和加拿大地盾等处岩体均有上述规律。在另外一些情况下，则有σhmax＞σv，而σhmin却不一定都大于σv，也就是说，还存在着σhmax＜σv的情况。
表7-1 芬兰斯堪的纳维亚部分地区水平应力的测量结果 (据Hast，1967)
测量地点编号地表下深度(m) 水平主应力(MPa) σ1 σ2 σ1＋σ2 σ2/σ1 τmax MPa σ1的方向(360°) τmax的方向(±90°)
岩类测量年份备注〖BHDG3，FK10 2ZQ
，K3，K2 2，K2 2，K4，K2 2，K2 2，K4，K4，K
5，K6，K6F〗1 Crargesberg 410 34 5〖
〗23 0 57 5 0 66 5 8 NW43° NE2
°长英麻粒岩 1951—1954[HJ*4]
1958〖BHDG1*2〗2 Stallberg 690 56 0〖
〗32 0 88 0 0 57 12 0 NW45° NS 长英麻粒岩 1957〖BH〗2a Stallberg 880
56 0 16 0 102 0 0 82 5 0
长英麻粒岩 1957〖BH〗3 Vingesbacke 41
0 70 0 37 0 107 0 0 53 16 5
NW43° NE2°花岗岩 1962 靠近断裂带〖BHDG
3〗3a Vingesbacke 410 90 60 0 1
50 0 0 66 15 0 花岗岩非常靠近〖HJ*4] 断裂带〖BH〗4 Malmberget 290 38 0 13
0 51 0 0 34 12 5 NW83° NW38°
花岗岩 1957 受到附近[HJ*4]
一矿山影响〖BHDG4〗5 LaisvalL 225 33 5 12
0 45 5 0 36 10 8 NW16° NW29°
花岗岩
1952—1953
1960 位于Laisvall
湖东〖BH〗5a LaisvalL 115 23 5 13 5
37 0 0 57 5 0 NE24° NW21°石
英岩 1960 位于Laisvall
湖西〖BH〗5b LaisvalL 180 46 0 33 5
79 5 0 73 6 3 NE61° NE16°花
岗岩 1960 位于Laisvall
湖西〖BHDG2〗8 Nyang 657 50 0 35 0〖
〗85 0 0 70 7 5 NE28° NW17°花岗
岩 1959〖BH〗8a Nyang 477 46 0 26
0 72 0 0 56 10 0 NE52° NE7°〖
〗花岗岩 1959〖BH〗9 Kirure 90 14 5
10 5 25 0 0 72 2 0 NE13° NE32
°长英麻粒岩 1958〖BH〗9a Kirure 120
14 0 10 5 24 5 0 75 1 8 NW11°
NE34°长英麻粒岩 1958〖BH〗11 Solhem〖
〗100 19 0 10 5 29 5 0 55 4 3〖
〗NE49° NE4°灰岩 1962〖BH〗12 Lidiu
go 32 13 0 7 0 20 0 0 54 3 0
NE6° NW39°花岗岩 1961〖BH〗13 Sib
bo 45 14 5 11 5 26 0 0 79 1
5 NW45° E W灰岩 1961〖BH〗13a Sib
bo 100 15 0 13 0 28 0 0 87 1
1 灰岩 1961〖BH〗14 Jussaro 14
5 21 0 13 0 34 0 0 62 4 0 NE
51° NE6°花岗岩 1962 在芬兰湾底下〖BH〗15
Slite 45 13 0 10 5 23 5 0 81
1 3 NW47° NW2°灰岩 1964〖BH〗16
Messaure 100 16 5 12 0 28 5
0 73 2 3 NW10° NE35°花岗岩 1964
〖BH〗17 Kirkenas 50 12 0 8 5 20
5 0 71 1 8 NE23° NW22°花岗岩
1963〖BH〗19 Karlshamn 10 12 0 7
5 19 5 0 62 2 3 NW65° NW20°
花岗岩 1963〖BH〗20 Sondrum 14 5 40
0 13 0 53 0 0 32 13 5 NW7 5°〖
〗NW52 5°花岗岩 1964〖BH〗21 Rixo 9〖
〗12 0 6 5 18 5 0 54 2 9 NW24°
NW69°花岗岩 1965〖BH〗22 Transs 8
10 5 6 0 16 5 0 57 2 4 NE47
° NE2°花岗岩 1964〖BH〗23 GoL 50
20 5 10 5 31 0 0 51 5 0 NW33°
NE12°花岗岩 1964〖BHDG2〗24 Wassbo
(Idre) 31 13 5 6 5 20 0 0 48〖
〗3 5 NW9° NW54°石英岩 1964〖BHDG2
〗25 Bierlov 6 14 5 10 0 24 5
0 69 2 3 NW26° NW71°花岗岩 1965
〖BH〗26 Bornholm 17 6 0 4 0 10
0 0 67 1 0 NW30° NE15°花岗岩 1
966〖BH〗27 Merrang 260 26 0 18 5
44 5 0 71 3 8 NW43° NE2°花岗
岩 1966〖BHDG1*2〗29 Kristinealtad 15 1
6 0 6 5 16 5 0 65 1 8 NE24°
NW21°花岗岩 1966〖BG〗F〗
注：1.铅直平面内的铅直剪应力很小或者没有；2.τmax代表铅直平面内的最大水平剪应力；
3.测孔是铅直的。
(3)岩体中两个水平应力σhmax和σhmin通常都不相等。一般来说σhmin／σhmax比值随地区不同而变化于0.2～0.8之间。例如，在芬兰斯堪的纳维亚大陆的前寒武纪岩体中，σ
hmin／σhmax比值为0.3～0.75。又如，在我国华北地区不同时代岩体中应力量测结果(表7-2)表明，最小水平应力与最大水平应力比值的变化范围在0.15～0.78之间。说明岩体中水平应力具有强烈的方向性和各向异性。
表7-2 华北地区地应力绝对值测量结果 (据李铁汉，潘别桐，1980)
测量地点测量时间岩性及时代最大水平主应力
(MPa) 最小水平主应力
(MPa) 最大主应力
方向 σ hmin σ hmax
〖BHDG2〗隆尧茅山 1966年10月寒武系鲕状灰
岩 7 7 4 2 NW54° 0 55〖BH〗顺义吴雄寺〖
〗1971年6月奥陶系灰岩 3 1 1 8 NW75°
0 58〖BH〗顺义庞山 1973年11月奥陶系灰岩 0 4
0 2 NW58° 0 50〖BH〗顺义吴雄寺 1973年
11月奥陶系灰岩 2 6 0 4 NW73° 0 15〖
BH〗北京温泉 1974年8月奥陶系灰岩 3 6 2 2〖
〗NW65° 0 67〖BH〗北京昌平 1974年10月震旦系
灰岩 1 2 0 8 NW75° 0 67〖BH〗北京大灰厂
1974年11月奥陶系灰岩 2 1 0 9 NW35°
0 43〖BH〗辽宁海城 1975年7月前震旦
系菱镁矿 0 3 5 9 NE87° 0 63〖BH〗辽宁营
口 1975年10月前震旦系白云岩 16 6 10 4
NW84° 0 61〖BH〗隆尧尧山 1976年6月
寒武系灰岩 3 2 2 1 NE87° 0 66〖BH〗滦县
一孔 1976年8月奥陶系灰岩 5 8 3 0 NE84
° 0 52〖BH〗滦县二孔 1976年9月奥陶
系灰岩 6 6 3 2 NW89° 0 48〖BH〗顺义吴雄
寺 1976年9月奥陶系灰岩 3 6 1 7 NW83°〖
〗0 47〖BH〗唐山凤凰山 1976年10月奥陶
系灰岩 2 5 1 7 NW47° 0 68〖BH〗三河孤山
1976年10月奥陶系灰岩 2 1 0 5 NW69°
0 24〖BH〗怀柔坟头村 1976年11月奥
陶系灰岩 4 1 1 1 NW83° 0 27〖BH〗河北赤
城 1977年7月前寒武系超基性岩 3 3 2 1 NE
82° 0 64〖BH〗顺义吴雄寺 1977年7月奥陶系灰岩
2 7 2 1 NW75° 0 78〖BG)F〗注：测点度深小于30m；
(4)在单薄的山体、谷坡附近以及未受构造变动的岩体中，天然水平应力均小于铅直应力。
在很单薄的山体中，甚至可出现水平应力为零的极端情况。
三、岩体中天然水平应力与铅直应力的比值
岩体中天然水平应力与铅直应力之比定义为天然应力比值系数，用λ表示。世界各地的天然应力量测成果表明，绝大多数情况下平均天然水平应力与天然铅直应力的比值为1.5～10.6范围内。
天然应力比值系数随深度增加而减小。图7-2是Hoek—Brown根据世界各地天然应力测量结果得出的平均天然水平应力(σhav)与天然铅直应力(σv)比值随深度(Z)的变化曲线。曲线表明σhav／σv比值有如下规律：
(7-1)
图7-2 平均天然水平应力与埋藏深度关系的实测结果
(据Hoek和Brown，1981)
四、天然应力状态
岩体中天然应力一般处于三维应力状态。根据三个主应力轴与水平面的相对位置关系，把天然应力场分为水平应力场与非水平应力场两类。水平应力场的特点是两个主应力轴呈水平或与水平面夹角小于30°，另一个主应力轴垂直于水平面或与水平面夹角大于或等于70°。非水平应力场特点是：一个主应力轴与水平面夹角在45°左右，另两个主应力轴与水平面夹角在0°～45°间变化。应力量测结果表明，水平应力场在地壳表层分布比较广泛，而非水平应力场仅分布在板块接触带或两地块之间的边界地带。
在水平应力场条件下，两个水平或近似水平方向的应力，是两个主应力或近似主应力。在这种情况下，岩体铅直平面内没有或仅有很小的铅直剪应力，而存在着数值取决于两水平主应力之差的水平剪应力。当水平剪应力足够大时，岩体就会沿铅直平面发生剪切破坏。哈斯特认为各种行星外壳中正交断裂系统，都是这种水平应力场作用的结果。
在非水平应力场条件下，岩体中铅直平面内存在铅直剪应力，在水平面内存在水平剪应力。根据哈斯特的应力量测资料，芬兰斯堪的纳维亚半岛与大西洋和挪威海相接触地带，以及太平洋与美洲大陆之间的接触地带都存在非水平应力场。哈斯特还认为非水平应力场和很高的铅直天然剪应力出现在地壳不稳定地区，以及正在发生铅直运动地区。故可推知，目前存在非水平应力场的地区，很可能是现今正在发生铅直运动的不稳定地区。
第三节岩体天然应力量测
由于岩体天然应力是一个非可测的物理量，它只能通过量测应力变化而引起的诸如位移、应变或电阻、电感、波速等可测物理量的变化值，然后基于某种假设反算出应力值。因此，目前国内外使用的所有应力量测方法，均是在钻孔、地下开挖或露头面上刻槽而引起岩体中应力的扰动，然后用各种探头量测由于应力扰动而产生的各种物理变化值的方法来实现。目前在国内外最常用的应力量测是水压致裂法、扁千斤顶法和钻孔套心应力解除法三种方法。现将这三种方法的原理分述如下。
一、水压致裂法
水压致裂法是把高压水泵入到由栓塞隔开的试段中。当钻孔试段中的水压升高时，钻孔孔壁的环向压应力降低，并在某些点出现拉应力。随着泵入的水压力不断升高，钻孔孔壁的拉应力也逐渐增大。当钻孔中水压力引起的孔壁拉应力达到孔壁岩石抗拉强度σt时，就在孔壁形成拉裂隙。若设形成孔壁拉裂隙时，钻孔的水压力为pc1，拉裂隙一经形成后，孔内水压力就要降低，然后达到某一稳定的压力ps，称为“封井压力”。这时，如人为地降低水压，孔壁拉裂隙将闭合，若再继续泵入高压水流，则拉裂隙将再次张开，这时孔内的压力为pc2(图7-3)。
图7-3 孔内压力随时间的变化曲线
为了解释水压致裂法试验得出的资料，需要确定水压破裂引起的裂隙方向。大量的实测资料表明，水压破裂引起的裂隙是铅直的，尤其是试段深度在800m以下，铅直向是水压破坏引起裂隙的最常见方向。在实际工作中，水压破裂的方向可以用井下电视来观察，但最常用的是采用胶塞印痕方法，把裂隙压印于胶塞上，然后观察胶塞印痕方向。
设钻孔形成前的天然应力场为：σv＝ρgh为铅直；σhmax和σhmin为水平。如果取铅直钻孔平面考虑(图7-4)，则钻孔孔壁上的应力可以用柯西孔壁应力集中解(Krish solution)来分析。
钻孔形成后，而未压入高压水以前，孔壁上A或A点的环向应力(图7-4(a))，由柯西解为：
图7-4 柯西解答受力图示
(7-2)
当泵入高压水时，在钻孔内壁作用有内压水pc(图7-4(b))，因此孔壁上每一点均受到内水压力pc作用。则拉裂隙形成时A或A的破坏条件为：
(7-3)
在孔壁拉裂隙形成以后，如果要继续维持拉裂隙张开而又不进一步扩展，则水压力需满足
如下条件，即：
σhmin＝ps (7-4)
联立(7-3)式和(7-4)式，可解得计算水平天然应力的公式为：
(7-5)
σt是孔壁岩石的抗拉强度，可以由试验本身来确定，因为使张裂隙再次开启时有：
(7-6)
所以，用(7-3)式减去(7-6)式，可得到孔壁岩石抗拉强度的计算公式为：
(7-7)
因此，通过水压致裂试验，只要确定pc1，pc2和ps值，就可用(7-5)式和(7-7)式计算出水平天然力σhmax和σhmin值，而铅直天然应力σv等于铅直自重应力。
与其他应力量测方法相比较，钻孔水压致裂法，具有以下优点：①钻孔水压致裂法不需要套心，不受量测深度限制；②钻孔水压致裂法不需要使用应变计或变形计，因此，水压致裂法施测的范围较大，且不必知道岩体的弹性参数。
二、扁千斤顶法
水压致裂法只能在钻孔中进行，若在地下巷道岩壁中进行应力量测时，可采用扁千斤顶法。用扁千斤顶法测量应力的具体步骤是：
(1)在地下巷道洞壁上布置一对或若干对测点，每对测点间的距离d0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(图7-5)。
图7-5 扁千斤顶试验装置
(2)在两测点之间的中线处，用金钢石锯切割一道狭缝槽。由于洞壁岩体受到环向压应力σθ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，即两点间距产生相对缩短位移。
(3)把扁千斤顶塞入狭缝槽内(图7-5(b))，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一起。
(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d0(图7-5(c))。这时扁千斤顶对岩壁施加的压力pc，即为所要测定的洞壁岩体的环应力值σθ。
如果在垂直地下巷道的断面上，布置A，B，C三个扁千斤顶试验测点，则可以测得σθA，σθB，σθC三个环应力值。那么，环向应力值与岩体天然应力σx，σy，τxy间的关系为：
(7-8)
式中系数aij可以用数值法求得，例如，对于开挖在天然应力为铅直和水平的岩体中的圆形巷道而言，若在该巷道某断面上用扁千斤顶法，分别测得边墙和拱顶处的环向应力σθR和σθW，则(7-8)式可简化为：
(7-9)
因此，铅直天然应力σv和水平天然应力σh为：
(7-10)
三、套心法
套心法的全称为钻孔套心应力解除法。此法的基本原理是在钻孔中安装变形或应变测量元件(位移传感器或应变计)，通过量测套心应力解除前后，钻孔孔径变化或孔底应变变化或孔壁表面应变变化值来确定天然应力的大小和方向。所谓套心应力解除是用一个较测量孔径更大的岩心钻，对测量孔进行同心套钻，把安装有传感器元件的孔段岩体与周围岩体隔离开来，以解除其天然受力状态(图7-6)。
根据传感器和测量物理量不同，可把钻孔套心法划分为钻孔位移法、钻孔应力法和钻孔应变法三种。钻孔位移法又称钻孔变形法，其基本原理是通过量测套心应力解除前后钻孔孔径变化值来确定天然应力值。这种方法所使用的传感器称为钻孔变形计；钻孔应力法是把一种刚性的钻孔变形计安装于钻孔内，通过量测套心应力解除前后这种变形计上压力的变化，进而确定钻孔位移，最后推算岩体天然应力值，这种刚性变形计特称为钻孔应力计；钻孔应变法是通过量测应力解除前后孔底或孔壁壁面应变的变化来确定岩体天然应力状态的，这种方法所使用的传感器称为钻孔应变计。目前常用的钻孔应变计有门塞式应变计、光弹性圆盘应变计和利曼三维应变计等。
套心法的理论基础是弹性理论，把岩体视为一无限大的均质、连续、各向同性的线弹性体。在这种岩体中钻一个钻孔，设钻孔轴与岩体中某一天然应力相平行，那么，测量钻孔孔壁的径向位移和岩体天然主应力间的关系可据弹性理论得出。
若按平面应变问题考虑有：
(7-11)
若按平面应力问题考虑，则有：
(7-12)
式中：uθ是与σ1作用方向成θ角的孔壁一点的径向位移；R为钻孔半径；Em是岩体弹性模量；μm是岩体的泊松比；σ1是垂直钻孔轴平面内岩体中最大天然主应力；σ3是垂直钻孔轴平面内岩体中最小天然主应力；θ角是σ1作用方向至位移测量方向的夹角，以逆时针方向为正。
由上述公式可知，为了求得σ1，σ3和θ值，在钻孔中必须安装三个互成一定角度的测量元件，分别测出应力解除后，孔壁在这三个方向上的径向位移，然后建立三个联立方程，才可求解这三个值。目前在生产上有两种布置方法：一种是三个测量元件互成45°；另一种为互成60°。若三个测量元件之间互成45°角，且按平面应力问题考虑时，则σ1，σ3和θ的计算公式为：
(7-13)
式中：ua，ub和uc是与最大主应力作用方向夹角分别为θ，θ＋45°，θ＋90°的三个方向上测到的孔壁径向位移值，θ是最大主应力至第一个测量元件之间的夹角(图7-7)；其他符号
意义同前。
图7-6 钻孔套心法示意图
图7-7 垂直于钻孔轴平面内的应力状态
当三个测量元件之间互成60°时，则垂直钻孔平面内天然应力的大小和方向，可按下列公式计算：
(7-14)
式中：ua，ub和uc是与最大主应力夹角分别为θ，(θ＋60°)，(θ＋120°)三个方向上测到的孔壁径向位移值；其他符号意义同前。
套心法的缺点是测量深度受套心技术的限制，最深的量测深度只能达30m，一般以测深7~12m为佳。此外，得出的计算成果受岩体弹性参数的精度影响，而精确测定岩体弹性参数一般较困难。
第四节岩体中天然应力的估算
岩体中天然应力是岩体工程设计和工程地质问题评价的一个十分重要的指标。岩体中的天然应力一般需用实测方法来确定。但是，岩体应力量测工作费用昂贵，一般中小型工程或在可行性研究阶段，天然应力的量测不可能进行。因此，在无实测资料的情况下，如何根据岩体地质构造条件和演化历史来估算岩体中天然应力，就成为岩体力学和工程地质工作者的一个重要任务。
一、铅直天然应力估算
在地形比较平坦，未经过强烈构造变动的岩体中，天然主应力方向可视为近铅直和水平。这一结论的证据是：①在岩体中发育有倾角为60°左右的正断层，而正断层形成时的应力状态是铅直方向为最大主应力，水平方向作用有最小主应力(图7-8)；②岩体中倾角为30°左右的逆断层存在，表明逆断层在形成时的应力状态是垂直方向为最小主应力，水平方向作用有最大主应力(图7-9)。
图7-8 正断层形成时应力状态
图7-9 逆断层形成时应力状态
在这种条件下，铅直天然应力σv等于上覆岩体的自重，即：
σv＝ρgZ (7-15)
式中：ρ为岩体的密度(g／cm3)；g为重力加速度(9.8m／s2)；Z为深度(m)。
这种铅直应力的估算方法不适用于下列情况。
(1)不适用沟谷附近的岩体。因为沟谷附近的斜坡上，最大主应力σ1平行于斜坡坡面，而最小主应力σ3垂直于坡面，且在斜坡表面上，其σ3值为零。
(2)不适用于经强烈构造变动的岩体。如在褶皱强烈的岩体中，由于组成背斜岩体中的应力传递转嫁给向斜岩体。所以，背斜岩体中铅直应力σv常比岩体自重要小，甚至于出现σv 等于零的情况。而向斜岩体中，尤其在向斜核部，其铅直应力常比按自重计算的值大60％左右，这已为实测资料所证实。
二、水平天然应力估算
由天然应力比值系数λ的定义可知，如果已知λ值，而铅直天然应力可以由σv＝ρgZ估算出，则水平天然应力σh＝λσv。所以水平天然应力的估算，实际上就是确定λ值的问题。
天然应力比值系数λ与岩体的地质构造条件有关。在未经过强烈构造变动的新近沉积岩体中，天然应力比值系数λ为：
λ＝μ/(1－μ) (7-16)
式中：μ为岩体的泊松比。
在经历多次构造运动的岩体中，由于岩体经历了多次卸荷、加荷作用，因此λ＝μ/(1－μ)不适用。下面讨论几种简单的情况。
图7-10 隆起剥蚀卸荷作用对λ值的影响
(一)隆起、剥蚀卸荷作用对λ值的影响
如图7-10所示，假设在经受隆起剥蚀岩体中，遭剥蚀前距地面深度为Z0的一点A，天然应力比值系数λ0为：
(7-17)
经地质历史分析，由于该岩体隆起，遭受剥蚀去掉的厚度为ΔZ，则剥蚀造成的卸荷值为ρgΔZ，即隆起剥蚀使岩体中A点的铅直天然应力减少了ρgΔZ。因此，相应地，A点的水平
天然应力也减少了μ/( 1－μ)ρgΔZ，则岩体剥去ΔZ以后，A点的水平天然应力为：
(7-18)
剥蚀后的铅直天然应力为：
(7-19)
则剥蚀后A点的天然应力比值系数λ为：
(7-20)
令Z＝Z0－ΔZ为剥蚀后A点所处的实际深度，则：
(7-21)
由式(7-21)可知：
(1)岩体隆起剥蚀作用的结果，使岩体中天然应力比值系数增大了。
(2)如果在地质历史时期中，岩体遭受剥蚀的厚度达到某一临界值以后，则将会出现λ＞1的情况。大量的实测资料也表明，在地表附近的岩体中，常出现λ＞1的情况，说明了这一结论的可靠性。
(二)断层作用对λ值的影响
在地壳表层岩体中，常发育有正断层和逆断层。正断层形成时的应力状态是：σ1为铅直，σ3为水平(参见图7-8)。因此
由库伦强度判据知：正断层形成时的破坏主应力与岩体强度参数间关系为：
即
因此，正断层形成的天然应力比值系数λa为：
(7-22)
逆断层形成时的应力状态为：最小主应力σ3为铅直，最大主应力σ1为水平(参见图7-9)，即
同理可得逆断层形成时的天然应力比值系数λp为：
(7-23)
由上述分析可知，λu和λp是岩体中天然应力比值系数的两种极端情况。一般认为天然应力比值系数λ是介于两者之间，即
λa≤λ≤λp (7-24)
如把这一理论估算得出的结论，与Hoek—Brown根据全球实测结果得出的平均天然应力比值系数随深度变化的经验关系相比，两者的形式极为一致，即天然应力比值系数与深度Z成反比。
第二章地壳岩体的天然应力状态 1．岩体应力 地壳岩体内的天然应力，主要是在重力场和构造应力场的综合作用下，有时也在岩体的物理、化学及岩浆侵入等的作用下形成的应力状态。按成因，地壳岩体应力包括如下成分： ①自重应力(gravitational stress)：在重力场作用下生成的应力； 垂直应力σ v =γh 水平应力σ h =(μ/1-μ)γh ②构造应力(tectonic stress)：地壳运动在岩体内形成的应力； 活动的(active tectonic stress)：地壳内现代正在积累的、能够导致岩体变形破裂的应力，即狭义的地应力； 剩余的(residual tectonic stress)：古构造运动的残留应力； ③变异应力(altered stress)：岩体的物理状态、化学性质或赋存条件的变化所引起的应力，通常只具有局部意义； 岩浆侵入-内部静水式应力； 挤压围岩； 岩浆喷出-冷凝收缩、水平应力显著降低； 深部蠕变-σ h =σ v (d) 残余应力(residual stress)：岩体卸荷时，岩体中某些组分的膨胀回弹趋势部分地受到其它组分的约束，于是岩体结构内形成残余的拉、压应力自相平衡的应力系统。 2．地壳岩体的天然应力状态 （1）主要观点： ①“静水应力” σh =σv =γh ②垂直应力为主的观点 σv =γh σh=(μ/1-μ)γh ③水平应力为主的观点 地壳运动以水平运动为主，应力场以水平应力为主导。 a. σ h >σ v ,水平应力随深度线性增加。 b.水平应力具有明显的方向性，σ h1 >σ h2 = 0.3～0.75 （2）地壳岩体应力状态的三种基本情况：
一、名词解释（20分） 1、活断层：指目前正在活动着的断层或近期有过活动且不久的将来可能会重新发生活 动的断层（即潜在活断层）。 2、砂土液化：饱水砂土在地震、动力荷载或其它物理作用下，受到强烈振动而丧失抗剪强度，使砂粒处于悬浮状态，致使地基失效的作用或现象。 3、混合溶蚀效应：不同成分或不同温度的水混合后，其溶蚀能力有所增强的效应。 4、卓越周期：地震波在地层中传播时，经过各种不同性质的界面时，由于多次反射、折射，将出现不同周期的地震波，而土体对于不同的地震波有选择放大的作用，某种岩土体总是对某种周期的波选择放大得突出、明显，这种被选择放大的波的周期即称为该岩土体的卓越周期。 5、工程地质条件：与工程建筑物有关的地质条件的综合，包括：岩土类型及其工程性质、地质构造、地形地貌、水文地质、工程动力地质作用、天然建筑材料六个方面。 6.工程地质问题：工程建筑物与工程地质条件之间所存在的矛盾或问题。 7．地震烈度：地面震动强烈程度，受地震释放的能量大小、震源深度、震中距、震域介质条件的影响。震源深度和震中距越小，地震烈度越大。 8．工程地质类比法：将已有建筑物的工程地质问题评价的结果和经验运用到工程地质条件与之相似的同类建筑物中。 9．临界水力梯度：岩土体在渗流作用下，呈悬浮状态，发生渗透变形时的渗流水力梯度。10．斜坡变形破坏：斜坡变形破坏又称斜坡运动，是一种动力地质现象。是指地表斜坡岩土体在自重应力和其它外力作用下所产生的向坡外的缓慢或快速运动。 二、填空题（20分） 1、1．活断层的活动方式有地震断层（粘滑型）和蠕变断层（蠕滑型）。2．工程地质学的基本研究方法有自然历史分析法、数学力学分析法、工程地质类比法和模型模拟实验法等。 3．斜坡变形的形式较多，主要有拉裂（回弹）、蠕滑、弯曲倾倒三种。4．按滑坡动力学性质分类，可分为推落式、平推式、牵引式性所多余的约束。 三、判断题（共20分，每题4分）红色的为错误 1．水库蓄水前，河间地块存在地下分水岭，蓄水后将不会产生库水向邻谷的渗漏。 2．斜坡变形的结果将导致斜坡的破坏。 3．在岩土体稳定性评价中，由于边界条件、荷载条件、岩土体强度等难以精确确定，通常在设计上考虑上述因素及建筑物重要性而综合确定一经验值，此即稳定性系数。 4．地震烈度是衡量地震本身大小的尺度，由地震所释放出来的能量大小来确定。 5．用标准贯入试验判定砂土液化时，若某一土层的实际贯入击数大于临界贯入击数，则该土层液化。 5、用标准贯入试验判定砂土液化时，若某一土层的实际贯入击数小于临界贯入击数，则该土层液化。 1．野外鉴别走滑型活断层最好的地貌标志是河流沟谷的同步错移。 2．同一烈度震害区，对于同一建筑来说，以土层为地基的建筑一定比以基岩为地基的建筑损害程度大。 3．砂土相对密度愈低，愈易产生地震液化。 4．斜坡形成后，在坡顶处形成剪应力集中带。 5．砂土的渗透系数越大，产生管涌的临界水力梯度越小。
二、简答题(每小题10分，共30分) 1．斑状结构与似斑状结构的特征对比 2，混合水白云石化模式． 3．榴辉岩的主要特征与类别． 三、论述题(共46分) 1辉长岩类的—般特征及主要岩石种属．(16分) 2自生颗粒结构类型及其结构组分特征．(15分) 3以P/T比类型划分的4个变质相系的主要特征及典型相系列（15分） 8PTt轨迹 二．简答题(每小题10分， 1堆晶结构的特征． 2蒸发泵白云岩化模式． 3榴辉岩的主要特征及类型（10分) 三、论述题(共46分) 1玄武岩的主要岩石类型与矿产 2．长石砂岩的主要特征及岩石成因类型； 3．同A。 二．简述题。 1.显微镜下，如何区别碳酸盐岩中的亮晶胶结物与重结晶的泥晶基质？区别他们有何意 义？ 2.试比较河流相与三角洲相在剖面结构上有何不同？
3.简述编制作用的类型及特征。 4.斜长角闪岩可得源岩。 5．试述鲍文反应原理与鲍文反应序列。 6.举例说明火成岩形成深度与岩石结构的相互关系。 三．论述题： 1．试论述砂岩与颗粒灰岩在成分、结构和成因上的异同。 2.麻粒岩相泥质变质岩多具片麻状构造而少见片状构造？ 3.试论述造成火山岩多样性的原因。 4.试论述超基性岩石类型及成矿专属性。 二、简述题（共50分，每小题10分） 1岩浆岩的分类及其各类岩石的主要特征。 2接触交代变质作用及其代表性岩石。 3湖泊相的主要砂体类型。 4长石砂岩的主要特征及其大地构造意义。 5二氧化硅饱和度分类及其对应的岩石和矿物组合。 三、问答题(共50分，每小题25分，3小题中任选两题回答) 1试述碳酸盐岩结构组分的主要类型、特征及成因意义。 2试述岩浆作用过程及其结果。 3举例说明变质作用的主要方式及其作用结果。
岩体力学复习重点 名词解释： 1、软化性：软化性是指岩石浸水饱和后强度降低的性质。 2、软化系数：是指岩石时间的饱和抗压强度于干燥状态下的抗压强度的比值。 3、形状效应：在岩石试验中，由于岩石试件形状的不同，得到的岩石强度指标也就有所差异。这种由于形状的不同而影响其强度的现象称为“形状效应”。 4、尺寸效应：岩石试件的尺寸愈大，则强度愈低，反之愈高，这一现象称为“尺寸效应”。 5、延性度：指岩石在达到破坏前的全应变或永久应变。 6、流变性：指在应力不变的情况下，岩石的应变或应力随时间而变化的性质。 7、应力松弛：是指当应力不变时，岩石的应力随时间增加而不断减小的现象。 8、弹性后效：是指在加荷或卸荷条件下，弹性应变滞后于应力的现象。 9、峰值强度:若岩石应力--应变曲线上出现峰值,峰值最高点的应力称为峰值强度. 10、扩容:在岩石的单轴压缩试验中,当压力达到一定程度以后,岩石中的破列或微裂纹继续发生和扩展,岩石的体积应变增量有由压缩转为膨胀的力学过程,称之为扩容. 11、应变硬化:在屈服点以后(在塑性变形区),岩石(材料)的应力—应变曲线呈上升直线,如果要使之继续变形,需要相应的增加应力,这种现象称之为应变硬化. 12、延性流动:是指当应力增大到一定程度后,应力增大很小或保持不变时,应变持续增长而不出现破裂,也即是有屈服而无破裂的延性流动. 13、强度准则:表征岩石破坏时的应力状态和岩石强度参数之间的关系,一般可以表示为极限应力状态下的主应力间的关系方程:σ1=f(σ2,σ3)或τ=f(σ). 14、结构面: ①指在地质历史发展过程中,岩体内形成的具有一定得延伸方向和长度,厚度相对较小的宏观地质界面或带. ②又称若面或地质界面,是指存在于岩体内部的各种地质界面,包括物质分异面和不连续面,如假整合,不整合,褶皱,断层,层面,节理和片理等. 15、原生结构面:在成岩阶段形成的结构面. 16、次生结构面:指在地表条件下,由于外力的作用而形成的各种界面. 17、结构体:结构面依其本身的产状,彼此组合将岩体切割成形态不一,大小不等以及成分各异的岩石块体,被各种结构面切割而成的岩石块体称为结构体. 18、结构效应：岩体中结构的方向性质密度和组合方式对岩体变形的影响。 19、剪胀角：岩体结构面在剪切变形过程中所发生的法向位移与切向位移之比的反正切值。 20、岩体基本质量：岩体所固有的影响工程掩体稳定性的最基本属性，岩体基本质量由岩石坚硬程度和岩石完整程度决定。 21、自稳能力：在不支护条件下，地下工程岩体不产生任何形式的能力。 22、地应力：自然状态下在原岩岩体中存在的由于岩石自重和构造应力形成的分布应力，也称天然应力 23、原岩应力：在工程中指天然存在于岩体中而与任何认为因素无关的应力。
第一章岩石物理力学性质；1.构成岩石的主要造岩矿物有哪些？；答：岩石中主要造岩矿物有：正长石、斜长石、石英、；2.为什么说基性岩和超基性岩最容易风化？；答：基性和超基性岩石主要是由易风化的橄榄石、辉石；3.常见岩石的结构连接类型有哪几种？各有什么特点；答：岩石中结构连接的类型主要有两种，分别是结晶连；结晶连接指矿物颗粒通过结晶相互嵌合在一起；4.何谓岩石中的 第一章岩石物理力学性质 1.构成岩石的主要造岩矿物有哪些？ 答：岩石中主要造岩矿物有：正长石、斜长石、石英、黑云母、白云母、角闪石、辉石、橄榄石、方解石、白云石、高岭石、磁铁矿等。 2.为什么说基性岩和超基性岩最容易风化？ 答：基性和超基性岩石主要是由易风化的橄榄石、辉石及斜长石组成，所以非常容易风化。 3.常见岩石的结构连接类型有哪几种？各有什么特点？ 答：岩石中结构连接的类型主要有两种，分别是结晶连接和胶结连接。 结晶连接指矿物颗粒通过结晶相互嵌合在一起。这类连接使晶体颗粒之间紧密接触，故岩石强度一般较大，抗风化能力强；胶结连接指岩石矿物颗粒与颗粒之间通过胶结物连接在一起，这种连接的岩石，其强度主要取决于胶结物及胶结类型。 4.何谓岩石中的微结构面，主要指哪些，各有什么特点？ 答：岩石中的微结构面（或称缺陷）是指存在于矿物颗粒内部或矿物颗粒及矿物集合之间微小的若面及空隙。包括矿物的解理、晶格缺陷、晶粒边界、粒间空隙、微裂隙等。
矿物解理面指矿物晶体或晶粒受力后沿一定结晶防线分裂成光滑平面，解理面往往平行于矿物晶体面网间距较大的面网。 晶粒边界：由于矿物晶粒表面电价不平衡而引起矿物表面的结合力，该结合力源小于矿物晶粒内部分子、原子、离子键之间的作用力，因此相对较弱，从而造成矿物晶粒边界相对软弱。微裂隙：指发育于矿物颗粒内部及颗粒之间的多呈闭合状态的破裂痕迹线。具有方向性。粒间空隙：多在成岩过程中形成晶粒之间、胶结物之间微小的空隙。 5.自然界中的岩石按地质成因分类，可以分为几大类，各大类有何特点？ 答：按地质成因分类，自然界中岩石可分为岩浆岩、沉积岩和变质岩三大类。 岩浆岩按照岩浆冷凝成岩的地质环境不同又可分为深成岩、浅成岩和喷出岩。其中深成岩常形成巨大的侵入体，有巨型岩体，大的如岩盘、岩基，其形成环境都处在高温高压之下，形成过程中由于岩浆有充分的分异作用，常常形成基性岩、超基性岩、中性岩及酸性、碱性岩等，其岩性较均一，变化较小，岩体结构呈典型的块状结构，结构多为六面体和八面体，岩体颗粒均匀，多为粗-中粒结构，致密坚硬，空隙少，力学强度高，透水性弱，抗水性强；浅成岩成分与相应的深成岩相似，其产状多为岩床、岩墙、岩脉等小侵入体，岩体均一性差，岩体结构常呈镶嵌式结构，岩石常呈斑状结构和均粒-中细粒结构，细粒岩石强度比深成岩高，抗风化能力强，斑状结构则差一些；喷出岩有喷发及溢流之别，其结构比较复杂，岩性不一，各向异性显著，岩体连续性差，透水性强，软弱结构面发育。 沉积岩是由风化剥蚀作用或火山作用形成的物质，在原地或被外力搬运，在适当条件下沉积下来，经胶结和成岩作用而形成的。其矿物成分主要是粘土矿物、碳酸盐和残余的石英长石等，具层理构造，岩性一般具有明显的各向异性，按形成条件和结构特点，沉积岩可分为：火山碎屑岩、胶结碎屑岩、粘土岩、化学岩和生物化学岩等。 变质岩是在已有岩石的基础上，经过变质混合作用形成的。因其形成的温度、压强等变质因素复杂，其力学性质差别很大，不能一概而论。 6.表示岩石物理性质的主要指标及其表示方式是什么？
地大《岩石学》（六） 第二部分沉积岩石学 第七章粘土岩 一、粘土岩的定义 粘土岩是指粘土矿物含量＞50%的沉积岩。粘土矿物的粒度一般在 mm或以下（>8Φ）。就粒度组分而言，小于 mm或的组分含量大于50%的岩石，称为粘土岩。 二、粘土岩的分布 粘土岩是沉积岩中分布最广泛的一类，约占沉积岩总量的60%，它是重要的生油母岩，我国许多大型油气田的生油岩多是粘土岩，而且它的渗透性极差，可作为油气储集的良好的盖层。 粘土岩具有一些特殊物理性质，如：非渗透性、吸附性、吸水膨胀性、可塑性、耐火性、烧结性、黏结性、干缩性等，有些黑色页岩及炭质页岩还含有稀有金属、稀土元素，使粘土岩具有非常广泛的工业用途。 三、一些常见术语的解释 关于粘土岩的术语比较混乱，介绍几个常见术语。 1. 粘土（clay）：在地质学中，粘土具有两个方面的含义。其一：粘土是一个岩石术语；其二：粘土为一个粒度术语。 作为一个岩石术语，粘土是指天然的细粒物质，它是地质作用的产物。在沉积岩石学中，粘土是指松散的、尚未固结成岩的、以粘土矿物为主的沉积物，经过成岩作用以后就便为沉积岩。 作为一个粒度术语，粘土是指粒度分析中的最细粒部分，重要由黏土矿物组成，其粒径一般小于（>8Φ ），甚至在2μm、1 μm以下。 2．粘土矿物 是构成岩石和土壤细粒部分（< 2μm ）的主要矿物，一般情况下，粘土是细分散的、含水的层状构造硅酸盐矿物及层链状构造硅酸盐矿物和含水的非晶质硅酸盐矿物的总称。 3. 页岩（shale）：页理（水平层理）发育的粘土岩称为页岩。 四、矿物成分 粘土矿物
绝大部分粘土矿物属含水的层状构造硅酸岩，按晶体结构特征，粘土矿物分为以下几大类。 层状结构的粘土矿物由两种基本结构单元层组成：一种为Si-O四面体层，另一种为Al-O 八面体层或Mg-O八面体层。四面体和八面体基本结构层在空间上彼此以一定规律结合，就形成了“结构单元层”。根据结构单元层中各基本结构层相互结合的比例及叠置方式不同，可将层状结构黏土矿物的结构单元层分为以下三种类型：
一、名词解释：（24分） 1.工程地质条件 2.滑坡 3.混合溶蚀效应 4.水库诱发地震 5.活断层 6.卓越周期 二、简述：（60分） 1.工程地质常用的研究方法有哪些？ 2.试述岩体稳定性分析刚体极限平衡法的思路。 3.岩石力学、土力学与工程地质学有何关系？ 4.滑坡有哪些常用治理方法。 5.水对岩土体稳定性有哪些影响？ 6.岩溶发育的基本条件及影响因素。 三、论述（16分） 结合工程实例，说明工程地质工作的步骤。 2003年 一、名词解释（30分） 1.工程地质条件 2. 滑坡 3.岩溶 4.水库诱发地震 5. 活断层 6.管涌 二、简述题（每题12分） 1、工程地质学常用的研究方法有哪些？ 2、滑坡有哪些常用治理方法？ 3、岩土体稳定性评价中，如何考虑地下水的因素？ 4、岩溶发育的基本条件及影响因素？ 5、简述滑坡分类。 三、论述题（每题20分） 1、结合工程实例，说明工程地质工作的步骤及研究内容。 2、试述工程地质学的发展期望。 3、试述岩土体稳定性分析刚体极限平衡法的思路及内容。
一、名词解释（每题5分） 1.工程地质 2.地震烈度 3.地面沉降 4.岩溶 5.渗透稳定性 6.地面塌陷 二、论述 1.试举一例，论述滑坡的机理。（30分） 2.岩溶库区渗漏研究的主要方法及需要着手解决的关键问题。（30分） 3.试举一例说明，工程地质工作在工程建设中的地位和作用。（30分） 4.我国长江三峡水库工程中主要涉及哪些工程地质问题？ 它们对水库建设的影响如何。（30分） 2005年 一、名词解释（每题5分） 1、工程地质条件 2、砂土液化 3、混合溶蚀效应 4、渗透变形 5、活断层 6、卓越周期 二、简述题（每题10分） 1.工程地质常用的研究方法有哪些？ 2、影响岩石风化的因素有哪些？ 3、识别活断层的标志有哪些？ 4、滑坡有哪些常用治理方法？ 5、水对岩土体稳定有何影响？ 6、如何进行覆盖性岩溶区的岩溶地基稳定性评价？ 7、简述渗透变形的预测步骤。 三、论述题（每题25分） 1、分别说明土质斜坡与岩质斜坡的稳定性评价方法，并指出其主要区别。 2、城市建筑场地地震稳定性研究需要开展哪些工作，解决哪些问题？
1.岩体力学：是力学的分支学科，是研究岩体在各种立场作用下变形与破坏规律的理论及其实际应用的学科，是一门应用性学科 2.天然应力：人类工程活动之前存在于岩体中的应力。 3.研究方法：工程地质研究法，实验法，数学力学分析法，综合分析法 4.岩石质量指标(RQD)值：大于10cm的岩芯累计长度与钻孔进尺长度之比的百分数。 5.岩体：在地质历史过程中形成的，有岩石单元体和结构面网络组成，具有一定的结构并赋存一定的天然应力状态和地下水等地质环境中的地质体 6.岩块：是指不含显著结构面的岩石块体，是构成岩体的最小岩石单元体 7.结构面：地质历史发展过程中，在岩体形成的具有一定的延伸方向和长度，厚度相对较小的地质界或带 8.造岩矿物：含氧岩，氧化物，氢氧化物，卤化物，硫化物，自然元素 9.粒间连接分类：结晶连接，胶结连接 10.风化程度指标：定性指标主要有颜色，矿物腐化程度。定量指标主要有风化孔隙率指标和波速指标 11.结构面成因分类：1地质成因类型原生结构面（沉积结构面，岩浆结构面，变质结构面）2力学成因：性结构面，剪性结构面12.机构面的影响因素：产状，连续性，密度，开度，形态，填充
胶结特征（贴硅胶结的强度最高），结构面的组合关系 13.岩石软化性：是指岩石浸水饱和后强度降低的性质。 14.岩体成因分类：岩浆岩体，沉积岩体（他生沉积岩，自生沉积岩），变质岩体 15.岩体工程分类：岩体质量分级，洞室围岩分类，岩体地质力学分类（RMR分类），巴顿岩石质量分类（Q分类） 16.岩石的物理性质：岩石的密度（颗粒密度，岩块密度），岩石的空隙性 17.岩石的水理性质：岩石的吸水性，岩石的软化性，岩石的抗冻性，岩石的透水性 18.岩石的吸水率：是指岩石在常温压下自由吸入水的质量与岩样干密度之比。岩石的饱和吸水率是指岩试件在高压或者真空的条件下吸收水的质量与岩式样干质量之比。饱水系数：岩石的吸水率与饱和吸水率之比 19.饱和吸水率：岩石试件在高压或真空条件下吸入水的质量与岩样干质量之比 20.质量损失率：是指冻容前后干质量之差与实验前干质量之比——百分数表示 21.剪切强度：在剪切荷载作用下，岩块抵抗剪切破坏的最大剪应力。 22.剪切（法向）刚度：是反应结构面剪切（法向）变形性质的重要参数
《岩石力学》期末试卷及答案 姓名 学号 成绩 一、 选择题(每题1分，共20分) 1. 已知岩样的容重为γ，天然含水量为0w ，比重为s G ，40C 时水的容重为w γ，则该岩样的饱和容重m γ为（ A ） A. ()()w s s G w G γγ++-011 B. ()()w s s G w G γγ+++011 C. ()()γγ++-s s w G w G 011 D. ()()w s s G w G γγ+--011 2. 岩石中细微裂隙的发生和发展结果引起岩石的（ A ） A ．脆性破坏 B. 塑性破坏 C. 弱面剪切破坏 D. 拉伸破坏 3. 同一种岩石其单轴抗压强度为c R ，单轴抗拉强度t R ，抗剪强度f τ之间一般关系为（ C ） A.f c t R R τ<< B. f t c R R τ<< C. c f t R R <<τ D. t f c R R <<τ 4. 岩石的蠕变是指（ D ） A. 应力不变时，应变也不变； B. 应力变化时，应变不变化； C. 应力变化时，应变呈线性随之变化； D. 应力不变时应变随时间而增长 5. 模量比是指（A ） A ．岩石的单轴抗压强度和它的弹性模量之比 B. 岩石的 弹性模量和它的单轴抗压强度之比 C ．岩体的 单轴抗压强度和它的弹性模量之比 D ．岩体的 弹性模量和它的单轴抗压强度之比 6. 对于均质岩体而言，下面岩体的那种应力状态是稳定状态（ A ） A.??σσσσsin 23131<++-cctg B.?? σσσσsin 23131>++-cctg C. ??σσσσsin 23131=++-cctg D.??σσσσsin 23131≤++-cctg 7. 用RMR 法对岩体进行分类时，需要首先确定RMR 的初始值，依据是（ D ） A ．完整岩石的声波速度、RQD 值、节理间距、节理状态与地下水状况 B. 完整岩石的强度、RQD 值、节理间距、节理状态与不支护自稳时间 C. 完整岩石的弹性模量、RQD 值、节理间距、节理状态与地下水状况 D. 完整岩石的强度、RQD 值、节理间距、节理状态与地下水状况 8. 下面关于岩石变形特性描述正确的是（ B ） A. 弹性就是加载与卸载曲线完全重合，且近似为直线 B. 在单轴实验中表现为脆性的岩石试样在三轴实验中塑性增强 C. 加载速率对应力－应变曲线没有影响 D. 岩基的不均匀沉降是由于组成岩基的不同岩石材料含水量不同导致的 9. 下面关于岩石水理性质描述正确的是（ B ）
一、名词解释（每词2分，共20分） 1、结构面 2、蠕变 3、饱和吸水率 4、强度判据 5、围岩 6、剪切刚度 7、天然应力 8、RQD值 9、围岩抗力系数 10、岩石软化性 二、填空（每空1分，共30分） 1、结构面发育的密集程度通常用（）和（）表示，结构面形态通常考虑结构面侧壁的（）和（）两个 方面。 2、表征岩石抗剪强度的基本指标是（）和（）。 3、垂直层面加压时，岩体的抗压强度比平行层面加压时（），而变形模量则比平行层面加压时（）。 4、有一对共轭剪节理，其中一组走向为N300E，另一组走向为N300W，问形成该剪节理的最大主应力 σ1的方向为（）；假定岩石强度服从莫尔直线型强度理论，则该岩体的内摩擦角Φ为（）。 5、测定岩石抗拉强度的方法有（）和（）。 6、RMR分类依据的分类指标为（）、（）、（）、（）和（）。 7、从力学的观点出发，岩石的脆性破坏有（）和（）两种。 8、天然应力为静水压力状态时，洞壁上一点的剪应力为（），径向应力为（），重分布应力中的（）为 最大主应力，（）为最小主应力。 9、岩体天然应力的测量方法主要有（）、（）和（）。 10、按边坡岩体中滑动面形态、数目及组合关系，把边坡岩体破坏类型划分为（）、（）、（）和（）四种。 三、问答（共30分） 1、试述地下洞室弹性围岩重分布应力的基本特点。（10分） 2、试述粗糙起伏无充填结构面的剪切强度特征（要求图加简要文字说明）。（10分） 3、试述岩体中水平天然应力的基本特点。（10分）
四、计算（共30分） 1、某岩块的剪切强度参数为：C=50MPa，Φ=600，设岩石强度服从莫尔直线型强度理论。如用该岩石试件做三轴试验,当围压σ3和轴压σ1分别加到50MPa和700MPa后，保持轴压不变，逐渐卸除围压σ3，问围压卸到多少时，岩石试件破坏？（15分） 2、在某岩体中开挖一直径为6m的水平圆形洞室，埋深为400m，已知洞室围岩的剪切强度参数为：C=9MPa，Φ=400，岩体的平均密度ρ=2.7g/cm3，设岩体天然应力比值系数λ=1，试评价该洞室开挖后的稳定性。 一、名词解释（每词2分，共20分） 1、岩体 2、单轴抗压强度 3、吸水率 4、强度判据 5、围岩 6、剪切刚度 7、重分布应力 8、RQD值 9、围岩抗力系数 10、变形模量 二、填空（每空1分，共30分） 1．按边坡岩体中滑动面形态、数目及组合关系，把边坡岩体破坏类型划分为（）、（）、（）和（）四种。 2．结构面发育的密集程度通常用（）和（）表示，结构面的形态通常考虑结构面侧壁的（）和（）两个方面。 3．表征岩石变形性质的基本指标是（）和（）。 4．垂直层面加压时，岩体的抗压强度比平行层面加压时（），而变形模量则比平行层面加压时（）。
中国地质大学研究生院 硕士研究生入学考试《地质学基础》考试大纲（地球探测与信息技术、地学信息工程、地质工程等专业：861地质学基础A） 一、考试总体要求 熟悉并基本掌握地质学的基本理论、原理和实际工作方法，学会运用地质学的理论、方法分析地质现象、地质过程、岩矿特征、构造体系和地史演化过程等基本要点，并能结合自己所学或所从事专业中的实际地质问题，深入理解相关概念和方法，强调地质学理论的掌握和深入分析实际问题的能力。 二、试卷结构 题型比例如下： 名词解释：约13% 判断题与选择题：约20% 简答题：约33% 论述题：约34% 三、主要考试内容 1、研究对象与方法 （1）地质学的研究对象和任务 （2）地质学的研究方法和意义 （3）地质学理论与实际应用的一般现状、发展趋势 2、地球概述 2.1地球的基本特征 （1）地球的形状和大小 （2）固体地球表面的形态特征 2.2地球的结构 （1）地球的外部圈层及其主要特征 （2）地球的内部圈层及其主要特征 2.3地球的主要物理性质 （1）地球的密度和压力 （2）重力 （3）地磁 （4）地热 3、地质作用 3.1地质作用的概念 （1）地质作用的一般概念 （2）地质作用的类型 3.2内动力地质作用 （1）地壳运动 （2）地震 （3）岩浆作用 （4）变质作用 3.3外动力地质作用
（2）剥蚀作用 （3）搬运作用 （4）沉积作用 4、地质年代 4.1化石 （1）化石的形成 （2）化石的类型 （3）标准化石与常见的化石 4.2地层 （1）地层及其层序的建立 （2）地层的划分和对比 4.3地质年代 （1）相对地质年代 （2）绝对年代 5、矿物 5.1矿物及晶体的概念 （1）矿物的概念 （2）晶体与非晶体 5.2矿物的化学成分 （1）矿物的化学成分 （2）矿物的化学成分与地壳中元素的关系（3）矿物化学成分的变化 （4）矿物中的水 5.3矿物的形态 （1）矿物的单体形态 （2）矿物的集合体形态 5.4矿物的物理性质 （1）矿物的光学性质 （2）矿物的力学性质 （3）矿物的其他性质 5.5主要矿物介绍 （1）矿物分类 （2）矿物命名 （3）主要矿物类型 6、岩石 6.1岩浆岩 （1）岩浆与岩浆活动 （2）岩浆岩的成分 （3）岩浆岩的结构构造 （4）岩浆岩的产状 （5）岩浆岩的类型 （6）岩浆的起源和岩浆的演化 6.2沉积岩 （1）沉积岩的成分 （2）沉积岩的结构构造 （3）沉积岩的形成过程
岩石力学复习资料 文稿归稿存档编号：[KKUY-KKIO69-OTM243-OLUI129-G00I-FDQS58-
1.岩石在反复冻融后其强度降低的主要原因是什么? ①构成岩石的各种矿物的膨胀系数不同，当温度变化时由于矿物的涨缩不均而导致岩石结构的破坏②当温度减低到0℃以下时岩石孔隙中的水将结冰，其体积增大约9%，会产生很大的膨胀压力，使岩石的结构发生改变，直至破坏 2. 岩石试件在单轴压力作用下常见的破坏形式有哪些？ ①单轴压力作用下时间的劈裂②单斜面剪切破坏③多个共轭斜面剪切破坏 3.影响单轴抗压强度的因素有哪些？ 端部效应，试件的形状和尺寸，加载速率 4. 巴西劈裂试验测得的是岩石的哪个强度指标为什么 岩石抗拉强度。根据弹性力学公式，沿竖直直径长沙几乎均匀的水平方向拉力，在试样的水平方向直径平面内，产生最大的压应力。可以看出，圆柱体试样的压应力只有拉应力的3倍，但岩石的抗压强度往往是抗拉强度的10倍，这表明岩石试样在这样条件下总是受拉破坏而不是受压破坏。因此我们可以用劈裂法来确定岩石的抗拉强度。 5. 库伦准则的适用条件。 ①库伦准则是建立在试验基础上的破坏数据②库伦准则和莫尔准则都是以剪切破坏做为其物理机理，但岩石试验证明岩石破坏存在大量的微破裂，这些微破裂是张拉破坏而不是剪切破坏③莫尔库伦准则适用于低围压的情况 6. 岩石单轴压缩状态下的应力-应变曲线一般可分为那四个阶段？ ①在OA区段内，曲线稍微向上弯曲，属于压密阶段，这期间岩石中初始的微裂隙受压闭合②在AB区段内，接近直线，近似于线弹性工作阶段③BC区段
内，曲线向下弯曲，属于非弹性阶段，主要是再平行于荷载方向开始逐渐生成新的微裂隙以及裂隙的不稳定④下降段CD为破坏阶段，C点的纵坐标就是单轴抗压强度Rｃ 7. 岩石全程应力-应变曲线的作用是什么？ 岩爆的预测，蠕变的预测，疲劳破坏 8. 蠕变分为哪几个阶段？ 初始蠕变段，等速蠕变段，加速蠕变段 9. 为何岩石的蠕变曲线很难测得？ 10. 在一定法向应力作用下，结构面在剪切作用下产生的切向变形形式有哪两种？ ①对非充填粗糙结构面，随剪切变形的发生，剪切应力相对上升较快，当达到剪应力峰值后，结构面抗剪能力出现较大的下降，并产生不规则的峰后变形或滞滑现象 ②对于平坦的结构面，初始阶段的剪切变形曲线呈下凹型，随剪切变形的持续发展，剪切应力逐渐升高但没有明显的峰值出现，最终达到恒定值。 11. 影响结构面力学性质的因素。 ①尺寸效应②前期变形历史③后期填充性质 12. 影响结构面剪切强度的因素。 ①法向应力②粗糙度③结构面抗压强度 13. 岩体强度的决定因素。 节理，裂隙，岩块和结构面强度 14. 结构面方位对岩体强度的影响。P65 在某些应力条件下，破坏不沿结构面发生，只有当结构面的倾角A满足内摩擦角 第七章岩体中的天然应力 第一节概述 岩体中的应力是岩体稳定性与工程运营必须考虑的重要因素。人类工程活动之前存在于岩体中的应力，称为天然应力或地应力(stress in the earth’s crust)。人类在岩体表面或岩体中进行工程活动的结果，必将引起一定范围内岩体中天然应力的改变。岩体中这种由于工程活动改变后的应力，称为重分布应力。相对于重分布应力而言，岩体中的天然应力亦可称为初始应力(initiaLstress)。 1932年，在美国胡佛水坝下的隧道中，首次成功地测定了岩体中的应力。半个多世纪来，在世界各地进行了数以十万计的岩体应力量测工作，从而使人们对岩体中天然应力状态有了新的认识。1951年，瑞典的哈斯特(Hast)成功地用电感法测量岩体天然应力，并于1958年在斯堪的纳维亚半岛进行了系统的应力量测。首次证实了岩体中构造应力的存在，并提出岩体中天然应力以压应力为主，埋深小于200m的地壳浅部岩体中，水平应力大于铅直应力，以及天然应力随岩体埋深增大而呈线性增加的观点。 利曼(Leeman，1964)以“岩体应力测量”为题，发表了一系列研究论文，系统地阐明了岩体应力测量原理、设备和量测成果。1973年苏联出版了《地壳应力状态》一书，汇集了苏联矿山坑道岩体的应力实测成果。各国的研究都证明了哈斯特的观点。 1957年，美国哈伯特(Hubbert)和威利斯(Willis)提出用水压致裂法(hydraulic fracturing method)测量岩体天然应力的理论。1968年美国海姆森(Haimson)发表了水压致裂法的专题论文。与此同时，伴随石油工业的发展，水压致裂法在生产实践中得到了广泛的应用。水压致裂法的应用，使岩体中应力量测工作，从几十米、数百米延至数千米深度，并获得大量的深部岩体天然应力的实测数据。在此基础上，美国用水压致裂法开展了兰吉列油田注水引起的诱发地震机理的综合研究，并成功地解析了诱发地震的机理。1975年盖依等人根据岩体应力的实测数据的分析，提出了临界深度的概念，在该深度以上水平应力大于铅直应力，该深度以下水平应力小于铅直应力。研究表明，临界深度随地区不同而不同，如冰岛等地为200m，日本和法国为400～500m，中国和美国为1 000m，加拿大为2 000m。 我国的岩体天然应力测量工作开始于50年代后期，至60年代才广泛应用于生产实践。到目前为止，我国岩体应力测量已得到数以万计的数据，为研究工程岩体稳定性和岩石圈动力学问题提供了重要依据。 一般认为，天然应力是各种作用和各种起源的力，它主要由自重应力和构造应力组成，有时还存在流体应力和温差应力等。研究还表明，岩体应力状态不仅是一个空间位置的函数，而且是随时间推移而变化的。岩体在天然应力作用下，不是处于静力稳定，而是处于一种动力平衡状态，一旦应力状态发生改变，这种动力平衡条件将遭破坏，岩体也将发生这样或那样的失稳现象。引起岩体应力条件改变的因素很多，例如地球旋转速度的变化、日月的潮汐作用、太阳活动性的变化及人类工程活动等，均可以使岩体的应力状态发生变化。 岩石的变形特性 岩石的基本物理力学性质及其试验方法(之二) 一、内容提要：本讲主要讲述岩石的变形特性、强度理论 二、重点、难点：岩石的应力-应变曲线分析及岩石的各种强度理论。 三、讲解内容： 四、岩石的变形特性 与岩石的强度特性一样，岩石的变形特性也是岩石的重要力学特性。只有对岩石的变形特性的变化规律有了足够的了解，才能应用某些数学表达式描述岩石的变形特性，进而运用这些表达式计算岩石在外荷载作用下所产生的变形特性，并评价其稳定性。在实际的工程中，经常遇到岩石在单轴和三轴压缩状态下的变形问题。 (一)岩石在单向压缩应力作用下的变形特性 1. 岩石在普通试验机中进行单向压缩试验时的变形特性 岩石的变形特性通常可从试验时所记录下来的应力-应变曲线中获得。岩石的应力-应变曲线反映了各种不同应力水平下所对应的应变(变形)规律。以下先介绍具有代表性的典型的应力-应变曲线。 1)典型的岩石应力-应变曲线分析 图15-1-17例示了典型的应力-应变曲线。根据应力-应变曲线的变化，可将其分成OA，AB，BC 三个阶段。三个阶段各自显示了不同的变形特性。 (1)OA阶段，通常被称为压密阶段。其特征是应力-应变曲线呈上凹型，即应变随应力的增加而减少。形成这一特性的主要原因是存在于岩石内的微裂隙在外力作用下发生闭合所致。 (2)AB阶段，也就是弹性阶段。从图15-1-17可知，这一阶段的应力-应变曲线基本呈直线。若在这一阶段卸荷的话，其应变可以恢复，由此可称为弹性阶段。这一阶段常用两个弹性常数来描述其变形特性。即弹性模量E和泊松比。所谓弹性模量，是指应力—应变曲线中呈直线阶段的应力与应变之比值(或者是该曲线在直线段的斜率)被称作平均模量。就模量的概念而言，岩石的模量还有初始模量、切线模量、割线模量等。在岩石力学中比较常用的是平均弹性模量E和割线模量E50，E50是指岩石峰值应力一半的应力、应变之比值，其实质代表了岩石的变形模量。所谓泊 松比，是指在弹性阶段中，岩石的横向应变与纵向应变比之值。这是描述岩石侧向变形特性 的一个参数。最近几年来，经过大量的试验发现，在AB阶段，由于岩石受荷后不断地出现裂纹扩展，将产生一些不可逆的变形。因此从某种意义上来说，它并不属于真正的弹性特性，只能是 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：地壳是变动的。 自然平衡状态是指：岩体中初始应力保持不变的状态。 2. 初始应力、二次应力和应力场的概念。 答：未受影响的应力称为初始应力 工程开挖时，受工程开挖影响而形成的应力称为二次应力 地应力是关于时间和空间的函数，可以用“场”的概念来描述，称之为地应力场。 3. 何谓海姆假说和金尼克假说？ 答：海姆首次提出了地应力的概念，并假定地应力是一种静水应力状态，即地壳中任意一点的应力在各个方向上均相等，且等于单位面积上覆岩层的重量，即σ?=σv=γH 金尼克认为地壳中各点的垂直应力等于上覆岩层的重量，而侧向应力（水平应力）是泊松效应的结果，其值应为乘以一个修正系数K。他根据弹性力学理论，认 为这个系数等于μ 1?μ，即σv=γH，σ?=μ 1?μ γH 4. 地应力是如何形成的？ 答：地应力的形成主要与地球的各种动力运动过程有关，其中包括：板块边界受压、地幔热对流、地球内应力、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力场。 5. 什么是岩体的构造应力？构造应力是怎样产生的？土中有无构造应力？为什么？答：岩体中由于地质构造运动引起的应力称为构造应力。 关于构造应力的形成有两种观点：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。 土中没有构造应力，由于土本身是各向同性介质，不存在地质构造。 6. 试述自重应力场与构造应力场的区别和特点。 答：由地心引力引起的应力场称为重力应力场，重力应力场是各种应力场中惟一能够计算的应力场。地壳中任一点的自重应力等于单位面积的上覆岩层的重量，即σG=γH。 重力应力为垂直方向应力，它是地壳中所有各点垂直应力的主要组成部分，但是垂直应力一般并不完全等于自重应力，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力变化。 构造应力是由地质构造运动形成的。当前的构造应力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。构造应力主要表现为以水平应力为主，“在构造应力的作用仅影响地壳上层一定厚度的情况下，水平应力分量的重要性远远超过垂直应力分量。” 7. 岩体原始应力状态与哪些因素有关？ 答：地形地貌；岩体结构；岩石力学性质；地下水。 8. 简述地应力场的分布规律 答：1）地应力场的特性 （1）地应力场是一个以水平应力为主的三向不等压应力场 （2）地应力场是一个具有相对稳定性的非稳定应力场 2）垂直应力的分布规律 在深度为25~~2700m的范围内，σv呈线性增长，大致相当于按平均容量γγ等于273kN?m?3?计算出来的重力γH。 3）水平应力的分布规律 一、名词解释 1. 变质作用：在地下特定的环境中，由于温度、压力或流体的影响，使原岩在基本为固态条件下，发生物质成分、构造及结构变化的作用称为变质作用。变质作用的机制主要包括：变质结晶、变形和变质分异 3 类。 2. 间粒结构：浅成相或喷出相火山岩基质中，由辉石等暗色矿物以及隐晶质玻璃质充填于微晶斜长石粒间空隙形成的结构。称为填隙结构。充填物均为粒状矿物时称间粒结构。充填物为隐晶质-玻璃质称间隐结构。二者的过渡类型称间粒间隐结构。 3. 区域变质作用：它是在大面积发生的区域性的变质作用，是地壳活动带伴随强烈造山运动所发生的一种变质作用。变质因素复杂，往往是温度、压力、偏应力和流体综合作用。变质机制也多样，主要是重结晶和变形，有时还伴有明显的交代和部分熔融。 4. 泥晶基质：又称微晶基质。泥晶是指呈机械性运移和沉积的泥级碳酸盐质点。基质又称杂基，是指充填在颗粒之间的细粒机械填隙物。泥晶基质即为细粒填隙物为碳酸盐微晶的基质。 5. 玻屑凝灰岩：火山碎屑物主要为玻屑的一种凝灰岩，凝灰岩是火山碎屑岩中分布最广的一种，具有典型的凝灰结构，火山物质占90% 以上，碎屑粒径小于 2 毫米。 6. 浊流：是在水下斜坡上产生的，含大量悬浮颗粒（泥砂）和水分、以紊乱状态快速流动的重力流。 7. 麻粒岩：是一种在高温和中压下稳定的区域变质岩，其特征是岩石中含水矿物（如角闪石、黑云母）均不稳定一般含量很少或不出现。暗色矿物中主要为紫苏辉石、透辉石，浅色矿物中有长石和石英，石英显暗色，有时含石榴石、夕残石、蓝晶石、堇青石等。一般为中、粗粒状变晶结构，有时为不等粒状变晶结构，多为块状构造。 8. 同化混染作用：岩浆在上升或停留于岩浆房期间，除与围岩具有热交换外，还可能与围岩发生物质交换，其结果是熔化围岩及捕虏体，或与其发生反应，而使岩浆的成分发生变化，这一过程称为同化混染作用。 9. 混合岩化作用：这是在区域变质作用的基础上，由地壳内部热流升高而产生的深部热流和局部重熔熔浆渗透、交代、贯入于变质岩中并形成混合岩的一种变质作用。 10. 玄武岩：基性喷出岩的代表性岩石。主要由基性斜长石和辉石组成，次要矿物有橄榄石、角闪石及黑云母等，岩石均为暗色，一般为黑色，有时呈灰绿以及暗紫色，岩石多具斑状结构，气孔构造和杏仁构造普遍。 11. 斑状变晶结构：根据变晶矿物的相对大小划分的变晶结构的一种，若颗粒粒度呈双模式分布，大颗粒（变斑晶）为细小颗粒（基质）包围，则称为斑状变晶结构。 斑状结构: 岩石中矿物颗粒分为大小截然不同的两群，大的称为斑晶，小的及不结晶的玻璃质称为基质。其间没有中等大小的颗粒，可与不等粒结构相区别。 12. 接触变质作用：是在岩浆岩体边缘和围岩的接触带上，由于岩浆的高温和从岩浆中分出的溶液的影响而使岩石发生变质的作用。根据作用的因素和岩石变化特征常分为热接触变质作用和接触交代变质作用。 13. 序粒层理：又称递变层理，系指层内从底到顶粒度由粗向细逐渐变化的一种层理。 14. 变质相系：每一个变质地区都可用一系列的变质相表示温度和压力的变化，即一个递增变质地区观察到的变质相的系列，称为变质相系。 变质相：变质作用过程中同时形成的一套矿物共生组合及其形成时的物化条件。具体的说是一定温度- 压力的反映，而一系列化学成分不同的岩石在一定温压范围内所形成的，变质矿物共生组合体，即构成一个变质相。 15. 柱状节理：熔浆在冷凝固结过程中，如果成分均匀，地形平坦，而且缓慢冷缩，就可能围绕一些大致成等距离排列的凝结中心收缩，从而形成垂直于冷凝面的裂隙，把岩石分割成多边形柱状体，这种裂隙称为柱状节理。 16. 片状构造：变质岩的一种变成构造。这是变质岩最常见、最典型的构造，其特点是岩石中所含大量片状和粒状矿物都呈平行排列，片柱状矿物大于30% ，粒状矿物以石英为主，可含一定数量的长石，长石含量＜25%。 17. 岩浆结晶分异作用：是指由于岩浆中结晶的固相物质的分离而使残余岩浆成分发生变化的作用。 18. 辉绿结构：是基性浅成侵入岩的典型结构，指辉绿岩中基性斜长石和辉石颗粒大小相近，但是自形程度不同，自形程度好的斜长石呈板状，搭成三角形孔隙，其中充填它形的辉石颗粒。可与辉长结构过渡，称辉长辉绿结构。辉长结构：是基性深成侵入岩辉长岩的典型结构，表现为基性斜长石和辉石的自行程度相近，均呈现半自行-他形粒状，是岩浆同时析出的结果。 19. P-T-t轨迹：岩石在变质作用过程中P-T条件随时间（t）的变化而变化的历程或在P-T图解中表示该历 程的曲线。岩体力学 中国地质大学 贾洪彪第七章岩体中的天然应力
岩石应力应变的各个阶段
《岩石力学》 地应力及其测量
中国地质大学(北京)岩石学教学教材
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