1. 简述岩石的强度特性和强度理论，并就岩石的强度理论进行简要评述。 答：岩石作为一种天然工程材料的时候，它具有不均匀性、各向异性、不 连续等特点，并且受水力学作用显着。在地表部分，岩石的破坏为脆性破 坏，随着赋存深度的增加，其破坏向延性发展。
岩石强度理论是判断岩石试样或岩石工程在什么应力、应变条件下破 坏。当然岩石的破坏与诸多因素有关，如温度、应变率、湿度、应变梯度 等。但目前岩石强度理论大多只考虑应力的影响，其他因素影响研究并不 深入，故未予考虑。
(1) .剪切强度准则
a. Coulomb-Navier 准则
Coulomb-Navier 准则认为岩石的破坏属于在正应力作用下的剪切破坏, 它不仅与该剪切面上剪应力有关，而且与该面上的正应力有关。岩石并不 沿着最大剪切应力作用面产生破坏，而是沿其剪切应力和正应力最不利组 合的某一面产生破裂。即： 式中为岩石材料的内摩擦角，为正应力，
C 为岩石粘聚力。 b. Mohr 破坏准则
根据实验证明：在低围压下最大主应力和最小主应力关系接近于线性 关系。但随着围压的增大，与关系明显呈现非线性。为了体现这一特点， 莫尔准则在压剪和三轴破坏实验的基础 上确定破坏准则方程，即
此方程可以具体简化为斜直线、双曲线、 抛物线、摆线以及双斜直线等 各种曲线形式，具体视实验结果而定。
虽然从形式上看，库仑准则和莫尔准则区别只是在于后者把直线推广 到曲线，但莫尔准则把包络线扩大或延伸至拉应力区。
C.双剪的强度准则
Mohr 强度准则是典型的单剪强度准则，没有考虑第二主应力的作用。 我国学者俞茂宏从正交八面体的三个主应力出发，提出了双剪强度理论和 适用于岩土介质的广义双剪强度理论， 1
3 2 1 1
3 2
1
是岩石单轴抗拉强度。在主应力空间里, 上式代表一个以静水应力轴为中心轴具有不等边十二边形截面的锥体表 面。 C tan
并得到了双剪统一强度理论:
1 —- b 1 b
1 门 b
2 1 式中和b 为两个材料常数,
(2) .屈服强度准则
a. Tresca 屈服准则
Tresca 屈服准则也可称为最大剪应力准则，它认为当岩石中剪应力达到 材料的特征值时岩石就屈服破坏，即：
1
丄 max 二 1
3 ~ s 2 2
式中为材料拉伸屈服极限。该屈服准则也没有考虑中间主应力对材料 屈服破坏的影响，从实验结果来看它对金属材料近似正确，而对岩石材料 的结果相差较远。 b. Mises 屈服准则
Mises 屈服准则考虑了中间主应力对屈服破坏的影响， 第
二不变量来表示屈服准则： 单位体积的弹性形变能达到一定极限 时，材料
就会发生屈服破坏。Mises 屈服准则对于材料塑
性破坏来说是比较 适合的，也是最常用的。
C. Drucker- Prager 准贝 U
Coulomb 准则和Mohr 准则破坏机理有相通之处，都体现了岩石材料压 剪破坏的本质，由于它简单易理解，目前仍被广泛采用。但这类准则没有 反映出中间主应力的影响，因此不能解释岩石材料在高围压和静水压力作 用下的屈服破坏现象。Drucker-Prager 准则在Coulomb-Mohr 准则和Mises 屈服准则基础上推广而得：
米用偏应力张量
Mises 屈服准则的物理意义为: Mohr 屈服准则
式中： ——,K 丁竺— ； C,分别表示岩石材料的粘
V 3 3 sin J 3 3 sin
结力和内摩擦角。Drucker- Prager 准则既考虑了中间主应力的影响，又考虑 静水压力的作用，在大多数的数值分析软件中都采用这个岩石破坏准则 d.脆性断裂理论(Griffith 准则)
Griffith 准则的求解具体过程：利用极值原理先求出椭圆裂纹周边最大 危险应力的大小和位置，再确定最危险裂纹长轴的方向和应力，最后由求 得的极值应力和单轴抗拉强度进行对比， 下 13 3 0
13 3 0
当岩石处于单轴抗压时，那么由上式可以得
到:
S c 8S t
从Griffith 准则得到脆性材料的抗压强度为抗拉强度的 8倍，从理论上 认识岩石等脆性材料的抗压不抗拉的特征是 Griffith 准则一大贡献。同时它 总结了单轴、三轴应力状态以及各种拉、压组合等各种应力状态达到拉应 力而断裂的共同特征。Griffith 准则用下图表示，从本质上说，Griffith 准则 其实就是拉伸破坏准则。
e. Hoek-Brow n 准则
经过大量的试验和数理统计，研究者也建立了许多适合不同场合和用 途的岩石强度经验准则。其中1980年提出的Hoek-Brown 准则应用比较广 泛，因为它考虑了岩石的峰值强度后的软化行为 。
Hoek-Brow n 准则为：
强度；m, s 为两个无量纲系数，m 与岩性有关，而s 则反映岩石的完整性。 2. 简述地应力的主要规律及我国构造应力分布的特点。
答：通过理论研究，地质调查和大量地应力测量资料的分析研究，初步认 识到浅部地壳应力分布的一些基本规律：
(1) .地应力是一个具有相对稳定性的非稳定应力场，它是时间和空间的函建立Griffith 脆性断裂破坏准则如
__ 1_
厂
S t
式中: 3
分别为岩石中的最大和最小主应力; c 为岩块的单轴抗压
数。
地应力在绝大部分地区以水平应力为主的三向不等压应力场，三个主 应力的大小和方向是随着空间和时间变化的，因而是非稳定的应力场。
地应力在空间上的变化从小范围看是很明显的，应力的大小和方向也 是不同的。但是就某个地区整体，地应力的变化是不大的，如我国的华北 地区，地应力场的主导方向为北西到近于东西的主压应力。
在某些地震活动活跃的地区，地应力的大小和方向随时间的变化是很 明显的。
(2) . 实测垂直应力基本等于上赋岩层的重量
对全世界实测垂直应力 V 的统计资料的分析表明， 在深度为 25~2700m
重力 H 。但在某些地区的测量结果有一定幅度的偏差。另外，板块移动、
岩浆对流和侵入、扩容、不均匀膨胀等也都可引起垂直应力的异常。 值得注意的是，在世界多数地区并不存在真正的垂直应力即没有一个 主应力的方向完全与地表垂直，但绝大多数测点都发现有一个主应力接近 与垂直方向，其与垂直方向的偏差不大于 20°，说明地应力的垂直分量受 重力的控制，但也受到其它因素的影响。
(3) . 水平应力普遍大于垂直应力 实测资料表明，在绝大多数(几乎所有)地区均有两个主应力位于水 平或接近水平的平面内，其与水平面的夹角一般不大于 30°。最大水平主 应力h,max 普遍大于垂直应力 V ； h,max 与V 之比值一般为~，在很多情况
下比值大于 2。说明，在浅层地壳中平均水平应力也普遍大于垂直应力， 垂直应力在多数情况下为最小主应力。
(4) . 平均水平应力与垂直应力的比值随深度增加而减小，但在不同地区， 变化速度不很相同。
(5) . 最大水平主应力和最小水平主应力也随深度呈线性增长关系。与垂直 应力不同的是，在水平主应力线性回归方程中的常数项比垂直应力线性回 归方程中常数项的数值要大一些，这反映了在某些地区近地表仍存在显着 水平应力的事实。
(6) . 最大水平主应力和最小水平主应力之值一般相差较大，显示出很强的 方向性。
(7) . 地应力的上述分布规律还会受到地形、地表剥蚀、风化、岩体结构特 征、岩体力学性质、温度、地下水等因素的影响，特别是地形和断层的扰 动影响最大。
的范围内， V 呈线性增长，大致相当于按平均容重
27kN/m 3
计算出的 h,max 普遍大于垂直应力
我国构造应力具有以下特点：
(1).各地最大主应力的发育呈明显的规律性
各地的1方向均与由各该点向我国的察隅和巴基斯坦的伊斯兰堡联线
所构成的夹角等分线方向相吻合或相近似，仅在两侧边缘地带略有偏转，即东侧向顺时针偏转，西侧向逆时针偏转。
(2).三向应力状态及其所决定的现代构造活动类型呈有规律的空间分布
a.潜在逆断型应力状态区主要分布于喜马拉雅山前缘一带，其主要特点是两个水平
主应力均大于垂直主应力。
b.潜在走滑型应力状态区主要分布于我国中西部广大地区，其主要特点是
只有一个水平主应力大于垂直主应力，具中等挤压区的特征。
c.潜在正断型和张剪性走滑应力状态区主要分布于我国的东部和东北部，其主要特点是：区内新生代以来正断层与地堑或断陷盆地十分发育，发育方向NE、NEE，推积厚度数千米；区内KZK堆积具双层结构，E充填断陷盆地，N-Q掩埋了 E寸期的地堑和地垒，形成了现代的低平的平原地形，横向差异小；区内地震由两个方向断裂引起，即 NNE向断裂的右旋兼张性活动和NNW向断裂的左旋兼张性活动。卫星影象及天然地震的震源机制资料还揭示，在西藏高原内腹，还存在着一个局部潜在正断型应力分布区。该区内广泛地发育着可能是新生代形成的近南北向的正断层和地堑式的断陷谷地。该区天然地震的震源机制也大多属正断层，且主拉应力轴为近东西。
我国大部分地区最大主应力方向和量值
的上述变化规律，完全是由印度板块与欧亚
板块的碰撞、挤压所导致的。一般认为，白
垩纪末印度板块从西南向北北东方向推移，
并在始新世中期末，即大约距今3800万年前
与欧亚板块相碰撞(对接)。此后印度板块仍
以每年约5cm的速度向北北东方向推进，这
样一种巨大而持续的板块间的相互作用是控
制我国西部地区地应力场的决定性因素。在
同一时期，东部太平洋板块和菲律宾海板块
则分别从北东东和南东方向向欧亚大陆之下
俯冲，从而分别对我国华北和华南地区地应力场的形成产生重大影响；并认为华北地区目前处于太平洋板块俯冲带的内侧，大洋扳块俯冲引起地幔内高温、低波速的熔融或半熔融物质上涌并挤入地壳，使地壳受拉而变簿，表面发生裂谷型断裂作用，这样形成的北西一南东向拉张和太平洋板块于上地幔深处对欧亚板块所造成的南西西向的挤压相结合，就决定了华北地区现代地应力场和最新构造活动的特征。
3.试述岩爆的机制及如何进行防治。答：处于高应力或极限平衡状态的岩体或地质结构体，在开挖活动扰动下，其内部储存的应变能瞬间释放，造成开挖空间周
围部分岩石从母岩中急剧、猛烈地突出或弹射出来的一种动态力学现象。其中核心的条件为：高三向应力下的能量积聚在开挖条件下顺临空面的瞬时能量释放。
常用的控制对策有：
(1). 宏观均衡整体工程，使隧道线路设计尽可能避开高岩爆区域和岩爆多发地段。
(2). 在高应力区铺设的隧道，尽可能使隧道走向与最大主应力方向保持一致，并按隧道断面的原岩应力设计断面形状，缓解隧道围岩应力。
(3). 对于高应力区岩体，采用卸压技术(如钻孔卸压等)来调整隧道围岩应力，使隧道周边附近岩体中的集中应力向深部转移。
(4). 改善围岩性质，岩石的脆性、坚硬和高强度性质是岩爆发生的内在原因，故可以用两方面来进行岩性调整。一是注水软化，另一个是注浆硬化。
(5). 隧道开挖与岩爆防治相结合。在岩爆多发地段进行超前支护，防治隧道开挖触发应力集中区岩层在掌子面发生岩爆。
对初步成巷的隧道，以柔性支护为原则进行支护设计，逐步提高支护强度。(6). 开挖中若发生意外须尽快搞清机理，预防再次发生。
4.简述锚杆支护作用原理及不同种类锚杆的适用条件。
答：岩层和土体的锚因是一种把锚杆埋入地层进行预加应力的技术。锚杆插入预先钻凿的孔眼并固定于其底端，固定后，通常对其施加预应力。锚杆外露于地面的一端用锚头固定，一种情况是锚头直接附着在结构上，以满足结构的稳定。另一种情况是通过梁板、格构或其他部件将锚头施加的应力传递于更为宽广的岩土体表面。岩土锚固的基本原理就是依靠锚杆周围地层的抗剪强度来传递结构物的拉力或保持地层开挖面自身的稳定。岩土锚固的主要功能是：
(1)提供作用于结构物上以承受外荷的抗力，其方问朝着锚杆与岩土体相接触的点。
(2)使被锚固地层产生压应力，或对被通过的地层起加筋作用 (非顶应力锚杆)。
(3)加固并增加地层强度，也相应地改善了地层的其他力学性能。
(4)当锚杆通过被锚固结构时．能使结构本身产生预应力。
(5)通过锚杆，使结构与岩石连锁在一起，形成一种共同工作的复合结构，使岩石能更有效地承受拉力和剪力。
锚杆的这些功能是互相补允的。对某一特定的工程而台，也并非每个功能都发挥作用。
JJ
若采用非预应力锚杆，则在岩土体中主要起简单的
加筋作用，而且只有当岩土体表层松动变位时，才会发
挥其作用。这种锚固方式的效果远不及预应力锚杆。
效果最好与应用最广的锚固技术是通过锚固力能使结构与岩层连锁在一起的方法。根据静力分析，可以容易地选择锚固力的大小、方向及其荷载中心。由这些力组成的整个力系作用在结构上，从而能最经济有效地保持结构的稳定。采用这种应用方式的锚固使结构能抵抗转动倾倒、沿底脚的切向位移、沿下卧层临界面上的剪切破坏及由上举力所产生的竖向位移。
岩土的锚杆类型：
(1)预应力与非预应力锚杆对无初始变形的锚杆，要使其发挥全部承载能力则要求锚杆头有较大的位移。为了减少这种位移直至到达结构物所能容许的程度，一般是通过将早期张拉的锚杆固定在结构物、地面厚板或其他构件上，以对锚杆施加预应力，同时也在结构物和地层中产生应力，这就是预应力锚杆。
预应力锚杆除能控制结构物的位移外，还有其它有点：
①安装后能及时提供支护抗力，使岩体处于三轴应力状态。
?控制地层与结构物变形的能力强。
O按一定密度布置锚杆，施加预应力后能在地层内形成压缩区，有利
于地层稳定。
@预加应力后，能明显提高潜在滑移面或岩石软弱结构面的抗剪强度。
?张拉工序能检验锚杆的承载力, 质量易保证。
?施工工艺比较复杂。
(2)拉力型与压力型锚杆
显而易见，锚杆受荷后，杆体总是处于受拉状态的。拉力型与压力型锚杆的主要区别是在锚杆受
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