【文章內(nèi)容簡介】 公式計算巖體中的應(yīng)力值。直接 測量法測量技術(shù)包括：扁千斤頂法、水力致裂法、剛性包體應(yīng)力計法和聲發(fā)射法；間接測量方法包括：全應(yīng)力解除法（套孔解除法）、局部應(yīng)力解除法（平行鉆孔法和中心鉆孔法）、松弛應(yīng)變測量法、孔壁崩落測量法和地球物理探測法（聲波觀察法和超聲波譜法）等，涉及測量技術(shù)包括：孔徑變形測量技術(shù)、孔底變形測量技術(shù)、孔壁應(yīng)變測量技術(shù)、空心包體應(yīng)變測量技術(shù)、實心包體應(yīng)變測量技術(shù)和環(huán)境溫度的影響及其完全溫度補償技術(shù)。 。 答：彈性力學(xué)原理知當(dāng)一無限體中的鉆孔受到無窮遠處二維應(yīng)力場（ σ1， σ2）的作用，離 開鉆孔端部一定距離部位處于平面應(yīng)力狀態(tài)： σθ=σ1+σ2－ 2（ σ1－ σ2） cos2θ σr=0 其中， σθ， σr 分別為鉆孔周邊的切向應(yīng)力和徑向應(yīng)力； θ 為周邊一點與 σ1軸的夾角，當(dāng) θ=0時， σθ取最小值，此時 σθ=3σ2－ σ1。采用水壓致裂裝置將鉆孔中某段隔離起來，并向隔離段注射高壓水，當(dāng)水壓超過 3σ2－ σ1和巖石的抗拉強度 T之后，巖石在 θ=0處發(fā)生開裂，開裂時水壓為 Pi=3σ2－ σ1+T，繼續(xù)增加水壓至裂隙深度達 3倍鉆孔直徑，保持壓力穩(wěn)定，測得此穩(wěn)定壓力 Ps=σ2，利用上述公式，在測算出巖石抗拉強度 T后，就能計算出原巖應(yīng)力 σ1和 σ2。巖石存在裂隙水壓 P0時 Pi=3σ2－ σ1+T－ P0；若在開裂鉆孔中再次注入高壓水，使致裂裂隙張開，保持壓力穩(wěn)定，此時測得裂隙重開壓力 Pr= 3σ2－ σ1－ P0，結(jié)合 Ps=σ2就能避開再次測算 T而直接計算出 σ1， σ2，達到試驗?zāi)康摹? 。 答：（ 1）打鉆孔到準(zhǔn)備測量應(yīng)力的部位，并將鉆孔中待加壓段用隔離器隔離取來； （ 2）向隔離段鉆孔內(nèi)注入高壓水，不斷加大水壓，至孔壁出現(xiàn)裂隙，記錄初始開裂水壓 Pi； 巖石力學(xué)與工程 【科學(xué)出版社 蔡 美峰主編】習(xí)題與思考題及解答 （ 3）繼續(xù)施加水壓，至裂隙深度達到 3倍鉆孔直徑，關(guān)閉高壓水系統(tǒng)，保持水壓很定，并記錄次關(guān)閉水壓 Ps，然后卸壓使裂隙閉合； （ 4）重新向密閉段注射高壓水，是裂隙重新打開，并記錄裂隙重開時的壓力Pr 和隨后的關(guān)閉水壓 Ps； （ 5）重復(fù)上述步驟 23 次，以提高測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性；卸壓，退出裝置，完成實驗。 。 答：水壓致裂法認(rèn)為初始開裂發(fā)生在鉆孔壁切向應(yīng)力最小的部位，亦即平行于最大主應(yīng)力方向，這是基于巖石為連續(xù)、均質(zhì)和各向同性的假設(shè)。如果孔壁 本身存在天然節(jié)理裂隙，那么初始裂隙可能發(fā)生在這些部位，而并非切向最小應(yīng)力處，因而水壓致裂法較為實用于完整的脆性巖石中。水壓致裂法的突出優(yōu)點是測量深部應(yīng)力，另外水壓致裂法在工程應(yīng)用中相比其它測量方法經(jīng)濟成本低，測量精度相對可靠。 。 答：材料在受到外荷載作用時，其內(nèi)部存儲的應(yīng)變能快速釋放產(chǎn)生彈性波，發(fā)出聲響，稱為聲發(fā)射；聲發(fā)射測試的原理是基于凱澤效應(yīng)的；凱澤效應(yīng)是指多晶金屬的應(yīng)力從其歷史最高水平釋放后，在重新加載，當(dāng)應(yīng)力未達到先前最大應(yīng)力值（凱澤點）時，很少發(fā)生聲發(fā)射現(xiàn)象，當(dāng)應(yīng) 力達到或超過先前最大應(yīng)力值時，則產(chǎn)生大量的聲發(fā)射現(xiàn)象。 。 答：套孔應(yīng)力解除法是一種全應(yīng)力解除法，通過監(jiān)測測量巖體在應(yīng)力解除過程中引起的變形（孔徑變形、孔壁變形、孔底變形），進而計算原巖應(yīng)力場大小及其分布情況。 主要測量步驟有：（ 1）從巖開挖體表面（巷道、隧道、硐室及其它開挖體等）向巖體內(nèi)部打大孔。孔徑一般 130150mm，孔深一般為開挖跨度的 ，形成大孔之后磨平孔底并在孔底打出同心錐形孔，以利進一步鉆同心小孔； （ 2）完成上述工作，從大孔孔 底打同心小孔，供安裝探頭用?？讖揭话?1638mm，孔深為孔徑的 10倍左右，并清洗小孔。 （ 3）用專用裝置將測量探頭，如孔徑變形計、孔壁應(yīng)變計等安裝到小孔中部。 （ 4）用打大孔的薄壁鉆頭繼續(xù)延伸大孔，使小孔周圍巖芯實心應(yīng)力解除，并通過測量裝置記錄小孔變形情況； （ 5）取出巖芯測量巖芯的 E， μ等物理力學(xué)參數(shù)，撤出實驗裝置，根據(jù)理論公式計算原巖應(yīng)力值。 USBM孔徑變形計的基本工作原理。 答： USAM孔徑變形計探頭由 3組圓頭活塞，每組由 2個徑向?qū)α⒌膱A頭活塞組成，每個圓頭活塞由一個懸臂梁式的 彈簧施加壓力，彈簧正反兩面各貼一個應(yīng)變片記錄彈簧拉壓形變（提高測量精度），每組圓頭活塞沿徑向成 60176。布置，其上 4 個應(yīng)變片組成惠特斯頓全橋電路（解決溫度補償），當(dāng)應(yīng)力解除，鉆孔直徑發(fā)生形變，圓頭活塞預(yù)壓變形得到釋放，應(yīng)變片探測變形并通過儀器記錄下來，這樣就實現(xiàn)了孔徑變形的測量。 USBM 孔徑變形計測量一點的三維地應(yīng)力狀態(tài)？請列出完整的計算過程。 答：方式一：垂直鉆孔軸線平面內(nèi)的應(yīng)力狀態(tài)求解如下圖表： 巖石力學(xué)與工程 【科學(xué)出版社 蔡美峰主編】習(xí)題與思考題及解答 如圖，孔徑變形計記錄垂 直孔軸線平面的變形量 U U U3，通過下試求取平面其中 f1=E－ υ2)+dυ2] d 4P rR0 2 巖石力學(xué)與工程 【科學(xué)出版社 蔡美峰主編】習(xí)題與思考題及解答 f2=E－2cos2θ)(1－ υ2)+dυ2] f3=dυ/E f4=4 (1－ υ2)sin2θ Edd 式中 :d為鉆孔直徑； θ為孔徑方向與 x1 方向夾角，從 x1 軸逆時針轉(zhuǎn)到孔徑方向為正； E、 υ分別為巖石的彈性模量和泊松比；計算過程中，裝換 σx σyσz τx1y1為整體坐標(biāo)系 Oxyz下坐 標(biāo)； （ 5）打三個互不平行相交一點的鉆孔，逐個采用上述計算方法，可求解空間一點三維應(yīng)力狀況，得出 σx、 σy、 σz、 τxy、 τyz、 τzx。 CSIR 門塞孔式孔底應(yīng)變計的基本工作原理并對其主要優(yōu)缺點作出評價。 答： CSIR 門塞式孔底應(yīng)變計工作原理為：將電阻應(yīng)變片粘貼在磨平的孔底，通過延伸鉆孔，實現(xiàn)粘有應(yīng)變片的巖芯應(yīng)力解放，取出該段含應(yīng)變片的巖芯，到實驗室做加載實驗，從而發(fā)現(xiàn)原先存在孔底表面的應(yīng)力。該法缺點是：孔底應(yīng)力狀態(tài)和周圍原巖應(yīng)力狀態(tài)關(guān)系復(fù)雜，影響孔底應(yīng)變計測量的精度和實際中的運用，同時需 要打三個互不平行的鉆孔測量；其優(yōu)點是：不需要很長的套孔巖芯，因而有可能在破碎巖石條件下使用。 。 答：通過應(yīng)力解除測量鉆孔壁表面應(yīng)變，進而計算出鉆孔表面應(yīng)力，利用彈性力學(xué)原理，一個無限體中的鉆孔表面的應(yīng)力分布狀態(tài)可以通過周圍巖體中應(yīng)力狀態(tài)給出精確解，因此，通過鉆孔表面應(yīng)力狀態(tài)可反算出周圍巖體應(yīng)力狀態(tài)。 CSIR孔壁應(yīng)變計的主要優(yōu)缺點作出評價并說明為什么使用 GSIR孔壁應(yīng)變計通過一孔的測量就能確定一點的三維應(yīng)力狀態(tài)。 答：以無限體中的鉆孔受到遠處無窮遠的三維應(yīng) 力場（ σx、 σy、 σz、 τxy、 τyz、τzx）作用，形成孔邊圍巖應(yīng)力分布（ σr、 σθ、 σz’ 、 τrθ、 τθz、 τrz），二者有一一對應(yīng)關(guān)系，孔壁應(yīng)變計采用 3 組 12 只電阻應(yīng)變片組成的應(yīng)變花，每組應(yīng)變花中各應(yīng)變片間隔 45176。，一組應(yīng)變花能測量四個應(yīng)變值（ εθ、 εz、 ε4 ε－ 45）可對應(yīng)列出 3個應(yīng)力應(yīng)變方程，涉及（ σr、 σθ、 σz’ 、 τrθ、 τθz、 τrz）中 3個未知量，經(jīng)轉(zhuǎn)化可列出涉及原巖應(yīng)力場（ σx、 σy、 σz、 τxy、 τyz、 τzx）中 4 個應(yīng)力應(yīng)變方程式， 3組應(yīng)變花可列出 12個涉及原巖應(yīng)力場所有未知量的 12個方程式，因而可以通過 3組應(yīng)變花測量的孔壁形變計算出原三維巖應(yīng)力場。 。 答：空心包體應(yīng)變計主體使用環(huán)氧樹脂制成的空心圓筒，在其中部沿同一圓周等間距（ 120176。）嵌埋三組應(yīng)變花，每組應(yīng)變花由 3支（或 4支）應(yīng)變片組成，測試過程中，使用專門工具將應(yīng)變計推入安裝小孔，用力推動應(yīng)變計，可以間斷其固定銷，使應(yīng)變計柱塞進入內(nèi)腔，使內(nèi)腔膠結(jié)劑流入應(yīng)變計與孔壁之間的環(huán)形槽中，實現(xiàn)應(yīng)變計與孔壁緊密粘帖，通過應(yīng)力解除，孔徑變化，變形計中各組應(yīng)變花分別記錄孔壁沿不同方向的應(yīng)變，考慮應(yīng)變 片與孔壁之間夾有一定距離，引入適當(dāng)修正系數(shù)，就可以通過測量應(yīng)變計算出應(yīng)力狀態(tài)。 、孔底應(yīng)變計及孔壁應(yīng)變計相比，有哪些主要優(yōu)點？ 答：空心包體應(yīng)變計突出優(yōu)點是應(yīng)變計和孔壁在相當(dāng)大的一個面積上膠結(jié)在一起，因此膠結(jié)質(zhì)量好，而其膠結(jié)劑可以注入到周圍裂隙巖體中，使巖石整體化，因而較易得到完整的套孔巖芯，能夠使用在中等破碎和松軟巖體中，同時有較好的防水性。 。 答：實心包體應(yīng)變計采用實心圓筒環(huán)氧樹脂中沿 9 個方向布置 10 支應(yīng)變片，膠結(jié)劑附著在其端 部，使用過程中利用安裝工具推入安裝小孔底部，應(yīng)變計底部裝有膠結(jié)劑的薄膜破裂，膠結(jié)劑流出，實現(xiàn)應(yīng)變計與小孔的緊密粘結(jié)，解除應(yīng)力過程中記錄各應(yīng)變片變化，通過適當(dāng) 巖石力學(xué)與工程 【科學(xué)出版社 蔡美峰主編】習(xí)題與思考題及解答 公式，進而求出各向應(yīng)力狀態(tài)。 ？ 答：實心應(yīng)變計采用彈性材料環(huán)氧樹脂，其剛度遠遠小于巖芯剛度，不影響應(yīng)力解除過程中，巖芯的變形，因而是測量應(yīng)變，通過彈性理論知識計算應(yīng)力；剛性包體則采用剛度較巖芯剛度高的材料，使巖芯在應(yīng)力解除過 程中，不發(fā)生形變，因而是直接測量應(yīng)力。 ，論述地應(yīng)力解除測量中溫度補償技術(shù)的重要性。 答：地應(yīng)力測量過程中多數(shù)應(yīng)變計和形變計都是采用電阻應(yīng)變片采集測量量數(shù)據(jù)，電阻應(yīng)變片是基于電阻應(yīng)變片長度變化引起電阻變化這一原理，在實際使用過程中，電阻變化受溫度影響明顯，這就會導(dǎo)致電阻變化，造成虛假的輸出結(jié)果，影響輸出電壓，使結(jié)果偏離真實。而溫度引起的變化可以通過惠特斯頓全橋電路相互抵消，該電路采用 4個橋臂，溫度變化下，引起 4臂溫度等量變化，引起各橋電勢變化量相互抵消后不引起多余的輸 出電壓，實現(xiàn)溫度補償，在各種應(yīng)變計設(shè)計原理中， USBM孔徑變形計就是這類，因此為了減少溫度對測量結(jié)果的影響，對大多數(shù)非全橋電路設(shè)計的應(yīng)變計采用增加補償臂，實現(xiàn)溫度補償，有重要意義。 巖石力學(xué)與工程 【科學(xué)出版社 蔡美峰主編】習(xí)題與思考題及解答 第四章巖石本構(gòu)關(guān)系和強度理論 ？每一類基本方程是從什么方面考慮的？ 答：彈性平面問題的基本方程有平衡方程、幾何方程和本構(gòu)方程三種。平衡方程從受力巖石平面中心力矩平衡， X 軸向和 Y 軸向受力平衡考慮列出平衡方程組： 幾何方程考慮物體受力后的形狀和尺寸改變，推導(dǎo)應(yīng)變分量與位移之間的關(guān)系，從而列出幾何方程組： 本構(gòu)關(guān)系考慮應(yīng)力與應(yīng)變（或應(yīng)力增量與應(yīng)變增量）的關(guān)系，通過胡克定理（完全彈性各向同性體）建立本構(gòu)關(guān)系方程組（包括應(yīng)力問題和應(yīng)變問題兩類）： 或 ？巖石的本構(gòu)關(guān)系一般有幾種類型？ 答：巖石的本構(gòu)關(guān)系指巖石的應(yīng)力或應(yīng)力速率與其應(yīng)變或應(yīng)變速率的關(guān)系。根據(jù)巖石變形性質(zhì)，巖石的本構(gòu)關(guān)系可分為巖石彈性本構(gòu)關(guān)系和巖石塑性本構(gòu)關(guān)系，統(tǒng)稱為彈塑性本構(gòu)關(guān)系；巖石彈性本構(gòu)關(guān)系根據(jù)巖石變形是否成線性分為線性彈性本構(gòu)關(guān)系和非線性彈性本構(gòu)關(guān)系；巖石材料一般表現(xiàn)為既有彈性又有塑性，是彈塑性體，因而根據(jù)巖石是否各向同性又分為各向同性彈塑性本構(gòu)關(guān)系和非各向同性彈塑性本構(gòu)關(guān)系。 ？巖石的破壞一般有幾種類型？ 答：巖石強度時指巖石提抗破壞的能力。巖石破壞的形式主要由斷裂破壞（應(yīng)力達到強度極限）和流動破壞 (應(yīng)力達到屈服極限 )。 ，（ 1）應(yīng)力狀態(tài)有哪兩種？