【導(dǎo)讀】本講主要講述巖石的物理力學(xué)性能等指標(biāo)及其試驗(yàn)方法，巖石的強(qiáng)度特性。周圍物理環(huán)境(力場)的變化作出反應(yīng)的一門力學(xué)分支。所謂的巖石是指由礦物和巖屑在長期的地質(zhì)作用下，按一定規(guī)律聚集而成的自然體。于成因的不同，巖石可分成火成巖、沉積巖、變質(zhì)巖三大類。巖體是指在一定工程范圍。內(nèi)的自然地質(zhì)體。通常認(rèn)為巖體是由巖石和結(jié)構(gòu)面組成。有極低抗拉強(qiáng)度的力學(xué)不連續(xù)面，它包括一切地質(zhì)分離面。公里的斷層，小到巖石礦物中的片理和解理等。從結(jié)構(gòu)面的力學(xué)來看，它往往是巖體中。相對(duì)比較薄弱的環(huán)節(jié)。其試驗(yàn)方法見相關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn)。巖石的干密度通常是指在烘干狀態(tài)下巖塊單位體積的質(zhì)量。試件放入干燥器內(nèi)冷卻至重溫，最后稱試件的質(zhì)量。的特殊需要，必須提供該指標(biāo)時(shí)，通常采用蠟封法求該指標(biāo)。側(cè)向約束膨脹率和膨脹壓力來表示。讀一次，以后每小時(shí)測讀一次，直至3次讀數(shù)差不大于后終止試驗(yàn)。

　　

【正文】 靜水壓力要視具體情況具體分析其產(chǎn)生的作用。 動(dòng)水壓力是指地下水在水頭差的作用下，沿巖體的裂隙或孔隙流動(dòng)時(shí)，給予周圍巖塊表面的動(dòng)水摩擦力和動(dòng)水流向應(yīng)力。這種力對(duì)巖體工程的影響較小，一般可不予考慮。 【例題 15】對(duì)于巖體工程而言，應(yīng)考慮的水壓力為（ ）。 A. 靜水壓力 B. 動(dòng)水壓力 C. 靜水壓力和動(dòng)水壓力 答案： A 巖體受局部加溫或冷卻會(huì)產(chǎn)生膨脹或收縮，這樣，會(huì)在巖體內(nèi)部產(chǎn)生熱應(yīng)力。例如，無論是大塊侵入巖體還是侵入巖流或小型巖脈，巖漿融流都會(huì)使周圍巖體受熱 膨脹，周圍巖體限制受熱巖體的膨脹，從而在巖體中增加了熱應(yīng)力；當(dāng)冷卻時(shí)，又會(huì)產(chǎn)生收縮，這樣，會(huì)在巖體內(nèi)部造成一些成巖裂隙 (例如玄武巖的柱狀節(jié)理 )，并在巖石本身及周圍巖體中保留部分殘余熱應(yīng)力。此外，隨著巖體的埋深增加，地溫也會(huì)逐漸上升，地溫升高也會(huì)使巖體內(nèi)部地應(yīng)力增加，一般地溫梯度 =3℃ ／ l00m，巖體的體膨脹系數(shù) 約為 105，一般彈性模量 E=104MPa，所以，地溫梯度引起的溫度應(yīng)力約為 式中， H 為研究點(diǎn)深度 (m)。 巖體的地溫應(yīng)力是壓縮應(yīng)力，并隨深度增加。在深度相同的情況下，約為垂直重力應(yīng)力的 1／ 9 左右，并且呈靜水壓力狀態(tài) 【例題 16】巖體的地溫應(yīng)力是壓縮應(yīng)力，隨深度的變化 規(guī)律為（ ）。 A. 增加 B. 減小 C. 不變 D. 以上三種均可產(chǎn)生 答案： A 二、巖體初始應(yīng)力量測方法簡介 (一 )巖體應(yīng)力現(xiàn)場量測方法概述 巖體應(yīng)力現(xiàn)場量測的目的是在于了解巖體中存在的應(yīng)力大小和方向，從而為分析巖體工程的受力狀態(tài)以及為支護(hù)及巖體加固提供依據(jù)。巖體應(yīng)力量測還可以是預(yù)報(bào)巖體失穩(wěn)破壞以及預(yù)報(bào)巖爆的有力工具。巖體應(yīng)力量測可以分為巖體初始應(yīng)力量測和地下工程應(yīng)力分布量測。前者是為了測定巖體初始地應(yīng)力場，后者則為測定巖體開挖后引起的應(yīng)力重分布狀況。從巖體應(yīng)力現(xiàn)場量測的技術(shù)來講，這二者并無原則區(qū)別 ，只是要求前者的測點(diǎn)，布置在未受開挖而產(chǎn)生影響的巖體內(nèi)。 巖體應(yīng)力量測可以在鉆孔中、露頭上和地下洞室的巖壁上進(jìn)行，也可以在地下工程中根據(jù)兩點(diǎn)間的位移來進(jìn)行反算而求得。通常應(yīng)用較多的三種方法是應(yīng)力解除法、應(yīng)力恢復(fù)法和水壓致裂法。每種方法都有不同的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，可以相互取長補(bǔ)短。因?yàn)閹r體應(yīng)力存在于巖體中，是一種巖體內(nèi)部的受力，并在受力過程中產(chǎn)生變形，這種變形大部分是可恢復(fù)的彈性變形，但也有部分是不可恢復(fù)的變形。所以，每一種應(yīng)力量測技術(shù)都要擾動(dòng)巖石，以便產(chǎn)生能夠進(jìn)行現(xiàn)場量測的 “ 量 ”( 大部分是測量位移值或應(yīng)變值 )，然 后根據(jù)一定的理論模式進(jìn)行分析計(jì)算。為了量測巖體中某個(gè)位置的應(yīng)力，就必須使用鉆具鉆孔或開挖，以便到達(dá)該測量點(diǎn)，這必然會(huì)擾動(dòng)巖體。因此，對(duì)某個(gè)測點(diǎn)進(jìn)行位移量測，并根據(jù)某種理論模式進(jìn)行計(jì)算以后，還必須根據(jù)開挖或鉆進(jìn)的方法和尺度，進(jìn)行修正。如果說，某種應(yīng)力量測方法的精確度能控制誤差在 以內(nèi)，其結(jié)果通常被認(rèn)為是令人滿意的。 【例題 17】通常應(yīng)用較多的巖體初始應(yīng)力量測方法當(dāng)中不包括（ ）。 A. 應(yīng)力解除法 B. 應(yīng)力恢復(fù)法 C. 水壓致裂法 D. 點(diǎn)載荷試驗(yàn)法 答案： D 【例題 19】對(duì)于巖體的初始應(yīng)力進(jìn) 行量測時(shí)，不能采取的方法是（ ）。 A. 在鉆孔中進(jìn)行 B. 在露頭上進(jìn)行 C. 模擬真實(shí)環(huán)境進(jìn)行 D. 在地下洞室的巖壁上進(jìn)行 答案： C 【例題 20】在對(duì)巖體初始應(yīng)力進(jìn)行量測時(shí)，所測量的成果為（ ）。 A. 位移值 B. 應(yīng)力值 C. 重度值 D. 厚度值 答案： A 目前已經(jīng)形成了許多地應(yīng)力測量方法，這些方法在有關(guān)的文獻(xiàn)中已做了詳細(xì)的介紹，概括起來如表 1531。 (二 )水壓致裂法 1．方法原理及技術(shù) 水壓致裂法的基本點(diǎn)是通過液壓泵向鉆孔內(nèi)擬定測量深度處加液壓。將孔壁壓裂，測定壓裂過程中的各特征點(diǎn)壓力及開裂方位，然后根據(jù)測得的壓裂過程中泵壓表頭讀數(shù)，計(jì)算測點(diǎn)附近巖體中地應(yīng)力大小和方向。壓裂點(diǎn)上、下用止水封隔器密封，其結(jié)構(gòu)如圖15310 所示。水壓致裂過程中泵壓變化及其特征壓力示于圖 15311。 各特征壓力的物理意義注釋如下： P0— 巖體內(nèi)孔隙水壓或地下水壓力； Pb— 注入鉆孔內(nèi)液體壓力將孔壁壓裂的初始?jí)毫褖毫Γ? PS— 液體進(jìn)入巖體內(nèi)連續(xù)地將巖體 劈裂的液體壓力，稱為穩(wěn) 定開裂壓力； Ps0— 關(guān)泵后壓力表上保持的壓力，稱為關(guān)閉壓力。如果圍巖 滲透性大，該壓力將逐漸衰減。 Pb0— 停泵后重新開泵將裂縫重新張開的壓力，稱為開啟壓力。 2．基本理論和計(jì)算公式 3．根據(jù)水壓致裂法試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算地應(yīng)力 水壓致裂法的缺點(diǎn)是地主應(yīng)力方向難以確定。在式 (15323)的基礎(chǔ)上，可以通過分析的方法來初步解決。 4．水壓致裂法 的特點(diǎn) 1)設(shè)備簡單。只需用普通鉆探打孔，用雙止水裝置密封，用液壓泵通過壓裂裝置壓裂巖體，不需要復(fù)雜的電磁測量設(shè)備。 2)操作方便。只通過液壓泵向鉆孔內(nèi)注液壓裂巖體，觀測壓裂過程中泵壓、液量即可。 3)測值直觀。它可根據(jù)壓裂時(shí)泵壓 (初始開裂泵壓、穩(wěn)定開裂泵壓、關(guān)閉壓力、開啟壓力 )計(jì)算出地應(yīng)力值，不需要復(fù)雜的換算及輔助測試，同時(shí)還可求得巖體抗拉強(qiáng)度。 4)測值代表性大。所測得的地應(yīng)力值及巖體抗拉強(qiáng)度是代表較大范圍內(nèi)的平均值，有較好的代表性。 5)適應(yīng)性強(qiáng)。這一方法不需要電磁測量元件，不怕潮濕，可在干孔及孔中有 水條件下作試驗(yàn)，不怕電磁干擾，不怕震動(dòng)。 因此，這一方法越來越受到重視和推廣。但它存在一個(gè)較大的缺陷，即主應(yīng)力方向定不準(zhǔn)。 【例題 21】用水壓致裂法量測巖體初始應(yīng)力時(shí)存在著一個(gè)較大的缺陷是（ ）。 A. 主應(yīng)力方向定不準(zhǔn) B. 設(shè)備簡單便操作性較差 C. 試驗(yàn)時(shí)怕電磁干擾，怕震動(dòng) D. 測量時(shí)較復(fù)雜 答案： A (三 )應(yīng)力解除法 應(yīng)力解除法是巖體應(yīng)力量測中應(yīng)用較廣的方法。它的基本原理是：當(dāng)需要測定巖體中某點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)時(shí)，人為地將該處的巖體單元與周圍巖體分離，此時(shí)，巖體單元上所受的應(yīng)力將被解除。同時(shí)，該單元 體的幾何尺寸也將產(chǎn)生彈性恢復(fù)。應(yīng)用一定的儀器，測定這種彈性恢復(fù)的應(yīng)變值或變形值，并且認(rèn)為巖體是連續(xù)、均質(zhì)和各向同性的彈性體，于是就可以借助彈性理論的解答來計(jì)算巖體單元所受的應(yīng)力狀態(tài)。 應(yīng)力解除法的具體方法很多，按測試深度可以分為表面應(yīng)力解除、淺孔應(yīng)力解除及深孔應(yīng)力解除。按測試變形或應(yīng)變的方法不同，又可以分為孔徑變形測試，孔壁應(yīng)變測試及鉆孔應(yīng)力解除法等。有關(guān)這三種測試方法請(qǐng)參見 “ 工程巖體試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn) ” 中巖體應(yīng)力測試章節(jié)在此不作介紹。 【例題 22】采用孔壁應(yīng)變測試方法測試孔壁應(yīng)變時(shí)，該種方法屬于（ ）。 A. 應(yīng)力解除法 B. 應(yīng)力恢復(fù)法 C. 水壓致裂法 答案： A 三、巖體初始應(yīng)力狀態(tài)的主要分布規(guī)律 (一 )垂直應(yīng)力隨深度的變化 巖體天然應(yīng)力的垂直分量，一般認(rèn)為等于該點(diǎn)的上覆巖層的質(zhì)量 。但從國內(nèi)實(shí)測資料 (工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn) (GB50216— 94)條文說明 )看， 有人總結(jié)了世界范圍內(nèi)的資料 (25～ 2700m 范圍內(nèi) )后得出，隨深度 H 的增大呈線性關(guān)系增加 (圖 15313)，大概相當(dāng)于按平均密度為 ／ cm3計(jì)算出來的重力 。 【例題 23】垂直應(yīng)力隨深度的變化規(guī)律為（ ）。 A. 隨深度 H 的增大呈線性關(guān)系增加 B. 隨深度 H 的增大呈線性關(guān)系減小 C. 與深度 H 的變化無關(guān) 答案： A (二 )水平應(yīng)力隨深度的變化 通過研究南部非洲、美國、日本、冰島及加拿大等地區(qū)的應(yīng)力測量結(jié)果可以看出，盡管隨著地質(zhì)環(huán)境的變化其結(jié)果有所差異，但揭示出地殼內(nèi)水平應(yīng)力隨深度增加呈線性關(guān)系增大 (圖 15314)是普遍規(guī)律。 【例題 24】水平應(yīng)力隨深度的變化規(guī)律為（ ）。 A. 隨深度 H 的增大呈線性關(guān)系增加 B. 隨深度 H 的增大呈線性關(guān)系減小 C. 與深度 H 的變化無關(guān) 答案： A (三 )水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力的比值 K 水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力的比值 K 是隨深度而變化的，如圖 15315 所示。在接近地表及淺層 地層中，所測的地應(yīng)力資料統(tǒng)計(jì)表明，大多數(shù)的實(shí)測結(jié)果表明了比值 K1，即水平應(yīng)力 垂直地應(yīng)力。但隨著深度增加，就會(huì)出現(xiàn) K=1 的狀況，這個(gè)深度稱為臨界深度。測量地區(qū)不同，臨界深度也不同。冰島的實(shí)測資料臨界深度大約為 200m。在南非和日本曾測得臨界深度為 500m 左右；在美國的水壓致裂法測定資料表明，臨界深度為 1000m 左右。而在加拿大和斯堪底納維亞測得的資料，在深度 2021m 內(nèi)，水平應(yīng)力始終占優(yōu)勢，即臨界深度在 2021m 以上 .與垂直應(yīng)力分量之比作為地表以下深度的函數(shù) [引自 hoek 和Blown1978] 【例題 25】根據(jù)實(shí)測資料分析，在淺層地層中水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力的比值 K 的大小一般情況下為（ ）。 A. K1 B. K＜ 1 C. K＝ 1 答案： A (四 )兩個(gè)水平應(yīng)力之間的關(guān)系 當(dāng)然，有時(shí)出現(xiàn)兩個(gè)水平應(yīng)力相等的情況，這主要在構(gòu)造簡單，地層平緩的地區(qū)。 【例題 26】在一般情況下，兩個(gè)水平應(yīng)力之間的關(guān)系為（ ）。 A. σ Hy／ σ Hx ＞ 1 B. σ Hy／ σ Hx ＜ 1 C. σ Hy／ σ Hx ＝ 1 答案： B 【例題 27】在構(gòu)造簡單，地層平緩的地區(qū)，兩個(gè)水平應(yīng)力之間的關(guān)系為（ ）。 A. σ Hy／ σ Hx ＞ 1 B. σ Hy／ σ Hx ＜ 1 C. σ Hy／ σ Hx ＝ 1 答案： C