2.2 课后习题详解
1．岩体赋存环境包括哪几部分？
答：岩体的赋存环境对岩体的力学性质有重要的影响。岩体赋存环境包括地应力、地下水和地温三部分。
2．地应力对岩体的影响体现在哪几方面？
答：地应力对岩体力学性质的影响主要体现在：
（1）地应力影响岩体的承载能力；
（2）地应力影响岩体的变形和破坏机制；
（3）地应力影响岩体中应力传播的法则。
3．岩体结构划分的主要依据是什么？
答：（1）第一依据：结构面类型，规定结构级序：
①软弱结构面——Ⅰ级岩体结构；
②坚硬结构面——Ⅱ级岩体结构。
（2）第二依据：结构面切割程度及结构体类型，规定岩体结构基本类型：
①块状结构体——块裂结构
②Ⅰ级岩体结构：
a．块状结构体——板裂结构
b．结构面贯通切割——碎裂结构
③Ⅱ级岩体结构：
a．结构面断续切割——断续结构
b．无显结构面切割——完整结构
④过渡型岩体结构：软硬结构面混杂、结构面无序状排列——散体结构
（3）亚类划分依据：亚类的划分主要是依据岩体的原生结构。
4．简述各类岩体结构主要地质特征。
答：（1）完整结构岩体
多为碎裂结构在后生愈合作用下形成，后生愈合包括压力愈合和胶结愈合。压力愈合指
具有粘性成分的物质的碎裂岩体经高围压作用下，其结构面重新粘结在一起，形成完整结构；胶结愈合指碎裂岩体经胶结物粘结在一起，形成完整结构，但后期愈合面强度低于原岩强度。
（2）块裂结构岩体
多组或至少有一组软弱结构面切割及坚硬结构面参与切割成块状结构体的高级序岩体
结构，有的是块状原生结构岩体构成，有的是层状原生结构岩体构成，其软弱结构主要是断层，坚硬结构面一般延伸较长且多为错动过的坚硬结构面。
（3）板裂结构岩体
主要发育于经过皱褶作用的层状岩体内，受一组软弱结构面切割，结构体呈板状，软弱
结构面组要为层间错动面或块状原生结构岩体内的似层间错动，结构体多为组合板块结构，有的亦为完整板块状结构。
（4）碎裂结构岩体
切割岩体的结构面主要是原生结构面及构造结构面，分块状碎裂结构及层状碎裂结构两
种，前者结构体块度大，厚度均匀，后者块度小。
（5）续断结构岩体
结构面不连续，对岩体切而不断。
（6）散体结构
分碎屑状散体和糜棱状散体结构岩体。
5．阐述工程岩体结构的唯一性。
答：岩体结构的分类对特定的工程条件有唯一性，对于确定的地质条件只有在确定的工
程尺寸条件下，工程岩体结构才是唯一的。比如，对于小断面的硐室，其涉及的岩体分类可能是完整结构，但对于同样位置大断面的硐室结构而言，岩体分类可能是板裂、块裂、续断、碎裂结构等，这与硐室断面在岩体空间的跨度有关。
6．按结构面成因，结构面通常分为几种类型？
答：按结构面成因，通常将结构面分为三种类型：
（1）原生结构面
原生结构面是指所有在成岩阶段所形成的结构面。
（2）构造结构面
构造结构面是指各类岩体在构造运动下形成的各种结构面。
（3）次生结构面
次生结构面是指在地表条件下，由外力的作用而形成的各种界面。
7．结构面的级别及其特点。
答：结构面发育程度和规模可以划分为五级，如表2-2-1所示：
表2-2-1
8．描述结构面状态的指标。
答：（1）结构面产状：结构面产状对岩体是否沿某一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，其抗滑力就大；
（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Xe表征岩体结构面的密集程度。
9．结构面的剪切变形、法向变形与结构面的哪些因素有关？
答：（1）结构面法向变形不仅取决于岩石本身的力学性质，更主要取决于粗糙结构面接触点数、接触面积和结构面两侧微凸体相互啮合程度。
（2）结构面剪切变形与岩石强度、结构面粗糙度和法向力有关。
10．结构面力学性质的尺寸效应体现在哪几个方面？
答：结构面的尺寸效应体现在以下几个方面：
（1）随着结构面尺寸的增大，达到峰值强度时的位移量增大；
（2）由于尺寸的增加，剪切破坏形式由脆性破坏向延性破坏转化；
（3）尺寸加大，峰值剪胀角减小；
（4）随结构面粗糙度减小，尺寸效应也在减小。
11．岩体在多次循环载荷作用下岩体变形有什么特点？
答：（1）加、卸在过程相应的应力-应变曲线出现闭环形式，出现卸载回弹变形的滞后
现象，产生残余变形；
（2）随外荷载加大和循环次数增多，闭环曲线逐渐后移，其原因是岩体裂隙与结构面
被压密与啮合所致；
（3）重复循环加、卸载次数越多，结构体与结构面被压密程度越高，闭环曲线上的滞
后变形量越小，甚至把闭环曲线演变成一条直线；
（4）随着荷载和循环次数的增加，一定程度后，岩体变形由结构控制转变为结构效应
的消失；
（5）当外载荷降至零，并持续一段时间后，岩体产生较大的回弹变形，及岩体弹性变
形能的释放。
12．具有单结构面的岩体其强度如何确定？
答：如图2-2-1、图2-2-2和图2-2-3所示：
（1）若结构面受力状态其莫尔应力圆与岩石强度包络线相切，岩石沿某截面发生剪切破坏；
（2）当结构面受力状态处于其莫尔强度包络线之上或以上，则岩体沿该结构面发生破坏；
（3）若结构面受力状态落在其莫尔强度包络线之下，则岩体不沿该结构面发生破坏。
图2-2-1 单结构面理论分析图
图2-2-2 单结构面岩体强度分析
图2-2-3 结构面力学效应（σ3=常数时，σ1与β的关系）
1．完整岩石破裂；2．沿结构面滑动
13．多结构面岩体的破坏形式如何分析？
答：（1）当结构面受力状态处于其莫尔强度包络线之上或以上，则岩体沿该结构面发生破坏，若结构面受力状态落在其莫尔强度包络线之下，则岩体不沿该结构面发生破坏。
（2）考虑结构面与第一主应力σ1的夹角β，分析结构面应力状态，分步应用单结构面理论，见下图2-2-4示：
图2-2-4
（3）图示两组结构面莫尔包络线。
①当第一组结构面与第一主应力夹角2β＜2β1或2β＞2β1′时，岩体不发生破坏；
②当第一组结构面与第一主应力夹角2β1＜2β＜2β2或2β1′＞2β＞β2′时，岩体沿第一组结构面发生破坏；
③当第二组结构面与第一主应力夹角2β1＜2β＜2β1′，且未达到岩石破坏极限，
则岩体沿第二组结构面破坏；
④上述条件不满足，则岩体沿某一截面发生破坏。
14．简述Hoek-Brown岩体强度估算方法。
答：Hoek-Brown经验方程表述如下：
式中
、
分别为破坏时岩体的最大主应力和最小主应力，
为岩块的单轴抗压强度，m、s为与岩性及结构面有关的常数；
分别令
和
，可得出岩体单轴抗压和抗拉的破坏强度，分别表述为：
剪应力表达式为：
式中
为岩体的剪切强度；
为岩体法向应力；A、B为常数。
15．岩体中水渗流与土体中水渗流有什么区别？
答：（1）土体渗流特点：
①土体渗透性取决于岩性，土体颗粒越细，渗透性越差；
②土体可看成多孔连续介质；
③土体渗透性一般具有均质（或非均质）各向同性（黄土为各向异性）特点；
④土体渗流符合达西渗流定律。
（2）岩体以裂隙渗流为主，其特点：
①岩体渗透性取决大小取决于岩体中结构面的性质及岩块的岩性；
②岩体渗流以裂隙导水、微裂隙和岩石空隙储水为其特点；
③岩体裂隙网络渗流具有定向性；
④岩体一般看着非连续介质；
⑤岩体渗流具有高度的非均质性和各向异性；
⑥一般岩体中渗流符合达西渗流定律；
⑦岩体渗流受应力场影响明显；
⑧复杂裂隙系统渗流，在裂隙交叉处具有“偏流效应”。
16．地下水对岩体的物理、化学作用体现在哪几个方面？
答：（1）地下水对岩体的物理作用：
①润滑作用：处于岩体中的地下水，在岩体的不连续面边界上产生润滑作用，使不连续面上的摩阻力减小，结果沿不连续面诱发岩体的剪切运动；
②软化和泥化作用：地下水对岩体的软化和泥化作用主要表现在对岩体结构面中充填物的物理性状的改变上，岩体结构面中充填物随含水率的变化，发生由固态向塑态直至液态的弱化效应；
③毛细水的强化作用：处于非饱和带的岩体，其中的水处于负压状态，此时的地下水不是重力水，而是毛细水，按照有效力原理，非饱和岩体中的有效应力大于岩体的总应力，水的作用使强化了岩体的力学性能，即增加了岩体的强度。
（2）地下水对岩体的化学作用：
①离子交换：地下水与岩体之间的离子交换是由物理力和化学力吸附到岩土体颗粒上的离子和分子与地下水的一种交换过程；
②溶解作用和溶蚀作用：溶解和溶蚀作用在地下水水化学的演化中起着重要作用，地下水中的各种离子大多是由溶解和溶蚀作用产生的；
③水化作用：水化作用是水渗透到岩土体的矿物结晶格架中或水分子附着到可溶性岩石的离子上，使岩石的结构发生微观、细观及宏观的改变，减小岩土体的内聚力；
④水解作用：水解作用是地下水与岩土体之间发生的一种反应，水解作用一方面改变着地下水的pH，另一方面也使岩土体物质发生改变，从而影响岩土体的力学性质；
⑤氧化还原作用氧化还原作用是一种电子从一个原子转移到另一个原子的化学反应。
17．叙述地下水对岩土体的力学作用。
答：地下水对岩土体产生的力学作用主要是：
通过水压力和渗流力对岩土体产生力学作用。前者减小岩土体的有效应力而降低岩土体的强度，在裂隙岩体中的空隙水压力可使裂隙产生扩容变形；后者对岩土体产生拖拽力。地下水在松散土体、松散破碎岩体及软弱夹层中运动时，对土骨架施加一体积力，在渗流力的作用下可使岩土体中的细颗粒物质产生移动，甚至被携出岩土体之外，产生潜蚀而使岩土体破坏。
18．岩体质量评价及其分类有什么意义？
答： 由于组成岩体的岩石性质、组织结构不同，以及岩体中结构面发育情况差异，岩体力学性质相当复杂。为了在工程设计与施工中能区分出岩体质量的好坏和表现在稳定性上的差别，需要对岩体做出合理分类，作为选择工程结构参数、科学管理生产及评价经济效益的依据之一，这也是岩石力学与工程应用方面的基础性工作。
19．如何通过岩体分类确定岩体的有关力学参数？
答：如表2-2-2所示：
表2-2-2
20.CSIR分类（RMR系统）和NGI分类（Q系统）各考虑的是岩体的哪些因素？
答：（1）CSIR分类考虑如下因素：
①岩块强度；②RQD（岩石质量指标）；③节理间距；④节理条件；⑤地下水。
（2）NGI分类（Q系统）考虑如下因素：
①岩体质量指标；②节理组数Jn；③粗糙度系统Jr；④节理蚀变系数Ja；⑤裂隙水（节理水）折减系数Jω；⑥地应力条件（应力折减系数SRF）。