(d)土体渗流符合达西渗流定律。 岩体的渗流以裂隙为主。

特点：(a)岩体渗流大小取决于岩体中结构面的性质及岩块的性质； (b)岩体渗流以裂隙导水，微裂隙和孔隙储水为其特征；

(c)岩体裂隙网络渗流具有定向性；

(d)岩体一般看作非连续介质（对于密集裂隙可看作等效连续介质）； (e)岩体的渗流具有高度的非均质性和各向异性；

(f)一般岩体中的渗流符合达西定律（岩溶管道流一般为紊流，不符合达西定律）；

(g)岩体渗流受应力场影响明显；

(h)复杂裂隙系统中的渗流，在裂隙交叉处，具有“偏流效应”，即裂隙水流经大小不同裂隙交叉 时，水流偏向宽大裂隙一侧流动。

16. 地下水对岩体的物理、化学作用体现在哪几个方面？ 答：地下水对岩体的影响分为：物理的、化学的和力学的影响。 (1)岩体的物理作用：

(a)润滑作用：在裂隙面上，水使裂隙面之间的摩擦系数减小。

(b)软化和泥化作用：结构面内某些物质与水结合后变软并成泥，减小了结构面之间的粘聚力和摩擦力。 (c)结合水的强化作用：在非饱和状态下，岩体含水能增强岩体颗粒之间的联系，从而增加岩体的强度。 (2)对岩体的化学作用：

(a)离子交换作用：富含Ca、Mg 离子的地下水在流经富含Na离子的岩土时，Ca、Mg离子置换岩土中的Na离子，

一方面，由水中Na离子富集使天然地下水软化，另一方面，岩土中的Ca、Mg离子增加了孔隙度和渗透性能。 (b)溶解作用和溶蚀作用：大气降雨中的酸性物质在地下水中对岩石中的石灰岩、白云岩、石膏等产生溶蚀 作用，使岩体产生裂隙和溶洞，增加了岩体的渗透性能。

(c)水化作用：水渗透到岩体的矿物结晶格架中，使岩体的结构发生微观及宏观的改变，减小了岩体的内聚 力，膨胀岩体与水结合，使起岩体内部产生膨胀力。

(d)水解作用：当岩土体中的阳离子与水作用，使地下水中的H+ （Mg ++H2O=MgOH+H+）浓度增加，水的酸度增

加，当岩土体中的阴离子与水作用，使地下水中的OH- 浓度增加，水的碱度增加。水解作用一方面改变地 下水的PH 值，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。

(e)氧化还原作用：岩土体与氧气作用发生氧化反应，岩土体的矿物组成发生改变，地下水的化学组成也发 生改变（如硫化铁氧化后生成氧化铁和硫酸），从而影响岩土体的力学性质。 17.叙述地下水对岩土体的力学作用。

答：对岩土体产生的力学作用：主要通过空隙静水压力和空隙动水压力作用对岩土的力学性质施加影响。 前者减小岩土体的有效应力而降低岩土体的强度，在裂隙岩土体中的空隙静水压力可使裂隙产生扩容变形；

后者对岩土体产生切向的推力以降低岩土体的抗剪强度。 18.岩体质量分类有和意义？

答：为了在工程设计与施工中能区分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、科学管理生产以及评价经济效益的依据之一，也是岩石力学与工程应用方面的基 础性工作。

19.CSIR 分类法和Q 分类法各考虑的是岩体的哪些因素？

答: 岩体地质力学分类是由岩体强度、RQD 值、节理间距、单位长度的节理条数及地下水５种指标分别记分，

然后累加各项指标的记分，得出该岩体的总分来评价该岩体的质量。 CSIR=A+B+C+D+E＋F

A——岩体强度（最高分15 分）； B——RQD 值（最高分20 分）；

C——节理间距（最高分20 分）

D——单位长度的节理条数（最高分30 分） E——地下水条件（最高分15 分）。

F——节理方向修正分（最低－60，见表2-17b） 巴顿岩体质量（Q）分类

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由 Barton 等人提出的分类方法： Q＝

SRF J J J J

RQD w

a r n

????

考虑因素: RQD——岩石质量指标；Jn ——节理组数；Jr ——节理粗糙系数；Ja ——节理蚀变系数； Jw ——节理水折减系数；SRF——应力折减系数。 第三章 地应力及测量习题和思考题 1． 简述地应力测量的重要性。 答：地应力测量的重要性：

(1)应力测量为各种岩体工程进行科学合理的开挖设计和施工提供依据；

(2)地应力状态对地震预报、区域地壳稳定性评价、油田油井的稳定性、核废料储存、岩爆、煤和瓦斯突出 的研究以及地球动力学的研究也有重要的意义。

2． 地应力是如何形成的？控制某一工程区域地应力状态的主要因素是什 么？

答：地应力是存在于地层中的未受工程扰动的天然应力，也称岩体初应力、绝对应力或原岩应力。地应力 主要与地球的各种动力运动过程有关，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、岩浆入侵和地壳非均匀扩容等。控制某一工程区域地应力状态的主要因素是构造应力场和重力应力场。 1）、大陆板块边界受压引起的应力场。2）、地幔热对流引起的应力场。3）、由地心引力引起的应力场。4）、

岩浆入侵引起的应力场。5）、地温梯度引起的应力场。6）、地表剥蚀产生的应力场。

3． 简述地壳浅部地应力分布的基本规律。

答：地应力分布的一些基本规律：

(1)地应力是一个相对稳定的应力场，它是时间和空间的函数； (2)实测垂直应力基本等于上覆岩层的重量

(3)水平应力普遍大于垂直应力；

(4)平均水平应力与垂直应力的比值随深度的增加而减小， σ h，average =(σ h,max +σ h,min )/2

100/H + 0.3<=σ h，average /σ v <=1500/H +0.5

(5)最大水平应力与最小水平应力也随深度呈线形增长关系； σ h，max =6.7 +0.0444·H (Mpa) σ h，min =0.8 +0.0329·H (Mpa)

(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。

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。

4． 地应力测量方法分哪几类？它们的主要区别在哪里？每类包括那些主要测量技术？ 答：依据测量基本原理的不同，可将测量方法分为直接测量法和间接测量发两大类。

直接测量法是由测量仪器直接测量和记录各种应力量，包括：扁千斤顶法、水力致裂法、刚性包体应 力计法和声发射法。

间接测量法是借助某些传感器或某些介质，测量和记录岩体中某些与应力有关的间接物理量的变化， 如岩体中的变形和应变，然后由计算公式求出原岩应力值。包括：套孔应力解除法和其他的应力应变解除 法以及地球物理方法等。其中套孔应力解除法是目前国内外广泛使用的一种方法。

5． 简述水压致裂法的基本原理。

答：(1)测量原理：由弹性理论可知，钻孔位于无限岩体，受到二维应力场（σ 1，σ 2）的作用时，在钻孔 周围的应力为：

σ θ =σ 1+σ 2-2（σ 1-σ 2）·cos2θ (1) σ r=0 (2)

σ θ ——钻孔周边的切向应力； σ r——钻孔周边的径向应力； θ ——周边一点与σ 1轴的夹角。

当θ =0 时，σ θ 取最小值，σ θ =3σ 2-σ 1

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在孔内加入压力Pi,当Pi超过孔壁处的最小压应力和岩体的抗拉强度之和时，孔壁就会破裂，此时，在θ =0 的方向，即σ 1轴的方向会产生裂隙，即： Pi=3σ 2-σ 1+T (3)

如果继续加压，直到裂隙深度达到3 倍孔径时，此时已接近原岩应力状态，停止加压，保持压力恒定，将 该恒定压力记为Ps,则由图3-7 可见，Ps 与σ 2相平衡，即

Ps =σ 2 （4）

只要测量出岩体的抗拉强度T 和记录的Pi 和Ps 就可由（3），（4）式求出σ 1 和σ 2。这样就可得出σ 1 和σ

2

的大小和方向。

如果孔内有裂隙水压P0,则（3）式变为：

Pi=3σ 2-σ 1+ T - P0 (5)

在不测试岩体的抗拉强度条件下，通过增加一个环节，即可求出σ 1和σ 2。在初始裂隙产生后，将水压卸除， 使裂隙闭合，然后再重新向封隔段加压，使裂隙重新打开，记录裂隙重新开时的压力Pr,则有： Pr=3σ 2-σ 1 - P0 (6)

由（5）和（6）式，可求出σ 1和σ 2。 6． 简述水压致裂法的主要测量步骤。

答：(1)测量步骤

(a)打钻孔到准备测量应力的部位；并将钻孔中待加压段用封隔器密封起来；

(b)向隔离段注入高压水，记录孔裂开时的压力值Pi,继续加压，直到裂隙扩张到孔径的3 倍，关闭高压水 系统，保持水压恒定，此时的应力为关闭应力，记为Ps ，最后卸压，使裂隙闭合，此时孔内压力为P0 。 (c)重新向密闭段注入高压水，使裂隙重新打开，记录裂隙重新打开时的压力Pr,和随后的恒定关闭压力Ps, 其孔内压力时间曲线如图3-9。 (d)将封隔器卸压，从孔中取出，

(e)用摄象机记录孔内的水压致裂裂隙，天然节理、裂隙的位置、方向和大小。 7． 对水压致裂法的主要优缺点做出评价。 答：水力致裂法的优缺点：

优点：

(a)能测量深部应力（已知最深为5000 米）;

(b)在没有地下工程或硐室的条件下，对露天边坡工程的地应力进行估算； 缺点：

(a)只能确定垂直钻孔平面内的最大主应力和最小主应力的大小和方向； (b)只适用与完整的脆性岩石中。

8． 简述声发射的主要测量原理。

答：测试原理：材料在受压后，其内部储存的应变能快速释放产生弹性波，发生声响，称为声发射。当材 料中的应力超过其最大应力值后，则大量产生声发射，这一现象称为凯泽效应。该对应点的应力即为材料 先前受到的最大应力。对岩石试件作室内实验，即可测出该岩体以前缩手的最大应力。

9． 简述套孔应力解除法的基本测量原理和主要测试步骤。

答：全应力解除法（套孔应力解除法）

全应力解除法即是测点岩体完全脱离地应力的作用，测量其变形值，再根据岩体的物理力学性质计算其原 岩应力。此种方法最为适用、可靠。 操作步骤：

(a)从岩体表面向岩体内打大钻孔，直径一般为130~150mm， (b)从大钻孔内再打小钻孔，直径一般为36~38mm，

(c)在小孔中央安装探头，

(d)再用大钻头打大孔，解除探头上的压应力，记录岩体的变形值， (e)取出岩芯，测量岩芯的E，μ 等物理力学参数， (f)根据理论公式计算原岩应力值。

套孔应力解除法又分为：孔径变形法、孔底应变法、孔壁应变法、空心包体应变法和实心包体应变法五种。 10． 简述 USBM 孔径变形计的基本工作原理。

答：孔径变形测量技术：最常用的仪器是USBM 孔径变形计。测试原理：通过测量应力解除过程中钻孔直径

的变化而计算出垂直于钻孔轴线的平面内的应力状态，并通过三个互不平行钻孔的测量确定一点的三轴应

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力状态。

11． 如何使用USBM 孔径变形计测量一点的三维地应力状态？请列出完整的计算过程。

答：孔径变形测量应力计算原理：由应力解除过程中测得的孔径变形计算原岩应力场涉及到下列基本公式： 1)三维应力场的旋转公式：