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《岩石力学》复习资料

1.1简述岩石与岩体的区别与联系。

答：

岩石是由矿物或岩屑在地质作用下按一定的规律聚集而形成的自然物体，力学性质可在实验室测得；岩体是指由背诸如节理、裂隙、层理和断层等地质结构面切割的岩块组成的集合体，力学性质一般在野外现场进行测定，因此更接近岩体的实际情况，反映岩体的实际强度。

1.2岩体的力学特征是什么？

答：

（1）不连续性：

岩体受结构面的隔断，多为不连续介质，但岩块本身可作为连续介质看待；

（2）各向异性：

结构面有优先排列位向的趋势，随着受力岩体的结构趋向不同力学性质也各异；

（3）不均匀性：

结构面的方向、分布、密度及岩块的大小、形状和镶嵌状况等在各部位都很不一致，造成岩体的不均匀性；

（4）岩块单元的可移动性：

岩体的变形破坏往往取决于组成岩体的岩石块单元体的移动，这与岩石块本身的变形破坏共同组成岩体的变形破坏；

（5）力学性质受赋存条件的影响：

在一定的地质环境中，岩体赋存有不同于自重应力场的地应力场、水、气、温度以及地质历史遗留的形迹等。

1.3岩石可分为哪三大类？

它们各自的基本特点是什么？

答：

（1）岩浆岩：

由岩浆冷凝形成的岩石，强度高、均匀性好；

（2）沉积岩：

由母岩在地表经风化剥蚀后产生，后经搬运、沉积

和结硬成岩作用而形成的岩石，具有层理构造，强度不稳定，且具有各向异性；

（3）变质岩：

由岩浆岩、沉积岩或变质岩在地壳中受高温、高压及化学活动性流体的影响发生变质而形成的岩石。

力学性质与变质作用的程度、性质以及原岩性质有关。

1.4简述岩体力学的研究任务与研究内容。

研究任务：

①建模与参数辨别；②确定试验方法、仪器与信息处理；③现场测试；④实际应用；

研究内容：

①岩石与岩体的物理力学性质（岩石的物质组成和结构特征，岩石的物理、水理性质，岩块在不同应力状态作用下的变形和强度特征，结构面的变性特征和强度参数的确定等）；②岩石和岩体的本构关系（岩块的本构关系，岩体结构面分类和典型结构面本构关系，岩体的本构关系）；③工程岩体的应力、变形和强度理论（岩体初始应力测量及分布规律，岩体中应力、应变和位移计算，岩体破坏机理、强度理论和工程稳定性维护与评价）：

④岩石（岩块）室内实验（室内实验是岩石力学研究的基本手段）；⑤岩体测试和工程稳定监测（岩体原位力学实验原理和方法，岩体结构面分布规律的统计测试，岩体的应力、应变、位移检测方法及测试数据的分析利用，工程稳定准则和安全预测理论与方法）。

1.5岩体力学的研究方法有哪些？

研究方法是采用科学实验、理论分析与工程紧密结合的方法。

1对现场的地质条件和工程环境进行调查分析，掌握工程岩体的组构规律和地质环境；

2进行室内外的物理力学性质试验、模型试验或原型试验，作为建立岩石力学的概念、模型和分析理论的基础。

3按地质和工程环境的特点分别采用弹性理论、塑性理论、流变理论以及断裂、损伤等力学理论进行计算分析。

2.1名词解释

（1）岩石的质量指标（RQD：

大于10cm的岩心之和与钻孔总长度的比率。

（2）孔隙比：

孔隙的体积与固体的体积之比，；

（3）孔隙率：

孔隙的体积与试件总体积之比，n乂；

（4）吸水率：

岩石吸入水的质量与固体质量之比，

y_Y

厂一100%；

（5）风化指标：

包括软化系数（表示抗风化能力的指标，是试件

干燥单轴抗压强度与饱和单轴抗压强度的比值，二念，越小表示岩

Rcd

石受水的影响越大）和岩石耐崩解系数（试件实验前的质量与试验后残余质量的比值，.2二血）；

（6）膨胀指标：

包括自由膨胀系数（岩石在无任何条件下，浸水后产生的膨胀变形尺寸与原尺寸的比值，包括轴向自由膨胀率

Vhh100%和径向自由膨胀率Vdd100%），岩石的侧向约束膨胀hd

率（将具有侧向约束的试件浸入水中，使试件仅产生轴向变形而求得

的膨胀率Vhp=凹100%）以及膨胀压力（岩石浸水后，使试件保持原h

有体积所需施加的最大压力）；

（7）渗透性：

在一定的水压作用下，水穿透岩石的能力。

反映了

岩石中裂隙向相互连通的程度，用达西定律描述：

Q-K^Ax，其中

dh表示水头变化率。

2.2简述岩石的孔隙比与孔隙率的联系。

答：

孔隙比（e）是指孔隙的体积与固体的体积之比，孑L隙率（n）是指孔隙的体积与试件总体积之比，其关系为：

e=—。

1-n

3.1简述岩柱劈裂破坏机理。

答：

岩柱受压时，轴向趋于缩短，横向趋于扩张，是张拉破坏。

当试件两端面无摩擦力时，若试件受到轴向压缩，试件横向自由扩张，其中的张拉应力使试件产生平行于轴线的垂直裂缝，呈柱状劈裂破坏。

3.2刚性试验机的工作原理是什么？

答：

刚性试验机（Km三Ks）,由于试验机释放能AEm小于AEs,需要继续加载才能使试件产生新的位移，因此，保持峰值强度后的试验平稳进行，并记录下岩石峰值强度后的应力-应变曲线，即刚性试验机的工作原理。

3.3什么是环箍效应？

列举在单轴压缩中克服它的措施。

试件受压时，由于轴向趋于缩短，横向趋于扩张，而试件和压板间的摩擦约束作用则阻止其扩张，在试件端面部分形成了一个箍的作用，这一作用随着远离承压板而逐渐减弱，即环箍效应。

措施：

在试件与压板间插入刚度与试件匹配、断面尺寸与试件相同的垫块；润滑试件端部；加长试件。

3.4简述抗剪试验及裂隙法试验的试验要点

【抗剪试验】

试验要点：

如图，将按一定的精度要求加工好的立方体（5X5X5cm）岩石试件，放入钢制楔形角模内；再将夹有试件的角模放在试验机上缓慢加压至破坏，并记录下极限荷载P。

试验关键技术：

保持角模整体平衡、稳定，防止偏心荷载，使试件按预定的剪切面剪断；在加载过程中，角模会产生水平位移，为减少角模与试验机压板之间的摩擦力，在两者之间放滾柱板；角模的倾

角（（试件剪断面方向角），不能太小也不能太大，一般在30°~70

cincicietnnn~u

【裂隙法试验】

实验要点：

如图，用一个实心圆柱形试件，使它承受径向压缩荷

载至破坏，再利用弹性理论推算出岩石的抗拉强度。

钢丝直径为

5mrm作用为将试验机压板荷载转化为线性荷载传递给试件。

试件尺

寸为直径d=50mm长度t=25mm此时，试件的单轴抗拉强度

闵t

实验关键：

严格对中，为防止试件承受偏心荷载，要求钢丝垫条

平行于试件轴线，上、下两钢丝的连线为试件的直径，保证破裂面

通过试件的直径。

3.5简述摩尔-库伦曲线的制作方法。

答：

摩尔曲线制作方法：

①在厅T平面上，做一组不同应力状态下（包括单轴抗拉和单向抗压）的极限应力圆；②找出各应力圆上的破坏点；③用光滑曲线连接个破坏点，这条光滑曲线就是极限莫尔应力圆的包络线，即莫尔准则曲线。

库伦曲线的制作方法：

作一系列不同倾角a的压剪试验，并由式

（1）计算出不同倾角的破坏面上的正应力。

和剪应力T再在厅t平面描点作出强度准则曲线，或用数理统计方法确定其方程。

通常由抗剪试验得出的强度曲线是一条弧形曲线，一般把它简化为直线，即得到式

（2）所示的强度准则。

一（cos：

：

£亠fsin：

■）

（1）

—（sin：

-fcos：

）

sin:

3.6影响岩石强度的主要因素有哪些？

答：

（1）承压板的影响：

①试件端面的摩擦力约束了试件端面附近的横向变形；②承压板与试件的刚度不匹配造成两者变形的不协调。

（2）试件尺寸及形状的影响：

①形状：

圆形不易引起应力集中并且容易加工；②尺寸：

试件的强度随尺寸的增加而减小；③高径比：

高径比越大试件抗压强度越低。

（3）加载速率的影响：

岩石的单"轴抗压强

（4）

度随加载速度增大而增大

度越低，且岩石越软影响越明显；②温度：

常温下温度的影响不明

显，超过180C，温度越高强度越小，380C左右时强度急剧下降。

（5）层理结构的影响：

岩块的抗压强度因受力方向不同而有差异，层理显著的沉积岩差异更明显。

3.7简述单向压缩下的岩石全过程应力应变曲线的特征。

答：

岩石应力-应变全过程曲线只有在刚性试验中才能做出，如

图所示，典型岩石应力-应变全过程曲线一般可以分为5个阶段来描述其性质：

10A阶段，通常被称为压密阶段。

其特征是应力—应变曲线呈上凹型，即应变随应力的增大而减小，形成这一特性的主要原因是：

存在于岩石内部的微裂隙在外力作用下发生闭合所致。

2AB阶段，弹性变形阶段。

这一阶段的应力-应变曲线基本呈直线。

3BC阶段，塑性变形阶段。

当应力值超出屈服应力之后，随着应

力的增大曲线呈下凹状，明显的表现出应变增大（软化）的现象。

进入了塑性阶段，岩石将产生不可逆的塑性变形。

同时8,&应变速率

将同时增大但最小主应变的应变速率8的增大表现得更明显。

4CD阶段，为应变软化阶段。

虽然此时已超出了峰值应力，但岩

石仍具有一定的承载能力，而这一承载力将随着应变的增大而逐渐减小，表现出明显的软化现象。

5D点以后为摩擦阶段。

它仅表现了岩石产生宏观的断裂面之后，断裂面的摩擦所具有的抵抗外力的能力。

3.8试说明岩石流变三阶段的特点。

答：

岩石的蠕变是指在恒定的压力作用下应变随时间的增长而增长的特性；

岩石的蠕变特性可分为三阶段来描述：

1初始蠕变阶段（AB段），在此阶段存在瞬时弹性阶段和弹性后效等特性。

2稳定蠕变阶段（BC段），在此阶段存在瞬时弹性变形，弹性后效和粘性流动（永久变形）

3加速蠕变阶段（C点以后），又称破坏蠕变阶段或非稳定蠕变阶段，一般过了C点以后岩石破坏（失稳）不可避免。

3.9蠕变力学模型（两元件）的结构关系推导过程。

答：

（1）马克斯韦尔模型（M体）

马克斯韦尔模型是由虎克体（弹簧）和牛顿体（阻尼器）串联组成。

M二H-N

蠕变曲线松弛曲线弹性

后效和粘性流动

静力平衡条件：

-变形协调条件：

：

冷*；2本构关系：

蠕变方程:

松弛方程:

exp（-）

厂_；「0e

=；「oexp（一—t）

流变特征

瞬变

蠕变

松弛

弹性后效

粘性流动

M体

有

无

有

粘性流动:

=const

（2）开尔文模型（K体）

开尔文模型是由弹簧和阻尼器并联组成。

K=H|N。

蠕变曲线

效和粘性流动

静力平衡条件「一；「1

变形协调条件:

本构方程：

-E；*；

松弛方程：

；「-const

蠕变方程：

"訂叫钊弹性后效:

-”expt-ti

流变特征

瞬变

蠕变

松弛

弹性后效

粘性流动

K体

无

有

无

有

无

（3）宾厄姆模型（B体）

宾厄姆模型是由滑块（圣维南体StV）和阻尼器并联组成。

B=N|St

蠕变与粘性流动

曲线

静力平衡条件:

变形协调条件：

；=；1“2

■--f（二2=f）

名=0（口2

飞=0（6

本构关系：

\•

流变特征

瞬变

蠕变

松弛

弹性后

效

粘性流

动

N|StV

（T2Vf

无

f）

1=0（；••2f）

粘性流动：

6_f

1ti（二2二f）

体

（T2=f

无

有

无

有

3.10莫尔一库仑准则提出机理是什么？

掌握其推导、图解、主应力表示方法。

答：

（1）提出机理：

岩石的破坏属于压剪破坏，在破坏面上，剪切破坏力的一部分用来克服与正应力无关的粘结力，使材料颗粒间相脱离；另一部分用来克服与正应力成正比的摩擦力，使面间发生错动而最终破坏。

（2）图解：

（3）推导：

若破坏面的倾角为a,则其上的上的正应力

-=—（cos：

fsin>）剪应力.=—（sin—fcos：

），将其简化为直线，即

得到.二c；「tan的强度准则。

（5）主应力表示：

若某点有一个斜面正好处于极限破坏状态，则该点应力圆与强度直线相切。

由图的三角关系可以得出

1-sin1-sin

3.11格里菲斯准则的基本思想是什么？

答：

在脆性材料内部存在着许多随机分布的，相互独立的微裂纹。

在外力作用下，当微裂纹尖端处的变形达到某极值时，裂纹产生扩展、连接、贯通等现象，最终导致材料的破坏。

其中有一个方向的裂纹最

有利于破裂，在外力作用下，首先在该方向裂纹的尖端张拉扩展。

4.1名词解释

（1）结构面：

是岩体中的软弱面，是断层、节理、褶皱的统称。

是在岩体形成的漫长地质作用过程中，形成并不断发育的地质界面，是一种不连续面。

（2）扩容：

指岩体在压、剪应力状态下体积增大的现象。

发生在剪切滑移和膨胀性软弱岩体产生变形时。

在齿状接触的结构面中，当结构面沿齿斜面上升时，其上部的岩体会隆起，体积增大，称为剪胀现象；而当结构面沿齿斜面下降的方向滑移时，滑动面以上的岩体会产生沉降，体积缩小，扩容为负，称为减缩现象。

4.2简述结构面分类及其特征指标。

答：

（1）按地质成因分类：

原生结构面、构造结构面和次生结构面。

（2）按结构面的破坏属性分类：

分为单个节理、节理组、节理群、节理带以及破坏带或糜棱岩五大类型。

（3）按结构面的分布规模分类：

相对分类是相对于工程的尺度和类型对结构面的规模进行分类，可分为细小、中等、大型三类；绝对分类只考虑了结构面的延伸长度和破坏带的宽度，将结构面分为五级。

4.3简述结构面的切向、法向变形特性。

答：

【切向变形】

（1）TM曲线。

结构面的切向变形不仅与受力状态有关，而且与结构面的粗糙度、结构壁强度、充填状态等多种因素有关。

按结构

面的破坏属性，变形曲线可以分为四类

1有充填结平面接触。

结构面之间被胶结物质充填，初始抗剪强度较大，充填物被剪坏后，接触面变为平面接触，抗剪强度迅速下降至残余强度。

此时，初始强度即为最大强度，由充填物质的抗剪强度决定，而残余强度受充填物质的颗粒级配、结构壁的强度和形态等因素的影响。

2无充填齿状接触。

随着剪应力的增加，上下接触面逐渐进入起伏齿接触，结构面出现向上（剪胀）或向下（剪缩）的位移，当部分起伏齿被剪坏时，达到初始强度。

随着位移的增加，起伏齿被剪坏的面积逐渐增大，受剪面积逐渐减小并产生应力集中，直至剪切面缩小至足以使起伏齿全部被剪坏，达到最大强度，结构面变成平面接触进入残余变形阶段。

3部分充填齿状接触。

结构面内有部分充填物质，当充填物质被

剪坏时，结构面达到初始强度并开始进入齿状接触，以后的变形同无

充填齿状接触，并出现二次强化现象。

4软弱式接触。

结构面两壁岩石比较软弱，没有起伏齿状剪坏现象，但显示出明显的塑性变形，并伴随强化现象。

其强度随位移的增加而增加，直至塑性破坏。

（2）扩容现象。

指岩体在压、剪应力状态下体积增大的现象。

发生在剪切滑移和膨胀性软弱岩体产生变形时。

【法向变形】

aAB

口试验曲娥

■&SV■烹tiI海

结构卿的应力-位移｛闭合［曲线

壬也墾遢■瞄

岩体的结构面一般是粗糙的，开始为点或线接触，当承受垂直于

结构面的压力时，经挤压后，局部破碎或劈裂，逐渐变为面接触，并继续产生压缩变形；当超过极限之时，其变形将会传递给结构体。

1开始时随着法向应力的增加，结构面闭合变迅速增长，厅u曲

线呈上凹形；

2随应力。

的不断增大，厅u曲线逐渐变陡，趋向各自的渐近线

u二Vmc因为只要岩齿不被完全剪平，两接触面不可能完全接触，故

Vmc一般小于结构面厚度e。

3当法向应力大于岩块的极限抗压强度的三分之一时，含结构面岩体试件的变形由以结构面的闭合为主，转变为以岩块的弹性变形为主。

4结构面的应力-位移曲线与结构面的类型及岩壁性质基本无关，属于非线性曲线，可以拟合为双曲线或指数曲线。

4.4结构面的强度指标有哪些？

答：

（1）平直结构面

强度条件：

.二Cw「「tan:

w,Cw和：

w为结构面的内聚力和内摩擦角最易破坏方向：

v-=45-

（2）齿状结构面

1规则齿状结构面

强度条件：

•二-tan（;w-i）

双线性准则：

-；ta（（:

wi）（厂；•、，爬坡效应）

•二tanr（二二T，剪齿效应）

2不规则齿状结构面-复杂不表

巴顿准则、莱旦尼准则。

（JRC纟吉构面粗糙系数、JCS-结构壁抗压强度）

（3）非贯通结构面-复杂不表

由裂隙面和非贯通的岩桥组成。

引入结构面的连续性系数Ki。

（4）充填物的影响

1颗粒级配。

随着粗颗粒的增加，脆性变形增加，峰值强度逐渐增大，峰值强度后，过渡到理想塑性状态。

2厚度。

充填物较薄时，随厚度的增加摩擦因数迅速降低，内聚力开始时迅速升高，升到一定值后又逐渐降低；当充填物厚度达到临界厚度后，摩擦因数和内聚力都趋于某一稳定值，此时结构面强度主要取决于充填夹层的强度。

3充填程度。

充填程度越小，结构面抗剪强度越高。

4.5结构面的力学效应分析（结构面倾角与强度的关系）。

答：

（1）当孑如或孑90°时，岩体不可能沿结构面破坏，即结构面的存在不会削弱岩体的强度。

（2）岩体最大强度为完整岩石强度，其破坏面与主平面的夹角

爲a*=45；岩体最小强度为结构面的最小强度，其破坏面与主平

面的夹角伽=45w。

（3）造成岩体强度削弱的结构面倾角范围：

恤nVp<时。

（4）当[3[3nax时，岩块先发生破坏，岩体强度等于岩块强度；当pinV[3<[3nax时，节理（结构面）先发生破坏，岩体强度小于岩块强度；当P=恤n或Apnax时，岩块和节理（结构面）同时破坏，岩体强度等于岩块强度。

（5）岩体强度曲线

4.6岩体的变形模量的表达方式及测量方法?

答：

岩体变形模量是反映岩体变形特征的力学参数，定义为：

Em，其中&+&为岩体在压应力C作用下产生的总应变，④为

Sp+%

永久应变，&为弹性应变，Em为岩体的变形模量，是厅&曲线的割线斜率。

测量方法：

承压板法、钻孔变形法、狭缝压力枕法、岩体变形参数估算法。

5.1简述工程岩体分类的目的及原则。

答：

目的：

①为岩石工程建设的勘察、设计、施工和编制定额提供必要的基本依据；②便于施工方法的总结，交流，推广；③便于行业内技术改革和管理。

原则：

①有明确的类级和适用对象；②有定量的指标；③类级一般分五级为宜；④分类方法简单明了，数字便于记忆和应用；⑤根据适用对象，选择考虑因素。

5.2影响围岩分类的主要因素有哪些？

答：

（1）岩石强度。

岩石强度是岩体固有承载能力天然属性。

表示岩石强度的参数常由实验测定，包括岩石的抗压强度、抗拉强度和抗剪强度。

（2）岩体的完整性。

岩体的完整性取决于岩体内结构面的空间分布状态、分布密度、开度、充填状态以及充填物质的特征性因素。

直接影响岩体工程质量的优劣和工程围岩的整体稳定性。

风化作用也是影响岩体完整性的重要因素，目前只能定性描述。

（3）水的影响。

水的影响表现在：

①使充填物的物理力学性质劣化；②减少岩体内的有效应力，降低了岩体的抗剪强度，改变了岩体中的应力场和破坏机理。

（4）地应力。

（5）工程围岩的稳定性。

工程围岩分类中，通常用岩体工程的自稳时间和工程顶部的沉降来反映工程的稳定性。

5.3几种典型的分类方法。

答：

（1）单因素分类。

①按岩块的单轴抗压强度分类（5类）；②按岩体波速分类（7类，完整性系数：

弹性波在岩体中传播速度与在岩块内传播速度比值的平方K=|经［;③按岩石质量指标（RQD分

W丿

类（5类）；④按巷道围岩稳定性分类（9类）。

（2）多因素分类。

1Q分类（逐渐变好）

Q=RQDJJw

JnJaSRF

RQD岩体的质量指标，Jn-岩体裂度影响系数；Jr-结构面粗糙度影响系数；Ja-结构面岩壁强度降低系数；Jw地下水影响系数；SRF应力折减系数。

2岩体力学分类法（逐渐变差）

RMR=RR+R+R+R+R

RMR岩体质量分类值；Ri-岩石抗压强度；R-岩体质量指标；F3-结构面间距；R-结构面状态；Rr地下水状态；R-修正指标。

5.4简述我国工程岩体分级的基本方法。

答：

我国两种代表性的分类方法是：

煤炭系统围岩分类（五类，

质量由最好过渡到最差）和公路隧道围岩分类（六类，质量由最好过渡到最差）。

首先以岩石单轴饱和抗压强度和岩体完整性指标为基本参数，按

给定的经验公式计算岩体的基本质量指标；再考虑地下水、结构面、原岩原应力等因素对岩体质量的影响，修正岩体基本质量指标，将修

正后的掩体质量指标作为定量指标，结合定性描述，将岩体质量分为五级；最后给出了各类岩体的力学性质参数，描述了各类岩体工程的自稳能力。

质量指标：

BQ=90+3rc+250KV（°c-岩石单轴饱和抗压强度；K-

岩体完整性系数）

若。

c>90+250KV,取°c=90+250K;若Kz>0.4+0.04°c，取

Kf0.4+0.04°cO

质量修正指标：

【BQ二BQ-100（Ki+K+K）（K1-地下水影响修正系数；K2-主要软弱结构面产状影响修正系数；Ka-原岩应力状态影响修正系数）。

6.1岩体的初始应力包括哪些？

答：

岩体初始应力是指岩体在天然状态下所存在的内在应力，又称为地应力。

主要包括自重应力和构造应力。

6.2岩体初始应力的计算方法。

答：

（1）自重应力：

①海姆公式：

原岩处于静水压力状态。

J；二二H；②金尼克公式：

地表为水平面，地下岩体为弹性体,

其垂直应力等于上覆岩体的自重,

=/uCJ

（2）构造应力。

由于地质构造运动而产生的应力为地质构造应力,

地质构造应力

在空间上的分布规律为地质构造应力场。

6.3简述水压致裂法的原理与特点。

答：

原理：

通过液压泵向钻孔内拟定量测深度加液压将孔壁压裂，测定压裂过程中的各特征点压力及开裂方位，然后根据测得的压裂过程中泵压表的读数，计算测点附近岩体中地应力大小和方向。

压裂点上下用止水封隔器密封，其结构如图1所示。

水压致裂过程中泵压变化及其特征压力示于图2所示。

图1水压致裂法示意图图2压裂过程中泵压

变化及特征压力

1P。

—岩体内孔隙水压或地下水压力；②Fb—注入钻孔内液压将

孔壁压裂的初始压裂压力；③P—液体进入岩体内连续地将岩体劈裂的液压，称为稳定开裂压力；④Pso—关泵后压力表上保持的压力，称为关闭压力。

如果围岩渗透性大，该压力将逐渐衰减；⑤Ro-停泵后

重新开泵将裂缝压开的压力，称为开启压力。

特点：

①设备简单。

只需用普通钻探方法打钻孔，用双止水装置密封，用液压泵通过压裂装置压裂岩体，不需要复杂的电磁测量设备。

2操作方便。

只通过液压泵向钻孔内注液压裂岩体，观测压裂过程中泵压、液量即可。

3测值直观。

它可

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