《岩石力学》复习资料.docx

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《岩石力学》复习资料

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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，；

（4）吸水率：

岩石吸入水的质量与固体质量之比，；

（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，，越小表示岩石受水的影响越大）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，）；

（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和径向自由膨胀率），岩石的侧向约束膨胀率（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）以及膨胀压力（岩石浸水后，使试件保持原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：

，其中表示水头变化率。

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，孔隙率（n）是指孔隙的体积与试件总体积之比，其关系为：

。

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≧Ks），由于试验机释放能ΔEm小于ΔEs，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（5×5×5cm）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α（试件剪断面方向角），不能太小也不能太大，一般在30°~70°。

【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5mm，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。

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σ-τ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α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σ和剪应力τ；再在σ-τ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。

（1）

（2）

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：

岩石的单轴抗压强度随加载速度增大而增大。

（4）环境影响：

①含水量：

含水量越大强度越低，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180℃，温度越高强度越小，380℃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：

①OA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ε1，ε3应变速率将同时增大但最小主应变的应变速率ε3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=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：

本构关系：

蠕变方程：

松弛方程：

粘性流动：

流变特征

瞬变

蠕变

松弛

弹性后效

粘性流动

M体

有

有

有

无

有

（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：

本构方程：

松弛方程：

蠕变方程：

弹性后效：

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|StV。

蠕变与粘性流动曲线

静力平衡条件：

变形协调条件：

本构关系：

蠕变方程：

粘性流动：

流变特征

瞬变

蠕变

松弛

弹性后效

粘性流动

N|StV体

σ2＜f

无

无

无

无

无

σ2=f

无

有

无

无

有

3.10莫尔—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α，则其上的上的正应力剪应力，将其简化为直线，即得到的强度准则。

（4）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。

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