岩石力学考前练习题和答案.docx

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岩石力学考前练习题和答案

1.自然界中的岩石按地质成因分类可分为几大类.各有什么特点？

按照成因分为：

岩浆岩.沉积岩.变质岩。

各自特点：

岩浆岩通常具有较高的力学强度和均质性。

沉积岩具有层理构造.沿不同的方向表现出不同的力学性能。

变质岩的物理力学性质不仅与原岩的性质有关.而且与变质作用的性质和变质程度有关。

2.岩石的结构和构造有何区别？

岩石颗粒间的联结有哪几种？

答：

结构是针对构成岩石的微细粒子部分而言的.而岩石的构造是指较大的部分.构造比结构使用更广泛。

联结有结晶联结和胶结联结。

3.岩石物理性质的主要指标及其表示方式是什么？

a重力密度（重度）：

岩石单位体积（包括岩石中的孔隙体积）的重量。

r=W/V

b质量密度：

岩石单位体积（包括岩石中的孔隙体积）的质量。

c相对密度：

岩石的干重量除以岩石的实体积（不包括岩石中的孔隙体积）所得的量与1个大气压下4C时的纯水的重度的比值。

Gs=Ws/VsRw

d孔隙率：

岩石试样中孔隙体积与岩石试样总体积的百分比。

n=Vv/V

e孔隙比：

孔隙的体积Vv与固体的体积Vs的比值。

e=Vv/Vse=n/1-n

f天然含水率：

天然状态下岩石中水的重量Ww与岩石烘干重量Ws比值的百分率。

g吸水率：

干燥岩石试样在一个大气压和室温条件下吸入水的重量Ww与岩石干重量Ws之比的百分率

h饱水率：

岩样在强制状态下.岩样的最大吸入水的重量与岩样的烘干重量的比值的百分率。

I饱水系数：

岩石吸水率与饱水率比值的百分率。

J渗透性：

在水压力作用下.岩石的空隙和裂缝透过水的能力。

k膨胀性：

岩石浸水后体积增大的性质。

l崩解性：

岩石与水相互作用时失去黏结性并变成完全丧失强度的松散物质的性能。

m软化性：

岩石与水相互作用时强度降低的特性。

o抗冻性：

岩石抵抗冻融破坏的性能。

4.岩石破坏有哪些形式？

对各种破坏的原因作出解释。

答：

脆性破坏：

由于应力条件下岩石中裂隙的产生和发展的结果。

塑性破坏：

是在塑性流动状态下发生的.这是由于组成物质颗粒间相互滑移所致。

5.什么是岩石的全应力－应变曲线？

什么是刚性试验机？

为什么普通材料试验机不能得出岩石的全应力－应变曲线？

答：

在刚性试验机进行单轴压力试验可以获得完整的岩石应力应变全过程曲线。

分为四个区段：

（1）在OA区段.曲线稍微向上弯曲；

（2）在AB区段.很接近于直线；（3）在BC区段.曲线向下弯曲.直至C点的最大值；（4）下降段CD

刚性试验机：

符合压力机刚度大于试件刚度的压力试验机。

因为普通材料试验机刚度小于岩杨刚度。

6.什么是岩石的弹性模量、变形模量和卸载模量。

答：

弹性模量：

加载曲线直线段的斜率。

变形模量：

在应力-应变曲线上的任何点与坐标原点相连的割线的斜率。

卸载模量：

卸载曲线上该点的切线曲率。

7.在三轴压力试验中岩石的力学性质会发生哪些变化？

（b1）b2>b3）

答：

（1）当b2=b3时.随围压的增大.岩石的塑性和岩石破坏时的强度、屈服极限同时增大；

（2）当b3为常数时.随着b3的增大.岩石的强度和屈服极限有所增大.而岩石的塑性却减小了。

（3）当b2为常数时.随着b3的增大.岩石的强度和塑形有所增大.但其屈服极限并无变化。

8、岩石的抗剪强度与剪切面上正应力有何关系？

答：

定义：

在剪切荷载作用下达到破坏前所能承受的最大剪应力

1直接剪切试验②楔形压剪试验③三轴压缩试验

tanφ－岩石抗剪切内摩擦系数；（φ－内摩擦角）

c－岩石的粘聚力

9、简要叙述库仑、莫尔和格里菲斯岩石强度准则的基本原理及其之间的关系？

答：

库仑内摩擦准则：

用б和τ代表单元体莫伊平面上的正应力和剪切力.当τ达到

时.该单元就会沿此平面发生剪切破坏

莫尔准则：

材料的强度是应力的函在极限时滑动面上的剪切应力达到最大值τf.并取决于法向压力和材料的特性。

可表示为

格里菲斯准则：

在脆性材料的内部存在许多随机分布的裂纹.在外力作用下.裂纹周围、特别是裂纹尖端会产生应力集中现象.其中有一个方向最有利于裂纹扩展.当超过材料的抗拉强度时.裂纹首先在该方向产生张拉扩展。

关系：

（1）库仑准则是建立在实验基础上的破坏判据。

（2）库仑准则和莫尔准则都是以剪切破坏作为其物理机理.岩石破坏存在大量的微破裂.这些破裂时张拉破坏而不是剪切破坏。

（3）莫尔-库仑准则适用于低围压的情况

（4）只适用于脆性岩石的破坏.对于一般岩石材料.莫尔－库仑准则更适用。

10、简述岩石在单轴压力试验下的变形特征？

答：

1）原生微裂隙压密阶段（OA）

①σ1－ε1曲线.应变率随应力增加而减小；

②塑性变形（变形不可恢复）

原因：

微裂隙闭合（压密）

2）弹性变形阶段（AB）

①σ1－ε1曲线是直线；

②弹性模量.E为常数（变形可恢复）

原因：

岩石固体部分变形.B点开始屈服.B点对应的σB应力为屈服极限.超过B点卸载有塑性变形。

3）弹塑性（非线性）变形阶段（BC）

①σ1－ε1曲线；

②有塑性变形产生.变形不可恢复；

③应变速率　　不断增大。

原因：

新裂纹产生.原生裂隙扩展。

4）破坏下降阶段（CD）

①C点纵坐标为单轴抗压强度

②D点为残余强度

11.影响岩石力学特性的主要因素哟那些？

如何影响?

答：

（1）主要因素：

a.岩石的矿物组成；b.岩石的结构特性；c.岩石的构造；d.温度的作用；e.水的作用；f.风化作用；g动载（冲击加载速度）的影响；

（2）如何影响：

a.岩石受力后.如果其中强度较高的矿物在岩石中互补接触.则应力传递将会受到中间低强度矿物的影响.岩石就不一定能显示高的强度.只有当矿物分布均匀.高强度的矿物在岩石的结构中形成牢固的骨架时.才能起到提高岩石强度的作用；

b.岩石的结构特征可以分为：

结晶类、胶结物联结的岩石。

矿物晶体靠直接接触产生的力牢固的联结在一起.结合力强。

胶结联结是矿物碎屑有胶结物联结在一起.其强度和稳定性主要取决于胶结结物的成分和胶结形式.同时受碎屑成分的影响.变化很大；

c.主要是由岩石的各组成部分的空间分布及其相互间的排列关系决定的；

d.研究表明.在三轴应力条件下.岩石的强度随温度的升高而增大.但是随温度的升高.不是所有的岩石塑型都会增大；

e.岩石被水饱和后会是岩石的强度降低；

f.促使岩石中原有的裂隙进一步扩大.并产生新的风华裂隙.是矿物颗粒间的联结松散.以及矿物颗粒沿节理面崩解.促使岩石的结构、构造和整体遭到破坏.孔隙度增大.吸水性显著增高.强度和稳定性大为降低；

g.动载荷的主要特点是它的作用速度快.在几秒钟内施加载荷。

岩石堆动载的抗力要比静载大得多。

12.什么叫岩石的流变、蠕变、松弛？

答：

（1）流变：

如果外界的条件不变.岩石的应力或应变随时间而变化.则称岩石具有流变性。

（2）蠕变：

岩石的蠕变就是指在应力б不变的情况下岩石变形（或应变ɛ）随时间t而增长的现象。

（3）松弛：

在应变保持恒定的情况下.岩石的应力随时间而减少的现象。

13.岩石蠕变一般包括哪几个阶段？

各阶段有何特点？

答:

包括四个阶段；第一阶段：

OA阶段.有顺时应变ɛ。

；第二阶段：

应变——时间曲线向下弯曲.在这个阶段内的蠕变叫作初期蠕变或暂时蠕变；第三阶段：

在该阶段内.曲线具有近似不变的斜率.这个简短的蠕称为二次蠕变；第四阶段：

该阶段成为加速蠕变或者第三期蠕变.这种蠕变导致迅速破坏。

14．不同受力条件下岩石流变具有哪些特征？

包括：

蠕变性（恒应力下）、松弛性（应变一定.应力减少时）、弹性后效（卸载时）。

15.简要叙述常见的几种岩石流变模型及其特点（至少可以推导马克斯维尔模型与凯尔文模型的蠕变方程）。

16.什么是岩石的长期强度？

它与岩石的瞬时强度有什么关系？

岩石的长期强度：

岩石的强度随外载荷作用时间的延长而降低的.通常把作用时间的强弱称为岩石的长期强度。

与瞬时强度的关系：

对于大多数岩石.长期强度与瞬时强度之比为（0.4~0.8）.软岩和中等坚固岩石为0.4~0.6.坚固岩石为0.7~0.8。

17.结构面按其成因通常分为哪几种类型？

按照地质成因不同：

原生结构面.构造结构面.次生结构面。

原生结构面：

指在成岩过程中所形成的结构面

构造结构面：

岩体受地壳运动作用形成的结构面

次生结构面：

岩体在外营力作用下形成的结构面

18.为什么结构面的力学性质具有尺寸效应？

其尺寸效应体现在哪几个方面？

体现在一下方面：

1）随着结构面尺寸的增大.达到峰值强度的位移增大;2）随着尺寸的增大.剪切破坏形式由脆性破坏向延性破坏转变；3）尺寸加大.峰值剪胀角减小；4）随结构面粗糙度减小.尺寸效应也减小。

19.结构面是如何影响岩体强度的？

事实上.岩体的强度在很大程度上取决于结构面的强度.这主要是因为结构面的自然特征与力学性质对裂隙岩体强敌具有控制影响。

20.岩体强度的确定放法主要有哪些？

实验确定法、经验估算法（准岩体强度.经验方程.Hoek-Brown）

21.岩体与岩石的变形有何异同？

岩石的变形是指岩石在物理因素作用下形成和大小的变化。

22.岩体的变形参数确定方法有哪些？

23.在岩体的变形试验中.承压板法、钻孔变形法和狭缝法各有哪些优缺点？

承压板法：

优点是简便、直观.能较好地模拟建筑物基础的受力状态和变形特征。

缺点是：

钻孔变形法：

优点是：

①对岩体扰动小。

②可以在地下水位以下和较深的部位进行。

③试验方向基本不受限制.且试验压力可以达到很大。

④在一次试验中可以同时量测几个不同方向的变形.便于研究岩体的各向异性。

缺点：

是试验涉及的岩体体积较小。

该方法较适合于软岩或半坚硬岩体

狭缝法：

优点是设备轻便、安装较简单.对岩体扰动小.能适应于各种方向加压.且适合于各类坚硬完整岩体.是目前工程上经常采用的方法之一。

缺点：

是假定条件与实际岩体有一定的出入.将导致计算结果误差较大.且随测量位置不同而异。

24.岩体变形曲线可分为几类？

各类岩体变形曲线有何特点？

1.法向变形曲线

（1）直线型

1）陡直线型。

特点是p-ω曲线的斜率较陡.呈陡直线。

岩体刚度大.不易变形。

2）缓直线型。

曲线斜率较缓。

岩体刚度低、易变性。

（2）上凹型

1）每次加压曲线的斜率随加、卸压循环次数的增加而增大.即岩石刚度随循环次数的增加而增大。

2）加压曲线变化情况与

（1）相同.但卸压曲线较陡.说明卸压后变形大部分不能恢复.为塑形变形。

（3）上凹型

这类曲线的方程为p=f（w）,dp/dw随p增加而递减.d2p/dw2<0,呈上凸型曲线。

（4）复合型

P-w曲线呈阶梯或“s”形。

结构面发育不均或岩性不均匀的岩体。

2.剪切变形曲线

（1）峰值前变形曲线的平均斜率小.破坏位移大.峰值后随位移增大强度损失很小或不变。

（2）峰之前变形曲线平均斜率较大.峰值强度较高。

峰值后随剪切位移增大强度损失较大.有较明显的应力降。

（3）峰值前变形曲线斜率较大.此曲线具有较明显的线性段和非线性段.比例极限和区服极限较易确定。

峰值强度高.破坏位移小。

峰值后随位移增大强度迅速降低.残余强度较低。

25.地下水对岩体的物理、化学作用体现在哪几个方面？

物理方面：

（1）润滑作用：

在裂隙面上.水使裂隙面之间的摩擦系数减小

（2）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

（3）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

化学方面：

（1）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。

（2）溶解作用活溶蚀作用：

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

（3）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

（4）水解作用：

当岩土体中的阳离子与水作用.使地下水中的H+ （M ++H O=M OH+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的PH 值。

26.岩体原始应力状态与哪些因素有关？

答：

地震活动.重力.水平方向的构造运动.断层和结构面.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。

27.试述自重立场与构造应力场的区别和联系

地壳上部各种岩体由于受地心引力的作用而引起的应力称为自重应力。

研究自重力时.一般把岩体视为均匀、连续且各向同性的弹性体.因而可以引用连续介质力学原理来探讨岩体的自重力问题。

在地壳中长期存在着一种促使构造运动发生和发展的内在力量.这就是构造应力。

构造应力在空间有规律的分布状态称为构造应力场。

最大主应力方向是随着地区而变化的。

28.什么是岩体的构造应力？

构造应力是怎样产生的？

土中有无构造应力？

为什么？

答：

岩体构造应力：

在地壳中长期存在着一种促使构造运动发生和发展的内在力量这就是构造应力

构造应力是怎样产生的：

构造应力是由于构造运动而产生的。

土中有无构造应力：

土中无结构应力.主要是自重应力。

只有岩石处于塑性状态时.λ值才增大。

当μ=0.5时.λ=1.它表示侧向水平应力与垂直应力相等（σx=σy=σz）.即所谓的静水应力状态。

29.试判断正断层、逆断层、平移断层产生时.最大主应力与最小主应力的方向？

答：

正断层：

最大主应力在铅垂方向.最小主应力在水平方向；

逆断层：

最大主应力在水平方向.最小主应力在铅垂方向；

水平断层：

最大主应力与最小主应力均在水平方向。

30.什么是侧压系数？

侧压系数能否大于1？

从侧压系数值的大小如何说明岩体所处的应力状态？

答：

P95.定义为某点的水平应力与该点垂直应力的比值。

（λ）λ=μ/（1—μ）.一般岩体的泊松比μ为0.2~0.35.λ通常都小于1。

31.简述地应力测量的重要性。

32.简述地壳浅部地应力分布的基本规律。

33.地应力测量方法分哪两类？

两类的主要区别在哪里？

每类包括那些主要测量技术？

34.简述水压致裂法的基本测量原理。

35.对水压致裂法的主要优缺点做出评价。

36.简述套孔应力解除法的基本测量原理和主要测试步骤。

37.岩石的弹性参数包括哪些？

例出根据测井资料计算岩石力学弹性参数的计算公式。

38.岩石的动、静态弹性参数一般具有什么样的关系？

39.常用的计算岩石力学弹性参数的测井数据包括哪几个？

40.地应力的概念？

成因及分布规律？

地应力：

存在与地层中的未受工程扰动的天然应力。

成因：

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、岩浆侵入和地壳非均匀扩容）两外.温度不均。

水压梯度、地表剥蚀和其他物理、化学变化等也可引起相应的应力场

分布规律：

（1）.地应力是一个具有相对稳定性的非稳定应力场.它是时间和空间的函数。

（2）.实测垂直应力基本等于上浮岩层的重量。

（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增加而减少

（5）.最大水平主应力和最小水平主应力也随深度呈线性增长关系

（6）.最大水平主应力和最小水平主应力值一般相差较大.显示出很强的方向性

42.简述水力压裂法测量地应力的原理与方法.画出水力压裂压力典型曲线。

地层压裂后.瞬时停泵.此时裂缝不再向前扩展.但仍保持开启.此时的压力ps（瞬时停泵压力）应与垂直裂缝的最小地应力相平衡.既有σh=ps瞬时停泵后重新启动泵.从而使闭合的裂缝重新张开。

由于张开闭合裂缝所需的压力pr与地层破裂压力pf相比.不许克服岩石的拉伸强度st.因此可以近视的认为破裂层位的拉伸强度等于这两个压力的差值.即st=pf-pr。

利用pf、ps和pr三个从压裂压力曲线上可以直接读得的压力值即可反算地层地应力：

σh=ps

σH=3σh-pf-pp+st=3ps-pp-pr

st=pf-pr

43.什么是凯塞效应试验？

简述声发射凯塞尔效应法测量地层地应力的基本原理。

凯塞儿效应：

岩石的声发射活动能够“记忆”岩石所受过的最大应力

原理：

岩石受力后发生微破裂.微破裂发生的频率随应力增加而增加.破裂过程是不可逆的。

当应力超过原来加过的最大应力时.又会有新的破裂产生.以致声发射活动频率突然升高.频率突然增大点对应着的轴向应力是沿该岩样钻取方向曾经受过的最大压应力的方向。

44.求在自重作用下地壳中的应力状态：

如果花岗岩

.泊松比

.则一公里深度以下的应力是多少？

σv=

h=2.9*103*9.8*100=28.42Mpa

σh=（

/1-

）σv=（0.25/1-0.25）*28.42=9.47Mpa

45.岩体处于100m深.上部岩体的平均容量

.

.自重应力为多少？

当侧压力系数

时.自重应力为多少？

σv=

h=2.5*103*9.8*100=2.45Mpa

σh=（

/1-

）σv=（0.2/1-0.2）*2.45=0.6125Mpa

当

时

σh=

σv=1*2.45=2.45Mpa

46.某岩样试件.测得容量

.比重

.含水量

试求该岩样的孔隙比

.孔隙度n.饱和度s

和干容量

。