岩石力学复习资料.docx

岩石力学复习资料.docx

《岩石力学复习资料.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《岩石力学复习资料.docx（13页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

岩石力学复习资料

《岩体力学基础》习题

二、岩块和岩体的地质基础

一、解释下例名词术语

4、结构面：

其是指地质历史发展过程中，在岩体内形成的具有一定的延伸方向和长度、厚度相对较小的地质面或带。

它包括物质分异面和不连续面，如层面、不整合、节理面、断层、片理面等，国内外一些文献中又称为不连续面或节理。

7、节理粗糙度系数JRC：

用纵刻面仪测出用以表征结构面粗糙程度的参数；

13、岩体完整性系数Kv：

其是指岩体纵波速度和岩块纵波速度之比的平方，用公式表示：

14、岩石质量指标RQD：

大于10cm的岩心累计长度与钻孔进尺长度之比的百分数。

二、简答题

（8）按岩体力学的观点，岩体具有什么样的力学特征？

答：

非均质、非连续、各向异性和非线弹性；

三、岩石的物理、水理与热学性质

一、解释下例名词术语

17、岩石的渗透系数：

渗透系数是表征岩石透水性的重要指标，其在数值上等于水力梯度为1时的渗透流速。

四、岩石的强度特征

一、解释下例名词术语

1、岩石的强度：

岩石在达到破坏前所能承受的最大应力；

5、岩石的抗拉强度：

岩石试件在单向拉伸时能承受的最大拉应力；

6、岩石的抗剪强度：

在剪切荷载作用下，岩块抵抗剪切破坏的最大剪应力；

7、巴西试验：

为了测定岩石抗拉强度而进行的劈裂试验；

16、端部效应：

试件试验时端面条件对岩块强度的影响，其产生原因一般认为是由于试件端面与压力机板间的磨擦作用，改变了试件内部的应力分布和破坏方式，进而影响岩块的强度；

17、直剪试验：

将试件放在直剪仪上，试验时，先在试件上施加法向压力，然后在水平方向逐级施加水平剪力，直到试件破坏从而求得试件抗剪强度的试验方法；

二、简答题

（1）在岩石的单轴压缩试验中，试件的高径比、尺寸、加载速率怎样影响岩石的强度？

答：

一般说来，高径比越大，岩石的强度越低；试件尺寸越大，岩石强度越低；加荷速率越大，岩石的强度越大；

（7）某岩石的单轴抗压强度为164.5MPa，φ=35.2°，如果在侧压力σ3=40.8MPa下作三轴试验，请估计破坏时的轴向荷载是多少？

解：

已知如图所示：

ΔAOC≌ΔABC得：

=

即：

=

因为：

r1=82.25MPa，φ=35.2°，

所以求得：

c=42.64MPa

所以：

AO=

=60.45MPa

ΔABC≌ΔADE得：

=

=

解得：

r2=137.76MPa

所以σ1=40.8+2×137.76=316.32MPa

五、岩石的变形特征

一、解释下例名词术语

2、全过程曲线：

反映单轴压缩岩石试件在破裂前后全过程的应力应变关系的曲线；

3、初始模量：

应力—应变曲线在原点处的切线斜率；

4、切线模量：

应力—应变曲线直线段的斜率；

5、割线模量：

从应力—应变曲线的原点到初始裂点连线的斜率；

6、泊松比：

是指在单轴压缩条件下，横向应变与轴向应变之比，即μ=

；

13、岩石的流变性：

岩石的变形和应力受时间因素的影响，在外部条件不变的情况下，岩石的变形或应力随时间而变化的现象叫流变；

16、初始蠕变：

在本阶段内，蠕变曲线呈下凹型，特点是应变最初随时间增大较快，但其应变率随时迅速递减到B点达到最小值；

17、等速蠕变：

本阶段内，曲线呈近似直线，即应变随时间近似等速增加，直到C点；

18、加速蠕变：

本阶段蠕变加速发展直到岩石破坏；

19、长期强度：

把出现加速蠕变的最低应力值称为长期强度；

二、简答题

（2）图示单轴压缩条件下岩石变形的全过程曲线，说明各特征点的位置和意义，简述岩石变形各阶段及其机制。

答：

单轴压缩条件下岩石变形的全过程曲线如上图所示：

（Ⅰ）孔隙裂隙压密阶段（OA），试件中原有张开性结构面或微裂隙逐渐闭合，岩石被压密，形成早期的非线性变形；

（Ⅱ）弹性变形至微破裂稳定发展阶段AC），据其变形机理又可细分弹性变形阶段（AB段）和微破裂稳定发展阶段（BC段），弹性变形阶段不仅变形随应力成比例增加，而且在很大程度上表现为可恢复的弹性变形，B点的应力可称为弹性极限。

微破裂稳定发展阶段的变形主要表现为塑性变形，试件内开始出现新的微破裂，并随应力增强而逐渐发展，当荷载保持不变时，微破裂也停止发展，这一阶段的上界应力（C点应力）称为屈服极限；

（Ⅲ）非稳定破裂发展阶段（CD）；由于破裂过程中造成的应力集中效应显著，即使外荷载保持不变，破裂仍会不断发展，并在某些薄弱部位首先破坏，应力重新分布，其结果又引起次薄弱部位的破坏，依次进行下去直到试件完全破坏；

（Ⅳ）破坏后阶段（D点以后阶段）：

岩块承载力达到峰值后，其内部结构完全破坏，但试件仍基本保持整体状，到本阶段，裂隙快速发展，交叉且相互联合并形成宏观断裂面，此后，岩块变形主要表现为沿宏观断裂面的块体滑移，试件承载力随变形增大迅速下降，但并不降到零，说明破裂的岩石仍有一定的承载能力；

（3）简述岩石单轴压缩变形试验的试验方法、过程、和资料整理。

答：

试样大多采用圆柱形，一般要求试样的直径为5cm，高度为10cm，两端磨平光滑，在侧面粘贴电阻丝片，以便观测变形，用压力机对试样加压，在任何轴向压力下都测量试样的轴向应变和侧向应变，设试样的长度为 l，直径为d，试样在荷p作用下轴向缩短Δl，侧向膨胀Δd，则试样的轴向应变为：

εy=

，以及侧向应变为：

εx=

，试样面积为A，则σ=

，根据数据绘制应力-应变曲线；

（4）简述三轴条件下岩石的变形特征。

答：

首先，破坏前岩块的应变随围压增大而增加，另外：

随围压增大，岩块的塑性也不断增大，且由脆性转化为延性，岩石由脆性转化为延性的临界围压称为转化压力，岩石越坚硬，转化压力越大，反之亦然；

（5）图示岩石蠕变曲线，简述各阶段的力学特征。

答：

（Ⅰ）初始蠕变阶段（AB段）或称减速蠕变阶段，本阶段内，曲线呈下凹型，特点是应变最初随时间增大较快，但其应变率随时间迅速递减，到点达到最小值；

（Ⅱ）等速蠕变阶段（BC段）或称稳定蠕变阶段，本阶段内，曲线呈近似直线，即应变随时间近似等速增加，直到C点；

（Ⅲ）加速蠕变阶段（CD段）：

至本阶段蠕变加速发展至岩块破坏（D点）；

（6）分别图示马克斯威尔（Maxwell）模型和开尔文（Kelvin）模型。

答：

（7）简述岩石初裂的机制、工程意义和监测判定方法。

答：

初裂的机制：

荷载增加，岩石中的应力超过弹性极限，岩石内部新的裂纹产生和老的裂缝开始扩展。

监测判定方法：

声发射仪测定，当发射仪记录到大量的声发射信号时，即可认为初裂开始。

工程意义：

预报岩石的破坏及地震的发生。

三、计算题

（2）岩石变形实验数据如下，a.作应力应变曲线（εa、εc、εv）；b.求初始模量、切线模量、50%σc的割线模量和泊松比?

。

σ（MPa）

16

30

47

62

77

92

154

164

εa（×10-6）

188

375

550

740

930

1412

1913

破坏

εc（×10-6）

63

100

175

240

300

350

550

破坏

解：

由公式：

εv=εa-2εc

得：

εv`=250、175、200、260、330、712、713

则初始模量：

Ei=

=

=0.085

切线模量：

Et=

=

=

=0.079

割线模量：

Es=

=

=0.083

泊松比：

μ=

=

=-0.32

六、岩石的强度理论

一、解释下例名词术语

2、破坏判据（强度准则）：

用以表征岩石破坏条件的应力状态与岩石强度参数间的函数关系，称为破坏判据；

3、脆性破坏：

即岩石在荷载作用下没有显著觉察的变化就突然破坏的破坏形式；

4、塑性破坏：

岩石在破坏之前的变形很大，且没有明显的破坏荷载，表现出显著的塑性变形，流动或挤出，这种破坏称为塑性破坏；

5、张性破坏：

岩石在拉应力的作用下，内部连接被破坏，出现了与荷载方向平行的断裂；

6、剪切破坏：

岩石在荷载作用下，当剪应力大于该面上的抗剪强度时，岩石发生的破坏称为剪切破坏；

8、莫尔强度理论：

指材料在极限状态下，剪切面上的剪应力就达到了随法向应力和材料性质而定的极限值；

二、计算题

（3）对岩石试样作卸载试验，已知C=12kPa，φ=36º，当σ1=200MPa时，按莫尔–库伦判据，卸载达到破坏的最大围压σ3是多少？

解：

按莫尔–库论判据：

，由C=12kPa，φ=36º，σ1=200MPa。

代入上式得σ3=51.91MPa。

三、计算题

（1）如图a，在岩石试样中存在一结构面，

a.试证明按莫尔–库伦强度准则导出的强度判据为：

式中C、φ为结构面参数。

解：

解：

a.由图b知，oo’=

，

所以：

化简即可得：

证毕；

（2）地下岩体中有一结构面，其倾角为40º。

当在地下200m深处开挖一洞室，如果利用上题的公式，仅考虑岩体自重应力，问该结构面在该洞室处会否滑动？

（已知γ=26kN/m3，μ=0.17，结构面C=0.4MPa，φ=28º）

解：

已知：

γ=26kN/m3，μ=0.17，C=0.4MPa，φ=28º,β=40º,h=200m

所以由公式：

得：

=4608.338

5200>4608.34，故其不会滑动；

九、岩体中的天然应力

一、解释下例名词术语

1、天然应力：

人类工程活动之前存在于岩体中的应力，称为天然应力或地应力；

2、重分布应力：

地下开挖破坏了岩体天然应力的相对平衡状态，洞室周边岩体将向开挖空间松胀变形，使围岩中的应力产生重分布作用，形成新的应力，这种应力称为重分布应力；

二、简答题

主要地应力测试方法。

答：

a、水压致裂法；b、钻孔套芯应力解除法；

十、地下洞室围岩稳定性分析

一、解释下例名词术语

1、围岩：

在岩体中开挖洞室，引起洞室围岩体中应力的重分布，应力重分布范围内的岩体叫做围岩；

2、重分布应力：

地下开挖破坏了岩体天然应力的相对平衡状态，洞室周边岩体将向开挖空间松胀变形，使围岩中的应力产生重分布作用，形成新的应力，这种应力称为重分布应力；

5、塑性圈（松动圈）：

如重分布应力超过围岩强度极限或屈服极限，造成洞室周边的非弹性位移，这种现象从周边向岩体深处扩展到某一范围，在此范围内的岩体称为塑性圈（松动圈）。

二、简答题

1、在静水压力状态下，围岩应力的分布有何特征？

答：

天然应力为静水压力状态时，围岩内重分布应力与θ角无关，仅与R0和σ0有关，由于τrθ=0，则为主应力，且σr、σθ均为主应力，且σθ恒为最大主应力，σr恒为最小主应力，其分布特征如图所示：

4、方形及矩形洞室的围岩应力分布有何特征？

答：

矩形状洞室的角点或急拐弯处应力集中最大；长方形短边中点应力集中大于长边中点，而角点处应力大，围岩最易失稳；当岩体中天然应力σh、σv相差较大时，则应尽量使洞室长轴平行于最大天然应力的作用方向。

三、计算题

（2）一圆形洞室的直径为5m，洞中心埋深610m，岩层密度27kN/m3，泊松比0.25，试求：

洞壁上各点的应力值并绘成曲线（θ=0º、10º、20º、…、90º）。

（公式7-25）

解：

σv=rh=610×27/1000=16.47MPa，λ=μ/（1-μ）=1/3=σh/σv，σh=σv/3=5.49

洞壁上各点的应力

，

，

。

。

θ

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

σθ

43.92

42.60

38.78

32.94

25.77

18.15

10.98

5.14

1.32

0

（4）已知H=100m，a=3m，c=0.3MPa，φ=30º，γ=27kN/m3，试求：

a.不出现塑性区时的围岩压力；b.允许塑性圈厚度为2m时的围岩压力。

（公式7-37）

解：

由题意得：

a.当不出现塑性区时,即R=a时：

b.当允许塑性圈厚度为2m时，即

时，

岩体力学复习资料

一、简答题（5×4′）

1、什么是岩石的全应力应变曲线？

岩石在单周压缩荷载作用下，应变随应力变化的关系曲线，包括

（1）空隙裂隙压密阶段；

（2）弹性变形阶段；（3）微弹性裂隙稳定发展阶段；（4）非稳定破裂发展阶段；（5）破坏后阶段。

2、岩石的蠕变？

岩石的应力保持不变，应变随时间增加而增长的现象。

3、岩体的结构面？

是指地质过程中在岩体内形成的具有一定的延伸方向和长度、厚度相对较小的地质面或带，又称为不连续面或带。

4、RQD法？

取值方法？

钻探取芯的岩芯完整程度与岩体的原始裂隙、硬度、均质性等状态相关，钻探取芯的岩芯复原率（岩芯采取率）可表征掩体质量，该表征指标称之为岩体质量指标（RQD）;RQD=Lp/L×100%（Lp:

大于10cm的岩芯累计长度；L：

岩芯取芯进尺总长度。

5、地应力？

地应力是指存在于地层中未受扰动的天然应力，也称原岩应力、岩体初始应力或绝对应力。

6、岩石的渗透性？

岩石在一定的水力梯度（I）或压力差作用下，水渗透或穿透岩石的能力。

二、简答题（6×6′）

1、岩石与岩体的区别与联系。

岩石是由矿物+岩屑在地质作用下按一定规律聚集而成德自然物体，岩体是由岩石、地质部连续面和不连续面内填充物组合成的天然地质体，岩体由于结构面的存在强度远低于岩石的强度。

2、岩石的强度有哪几种类型；由那几个实验确定其特征值?

岩石的强度有：

单轴抗压强度（单轴压缩实验）、抗拉强度（直接拉伸试验法，劈裂试验法，点载荷试验法，抗弯法试验）、抗剪强度（抗剪断试验）、三轴抗压强度（真三轴加载实验，常规三轴加载实验）。

3、岩体的变形曲线可以分成哪几种类型；各有什么特点？

（1）岩体压缩变形曲线，特点：

岩体的破坏过程一般呈柔性特征，通常岩体完整性越差，岩体越破碎，应力下降就越小，岩体脆性越差；

（2）岩体剪切变形曲线，特点：

屈服点以后，岩体内某个结构体或面可能先被剪坏，出现应力降，未达到峰值是甚至有多次应力降，当应力降达到一定值时未剪坏部分瞬间破坏，，并伴有大的应力降，随后产生稳定滑移；（3）岩体法向变形曲线，特点：

法向变形的曲线各异，按P-W曲线和变形特征大致可分为：

直线型、上凹形、上凸形、复合形。

（4）岩体剪切变形曲线，特点：

沿结构面剪切和剪断岩体的剪切曲线明显不同，同时，沿平直光滑结构面和粗糙结构面的剪切曲线也各异。

7、围岩分类及考虑的因素。

围岩分类分为：

把围岩分为I～V类；考虑的因素有：

岩石结构面及组合状态、岩体特性、地下水状态、岩体结构、岩石强度指标、岩体声波指标、岩心质量指标RQD。

11、水压致裂法基本测量原理。

在竖直钻孔内封隔一段，向其中注入高压水；压力达到最大值Pb后岩壁破裂压力下降，最终保持恒定以维持裂隙张开；关闭注液泵，压力因液体流失而迅速下降，裂隙闭合，压力降低变缓，其临界值为瞬时关闭压力P。

；完全卸压后再重新注液，得到裂隙的重张压力Pr以及瞬时关压力P。

：

最后通过印模器或钻孔电视纪录裂缝的方向，由Pb，Pr，P。

就可以确定水平应力和岩体的抗拉强度。

12、什么叫套孔应力解除法，基本原理和实验步骤？

套孔应力解除法即全应力解除法，其基本原理是在钻孔孔底部位安装位移和应变测量元件，利用套芯钻头实现套孔岩芯的完全应力解除，通过测量套孔岩芯应力解除前后钻孔孔径的变化、孔底应变变化或孔壁表面应变变化值来确定地应力值及其方向；实验步骤：

（1）选定测量岩体表面，并采用大孔径钻头钻孔至测量岩体一定深度部位；

（2）在大孔径孔底钻与选用探头直径匹配的同心小孔，以便安装量测探头；（3）利用专用装置在小孔中央部位安装好孔径变形计、孔壁应变计等测量探头；（4）用与大孔直径相同套芯钻头延深大孔，使小孔周围岩芯实现应力解除。

三、分析题（2×10′）（答案并不完全）

3、支护结构与围岩的相互作用（围岩位移及支护特性曲线）

参考课本182页简图。

四、论述题（2×12′）

1、工程岩体分类（3个以上）；论述它的分类依据。

（1）岩石质量指标（RQD）分类，分类依据：

钻探取芯的岩芯采取率；

（2）[BQ]

（3）RMR分类，分类依据：

完整岩石强度，岩石质量指标，节理间距，节理条件，地下水条件。