《岩石力学》复习资料.docx

1、岩石力学复习资料岩石力学复习资料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

2、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、

3、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：建模与参数辨别；确定试验方法、仪器与信息处 理；现场测试；实际应用；研究内容：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）；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）；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

4、工程稳定性维护与评价）：岩石（岩块）室内 实验（室内实验是岩石力学研究的基本手段）；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

5、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，；Vc（3） 孔隙率：孔隙的体积与试件总体积之比，n 乂 ；V（4） 吸水率：岩石吸入水的质量与固体质量之比，y _Y厂一100% ；c（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）；ms（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

6、尺寸的比值，包括轴向自由膨胀率Vh h 100%和径向自由膨胀率Vd d 100%），岩石的侧向约束膨胀 h d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-KAx，其中dxdh表示水头变化率。dx2.2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 - n3.1简述岩柱劈

7、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

8、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

9、，一般在30 70ci n ci ci et n n nuP【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2P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：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；找出各应力圆

10、上的 破坏点；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 f sin ：）A （1）（sin ： - f cos ：）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：试件端面的摩擦力约束了试件端面附 近的横向变形；承压板与试件的刚度不匹配造成两者

11、变形的不协 调。(2)试件尺寸及形状的影响：形状：圆形不易引起应力集中并 且容易加工；尺寸：试件的强度随尺寸的增加而减小；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；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

12、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

13、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

14、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）E流变特征瞬变蠕变松弛弹性后效粘性流动M体有有有无有粘性流动:=con st(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:-” exp t - ti流变特征瞬变蠕变松弛弹性后效粘性流动K体

15、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St V）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 f）飞=0（6 )剪应力.=(sin fcos： )，将其简化为直线，即A A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 -si n 1 -s in3.11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

16、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

17、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） T M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O1有充填结平

18、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

19、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。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。【法向变形】a A B口试验曲娥&SV烹ti

20、I海结构卿的应力-位移闭合曲线If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

21、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Cwtan : 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（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（ :w i）（厂；、，爬坡效应）二 tan r（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

22、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

23、面与主平2cp面的夹角伽=45 w。2(3) 造成岩体强度削弱的结构面倾角范围： 恤n V p时。(4)当3 3nax时，岩块先发生破坏，岩体强度等于岩 块强度；当 pin V 3 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。

24、答：（1 ）自重应力：海姆公式：原岩处于静水压力状态。J ；二二H ；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； Fb 注入钻孔内液压将孔壁压裂的初始压裂压力；P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；Pso 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； Ro-停泵后重新开泵将裂缝压开的压力，称为开启压力。特点：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