1、岩体力学习题及答案1副本一、绪 论一、解释下例名词术语岩体力学：研究岩体在各种力场作用下变形与破坏规律的科学。.二、简答题1从工程的观点看，岩体力学的研究内容有哪几个方面？答：从工程观点出发，大致可归纳如下几方面的内容：1）岩体的地质特征及其工程分类。2）岩体基本力学性质。3）岩体力学的试验和测试技术。4）岩体中的天然应力状态。5）模型模拟试验和原型观测。6）边坡岩体、岩基以及地下洞室围岩的变形和稳定性。7）岩体工程性质的改善与加固。2岩体力学通常采用的研究方法有哪些？1）工程地质研究法。目的是研究岩块和岩体的地质与结构性，为岩体力学的进一步研究提供地质模型和地质资料。2）试验法。其目的主要是
2、为岩体变形和稳定性分析提供必要的物理力学参数。3）数学力学分析法。通过建立岩体模型和利用适当的分析方法，预测岩体在各种力场作用下变形与稳定性。4）综合分析法。这是岩体力学研究中极其重要的工作方法。由于岩体力学中每一环节都是多因素的，且信息量大，因此，必须采用多种方法考虑各种因素进行综合分析和综合评价才能得出符合实际的正确结论，综合分析是现阶段最常用的方法。二、岩块和岩体的地质基础一、 解释下例名词术语1、岩块：岩块是指不含显著结构面的岩石块体，是构成岩体的最小岩石单元体。有些学者把岩块称为结构体、岩石材料及完整岩石等。2、波速比kv：波速比是国标提出的用来评价岩的风化程度的指标之一，即风化岩块
3、和新鲜岩块的纵波速度之比。3、风化系数kf：风化系数是国标提出的用来评价岩的风化程度的指标之一，即风化岩块和新鲜岩块饱和单轴抗压强度之比。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。5、节理密度：反映结构发育的密集程度，常用线密度表示，即单位长度内节理条数。6、节理连续性：节理的连续性反映结构面贯通程度，常用线连续性系数表示，即单位长度内贯通部分的长度。7、节理粗糙度系数JRC：表示结构面起伏和粗糙程度的指标，通常用纵刻面仪测出剖
4、面轮廓线与标准曲线对比来获得。8、节理壁抗压强度JCS：用施密特锤法（或回弹仪）测得的用来衡量节理壁抗压能力的指标。9、节理张开度：指节理面两壁间的垂直距离。10、岩体：岩体是指在地质历史过程中形成的，由岩块和结构面网络组成的，具有一定的结构，赋存于一定的天然应力状态和地下水等地质环境中的地质体。11、结构体：岩体中被结构面切割围限的岩石块体。12、岩体结构：岩体中结构面与结构体的排列组合特征。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。14、岩石质量指标RQD：大于10cm的岩芯累计长度与钻孔进尺长度之比的百分数。二、 简答题(1) 岩体中的结构面按成因有哪几种分法
5、？分别是什么？答：结构面的成因类型分成两种，一是地质成因类型，根据地质成因的不同，可将结构面划分为原生结构面、构造结构面和次生结构面三类；按破裂面的力学成因可分为剪性结构面和张性结构面两类。(2) 结构面的连续性有几种定义方法？如何定义？结构面的连续性反映结构面的贯通程度，常用线连续系数和面连续性系数表示。线连续性系数是指结构面迹线延伸方向单位长度内贯通部分的总和；面连续性系数是指结构面单位面积内贯通部分面积的总和。(3) 如何描述结构面的充填情况？按充填物的厚度和连续性，结构面的充填可分为：薄膜充填、断续充填，连续充填及厚层充填4类，(4) 在我国，通常将结构面分为哪几级？在工程中主要涉及到
6、哪几级？.按结构面延伸长度、切割深度、破碎带宽度及其力学效应，可将结构面分为如下5级：I级：指大断层或区域性断层，一般延伸约数十公里以上，破碎带宽约数米至数十米及几百米以上。II级：指延伸长而宽度不大的区域性地质界面，如较大的断层、层间错动、不整合面及原生软弱夹层等。III级：指长度数十米或数百米的断层、区域性、延伸较好的层面及层间错动等。IV级：指延伸较差的节理、层面、次生、小断层及较发育的片理、 劈理面等。V级: 又称微结构面，指隐节理、微层面及不发育的片理、劈理等，其规模小，连续性差。在工程中主要涉及到III级、IV级。(5) 在我国，通常将岩体结构分为哪几类？.将岩体结构划分为5大类，
7、即：整体状结构、块状结构、层状结构、碎裂状结构、散体状结构。(6) 通常用哪些指标评价岩体的风化程度？答：岩石的风化程度可通过定性指标和某些定量指标来表述，定性指标主要有：颜色、矿物蚀变程度、破碎程度及开挖锤击技术特征等。定量指标主要有风化空隙率指标和波速指标等。国标岩土工程勘察规范中提出用风化岩块的纵波速度、波速比和风化系数等指标来评价岩块的风化程度。(7) 怎样用软化系数评价岩体的软化？答：岩石浸水饱和后强度降低的性质称为岩石的软化性。软化性用软化系数KR表达，它定义为岩石饱和抗压强度与干抗压强度之比。当软化系数KR时，岩石的软化性弱，同时也说明岩石的抗冻性和抗风化能力强，而KR23）所做
8、的压缩试验。13、等围压试验：在三轴试验中，当侧向应力互相相等时（即12=3）所做得压缩试验。14、劈裂破坏：试件在轴向压应力作用下，由于减小或消除了端部约束，沿压应力垂直方向发生的拉裂破坏。15、对顶锥破坏：试件在轴向压应力作用下，由于试件端部横向约束，形成的锥形剪切破坏。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
9、) 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。(2) 请描述岩石单轴抗压强度试验的制样、试验、资料整理的过程和计算方法。答：准备至少6个取自同一地点的试件，试件用圆柱形，试件的断面尺寸，圆柱形试件尺寸直径一般D=5cm，试件的高度h=(2D，试件端面应当平整光滑，两端面应平行。试验前用游标卡尺在试件不同高度位置和不同直径方向仔细测量试件直径，取平均直径作为计算直径。将试件两端抹上黄油后置于有球星压头的试验机上，试验时以每秒的加荷速率加荷，直到试件破坏，按c=P/A计
10、算抗压强度。式中：c：岩石单轴抗压强度。P：岩石试件破坏时的荷载。A：试件的横断面面积。重复进行6次，取强度平均值。(3) 请描述岩石单轴抗拉强度劈裂法试验的制样、试验、资料整理的过程和计算方法。答：取55cm或555cm圆柱体或立方体形状试件，试验时沿着圆柱体的直径方向垫直径2mm圆形钢丝垫条置于压力机上，缓慢加压致试件受力后沿着受力方向的直径裂开，试验资料的整理可按弹性力学来解，试样为立方体时， Pmax为破坏荷载。重复试验6次，取平均值。(4) 请描述岩石点荷载试验的制样、试验、资料整理的过程和计算方法。答：以一段长度为直径1倍的圆柱状岩芯，在其中部对称的两点上施加点荷载至破坏，破坏方式
11、是岩蕊通常沿纵截面，有时沿横截面被劈裂，也可以沿岩蕊的轴向在中心线上两点施加荷载使岩蕊劈裂，单轴抗拉和抗压强度计算公式如下：单轴抗拉强度计算公式：单轴抗压强度计算公式：Sc=Is(50)三、 计算题(1) 在劈裂法测定岩石单轴抗拉强度的试验中，采用的立方体岩石试件的边长为5cm，一组平行试验得到的破坏荷载分别为、，试求其抗拉强度。解：由公式t=2Pt/a2=2Pt103/5210-4=(MPa)t1=t2=t3=则所求抗拉强度：t=+/3=。 (2) 在野外用点荷载测定岩石抗拉强度，得到一组数据如下：D(cm)Pt(kN)试计算其抗拉强度。(K=解：因为K=，Pt 、D为上表数据，由公式t=K
12、Is=KPt/D2代入上述数据依次得：t=、。求平均值有t=。(3) 在岩石常规三轴试验中，已知侧压力3分别为、和0MPa时，对应的破坏轴向压力分别是、329MPa、和161MPa，近似取包络线为直线，求岩石的c、值。.1图解法由上图可知，该岩石的c、值分别为：28MPa、52。2计算法由M-C准则变形 （1）考虑Coulomb曲线为直线，则强度线应与Mohr圆中的任意两圆均相切，此时的c、值相等，则任一圆都满足（1）式。设任意两圆中的应力分别为，由（1）式得整理得将已知数据代入计算结果如下：13c3291610计算结果分析，第一组数据与第三组数据计算结果明显低于第一组与第二组数据和第二组与第
13、三组数据的计算结果，考虑包络线为外包，故剔除第一组数据与第三组数据计算结果，取平均后得：=，c=。五、岩石的变形特征一、 解释下例名词术语1、刚性压力机：用伺服系统来获得试件全过程曲线的压力机。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曲线上一点的连线的斜率，取通常c的40-60%。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。7、弹性滞后：多数岩石的大部分弹性变形在卸荷后能很快恢复，而小部分（约10%20%）须经过一段时间才能
14、恢复，这种现象称为弹性滞后。.8、塑性滞环：岩石在循环荷载条件下，每次加荷，卸荷曲线都不重合，且围成一环形面积，即塑性滞环。.9、岩石的记忆：每次卸载后再加载到原来的应力后继续增加荷载，即逐级循环加载，则新的加载曲线段将沿着卸载前的加载曲线方向上升的形象。10、反复循环：在低于弹性极限的恒定应力下反复加载、卸载。11、逐级循环：每次卸载后再加载到原来的应力后继续增加荷载。12、疲劳强度：岩块在高于弹性极限的某一应力下反复加载、卸载时将导致试件进一步的变形，发生破坏时的应力低于单轴抗压强度，这一应力称为疲劳强度。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
15、变形或应力随时间而变化的现象叫流变。14、蠕变：岩石在恒定的荷载作用下，变形随时间逐渐增大的性质。15、松驰：岩石在长期的应力作用下，强度渐渐变小的性质称之为松弛。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。20、力学介质模型：用已知边与变形关系的简单元件来描述固体物质在受力条件下的变形特征。用于模拟某种物质的力学性质而用其它具有相似性质的材料
16、建立的模型。21、体积应变曲线：用于描述岩石所受应力与体积应变相互关系的曲线称为体积应变曲线。22、初裂：岩石在荷载作用下，经过弹压压缩阶段，岩石体内开始出现微小裂缝的过程，称为初裂。二、简答题(1) 单轴压缩条件下，岩石变形曲线的主要类型有哪些？答：如图所示：根据米勒的试验结果，岩石变形曲线的主要类型有以下六种：类型表现为近似于直线关系的变形特征，直到发生突发性破坏，且以弹性变形为主。类型，开始为直线，至末端则出现非线性屈服段。类型开始为上凹型曲线，随后变为直线，直到破坏，没有明显的屈服段。类型为中部很陡的“s”形曲线。类型是中部较缓的“s”形曲线。类型开始为一很小的直线段，随后就不断增长的
17、塑性变形和蠕变变形。(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：（）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。（）弹性变形至微破裂稳定发展阶段（AC段），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
18、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。（）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。（）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
19、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l，侧向膨胀d，则试样的轴向应变为：a=l/ l，以及侧向应变为：c=d/d，试样面积为A，则=P/A，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
20、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：六、岩石的强度理论一、 解释下例名词术语1、强度理论：对岩石破坏的原因、过程及条件的系统化论述。2、破坏判据(强度准则
21、)：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。7、流动破坏：通常各种塑性很好的岩石，在荷载作用下，产生巨大的塑性变形或称之为流动的破坏形式。8、莫尔强度理论：指材料在极限状态下，剪切面上的剪应力达到抗剪强度而
22、破坏，而抗剪强度是与剪切面上得正应力有关得。9、八面体强度理论：即岩石破坏的原因是八面体上的剪应力达到了临界值所引起的。10、格里菲斯强度理论：实际的固体在结构构造上既不是绝对均匀的，也不是绝对连续的，其内部包含有大量的微裂纹和微孔洞，这种固体在外力作用下，即使作用的平均应力不大，但由于微裂纹或微孔洞边缘上的应力集中，很可能在边缘局部产生很大的拉应力，当这种拉应力达到或超过强度时，微裂纹便开始扩展，当许多这种的微裂纹扩展、迁就、联合时，最后使固体沿某一个或若干个平面或曲面形成宏观破裂。二、 计算题(1) 导出莫尔库伦强度准则。解：如图：由图中几何关系，在ABO1中，是直角， (3) 对岩石试样
23、作卸载试验，已知C=12kPa，=36，y=100MPa，当1=200MPa时，按莫尔库论判据，卸载达到破坏的最大围压3是多少？解：由上题Mohr判据(4) 岩体内存在不同方向裂纹，已知t=8MPa，a. 当1=42MPa，3=6MPa时，按格里菲斯准则是否破坏，沿哪个方向破坏？b. 当1=20MPa，3=8MPa时，是否破坏，沿哪个方向破坏？解：a.由于1+33=42+3(-6)=240，所以其破坏准则为：把1=42MPa，3=6MPa，t=8MPa（t取绝对值）代入上式，左边=右边，刚好达到破坏。其破坏面与最大主应力之间的夹角 为：，b. 由于1+33=20+3(-8)=-40，所以其准则
24、为：3=-t。3=-8=-t，按格里菲斯准则可判断其刚好破坏，其破坏方向为沿1的方向。(5) 已知岩体中某点应力值为：1=，3=，c=50MPa，=57，t=，试用莫尔库论判据和格里菲斯准则分别判断其是否破坏，并讨论其结果。解：a、用莫尔库论判据：等式不成立，所以岩体不破坏。b、用格里菲斯准则：，所以岩体要发生破坏。c、根据莫尔库伦判据岩体不破坏，而根据格里菲斯准则岩体要发生破坏。即可认为该岩体不会发生剪切破坏，但由于岩体内部存在微裂纹和微孔洞，在外力作用下，即使作用的平均应力不大，在微裂纹和微孔洞的周围将出现应力集中，并可能产生很大的拉应力，这时就要用格里菲斯准则判断是否破坏，此题可认为岩体不产生剪切破坏，但会拉裂破坏，所以此岩体将破坏。七、岩体结构面的力学性质一、解释下例名词术语1、爬坡角：剪切时结构面法向位移轨迹与水平线的夹角。即，v为垂直位移分量，u为水平位移分量。2、基本摩擦角：岩石磨光面做倾斜试验产生滑动的临界角。二、简答题(1) 帕顿(Patton)公式的理论意义是什么？答：帕顿公式的理论意义是提出了剪胀效应，即结构面起伏度的存在可增大结
