6岩体力学思考题含答案 3DOC.docx
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6岩体力学思考题含答案3DOC
岩体力学思考题---辅导讲解15个知识点
一.判断题(2x10=20分)
1、影响岩石蠕变的主要因素有岩性.应力.温度和湿度等。
( )。
(一)蠕变:
指在应力不变的情况下,岩石的变形随时间不断增长的现象。
岩石蠕变的类型分为稳定蠕变和不稳定蠕变两种。
影响岩石蠕变的因素很多:
岩性,荷载,围压,湿度,温度等都对岩石蠕变有影响。
岩石蠕变特性
大量试验表明:
岩石变形=瞬弹变形+蠕变(与时间有关)
1.岩性-针对不同岩石,弹性变形与蠕变对比存在差异
2.应力水平影响蠕变量大小,蠕变速率
3.蠕变试验得到典型蠕变曲线分为三段:
①AB-初期蠕变,
蠕变速率ε递减卸载(σ)
=瞬弹PQ+粘弹QR(全部恢复)
②BC-恒速蠕变,恒定,
(单位时间增加ε相同)
=瞬弹+粘弹UV+不可恢复uv
随时间延续变形破坏
③CD-加速蠕变-不断增大变形破坏
2、在岩石真三轴试验过程中,中间主应力与最小主应力二者相等( )。
(二)实验室测定岩石力学性质时,先取岩芯,按标准Φ5x10cm圆柱或5x5x10cm棱
柱体,置于高压釜内水平方向加围压,竖向加载。
于是有两种三轴压缩试验:
σ1
常規三轴压缩实验,实验时σ1≠σ2=σ3σ2
真三轴压缩实验,实验时σ1>σ2>σ3σ3σ1
3、岩块的变形模量和泊松比受岩石矿物组成.结构构造.风化程度.空隙性.含水率.微结构面及其与荷载方向的关系等多种因素的影响。
( )。
(三)岩石变形——指多种地质力学环境因素(如河谷下切、地应力释放、工程开挖等)和工程荷载(如水库蓄水、隧洞充水的水荷载)共同作用岩石形状与大小发生变化。
主要变形指标是变形模量和泊松比,由于岩石是非连续,非均勻,各向异性的弹塑性体,变形指标不是常量,因矿物组分.结构与构造.围压,孔隙度.含水量,产地等不同,变形模量和泊松比也各有差异。
4、莫尔强度理论实质上是一种拉应力强度理论,不适用于塑性岩石。
( )。
(四)莫尔认为无论岩石处于何种应力状态,破坏均为剪切破坏。
格里菲斯认为不论岩石受力状态如何,最终在本质上都是拉伸应力引起岩石破坏。
●分析库仑、莫尔、格里菲斯强度理论的基本观点并给予评价。
答:
库仑认为:
岩石破坏为剪切破坏;岩石抵抗剪切破坏的能力由两部分组成:
内聚力、内摩擦力。
库仑强度理论是莫尔强度理论的直线形式。
莫尔认为:
无论岩石处于何种应力状态,破坏均为剪切破坏;破坏时,剪切面上所需的剪应力不仅与岩石性质有关,而且与作用在剪切面上的正应力有关。
格里菲斯认为:
不论岩石受力状态如何,最终在本质上都是拉伸应力引起岩石破坏。
评价:
v莫尔理论较好解释了岩石抗拉强度远远低于抗压强度特征,解释了三向等拉时破坏,三向等压时不破坏现象,但忽视了中间应力的作用。
v格式理论推导岩石抗压强度为抗拉强度的8倍,反映了岩石的真实情况,较好证明了岩石在任何应力状态下都是由于拉伸引起破坏,但对裂隙被压闭合抗剪强度增高解释不够。
Ø莫尔理论适用于塑性岩石,及脆性岩石的剪切破坏;不适用于拉断破坏。
格式理论适用于脆性岩石及材料破坏。
5、岩块的抗拉強度一般远大于其抗压強度。
( )
常识。
混凝土抗拉強度只是抗压強度的1/10~1/18。
6、岩块的单轴抗拉强度是选择建筑石材不可缺少的参数。
( )
7、在相同条件下,圆形截面岩块试件的抗压强度一般要高于多边形截面试件的抗压強度。
( )
8、在相同条件下,岩块试件的尺寸越大,岩块的抗压強度越大。
( )
(五)尺寸效应:
岩石试件的尺寸愈大,则强度愈低,反之愈高,这一现象称为“尺寸效应”。
形状效应:
在岩石试验中,由于岩石试件形状的不同,得到的岩石强度指标也就有所差异。
这种由于形状的不同而影响其强度的现象称为“形状效应”。
试件的大小、形状是如何影响岩石的力学性质的?
原因是什么?
答:
试件的形状和尺寸大小对强度的影响主要表现在高径比
或高宽比
和横断面积上。
试件太长、高径比太大,会由于弹性不稳定提前发生破坏,降低岩石的强度。
试件太短,又会由于试件端面与承压板之间出现的摩擦力会阻碍试件的横向变形,使试件内部产生约束效应,以致增大岩石的试验强度。
试件横断面积减小,会相应地增大端部约束效应,因而强度也会有所提高。
我国压縮实验试件取Φ5x10cm或5x5x10cm。
高宽比2~2.5
在岩石的室内单轴压缩试验中,对同一岩石试样所进行的试验中,如其余的条件均相同,则下列试样强度最高的是(A)
A)圆柱形试件B)六角菱柱形试件
C)四角菱柱形试件D)三角菱柱形试件
9.岩石的含水量越高,其抗压強度越高。
( )
(六)对岩石强度而言,含水量加大.孔隙度加大或孔隙压力加大时,均使岩石强度降低。
含水量越高则会使岩石强度降低越多。
10、在相同的条件下,正六边形截面岩块试件的抗压強度高于圆形截面试件的抗压強
度。
()
二填空题(2x10=20分)
1、岩体结构面分析主要研究岩石的切割和破碎理论以及岩体的动力特性。
。
2、岩体在作用下表现出来的性质,称为水理性质。
(七)岩石遇水后会引起某些物理、化学和力学性质的改变,岩石的这种性质称为岩石的水理性。
3、在外部条件不变的情况下,岩石的变形或应力隨时间而变化的现象为。
流变性:
指在外界条件不变时,岩石应变或应力随时间而变化的性质。
4.岩体的动力变形参数可通过激振器如超声波确定。
5、是由拉应力形成的,如羽毛状张裂面.纵张及横张破裂面,岩漿岩中的冷凝节理等。
(八)结构面:
①指在地质历史发展过程中岩体内形成的具有一定的延伸方
向和长度,厚度相对较小的宏观地质界面或带。
②又称弱面或地质界
面,是指存在于岩体内部的各种地质界面,包括物质分异面和不连续
面,如假整合、不整合、褶皱、断层、层面、节理和片理等。
在较低围压下,岩体的破坏方式有剪切破坏和张拉破坏两种基本类型。
按结构面力学成因,可将其分为剪性结构面和张性结构面两类。
张性结构面由拉应力形成的;剪性结构面是剪应力形成的,破裂面两侧岩体产生相对滑移,其剪切刚度量值决定于结构面本身的起伏粗糙程度和強度,以及法向应力大小,法向刚度主要取决于结构张开状态和岩体的风化程度。
6.由于工程活动改变了岩体中的应力称为。
(九)初始地应力:
岩体中存在的未受到工程扰动的原始应力状态下的应力。
静水应力状态:
在岩石力学中,地下深部岩体在自重作用下,岩体中的水平应力和垂直应力相等的应力状态。
深层岩体天然应力状态近于静水应力状态,即
σ1=σ2=σ3;表层岩体水平应力大于垂直应力即σ1<σ2=σ3。
自重应力:
由于岩体自重而产生的天然应力叫自重应力。
重力场中以铅直应力σh为主,水平应力σv=k0σh,k0=µ/(1-µ),称为侧压力系数,µ为泊松比。
构造应力:
由于地质构造活动在岩体中引起的应力场,这种应力与一定范围地质构造有关,其主要特点是水平应力大于覆岩垂直应力分量。
这一作用可以持续到地层深处。
应力重分布:
岩体受到工程活动扰动,引起岩体中初始应力的转移变化形成的新的应力场状态。
二次应力:
相对于初始应力而言,岩体上或岩体内部受到人类工程活动扰动,引起初始应力自然平衡状态的改变,使一定范围内的原始应力重分布形成的新的应力称为二次应力,或称次生应力。
次生应力直接与工程稳定性有关。
试述自重应力场与构造应力场的区别和特点。
答:
自重应力场是岩体自重应力在空间的有规律分布;构造应力场是一定区域内具有成生联系的各种构造形迹在不同部位应力状态的总称。
两者都是天然应力场的组成部分,自重应力场是由上覆岩体的重量引起的,而构造应力是空间和时间的函数,是随构造形迹的发展而变化的非稳定应力场。
简述地壳浅部地应力分布的基本规律。
答:
地壳浅层岩体中绝大部分应力场是以水平应力为主的三向不等空间应力场,三个主应力的大小和方向是随空间位置而变化的。
简述地应力分布的基本规律?
答:
(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)垂直地应力基本等于上覆岩层的重量
。
(3)水平地应力普遍大于垂直地应力。
(4)平均水平应力与垂直应力的比值随深度增加而减小,但在不同地区,变化的速度很不相同。
(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之值一般相差较大,显示出很强的方向性。
(7)地应力的上述分布规律还会受到地形、地表剥蚀、风化、岩体结构持征、岩体力学性质、温度、地下水等因素的影响,特别是地形和断层的扰动影响最大。
7.当坝基岩体坚硬完整,其剪切強度远大于接触面強度时,最可能发生滑移失稳破坏。
8.洞室开挖以后,如不及时支护洞顶岩体将不断垮落而形成一个拱形,称为压力拱。
9.膨胀围岩由于矿物吸水膨胀,产生对支护结构的挤压,称为变形围岩压力。
10.地下开挖后,洞壁的应力集中最大,当它超过围岩的屈服极限时,洞壁围岩就由弹性状态转化为塑性状态,并在围岩中形成一个塑性区。
(十)地下洞室围岩稳定性分析
围岩:
指由于人工开挖使岩体的应力状态发生了变化,而这部分被改变了应力状态的岩体称为围岩。
地下工程开挖过程中,在发生应力重分布的那一部分工程岩体称为围岩。
围岩压力:
地下洞室围岩在重分布应力作用下产生过量的塑性变形或松动破坏,进而引起施加于支护衬砌上的压力。
作用在支护物上的围岩的变形挤压力或塌坍岩体的重力称为围岩压力。
形变围岩压力:
指围岩在二次应力作用下局部进入塑性,缓慢的塑性变形作用在支护上形成的压力,或者是有明显流变性能的围岩的粘弹性或者粘弹—粘塑性变形形成的支护压力。
一般发生在塑性或者流变性较显著的地层中。
松动围岩压力:
指因围岩应力重分布引起的或施工开挖引起的松动岩体作用在隧道或坑道井巷等地下工程支护结构上的作用压力。
一般是由于破碎的、松散的、分离成块的或被破坏的岩体坍滑运动造成的。
冲击围岩压力:
(1)是地下洞室开挖过程中,在超过围岩弹性限度的压力作用下,围岩产生内破坏,发生突然脆性破坏并涌向开挖(采掘)空间的一种动力现象。
(2)强度较高且完整的弹脆性岩体,承受过大力的作用后,突然发生岩石弹射变形所引起的围岩压力。
膨胀围岩压力:
在遇到水分的条件下围岩常常发生不失去整体性的膨胀变形和位移,表现在顶板下沉、地板隆起和两帮挤出,并在支护结构上形成形变压力的现象。
应力集中:
受力物体或构件在其形状或尺寸突然改变之处引起应力在局部范围内显著增大的现象。
一般以高于(低于)原岩应力5%为界,划分集中应力影响范围。
应力集中系数:
指岩体中二次应力与原始应力的比值,也可用井巷开挖后围岩中应力与开挖前应力的比值来表示。
侧压系数:
岩体中一点的水平应力与垂直应力的比值。
k0=µ/(1-µ)
●简述围压对岩石力学性质的影响。
围压可改变岩石的力学性状。
围压增大致使塑性增大、峰值强度增高、破坏前变形加大。
实验时加载速率大,导致弹性摸量大、强度指标高。
●影响巷道围岩稳定的主要因素有哪些?
围岩强度、应力集中程度、原始应力大小、巷道支架的支撑力
●巷道围岩受地压作用产生的三区分别为塑性区、弹性区、原始应力区。
弹性区围岩具有弹性或粘弹性位移,位移与岩石弹性性质有关。
大量实验表明,塑性变形与静水应力无关,只与应力偏量有关,与剪应力有关。
意义:
在岩土工程中
1.边坡开挖坡面回弹变形
坡体二次应力=地应力+开挖效应释放荷载
坡体稳定性评价:
刚体质量消失基于应力的强度分析
2.坝基:
二次应力场=地应力+开挖效应+建筑物附加应力场
3.地下洞室:
地应力围岩稳定分析(围岩的变形、稳定)的基本荷载(力源),
二次应力=初始地应力+开挖效应附加应力场
●在巷道围岩控制中,可采取哪些措施以改善围岩应力条件?
答:
选择合理的巷道断面参数(形状、尺寸),避免拉应力区产生(无拉力轴比);
巷道轴线方向与最大主应力方向一致;
将巷道布置在减压区(沿空、跨采、卸压)。
三.名词解释(4x5=20分)
1.结构面剪切刚度
(十一)定义:
在剪切应力作用下,峰值前结构面产生单位剪切位移所需要的应力,数值上等于峰值前τ−∆u曲线上一点的切线斜率,即
(MPa/cm)
意义:
反映结构面剪切变形性质的重要参数,是岩体力学性质参数估算及岩体
稳定性计算中必不可少的指标之一。
确定方法:
实验法,经验估算法。
2、围岩抗力系数
围岩(弹性)抗力系数:
当隧洞受到来自隧洞内部的压力P时,在内压力作用下,洞壁围岩必然向外产生一定的位移△α,则定义围岩的弹性抗力系数为
K=P/△α。
此时K的物理意义为促使隧洞洞壁围岩产生单位径向位移所需的靜水压力值。
单位抗力系数:
隧洞围岩的弹性抗力系数不仅与隧洞的地质条件有关,而且与隧洞的半径有关,为了统一,在工程上规定洞径为200cm时隧洞围岩的抗力系数定义为单位抗力系数。
3、稳定性系数
(十二)若岩基中存在软弱结构面,需验算建筑物基础下的岩体是否可能沿软弱结构面产生滑动。
稳定性系数则是反映滑动面上抗滑力与滑动力的比例关系,用以说明边坡岩体的稳定程度。
要选定若干个可能的滑动面分别进行试算,以便求得最小稳定系数及其相应的危险滑动面。
当选定后,有两种方法计算稳定系数Ks:
极限平衡法和等稳定系数法。
4.強度判据
强度准则:
表征岩石破坏时的应力状态和岩石强度参数之间的关系,一般可以表示为极限应力状态下的主应力间的关系方程:
σ1=f(σ2,σ3)或τ=f(σ)。
破坏准则:
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,是在极限状态下的“应力—应力”关系。
岩石在一定的受力条件下可能要发生破坏,用来判断岩石是否破坏需用到破坏判据。
v破坏判据:
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,称为破坏判据或称强度准则、强度判据。
在岩体力学研究中,用到的判据主要有:
库仑--纳维尔判据、莫尔判据、格里菲斯判据和八面体强度判据。
5、卸荷回弹
(十三)基坑开挖是一个卸荷过程,上部岩土体的挖出,自重应力的释放,势必引起基坑底部岩土体的膨胀变形,从而产生基底回弹,即所谓的卸荷回弹。
回弹量的大小是判断基坑稳定性和将来建筑物沉降的重要因素之一,因此研究基坑卸荷回弹并计算回弹量是保证基坑稳定,減少沉降危害的有效手段之一。
四.简答题(12+12+16=40分)
1.围压对岩块变形有什么影响?
1、三向作用下岩石的力学性质?
答:
1、岩石在围压条件下的应力应变关系;2岩石在围压条件下的破坏方式及机制;3围压对岩石极限强度的影响;4岩石的莫尔包络线特征。
(附说明:
三向作用下岩石与单轴压缩条件的应力应变曲线类似有弹性变形阶段、塑性变形阶段、应力下降阶段、摩擦阶段。
不同围压下变形特征不同:
高强度坚硬致密岩石曲线斜率受围压影响小基本不变即弹性模量不因围压增高而改变,表现为常刚度变形。
对任何岩石当围压达到一定水平是,以塑性变形为主与之对应的破坏由脆性转为延性。
随着围压的增大,岩石的三轴极限强度也增大,但其增大的速率依岩性的不同而不同,对脆性破坏的岩石其极限强度随围压的增长很快,而延性破坏时,极限强度随围压增长缓慢。
)
简述岩石三向压缩的变形特点?
答:
(1)围压(侧向应力)增加,岩石的强度增大;
(2)围压(侧向应力)增加,岩石的残余强度增大;
(3)围压(侧向应力)增加,岩石的塑性变形增大。
岩石脆性与塑性是相对的。
(4)围压增加,岩石扩容减少,甚至不出现扩容。
2.试论述影响岩质边坡变形破坏的因素。
(十四)
1、岩性决定岩体边坡稳定性的物质基础。
2、岩体结构岩体结构及结构面的发育特征是岩体边坡破坏的控制因素。
3、水的作用使岩土的质量增大、滑动面的滑动力增大;岩土软化、抗剪强度降低;对岩体产生动水压力和静水压力。
4、风化作用使岩体内裂隙增多、扩大,透水性增强,抗剪强度降低。
5、地形地貌直接影响边坡内的应力分布特征,进而影响边坡的变形破坏形式及边坡的稳定性。
贵州地势可分三个梯级(台面),海拔高程分别是,第一梯级(台面)在2900-2200m,由西部威宁、赫章、水城一带的高原组成;第二梯级(台面)海拔降到1500-1000m由贵州中部山原(黔北、黔南)丘原(黔中)组成;第三梯级(台面)海拔继续降到800-500m、由江口-镇远以东的低山丘陵组成。
6、地震产生地震惯性力
7、天然应力
8、人为因素
3.某岩体中开挖一直径为6m的水平圆形洞室,埋深400m,已知洞室围岩剪切強度参数为;C=9MPa,Φ=400,岩体平均密度ρ=2.7g/cm3,设岩体天然应力比值系数λ=1,试评价稳定性。
假设为弹性岩体平面应变问题进行处理;用摩尔-库仑破坏准则评价。
解:
(1)由题意知该巷道覆盖岩层的容重
;巷道处的垂直应力
,并由侧压力系数为1,得水平应力
。
由此得该圆形巷道处于静水压力下。
根据摩尔-库仑破坏准则知岩石破坏时的破坏面与水平面的夹角为
,并由题意知岩石的内摩擦角
,內聚力C=9MPa
由摩尔-库仑破坏准则知岩石破坏时主应力符
将Φ,C值代入得
>σv=10.8MPa,则该洞室处于稳定状态。
。
(十五)简述由弹性理论确定岩体中自重应力的基本方法,以及海姆假说的基本内容。
答:
对于没有经受构造作用、产状较为平缓的岩层,它们的应力状态接近由弹性理论所确定的应力状态。
对于做表面xy为表面,z轴垂直向下的半无限体,在深度z处的垂直应力zz(为岩体容重),半无限体中任意微分单元体上的正应力z,x,
y都是主应力;并且水平向应力和应变彼此相等。
由弹性理论可以证明:
xy(/1)zK0z。
K0=(/1)为靜止侧压力系数,为泊松比。
当静止侧压力系数K01时,就出现了侧向水平应力与垂直应力相等的所谓静水压力情况。
海姆假说:
在岩体深处的初始垂直应力与其上覆岩体的重量成正比,而水平应力大致与垂直应力相等。
(十六)摩尔-库仑强度理论的要点是什么?
答:
根据不同大小主应力比例求得材料的强度资料,在~曲线上绘制一系列的莫尔应力圆,每一个应力圆都表示一种极限破坏应力状态,一系列的极限应力圆的包络线代表材料的破坏条件或强度条件,包络线上各点都反映材料破坏时的剪应力f与正应力的关系。
其普遍形式:
根据该理论,在判断材料内某点处于复杂应力状态下是否材料内某一点的破坏主要决定于它的最大和最小主应力,即1、3,而与中间主应力破坏时,ff()。
只要在~平面内作该点的莫尔应力圆,如果该圆在莫尔包络线以内则没有破坏,若刚好与包络线相切,则处于极限平衡状态,若超过,表明破坏了,该状态实际不存在。
多个极限应力圆上的破坏点的轨迹称为莫尔强度线/莫尔包络线。
岩石单轴压缩的极限应力圆是下图中的(C)
A)应力圆1B)应力圆2C)应力圆3D)应力圆
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