岩体力学习题及答案

1、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，岩体力学的研究容有哪几个面？答：从工程观点出发，大致可归纳如下几面的容：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。其目的主要是为岩体变形和稳定性分析提供必要的物理力学

2、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块体，是构成岩体的最小岩单元体。有些学者把岩块称为结构体、 岩材料及完整岩等。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，即风化岩块和新鲜岩块的纵波速度 之比。3、风化系数kf：风化系数

3、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，在岩体形成的具有一定的延伸向和长度、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面轮廓线与标准曲线 对比来获得。8、节理壁抗压强度 J

4、CS: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 K：其是指岩体纵波速度和岩块纵波速度之比的平。14、岩质量指标 RQD：大于10cm的岩芯累计长度与钻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？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

5、， 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性结构面两类。(2)结构面的连续性有几种定义法？如定义？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向单位长度贯通部分的总和；面连续性系数是指结构面单位面积贯通部分面积的总和。(3)如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

6、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Z构分为哪几类？将岩体结构划分为5大类，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

7、岩体的风化程度？答：岩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：岩浸水饱和后强度降低的性质称为岩的软化性。软化性用软化系数Kr表达，它定义为岩饱和抗压强度与干抗压强度之比。当软化系数Kr>0.75时，岩的软化性弱，同时也说明岩的抗冻性和抗风化能力强，而K<0.75的岩则是软化性较强和工程地质性质较差的岩。(8)按岩体力学的观点，岩体具有什么

8、样的力学特征？答：非均质、非连续、各向异性。(9)岩体的不连续性是如表现的？答：岩体中存在的各种结构面，如断层，节理、劈理、层理、卸荷裂隙、风化裂隙等，使介质材料在空间的 连续性中断。(10)为什么说岩体具有不均匀的物理力学性质？答：岩体物理力学性质的不均匀性由物质组成不均匀和节理发育不均匀形成。物质组成的不均匀主要是组成岩体的岩块岩性的差别，如砂页岩互层，泥岩夹灰岩等。节理发育不均匀主要是在不同地质构造部位或不同岩类 型中，节理发育差别，如褶皱核部与翼部，砂岩与页岩中等。(11)岩体的各向异性怎样产生的？答：主要是层理、节理、片理面、片麻理面等的存在，造成平行结构面向和垂直结构面向物理力学性

9、质不同。(12)怎样确定节理粗糙度系数 JRQ答：在实际工作中，可用结构面纵剖面仪测出所研究结构面的粗糙剖面，然后与标准剖面进行对比，即可求得结构面的粗糙系数 JRC(13)怎样测定节理壁抗压强度 JCS答：一般用回弹仪在野外测定，确定法是：用试验测得的回弹值，查图或用公式计算，求得JCS(14)怎样测定节理开度？答：用标准的各种不同厚度的钢片(即厚薄规)插入开的节理中，若两者正好吻合，则钢片的厚度即为所测 节理的厚度，或者用楔型塞尺测量。三、岩的物理、水理与热学性质解释下例名词术语1、岩的物理性质：岩和土一样，也是由固体、液体和气体三相组成的，所谓物理性质是指岩三相组成部分的相对比例关系不同

10、所表现的物理状态。2、岩的热物理性质：岩在热交换过程中表现出来的各种性质。3、岩的水理性质：岩在水溶液作用下表现出来的性质，称为水理性质，主要有吸水性、软化性、抗冻性及 渗透性等。34、岩的密度：岩密度是指单位体积岩的质量，单位为 kN/m 。5、岩的空隙度：岩中空隙的总体积与岩体积的比叫做岩的空隙度，它用来表征岩中空隙的发育状况。6、岩的空隙比：其是指隙裂隙的体积与固体的体积之比。7、岩的比热容：单位质量岩的温度升高1K时所需要的热量。8、岩的导热系数：温度沿单位法向长度下降1K时单位时间通过单位面积岩的热量。9、岩的比热：岩储存热量能力的大小，即单位质量或单位体积的岩温度升高1K是所要供给

11、的热量。10、岩的热膨胀系数：其是用来表示岩受热膨胀能力大小的系数，具体分为线膨胀系数和体膨胀系数。11、岩的吸水率：岩试件在大气压力和室温条件下自由吸入水的质量与岩样干质量之比。12、岩的饱水率：岩试件在 150个大气压或真空条件下吸入水的质量与岩样干质量之比。13、岩的饱水系数：岩的吸水率与饱和吸水率之比。14、岩的软化系数：岩软化系数 Kr定义为岩试件的饱和抗压强度与干抗压强度的比值。15、岩的抗冻系数：岩试件经反复冻融后的干抗压强度与冻融前干抗压强度之比。16、岩的透水性：在一定的水力梯度或压力差作用下，岩能被水透过的性质，称为透水性。17、岩的渗透系数：渗透系数是表征岩透水性的重要指

12、标，其在数值上等于水力梯度为1时的渗透流速。四、岩的强度特征一、解释下例名词术语1、岩的强度：岩在达到破坏前所能承受的最大应力。2、岩的抗压强度：在单向压缩条件下，岩块能承受的最大压应力，也叫单轴极限抗压强度。3、峰值强度：岩完全破坏时的应力值。即试件承载力达到最大时的应力值。4、残余强度：岩完全破坏后而仅有摩擦力的强度。5、岩的抗拉强度：岩试件在单向拉伸时能承受的最大拉应力。6、岩的抗剪强度：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：为了测定岩抗拉强度而进行的劈裂试验，是测定岩抗拉强度的间接试验。8、劈裂破坏试验：用圆柱体或立体试件，横置于压力机的承压板上，且在试件上、下

13、承压面上各放一根垫 条，然后以一定的加荷速率加压，直到试件破坏从而测出岩抗拉强度的试验。9、倾斜板剪切试验：将立体试件，置于可变角度的倾斜板剪切夹具中，然后在压力机上加压直至试件沿预 定的剪切面破坏从而求出岩抗剪强度的一种试验法。10、点荷载试验：将试件放在点荷载仪中的球面压头间，然后通过油泵加压至试件破坏，利用破坏时的荷载 大小可计算求得岩块的最大拉应力的一种试验法。11、三轴压缩试验：试件在三向应力作用下进行压缩从而求出试件抵抗的最大的轴向应力的试验法。12、真三轴试验：在三轴压缩试验中，当三轴向主应力不相等时即（d律8）所做的压缩试验。13、等围压试验：在三轴试验中，当侧向应力互相相等时

14、（即 炉 d=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，改变了试件部的应力分布和破坏式，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法。二、简答题(1)在岩的单轴压缩试验中，试件的高径比、尺寸、加载速率怎样影响岩的强度？

15、答：一般说来，高径比越大，岩的强度越低。试件尺寸越大，岩强度越低。加荷速率越大，岩的强度越大。(2)请描述岩单轴抗压强度试验的制样、试验、资料整理的过程和计算法。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=(22.5)D，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0.50.8MPa的加荷速率加荷， 直到试件破坏，按 产P/A计算抗压强度。式中：b:岩单轴抗压强度。 P:岩试件破坏

16、日的荷载。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法。答：取5X5cm或5X5X5cm圆柱体或立体形状试件，试验时沿着圆柱体的直径向垫直径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向的直径裂开，试验资料的整理可按弹性力学来解，t 里，Dt2P试样为立体时，t 2P笺Pmax为破坏荷载。重复试验 6次，取平均值。D2(4)请描述岩点荷载试验的制样、试验、资料整理的过程和计算法。答：以一段长度为直径 11.4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，破坏式是岩蕊通常沿纵截面，有时沿横截面

17、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：S KIs KD2单轴抗压强度计算公式：S=(22.823.7)I s(50)(5)请描述岩倾斜板剪切试验的制样、试验、资料整理的过程和计算法。答：试件尺寸为10cm x10cm >cm ,最大的有达 30cm X30cm X30cm的，试验时采用多个试件，在楔形剪切 仪上进行试验，分别以不同的角度进行，对应于一个角度得出一组b和 谈。=P(cos a+fsin a)/A=P (sin - fcos a)/A绘制-b曲线，当b变化围圈套时，E(T为一条曲线，但当0<10

18、 MPa时可视为直线，可求出 c和(H直。三、计算题(1)在劈裂法测定岩单轴抗拉强度的试验中，采用的立体岩试件的边长为5cm, 一组平行试验得到的破坏荷载分别为16.7、17.2、17.0kN,试求其抗拉强度。解：由公式 ot=2Pt/.=2 XRM03/3.14 X52X10-4=0.255 R(MPa)5=0.255 X16.7=4.2585=0.255 X17.2=4.386®=0.255 X17.0=4.335贝 U所求抗拉强度：o=(4.2585+4.386+4.335)/3=4.33MPa。Word资料(2)在野外用点荷载测定岩抗拉强度，得到一组数据如下:D(cm)15.

19、714.614.914.116.316.715.716.6Pt(kN)21.321.924.820.921.525.326.726.1试计算其抗拉强度。(K=0.96), 一. .-2 .一解：因为K=0.96, Pt、D为上表数据，由公式户Kk=KR/D代入上述数据依次得:产8.3、9.9、10.7、10.1、7.7、8.7、10.4、9.1。求平均值有 d=9.4MPa。(3)试导出倾斜板法抗剪强度试验的计算公式。解:如上图所示：根据平衡条件有：2X=0-P sin 桢A- P f cos " A=0=P (sin - f cos a)/A4=0o- P cos a- P f s

20、in o=0fP (cos 於 f sin o)式中：P为压力机的总垂直力。b为作用在试件剪切面上的法向总压力。为作用在试件剪切面上的切向总剪力。f为压力机整板下面的滚珠的磨擦系数。a为剪切面与水平面所成的角度。则倾斜板法抗剪强度试验的计算公式为：产 F(cos 於 f sin 41A= Rsin a- f cos 41A(4)倾斜板法抗剪强度试验中，已知倾斜板的倾角a分别为306 400 500和600,如果试样边长为 5cm,据经验估计岩的力学参数c=15kPa,忸31 o,试估计各级破坏荷载值。(f=0.01)解：已知 a分别为 300 406 500 和 60o, c=15kPa ,

21、(f)=31 o, f=0.01 ,=crtg()+ c= P(cos a+ f sin a)/A=P( sin a- f cos a)/AP( sin a- f cos o)/A= P(cos + f sin a) tg(f/A+ c(sin - f cos o)= (cos a+ f sin a) tg(j)+cA/PP= cA/( sin a- f cos 加(cos + f sin a) tg 同由上式，代入上述数据，计算得：P30=15(kN/mm 2)X25 M02(mm 2)/( sin30 - 0.01 Xcos30) - (cos30 + 0.01 xsin30) tg31a

22、sin acos a(sin 纺 f cos 3(cos a+ f sin 3(cos 於 f sin 0) tg()P30.50.866020.491340.8737510.525002-111.40540.642780.766040.6351270.7725220.46417821.9363084850.766040.642780.7596170.6477880.3892310.1245048660.866020.50.8610250.50.300436.6893205分别导出c、4、6(5)试按威克尔 解：如图：(Wuerker)假定,4的相互关系。由上述 MO旧且AAOC得:工 ABc

23、AO1 A又 AB=ctg Xi, AOi=csc>i , ri= M2把(2)代入(1)式化简得：t 2ccos 1 sinAAO2D0 MOC 得： r2AO1 r1 r2c c csc1 csc r2ri cscr1 r2ri= ct/22= oc/2oc(csc *1)= (r(csc(j)+1)把(4)代入 得：(2)(4)2c-1cossin由(3), (5)2cos(1 sin )(1 sin )4c212cos_2sin4c24c2c t(6)由(3) , (5)2ccos 忏(t(1+sin 昉,280s()= (c (1-sin .相等有sin(1=( 0- (r)/

24、 ( oc+ cr)(7)由(5)+(3)cos 4=4 c/( cc+ ct)(8)由(6),，(8)(c t)tan "()(c)(9)cos 2, c t 2, c t(T""5(6)在岩常规三轴试验中，已知侧压力&分别为5.1MPa、20.4MPa、和0MPa时，对应的破坏轴向压力分别是179.9MPa、329MPa、和161MPa ,近似取包络线为直线，求岩的c、()值。.1.图解法由上图可知，该岩的 c、(H直分别为：28MPa、52 °。2 .计算法由M-C准则sin13i 3 2cctg变形2 c cos1 (1 sin )3 (

25、1 sin )(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、(H直相等，则任一圆都满足(1)式。设任意两圆中的应力分别为2一一3 ,由(1 )式得1(1sin1 ,3(1 sin(1sin3(1sin )整理得sin12)( 312)( 33)1 (1 sin )2cos3(1 sin )将已知数据代入计算结果如下:(T 12 3c179.95.154.4756520.8539332920.451.5765828.05152161035.0996341.81673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三组数据

26、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：4=53.02611c=24.45272MPa 。(7)某岩的单轴抗压强度为164.5MPa, (=35.2 °,如果在侧压力o3=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:AAOg AABC 得:1ACAF即:r1cc tan140.8C164.5 Efc35 1.2A oc ccsc因为：ri=82.25 MPa ,4=35.2 °,所以求得：c=42.64 MPa所以：AO= c ctan -60.45 MPaAABg AADE 得:1AC cctanAE

27、 AO 31解得：r2=137.76 MPa所以 产40.8+2 >37.76=316.32 MPa(8)在威克尔(Wuerker)假定条件下，岩抗压强度是它的抗拉强度的多少倍?解：由上述题(5)知:c cos2c1 sincos2c1 sin1 sin1 sin(1+sin 4)(1-sin 售/ tr251.4226180.5773822.463913301.50.53351.5735760.4264243.690172401.6427880.3572124.59891451.7071070.2928935.828427501.7660440.2339567.548632551.81

28、91520.18084810.05901601.8660250.13397513.9282根据此式点绘的图如下:020406080100五、岩的变形特征一、 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：应力一应变曲线在原点处的切线斜率。4、切线模量：应力 一应变曲线直线段的斜率。5、割线模量：从应力 一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：多数岩的大部分弹性变形在卸荷后能很快恢

29、复，而小部分(约10%20%须经过一段时间才能恢复，这种现象称为弹性滞后。8、塑性滞环：岩在循环荷载条件下，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、岩的流变性：岩的变形和应力受时间因素的

30、影响，在外部条件不变的情况下，岩的变形或应力随时间而变化的现象叫流变。14、蠕变：岩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，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，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

31、而用其它具有相似性质的材料建立的模型。21、体积应变曲线：用于描述岩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：岩在荷载作用下，经过弹压压缩阶段，岩体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， 岩变形曲线的主要类型有以下六种：类型I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n,开始为直线，至末端则出现非线性屈服段。类型出开始为上凹型曲线，随后变为直线，直到破坏，没有明显的屈服段。类型W为中部很陡的S”形曲线。类型v是中部较缓的S”形曲线。类型w开始为一很小的直

32、线段，随后就不断增长的塑性变形和蠕变变形。(2)图示单轴压缩条件下岩变形的全过程曲线，说明各特征点的位置和意义，简述岩变形各阶段及其机制。.Ed£vCIV压缩扩容答：单轴压缩条件下岩变形的全过程曲线如上图所示：（I）隙裂隙压密阶段（OA）,试件中原有开性结构面或微裂隙逐渐闭合，岩被压密，形成早期的非线性变 形。（n ）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

33、件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。（出）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

34、，说明破裂的岩仍有一定的承载能力。（3）简述岩单轴压缩变形试验的试验法、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1,直径为d,试样在荷p作用下轴向缩短 A1,侧向膨胀Ad,则试样的轴向应变为： 然A1/1,以及侧向应变为：c=Ad/d, 试样面积为A,则 声P/A,根据数据绘制应力-应变曲线。（4）简述三轴条件下岩的变形特征。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

35、为延性，岩由脆性转化为延性的临界围压称为转化压力，岩越坚硬，转化压力越大，反之亦然。（5）图示岩蠕变曲线，简述各阶段的力学特征。答：A£0oPXbQRn mTCUV£p（I）初始蠕变阶段（AB段）或称减速蠕变阶段，本阶段，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，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(KeMn)模型。答：EnIX九

36、"，模型示意图E* b 1* £ 1A/WV1* C 2* £ 2Kelvin 模型示意图(7)简述岩初裂的机制、工程意义和监测判定法。答：初裂的机制：荷载增加，岩中的应力超过弹性极限，岩部新的裂纹产生和老的裂缝开始扩展。监测判定 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：预报岩的破坏及地震 的发生。三、计算题(1)试导出体积应变计算式：户3-2 &解：如上图所示得：2V =而 a/4V ' = 4c+ Ac)2(a+ /4V V (cc)2(aa)/4c2a/4Vc2a/422222ac 2ac c a c

37、ac 2 ac c a c c a2c a2ac cac22c a其中略去了 Ac、Aa的高次项,整理得:a 2 cvaa c(2)松比。a.50% 质的割线模量和泊MPa)163047627792154164-6a(X10 )37555074093014121913破坏_-6c(X10 )63100175240300350550破坏作应力应变曲线b.求初始模量、切线模量、v= ©-2c、v) o(a、岩变形实验数据如下，解:得:由公式：&=250、则初始模量： 切线模量： 割线模量： 泊松比：尸175、 200、 260、E= ci/ s=16/=0.330、712、 71

38、3Et=(切 d)/( g- 0) =(77-62)/(930-740) =0.Es= esc/ 研=77/930=0.c / a= 319.48/990.39=0.32六、岩的强度理论一、 解释下例名词术语1、强度理论：对岩破坏的原因、过程及条件的系统化论述。2、破坏判据(强度准则)：用以表征岩破坏条件的应力状态与岩强度参数间的函数关系，称为破坏判据。3、脆性破坏：即岩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、性破坏：岩在拉应力的作用下，部连接被破坏，出现了与荷

39、载向平行的断裂。6、剪切破坏：岩在荷载作用下，当剪应力大于该面上的抗剪强度时，岩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，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， 其部包含有大量的微裂纹和微洞，这种固体在外力作用下，即使作用的平均应力不大，但由于微裂纹或微洞边缘上的应力集中， 很可能在边缘局部

40、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：由图中几关系，在 AABO1中，B是直角，AOD c, OA cctg , O1B 3, OO1322O1AOA OO1 cctgsinO1B01Acctg或:sin11 sin1322ccos1 sin13 2cctg(2)导出米色士强度准则。 解：略(3)对岩试样作卸载试验，已知C=12kPa ,忏36o, oy=100MPa ,当o1=200MPa时，按莫尔 评论判据，卸载达到破坏的最大围

41、压 B是多少？如果按米色士判据又是多少?解：由上题Mohr判据1 sin2ccos1 sin 1 sin得:1 sin1 sin2c cos1 sin1 sin361 sin362002 0.012 cos361 sin3651.87MPa按米色士判据:(12/(23(31)22 y等围压时，23,上式变为:200 100 100MPa(4)岩体存在不同向裂纹，已知 产8MPa,a.当d=42MPa ,户fMPa时，按格里菲斯准则是否破坏，沿哪个向破坏？b.当(r=20MPa , b= 6MPa时，是否破坏，沿哪个向破坏？(,J2解：a.由于d+3 d=42+3 N-6)=24>0 ,所

42、以其破坏准则为： 8 t13把o1=42MPa , &= -6MPa,行8MPa ( d取绝对值)代入上式, (42 6)2 左边 6442 6右边 8 8 64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13426cos2-130.66672( 13)2 (42 6),24.09b.由于 s+3(53=20+348)=-4<0 ,所以其准则为：b=- 小。其破坏向为沿。的向。为:肝-8=-按格里菲斯准则可判断其刚好破坏,(5)已知岩体中某点应力值为：产61.2MPa ,朽T9.1MPa, c=50MPa , (f)=57 o,# 87MPa ,试用莫尔 库论判据和格

43、里菲斯准则分别判断其是否破坏，并讨论其结果。解：a、用莫尔保论判据：sin133 2cctg右边左边61.2 ( 19.1)61.2 ( 19.1) 2 50 ctg570.7492sin 57 0.8388等式不成立，所以岩体不破坏。b、用格里菲斯准则:13 361 .23 19.13.90153 .1MPa8 t 69.6MPa所以岩体要发生破坏。c、根据莫尔拜伦判据岩体不破坏，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，但由于岩体部存在微裂纹和微洞，在外力作用下，即使作用的平均应力不大，在微裂纹和微洞的围将出现应 力集中，并可能产生很大的拉应力，这时就要用格里菲斯准

44、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、解释下例名词术语1 v1、爬坡角：男切时结构面法向位移轨迹与水平线的夹角。即ad tan ,加为垂直位移分量， Au为水u平位移分量。2、基本摩擦角：岩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构面的磨擦角，即由b增大至b i ,这种效应与剪切过程中向上滑动引起的垂向位移有关。(2)巴顿(Barton)公式是怎样建立起来的？公式中各项的意义是什么?答：巴顿对8种不同粗糙起伏

45、的结构面进行了试验研究, 定义为剪切时结构面法向位移的轨迹线与水平线的夹角，即： 糙起伏结构面的抗剪强度的统计关系为：提出了剪胀角的概念并用以代替起伏角，剪胀角的1 v 、一， ，一 . " 一.，ad tan 1 。通过大量试验，得出的不规则粗 ub)_ JCStan(JRC 1gnb为基本磨擦角。式中：JRC是节理粗糙度系数。JCS是节理抗壁压强度。三、计算题(1)试导出帕顿(Patton)公式。解：略(2)已知某岩结构面壁抗压强度为70MPa,基本摩擦角350,野外确定JRC为11,试按巴顿(Barton)公式绘出该结构面的 v。曲线，并试比较该曲线与库伦强度曲线的异同。 JC

46、S解：根据 Barton 公式 tan(JRClg b),将 JRG11 , b =35 , JCS=70MPa 代入上式得：tan(11 lg父 35),将 510,20，,100MPa代入计算得:(TBarton)Coulomb)109.7572557.0020752017.3763914.004153024.3349421.006234030.8858828.00835037.1433135.010386043.1722242.012457049.0145349.014538054.6994356.01669060.2484163.0186810065.6779270.02075点绘出的

47、曲线如下:80BartonCoulomb0 11111020406080100120法向应力(MPa)从上图可以看出：Bartong公式和Coulomb公式结果接近，在低正应力时(低于 JCS , Barton公式计算的 剪应力高于Coulomb公式，在高正应力时，Barton公式计算的剪应力低于 Coulomb公式。八、岩体的力学性质一、解释下例名词术语1、动弹模：岩体在动荷载作用下所表现出来的弹性模量。二、简答题(1)承压板法如测定岩体的变形参数？答：先在选择好的具代表性的岩面上清除浮，平整岩面，然后依次装上承压板、千斤顶，传力柱和变形量表 等，将洞顶作为反力装置，通过油压千斤顶对岩面施加

48、荷载，并用百分表测出岩体变形值，将应力与位移绘成变 形曲线，在变形曲线上求岩体得变形模量和泊松比。(2) Hoek-Brown的经验程是什么？各参数的意义是什么？答：其经验程为： 13，m c 3 sc2。cc式中：6b为破坏主应力，为岩块的单轴抗压强度。m、s为与岩性及结构面情况有关的常数，可查表求得。三、计算题(1)如图a,在岩试样中存在一结构面，a.试证明按莫尔 拜伦强度准则导出的强度判据为：sin(2 ) sin2ccos13sin(2 ) sin sin(2 ) sin式中C、4为结构面参数。b.当单轴压缩时，3为多少值该岩的强度最低？提示：可按图b关系导出。.解：解：a.由图b,在

49、任意 MBO'中,O'B13""2O'A O'O OAcctgABO' 180 (2)由正弦定理,sinO'Bsin ABO'07Asin sin(180 (2)2 8tg化简即可得:sin(2 ) sin2c cos3sin(2 ) sin sin(2 ) sin证毕。b.单轴时，上式为2 c cossin(2 ) sin求对3的最小值。2c cos cos(2 ) 2""2-(sin(2 ) sin )2c 0, cos 0(90),则只能cos(2 ) 0, 290,45因此，当45一时,2岩

50、强度最低。(2)地下岩体中有一结构面，其倾角为40Q虑岩体自重应力，问该结构面在该洞室处会否滑动?当在地下200m深处开挖一洞室，如果利用上题的公式, (已知产26kN/m 3, p=0.17 ,结构面 C=0.4MPa ,仅考(f)=28 c).解:h 26kN/m3 200m 5.2MPa由上题公式:sin(2)sin1sin(2)sin2 c cossin(2 ) sin右边得：sin(2 4028 ) sin28sin(2 4028 ) sin 280.172 0.4 103 cos2826 200 1 0.17sin(2 4028 ) sin 284.743MPa计算表明，满足破坏所

51、需要的0t仅为4.743MPa,而此处的实际应力已达5.2MPa,故会滑动。此题有错误，90 4050九、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：开挖破坏了岩体天然应力的相对平衡状态，使岩体中的应力产生重分布，这时的应力称为 重分布应力。.二、简答题1、岩体中的天然应力是哪些因素引起的？答：1）岩的自重；2）构造应力及地震；3）岩浆活动及放射性蜕变产生的地热引起的温度应力4）地下水动静压力。2、目前，实测地应力的法有哪几种？答：a、水压致裂法；b、钻套芯应力解除法；c、声发射原理法；d、扁千斤顶法。3、天然应

52、力的分布特征是什么？答：1）地壳中的主应力为压应力，向基本上是铅垂和水平的。2）垂直应力随深度线性增的。3）水平应力分布比较复杂。a、水平应力在地表面上水平应力从大到小递减，在地表深处仍是线性增的。b、在多地在地表附近，水平应力大于垂直应力。c在多数情况，两个向的水平应力是不相等的。4）在比较大的围，地应力的分布特征比较一致。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，应力重分布围的岩体叫做围岩。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。3、围岩应力：围岩中的重分布应力。4、围岩压力：是指围岩作用在支护上的力。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，造成洞室边的非弹性位移，这种现象从 边向岩体深处扩展到某一围，在此围的岩体称为塑性圈（松动圈）。6、塑性条件：岩屈服满足摩尔屈服准则，当岩进入屈服时就是塑性条件。7、侧压力系数： =（H/部,即水平应力与垂直应力的比值。8、静水压力状态：d=便=8或（H= V二、简答题1、在静水压力