岩石力学总复习

1、岩石力学第一章1. 简述岩石与岩体的区别和联系。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；岩体则是指在一定的地质条件 下，含有诸如节理、裂隙、层理和断层等地质结构面的复杂地质体。岩石就是指岩块，在一般情况下，不含 有地质结构面。岩石和岩体的力学性质也是不同的，前者可在实验室条件下进行试验，而后者一般在野外现 场的实验场地完成实验。从实验的精确度来看，后者更接近岩体的实际情况，反映了岩体的实际强度，前者 则相差甚远。2. 岩体的力学特征是什么？不连续性；各向异性； 不均匀性；岩块单元的可移动性；地质因子特性（水、气、热、初应力）。3. 岩石可分为哪三大类？他们各自的基本特点

2、是什么？岩浆岩：强度高、均质性好沉积岩：强度不稳定，各向异性变质岩：不稳定与变质程度和原岩性质有关4. 简述岩体力学的研究任务与研究内容。任务：基本原理方面（建模与参数辨别）；试验方面（试验方法）仪器、信息处理、室内、外、动、 静；现场测试；实际应用内容：1.岩石与岩体的物理力学性质。2.岩石和岩体的本构关系（应力 应变关系）。3.工程岩体的应力、变形和强度理论。 4.岩石（岩块）室内实验，室内实验是岩石力学研究的基本手段。5.岩体测试和工程稳定监测。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、首先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

3、组构规律和地质环境，然后进行室内外 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。然后，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、损伤等力学理论进行 计算分析。第二、三章1. 名词解释：岩石的质量指标、孔隙比、孔隙率、吸水率、风化指标、膨胀指标、渗透性岩石的质量指标-密度和比重1、岩石的密度：单位体积内岩石的质量。岩石含：固相、液相、气相。三相比例不同而密度不同。（1） 天然密度：自然状态下，单位体积质量G / VG 岩石总质量；V 总体积。（2） 饱和密度：岩石中的孔隙被水充填时的单位体积质量（水中浸48小时）g Wvw(孔隙

4、 体m积3)V ( m)（3）干密度：岩块中的孔隙水全部蒸发后的单位体积质量（108 C烘24h）（ KN/m3 ）c GGr 岩石固体的质量。2、岩石的比重：岩石固体质量（ G1）与同体积水在 4C时的质量比水的比重e Vv/VCn VV /VWd= ( d(% )cRcc / RcdG1 /（VC W）Vc固体体积;孔隙比是指孔隙的体积与固体的体积之比， 孔隙率是指孔隙的体积与试件总体积之比， 吸水率：岩石吸入水的质量与固体质量之比， 风化指标：软化系数（表示抗风化能力的指标）Rcc干燥单轴抗压强度、Rcd 饱和单轴抗压强度;（1 ）越小，表示岩石受水的影响越大。自由膨胀率：无约束条件下，

5、浸水后所膨胀变形与原尺寸之比 轴向自由膨胀VHH /（F%） H试件高度； 径向自由膨胀V（%）DD直径渗透性：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，大多渗透性可用 达西（Darcy）定律描述：dhqx k Adx2. 简述岩石的孔隙比与孔隙率的联系Vv Vv /V丁 n3. 简述岩柱劈裂破坏机理Vv 1 n岩柱劈裂破坏是张拉破坏（岩石的抗拉强度远小于抗压强度是岩石单向压缩破坏的真实反映（消除了端 部效应）1采用有效方法消去岩石试件两端面的摩擦力，则试件受到轴向压缩时，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（试件丧失了承载

6、力）。4. 刚性试验机的工作机理刚性试验机（Km仝Ks），由于试验机释放能 Em （刚性试验机的变性能增量）比4Es （岩石试件的变形能增量）小，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，这就是刚性试验机的工作原理。5. 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了一个箍的作用，即环箍效应。措施：润滑试件端部（如垫云母片；涂黄油在端部）；加长试件。6. 简述抗剪试验及裂隙法试验的试验要点抗剪试验要点：将按一定的精度要求

7、加工好的立方体（5cm x 5cm x 5cm ）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，并记下极限荷载p。关键技术：保持角模整体平衡，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，为了减少角模与试 验机压板之间的摩擦力，在二者之间放滚柱板，角模的倾角不能太小也不能太大，一般在30o-70o,太大容易造成角模倾倒，太小可能会由于预剪断面上的剪切力太小，试件被压缩破坏而不沿预定的方向间断。裂隙法试验要点：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，用钢丝将试验机压板荷载转化为线性荷载传递给试

8、件。试件尺寸是直径d=50mm，长度t=25mm。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。7. 简述莫尔曲线的制作方法（1）在b - T平面上，做一组不同应力状态下（其中包括单轴抗拉和单向抗压）的极限应力圆；（2）找出各应力圆上的破坏点；（3）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，也就 是莫尔准则曲线。8影响岩石强度的主要因素有哪些？（1）承压板端部的摩擦力及其刚度（2） 试件的形状和尺寸一一形状：圆形试件不易产生应力集中，好加工；尺寸：大于矿物颗粒的10倍；$50的依据；高径比：研究表明；h/d

9、 > （2 3）较合理（3）加载速度：加载速度越大，表现强度越高（4）环境一一含水量：含水量越大强度越低；岩石越软越明显，对泥岩、粘土等软弱岩体，干燥强度是饱和 强度的2 3倍。温度度：180C以下部明显：大于 180 C,湿度越高强度越小。9. 简述单向压缩下的岩石全过程应力应变曲线的特征（1） 孔裂隙压密阶段b - £ L曲线特征：曲线呈上凹形，其斜率随应力增加而逐渐增大，包含永久变形。应 变率随应力增加而减小；塑性变形（变形不可恢复）。（2）弹性变形至微破裂稳定发展阶段b - £ L曲线特征：呈近似直线，弹性模量为常数，变形可恢复。(3)非稳定破裂发展阶段c 应

10、变速率减小。£ L曲线特征：曲线呈下凹状，有应变软化现象；塑性变形，变形不可恢复;(4) 应变软化阶段c - £ L曲线特征：曲线斜率为负，软化现象显著，试件承载力随变形的增大而迅速下 降。10. 说明岩石流变三阶段的特点1、初始蠕变阶段(瞬态蠕变阶段)AB。特点：加载岩石产生瞬时的弹性应变，与时间无关；应变率随时间增长而减小；卸载后，瞬时弹性应变恢复，之后出现弹性后效。2、 稳定蠕变阶段(BC)。特点：加载应变与时间呈直线变化，应变速率为常数；卸载：有瞬时弹 性应变恢复，有弹性后效，粘性流动，应变无法全部恢复，有部分不可恢复的永变形。3、非稳定蠕变阶段(加速蠕变阶段)特点

11、：应变速率剧烈增加；曲线呈上凹形；经过短暂的时间 后试件将发生破坏。11.分析影响岩块单轴抗压强度的影响因素(1)(2)(3)(4)承压板端部的摩擦力及其刚度试件的形状和尺寸一一形状：圆形试件不易产生应力 集中，好加工；尺寸：大于矿物颗粒的10倍；的依据；高径比：研究表明；h/d> (2- 3)较合理加载速度：加载速度越大，表现强度越高 环境一一含水量：含水量越大强度越低；岩石越软越 明显，对泥岩、粘土等软弱岩体，干燥强度是饱和强 度的2 3倍。温度度：180 C以下部明显：大于180 C,湿度越高强度越小。12.蠕变力学模型(两元件)的结构关系推导过程(1) Maxwell ；e Ne

12、eEE(2) Kelvin_001E13莫尔-库伦准则提出机理是什么？其推导、图解、主应力表示方法基本思想：该准则认为岩石的破坏属于压剪破坏，在破坏面上，剪切破坏力的一部分用来克服与正应力无 关的粘结力，使材料颗粒间相脱离；另一部分用来克服与正应力成正比的摩擦力，使面间发生错动而最终破 坏。tg式中： 丄"破坏面上 上的正库仑准则的一般表达式应力和剪应力；其它符号同前。,坐标上是一条直线，若某库仑准则的主应力表示该准则在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，如图所示。由图的三角关系可以得出:整理后，得：极限破坏角:2c cos1 sin1 sin1 sin34

13、5°-, 为最大主应力与破坏面外法向的夹角；破坏面一般为一对共轭面。14.格里菲斯准则的基本思想是什么？在脆性材料的内部存在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。第四章1. 名词解释：结构面、岩体扩容及其原因结构面是在形成岩体和漫长地质作用的工程中，在岩体内形成并不断发育的地质界面，在连续介质力学理论 中被视为不连续面。扩容是指岩体在压、剪应力状态下体积增大的现象。当结构面产生剪切滑移和膨胀性软弱岩体产生变形

14、 时，都可能出现扩容现象，其实是一种岩体体积膨胀现象。原因：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，出现体积增大现象，此种扩容现象叫做剪胀现象；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，出现体积缩小现象，扩容为负，称为减缩现象。2. 简述结构面分类及其特征指标1按地质成因分类可将结构面划分为原生结构面、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等五大类型。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、大型等 3类；绝对分类只考

15、虑了结构面的延伸长度和破坏带的宽度，将结构面分为5级。3. 简述结构面的切向、法向变形特性切向变形：（1）T - 曲线形状多种多样，分为四类：有充填结平面接触、无充填齿状接触、部分充 填齿状接触、软弱式接触（2）有扩容现象法向变形：（1）开始时随着法向应力的增加，结构面闭合变迅速增长，6- 曲线呈上凹形（2）随应力b的不断增大，6 - 曲线逐渐变陡，趋向各自的渐近线（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。

16、4. 结构面的强度指标有哪些？C"?抗拉强度（极小忽略）压剪强度5. 结构面的力学效应分析（结构面倾角与强度的关系）1. 当3<3 min或3>3 max时，岩体在实体部分产生新的破裂面导致破坏。2. 当B min <3<3 max时，沿结构面破坏。3. 当B = B min或B = B max时，岩石实体和结构面同时破坏。6. 碎块岩体破坏机理和强度条件是什么？7. 什么是岩体的变形模量，其表达方法。与弹性模量有何不同？确定变形模量的方法有哪些？岩体变形模量是反映岩体变形特征的重要力学参数，Em=b / e p+ e e,弹性模量E=b / e e e p+

17、 e e为岩体在压应力6作用下产生的总应变，& p为永久应变，e e为弹性应变，Em为岩体的变形模量，是6 - e曲线的 割线斜率。方法：承压板法、钻孔变形法、狭缝压力枕法、岩体变形参数估算法第五章1. 简述工程岩体分类的目的及原则，意义，考虑的因素。分类的目的： 1. 为岩体的质量做出归类评价； 2. 为工程设计、施工、成本预、结算，定额标准确定等方面 提供必要的参数； 3. 为岩体力学试验结果，施工经验，研究成果的交流提供参考标准分级原则： 1.有明确的岩体工程背景和使用对象； 2.尽可能采用定量参数或综合指标，以便于工程技术计 算和制订定额时采用 3.分类的级数应合适，不宜过多或

18、太少，一般分5 级； 4.分类方法和步骤应简单明了，分类参数容易获取，分类中的数字便于记忆和应用；5.根据适用对象，选择有明确物理意义、对岩体质量和围岩稳定性有显著影响的分类因素。2. 影响围岩分类的主要因素有哪些？岩石强度、岩体的完整性、水的影响、地应力、工程围岩的稳定性3. 几种典型的分类方法是什么？1. 按岩块的单轴抗压强度分类 2.按岩体波速分类 3.按岩石质量指标分类 4.按巷道围岩稳定性分类4. 简述我国工程岩体分级的基本方法 在我国工程岩体分级中，首先以岩石单轴饱和抗压强度和岩体完整性指标为基本参数，按给定的经验公式 计算岩体的基本质量指标；再考虑地下水、结构面、原岩原应力等因素

19、对岩体质量的影响，修正岩体基本质 量指标，将修正后的掩体质量指标作为定量指标，结合定性描述，将岩体质量分为五级；最后给出了各类岩 体的力学性质参数，描述了各类岩体工程的自稳能力。5. 什么是岩体的完整性系数，什么是岩石质量指标( RQD)将岩体波速和岩块波速之比的平方定义为岩体的裂隙系数，又称为岩体的稳定性系数K。K=( v Pm/v Pr) 2v Pm是弹性波在岩体内的传播速度 v Pr是弹性波在岩块内的传播速度RQD岩石质量指标，即修正的岩芯采取率是选用坚固完整的、长度等于或大于10厘米的岩芯总长度与钻孔长度之比，并用百分数表示， RQDK h/L X 100%第六章1. 岩体的初应力包括

20、哪些？自重应力和构造应力2. 岩体初应力的计算方法海姆公式 原岩体的垂直应力为上覆岩体的自重，各向处于等压状态，即静水压力状态，bx= d y= d z= YH金尼克公式 地表为水平面，垂直应力为上覆岩体的自重，dz= Y H,水平方向受到约束，不可能发生横向变形，d x= d y=卩 /1- (id z=入 Y H3. 简述水压致裂法的原理及特点。水压致裂法的基本点是通过液压泵向钻孔内拟定测量深度处加液压将孔壁压裂，测定压裂过程的各特征点 压力及开裂方位，然后根据测得的压裂过程中泵压表头读数，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 .特点：优点：设备简单、操作方便

21、、测值直观、适应性强、测值代表性大；缺点：主应力方向不定4. 简述应力解除法的原理。原理是：当需要测定岩体中某点的应力状态时，人为地将该处的岩体单元与周围岩体分离，此时，岩体单元上所受的应力将被解除。同时，该单元体的几何尺寸也将产生弹性恢复。应用一定的仪器，测定这种弹性恢复的应变值或变形值，并且认为岩体是连续、均质和各向同性的弹性体，于是就可以借助弹性理论的解答 来计算岩体单元所受的应力状态。5. 岩体初始应力状态分布的主要规律有哪些？1. 岩体初始应力场是一个非稳定应力场2. 实测垂直应力基本上等于上覆岩体重量3. 水平应力普遍大于垂直应力 4.侧压力系数与深度的关系 100/H+0.3 W

22、入W 1500/H+0.55. 两个水平应力的关系d hx/ d hy=0.2 0.8, 而大多数为 0.4 0.76什么是原始地应力，影响原始地应力的大小和方向的主要因素有哪些？岩体的初始应力，是指岩体在天然状态下所存在的应力，又称为地应力。因素：自重应力和构造应力、岩体的特性、地形地貌、地质构造形态、水压力、地震力、地热第七章1. 名词解释：围岩、二次应力场、围岩压力由于人工开挖使岩体的应力状态发生了变化，应力状态被改变了的岩体叫围岩。二次应力状态：开挖后，无支护时，调整后的应力状态，即应力重分布后的应力状态。 狭义围岩压力：围岩作用于支护上的压力。（围岩和支护被看成独立的两个体系） 广义

23、围岩压力：支护与围岩是一个共同体，二次应力的全部作用力视为围岩压力。2. 简述塑、弹性区应力分布的特点当围岩进入塑性状态时的最大值从硐室周边转移到弹、塑性区的交 界处。随着向岩体内部延伸，围岩应力逐渐恢复到原岩应力状态。由于塑性区 的出现，切向应力M从弹、塑性区的交界处到硐室周边逐渐降低。塑性区外圈（2区）是应力高于初始应力的区域，它与围岩弹性区中应力 升高部分（3区）合在一起称作围岩承载区；塑性区内圈（1区）应力低于初始应力的区域称作松动区。松动区内应力和强度都有明显下降，裂隙扩张增多， 容积扩大，出现了明显的塑性滑移，原岩应力区（4区）未受到开挖影响，岩体仍处于原岩应力状态。3. 塑性区对

24、弹性区的支护作用4. 入=1时弹、塑性应力分析开挖引起的围岩位移的计算塑性区10 z 0z。rr 2r1 1 。r1。1 -u/rr 2气因J2z 吐。2E0故 r J In因一0故一Cl。R2rEOz1当r Rp时12lnr In Cr|r Rpdu r drrC2 rddrdur udr 2=- r1EoCr1 du U/ r dr 2 E o21u r r -_2 2E弹性区 受力模型：相当于内外受压的厚壁圆筒。边界条E0:1 RPrerpROrePo(1Po(1R2)r2r2)2丿RoRo转换成平面应变下的位移:u -FO 12 r)r1E(1)Ro R12 EPr由于开挖引起的围岩总

25、位移增量:22R1 FO1r21 RORore PORpr即为弹性区与塑性区位移增量之和1fu u u。Po5.围岩压力分为哪几类？产生围岩压力的基本机理是什么？分类：1、松动压力2、塑性形压力3、冲击压力4、膨胀压力机理：第I阶段，由于岩体的变形，在硐室的周界上产生一般的挤压，同时，在两侧岩石内形成了楔形岩 块，这两个楔形岩块有朝着硐室内部移动的趋向，从而侧向产生压力，这种楔形岩块是由于两侧岩石剪切破 坏而引起的。第n阶段，在侧向楔形块体发生某种变形以后，硐室的跨度似乎增大。因此，在岩体内形成了 一个垂直椭圆形的高压力区，在椭圆曲线与硐室周界线间的岩体发生了松动。第川阶段，硐顶和硐底的松动

26、岩体开始变形，并向硐内移动，硐顶松动岩石在重力作用下有掉落的趋势，围岩压力逐渐增加。围岩压力的 形成是与硐室开挖后岩体的变形、松动和破坏分不开的。围岩压力的形成是由于围岩的过大变形和破坏而引起的。6.影响围岩压力的主要因素有哪些？1、地质方面的因素（自然属性）（1）完整性或破碎程度。（2）结构面的产状、分布密度、力学性质、充填 物性质及其充填状态。（3）地下的活动状况。（4）岩体的性质和强度。2. 工程方面的因素（1）洞室的形状和尺寸支护结构的形式和刚度，支护作用：阻止围岩变形，维护围岩稳定（3）洞室的位置、尺度和覆盖层厚度。（4）施工中的技术措施。例如，控制爆破（光、预裂）、开挖顺序（5）洞

27、室的轴线走向7什么是新奥法？简述其要点。要点：开挖作业多采用光面爆破和预裂爆破，并尽量采用大断面开挖，以减少对围岩的扰动隧道开 挖后尽量利用围岩的自承能力，充分发挥围岩自身的支护作用根据围岩特征采用不同的支护类型和参数， 及时施作密贴于围岩的柔性喷射混凝土和锚杆初期支护，以控制围岩的变形和松弛在软弱破碎围岩地段， 是断面及早闭合，以有效的发挥支护体系的作用，保证隧道稳定二次衬砌原则上是在围岩是在围岩与初期 支护变形基本稳定的条件下修筑的，围岩与支护结构形成一个整体，因而提高了支护体系的安全度尽量使 隧道断面周边轮廓圆顺，避免棱角突变处出现应力集中通过施工中对围岩和支护的动态观察、测量，合理 安

28、排施工程序，进行设计变更及日常的施工管理 8什么是支护-围岩共同作用围岩既是生产支护荷载的主体，又是承受岩层荷载的结构，支护-围岩作为整体相互作用，共同承担围岩压力。围岩压力是变形压力和松动压力的组合，大部分压力（特别是变形压力）由围岩自身承担，只有少部分转移到支护结构上；支护荷载既取决于围岩的性质，又取决于支护结构的刚度和支护时间；围岩 的松动区和围岩内的二次应力状态又与支护结构的性质和支护时间有关。9.松散岩体的围岩压力计算并了解几种方法的原理、区别与联系? 浅埋：传递应力，岩柱重量计算法。? 深埋：自然冒落拱内岩体的自重或裂性围内松动岩体的压力。 、浅埋洞室围岩松动压力计算岩柱法1、基本

29、假设（1） C=0 （2）围岩压力=岩柱的自重2柱侧面摩擦压力的计算坏模式与受力状态如微元素上的侧压力:d n rl tan2 45_r-垂直应力应力；微元素上的摩擦力：式中中：d -侧面侧面上的e正压力;-摩擦系数摩擦系数 岩柱两侧面的总摩擦力为：式中:tan 2 -侧应力系!侧应力系数dT d ndl tanHHF 2 dT 2 d n tandl 2oorH 2 tan 245 tan2rl tan 245tan2根据假设求出洞顶压力集度：q根据洞顶岩体帮重力集度：2airH 1ei qtg2、洞室顶压力的计算F£ai045rHMge2深埋微室的素上的侧岩压力计算1、普氏理论的

30、基本假设：普氏理n rl tan45滑动岩柱Q 21 HK 2a145£q rh tg2 4501_1尸1/.a,J =*J*45。仏dTd n2K tg 45 tg2上，作了如下假设： 岩体由于节理的切割，经开挖后形成松散岩体，但仍具有一定的粘结力。 形成微的围岩压力仅采岩坚岩硐室开挖后，硐顶岩体将的方向产生两个滑动面，而作用在硐顶珮室的侧壁处，沿与侧壁夹角为 压力重，其计算摩擦如图数，:其物理意义45o /2）7.7.6 所示。f= （T c/ 10,（T c为单轴抗压强度 形成的自然平衡拱的硐顶岩体只能承受压应力不能承受拉应力。rH 2 tan 2 45 2 tan系数H洞顶岩体自重：Q 2a1rH 1 a1 a ht g 452mi TTirneia ia ib f图7.7.6 普氏围岩压 力计算模型:表征岩体的强度。其物理意义。但在实际应用中，普氏