岩体力学复习资料

1、三、简答题1.简述影响岩石单轴抗压强度的主要因素。答：（1）承压板队单轴抗压强度的影响承压板的影响主要反映在以下几方面：试件与承压板之间的摩擦力；当承压板的刚度很大时，其接触面的应力分布很不均匀，呈山字型；当承压板的刚度较小，呈柔性钢板时，则岩石断面的应力分布为抛物线形。这将影响整个试件的受力状态。因此，应该尽可能采用与岩石刚度相接近的材料。（1分）（2） 岩石试件尺寸及形状对单轴抗压强度的影响形状影响：方形试件的四个边角会产生很明显的应力集中现象，这将影响整个试件在受力后的应力分布状态。且加工困难，不易达到有关加工精度的要求，因此尽量选用圆柱形试件。尺寸影响：研究表明，岩石试件直径在大于最大

2、矿物颗粒直径的10倍以上，强度比较稳定，因此，一般取试件直径5cm且直径大于最大矿物颗粒直径的10倍的岩石试件作为其标准尺寸。岩石试件的高径比：经反复研究，当h/d（23）时强度已趋于稳定，因此国际上一般采用高径比为2:1的试件。（2分）（3）加载速率的影响 岩石的强度一般随加载速率的提高而提高，在很高的速率下，如冲击等试验求得的强度甚至可以达到数倍慢速率的结果。我国一般将速率控制在0.51MPa/s之间，且按岩石的软硬不同可取不同的加载速率。（1分）（4） 环境对强度的影响 水的影响，含水量越多强度越低，对软岩表现得更为明显。试验一般是在常温下进行的，温度对强度的影响不大，但在加温下，可使矿

3、物结晶水份发生变化，使强度降低（1分）1. 写出3种基本岩石力学模型代表物理元件名称、变性特征、本构方程和应力应变图形。答：（1）弹性介质模型 弹性变形通常用一个具有一定刚度的弹簧来表示。如图所示，它将表现岩石的应力应变在卸载时可恢复且呈线性关系的特性。表达式： （1分）（2） 塑性介质模型 利用一个滑块在平面上滑动来表征岩石的塑性变形。当作用在滑块上的外力超出屈服应力时，滑块将产生滑动。滑动量即为塑性变形量。塑性变形可分为两类，理想塑性和硬化塑性，其本构方程分别为：（2分） k塑性硬化系数（3） 粘性介质模型 通常用一个阻尼器来表征一个岩石的粘性，阻尼器是一个封闭的容器，内充满了具有粘滞系数

4、的液体，容器中有一带有圆孔的活塞。当外载荷作用在容器两端时，由于液体具有瞬时不变性，使得活塞不会立即产生变形。随着时间的推移，液体将从活塞的圆孔中流出产生与时间有关的应变。一般用牛顿粘性体定律来描述应变与时间的关系。其表达式如下：（2分） 粘质系数。3简述埋深圆形洞室（=1）弹塑性分布二次应力状态分布的主要特征？答：1）当开挖后，洞壁的切向应力时，洞周将产生塑性区。（1分）2）在=1条件下，塑性区是一个圆环。塑性区内的应力将随r的增长而增大，且塑形区内的应力应该满足。在r=Rp处为塑性区的边界，塑性区边界上的径向应力将影响弹性区的应力、位移和应变的计算。（2分）3）当r>RP时，将进入弹

5、性区，由于塑性区的存在将限制弹性区内的应力、位移和应变的发生，因此，与无塑性区的二次应力状态相比较，各计算式中增加了由于塑性边界上的径向应力R0的作用所引起的增量。但是，其分布规律与纯弹性分布大致相同，而仍可用来校核计算结果。（2分）4简述岩石试件在单轴压缩时的破坏形态及其原因？答：（1）圆锥形破坏由于试件端面与承压板之间的摩擦力，使试件端面部分形成了一个箍的作用，而这一作使得试件的端部形成压应力的三角形区域，而其他区域内表现为拉应力。在无侧限的条件下，由于侧向的部分岩石可自由地向外变形、剥离，最终形成圆锥形破坏的形态。（3分） （2）柱状劈裂破坏 由于柱状劈裂破坏是在试验过程中消除了试验机所

6、给予端面的影响，因此，它是岩石在单轴压缩应力作用下自身所具有的破坏特性，是岩石单向压缩破坏的真实反映。（2分）5简述分析岩石流变的各个阶段特征。解：典型的软岩流变全过程如下图所示，分三个过程来描述： 题5 题61)初始蠕变阶段（瞬变蠕变阶段AB）特点：有瞬时应变 （OA）;应变率随时间增长而减小；卸载后，有瞬时恢复变形，后弹性后效。弹性后效，变形经过一段时间后，应变逐渐恢复的现象。（1分）2）稳定蠕变阶段(BC)(较长)特点：应变与时间的关系近似直线变化，应变速率为一常数； 若卸载，有部分应变将逐渐恢复，存在不可恢复的永久的变形。（2分）3) 非稳态蠕变阶段(蠕变破坏阶段)特点：应变速率剧烈增

7、加；整个曲线呈上凹型；经过短暂时间后，试件将发生破坏，一般来讲此阶段比较短暂。（2分）6.绘图说明典型的岩石应力-应变曲线有哪些？答：OA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，应变随应力增加而减小（0.5）；（2） AB阶段：也就是弹性变形阶段 这一阶段应力-应变曲线基本呈直线，若在这一阶段卸载的话，其应力可以恢复（0.5）；这一阶段常用弹性模量和泊松比两个参数表示，弹性模量是用应力-应变直线段的斜率来表示，泊松比是指在弹性阶段中岩石的横向应变和纵向应变之比值（0.5）。B点是该岩石的屈服点（0.5）。（3） BC阶段：也被称作塑性阶段，当应力值超过B点（屈服应力）之后，随

8、着应力的增大曲线呈下凹状，明显的表现出应变增大的现象（0.5），岩石产生明显的不可逆的塑形变形，应变速率也同时增大（0.5）。7.简述格里菲斯强度理论的基本思想？答：（1）在脆性材料的内存在许多随机分布的裂纹，在外力的作用下裂纹的尖端附近产生很大的应力集中，当所聚集的能量达到一定值时，裂纹将开始扩展（1分）；由此可见，脆性材料中裂纹的存在时裂纹的开裂、扩展乃至破坏的首要条件（1分）。（2）随着作用的外力的逐渐增加，裂纹将沿着与最大拉应力成直角的方向扩展。在单轴压缩的情况下裂纹尖端附近处为最大拉应力（1分）。最后逐渐向最大主应力方向过渡，即平行于最大主应力的方向扩展。（1分）（3）当作用在裂纹尖

9、端处的有效应力达到形成新裂纹所需的能量时，裂纹开始扩展（1分）。8.简述孔底应力解除法的原理和测试步骤。答：原理:在应力解除之前，先测出岩体的初始应变，然后再解除应力，同时测出解除应力后的应变。假定岩体为均质、连续、完全弹性体，则前后的应变差值是由于初始应力解除引起。因此可以根据应变值和广义虎克定律求出初始值。（2.5分）具体步骤：（1）钻孔至预定深度，取出岩芯；（2）孔底磨平，打光，用热风吹干，再用丙酮擦洗孔底；（3）安装应变片，记录初读数；（4）利用套钻钻进，并取出岩芯；（5）测出解除后的应变值，测定岩石的弹性模量。（2.5分）9. 绘制岩体的应力-应变曲线，并根据它确定岩体的变形模量E0

10、和弹性模量E？10.不同种类岩石的变形特性的应力-应变曲线大致归纳为四种类型，绘画这四种类型曲线，并加以说明。答： （1）直线型曲线。如图（a）所示，该类曲线主要描述具有很明显的弹性特性的岩石（0.5分）。 （2）下凹形曲线。如图（b）所示，该曲线主要反映具有较明显的塑性变形的岩石（0.5分）。 （3）上凹形曲线。如图（c）所示，该曲线主要反映具有较大的孔隙又比较坚硬的岩石（0.5分）。 （4）S形曲线。如图（d）所示，该曲线主要表征呈弹塑性的岩石（0.5分）。 （3分，错画2个包括2个以下得2分，错画3个得1分）图P2511.绘图并说明典型的岩石蠕变曲线有哪些基本特征？答：（1）AB阶段，被

11、称作为瞬态蠕变阶段，此时的应变速率将随时间的增长逐渐减小，蠕变曲线呈下凹型，并向直线状态过渡（0.5分）；PQ阶段：在此阶段若卸去外载荷，则最先恢复的是岩石的瞬时应变（0.5分）；之后，随着时间的增加，其剩余应变也能逐渐恢复，如QR段，QR段曲线的存在说明岩石具有随时间的增长应变逐渐恢复的特性弹性后效（0.5分）。（2） BC阶段，被称作为稳定蠕变阶段，这一阶段应变与时间的关系近似呈直线变化（0.5）。如在这阶段也将外载荷卸去，则同样会出现与第一阶段卸载时一样的现象，但此时存在部分不能恢复的永久变形（0.5分）。（3） C点以后阶段，为非稳定蠕变，C点之后岩石的应变速率剧烈增加，整个曲线呈上凹

12、型，C点称为蠕变极限应力（0.5）。（图同题5）12. 简述浅部地壳中地应力分布的一些规律。答：通过理论分析、地质调查和大量的地应力测量资料的分析，已经初步认识到浅部地壳地应力分布的一些规律：（1）岩体初始应力场是时间和空间的函数；（2） 实测垂直地应力基本上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）平均水平地应力和垂直地应力的比值随着深度增加而减小；（5） 水平主应力随着深度的加呈线性增长；（6）两个水平主应力一般相差较大。（每答对一条得1分）13. 绘图并简单说明岩体的应力-应变曲线？岩体的应力-应变曲线：第一段I曲线上凹，开始的曲率较大，是由于节理闭合和充填物的变形造

13、成的，是非线弹性（很短）；第二段II直线线弹性（较短）；第三段III曲线下凹塑性变形或破坏，至A3点（较长）体积增大。整条曲线“S”形（每答对1个要点得1分）。（图同题9）4、 计算题1. 有一个5cm×5cm×10cm试样，其质量为678g，用球磨机磨成岩粉并进行风干，天平称得其质量为650g，取其中岩粉60g作颗粒密度实验，岩粉装入李氏瓶前，煤油的读数为0.5cm3，装入岩粉后静置半小时，得读数为20.3cm3，求：该岩石的天然密度、干密度、颗粒密度、岩石天然孔隙率（不计煤油随温度的体积变化）。2. 马克斯韦尔模型是用弹簧和粘壶串联而成的，它所表现的是具有弹性特征和粘性

14、特征相组合的应力与应变关系的模型，是根据该模型推导能反映岩石应力松弛特性的公式？143.凯尔文模型是用弹簧和粘壶并联而成的，它可表现具有粘弹性的岩石在恒定的应力应变与时间的变化规律，试根据该模型推导能反映岩石弹性后效变形特性的公式？答：根据两个基本力学模型并联的力学特性，当外力作用于模型的两端时，两个模型应变相等，而应力为弹簧所受应力与粘壶所受的应力之和，即4. 设平巷的掘进条件为：掘进宽度2a=4.2m，高度H=2.8m，顶板岩石容重，内摩擦角，两帮岩石容重及内摩擦角分别为，。试用曾氏理论确定巷道的顶部围岩压力、巷道顶部测压和底部测压？5. 有一正断层与水平面夹角为，断层内聚力为，内摩擦角为

15、，该断层产生滑动时的水平应力为，试问：此时埋深为多少米？（容重为）6. 有一逆断层与水平面夹角为，断层面的爬坡角i=00，断层面内聚力为1.5Mpa，内摩擦角为，试问在埋深为2000米的深处，能承受的最大水平应力是多少？（容重为）。7. 某矿一水平面运输大巷为直墙拱形，巷道岩石,埋深H=160m，巷道开挖宽度B=5.5m，开挖高度h=4.5m，地层内摩擦角，岩石单轴抗压强度求巷道的顶部围岩压力、巷道顶部侧压和底部侧压？5、 论述题1.在泥页岩层中开挖巷道，岩体开挖后破坏了原有岩体自身的应力平衡，促使岩体进行应力调整，由于泥页岩强度较低，会出现巷道洞壁应力超过岩体屈服强度的现象，这时接近巷道洞壁

16、的部分岩石将进入塑性状态，围岩中出现塑形圈，随着距巷道洞轴中心的距离的增大，二次应力逐渐向弹性状态过渡，使得巷道围岩出现塑形、弹性并存的应力分布特点，试论述如何根据弹性波传播的特性测试该巷道围岩中塑形圈的范围？答：（1）弹性波传播速度的影响因素弹性波在岩体中传播速度与裂隙数目有关。裂隙数目越多，则弹性波（纵波）速度越小。岩体的风化程度对弹性波传播速度也有影响。岩体风化后，弹性波的速度降低，风化越严重，弹性波的速度降低越明显。岩体受压应力对弹性波传播速度也有影响。随着压力的增大，纵波的速度也随之增大。(2)巷道洞室弹塑性分布的二次应力状态岩体被开挖后，破坏了原有的平衡状态，洞壁无径向应力，切向应

17、力时，洞周的岩体产生塑性区，塑性区内的岩体产生塑性滑移破坏，岩体内裂隙数目增加，若巷道洞周长期暴露于空气中，塑性区内的岩体也将产生风化。当(岩体中一点至巷道轴线距离，为塑性区半径)岩体中的径向应力、切向应力增加，由于径向应力的增大，提高了岩体的承载能力，使岩体内的应力逐渐向弹性状态过渡，岩体内的应力处在弹性状态，在弹性区内，岩体内裂隙数目和受风化程度相对减少。根据弹性波传播速度的影响因素和巷道同时弹塑性分布的二次应力状态可知，在塑性区弹性波速度小于弹性区内的弹性波速度，因此，如使用松动圈测试仪，根据弹性波波速随深度变化曲线，确定塑形圈深度在弹性波最大值的深度附近。2.试论述影响单轴抗压强度的因

18、素有哪些？（13分）答：（1）承压板对单轴抗压强度的影响（加垫块的依据）（0.5分） 试验机的承压板（或者垫块）应尽可能采用与岩石刚度相接近的材料，避免由于刚度的不同而引起变形不协调造成应力分布不均匀的现象，减少岩石的端面对强度的影响。（2分）（2）岩石试件的尺寸及形状对单轴抗压强度的影响（0.5分） 岩石试件的形状：目前大多数国家都采用圆柱形的岩石试件（0.5分） 岩石试件的尺寸：目前采取直径4.85.4cm，且直径大于最大矿物颗粒直径的10倍的岩石试件作为其标准尺寸（0.5分）岩石试件的高径比：经反复研究，当h/d（23）时强度已趋于稳定，因此国际上一般采用高径比为2:1的试件。（0.5分

19、）（3） 加载速度对单轴抗压强度的影响（0.5分）最合理的试验方法应该是控制岩石的变形速率，由此无论岩石强度的高低和硬软，在同一个应力状态下进行试验，才具有真正的可比性。（1分）（4） 环境对岩石单轴抗压强度的影响（0.5分） 含水率对岩石单轴抗压强度的影响 当岩石在完全烘干状态下和饱和状态下所求得的单轴抗压强度有着一定的差别。（1分）可用岩石的软化系数表示含水率对岩石单轴抗压强度的影响。（0.5分）温度对岩石单轴抗压强度的影响（0.5分） 岩石力学实验一般是在室温条件下进行的。180以下不明显：大于180，温度越高强度越小。 除了以上的因数以外，还有岩石中矿物成分、颗粒尺寸、孔隙率等都将影响岩石的强度。分析推导题1.试求证自重应力场中：（12分）1. 试用库仑莫尔准则推导单节理岩体的破坏角范围。（15分）填空题1.岩石在三向压缩应力作用下的影响因素，与岩石单轴强度的影响因素不同，明显带有压缩下所特有的特征，岩石三向压缩强度的影响因素包括：侧向压力、试件尺寸与加载速率、加载路径、孔隙压力。2.不同种类岩石的变形特性的应力-应变曲线大致归纳为以下四种类型：直线形曲线、下凹形曲线、上凹形曲线、S形曲线。3.