最新岩石力学总结

1、试述库仑准则和莫尔假定的基本内容，并说明对其研究的工程实际意义。（补:莫尔假定的优缺点）该准则是1773年由库仑引入的，他认为趋于使一平面产生破坏的剪应力受到材料的内聚力和乘以常数的 平面的法应力的抵抗，即IT | = S+ 其中，C和T是该破坏平面的法向应力和剪应力，So可以看作是材料的固有剪切强度的常数，口是材料的内 摩擦系数的常数。根据该理论可以推论出，当岩石发生破坏时所产生的破裂面将有两个可能的共轭破裂面，且 均通过中间主应力的方向，并与最大主应力方向成夹角（才二-畀），这里的内摩擦角tan。莫尔假定是莫尔于1900年提出的一种剪切破坏理论，该理论认为岩石受压后产生的破坏主要是由于岩石

2、 中出现的最大有效剪应力所引起，并提出当剪切破坏在一平面上发生时，该破坏平面上的法向应力C和剪应力 T由材料的函数特征关系式联系：|T |= f （C）按莫尔假定可以看出：岩石的破坏强度是随其受力条件而变化的，周向应力越高破坏 强度越大；岩石 在三向受压时的破坏强度仅与最大和最小主应力有关，而与中间主应力无关；三向等压条件下，莫尔应力圆是 法向应力C轴上的一个点圆，不可能与莫尔包络线相 切，因而岩石也不可能破坏：岩石的破裂面并不与岩石 中的最大剪应力面相重合，而是取决于其极限莫尔应力圆与莫尔包络线相切处切点的位置，这也说明岩石的破裂 不仅与破裂面上的剪应力有关，也与破裂面上出现的法向正应力和表

3、征岩性的内聚力和内摩擦角有关。总之，莫尔假定考虑了岩石的受力状态、周向应力约束的影响和岩石的本身性能，能较 全面的反映岩石的 破坏强度特征，但该假定忽视了中间主应力对岩石破坏强度的影响，而事实证明中间主应力对其破坏强度是有一 定程度影响的。补卜卜：摩尔判据的优点是：在判断复杂应力状态下岩石是否发生破坏以及破坏面的方 向时，很简单， 也很方便；能比较真实地反映岩石的抗剪特性：可以解释为什么在三向等拉时会发生破坏，而在三向等压时 不会发生破坏。但其缺点是：只考虑了最大主应力和最小主应力对岩石破坏强度的影响，而忽略了中间主应力 的作用，实验表明中间主应力对岩 石破坏强度是有一定程度影响的；摩尔判据不

4、适用于含有结构面的岩石试 件，尽管岩石中的结构面会严重地影响岩石试件的破坏强度；摩尔判据只适用于剪切，对受拉区研究不够 充 分，不适于膨胀或蠕变破坏。论述岩石在复杂应力状态下的破坏类型，并阐述其在工程岩体稳定性研究中的意义在关于岩石破裂的所有讨论中，破裂面的性质和描述是最重要的，出现的破裂类型可用 下图中岩石在各种 围压下的行为来说明。在无围压受压条件下，观测到不规则的纵向裂缝见图（a），这个普通现象的解释至今仍然不十分清 楚；加中等数量的围压后，图（a）中的不规则性态便由与方向倾斜小于45度血干Qnr +2（bY）（d）t*）M 4 5,1 J）至轴举第中勺纵冏於- 3剪切睥裂-孕仲何ttl

5、f士，工B则表示该岩石在高应力作用下 破坏后尚剩余部分能量，这部分能量的突然释放就及有可能会引起岩爆。另外，也可以通过岩石的应力-应变 全过程曲线预测其是否发生蠕变破坏和循环载荷条件下是否发生破坏。评述岩石在复杂应力条件下的变形特性。在外力作用下，岩石一般不遵从虎克定律，没有明显的比例极限、弹性极限和屈服点等，通常是紧随着 出现弹性变形就开始出现塑性变形，且一旦受力产生变形再卸载后会或多或少的都残留有一定数量的永久变 形，该永久变形一般将随外力的增加而增大。因此再描述岩石的变形特性时，所谓的“线弹性”、“可 逆”、“杨氏摸量”、“泊松比”、“屈服应力”等等术语都是近似的或在一定条件下的平均值。

6、在各种不同应力条件下，岩石材料的变形特性可采用应力对应变作图所得到的应力应变曲线来表示。一 般而言，岩石材料的完整应力应变曲线可分为四个部分，亦即是岩石变形的四个阶段（如右图所示）：0A 段，曲线稍向上凹，为岩石材料的孔隙压密变形阶段，对于孔隙度较大或结构较为松散的岩石类材料，该变形 阶段较为明显；AB段，曲线非常接近直线的部分，为岩石类材料的弹性变形阶段，并将B点所对应的应 力值称为屈服应力或弹性极限，对于坚硬致密的岩石类材料，该直线部分十分明显；BC段，曲线稍向下 凹，到达C点时岩石发生宏观破坏，当在BC中任意点K卸载后再加载时，则其B点将移至K点，因此， 称此阶段为岩石材料的应变硬化变形

7、阶段，对于软弱类岩石，该应变阶段较为明显；CD段,岩石此时虽然已经发生宏观破坏，但由于尚未完全破裂仍能够承受一定载荷，但其承载能力将随变形的逐渐增大而 减小，当在BC中任意点Q卸载后再加载时，则其所能达到的最高应力值将n二曲心环沁过丽曲比Q点的应力值要低，所以称此变形阶段为应变软化变形阶段 根据现有大量的实验研究成果，岩石在各种不 同应力条件下的变形曲线大致可以归纳为以下四种基本类型：直线型，由加载至产生破坏，其应力 应变曲线都近似呈线性 特性，称此类曲线为弹脆性变形曲线；下凹型，0A段几乎 不存在，且其应力应变曲线在接近破坏时将出现连续的非弹性 变形，称此类曲线为弹塑性变形曲线；上凹型，岩石

8、在 发 生破坏之前，主要表现为孔隙压缩变形和线弹性变形，其应力 应变曲线在低应力下表现出向上弯曲的现象，随后近似呈线性关系，直至发生破坏，称此类曲线为塑弹性变形曲线；反曲型，岩石发生破坏前，OA AB和BC段都较为明显，其应力应变曲线呈现S型曲线，在接近破坏时将产生 较大的非弹性变 形，称此类曲线为塑弹塑性变形曲线。在反复加卸载过程中，每一对加、卸载曲线都不相互重合，其间将呈现出所谓的“塑性 滞环”现象，这 也表明了岩石类材料的应力应变关系具有明显的非单值性，但若将加、卸载值固定后，再反复进行加、卸载， 则该“塑性滞环”所围成的面积将随加、卸载循环次数的递增而减少，其相应的残余变形量也将逐渐降

9、低。岩石类材料的变形特性还将受到各种外界与内在因素的影响，其主要影响因素有周向应力、加载速率、 加载路径、环境温度、含水量、孔隙及孔隙液压等等。试论述岩体结构类型。岩体结构分类依据：第一依据：结构面类型：软弱结构面和坚硬结构面第二依据：结构面切割程度及结构体类型：块裂结构、板裂结构、碎裂结构、断续结构、完整结构岩体结构分类方案：板裂结层状板裂结构完整结构块状完整结构板状完整结构II断续结构块状断续结构层状断续结构碎裂结构过渡型散体结构块状碎裂结构层状碎裂结构碎屑状散体结构糜棱化散体结构各类岩体结构的地质特征：完整结构岩体块裂结构岩体板裂结构岩体碎裂结构岩体断续结构岩体散体结构岩体岩体结构的相对

10、性及工程岩体结构的唯一性：对于工程岩体而言，由于工程规模和尺寸的变化，岩 体结构也发生相对变化。因此，岩体结构是相对性，只有在确定的地质条件和工程尺寸条件下，工程岩体结构才是唯一确定的。论述岩石的流变特性以及蠕变变形曲线特征。所谓岩石的流变性质就是指岩石的应力-应变关系与时间因素有关的性质，包括蠕变、松弛与弹性后效三 个方面。所谓蠕变是指当载荷不变时，变形随着时间而增长的现象；所谓松弛是指当应变保持不变时，应力随 着时间增长而减小的现象；所谓弹性后效是指当加载或卸载时，弹性应变滞后于应力的现象。岩石的蠕变变形特性曲线可以通过单轴或三轴压缩、扭转或弯曲等蠕变实验来进行研究。实验表明，在恒定载荷作

11、用下，只要有充分长的时间，应力低于或高于弹性极限均能产生蠕变现象。但在不同 的恒定载荷下，变形随时间增长的蠕变曲线却有差异。岩石的蠕变曲线不 仅与应力大小、性质及岩石种类有 关、而且还与其所在的物理环境如温度、围压、湿度等因岩石立即产生圉4 1岩石的典水！；变曲素有关，上图为岩石的一典型蠕变曲线。当在岩石试件上施加一恒定载荷, 瞬时弹性应变& e（0A段）。这种变形往往按声速完成，可 以近似认为在t=0完成，其应变为& e = c /。若载荷保持恒定 且持续作用，应变则随时间缓慢地增长，进入到蠕变变形阶 段，将蠕变变形一般可分成三个阶段：（1）第一蠕变阶段（AB段），也称过渡蠕变阶*段，在这个

12、阶段内，蠕变为向下弯曲的形状，也就是说曲线的斜率逐渐变小，若在 这一阶段之 中（曲线上某一点E）进行卸载，则应变沿着曲线EFGF 降，最后应变为零、其中EF曲线为瞬时弹性应变之恢复曲 线，而FG曲线表示应变随时间逐渐恢复为零；（2）第二蠕变 阶段（BC段），也称稳定蠕变阶段，蠕变变形曲线近似一倾斜直线，即蠕变应变率保持常量，一直持续到C点。若在这一阶殷中进行卸载，则应变沿曲线HJ逐渐恢复趋近于一渐近线，最后保 留一定永久应变;（3）第三蠕变阶段（CD段），也称加速蠕变阶段，应变率由C点开始迅速增加，达到D点，岩石即发生破坏，这一阶段完成时间较短，严格地说，这一阶段可分为两个区间：即发育着延性变

13、形但尚未引起破坏的阶 段（CP段）和微裂隙剧烈发展导致变形剧增和引起破 坏的阶段（PD段），它相当于褶皱形成后的断裂形 成阶段。同一种岩石，其载荷值越大，在第二阶段持续的时间也就越短，第三阶段破坏出现也就越快。在载荷很 大的情况下，几乎加载之后立即产生破坏。一般中等载荷，所有的三个蠕变变形阶段表现得十分明显。任何一 个蠕变变形阶段的持续时间，都取决子岩石类型、载荷值 及温度等因素。9什么是初始地应力？试论述初始地应力的成因及其分布规律。初始地应力初始地应力是指未受到任何工程扰动的岩体在天然状态下所具有的内应力，主要由岩体自重及地质构造 作用所引起，地形、地质构造、地震力、水压力、热应力等也会在

14、一定的时间和空间范围内一定程度上影响到 岩体中的初始地应力。工程岩体中的地应力主要由自重应力和构造应力两部分组成。自重应力在岩体中的分布是随深度变化大致呈线性增长的，若设在距地表深为z处的竖直方向的自重应力为C z,水平方向的自重应力为C x和C y，贝U：铅垂分量n丁八ZimA水平分量侦z这里，丫 j是第i层地层的容重，二是第i层地层的厚度，是当前地层的泊松比。构造应力是由于地球自转角 速度的变化、地球壳体绕地轴旋转产生的离心力和地幔对流等因素所引起的，所以在工程岩体中的构造应力是 以水平应力分量为主，其大小将因地层的褶皱、断裂、升降等等地质构造现象及程度不同而异。初始地应力的成因：大陆板块

15、边界受压引起的地应力场；地幔热对流引起的地应力场；由地心引力引起的地应力场；岩浆浸入引起的地应力场；地温梯度 引起的地应力场；地表剥蚀产生的地应力场。初始地应力的分布规律：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；地应 力中的铅垂应力分量基本等于上覆岩层的重量，它随深度呈线性增长；地应力中的水平应力普遍大于 铅垂应力；平均水平应力与铅垂应力的比值随深度增长而减小；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；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；地应力的分布受地形、地表剥蚀、风化、岩体结构特征、岩体力学性质、温度、地下 水等因素、的

16、影响，特别是地形和断层的扰动影响最大。*卜：综合大量实测资料和近代理论，初始地应力场的一般分布规律有如下特点：1）初始地应力一般是三轴压应力状态，且受地表地形地貌、山川河流和构造影响，其分布往往十分复杂；2）三个 主应力的大小一般互不相等，其中两个（近）水平方向主应力也不相同，且最 大水平主应力的方向与区域 性构造形迹密切相关，往往是构造应力影响的结果；3）三个主应力的方向一般偏离铅垂或水平方向不大，引起偏离的主要原因是构造、岩层倾角或局部不均 质影响；4）初始 地应力中的铅垂应力分量基本上等于上覆岩体的自重，它随深度呈线性增长；5）初始地应力的两个近水平应 力分量分布十分复杂，因地而异，且随

17、深度而变化；两个水平应力的平均值与铅垂应力的比值入的统计规律可 概括为侧应力系数（平均）与深度呈双曲线变化，越近地表平均水平应力相对高于铅垂应力；往下越相接近，一定深度之后变得小于铅垂应力。10.论述在单轴压缩载荷作用时岩石试件的端部约束效应。由于岩石材料与铁板之间的泊松 比值存在差异，这将在试件端面与铁板之间的接触面上产生摩擦力，该摩擦力将影响岩石试件的横向变形 和岩石试件端面附件区域的应力状态。由于该摩擦力的存在，导致岩石试件内部应力分布不均，致使岩石 试件并非只产生纵向劈裂破坏（亦称拉伸破坏），还有可能产生X状共轭斜面剪切破坏和单斜面剪切破 坏等破坏形式。为了尽量减小试件端面与铁板之间的

18、接触面上产生摩擦力，以保证岩石试件端面附件区域的应力状态也为 单向受力状态，必须要在试件端面与铁板之间的接触面上添加缓冲材 料。国际岩石岩石力学学会建议在试件端面与铁板之间使用与同样直径大小的钢件垫块。岩石力学复习岩石破坏有几种形式？对各种破坏的原因作出解释。答：试件在单轴压缩载荷作用破坏时，在试件中可 产生三种破坏形式：X状共轭斜面剪切破坏，破坏面上的剪应力超过了其剪切强度，导致岩石破坏。单斜面剪切破坏，破坏面上的剪应力超过了其剪切强度，导致岩石破坏。拉伸破坏，破坏面上的拉应力超过了该面的抗拉强度，导致岩石受拉伸破坏。什么是全应力-应变曲线？为什么普通材料实验机得不出全应力-应变曲线？答：全

19、应力应变曲线：能显 示岩石在受压破坏过程中的应力、变形特性，特别是破坏后的强度与力学性质的变化规律。由于材料试验机的 刚度小，在试件压缩时，其支柱上存在很大的变形和变形能，在试件快要破坏时，该变形能突然释放，加速试 件破坏，从而得不出极限压力后的应力应变关系曲线。三简述岩石在反复加载和卸载条件下的变形特征。答：对于线弹性岩石，反复加载和卸载时的应力应变路径完全相同，对于完全弹性岩石，反复加载和卸载时 的应力应变路径完全相同，但是应力应变关系是曲线。对弹性岩石，加载与卸载曲线不重合，但反复加载和卸载时的应力应变路径总是服从此环路的规定。非弹性体岩石：在弹性范围内服从弹性岩石 的变形特征，当卸载点

20、P超过屈服点时，卸载曲线与加载曲线不重合，形成塑性滞回环。等荷载循环加载、卸载时的应力应变曲线，。塑性滞回环随着加载卸载次数的增加而变窄，直至接近弹性变 形，没有塑性变形为止。不断增大荷载的循环加载、卸载时的应力应变曲线，在每次卸载后再加载，在荷载超过上一次循环的最大荷 载以后，变形曲线仍沿着原来的单调加载曲线上升，好像不曾受到循环加 载的影响似的，这种现象成为岩石 的变形记忆。四线弹性体、完全弹性体、弹性体三者的应力应变关系有什么区别？答：完全弹性体：循环加载时的(T -关系为曲线。加载路径与卸载路径完全重合。线弹性体：循环加载时的C -关系为直线。 加载路径与卸载路径完全重合。弹性体岩石：

21、加载路径与卸载路径不同，但反复加载与卸载时，应力应变关系总是服从此 环路的规律。岩体赋存环境包括哪几部分？答：赋存环境：包括地应力、地下水和地温三部分。地应力对岩体的影响体现在哪几个方面？地应力影响岩体的承载能力：围压越大、承载能力越大。地应力影响岩体的变形和破坏机制。如在低围压条件下破坏的岩体，在高围压条件下呈现出塑性变形和塑 性破坏。地应力影响岩体中的应力传播的法则。非连续介质岩体在高围压条件下，其力学性质具有连续介质岩体 的特征。岩体结构划分的主要依据是什么？答：岩体结构单元有结构面和结构体两种基本要素。因此，岩体结构分类主要依据结构面及结构体的类型进行 分类。按结构面成因、结构面通常分

22、为几种类型？答：结构面按成因分：原生结构面、构造结构面、次生结构面原生结构面：成岩阶段所形成的结构面。岩石成因不同又分为沉积结构面、火成结构面和变质结构面。构造结构面：岩体在构造运动作用下形成的结构面。此生结构面：在外力作用下（风化、地下水、卸载、爆破等）形成的各种界面。结构面的剪切变形、法向变形与结构面的哪些因素有关？答：结构面的剪切变形、法向变形与岩石强 度、结构面粗糙性和法向力有关。十.结构面力学性质的尺寸效应体现在哪几个方面？答：结构面试块长度增加，平均峰值摩擦角降低，试块 面积增加，剪切应力呈现出减小趋势此外，还体现在以下几个方面：（1）随着结构面尺寸的增大，达到峰值强度时的位移量增

23、大；2）试块尺寸增加，剪切破坏形式由脆性破坏向延伸破坏转化；3）尺寸增加，峰值剪胀角减小，结构面粗糙度减小，尺寸效应也减小十一简述地应力测量的重要性。答：地应力测量的重要性：（1）应力测量为各种岩体工程进行科学合理的开挖设计和施工提供依据；（2） 地应力状态对地震预报、区域地壳稳定性评价、油田油井的稳定性、核废料储存、岩 爆、煤和瓦斯 突出的研究以及地球动力学的研究也有重要的意义。十二.地应力测量方法分哪几类？它们的主要区别在哪里？每类包括那些主要测量技术？答：依据测量基本原 理的不同，可将测量方法分为直接测量法和间接测量发两大类。直接测量法是由测量仪器直接测量和记录各种应力量，包括：扁千斤顶

24、法、水力致裂法、刚 性包体应力计法和 声发射法。间接测量法是借助某些传感器或某些介质，测量和记录岩体中某些与应力有关的间接物理量 的变化，如岩体中 的变形和应变，然后由计算公式求出原岩应力值。包括：套孔应力解除法和其他的应力应变解除法以及地球物 理方法等。其中套孔应力解除法是目前国内外广泛使用 的一种方法-十三.什么叫岩石的本构关系？岩石的本构关系一般有几种类型？岩石的本构关系是指岩石的应力或应力速率 与其应变或应变速率的关系。岩石的本构关系一般分为：弹性本构关系、弹塑性本构关系和流变本构关十四.什么叫岩石的强度？岩石的破坏一般有几种类型？岩石的强度是岩石抵抗外力破坏的能力。破坏是指岩 石材料

25、的应力或应变超过了自身的应力或应变的极限。岩石的破坏的形式主要有两种：断裂破坏（应力达到强度极限）和流变破坏（出现显著的塑性变形或流动现 象）十五.什么叫蠕变、松弛、弹性后效和流变？答：蠕变：当应力不变时，变形随时间增加而增加的现象 松弛： 当应变不变时，应力随时间的增加而减小的现象。弹性后效：加载和卸载时，弹性应变滞后于应力的现象。岩石流变就是指材料的应力-应变关系与时间因素有关的性质，材料变形过程中具有时间效应 的现象称为流变 现象。十六描述岩石流变性质的流变方程主要有几种？答：岩石的流变包括蠕变、松弛和弹性后效。其流变方程主 要有蠕变方程、松弛方程、弹性后效方程。十七流变模型的基本元件有

26、哪几种？答：流变模型的基本元件有弹性元件、塑性元件和粘性元件十八试论述Coulomb,Mohr,Griffith三准则的基本原理、主要的区别及其它们之间的关系。答：库仑准则（Coulomb）:岩石的破坏主要是剪切破坏，岩石的强度，既抗摩擦强度等于岩 石本身抗剪切 摩擦的粘结力和剪切面上的法向力产生的摩擦力。莫尔把库仑准则推广到三向应力状态。实质：岩石到达极 限状态时，滑动平面上的剪应力达到一个取决于正应力与材料性质的最大值，即 （T =f （ T ）。对应于 各种应力状态（单轴、双轴和三轴压缩）下的破坏的岩石的莫尔应力圆的包络线，称为莫尔强度包 络线。如果岩石 的应力圆位于莫 尔强度包络线内，

27、则岩石不会产生破坏，如果岩石的应力圆与莫尔包络线相切或相交，则岩石会产生破坏。莫尔强度包络线的曲线型式有几种：斜直线型，二次抛物线型，双曲线型等。十九.格里菲斯（Griffith）理论：在脆性材料中，其材料断裂的起因是分布在材料中的微小裂纹尖端有拉应力（这种裂纹称为Grifith裂纹）所致。区别：格里菲斯（Griffith）理论中岩石的破坏机理是岩石受到拉应力破坏所致。库仑准则和莫尔强度理论则认为岩石破坏是岩体内的某个面上的剪切应力超过了剪切强度值。莫尔强度理论的包络线包 括了库仑准则的直线型，还包括抛物线型和双曲线型强度准则，论述岩石的流变特性以及蠕变变形曲线特征。（20分）回答要点：岩石流变性与流变现象的定义；（4分）蠕变、松弛以及弹性后效的定义；（6分）*稳定蠕变与不稳定蠕变；（2分）岩石的典型蠕变变形曲线及其 3个基本阶段；（5分）岩石的长期强度及其确定方法。（3分）试评述单轴压缩载荷作用下的端部约束效应。（20分）回答要点：单轴压缩载荷条件的定义；（2分）