岩体力学习题及答案(精装版)

1二、岩块和岩体的地质基础一、解释下例名词术语5、节理密度：反映结构面发育的密集程度，常用线密度表示，即单位长度内节理条数。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，即单位长度内贯通部分的长度。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JCS：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、节理张开度：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石块体。12、岩体结构：岩体中结构面与结构体的排列组合特征。14、岩石质量指标RQD：大于10cm的岩芯累计长度与钻孔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，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张性结构面两类。(2)结构面的连续性有几种定义方法？如何定义？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方向单位长度内贯通部分的总和；面连续性系数是指结构面单位面积内贯通部分面积的总和。(5)在我国，通常将岩体结构分为哪几类？.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岩体的风化程度？答：岩石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《岩土工程勘察规范》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：岩石浸水饱和后强度降低的性质称为岩石的软化性。软化性用软化系数KR表达，它定义为岩石饱和抗压强度与干抗压强度之比。当软化系数KR0.75时，岩石的软化性弱，同时也说明岩石的抗冻性和抗风化能力强，而KR0.75的岩石则是软化性较强和工程地质性质较差的岩石。(8)按岩体力学的观点，岩体具有什么样的力学特征？答：非均质、非连续、各向异性。(9)岩体的不连续性是如何表现的？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石类型中，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，造成平行结构面方向和垂直结构面方向物理力学性质不同。(12)怎样确定节理粗糙度系数JRC？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，确定方法是：用试验测得的回弹值，查图或用公式计算，求得JCS。2(14)怎样测定节理张开度？答：用标准的各种不同厚度的钢片（即厚薄规）插入张开的节理中，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。四、岩石的强度特征一、解释下例名词术语1、岩石的强度：岩石在达到破坏前所能承受的最大应力。2、岩石的抗压强度：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：岩石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：岩石完全破坏后而仅有内摩擦力的强度。5、岩石的抗拉强度：岩石试件在单向拉伸时能承受的最大拉应力。6、岩石的抗剪强度：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：为了测定岩石抗拉强度而进行的劈裂试验，是测定岩石抗拉强度的间接试验。8、劈裂破坏试验：用圆柱体或立方体试件，横置于压力机的承压板上，且在试件上、下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石抗拉强度的试验。9、倾斜板剪切试验：将立方体试件，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石抗剪强度的一种试验方法。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方法。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方法。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（σ1σ2σ3）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（即σ1σ2=σ3）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，沿压应力垂直方向发生的拉裂破坏。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，改变了试件内部的应力分布和破坏方式，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，然后在水平方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方法。二、简答题(1)在岩石的单轴压缩试验中，试件的高径比、尺寸、加载速率怎样影响岩石的强度？答：一般说来，高径比越大，岩石的强度越低。试件尺寸越大，岩石强度越低。加荷速率越大，岩石的强度越大。(4)请描述岩石点荷载试验的制样、试验、资料整理的过程和计算方法。答：以一段长度为直径1~1.4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，破坏方式是岩蕊通常沿纵截面，有时沿横截面被劈裂，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：2KDKISst单轴抗压强度计算公式：Sc=(22.8~23.7)Is(50)三、计算题(1)在劈裂法测定岩石单轴抗拉强度的试验中，采用的立方体岩石试件的边长为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σt=2Pt/πa2=2×Pt×103/3.14×52×10-4=0.255Pt(MPa)σt1=0.255×16.7=4.2585σt2=0.255×17.2=4.386σt3=0.255×17.0=4.335则所求抗拉强度：σt==(4.2585+4.386+4.335)/3=4.33MPa。(2)在野外用点荷载测定岩石抗拉强度，得到一组数据如下：3D(cm)15.714.614.914.116.316.715.716.6Pt(kN)21.321.924.820.921.525.326.726.1试计算其抗拉强度。(K=0.96)解：因为K=0.96，Pt、D为上表数据，由公式σt=KIs=KPt/D2代入上述数据依次得：σt=8.3、9.9、10.7、10.1、7.7、8.7、10.4、9.1。求平均值有σt=9.4MPa。(4)倾斜板法抗剪强度试验中，已知倾斜板的倾角α分别为30º、40º、50º、和60º，如果试样边长为5cm,据经验估计岩石的力学参数c=15kPa，φ=31º，试估计各级破坏荷载值。(f=0.01)解：已知α分别为30º、40º、50º、和60º，c=15kPa，φ=31º，f=0.01，τ=σtgφ+cσ=P(cosα+fsinα)/Aτ=P(sinα-fcosα)/AP(sinα-fcosα)/A=P(cosα+fsinα)tgφ/A+c(sinα-fcosα)=(cosα+fsinα)tgφ+cA/PP=cA/[(sinα-fcosα)-(cosα+fsinα)tgφ]由上式，代入上述数据，计算得：P30=15(kN/mm2)×25×102(mm2)/[(sin30-0.01×cos30)-(cos30+0.01×sin30)tg31](6)在岩石常规三轴试验中，已知侧压力σ3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，求岩石的c、φ值。.1．图解法σ27212415129601818τ159126co由上图可知，该岩石的c、φ值分别为：28MPa、52°。2．计算法由M-C准则ctg2sin3131c变形)sin1()sin1(cos231c（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、φ值相等，则任一圆都满足（1）式。设任意两圆中的应力分别为23211311,,和，由（1）式得)sin1()sin1()sin1()sin1(23211311整理得cos2)sin1()sin1()()()()(sin312313211123132111c将已知数据代入计算结果如下：σ1σ3φc179.95.154.4756520.8539332920.451.5765828.05152161035.0996341.816734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：φ=53.02611°，c=24.45272MPa。(7)某岩石的单轴抗压强度为164.5MPa，φ=35.2°，如果在侧压力σ3=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：35.2BAocτ164.5C40.8EσσDr1r2FΔAOC≌ΔABC得：AFACcr1即：csctanc11crccr因为：r1=82.25MPa，φ=35.2°，所以求得：c=42.64MPa所以：AO=cctanφ=60.45MPaΔABC≌ΔADE得：23121AOtancrrcAEACrr解得：r2=137.76MPa所以σ1=40.8+2×137.76=316.32MPa五、岩石的变形特征一、解释下例名词术语7、弹性滞后：多数岩石的大部分弹性变形在卸荷后能很快恢复，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：岩石在循环荷载条件下，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、岩石的记忆：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方向上升的形象。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、岩石的流变性：岩石的变形和应力受时间因素的影响，在外部条件不变的情况下，岩石的变形或应力随时间而变化的现象叫流变。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：用于描述岩石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：岩石在荷载作用下，经过弹压压缩阶段，岩石体内开始出现微小裂缝的过程，称为初裂。二、简答题(4)简述三轴条件下岩石的变形特征。答：首先，破坏前岩块的应变随围压