岩体力学课程习题及答案

岩体力学习题1、何谓岩体力学?谈谈你对岩体力学的认识和看法。答：(1)定义：岩体力学是力学的一个分支学科，是研究岩体在各种力场作用下变形与破坏规律的理论及其实际应用的科学，是一门应用型基础学科。(2)认识：岩体力学是地质工程、岩土工程等专业的相当重要的一门专业基础课程。比如：边坡岩体稳定性分析这章对本人的研究方向有很大的帮助。岩体力学服务对象的广泛性和研究对象的复杂性，决定了岩体力学研究的内容也必然是广泛而复杂的，服务对象涉及到国民经济的各方面，岩体力学的任务是准确地预测岩体在应力场作用下的变形和稳定性，进而从岩体力学观点出发，选择相对优良的工程场址，防止重大事故，并为合理的工程设计提供岩体力学依据。岩体力学研究方法有工程地质研究法、试验法、数学力学分析法、综合分析法等。2、何谓岩块、岩体?试比较岩块与岩体,岩体与土有何异同点?答：（1）岩块（Rockblock或Rock）指不含显著结构面的岩石块体，是构成岩体的最小岩石单元体。（2）岩体（Rockmass）是指地质历史过程中形成的，由岩块和结构面网络组成的，具有一定的结构并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。（3）异同点：岩块和岩体均为岩石物质和岩石材料，岩体中存在复杂的天然应力和地下水。而土作为岩体的历史风化产物，与岩体主要是在物理，力学性质等方面有些不同，例如土的抗压强度，压缩性等方面与岩体有较大差异。3、何谓岩体分类?RMR分类和Q分类各自用哪些指标表示?怎样求得?答：岩体分类是通过岩体的一些简单和易实测的指标，把工程地质条件和岩体力学性质联系起来归类的一种方法。其目的是通过岩体的工程分类，概括的反映各类岩体的质量好坏，预测可能出现的岩体力学问题，为工程设计确定岩体力学计算参数、支护衬砌型式、厚度及建筑物式和施工方法的选择等提供依据。岩体地质力学分类（RMR分类）由岩块强度、RQD值、节理间距、节理条件及地下水5类参数组成。分类时，根据各类参数的实测资料，按标准分别给予评分，然后将各类参数的评分值相加得岩体质量总分（RMR），并依节理方位对岩体稳定是否有利作适当的修正，最后，用修正后的岩体质量总分对照岩体类别及相应的不支护地下开挖的自稳时间和岩体强度指标（C、Φ）值。Q分类是指用岩体质量指标Q值对岩体进行分类，Q值定义如下：SRFJJJJRQDQwarnnJRQD为岩体的完整性；arJJ表示结构面（节理）的形态、充填物特征及其次生变化程度；SRFJw表示水与其他应力存在时对岩体质量的影响。分类时，根据这6个参数的实测资料，确定各自的数值，代入上式求得岩体质量指标Q值，以Q值为依据将岩体分为9类。4、试述围压对岩块变形、破坏及强度的影响答：有围压作用时，岩石破坏前的应变随围压增大而增加，岩石的塑性也不断增大，即随围压增大，岩石逐渐由脆性转化为延性。随着围压的增加，岩石的变形模量及泊松比都有一定的提高。随着围压的增大，岩块从脆性劈裂破坏逐渐向塑性流动过渡，破坏前的应变也逐渐增大。5、结构面的法向刚度与剪切刚度的定义如何？各自如何确定？答：法向刚度nK是反映结构面法向变形性质的重要参数，其定义为：在法向应力作用下，结构面产生单位法向变形所需要的应力。其大小以jnv曲线上一点切线的斜率表示，即jnnvK。确定方法是直接用试验方法求得结构面的jnv曲线后，在曲线上求得。剪切刚度sK是反映结构面剪切变形性质的重要参数，大小用结构面峰值前的u曲线斜率表示，uKs。由室内、现场剪切试验测得u求得。6、原位岩体的力学试验与岩块力学试验在本质上有何区别？岩体的变形性质与岩块相比有什么区别？答：（1）在地质环境方面，原位岩体存于一定地质环境之中，地应力，地温，地下水等因素对其物理力学性质有很大影响，而岩石试件只是为实验室实验而加工的岩块，已完全脱离了原有的地质环境。（2）在力学特征方面，岩体在自然状态下经历了漫长的地质作用过程，在内部的联结力较弱的层理、片理和节理、断层等切割下，形成了各种地质构造和软弱面，如不整合，褶皱，断层，节理，裂隙等等岩体是具有明显的不连续性。使岩体结构的力学效应减弱和消失。使岩体强度远远低于岩石强度，岩体变形远远大于岩石本身，岩体的渗透性远远大于岩石的渗透性；岩块的变形性质主要是单体岩石的受拉、受剪、受压，而岩体的变形性质除了以上外，还包括岩体岩性、岩体倾角、断裂带、接触面等。7、试述岩体结构控制论的基本原理及其实际意义。答：岩体形成和发展过程伴随着各种内、外地质营力的作用，从成岩的类型分为沉积岩、岩浆岩和变质岩三大类，由于结构面的存在使岩体具有一定的结构，其结构特性控制着岩体的性质和变形破坏，因此，我们在解决岩体工程问题时，应该从岩体的地质模型出发。随着国民经济的发展和大型建设项目的实施，涉及到大量的地下工程建设项目，如采矿巷道、道路隧道、水电工程的地下洞室等。地下工程的一项主要研究工作就是分析围岩应力重分布特点以及变形破坏规律，这些都要受到岩体结构的控制。8、试述岩体中水平天然应力的基本特点。答：岩体中的水平天然应力有以下基本特点：1）水平天然应力以压应力为主，出现拉应力者甚少，且多具局部性质；2）大部分岩体中的水平天然应力大于铅直应力；3）岩体中的水平应力具有强烈的方向性和各向异性；在单薄的山体、谷坡附近以及未受构造变动的岩体中，天然水平应力均小于铅直应力。在很薄的山体中，甚至可以出现水平压力为零的极端情况。9、试述粗糙起伏无充填结构面的剪切强度特征。有一节理面的起伏角i=20°，基本摩擦角φb=35°，两壁岩石的内摩擦角φ=40°，C=10Mpa,做出节理面的剪切强度曲线。解：这类结构面的基本特点是：具有明显的粗糙起伏度，这是影响结构面抗剪强度的一个重要因素，在无填充的情况下，由于起伏度的存在，结构面的剪切破坏机理因法向应力大小不同而异。由题中所给出的条件，可考虑采用规则锯齿形结构面模量模型。计算公式如下：Τ＝σtan(φb+i)=1.429MPaσz=c/[tan(φb+i)+tanφ]＝16.98MPa绘得其抗剪强度曲线如下图所示：¦ΣσCφb+i=55°φ=40°10、岩石的抗压强度与抗拉强度哪个大，为什么？答：岩石的抗压强度远大于抗拉强度。影响岩块抗拉强度的因素与抗压强度的基本相同，也包括岩石本身性质和试验条件两个方面，但起决定作用的是岩石本身的性质方面的因素。因为抗拉对空隙最为敏感，而岩石是缺陷多、孔隙和裂隙较为发育的材料，相对而言，空隙对岩块抗压强度的影响小的多；另外，拉应力具有弱化强度效应，这也是抗压强度远大于抗拉强度的一个重要原因。11、某岩块的剪切强度参数为：C=50Mpa，Φ=600，设岩石强度服从莫尔直线型强度理论。如用该岩石试件做三轴试验,当围压σ3和轴压σ1分别加到50Mpa和700Mpa后，保持轴压不变，逐渐卸除围压σ3，问围压卸到多少时，岩石试件破坏？解：设破坏时的临界围压值为m3，则有)45(2)45(231Ctgtgm求得MPam46.233即围压卸到23.46Mpa时，岩石试件破坏。12、假定岩石中一点的应力为：σ1=61.2Mpa，σ3=-11.4Mpa，室内实验测得的岩石单轴抗拉强度σt=-8.7Mpa,剪切强度参数C=30Mpa,tgΦ=1.54,试用格里菲斯判据和库仑—纳维尔判据分别判断该岩块是否破坏，并讨论结果。解：1：根据格里菲斯判据：因为0272.342.61331MPa，故采用表达式t8)(31231判断是否破坏，经过计算，tMPa88.105)(31231，岩石破坏。2：根据库仑—纳维尔判据：ffffCm22311)1(2＝78.28MPa61.2MPa(tgf)，故有11m，岩块不会破坏。由此可以看出，同一岩块用不同的破坏判据得出的结果有差异，在判断岩石是否破坏时，要根据岩石类型选择合适的破坏判据。13、某裂隙化安山岩，通过野外调查和室内实验，已知岩体属质量中等一类，RMR值为44，Q值为1，岩块单轴抗压强度σc=75Mpa，薄膜充填节理强度为：φj=15°、Cj=0，假定岩体强度服从Hoek--Brown经验准则，求：(1)绘出岩块、岩体及节理三者的强度曲线（法向应力范围为0—10Mpa）；(2)绘出该岩体Cm和Фm随法向应力变化的曲线(法向应力范围为0—2.5Mpa）；解：1、根据Hoek--Brown经验准则BccTA)(，查表得A=0.295，B=0.691，T=-0.0003，σ=0-10Mpa，取σ=0，1，2……10Mpa，计算得的值绘成岩体强度曲线。对完整岩块取m=17.0,s=1,A=1.086,B=0.696,T=-0.059。由节理强度为φj=15°、Cj=0绘出节理强度曲线。τ（）σ（）节理岩体岩块2、根据Hoek-Brown经验公式：])([)(1BcBccmTABTAC)])([1BcmTABarctg计算作图如下：σ()()Φ（°）σ()14、某铁路隧道通过一灰岩山，试从岩体力学角度分析该隧道存在哪些岩体力学问题及解决这些问题的基本思路（包括研究内容和研究方法）