同济大学岩体力学的思考题

一、岩石与岩体的区别是什么?岩石：由一种或多种矿物经成岩作用后形成的集合体岩体：一定工程范围内，存在各种结构面的自然地质体二、什么是结构面?结构面：具有极低的或没有抗拉强度的不连续面（包括不整合、褶皱、断层、节理、层理、片理、劈理等一切地质界面）•三、岩体的特征有哪些?(1)非连续性(2)非均质和各向异性(3)单元体的可移动性(4)赋存地质因子特性(水、气、温度、应力场等)(5)残余强度特性•掌握颗粒密度、含水率、吸水率、饱和吸水率、软化系数、耐崩解性指数、自由膨胀率、侧向约束膨胀率等概念••岩石试件单轴抗压试验的主要破坏形态有哪两种？试件破坏后的形态圆锥形破坏柱状劈裂破坏•影响岩石试件单轴抗压强度的因素有哪些？如何影响？影响因素：承压板刚度试件尺寸、形状和高径比的影响加载速率环境的影响•如何采用劈裂法获得岩石试件的抗拉强度？用一个实心圆柱形试件，使它承受径向压缩线荷载至破坏，间接地求出岩石的抗拉强度。公式及优点见课本21页•不同围压下三轴压缩试验岩石试件的破坏类型有哪几种？三向压缩试验岩石破坏类型1.柱状劈裂破坏(低围压)2.斜面剪切(中等围压)3.腰鼓状破坏(高围压)•三向压缩试验岩石强度影响因素：影响因素1.几何尺寸2.加载速率3.围压（侧向压力）4.加载路径5.孔隙水压力•孔隙水压力对岩石试件三轴压缩强度的影响如何？由于岩石中存在孔隙水压力，在外部的应力作用下，孔隙水压力也将平衡掉一定的外部压力，从而使作用在岩石上的围压值减小，进而导致与其对应的极限最大主应力值减小。•单轴压缩应力应变全过程曲线可分哪几个阶段？(1)压密阶段(2)弹性阶段(3)塑性阶段•解释扩容和产生扩容现象的主要原因。扩容：岩石受外力作用后，发生非线形的体积膨胀，且不可逆扩容现象的主要原因：岩石试件在加载过程中，由于试件中的微裂纹发生张开、扩展、连接和贯通，使岩石内的空隙不断的增大，促使其在宏观上表现为体积增大。•什么是岩石的蠕变？典型蠕变曲线的形态特征是什么？在恒定的外力作用下，应变随时间而增大，所产生的变形称为蠕变AB阶段，瞬态蠕变阶段，又称衰减蠕变阶段，在此阶段若卸去作用的荷载，最先恢复的是岩石瞬时应变，之后随着时间的增加，其剩余应变也能逐渐的恢复。BC阶段，稳态蠕变阶段，此阶段应变无法全部恢复，存在着部分不能恢复的永久变形，可以称为黏塑性变形C点以后阶段，非稳态蠕变或称为加速蠕变阶段。岩石应变急剧增加，经过短暂时间后岩石将发生破坏。应力松弛：应变不变，应力随时间而减小长期强度：荷载在长期应力作用下的强度弹性后效：卸荷后，岩石具有随时间的增长应变逐渐恢复的特性•影响岩石蠕变的因素有哪些？如何影响？1.应力水平1.低应力水平下不出现非稳态蠕变阶段2.高应力水平下很快破坏3.中等应力水平下完整蠕变曲线2.温度、湿度高温时的蠕变量及其在稳态蠕变阶段的斜率，要低于低温时的蠕变量及其在稳态蠕变阶段的斜率。饱和状态的蠕变量和蠕变速率，要高于干燥状态的蠕变量和蠕变速率。3.岩性不同的岩石表现出明显的蠕变差别•基本力学介质模型和常用的岩石力学介质模型分别有哪几种？基本力学介质模型：弹性介质模型、塑性介质模型、黏性介质模型常用的岩石力学介质模型：弹塑性介质模型（理想弹塑性介质模型、塑性硬化弹塑性介质模型）、黏弹性介质模型（马克思韦尔模型、开尔文模型）•串联元件和并联元件的工作原理是什么？•为什么称Maxwell模型为松弛模型在应变不变的条件下，应力随t以指数函数衰减，因此称其为松弛模型。（应力值不一定能够完全恢复，取决于岩石实验初期加载量的不同）•为什么称Kelvin模型为延迟模型？卸载后应变随时间的增长而恢复，即为弹性后效的变形特性，因此称其为延迟模型。（应变值不一定能够完全恢复，取决于所施加的应力水平）•Griffith强度理论的基本思想是什么？该理论计算的单轴抗压强度是多少？1.在脆性材料的内部存在着许多裂纹2.随着作用的外力逐渐增大，裂纹将沿着与最大拉应力成直角的方向扩展3.当作用在裂纹尖端处的有效应力达到形成新裂纹所需的能量时，裂纹开始扩展该理论计算的单轴抗压强度是抗拉强度的8倍。•莫尔强度理论岩石是在正应力和剪应力组合作用下产生破坏，与𝜎2无关1.优点(1)比较全面反映了岩石的强度特性，既适用于塑性材料，也适用于脆性材料的剪切破坏。(2)反映了岩石的抗拉强度远小于抗压强度这一特性，并能解释岩石在等拉时会破坏，而在等压时不会破坏。(3)指出了岩石破坏时，剪切（破坏）面与最大大主应力作用面之间夹角为45+φ/22.缺点(1)不能从岩石的破坏机理上解释破坏特征。岩石的破坏机理是微裂纹在外力作用下不断扩张直至贯通成一个宏观破坏面。(2)没有考虑中主应力的影响。(3)岩石拉伸破坏时为破坏面分离的张破裂，φ对张破坏无意义，而Mohr的作用。•Hoek和Brown经验强度判据中的两个系数m和s的取值范围是什么？分别与什么因素有关？m：0.001-25；s：0-1m：与岩石类型和完整性有关的系数；s：反映岩石完整性的系数•现场如何测试洞室塑性圈（松动圈）半径？原理是什么？在松动圈内，由于岩体破碎且属低应力区，因而波速较小，当进入松动圈边界完整岩体区域，应力较高，波速达到最大，之后波速又逐渐减小至一定值。利用应力和裂隙对波速的影响，可以判断洞室塑性圈（松动圈）的半径。•影响岩体波速的因素1.岩石种类、岩体密度和生成年代的影响（岩体完整性越好，岩体密度越大，波速越大；变质岩波速较岩浆岩和沉积岩稍大；岩浆岩和古生代及中生代沉积岩纵波波速一般为5.0~5.5km/s，集中度很好；而新生代沉积岩波速较小且离散。）2.裂隙、风化程度或夹层的影响（裂隙越多或宽度越大，波速越小。风化越严重，波速越小。夹层厚度越大，波速越小。）3.有效孔隙率和吸水率的影响（有效孔隙率或吸水率越大，波速越小。）•区别岩体静力和动力问题的依据是什么？量值多少？区别岩体静力和动力问题的依据是岩体应变率大小。当应变率≤0.1(1/s)时，惯性力可忽略，即为静力问题；当应变率＞0.1(1/s)时，惯性力不可忽略，即为动力问题，·什么叫波速（动弹模）的各向异性系数？平行结构面的波速（动弹模）总是大于垂直结构面的波速，两者的比值（vph/vpv）称为波速（动弹模）的各向异性系数。各向异性由于结构面、地应力等原因，岩体具有各向异性，使得弹性波在岩体中的传播速度和动弹性模量也具有各向异性如何在室内测试岩块的弹性波波速？(1)试件形状同单轴抗压强度试验试件(2)主要仪器和设备：超声波仪，纵、横波换能器。（3）横波、纵波波速计算公式（各个符号的意义见56页）岩体声波传播速度的现场测定：（1）测点可选择平洞、钻孔、风钻孔或地表露头。（2）声波激发方式：换能器、锤击、电火花岩体弹性波性质1)岩块的波速大于岩体波速。(2)新鲜完整的岩体波速较大，而裂隙发育和风化破碎的岩体波速较小。(3)动弹模Ed要高于静弹模E1～20倍，岩体越完整，两者的差值越小，反之，越大。（4）对于完整岩体，纵波波速是横波波速的1.7倍左右•裂隙度和切割度的定义是什么？按裂隙度和切割度可将岩体破碎程度分为哪几类？裂隙度K：沿着取样线方向，单位长度上节理的数量。切割度Xe：假设有一平直断面，与岩体中的节理面重合，且完全横贯所考虑的岩体。该平直断面面积为A，第i个节理面的面积为ai，则切割度当Xe=1时，表明沿该断面岩体完全被节理切割；当Xe=0时，表明沿该断面岩体是完整连续的。按K和Xe，将岩体破碎程度分成5种：似均质性、弱节理化、节理化、强节理化、完全节理化按K可将节理分成：疏节理、密节理、非常密节理、压碎或糜棱化带根据Xe的大小，可把岩体分为：完整的、弱节理化、中等节理化、强节理化、完全节理化•结构面切向变形曲线类型有哪几种？结构面的切向变形曲线类型：脆断型、切齿型、间断起伏型、软弱型•面摩擦、规则齿形和不规则齿形结构面抗剪强度公式各有何特点？•如何判断结构面岩体的破坏形式（切岩石破坏或沿结构面破坏）？•工程岩体分级中通常采用的独立因素有哪些？1.岩石的质量2.岩体的完整性3.水4.地应力5.某些综合因素工程岩体分类原则1.针对工程性质的不同，应采用不同的分类体系；2.尽可能采用定量分类；3.分类不宜太多，常用(4~6)级；•何谓RQD、岩体完整性系数Kv、岩体体积裂隙数Jv？RQD即岩石质量指标，以修正的岩心采取率确定、岩体完整性系数Kv，由弹性波测试方法确定、岩体体积裂隙数Jv，即单位体积内，岩体节理的数量•我国工程岩体分级标准(GB50218-94)步骤和基本内容是什么？1.确定岩体基本质量分级因素（定量、定性确定岩体基本质量分级因素）2.岩体基本质量分级（岩体基本质量指标的计算和岩体基本质量级别的确定）3.工程岩体级别的确定（地下工程岩体级别的确定、边坡工程岩体级别的确定）和Q分类的区别？•何谓岩体初始应力？影响初始应力场的因素一般有哪些？初始应力是指岩体在天然状态下的内在应力，在地质学中通常又称它为地应力，在岩体工程中也叫一次应力。影响因素依次为埋深（自重）、构造运动、地形、地质构造形态、水、温度等。主要由岩体的自重和地质构造运动所引起的。•岩体初始应力的分布基本有什么规律？1.初始应力是时间、空间的函数2.垂直初始应力为上覆岩体的自重，且与埋深成正比3.在浅部，水平应力普遍大于垂直应力。侧压力系数为0.5～5.5，多数比值大于2，深部岩体逐步趋近于1。4.平均水平应力与垂直应力的比值随深度增加而减小5.水平初始应力随深度线形增长，但其变化率要小于垂直初始应力6.xy不相等，两者的比值为0.2～0.8，大部分在0.4～0.8。•地应力测量方法有哪些？测量方法分为直接测量法和间接测量法，直接测量法包括水压致裂法和声发射法；间接测量法包括应力解除法、应力恢复法。应力解除法包括1.孔底应变法孔壁应变法孔径变形法高地应力现象有哪些？如何防治高地应力问题？高地应力现象：1.岩爆2.岩心饼化3.洞壁岩体剥离4.基坑底部隆起5.原位测试岩体物理力学指标比实验室结果高高地应力的防治措施：（1）围岩加固措施（喷射混凝土、小导管（或管棚）超前支护等）（2）改善围岩应力条件具体措施：1)使地下工程长轴方向与最大主应力方向平行，可减少工程周边围岩的切向应力；2)在设计时选择合理的开挖断面形状；3)爆破开挖采用短进尺、多循环；4)应力解除法，打超前钻孔或在超前钻孔中进行松动爆破。5)喷水或注水。（3）施工安全措施（主要是躲避及清除浮石）。