岩石力学考试题

重庆科技学院石油与天然气工程学院石油工程2012级（钻井工程）第1页《岩石力学》期末复习资料1.什么叫岩石？什么叫岩体？它们之间的区别何在？答：岩石，是组成地壳的基本物质，它是由矿物或岩屑在地质作用下按一定规律凝聚而成的自然地质体。岩体，是指一定工程范围内的自然地质体，它经历了漫长的自然历史过程，经受了各种地质作用，并在地应力的长期作用下，在其内部保留了各种永久变形和各种各样的地质构造形迹（不整合、褶皱、断层、层里、节理、劈理等不连续面。岩石和岩体的重要区别就是岩体包含若干连续面，岩体的强度远低于岩石强度。2.岩石按照成因分成哪几类？其各自的成因及特征是什么?试举出几种岩石实例。答：按照成因，岩石可分成岩浆岩、沉积岩、变质岩三大类。岩浆岩是由岩浆冷凝而成的岩石。组成岩浆岩的各种矿物化学成分和物理性质较为稳定，它们之间的连接是牢固的，具有较高的力学强度和均匀性（橄榄岩、流纹岩）。沉积岩是由母岩在地表经风化剥蚀而产生的物质，通过搬运、沉积、和固结作用而形成的岩石。沉积岩的物理力学特性与矿物和岩屑的成分，胶结物的性质有很大关系，另外，沉积岩具有层理构造（砾岩、页岩、泥岩）。变质岩是由岩浆岩、沉积岩甚至变质岩在地壳中受到高温、高压及化学活动性流体的影响下发生编制而形成的岩石。它的物理性质与原岩的性质、变质作用的性质和变质程度有关（片麻岩、板岩、大理岩）。重庆科技学院石油与天然气工程学院石油工程2012级（钻井工程）第2页3.什么叫岩石力学？其研究内容是什么？研究方法有哪些？答：岩石力学是研究岩石及岩体在各种不同受力状态下产生变形和破坏的规律，并在工程地质定性分析的基础上定量地分析岩体稳定性的一门学科。岩石力学研究的内容：(1)基本原理，包括岩石的破坏、断裂、蠕变及岩石内应力、应变理论等的研究；（2）实验室试验和现场原位试验，包括各种静力和动力方法，以确定岩块和岩体在静力和动力作用下的性状及tanti内的初始应力；（3）在实际应用方面，包括地表岩石地基的稳定和变形问题、岩石边坡的稳定性等问题的研究。研究方法有科学实验和理论分析相结合的方法。4.岩石的物理性质指标主要有哪些？它们是如何定义的？答：质量密度（单位体积的质量）；重度（单位体积的重量）；相对密度（岩石的干重量除以岩石的实体积所得的量与1个大气压下4摄氏度的纯水的重度的比值）；孔隙率（孔隙体积与总体积百分比）；孔隙比（孔隙体积与固体的体积之比）；含水率（天然状态下岩石中水的重量与岩石烘干重量的百分比）；吸水率（干燥岩石试样在一个大气压和室温条件下吸入水的重量与岩石干重百分比）；饱水率（岩样在强制状态（真空、煮沸、高压）下，岩样的最大吸水重量与岩样烘干重量的百分比）；渗透性（在水压力作用下，岩石的孔隙和裂隙透过水的能力）；膨胀性（岩石浸水后体积增大的性质）；崩解性（岩石与水相互作用时失去黏结性并变成完全丧失强度的松散物质的性能）；软化性（岩石与水相互作用时强度降低的特性）；抗冻性（岩石抵抗冻融破坏的性能称为岩石的抗冻性）。重庆科技学院石油与天然气工程学院石油工程2012级（钻井工程）第3页5.岩石的容重、密度取决于何种因素？与岩石的力学性质有何相关性？答：岩石的容重、密度取决于组成岩石的矿物成分、孔隙大小以及含水量。岩石的重度在一定程度上反映出岩石力学性质的优劣，通常岩石的重度愈大，其力学性质愈好。6.岩石的比重取决于何种因素？答：岩石的比重取决于组成岩石的矿物的相对密度，岩石中重矿物越多其比重越大，大部分岩石比重介于2.50~2.80之间。7.岩石含孔隙指标与岩石力学性质有何关系？答：岩石含空隙指标值越大岩石力学性质就越差。8.岩石的吸水率取决于何种因素？与岩石力学性质有何关系？答：岩石吸水率大小取决于岩石中孔隙数量多少和细微裂隙的连通情况。吸水率愈大，岩石的力学性能就愈差。9.岩石的饱水指标与岩石的抗冻性有何相关性？答：岩石饱水指标反映岩石中张开型裂隙和孔隙的发育情况，对岩石的抗冻性有较大影响。饱水系数(吸水率与饱水率百分比)一般在0.5~0.8之间。试验表明，饱水系数91%时，可免遭冻胀破坏。10.岩石的软化、膨胀和崩解的机理是什么？它们与岩石的力学性质有何关系？答：岩石的软化机理，由于水分子进入颗粒间的间隙而消弱了颗粒间的联结造成的；崩解机理，由于水花过程中消弱了岩石内部结构的联结引起的；膨胀机理，经水化作用后相邻颗粒间产生的契劈效应，当重庆科技学院石油与天然气工程学院石油工程2012级（钻井工程）第4页契劈作用力大于结构联结力，岩石显示膨胀性。岩石的软化、崩解和膨胀性质越好，岩石力学性质就越差。11.试推导用岩石的干容重、比重和水的容重表示岩石的孔隙率和孔隙比。答：已知岩石干容重d；比重SG；水的容重据土力学公式：空隙比e=d*1SG；空隙率ene1dn1*SG12、岩石的吸水性与孔隙率有什么关系？答案：因为岩石中包含空隙，才导致岩石吸水性的存在。空隙越多，吸水性越明显。岩石的吸水率是在常温常压下进行的，水只能进入大开空隙，而小开空隙和闭空隙水不能进入，因此它与大开空隙率有关。岩石的饱和吸水率在高压(或真空)条件下浸水，一般认为水能进入所有开空隙中，因此它与开空隙率有关。13.试推导岩石吸水率与岩石大开孔隙率的关系。解：设岩石的大开空隙率bn，大开空隙体积vbv占总空隙体积vv的百分比为k，岩石相对密度为sG，则岩石吸水率aw与大开空隙率的关系表示如下：as****1*****1*1*mwmvvbvbvbsssvsvbsssbkkkvvkkvvvvGvGvGvvGn重庆科技学院石油与天然气工程学院石油工程2012级（钻井工程）第5页14.试推导岩石饱水率与岩石开型孔隙率的关系。解：通常认为，在高压条件下水能进入岩样所有敞开的空隙中。所以，由上题可知，岩石饱和吸水率与开型空隙率的关系如下（sG为岩石相对密度，bn为大开空隙率）：as*1***1*1mwmvbvbvbsssvbsssbvvvvGvGvvGn15.何谓岩石强度，取决于哪些因素？答：岩石在荷载作用下破坏时所承受的最大荷载应力称为岩石的强度。岩石的强度决定于很多因素，岩石结构、风化程度、水、温度、围压大小、各向异性等都影响岩石的强度。16.表示岩石强度的指标主要有哪些？格式如何定义的？答：岩石的强度指标主要有抗压强度、抗剪强度、抗拉强度。其中，抗压强度包括单轴抗压强度（岩石试件在单轴压力作用下所能承受的最大压力）、三轴抗压强度（岩石试件在三个方向应力作用下的强度）；抗剪强度（岩石抵抗剪切破坏的极限能力）；抗拉强度（岩石试件在单轴拉力作用下抵抗破坏的极限能力）。17.岩石的抗压、抗拉、抗剪指标试验方法各有哪些，有何优缺点？答：抗压指标试验方法有直接单轴抗压试验，普通三轴试验和真三轴试验。抗拉指标试验有直接抗拉试验（缺点：试样制备困难，且不易与拉力机固定），霹雳法（优点：简单易行，只要有普通压力机就可以进行试验）。抗剪指标试验方法有直接剪切试验（缺点：强度曲线并不是绝对严格的直线），契形剪切试验，三轴压缩试验（优点：结重庆科技学院石油与天然气工程学院石油工程2012级（钻井工程）第6页果较精确）。18.试件的大小、形状是如何影响岩石的力学性质的？原因是什么？答：试件的形状、和尺寸大小对强度的影响主要表现在高径比hd或高宽比hs和横断面积上。试件太长、高径比太大，会由于弹性不稳定提前发生破坏，降低岩石的强度。试件太短，又会由于试件端面与承压板之间出现的摩擦力会阻碍试件的横向变形，使试件内部产生约束效应，以致增大岩石的试验强度。试件横断面积减小，会相应地增大端部约束效应，因而强度也会有所提高。19.影响岩石单轴抗压强度有哪些？答：试件的形状、尺寸、加载速率、加压板与试件之间产生的摩擦力。重庆科技学院石油与天然气工程学院石油工程2012级（钻井工程）第7页岩石力学（1）一、解释下列术语（每小题4分，共28分）1.岩石的三向抗压强度：岩石在三向同时受压时每个单向分别的强度极限2.结构面：具有一定形态而且普遍存在的地质构造迹象的平面或曲面。不同的结构面，其力学性质不同、规模大小不一。3.原岩应力：岩石在地下未受人类扰动时的原始应力状态4.流变：在外力作用下，岩石的变形和流动5.岩石的碎胀性：岩石破碎后的体积VP比原体积V增大的性能称为岩石的碎胀性，用碎胀系数ξ来表示。6.蠕变：岩石在保持应力不变的条件下，应变随时间延长而增加的现象7.矿山压力：地下矿体被开采后，其周围岩体发生了变形和位移，同时围岩内的应力也增大和减小，甚至改变了原有的性质。这种引起围岩位移的力和岩体变化后的应力就叫矿山压力。二、简答题（每小题7分，共42分）1.岩石的膨胀、扩容和蠕变等性质间有何异同点？答：都是岩石形状改变的一种类型，膨胀和扩容时岩石的体积会增大，扩容和蠕变时需要受力2.岩体按结构类型分成哪几类？各有何特征？整体块状、层状、碎裂、散体3.用应力解除法测岩体原始应力的基本原理是什么？4.格里菲斯强度理论的基本要点是什么？重庆科技学院石油与天然气工程学院石油工程2012级（钻井工程）第8页5.在不同应力状态下，岩石可以有几种破坏形式？压缩破坏拉伸破坏剪切破坏6.喷射混凝土的支护作用主要体现在哪些方面？喷射混凝土的厚度是否越大越好？为什么？三、计算题（30分）1.将一岩石试件进行三向抗压试验，当侧压σ2=σ3=300kg/cm2时，垂直加压到2700kg/cm2试件破坏，其破坏面与最大主平面夹角成60°，假定抗剪强度随正应力呈线性变化。试计算：（1）内磨擦角φ；（2）破坏面上的正应力和剪应力；（3）在正应力为零的那个面上的抗剪强度；（4）假如该试件受到压缩的最大主应力和拉伸最小主应力各为800kg/cm2，试用莫尔园表示该试件内任一点的应力状态？（本题20分）重庆科技学院石油与天然气工程学院石油工程2012级（钻井工程）第9页2.岩体处于100m深，上部岩体的平均容重γ=2.5T/M3，泊松比μ=0.2，自重应力为多少？当侧压力系数为1.0时，自重应力为多少？（本题10分）重庆科技学院石油与天然气工程学院石油工程2012级（钻井工程）第10页岩石力学（2）一、根据你自己的理解，给下列术语赋予定义（每个词2分，共20分）1.真三轴压缩实验：岩石的一种三轴压缩试验，实验时σ1σ2σ32.塑性破坏：岩体在外力作用下，出现明显塑性变形后的破坏称为塑性破坏3.各向同性体：物理、化学等方面的性质不会因方向的不同而有所变化的物体4.原生结构面：岩石在成岩阶段形成的结构面5.残余变形：岩石在荷载时产生变形，卸荷载后变形只能部分恢复，不能恢复的那一部分变形称残余变形6.R、Q、D指标：7.空壁应变法：8.应力变化系数：9.膨胀地压：岩石由于浸水等原因导致体积膨胀增大所带来的地压10.采场顶板弯曲带：二、回答下列问题（每小题5分，共40分）1.什么是莫尔一库仑准则？均质岩石中的剪切破坏是否发生在剪切应力最大的面上？2.根据格里菲斯强度理论的基本观点，岩石中裂纹的扩张方向与裂纹延展方向有什么关系？与最大主应力方向有什么关系？重庆科技学院石油与天然气工程学院石油工程2012级（钻井工程）第11页3.对于含有一组节理的岩体，单轴加压方向连续变化，岩体强度会发生怎样的变化（可绘图辅助说明）？4.坚硬致密的岩体与节理裂隙极其发育的岩体处于构造形迹埋藏深度岩石类型及上履岩层的容重均相同的条件下，它们的原岩应力是否相同？为什么？5.圆形和椭圆形断面巷道的围岩应力分布有何特点（与折线形相比）？6.围岩塑性区范围的大小与支架支护反力间有怎样的关系？7.从维护围岩稳定的角度出发，怎样选择巷道的位置？8.常用的采空区处理方法有哪几种？各有哪些优缺点？三、有一横推断层，走向东西，北侧向动移动，试用莫尔强度理论确定形成断层时的最大主应力的大致方向（绘图说明）。（14分）重庆科技学院石油与天然气工程学院石油工程2012级（钻井工程）第12页四、某矿在距地表2