岩体力学作业与答案

岩体力学习题姓名：蒋超学号：120110443专业：地质工程1、何谓岩体力学?谈谈你对岩体力学的认识和看法。答：岩体力学（rockmassmechanics）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。岩体力学的研究对象是各类岩体但服务对象则涉及到许多领域和学科。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：岩块是指不含显著结构面得岩石块体，是由具有一定结构构造的矿物（含结晶和非结晶的）集合体组成的。它是构成岩体的最小岩石单元体。岩体是指在地质历史过程中形成的，由岩石单元体（或称岩块）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。岩块是构成岩体的最小岩石单元体，它不含显著的结构面。岩体中则存在各种各样的结构面及不同于自重应力的天然应力场和地下水。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容易实测的指标，把工程地质条件和岩体力学性质参数联系起来，并借鉴已建工程设计、施工和处理等方面成功与失败的经验教训，对岩体进行归类的一种工作方法。RMR分类（岩体地质力学分类）系统由岩块强度、RQD值、节理间距、节理条件及地下水5类指标组成。Q(巴顿岩体质量分类)指标为RQD(岩石质量指标)、节理组数（Jn）、节理粗糙系数(Jr)、节理蚀变系数(Ja)、节理折减系数(Jw)、应力折减系数（SPF）。RMR分类时根据各类指标的数值，按岩体地质力学分类表的标准评分，求和得总分RMR值。然后按节理方向修正评分值及节理走向和倾角对隧道开挖的影响的规定对总分作适当的修正。最后用修正后的总分对照按总评分值确定的岩体级别及岩体质量评价表求得所研究岩体的类别及相应的无支护地下洞室的自稳时间和岩体强度指标（粘聚力和内摩擦角）值。Q分类时，根据6个参数的实测资料，查表确定各自的数值。然后代入公式：rwnaRQDJJQJJSRF求得岩体的Q值，以Q值为依据将岩体分类。4、试述围压对岩块变形、破坏及强度的影响答：试验研究表明：有围压作用时，岩石的变形性质与单轴压缩时不尽相同。具体影响为：首先，破坏前岩块的应变随围压增大而增加；其次，随围压增大岩块的塑性也不断增大，且由脆性逐渐转化为延性。围压对岩块变形模量的影响常因岩性不同而异，通常对坚硬少裂隙岩石的影响较小，而对软弱多裂隙岩石的影响较大。总的来说，随围压增大，岩块的变形模量和泊松比都有不同程度的提高。岩块在三轴压缩条件下的破坏方式在很大程度上受围压的控制，随围压的增大，岩块从脆性劈裂破坏逐渐向塑性流动过渡，破坏前得应变也逐渐增大。围压对岩块强度的影响主要表现在，各种岩石的三轴压缩强度（1m）均随围压（3）的增加而增大。此外，围压还影响岩块的残余强度。当围压为零或很低时，应力达到峰值后曲线迅速下降至接近于零，岩块残余强度很低，而随围压增大，其残余强度也逐渐增大，直到产生应变硬化。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：构面得法向刚度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，数值上等于nV曲线上一点的切线斜率，即：njKnV。结构面法向刚度的确定可直接用试验求得结构面得nV曲线后，在曲线上求。具体试验分为室内压缩试验和现场压缩试验。结构面得剪切刚度Ks是反映结构面剪切变形性质的重要参数，其数值等于峰值前u曲线上任一点的切线斜率，即：Ksu。结构面得剪切刚度可以通过室内和现场剪切试验确定。通过室内或现场剪切试验求得u曲线，然后在曲线上求得结构面得剪切刚度。此外，巴顿和乔贝根据打量的试验资料总结分析，并考虑到尺寸效应，提出了剪切刚度Ks的经验估算公式如下：100tan(lg)nrnJCSKsJRCL式中：L为被剪切结构面得长度；r为结构面得残余摩擦角。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：原位岩体试验对岩体的扰动小，尽可能的保持了岩体的天然结构和环境状态，且考虑了岩体的结构及结构面对岩体力学性质的影响。而岩块试验中的试件往往经过加工，受扰动程度大，从而破坏了岩块原来的天然结构和所处的环境状态。因此原位岩体试验成果较室内试验更符合实际。岩体的变形性质与岩块有显著的差别。一般情况下，岩体比岩块易于变形，其强度也显著低于岩块的强度。岩体的变形性质一方面取决于它的受力条件，另一方面还受到岩体的地质特征及赋存环境的影响。其影响因素包括岩块的性质；结构面得发育特征及其性质和岩体的地质环境条件，尤其是天然应力及地下水条件，因此岩块的变形性质仅是影响岩体变形性质的一个因素。结构面的影响是岩体的变形性质不同与岩块的本质原因。7、试述岩体结构控制论的基本原理及其实际意义。答：岩体结构力学基本原理：1）．岩体是经受过变形、遭受过破坏、由一定的岩石成分组成、具有一定的结构和赋存于一定的地质环境中的地质体。岩体力学是研究环境应力改变时岩体产生再变形和再破坏规律、理论和应用的科学。2）．岩体在结构面控制下形成有自己独特的多种类型的不连续结构。岩体结构控制着岩体变形、破坏及其力学性质。3）．岩体结构控制论是岩体力学基础理论，岩体结构力学效应是岩体力学的力学基础，岩体结构分析方法和结构力学分析方法是岩体结构力学研究的基本方法。4）．岩体赋存于一定的地质环境中。岩体赋存环境条件可改变岩体结构力学效应和岩石力学性能。5）．在岩体结构、岩石成分及环境应力条件控制下，岩体具有多种力学介质和力学模型，岩体力学是由多种介质力学构成的力学体系。实际意义：运用岩体结构控制论中关于岩体变形机制、破坏机制以及岩体力学性质的理论可以指导岩体力学试验、岩体力学分析、岩体改造，指导工程设计。8、试述岩体中水平天然应力的基本特点。答：（1）岩体中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应力大于铅直应力，特别是在前寒武纪结晶岩体中，以及山麓附近和河谷谷底的岩体中，这一特点更为突出。（3）岩体的两个水平应力hmax和hmin通常都不相等。一般来说hmin/hmax比值随地区不同而变化于0.2～0.8之间。（4）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。在很单薄的山体中，甚至可出现水平应力为零的极端情况。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,作出节理面的剪切强度曲线。答：这类结构面得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。其剪切强度特征为：（1）当法向应力较小时，在剪切过程中，上盘岩体主要是沿结构面产生滑动破坏，这时由于剪胀效应（或称爬坡效应），增加了结构面的摩擦强度。（2）随着法向应力增大，剪胀越来越困难。当法向应力达到一定值后，其破坏将由沿结构面滑动转化为剪断凸起而破坏，引起所谓的啃断效应，从而也增大了结构面的抗剪强度。当法向应力较小时，tan()bi=1.428；当法向应力较大时，tanC=100.839；当剪断突起的最大法向应力116.977tantanabCMPi节理面的剪切强度曲线如下图所示。10、岩石的抗压强度与抗拉强度哪个大，为什么？答：岩石的抗拉强度远低于它的抗压强度。原因在于岩石中包含有大量的微裂隙和孔隙，直接削弱了岩块的抗拉强度。相对而言，空隙对岩块抗压强度的影响就小得多，因此，岩块的抗拉强度一般远小于其抗压强度。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，C=10116.977逐渐卸除围压σ3，问围压卸到多少时，岩石试件破坏？答：根据公式：21m3=(45C(45tgtg将C=50Mpa,Φ=600,σ1=700Mpa代入上式，求得此时围压σ3=23.464Mpa因此，当围压由50Mpa卸至23.5Mpa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。答：库仑—纳维尔判据：23122(1)1Cffff式中f=tgΦ,将σ3=-11.4Mpa，C=30Mpa,tgΦ=1.54代入上式中，可得σ1m=72.68Mpa。而此时岩石中的应力状态为σ1=61.2Mpa，由于σ1m=72.68Mpaσ1=61.2Mpa，因此岩石试件不会破坏。格里菲斯判据：其主应力表达式为：当13+30时，21313-)8+t；当13+30时，3t；将σ1=61.2Mpa，σ3=-11.4Mpa代入13+3中，可得13+3=61.2Mpa+3*（-11.4Mpa）=27Mpa0，所以用第一个式子判定，将σ1=61.2Mpa，σ3=-11.4Mpa代入21313-)+中，求得21313-)+=105.84Mpa，而σt=-8.7Mpa，所以8t=-69.6Mpa，可知21313-)+8t，因此岩石在该点破坏。由于库仑—纳维尔判据适用于坚硬、较坚硬的脆性岩石产生剪切破坏的情况，而不适用于拉破坏，而格里菲斯判据则认为材料的破坏是由于其中存在的微裂纹或孔洞在局部拉应力作用下产生扩展，联合的结果，适用于脆性岩石的拉破坏情况，因此，该岩石试件用格里菲斯判据更为准确，即岩石在该点应力状态下会破坏。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）；岩块强度曲线051015202530012345678910σ（Mpa）τ（Mpa）岩体强度曲线0123456012345678910σ（Mpa）τ(Mpa)结构面强度曲线00.511.522.53012345678910σ(Mpa)τ(Mpa)（2）绘出该岩体Cm和φm随法向应力变化的曲线（法向应力范围为0—2.5Mpa）；Cm随正应力变化曲线00.10.20.30.40.50.60.70.800.511.522.5σ(Mpa)τ(Mpa)Φm随正应力变化曲线0102030405060708000.511.522.5σ(Mpa)φm(°)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）答：存在的问题：围岩重分布应力计算，围岩压力计算，围岩的变形与破坏、围岩抗力及极限承载力。基本思路：首先进行工程地质调查，研究岩块、岩体的地质与结构特征，了解岩体的成因、空间分布、结构面发育情况、地下水运移规律，特别是灰岩中容易出现的溶洞等。然后进行现场试验和室内试验，进行岩块力学试验、原位试验、天然地应力测量、岩体监测等，为后续计算提供必要参数。再进行数学力学计算，建立岩体力学模型、预测岩体隧道开挖后的变形与稳定性，为设计和施工提供依据，如围岩压力、围岩抗力系数、极限承载力等。