岩体力学-复习资料

1三、简答题1.简述影响岩石单轴抗压强度的主要因素。答：（1）承压板队单轴抗压强度的影响承压板的影响主要反映在以下几方面：试件与承压板之间的摩擦力；当承压板的刚度很大时，其接触面的应力分布很不均匀，呈山字型；当承压板的刚度较小，呈柔性钢板时，则岩石断面的应力分布为抛物线形。这将影响整个试件的受力状态。因此，应该尽可能采用与岩石刚度相接近的材料。（1分）（2）岩石试件尺寸及形状对单轴抗压强度的影响形状影响：方形试件的四个边角会产生很明显的应力集中现象，这将影响整个试件在受力后的应力分布状态。且加工困难，不易达到有关加工精度的要求，因此尽量选用圆柱形试件。尺寸影响：研究表明，岩石试件直径在大于最大矿物颗粒直径的10倍以上，强度比较稳定，因此，一般取试件直径5cm且直径大于最大矿物颗粒直径的10倍的岩石试件作为其标准尺寸。③岩石试件的高径比：经反复研究，当h/d≥（2－3）时强度已趋于稳定，因此国际上一般采用高径比为2:1的试件。（2分）（3）加载速率的影响岩石的强度一般随加载速率的提高而提高，在很高的速率下，如冲击等试验求得的强度甚至可以达到数倍慢速率的结果。我国一般将速率控制在0.5~1MPa/s之间，且按岩石的软硬不同可取不同的加载速率。（1分）（4）环境对强度的影响①水的影响，含水量越多强度越低，对软岩表现得更为明显。②试验一般是在常温下进行的，温度对强度的影响不大，但在加温下，可使矿物结晶水份发生变化，使强度降低（1分）1.写出3种基本岩石力学模型代表物理元件名称、变性特征、本构方程和应力应变图形。答：（1）弹性介质模型弹性变形通常用一个具有一定刚度的弹簧来表示。如图所示，它将表现岩石的应力——应变在卸载时可恢复且呈线性关系的特性。表达式：E（1分）（2）塑性介质模型利用一个滑块在平面上滑动来表征岩石的塑性变形。当作用在滑块上的外力超出屈服应力时，滑块将产生滑动。滑动量即为塑性变形量。塑性变形可分为两类，理想塑性和硬化塑性，其本构方程分别为：（2分）k—塑性硬化系数（3）粘性介质模型持续增长000k/00002通常用一个阻尼器来表征一个岩石的粘性，阻尼器是一个封闭的容器，内充满了具有粘滞系数的液体，容器中有一带有圆孔的活塞。当外载荷作用在容器两端时，由于液体具有瞬时不变性，使得活塞不会立即产生变形。随着时间的推移，液体将从活塞的圆孔中流出产生与时间有关的应变。一般用牛顿粘性体定律来描述应变与时间的关系。其表达式如下：（2分）η—粘质系数。3简述埋深圆形洞室（λ=1）弹塑性分布二次应力状态分布的主要特征？答：1）当开挖后，洞壁的切向应力Cp02时，洞周将产生塑性区。（1分）2）在λ=1条件下，塑性区是一个圆环。塑性区内的应力prp，将随r的增长而增大，且塑形区内的应力应该满足Crpp。在r=Rp处为塑性区的边界，塑性区边界上的径向应力将影响弹性区的应力、位移和应变的计算。（2分）3）当rRP时，将进入弹性区，由于塑性区的存在将限制弹性区内的应力、位移和应变的发生，因此，与无塑性区的二次应力状态相比较，各计算式中增加了由于塑性边界上的径向应力σR0的作用所引起的增量。但是，其分布规律与纯弹性分布大致相同，而仍可用02pr来校核计算结果。（2分）4简述岩石试件在单轴压缩时的破坏形态及其原因？答：（1）圆锥形破坏由于试件端面与承压板之间的摩擦力，使试件端面部分形成了一个箍的作用，而这一作使得试件的端部形成压应力的三角形区域，而其他区域内表现为拉应力。在无侧限的条件下，由于侧向的部分岩石可自由地向外变形、剥离，最终形成圆锥形破坏的形态。（3分）（2）柱状劈裂破坏由于柱状劈裂破坏是在试验过程中消除了试验机所给予端面的影响，因此，它是岩石在单轴压缩应力作用下自身所具有的破坏特性，是岩石单向压缩破坏的真实反映。（2分）5简述分析岩石流变的各个阶段特征。解：典型的软岩流变全过程如下图所示，分三个过程来描述：题5题6dtddtd或者31)初始蠕变阶段（瞬变蠕变阶段AB）特点：①有瞬时应变0（OA）;②应变率随时间增长而减小；③卸载后，有瞬时恢复变形，后弹性后效。弹性后效，变形经过一段时间后，应变逐渐恢复的现象。（1分）2）稳定蠕变阶段(BC)(较长)特点：①应变与时间的关系近似直线变化，应变速率为一常数；②若卸载，有部分应变将逐渐恢复，存在不可恢复的永久的变形。（2分）3)非稳态蠕变阶段(蠕变破坏阶段)特点：①应变速率剧烈增加；②整个曲线呈上凹型；③经过短暂时间后，试件将发生破坏，一般来讲此阶段比较短暂。（2分）6.绘图说明典型的岩石应力-应变曲线有哪些？答：OA阶段：通常被称为压密阶段，其特征是应力-应变曲线呈上凹型，应变随应力增加而减小（0.5）；（2）AB阶段：也就是弹性变形阶段这一阶段应力-应变曲线基本呈直线，若在这一阶段卸载的话，其应力可以恢复（0.5）；这一阶段常用弹性模量和泊松比两个参数表示，弹性模量是用应力-应变直线段的斜率来表示，泊松比是指在弹性阶段中岩石的横向应变和纵向应变之比值（0.5）。B点是该岩石的屈服点（0.5）。（3）BC阶段：也被称作塑性阶段，当应力值超过B点（屈服应力）之后，随着应力的增大曲线呈下凹状，明显的表现出应变增大的现象（0.5），岩石产生明显的不可逆的塑形变形，应变速率也同时增大（0.5）。7.简述格里菲斯强度理论的基本思想？答：（1）在脆性材料的内存在许多随机分布的裂纹，在外力的作用下裂纹的尖端附近产生很大的应力集中，当所聚集的能量达到一定值时，裂纹将开始扩展（1分）；由此可见，脆性材料中裂纹的存在时裂纹的开裂、扩展乃至破坏的首要条件（1分）。（2）随着作用的外力的逐渐增加，裂纹将沿着与最大拉应力成直角的方向扩展。在单轴压缩的情况下裂纹尖端附近处为最大拉应力（1分）。最后逐渐向最大主应力方向过渡，即平行于最大主应力的方向扩展。（1分）（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（1分）。8.简述孔底应力解除法的原理和测试步骤。答：原理:在应力解除之前，先测出岩体的初始应变，然后再解除应力，同时测出解除应力后的应变。假定岩体为均质、连续、完全弹性体，则前后的应变差值是4由于初始应力解除引起。因此可以根据应变值和广义虎克定律求出初始值。（2.5分）具体步骤：（1）钻孔至预定深度，取出岩芯；（2）孔底磨平，打光，用热风吹干，再用丙酮擦洗孔底；（3）安装应变片，记录初读数；（4）利用套钻钻进，并取出岩芯；（5）测出解除后的应变值，测定岩石的弹性模量。（2.5分）9.绘制岩体的应力-应变曲线，并根据它确定岩体的变形模量E0和弹性模量E？10.不同种类岩石的变形特性的应力-应变曲线大致归纳为四种类型，绘画这四种类型曲线，并加以说明。答：（1）直线型曲线。如图（a）所示，该类曲线主要描述具有很明显的弹性特性的岩石（0.5分）。（2）下凹形曲线。如图（b）所示，该曲线主要反映具有较明显的塑性变形的岩石（0.5分）。（3）上凹形曲线。如图（c）所示，该曲线主要反映具有较大的孔隙又比较坚硬的岩石（0.5分）。（4）S形曲线。如图（d）所示，该曲线主要表征呈弹塑性的岩石（0.5分）。（3分，错画2个包括2个以下得2分，错画3个得1分）图P2511.绘图并说明典型的岩石蠕变曲线有哪些基本特征？答：（1）AB阶段，被称作为瞬态蠕变阶段，此时的应变速率将随时间的增长逐渐减小，蠕变曲线呈下凹型，并向直线状态过渡（0.5分）；PQ阶段：在此阶段若卸去外载荷，则最先恢复的是岩石的瞬时应变（0.5分）；之后，随着时间的增加，其剩余应变也能逐渐恢复，如QR段，QR段曲线的存在说明岩石具有随时间的增长应变逐渐恢复的特性——弹性后效（0.5分）。（2）BC阶段，被称作为稳定蠕变阶段，这一阶段应变与时间的关系近似呈直线变化（0.5）。如在这阶段也将外载荷卸去，则同样会出现与第一阶段卸载时一样的现象，但此时存在部分不能恢复的永久变形（0.5分）。（3）C点以后阶段，为非稳定蠕变，C点之后岩石的应变速率剧烈增加，整个曲线呈上凹型，C点称为蠕变极限应力（0.5）。（图同题5）分）。（则变形模量即为），，定其坐标（应变曲线上取一点，确从应力变形）的应变和岩体永久变形（残余应变分别为岩体弹性变形的和式中，分）来确定：变形模量可用下面公式分）为岩石的弹性模量。（，则从而可求平均值，卸载曲线可以确定几个应变曲线上，根据几条在岩体的应力分）得应变曲线。（正确绘制曲线为岩体应力解：图中5.0/1(2)(tan1b0npepeE512.简述浅部地壳中地应力分布的一些规律。答：通过理论分析、地质调查和大量的地应力测量资料的分析，已经初步认识到浅部地壳地应力分布的一些规律：（1）岩体初始应力场是时间和空间的函数；（2）实测垂直地应力基本上等于上覆岩层的重量；（3）水平地应力普遍大于垂直地应力；（4）平均水平地应力和垂直地应力的比值随着深度增加而减小；（5）水平主应力随着深度的加呈线性增长；（6）两个水平主应力一般相差较大。（每答对一条得1分）13.绘图并简单说明岩体的应力-应变曲线？分）得应变曲线。（正确绘制曲线为岩体应力解：图中1b岩体的应力-应变曲线：第一段I曲线上凹，开始的曲率较大，是由于节理闭合和充填物的变形造成的，是非线弹性（很短）；第二段II直线——线弹性（较短）；第三段III曲线下凹—塑性变形或破坏，至A3点（较长）体积增大。整条曲线“S”形（每答对1个要点得1分）。（图同题9）四、计算题1.有一个5cm×5cm×10cm试样，其质量为678g，用球磨机磨成岩粉并进行风干，天平称得其质量为650g，取其中岩粉60g作颗粒密度实验，岩粉装入李氏瓶前，煤油的读数为0.5cm3，装入岩粉后静置半小时，得读数为20.3cm3，求：该岩石的天然密度、干密度、颗粒密度、岩石天然孔隙率（不计煤油随温度的体积变化）。2.马克斯韦尔模型是用弹簧和粘壶串联而成的，它所表现的是具有弹性特征和粘性特征相组合的应力与应变关系的模型，是根据该模型推导能反映岩石应力松弛特性的公式？。。。。）（。。）（。。岩石的天然孔隙率分颗粒密度分干密度分天然密度分）即可，若没写完全只得（上述等式写出分）（，答：已知19.1410003.360.211001100n)1(/03.38.1960'')1(/60.2250650m)1(/712.2250678m5.0',',mV,18.195.03.20',60,650,678mcm2501055d33sd3s'3svdssssssVVcmgVmcmgVcmgVVmgVgmgmgVvvvvvevedtdEdt。。。。。粘壶的应变速率：分）弹簧的应变速率：分答：d5.0()1(;eve63.凯尔文模型是用弹簧和粘壶并联而成的，它可表现具有粘弹性的岩石在恒定的应力—应变与时间的变化规律，试根据该模型推导能反映岩石弹性后效变形特性的公式？答：根据两个基本力学模型并联的力学特性，当外力作用于模型的两端时，两个模型应变相等，而应力为弹簧所受应力与粘壶所受的应力之和，即4.设平巷的掘进条件为：掘进宽度2a=4.2m，高度H=2.8m，顶板岩石容重31/24mKN，内摩擦角721，两帮岩石容重及内摩擦角分别为32/22mKN，641。试用曾氏理论确定巷道的顶部围岩压力、巷道顶部测压和底部测压？)1)(11E0)5.0(1(0)1(dd0000000ve分（代入原方程得分）（，，有边界条件条件可知：则分）；当应力保持不变时：分由此可得：。。。EtECtCtdtdEdtEdtvevv)texp()exp(C,t1)exp(CE00t)1()(exp