岩体力学习题及标准答案.doc

一、绪 论一、解释下例名词术语岩体力学：研究岩体在各种力场作用下变形与破坏规律的科学。.二、简答题1从工程的观点看，岩体力学的研究内容有哪几个方面？答：从工程观点出发，大致可归纳如下几方面的内容：1）岩体的地质特征及其工程分类。2）岩体基本力学性质。3）岩体力学的试验和测试技术。4）岩体中的天然应力状态。5）模型模拟试验和原型观测。6）边坡岩体、岩基以及地下洞室围岩的变形和稳定性。7）岩体工程性质的改善与加固。2岩体力学通常采用的研究方法有哪些？1）工程地质研究法。目的是研究岩块和岩体的地质与结构性，为岩体力学的进一步研究提供地质模型和地质资料。2）试验法。其目的主要是为岩体变形和稳定性分析提供必要的物理力学参数。3）数学力学分析法。通过建立岩体模型和利用适当的分析方法，预测岩体在各种力场作用下变形与稳定性。4）综合分析法。这是岩体力学研究中极其重要的工作方法。由于岩体力学中每一环节都是多因素的，且信息量大，因此，必须采用多种方法考虑各种因素进行综合分析和综合评价才能得出符合实际的正确结论，综合分析是现阶段最常用的方法。二、岩块和岩体的地质基础一、 解释下例名词术语1、岩块：岩块是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。有些学者把岩块称为结构体、岩石材料及完整岩石等。2、波速比kv：波速比是国标提出的用来评价岩的风化程度的指标之一，即风化岩块和新鲜岩块的纵波速度之比。3、风化系数kf：风化系数是国标提出的用来评价岩的风化程度的指标之一，即风化岩块和新鲜岩块饱和单轴抗压强度之比。4、结构面：其是指地质历史发展过程中，在岩体内形成的具有一定的延伸方向和长度、厚度相对较小的地质面或带。它包括物质分异面和不连续面，如层面、不整合、节理面、断层、片理面等，国内外一些文献中又称为不连续面或节理。5、节理密度：反映结构发育的密集程度，常用线密度表示，即单位长度内节理条数。6、节理连续性：节理的连续性反映结构面贯通程度，常用线连续性系数表示，即单位长度内贯通部分的长度。7、节理粗糙度系数JRC：表示结构面起伏和粗糙程度的指标，通常用纵刻面仪测出剖面轮廓线与标准曲线对比来获得。8、节理壁抗压强度JCS：用施密特锤法（或回弹仪）测得的用来衡量节理壁抗压能力的指标。9、节理张开度：指节理面两壁间的垂直距离。10、岩体：岩体是指在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，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。11、结构体：岩体中被结构面切割围限的岩石块体。12、岩体结构：岩体中结构面与结构体的排列组合特征。13、岩体完整性系数Kv：其是指岩体纵波速度和岩块纵波速度之比的平方。14、岩石质量指标RQD：大于10cm的岩芯累计长度与钻孔进尺长度之比的百分数。二、 简答题(1) 岩体中的结构面按成因有哪几种分法？分别是什么？答：结构面的成因类型分成两种，一是地质成因类型，根据地质成因的不同，可将结构面划分为原生结构面、构造结构面和次生结构面三类；按破裂面的力学成因可分为剪性结构面和张性结构面两类。(2) 结构面的连续性有几种定义方法？如何定义？结构面的连续性反映结构面的贯通程度，常用线连续系数和面连续性系数表示。线连续性系数是指结构面迹线延伸方向单位长度内贯通部分的总和；面连续性系数是指结构面单位面积内贯通部分面积的总和。(3) 如何描述结构面的充填情况？按充填物的厚度和连续性，结构面的充填可分为：薄膜充填、断续充填，连续充填及厚层充填4类，(4) 在我国，通常将结构面分为哪几级？在工程中主要涉及到哪几级？.按结构面延伸长度、切割深度、破碎带宽度及其力学效应，可将结构面分为如下5级：I级：指大断层或区域性断层，一般延伸约数十公里以上，破碎带宽约数米至数十米及几百米以上。II级：指延伸长而宽度不大的区域性地质界面，如较大的断层、层间错动、不整合面及原生软弱夹层等。III级：指长度数十米或数百米的断层、区域性、延伸较好的层面及层间错动等。IV级：指延伸较差的节理、层面、次生、小断层及较发育的片理、 劈理面等。V级: 又称微结构面，指隐节理、微层面及不发育的片理、劈理等，其规模小，连续性差。在工程中主要涉及到III级、IV级。(5) 在我国，通常将岩体结构分为哪几类？.将岩体结构划分为5大类，即：整体状结构、块状结构、层状结构、碎裂状结构、散体状结构。(6) 通常用哪些指标评价岩体的风化程度？答：岩石的风化程度可通过定性指标和某些定量指标来表述，定性指标主要有：颜色、矿物蚀变程度、破碎程度及开挖锤击技术特征等。定量指标主要有风化空隙率指标和波速指标等。国标岩土工程勘察规范中提出用风化岩块的纵波速度、波速比和风化系数等指标来评价岩块的风化程度。(7) 怎样用软化系数评价岩体的软化？答：岩石浸水饱和后强度降低的性质称为岩石的软化性。软化性用软化系数KR表达，它定义为岩石饱和抗压强度与干抗压强度之比。当软化系数KR0.75时，岩石的软化性弱，同时也说明岩石的抗冻性和抗风化能力强，而KR23）所做的压缩试验。13、等围压试验：在三轴试验中，当侧向应力互相相等时（即12=3）所做得压缩试验。14、劈裂破坏：试件在轴向压应力作用下，由于减小或消除了端部约束，沿压应力垂直方向发生的拉裂破坏。15、对顶锥破坏：试件在轴向压应力作用下，由于试件端部横向约束，形成的锥形剪切破坏。16、端部效应：试件试验时端面条件对岩块强度的影响，其产生原因一般认为是由于试件端面与压力机板间的磨擦作用，改变了试件内部的应力分布和破坏方式，进而影响岩块的强度。17、直剪试验：将试件放在直剪仪上，试验时，先在试件上施加法向压力，然后在水平方向逐级施加水平剪力，直到试件破坏从而求得试件抗剪强度的试验方法。二、 简答题(1) 在岩石的单轴压缩试验中，试件的高径比、尺寸、加载速率怎样影响岩石的强度？答：一般说来，高径比越大，岩石的强度越低。试件尺寸越大，岩石强度越低。加荷速率越大，岩石的强度越大。(2) 请描述岩石单轴抗压强度试验的制样、试验、资料整理的过程和计算方法。答：准备至少6个取自同一地点的试件，试件用圆柱形，试件的断面尺寸，圆柱形试件尺寸直径一般D=5cm，试件的高度h=(22.5)D，试件端面应当平整光滑，两端面应平行。试验前用游标卡尺在试件不同高度位置和不同直径方向仔细测量试件直径，取平均直径作为计算直径。将试件两端抹上黄油后置于有球星压头的试验机上，试验时以每秒0.50.8MPa的加荷速率加荷，直到试件破坏，按c=P/A计算抗压强度。式中：c：岩石单轴抗压强度。P：岩石试件破坏时的荷载。A：试件的横断面面积。重复进行6次，取强度平均值。(3) 请描述岩石单轴抗拉强度劈裂法试验的制样、试验、资料整理的过程和计算方法。答：取55cm或555cm圆柱体或立方体形状试件，试验时沿着圆柱体的直径方向垫直径2mm圆形钢丝垫条置于压力机上，缓慢加压致试件受力后沿着受力方向的直径裂开，试验资料的整理可按弹性力学来解，试样为立方体时， Pmax为破坏荷载。重复试验6次，取平均值。(4) 请描述岩石点荷载试验的制样、试验、资料整理的过程和计算方法。答：以一段长度为直径11.4倍的圆柱状岩芯，在其中部对称的两点上施加点荷载至破坏，破坏方式是岩蕊通常沿纵截面，有时沿横截面被劈裂，也可以沿岩蕊的轴向在中心线上两点施加荷载使岩蕊劈裂，单轴抗拉和抗压强度计算公式如下：单轴抗拉强度计算公式：单轴抗压强度计算公式：Sc=(22.823.7)Is(50)(5) 请描述岩石倾斜板剪切试验的制样、试验、资料整理的过程和计算方法。.答：试件尺寸为10cm10cm5cm，最大的有达30cm30cm30cm的，试验时采用多个试件，在楔形剪切仪上进行试验，分别以不同的角度进行，对应于一个角度得出一组和值。=P(cos+fsin)/A=P (sin-fcos)/A绘制-曲线，当变化范围圈套时，-为一条曲线，但当0，所以其破坏准则为：把1=42MPa，3=6MPa，t=8MPa（t取绝对值）代入上式，左边=右边，刚好达到破坏。其破坏面与最大主应力之间的夹角q为：，b. 由于1+33=20+3(-8)=-40，所以其准则为：3=-t。3=-8=-t，按格里菲斯准则可判断其刚好破坏，其破坏方向为沿1的方向。(5) 已知岩体中某点应力值为：1=61.2MPa，3=19.1MPa，c=50MPa，=57，t=8.7MPa，试用莫尔库论判据和格里菲斯准则分别判断其是否破坏，并讨论其结果。解：a、用莫尔库论判据：等式不成立，所以岩体不破坏。b、用格里菲斯准则：，所以岩体要发生破坏。c、根据莫尔库伦判据岩体不破坏，而根据格里菲斯准则岩体要发生破坏。即可认为该岩体不会发生剪切破坏，但由于岩体内部存在微裂纹和微孔洞，在外力作用下，即使作用的平均应力不大，在微裂纹和微孔洞的周围将出现应力集中，并可能产生很大的拉应力，这时就要用格里菲斯准则判断是否破坏，此题可认为岩体不产生剪切破坏，但会拉裂破坏，所以此岩体将破坏。七、岩体结构面的力学性质一、解释下例名词术语1、爬坡角：剪切时结构面法向位移轨迹与水平线的夹角。即，v为垂直位移分量，u为水平位移分量。2、基本摩擦角：岩石磨光面做倾斜试验产生滑动的临界角。二、简答题(1) 帕顿(Patton)公式的理论意义是什么？答：帕顿公式的理论意义是提出了剪胀效应，即结构面起伏度的存在可增大结构面的磨擦角，即由增大至，这种效应与剪切过程中向上滑动引起的垂向位移有关。(2) 巴顿(Barton)公式是怎样建立起来的？公式中各项的意义是什么？答：巴顿对8种不同粗糙起伏的结构面进行了试验研究，提出了剪胀角的概念并用以代替起伏角，剪胀角的定义为剪切时结构面法向位移的轨迹线与水平线的夹角，即：。通过大量试验，得出的不规则粗糙起伏结构面的抗剪强度的统计关系为：式中：JRC是节理粗糙度系数。JCS是节理抗壁压强度。为基本磨擦角。三、计算题(1) 试导出帕顿(Patton)公式。解：略 (2) 已知某岩石结构面壁抗压强度为70MPa，基本摩擦角35，野外确定JRC为11，试按巴顿(Barton)公式绘出该结构面的-曲线，并试比较该曲线与库伦强度曲线的异同。解：根据Barton公式，将JRC=11，=35，JCS=70MPa代入上式得：，将=10,20,100MPa代入计算得：(Barton)(Coulomb)109.7572557.0020752017.3763914.004153024.3349421.006234030.8858828.00835037.1433135.010386043.1722242.012457049.0145349.014538054.6994356.01669060.2484163.0186810065.6779270.02075点绘出的曲线如下：从上图可以看出：Bartong公式和Coulomb公式结果接近，在低正应力时（低于JCS），Barton公式计算的剪应力高于Coulomb公式，在高正应力时，Barton公式计算的剪应力低于Coulomb公式。八、岩体的力学性质一、解释下例名词术语1、动弹模：岩体在动荷载作用下所表现出来的弹性模量。二、 简答题(1) 承压板法如何测定岩体的变形参数？ 答：先在选择好的具代表性的岩面上清除浮石，平整岩面，然后依次装上承压板、千斤顶，传力柱和变形量表等，将洞顶作为反力装置，通过油压千斤顶对岩面施加荷载，并用百分表测出岩体变形值，将应力与位移绘成变形曲线，在变形曲线上求岩体得变形模量和泊松比。(2) Hoek-Brown的经验方程是什么？各参数的意义是什么？答：其经验方程为：。式中：1、3为破坏主应力，c为岩块的单轴抗压强度。m、s为与岩性及结构面情况有关的常数，可查表求得。三、 计算题(1) 如图a，在岩石试样中存在一结构面，a. 试证明按莫尔库伦强度准则导出的强度判据为：式中C、为结构面参数。b. 当单轴压缩时，为多少值该岩石的强度最低？提示：可按图b关系导出。 .解：解：a. 由图b，在任意ABO中，化简即可得： 证毕。b. 单轴时，上式为 求1对的最小值。因此，当时，岩石强度最低。(2) 地下岩体中有一结构面，其倾角为40。当在地下200m深处开挖一洞室，如果利用上题的公式，仅考虑岩体自重应力，问该结构面在该洞室处会否滑动？(已知=26kN/m3，=0.17，结构面C=0.4MPa，=28).解：由上题公式：右边得： 计算表明，满足破坏所需要的1仅为4.743MPa，而此处的实际应力已达5.2MPa，故会滑动。此题有错误， 九、岩体中的天然应力一、 解释下例名词术语1、天然应力：人类工程活动之前存在于岩体中的应力，称为天然应力或地应力。.2、重分布应力