岩石力学复习题.doc

一、名词解释1、岩石力学：岩石力学是研究岩石的力学性状的一门理论和应用科学，它是力学的一个分支，是探讨岩石对周围物理环境中力场的反应。 本质：力学响应2、矿山岩石力学：矿山岩石力学是研究采矿工程所影响的那一部分地壳内岩体的力学现象以及这些力学现象规律的科学。3、体力:分布在物体整个体积内部各个质点上的力，又称为质量力。包括重力、惯性力、电磁力等。4、面力：分布在物体表面上的力。如风力、流体压力、两物体间的接触力等。5、正面：外法线沿着坐标轴正方向的截面。6、负面：外法线沿着坐标轴负方向的截面。7、切应力互等性：作用在两个互相垂直的面上并且垂直于该两面交线的切应力是互等的，即大小相等，正负号相同。8、主平面:指剪应力分量为零的平面。9、主应力:作用在主平面上的正应力。10、岩石:岩石是组成地壳的基本物质。岩石是由各种造岩矿物或岩屑在地质作用下按一定规律（通过结晶联结或借助于胶结物粘结）组合而成的物质。11、岩块:岩块是指从地壳岩层中取出来的，无显著软弱面的岩石块体。如钻孔岩芯。12、岩体:岩体是指天然埋藏条件下大范围分布的、由结构面和结构体组成的地质体。13、结构面:在岩体中存在着各种不同的地质界面，这种地质界面称为结构面。如层理面、节理面、裂隙和断层等。14、结构体:由结构面所切割或包围的岩体称为结构体。15、岩石的结构:是指决定岩石组织的各种特征的总合，通常是指岩石中矿物颗粒的结晶程度，矿物或岩石碎屑颗粒的形状和大小，颗粒之间相互连结状况，以及胶结物的胶结类型等特征。16、岩石的构造:是指岩石中矿物颗粒集合体之间， 以及它与其组成部分之间的排列方式和充填方式。17、岩石的密度:是指单位体积的岩石（不包括空隙）的质量。也叫真密度。18、岩石的视密度:是指单位体积的岩石（ 包括空隙） 的质量。19、岩石的孔隙性:是指岩石中孔洞和裂隙的发育程度。20、岩石的孔隙度:是指岩石中各种孔洞、裂隙体积的总和与岩石总体积之比，常用百分数表示，故也称为孔隙率。21、孔隙比:是指岩石中各种孔洞和裂隙体积的总和与岩石内固体部分实体积之比。22、岩石的碎胀性:岩石破碎以后的体积将比整体状态下增大，这种性质称为岩石的碎胀性。23、碎胀系数:岩石破碎后处于松散状态下的体积与岩石破碎前处于整体状态下的体积之比称为碎胀系数。24、岩石的残余碎胀性:岩石破碎体压实后的体积与破碎前原始体积之比，称为残余碎胀系数。25、岩石的吸水性:是指遇水不崩解的岩石在一定的试验条件下（规定的试样尺寸和试验压力）吸入水分的能力。26、岩石的透水性:是指岩石能被水透过的性质。27、岩石的膨胀性:是指岩石遇水后产生体积增大的现象。28、岩石的软化性:是指岩石浸水后其强度明显降低的现象。29、岩石的软化系数:是指水饱和岩石试件的单向抗压强度与干燥岩石试件单向抗压强度之比。30、岩石的崩解性:是指岩石与水相互作用时失去粘结性并变成完全丧失强度而成为松散物质的性质。31、岩石强度:岩石抵抗外力破坏的能力称为岩石强度。32、极限强度：岩石发生破坏时所能承受的最大载荷叫做极限载荷，用单位面积表示则称为极限强度。33、岩石的单向抗压强度：岩石在单轴压缩荷载作用下达到破坏前所能承受的最大压应力。34、岩石的单向抗拉强度：岩石在单轴拉伸荷载作用下达到破坏时所能承受的最大拉应力。35、岩石的抗剪强度：岩石在剪切荷载作用下达到破坏前所能承受的最大剪应力。36、岩石的三向抗压强度：岩石试件在三轴压应力作用下所能抵抗的最大轴向应力（ 最大主应力s1max），称为岩石的三轴抗压强度。37、岩石的变形：是指岩石在任何物理因素作用下形状和大小的变化。38、岩石的弹性：指卸载后岩石变形能完全恢复的性质。39、岩石的塑性：指卸载后岩石变形不能完全恢复而出现残余变形的性质。40、 破坏准则：用以表征岩石破坏条件的应力状态与岩石强度参数间的函数关系，称为破坏准则（也叫破坏判据 /failurecriterion，强度准则/强度判据/strength criterion） 。是在极限状态下的“应力应力”关系。41、岩石的残余强度：岩石应力达到最大值以后，并不立即完全丧失承载能力，在完全破坏点所保持的某一较小的应力值称为残余强度。42、扩容：岩石在塑性阶段的体积膨胀称为扩容现象，它主要是由于岩石变形引起裂隙发展和张开而造成的。43、岩体结构：是指岩体中结构面与结构体形态和组合的特征。44、延性破坏：岩石破坏之前的变形很大，且没有明显的破坏载荷，表现出显著的塑性变形、流动或挤出，这种破坏称为延性破坏。45、圣维南原理：如果把物体的一小部分边界上的面力，变换为分布不同但静力等效的面力（主矢量相同，对于同一点的主矩也相同），那么，近处的应力分布将有显著的改变，但远处所受的影响可以不计。此即圣维南原理。46、脆性岩石：通常把在外力作用下破坏前总应变小于3%的岩石叫做脆性岩石。47、塑性岩石：通常把在外力作用下破坏前总应变大于3%的岩石叫做塑性岩石。48、结构面的张开度：是指结构面两壁间的垂直距离。49、岩石的流变性：指岩石在长期静载荷作用下应力应变随时间加长而变化的性质。包括蠕变、松弛、弹性后效、粘性流动。50、蠕变：应力不变，随时间延长，应变增加的现象。 松弛：应变不变，随时间延长，应力减小的现象。 弹性后效：即加载（卸载）后经过一段时间应变才增加（减少）到一定数值的现象。 粘性流动：蠕变一段时间后卸载，部分应变永久不恢复的现象。51、岩石质量指标RQD：将长度在10cm以上（含10cm）的岩芯累计长度占钻孔总长的百分比，称为岩石质量指标。52、围岩应力：在岩体内开挖地下硐室，围岩将在径向、切向分别发生引张及压缩变形，使得原来的径向压应力降低，而切向压应力升高，通常，将这种应力重分布所波及的岩石称之为围岩，重分布后的地应力状态叫围岩应力或者二次应力。53、支承压力：在岩体内开掘巷道后，巷道围岩必然出现应力重新分布，一般将巷道两侧改变后的切向应力的增高部分称为支承压力。54、地应力：指存在于地层中的未受工程扰动的天然应力。也称原岩应力、初始应力。55、原岩：指未受采掘影响的天然岩体。56、原岩应力场：指原岩应力在岩体内的分布规律。57、自重应力：指由于上覆岩层重力引起的应力。也称岩重应力。58、构造应力：指由于地质构造运动而引起的应力。59、地应力的直接测量法：指由测量仪器直接测量和记录各种应力量，如补偿应力、恢复应力、平衡应力，并由这些应力量和原岩应力的相互关系，通过计算获得原岩应力值。60、地应力的间接测量法：指借助某些传感元件或某些媒介，测量和记录岩体中某些与应力有关的间接物理量的变化，然后通过已知的公式计算出岩体中的应力值。61、逆解法：先设定各种形式的、满足相容方程的应力函数，并求出应力分量；然后再根据应力边界条件和弹性体的边界形状，看这些应力分量对应于边界上什么样的面力，从而得知所选取的应力函数可以解决的问题。62、采动影响区：一般把应力变化超过原岩应力5%的区域称为采动影响区。之外的部分称为原岩应力区。二、简答题1、简述矿山岩体力学这门学科的自身特点？（1）采深大。其它工程部门在地下开挖的巷硐大都在离地表不深的地点，而采矿工程的作业地点常在地下几百米深处，甚至达二、三千米以上。深部岩体动态与地表附近大不相同，地表附近岩体的破坏形式一般为脆性断裂，而较深处岩体则属粘塑性破坏，其次，岩体的应力状态也不相同，浅部岩体垂直应力与水平应力之差一般很明显，深部岩体却相差不甚显著。上述情况使矿山岩石力学所采用的地压计算方法和测试技术与其它工程相比有所不同。（2）地下开采过程中安设的人工支护大多是服务年限不长或维护时间较短的临时结构物，只要求其在开采期间不致破坏或适时破坏，在开采后能维持平衡状态不危害地面安全即可，而且许多工程结构物还可以随采随废。所以，在计算精度、安全系数及岩体加固等方面的要求一般均低于水利水电、交通、建筑和国防等部门的标准。（3）由于采矿作业地点必须服从于有用矿物的自然埋藏地点，使得选择地下工程建筑物的位置往往受很大限制。（4）其他工程部门中研究的对象多是开挖后即不再转移的地下硐室或隧道，而矿井的采掘工作面是不断移动的，这就要求矿山岩石力学必须考虑难以预见的复杂地质变化对工程结构带来的影响。由于大面积开采还会引起采空区上方大量岩层移动和破坏，研究这些岩层的运动、破坏和平衡规律及其控制方法，是矿山岩石力学的重要课题，这也是区别于其他应用性岩石力学学科的重要内容。2、矿山岩石力学的研究内容有哪些？（1）岩石的物理性质；（2）岩石的力学性质；（3）岩石破坏机理和岩石强度理论；（4）地下原岩体中应力状态及其分布规律；（5）岩体中地应力的测试；（6）开采后岩体变形、破坏和移动的规律；（7）巷道和采煤工作面的矿压显现规律；（8）岩石力学实验室研究手段和方法等等。3、试述弹性力学的基本假设？（1）连续性假设：假定整个物体的体积都被组成这个物体的介质所填满，不留任何空隙。（2）完全弹性假设：假定物体能完全恢复原形而没有任何剩余形变。（3）均匀性假设：假定整个物体是由同一材料组成的。（4）各向同性假设：假定物体的弹性在所有各个方向都相同。（5）小变形假设：假定整个物体所有各点的位移都远小于物体原来的尺寸，而且应变和转角都远小于1。4、请写出平面问题中的平衡微分方程？ 几何方程？5、请写出弹性力学三维问题的物理方程？答： 6、煤矿常见岩石的结构种类有哪些？（1）砾状结构 （2）砂质结构 （3）粉砂质结构 （4）泥质结构7、岩石的构造种类?（1） 整体构造岩石的颗粒互相严密地紧贴在一起， 没有固定的排列方向。 （2）多孔状构造岩石颗粒彼此相接并不严密， 颗粒之间有许多小空隙。 （3）层状构造岩石颗粒互相交替，表现出层次叠置现象（层理）。8、影响岩石抗压强度的因素有哪些？ （1）试件形状和尺寸；（2）加载速率；（3）矿物成分；（4）结晶程度和颗粒大小；（5）胶结情况；（6）试件湿度。等9、画出典型的岩石单轴压缩的全应力应变曲线，并简述各个阶段的特点？四个区段：在区段内，该曲线稍微向上弯曲；（压密阶段）在区段内，很接近于直线；（弹性阶段）区段内，曲线向下弯曲，直至点的最大值；（塑性阶段）下降段；（破坏阶段）5DE段曲线趋于水平。（残余强度阶段）10、简述岩石三向压缩的变形特点？答：（1）围压增加，岩石的强度增大；（2）围压增加，岩石的残余强度增大；（3）围压增加，岩石的塑性变形增大；（4）围压增加，岩石扩容减少，甚至不出现扩容。11、简述典型岩石蠕变的三个阶段，并画出岩石的典型蠕变曲线？答：第一蠕变阶段：过渡蠕变(AB)，应变不断增加，但应变速率逐渐减小；第二蠕变阶段：定常蠕变(BC)，应变以恒定速率增长；第三蠕变阶段：加速蠕变/不稳定蠕变(CD)，应变加速增长。12、简述岩石流变的弹塑体模型及其特点？这种模型由弹簧和干摩擦块串联而成，用于模拟理想弹塑性体，也称圣维南模型。其特点是在屈服应力以下时只有弹簧产生变形，变形大小也仅仅取决于弹簧，故整个系统是弹性的。当超过屈服应力时，摩擦块立即开始运动，整个模型进入塑性流动状态，应力不再增加，弹簧不再伸长。13、简述岩石流变的弹黏体体模型及其特点？这种模型由弹簧和黏性元件串联而成，通常用于模拟弹黏性体，也称马克斯威尔模型。其特点是在加载的瞬间整个系统表现出弹性特征，但在长时间低应力作用下又具有流变性，且不论作用的力多么小都可引起流变，以及模型内应力和流变速度随外力增加而增大。14、简述岩石流变的滞弹体模型及其特点？这种模型是由弹性元件和黏性元件并联而成，通常用于模拟滞弹性，也称开尔文模型。其特点是对系统加载时弹性变形并不立即完成，而是随时间增加而逐渐地发展；反之，系统卸载时弹性变形也不立即完全恢复，而是随着时间而缓慢地消失，即变形与应力之间在时间上有一个相对滞后的过程。15、地应力对岩体力学性质的主要影响体现在哪些方面？ （1）地应力影响岩体的承载能力； （2）地应力影响岩体的变形和破坏机制； （3）地应力影响岩体中应力传播的法则。16、按照岩体被结构面分割的程度，可将岩体结构分为哪些基本类型？（1）完整岩块，结构面间距大于1.0-1.5m；（2）块状岩体，结构面间距一般为0.5-1.0m；（3）层状岩体，岩层的单层厚度一般在0.5m以下；（4）碎裂岩体，纵横结构面间距一般均小于0.5m；（5）松散岩体，由岩石碎屑和碎块等组成。17、简述岩石的莫尔-库仑强度准则的优缺点？答：优点：（1）物理概念清楚（压剪破坏），易接受； （2）反映了岩石抗拉强度小于抗压强度； （3）能够解释岩石三向拉伸破坏、三向等压不破坏现象； （4）简单，便于应用，且比较全面反映了岩石强度特性。缺点：（1）没有考虑中间主应力s2作用，与实际情况不符； （2）理论得出的单轴抗拉强度远大于实际值，而得出的单轴抗压强度明显小于实际值，不能很好描述岩石在拉应力区和低应力区的真实强度特征； （3）关于破坏角对大多数岩石压缩条件近似，不能解释拉张破裂； （4）对膨胀岩石、蠕变岩石等强度非线显著的出入较大。18、岩体单结构面强度效应的确定思路？ （1）莫尔应力圆及其意义（岩块内任意假想斜面上的正应力与切应力）。 （2）库仑准则：面上的正应力与切应力满足准则即破坏。 （3）岩块的库仑准则：岩块内任意一个面上的正应力与切应力满足准则，即沿此面破坏。 （4）结构面的库仑准则：结构面是有倾角的（ 具体性），此结构面上的正应力与切应力满足结构面的库仑准则，结构面破坏。 （5）破坏形式：加载过程，谁先满足破坏准则，以谁形式破坏；给定应力条件，检验各自破坏条件。19、静水压力状态下，圆形硐室应力分布特点？（1）切向应力为最大主应力，径向应力为最小主应力；（2）围岩中任一点的径向应力与切向应力之和为一常数；（3）应力集中最大在硐室周边，切向应力为原岩应力的2倍；（4）影响范围为硐室半径的34倍。20、影响多孔围岩应力分布的因素有哪些？（1）孔断面的形状及其尺寸大小；（2）相邻两孔之间相隔的距离；（3）在同一水平内相邻孔的数目；（4）原岩应力场的性质和有关参数。21、 受深部静水压力的圆形巷道半径为a，试写出距圆心为r处围岩应力表达式，并画出其曲线。（a为已知数）公式为：22、简述采场周围应力分布特点？答：（1）采场周围煤体出现应力集中，采空区范围出现应力降低；（2）煤壁前方为前支承压力带，随采煤工作面推进不断变化位置；（3）工作面两侧为侧支承压力带，分布位置相对固定；（4）相邻工作面支承压力叠加影响区应力集中系数大。（5）前（侧）支承压力一般分布形式是：靠近采空区侧部分范围压力小于原岩应力，为减压区；由减压区往里为增压区；煤壁到支承压力峰值之间区域，煤体处于极限平衡状态；峰值往里压力逐渐降低，最后趋于原岩应力。23、简述构造应力的特点？答：（1）以水平压应力为主；（2）分布不均匀；（3）具有明显方向性；（4）（最大水平应力最小水平应力垂直应力）；（5）在坚硬岩层中出现较普遍。24、简述浅部地壳应力分布的一般规律？（地应力分布的基本规律？）（1）地应力是一个具有相对稳定性的非稳定应力场，它是时间和空间的函数；（2）实测垂直应力基本等于上覆岩层的重量；（3）水平应力普遍大于垂直应力；（4）平均水平应力与垂直应力的比值随深度增加而减小，但在不同地区，变化的速度很不相同；（5）最大水平主应力和最小水平主应力也随深度呈线性增长关系；（6）最大水平主应力和最小水平主应力之值一般相差较大，显示出很强的方向性。（7）地应力的上述分布规律还会受到地形、地表剥蚀、风化、岩体结构持征、岩体力学性质、温度、地下水等因素的影响，特别是地形和断层的扰动影响最大。25、地应力测量方法分为哪两类？各包括那些具体方法？答：分为直接测量法和间接测量法两类。其中直接测量法包括扁千斤顶法、水压致裂法、刚性包体应力计法和声发射法；间接测量方法包括套孔应力解除法、切槽局部应力解除法、非弹性应变恢复法、地球物理探测法等。26、简述水压致裂法的基本测量步骤，并对对水压致裂法的主要优缺点做出评价？测量步骤：A 钻孔，封隔加压段； B 多循环注水测压；C 封隔器卸压，回撤仪器；D 测量压裂裂隙和天然裂隙位置、方向。评价：（1）是一种二维应力测量方法，只能测垂直于钻孔平面内的最大主应力和最小主应力的大小和方向；（2）以岩石连续、均匀和各向同性假设为条件，适用于完整脆性岩石中；（3）能够测量深部应力。27、简述套孔应力解除法的具体步骤？答：（1）从岩体表面，一般是从地下巷道、隧道、硐室或其他开挖体的表面向岩体内部打大孔，直至需要测量岩体应力的部位。（2）从大孔底打同心小孔，供安装探头用，小孔直径由所用的探头直径决定，一般为3638mm，小孔深度一般为孔径的10倍左右。（3）用一套专用装置将测量探头如孔径变形计、孔壁应变计等安装（固定或胶结）到小孔的中央部位。（4）用第一步打大孔用的薄壁钻头继续延深大孔，从而使小孔周围岩芯实现应力解除，由于应力解除引起的小孔变形或应变由包括测试探头在内的量测系统测定并通过记录仪器记录下来。根据测得的小孔变形或应变通过有关公式即可求出小孔周围的原岩应力状态。28、简述地应力测量的重要性和高地应力区的特征？测量岩石应力状态的目的在于正确认识岩石的力学性能，阐明围岩的破坏机理，充分利用和发挥围岩的自承能力，使工程设计更加合理安全和经济，因此地应力测量尤为重要。特征：（1）岩芯饼化与地应力差有关（2）地下硐室施工过程中出现岩爆、剥离（3）隧洞、巷道、钻孔的缩径现象是高地应力区的一种标志（4）边坡上出现错动台阶（地应力卸荷导致回弹变形）（5）原位变形曲线的变化（预压缩）29、简要评价格里菲思Griffith破坏准则？答：（1）对抗拉强度推断比莫尔库仑破坏准则合理；（2）强度包络线为曲线，更切合实际；（3）不能延用至岩体破坏特征描述。三、计算题1、 矩形板边缘上均布着给定的荷载。板厚b=50mm，边AB=500mm，BC=400mm。求：（1）确定BC、DA边上为保持板的平衡必须作用的剪力； （2）相对于x,y参考坐标轴，确定板内任意一点P的应力状态。2、将某一岩石试件进行单轴压缩实验，其压应力达到28MPa时发生破坏，破坏面与水平面的夹角为60，设该岩石满足摩尔-库仑破坏准则，则：（1）试求该岩石的内摩擦角和粘聚力C，写出摩尔-库仑方程式；（2）画出此受力状态时的摩尔-库仑破坏准则示意图。解：（1）根据摩尔-库仑破坏准则知岩石破坏时的破坏面与水平面的夹角为，并由题意知，所以得岩石的内摩擦角。再由摩尔-库仑破坏准则知岩石破坏时主应力符合，由题意知岩石单轴压缩实验时，继而求得。即得摩尔-库仑方程式为。（2）3、将某一岩石试件进行单轴压缩实验，其压应力达到40MPa时发生破坏，破坏面与水平面的夹角为60设该岩石满足摩尔-库仑破坏准则，试求：（1）该岩石的内摩擦角和粘聚力C？（2）当对其进行三轴压缩实验，围压为10MPa时，轴向压应力达到多少时岩石破坏？解：（1）根据摩尔-库仑破坏准则知岩石破坏时的破坏面与水平面的夹角为，并由题意知，所以得岩石的内摩擦角。再由摩尔-库仑破坏准则知岩石破坏时主应力符合，由题意知岩石单轴压缩实验时，继而求得。（2）当进行三轴实验时，由摩尔-库仑破坏准则知岩石破坏时主应力符合，即求得，即轴向压应力达到70MPa时岩石破坏。4、5、在地下400m深处，掘进一个圆形巷道，断面半径为5m，覆盖岩层的容重，侧压力系数为1，试求：（1）求离巷道壁面2m处围岩的径向应力和环向应力大小？（2）绘出巷道顶板中线和侧壁中线处的和曲线图。解：（1）由题意知该巷道处的垂直应力，并由侧压力系数为1，得水平应力。由此得该圆形巷道处于静水压力下，此时围岩的径向应力和环向应力表达式为：再由题意知，式中原始应力，断面半径，离巷道壁面2m处围岩即为距巷道中心距离，代入上式得，。（2）6、在地下600m处，掘进一圆形巷道，断面半径为3m，覆盖岩层的容重，侧压力系数为1，试求：（1）求离巷道壁面4m处围岩的径向应力和环向应力大小？（2）绘出巷道顶板中线和侧壁中线处的和曲线图。解：（1）由题意知该巷道处的垂直应力，并由侧压力系数为1，得水平应力。由此得该圆形巷道处于静水压力下，此时围岩的径向应力和环向应力表达式为：再由题意知，式中原始应力，断面半径，离巷道壁面4m处围岩即为距巷道中心距离，代入上式得，。（2）7、设某岩体的结构体强度符合莫尔库仑强度准则，受三轴压应力作用，其中。若此岩体受、的作用方向分别为铅直和水平，而岩体内仅包括有一条节理。该节理面的，。节理对水平的倾角或为20，或为30，或为60，或为90。问：（1）不考虑节理面影响，岩体极限平衡时的?（2）在何种情况下，节理不破坏?（3）在何种情况下，节理不破坏，仅岩块破坏？（4）在何种情况下，节理破坏，且节理面与岩块的可能破裂面重合？（5）在何种情况下，岩块和节理都破坏，但岩石破裂面并不与节理面重合？解：（1）不考虑节理面影响，P71 4-35式和P116 5-18，极限平衡时（2）对于节理面当时，给定倾角下，节理均不破坏；节理对水平的倾角时，节理不破坏，对于给定条件，为或时，节理不破坏。当时，当时，节理不破坏。当时，当时，节理不破坏。（3）当或时，时，节理不破坏，仅岩块破坏；当时，；当时，时，节理总是先于岩石破坏。（4）岩石的可能破裂面与水平面的夹角（即岩石的破裂角）为即当时，且时，节理破坏，但节理面且与岩块的可能破裂面重合。（5）当或时，且时，岩块和节理都破坏，但岩石破裂面并不与节理面重合。