北京科技大学岩石力学习题及答案

第一章习题及答案

1、已知某种玢岩的块体密度为2.5×103kg，孔隙率为2.5%。求岩石的颗粒密度。

解：令岩块体积为V，岩石试件固相体积为V s，

由孔隙率n=V v

V

×100%，有V s=V(1−n)

颗粒密度ρs=m s

V s =ρ∙V

(1−n)∙V

= 2.5×103

（1−2.5%）

=2.564kg/m3

2、已知一块5cm×5cm×10cm的白云岩长方体试件受单向压缩。当载荷（单位：kN）分别

加到p1=30，p2=50，p3=75，p4=100，p5=150和p6=200时，测得试件的轴向变形量（单位：10−3cm）分别为∆l1=4.28，∆l2=7.14，∆l3=8.56，∆l4=11.43，∆l5=

17.14，∆l6=22.26，试绘出白云岩的应力应变曲线，并求它的初始弹模、切线弹模和割

线弹模。

解：试件横截面积S=5×5×10−4m2=2.5×10−5m2

试件高度L=10cm

由σ=P

S

得，

σ1=12MPa，σ2=20MPa，σ3=30MPa，σ4=40MPa，σ5=60MPa，σ6=80MPa；

由ε=∆L

L

得，

ε1=0.428×10−3，ε2=0.714×10−3，ε3=0.856×10−3，ε4=1.143×10−3，ε5=

1.714×10−3，ε6=

2.226×10−3

绘制σ−ε曲线。

初始弹性模量：E i=dσ

dε=12

0.428

×103=2.8×104MPa

切线弹性模量：E t=σt2−σt1

εt2−εt1=60−30

1.714−0.856

×103=3.497×104MPa

割线弹性模量：E s=σ50

ε50=40

1.143

×103=3.500×104MPa

3、 将某矿的页岩岩样做成边长为5cm 的三块立方体试件，分别作剪切角度为45°，55°和

60°的抗剪强度试验，施加的最大载荷相应的为22.4、15.3和12.3kN ，求该页岩的内聚力C 和内摩擦角φ值，并给出该页岩的抗剪强度曲线图。

解：剪切试验中若不考虑滚动摩擦力，则有

{τ=

T A =p A sinασ=N A =p A cosα 分别带入试验数据得：

{ τ1=p A sinα=22.4×10325×10−4×sin45°=6.34MPa σ1=p A cosα=22.4×10325×10−4×cos45°=6.34MPa { τ2=p A sinα=15.3×10325×10−4×sin55°=5.01MPa σ2=p A cosα=15.3×10325×10−4×cos55°=3.51MPa

{ τ3=p A sinα=12.3×10325×10−4×sin60°=4.26Pa σ3=p A cosα=12.3×10325×10−4×cos60°=2.46MPa

由图可知：内聚力C =2.25MPa ，内摩擦角tanφ=0.875，φ=41.18°

4、 某种岩石的两组抗剪强度试验数据为：σn1=6MPa ，τ1=19.2MPa ，σn2=10MPa ，τ2=

22MPa 。求该岩石的内聚力和内摩擦角，并估算在围压为5MPa 时的三轴抗压强度。 解：岩石破坏符合摩尔-库仑准则，即有：τ=C +σtanφ，代入两组试验数据得： {19.2=C +6tanφ22=C +10tanφ，解得{C =15MPa φ=35°

由公式k =1+sinφ1−sinφ=3.69，σc =C ∙2cosφ1−sinφ=57.63MPa ，再令σa =5MPa ，带入下式得： φ=41.18°

σ3C=k∙σa+σc=3.69×5+57.63=76.08MPa

即围压5MPa时岩石试件的三轴抗压强度为76.08MPa。

13、某岩石三轴试验时，围压为σ2=σ3=10MPa，并在围压达到64MPa时破坏，破坏面与最小主应力夹角60°。已知岩石的破坏服从库仑准则，试求：

（1）内摩擦角；（2）单轴抗压强度；（3）内聚力；（4）若该岩石在正应力为10MPa条件下进行剪切试验，抗剪强度多大？

解：（1）由α=60°，得内摩擦角φ=2α−π

2

=30°；

（2）由σ1=σ3∙1+sinφ

1−sinφ

+σc，

故单轴抗压强度σc=σ1−σ3∙1+sinφ

1−sinφ=64−10×1+sin30°

1−sin30°

=34MPa

（3）由σc=C∙2cosφ

1−sinφ，则内聚力C=σc∙(1−sinφ)

2cosφ

=34×(1−sin30°)

2∙cos30°

=9.8MPa

（4）当σ=10MPa时，

由摩尔-库仑准则有τ=C+σ∙tanφ=9.8+10×tan30°=15.6MPa

第二章习题及答案

23、做岩石试件等围压三轴试验，节理与σ3方向夹角为30°，已知C0=2.5MPa，φ0=35°，C=10MPa，Φ=45°，σ3=6MPa。求岩体三轴抗压强度、破坏面位置和强度。

解：（1）岩石破坏服从耶格尔判据，则岩石发生破坏最大应力σ1max，最小应力σ1min σ1min=2(C0+σ3tanφ0)(√1+tan2φ0−tanφ0)+σ3=12.98MPa

σ1max=σ3∙1+sinφ

1−sinφ

+C∙

2cosφ

1−sinφ

=83.22MPa

（2）判断岩石是否沿节理面破坏，求岩石发生沿节理面破坏的条件α1、α2，令σ1=σ1max，

α1=φ0

2

+

1

2

∙arcsin[

(2C0∙cotφ0+σ1+σ3)sinφ0

σ1−σ3

]=40.38°

α2=π

2

+

φ0

2

−

1

2

∙arcsin[

(2C0∙cotφ0+σ1+σ3)sinφ0

σ1−σ3

]=39.63°

由耶格尔判据可知，仅当节理面α满足α2<α<α1时，发生沿节理面破坏，由题可知，α=30°，故岩石不会发生沿节理面破坏，只能发生贯穿节理面的破坏，岩石破坏服从摩尔-库仑准则，故破坏角

θ=π

4

+

φ

2

=67.5°

三轴抗压强度σ1=σ1max=83.22MPa 破坏面上的正应力和剪应力分别为：

{σ=

1

2

(σ1+σ3)+

1

2

(σ1−σ3)cos2θ=17.3MPa τ=

1

2

(σ1−σ3)sin2θ=27.3MPa