高等岩石力学练习题详解

岩体力学习题1、何谓岩体力学? 谈谈你对岩体力学的认识和看法。

1)岩体力学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。

2)认识和看法：对于岩体力学的认识看法，主要还是体现在其形成发展的过程以及研究对象内容所囊括的重要意义。

岩体力学的形成和发展，是与岩体工程建设的发展和岩体工程事故分不开的。

岩块物理力学性质的试验，地下洞室受天然水平应力作用的研究，可以追溯到19世纪的下半叶。

20世纪初出现了岩块三轴试验，1920年，瑞士联合铁路公司采用水压洞室法，在阿尔卑斯山区的阿姆斯特格隧道中，进行原位岩体力学试验，首次证明岩体具有弹性变形性质。

1950～1960年，岩体力学扩大了应用范围，从地下洞室围岩稳定性研究扩展到岩质边坡和地基岩体稳定性研究等。

1957年，法国的J.塔洛布尔著《岩石力学》，从岩体概念出发，较全面系统地介绍了岩体力学的理论和试验研究方法及其在水电工程上的应用。

至50年代末期，岩体力学形成了一门独立的学科。

60年代以来，岩体力学的发展进入了一个新的历史时期，研究内容和应用范围不断扩大，对不连续面力学效应和岩体性能进行了研究，取得了成果和发展；有限元法、边界元法、离散元法先后被引入，岩体中天然应力量测的加强与其分布规律不断被揭示。

岩体力学的理论基础直接来源于弹塑性力学，同时也包含了理论力学、材料力学等方面的知识，只是研究对象细化到了岩土体这一材料上，故而其研究的重要意义在于：大量岩体工程的开展必须要保证其既安全稳定又经济合理，所以要通过准确地预测工程岩体的变形与稳定性、正确的工程设计和良好的施工质量等来保证。

其中，准确地预测岩体在各种应力场作用下的变形与稳定性，进而从岩体力学观点出发，选择相对优良的工程场址，防止重大事故，为合理的工程设计提供岩体力学依据，是工程岩体力学研究的根本目的和任务。

岩体力学的发展是和人类工程实践分不开的。

起初，由于岩体工程数量少，规模也小，人们多凭经验来解决工程中遇到的岩体力学问题。

因此，岩体力学的形成和发展要比土力学晚得多。

随着生产力水平及工程建筑事业的迅速发展，提出了大量的岩体力学问题。

诸如高坝坝基岩体及拱坝拱座岩体的变形和稳定性；大型露天采坑边坡、库岸边坡及船闸、溢洪道等边坡的稳定性；地下洞室围岩变形及地表塌陷；高层建筑、重型厂房和核电站等地基岩体的变形和稳定性；以及岩体性质的改善与加固技术等等。

对这些问题能否做出正确的分析和评价，将会对工程建设和生产的安全性与经济性产生显著的影响，甚至带来严重的后果。

2、何谓岩块、岩体? 试比较岩块与岩体,岩体与土有何异同点?1）岩块：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。

2）岩体：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，是岩体力学研究的对象。

3）岩块与岩体：岩块是构成岩体的最小岩石单元体，岩体包含岩块；岩体与土：土不具有刚性的联结，物理状态多变，力学强度低等，因而也不具有岩体的结构面。

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?1）岩体分类：在工程地质分组的基础上，通过对岩体的的一些简单和容易实测的指标，将工程地质条件与岩体参数联系起来，并借鉴已建的工程设计、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方法。

2）RMR 分类指标：岩块强度、RQD 值、节理间距、节理条件及地下水Q （巴顿岩体质量）分类指标：Q 值SRFJ J J J RQD Q a r n ω⨯⨯= 式中：RQD 为岩石质量指标；J n ——节理组数；J r ——节理粗糙系数；J a ——节理蚀变系数；J w ——节理水折减系数；SRF ——应力折减系数。

J W /SRF ——表示水与其它应力存在对岩体质量的影响RQD/ J n ——为岩体的完整性；J r /J a ——表示结构面(节理)的形态、充填物特征及其次生变化程度；3）RMR 分类求法：①根据各类指标的数值，按表中A 的标准评分，求和得总分RMR 值；②按表的规定对总分作适当的修正；③用修正后的总分对照表中C 求得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(c ，φ)值。

Q 分类求法：确定各参数的数值，求得Q 值，以Q 值为依据将岩体分为9类。

4、试述围压对岩块变形、破坏及强度的影响试验研究表明：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（σ1m ）均随围压（σ3）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？1）结构面的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n V σ-∆曲线上一点的切线斜率，即：n jKn V ∂σ=∂∆ 。

结构面法向刚度的确定可直接用试验求得结构面得n V σ-∆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。

2）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 τ-∆曲线上任一点的切线斜率，即：Ks u∂τ=∂∆。

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 τ-∆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 )n r nJCS Ks JRC L =σ+φσ 式中：L 为被剪切结构面得长度；r φ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？1）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。

2）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。

1）岩体结构力学的基本原理：①岩体是经过变形、遭到破坏、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。

岩体力学室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以改变岩体结构力学效应和岩石力学性能。

⑤在岩体结构、岩石成分以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。

2）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实验、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。

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 σ和hmin σ通常都不相等。

一般来说hmin σ/hmax σ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。

1）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当法向应力较小是，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），增加了结构面得摩擦强度。

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。

2）节理面的剪切强度曲线如图所示。

当法向应力较小时，)tan(i b +=ϕστ；当法向应力较大时，C +=ϕστtan 。

10、岩石的抗压强度与抗拉强度哪个大，为什么？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=60°，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，逐渐卸除围压σ3，问围压卸到多少时，岩石试件破坏？根据公式：21m 3=(45C (45tg tg οοσσ+φ/2)+2+φ/2)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。