中国矿业大学北京-岩石力学试卷及答案A

《岩石力学与工程》试卷（A卷）

一、概念题（每小题5分，共4题，共20分）

1.岩体结构的基本类型及特征

岩体基本结构类型：①整体块状结构，包括整体（断续）结构、块状结构和菱块状结构；②层状结构，包括层状结构和薄层(板状)结构；③碎裂结构，包括镶嵌结构、层状碎裂结构和碎裂结构；④散体结构，包括块夹泥结构和泥夹块结构等。

1)整体块状结构：结构面稀疏、延展性差、结构体的块度大且常为硬质岩石，整体强度高，变形特征接近于各向同性的均质弹性体，变形模量、承载能力与抗滑能力均较高，抗风化能力一般也较强。

2)层状结构：岩体中结构面以层面与不密集的节理为主，结构面多闭合或微张状，一般风化微弱且结合力较弱，结构体块度较大且保持着母岩的岩块性质，故这类岩体总体变形模量和承载能力均较高。

3)碎裂结构：岩体中节理、裂隙发育，常有泥质充填物质，结合力不强，其中层状岩体常有平行层面的软弱结构面发育，结构体块度不大，岩体完整性破坏较大。

4)散体结构：岩体节理裂隙很发育，岩体较破碎，岩石手捏即碎，属于碎石土类。

2.岩石的蠕变、松弛、弹性后效和流变

蠕变：岩石材料在保持应力不变的条件下，应变随时间延长而增加的现象。

松弛：岩石材料在保持应变不变的条件下，应力随时间延长而减小的现象。

弹性后效：岩石材料在弹性范围内受某一不变载荷作用，其弹性应变滞后于应力的现象。

流变：岩石在长期载荷作用下,应力、应变随时间而变化的性质称为岩石流变性。

3.地应力

地应力是指在漫长的地质年代里，由于地质构造运动等原因使地壳物质产生了内应力效应，这种应力就称为地应力，它是地壳应力的统称。地应力是存在于地壳中的未受工程扰动的天然应力，也称岩体初始应力、绝对应力或原岩应力。

4.剪胀（或扩容）现象

沿节理面某方向剪切时，岩体在节理面的法向上出现抬高而引起体积膨胀的现象。

二、简答题（每小题10分，共3题，共30分）

1.简述浅部地壳应力分布的一般规律

1)地应力是一个相对稳定的非稳定的应力场，其是时间和空间的函数，小范围内，其变化明显，但就地区而言，变化平缓。在某些地震活跃区，地震过程中，其随时间的大小和方向会有明显变化。2)实测垂直应力基本等于上覆岩层的重量，但是其也只能作为估算值，绝对不能用来得到任意位置的准确值。3)一般两个主应力位于水平或接近水平的平面内，其与水平的夹角一般不大于30度，最大水平主应力与垂直应力的比值一般在0.5~5.5之间，大部分情况不大于2，平均水平应力与垂直应力的比值是随深度的增加而减小的。

4)地壳应力的一般规律也会受到地形、地表剥蚀、风化、岩体结构特征等的影响。

2.简述岩石力学与工程有关领域的数值分析方法

一般数值方法有：有限差分法、有限单元法、边界元法、离散单元法。有限差分法的基本特点是用差

分方程替代控制方程，通过差分网格离散求解域，结合初始条件和边界条件，求解线性代数方程组，完成问题的近似求解；有限单元法是通过有限元网格离散求解域，以物理场的分片连续代替求解域内的整体连续，建立节点位移或节点力为未知数的线性代数方程组，完成问题的近似求解；边界元法仅对求解域的边界离散，将求解域内微分方程的求解问题转化为求解域边界上的积分方程的求解问题；离散元是适合于节理岩体工程的大位移问题求解，基本思想是把求解对象按节理分割成刚体或变形体单元，基于牛顿第二定律，并结合岩体的本构关系，建立描述块体受力与运动规律的平衡方程，完成问题的近似求解。

此外，新的数值方法如非连续变形分析法、流形元、无单元法、扩展有限元等等都是岩石力学与工程有关领域内不断研究和应用的数值分析方法。

3.简述滑坡防治措施

滑坡防治是指在无法绕避滑坡地段或斜坡不稳定地段进行工程建设时所采取的防治措施，防治方法一般有：1）排水（拦截和旁引滑体以外的地表水，汇集和疏导滑体中的地下水；2）改变斜坡力学平衡条件，如降低斜面坡度、坡顶减重回填于坡脚，必要时在坡脚或其他适当部位设置挡土墙、抗滑桩或锚固等工程防治措施；3）改变斜坡岩土性质，如灌浆、电渗排水、电化学加固、增加斜坡植被等。

三、论述题（每小题15分，共2题，共30分）

1.试论述岩石应力-应变全过程各个阶段特点，并做曲线图表示。

根据岩石的变形把全应力应变曲线分为6个阶段，各个阶段的特征和反映的物理意义如下：

1)OA段，应力缓慢增加，曲线朝上凹，岩石试件内裂隙逐渐被压缩闭合而产生非线性变形，卸载后全部恢复，属于弹性变形。

2)AB段，线弹性变形阶段，曲线接近直线，应力应变属线性关系，卸载后可完全恢复。

3)BC段，曲线偏离线性，出现塑性变形。从B点开始，试件内部开始出现平行于最大主应力方向的微裂隙。随应力增大，数量增多，表征着岩石的破坏已经开始。

4)CD段，岩石内部裂纹形成速度增快，密度加大，D点应力到达峰值，到达岩石最大承载能力。

5)DE段，应力继续增大，岩石承载力降低，表现出应变软化特征。此阶段内岩石的微裂隙逐渐贯通。

6)尾段，残余强度。强度不再降低，变形却不断增大。

2.试论述Coulomb ，Mohr ，Griffith 三准则的基本原理、主要的区别及其它们之间的关系。

1）库伦：在正压力条件下将产生剪切破坏即压剪破坏，其抵抗剪切破坏的能力包括与正应力成正比的内摩擦阻力，以及与正应力无关的粘聚力，=C+tan τσϕ。库伦准则只在受压区适用，受拉区不宜使用，其源于土力学，也反映了岩石破坏一般强度性质，但是它未考虑中间主应力的影响，而且不能反映如劈、拉破坏的岩石强度特点。

2）莫尔准则不同于库伦准则，它无需假设，就是由岩石试验的莫尔包络线拟合获得的准则方程。岩石试验的结果表明，其包络线具有朝受压区张开的形式，即受拉区极限应力圆小，为受拉破坏或拉剪破坏；受压区压力越大，极限应力圆越大，为压剪破坏。因此强度可以表示成正应力的函数，=()f τσ。通常情况下，岩石强度包络线可简化为直线形式，或者拟合成双曲线、抛物线，以及双折线等，软岩更近于抛物线。莫尔准则在其试验范围内有效，简化后的莫尔准则适用范围受简化曲线形式的影响。

3）格里菲斯准则显著不同于库伦和莫尔准则，一是他讨论的是含裂纹的材料，认为材料破坏是其内部存在缺陷引起的；二是因为裂纹的存在，裂纹尖端的拉应力是决定材料强度的条件。莫尔和库伦准则里讨论的则是无缺陷均匀材料，因为格里菲斯准则考虑的是裂纹，因此不论物体的受力状态如何都会出现拉破坏。早先格里菲斯从能量的角度出发，表示平面应变条件下的能量准则：

g T =g T ——使裂纹开始扩展的拉应力，即抗拉强度；

a ——视表面破裂的应变能；

c ——裂纹长度的一半；

四、计算题（20分）

已知某地下工程岩体的勘探后得知如下资料：单轴饱和抗压强度c R =42.5MPa ；岩石较坚硬，但岩体较破碎，岩石的弹性纵波速度pr V =4500m/s 、岩体的弹性纵波波速pm V =3500m/s ；工作面潮湿，有的地方出现点滴出水状态：有一组结构面，其走向与巷道轴线夹角大约为25度、倾角为33度；没有发现极高应力现象。按我国工程岩体分级标准（GB50218-94），计算确定该岩体基本质量级别和考虑工程基本情况后的级别。

岩石完整性系数2pm v pr V K V ⎛⎫= ⎪ ⎪⎝⎭

岩体基本质量指标2BQ=903250903250368.73pm c v c pr V R K R V ⎛⎫++=++⨯≈ ⎪ ⎪⎝⎭

岩石较坚硬但岩体较破碎，查表可知该岩体基本质量级别属于III 级。

工程岩体等级[]()123BQ =BQ 100K K K -⨯++

其中，1K —地下水影响修正系数；2K —结构面影响修正系数；3K —原岩应力条件影响修正系数；