岩石力学重点(太原理工大学采矿0903).doc

岩石力学重点一 概念1原岩应力：指地壳岩体内某一点当前的天然应力，是工程开挖前或远离地下工程的未被扰动的原始应力。2岩石强度准则：是指在极限条件下的应力与应力之间的关系或应变与应变的关系或者说是某种应力或应力状态与其极限值之间的关系（是判断岩土工程的应力应变是否安全的准则、判据或条件）。3蠕变：即应力=const，随着时间t延长，应变增加的现象（岩石在保持应力不变的条 件下，应变随时间延长而增加的现象）5软化系数：1软化系数c=Rcw/Rcd。软化性指岩石吸水后性质変低的性质2饱水岩样抗压强度与自然风干岩样抗压强度的比值6侧应力系数：通常称=/（1-）为侧应力系数，=水平应力分量/垂直应力分量1（一 般情况） 16 应力集中系数：、是指试样中的最大等效应力与试样中部横截面上平均轴向应力的比值7地压：围岩作用在支护体上的压力8二次应力：受地下工程开挖影响，岩体内原岩应力状态被破坏后，将发生应力重分布，进而形成的应力。（次生应力，诱发应力）9弹性后效：即加载（或卸载）后经一段时间应变，才增加（或减小）到一定数值的现象10尺度效应：岩石试件的尺寸越大，则强度越低，反之越高的现象（岩石试件由于内部存在缺陷而存在尺度效应）12 比尺效应：高宽比不同，岩石强度也不同。（ 尺寸效应：）13 长时强度：对应时间趋于无穷时的强度破坏最低值（长时间作用对岩石强度有很大的影响，对于永久性岩石工程或使用寿命较长的岩石工程，应充分考虑强度的时间效应） 14 矿山压力 地下矿体被开采后，其周围岩体发生了变形和位移，同时围岩内的应力也增大和减小，甚至改变了原有的性质。这种引起围岩位移的力和岩体变化后的应力就叫矿山压力。4剪胀现象：1岩石在塑性段及峰后区的体积膨胀2岩石顺齿状节理剪切时，体积膨胀的现象15 流变在外力作用下，岩石的变形和流动（材料在缓慢变形过程中应力应变的时间效应）17岩石的三向抗压强度： 岩石在三向同时受压时每个单向分别的强度极限18 真三轴压缩实验 岩石的一种三轴压缩试验，实验时123 19塑性破坏 岩体在外力作用下，出现明显塑性变形后的破坏称为塑性破坏 20各向同性体 物理、化学等方面的性质不会因方向的不同而有所变化的物体21. 原生结构面 岩石在成岩阶段形成的结构面22 残余变形 岩石在荷载时产生变形，卸荷载后变形只能部分恢复，不能恢复的那一部分变形称残余变形23 岩石的RQD质量指标：用直径为75MM的金刚石钻头和双层岩芯管在岩石中钻进，连续取芯，回次钻进所取岩芯中，长度大于10CM的岩芯段长度之和与该回次进尺的比值，以百分数表示。二 简述题1岩石力学强度的指标主要有哪些？分别衡量什么的？p36答：岩石的强度指标主要有抗压强度、抗剪强度、抗拉强度。其中，抗压强度包括单轴抗压强度（岩石试件在单轴压力作用下所能承受的最大压力）、三轴抗压强度（岩石试件在三个方向应力作用下的强度）；抗剪强度（岩石抵抗剪切破坏的极限能力）；抗拉强度（岩石试件在单轴拉力作用下抵抗破坏的极限能力）。2岩石地下工程中稳定的定义？力学本质是什么？（p103）在地下工程（井巷）工作期限内，安全和所需最小断面得以保证，称为稳定.力学本质：1开井巷后岩体最大最危险应力（位移）岩体强度（极限位移），则自稳2开井巷后岩体最大最危险应力（位移）岩体强度（极限位移），不自稳地压支护最危险应力支护材料强度（极限位移）人工稳定地压支护最危险应力支护材料强度（极限位移）不稳定改革支护人工稳定3影响井巷稳定性的因素有哪些？（对应的解决方案有哪些？）巷道维护的目的和原则？p195因素：围岩岩性，井巷位置，所处深度，巷道轴线方位，断面形状尺寸，掘进破岩方法，掘进时间，掘进方案，巷道布置与采动影响，以及支护类型与特性井巷维护的目的首先在于保证井巷稳定性，但必须以经济合理为前提。原则：应抓住围岩应力与围岩强度二者之间，以及支护应力与支护强度二者之间的相对关系。首先应该力求降低围岩应力，增加围岩强度，以求达到第一种稳定，即靠围岩自身强度保持稳定，这种稳定又称为一次稳定。否则，不得以求其次，再依靠支护达到第二种稳定，又称为二次稳定。4岩石地下工程中支护遵循的原理是什么？基本观点是什么？原理：如果不受支护阻挡，在地下工程空间的周边的破裂岩体处于周边切向和空间轴向的双轴受力状态。通常轴向应力应该是中间主应力，若忽略它，周边的破裂岩体就相当于处于单轴受力状态。这时岩体要产生横向位移（对地下工程空间来将相当于径向位移），而支护抑制强加于它的这种横向位移，最后由岩体和支护体各自的力学特性共同决定了各自体内的应力和位移，在岩体和支护体接触面的法向则应该有相同的应力和位移。围岩-支护共同作用原理的基本观点是：1 围岩是一种天然承载结构 2合理的支护方式应该是合理充分利用围岩的自承能力3在保证安全的前提下，充分利用自承能力4途径：是支护体和围岩在相互约束的状态下共同存在5地下浅部的原岩应力的分布规律有哪些？p1061)原岩应力一般是三轴压应力状态，且受地表地形地貌、山川河流和构造的影响，其分布往往十分复杂2）三个主应力的大小一般互不相等。3）三个主应力的方向一般偏离铅垂或水平方向不大，引起偏离的主要原因是构造、岩层倾角或局部不均值影响4）原岩应力中的铅垂应力分量基本上等于由上覆岩体自重，即z=v=z，它随深度呈线性增长5)原岩应力的两个近水平应力分量分布十分复杂，因地而异，且随深度而变化；两个水平应力的平均值与铅垂应力的比值的统计规律，可以概括为：即侧应力系数与深度成呈曲线变化，越近地表平均水平应力相对高于铅垂应力；往下越相接近；一定深度之后变得小于铅垂应力6常见地压分类（按成因分为四个类型）？每个类型具有的意义？答：工程中把地压分为松弛地压：在一定范围内，滑移或塌落的岩体以重力的形式直接作用于支护体上的压力变形地压：指在大范围内岩体因变形、位移受到支护体的抑制而产生的地压。变形地压控岩体变形的性态特征，又可分为以下几种：弹性变形压力 塑性变形压力流变压力膨胀地压：由于巷道围岩膨胀而产生的压力冲击地压：又称岩爆，它是在围岩积累了大量的弹性变形能之后，突然释放出来时所产生的压力7图示并说明蠕变三阶段是什么？和各自的特点？p371初始段或瞬态段（斜率渐减），2等速段或稳态段（斜率不变），3加速段或不稳定段（斜率渐增）计算题（普氏理论，次生应力）1抗拉强度的公式是什么？巴西法p25St=2P/Dt=0.636P/DtP-劈裂载荷 D、t-试件直径、厚度2将岩石试件单轴压缩压应力达到120MPa时，即破坏，破坏面与最大主应力方向夹角60度，根据摩尔库伦准则计算1岩石内摩擦角2正应力为零时的抗剪强度（就是求C）=45+；=C+f=C+tan 增加公式Sc=2Ccos/（1 - sin）3计算原岩自重应力的海姆假说和金尼克假说的内容?和各自的公式？p85海姆假说：铅垂应力为上覆掩体的重量，历经漫长的地质年代后，由于材料的蠕变性及地下水平方向的约束条件，导致水平应力最终与铅垂应力相均衡。公式：1=2=3=gz=z金尼克假说：铅垂应力仍是自重应力z=z，而水平方向上，均质岩体相邻微元体相互受到弹性约束，且机会均等，故由虎克定律应有x=x-(y+z)/E=0y=y-(x+z)/E=0，得到自重力的水平分量为x=y=z/（1-）例题 求在自重作用下地壳中的应力状态：如果花岗岩，泊松比，则一公里深度以下的应力是多少？解：因为地壳厚度比地球半径小的多。在局部地区可以把地表看作一个半平面，在水平方向为，深度也无限。现考虑地面下深度Z处的一个微小单元体。它受到在它上边岩、土体重量的压力。在单位面积上，这个重量是，其中， 是它上面物体的体积，是物理单位体积的重量，因此： 如果单元体四周是空的，它将向四周膨胀，当由于单元体四周也都在自重作用下，相互作用的影响使单元体不能向四周扩张。即； 解之，则得：对于花岗岩，一公里深度以下的应力为：由此可见，深度每增加一公里，垂直压力增加，而横向压力约为纵向压力的三分之一。6.1 设某花岗岩埋深一公里，其上复盖地层的平均容重为，花岗岩处于弹性状态，泊松比。该花岗岩在自重作用下的初始垂直应力和水平应力分别为（）。（A）2600和867（B）26000和8667 （C）2600和866（D）2600和866.7 解答（1）垂直应力计算（2）水平应力计算其中：侧压力系数的大小与岩体的性质有关，当岩体处于弹性状态时，采用弹性力学公式；当岩体比较破碎时，采用松散介质极限平衡理论公式；当岩体处于潜塑状态时，采用海姆公式。因为本题岩体处于弹性状态，所以采用弹性力学公式，侧压力系数为所以： 可见，本题的正确答案为（B）补充题一填空题1根据试件含水量的不同，岩石重容分为干容重，天然容重，饱和容重2如果应力-应变关系不是直线 而是几何非线性，但应力-应变有着一一对应的关系，则这种岩石材料称为完全弹性3岩石抵抗外力破坏作用的能力，称为强度，常见的强度有单轴抗压强度、抗拉强度、抗剪强度。4 摩尔强度理论认为，材料内某一点的破坏取决于该点的剪应力、正应力，与中间主应力关5 岩体按结构类型分成整体块，状层，状碎裂，散体二简述题1.什么叫岩石？什么叫岩体？它们之间的区别何在？答：岩石，是组成地壳的基本物质，它是由矿物或岩屑在地质作用下按一定规律凝聚而成的自然地质体。 岩体，是指一定工程范围内的自然地质体，它经历了漫长的自然历史过程，经受了各种地质作用，并在地应力的长期作用下，在其内部保留了各种永久变形和各种各样的地质构造形迹（不整合、褶皱、断层、层里、节理、劈理等不连续面。 岩石和岩体的重要区别就是岩体包含若干连续面，岩体的强度远低于岩石强度。3.什么叫岩石力学？其研究内容是什么？研究方法有哪些？答：岩石力学是研究岩石及岩体在各种不同受力状态下产生变形和破坏的规律，并在工程地质定性分析的基础上定量地分析岩体稳定性的一门学科。岩石力学研究的内容：(1)基本原理，包括岩石的破坏、断裂、蠕变及岩石内应力、应变理论等的研究；（2）实验室试验和现场原位试验，包括各种静力和动力方法，以确定岩块和岩体在静力和动力作用下的性状及tanti内的初始应力；（3）在实际应用方面，包括地表岩石地基的稳定和变形问题、岩石边坡的稳定性等问题的研究。研究方法有科学实验和理论分析相结合的方法。4.岩石的物理性质指标主要有哪些？它们是如何定义的？答：质量密度（单位体积的质量）；重度（单位体积的重量）；相对密度（岩石的干重量除以岩石的实体积所得的量与1个大气压下4摄氏度的纯水的重度的比值）；孔隙率（孔隙体积与总体积百分比）；孔隙比（孔隙体积与固体的体积之比）；含水率（天然状态下岩石中水的重量与岩石烘干重量的百分比）；吸水率（干燥岩石试样在一个大气压和室温条件下吸入水的重量与岩石干重百分比）；饱水率（岩样在强制状态（真空、煮沸、高压）下，岩样的最大吸水重量与岩样烘干重量的百分比）；渗透性（在水压力作用下，岩石的孔隙和裂隙透过水的能力）；膨胀性（岩石浸水后体积增大的性质）；崩解性（岩石与水相互作用时失去黏结性并变成完全丧失强度的松散物质的性能）；软化性（岩石与水相互作用时强度降低的特性）；抗冻性（岩石抵抗冻融破坏的性能称为岩石的抗冻性）。5.岩石的容重、密度取决于何种因素？与岩石的力学性质有何相关性？答：岩石的容重、密度取决于组成岩石的矿物成分、孔隙大小以及含水量。岩石的重度在一定程度上反映出岩石力学性质的优劣，通常岩石的重度愈大，其力学性质愈好。6.岩石的比重取决于何种因素？答：岩石的比重取决于组成岩石的矿物的相对密度，岩石中重矿物越多其比重越大，大部分岩石比重介于2.502.80之间。7.岩石含空隙指标与岩石力学性质有何关系？答：岩石含空隙指标值越大岩石力学性质就越差。8.岩石的吸水率取决于何种因素？与岩石力学性质有何关系？答：岩石吸水率大小取决于岩石中孔隙数量多少和细微裂隙的连通情况。吸水率愈大，岩石的力学性能就愈差。9.岩石的饱水指标与岩石的抗冻性有何相关性？答：岩石饱水指标反映岩石中张开型裂隙和孔隙的发育情况，对岩石的抗冻性有较大影响。饱水系数(吸水率与饱水率百分比)一般在0.50.8之间。试验表明，饱水系数91%时，可免遭冻胀破坏。10.岩石的软化、膨胀和崩解的机理是什么？它们与岩石的力学性质有何关系？答：岩石的软化机理，由于水分子进入颗粒间的间隙而消弱了颗粒间的联结造成的；崩解机理，由于水花过程中消弱了岩石内部结构的联结引起的；膨胀机理，经水化作用后相邻颗粒间产生的契劈效应，当契劈作用力大于结构联结力，岩石显示膨胀性。岩石的软化、崩解和膨胀性质越好，岩石力学性质就越差。11.试推导用岩石的干容重、比重和水的容重表示岩石的空隙率和空隙比。答：已知岩石干容重；比重；水的容重 据土力学公式：空隙比e = ；空隙率12、岩石的吸水性与空隙率有什么关系？答案：因为岩石中包含空隙，才导致岩石吸水性的存在。空隙越多，吸水性越明显。岩石的吸水率是在常温常压下进行的，水只能进入大开空隙，而小开空隙和闭空隙水不能进入，因此它与大开空隙率有关。岩石的饱和吸水率在高压(或真空)条件下浸水，一般认为水能进入所有开空隙中，因此它与开空隙率有关。13.试推导岩石吸水率与岩石大开空隙率的关系。解：设岩石的大开空隙率，大开空隙体积占总空隙体积的百分比为k，岩石相对密度为，则岩石吸水率与大开空隙率的关系表示如下：14.试推导岩石饱水率与岩石开型空隙率的关系。解：通常认为，在高压条件下水能进入岩样所有敞开的空隙中。所以，由上题可知，岩石饱和吸水率与开型空隙率的关系如下（为岩石相对密度，为大开空隙率）：15.何谓岩