(完整版)岩石力学考试试题含答案

(完整版)岩石力学考试试题含答案一、名词解释（每题5分，共20分）1.岩石的蠕变答案：岩石在应力大小和方向不变的条件下，其变形随时间持续增长的现象称为蠕变。蠕变曲线一般可分为三个阶段：初始蠕变（减速蠕变）、稳态蠕变（等速蠕变）和加速蠕变（第三期蠕变）。解析：蠕变是岩石流变性质的重要表现之一。在恒定应力下，岩石变形不仅有瞬时的弹性变形，还包括随时间发展的黏性变形。理解蠕变对分析矿井巷道围岩长期稳定性、边坡长期变形等问题具有重要意义。2.岩石的强度答案：岩石在达到破坏时所能承受的最大应力称为岩石的强度。按受力方式不同，可分为单轴抗压强度、抗拉强度、抗剪强度、三轴强度等。解析：岩石强度是岩体工程设计与稳定性评价最基本的力学参数之一。由于岩石的抗压强度远大于其抗拉强度（一般为抗拉强度的10～50倍），工程上应尽量避免岩体受拉。3.岩体结构面答案：岩体中存在的一切地质界面统称为结构面，包括层面、节理、裂隙、断层、片理面、不整合面等。结构面是岩体力学性质的重要控制因素，使岩体强度显著低于岩石强度。解析：岩体与岩石的区别就在于岩体中发育有各种结构面。结构面的产状、密度、充填情况及力学性质在很大程度上决定了岩体的变形和破坏特征。4.地应力答案：地应力是指存在于地壳岩体中的天然应力，又称原岩应力或初始应力。它主要由自重应力、构造应力、温度应力等组成，是在漫长的地质历史过程中形成的。解析：地应力是地下工程开挖设计的基本依据，它决定了巷道、隧道等围岩的应力重分布状态。实测表明，构造应力在浅部往往起主导作用。二、单项选择题（每题2分，共20分）1.在岩石单轴抗压强度试验中，岩石试件的标准尺寸通常为（）。A.直径50mm，高径比1:1B.直径50mm，高径比2:1～2.5:1C.直径100mm，高径比1:1D.直径100mm，高径比2:1答案：B解析：标准试件为圆柱体，直径为50mm，高径比取2:1～2.5:1是为了减小端部约束效应的影响，使试件中部处于均匀单轴应力状态。2.下列哪种岩石的强度最高？（）A.砂岩B.石灰岩C.花岗岩D.页岩答案：C解析：花岗岩属深层酸性火成岩，矿物结晶致密，孔隙率低，因此强度显著高于沉积岩类的砂岩、石灰岩和页岩。3.岩石的泊松比是指（）。A.轴向应变与径向应变之比B.横向应变与轴向应变之比C.剪应力与剪应变之比D.应力与应变之比答案：B4.库仑（Mohr-Coulomb）强度准则中，决定岩体抗剪强度的两个参数是（）。A.弹性模量和泊松比B.粘聚力和内摩擦角C.抗拉强度和抗压强度D.法向应力和剪应力答案：B5.岩体的变形模量与岩石的弹性模量相比，通常（）。A.岩体的变形模量较大B.两者相同C.岩体的变形模量较小D.无法确定答案：C解析：由于岩体中存在结构面，在受力过程中结构面会发生闭合和滑移，使岩体的整体变形增大，故其变形模量小于岩石的弹性模量。6.格里菲斯（Griffith）强度理论的破坏判据是基于（）推出的。A.岩石内部存在微裂隙B.岩石内部的晶体滑移C.岩石的黏性流动D.岩石的孔隙压密答案：A解析：格里菲斯理论认为，脆性材料的破坏起源于材料内部随机分布的微小裂隙，在拉应力集中达到原子键强度时裂隙扩展导致破坏。7.在围岩压力计算中，普氏理论认为巷道顶板冒落拱的形状为（）。A.半圆形B.椭圆形C.抛物线形D.三角形答案：C8.岩爆发生的根本原因是（）。A.岩体强度低，围岩破碎B.岩体弹性应变能的突然释放C.地下水大量涌入D.爆破振动的累积效应答案：B解析：岩爆常发生在坚硬、完整、高地应力岩体中，开挖后围岩应力集中导致弹性应变能急剧释放，使岩块高速抛出。9.地下工程中，二次应力场是指（）。A.原始地应力场B.开挖后围岩中重新分布的应力场C.温度应力场D.构造应力场答案：B10.边坡稳定性分析中，单一平面滑动面的稳定系数通常表达式为（）。A.FB.FC.FD.F答案：C解析：平面滑动稳定的安全系数定义为抗滑力与下滑力之比，抗滑力包括滑动面上的黏聚力和摩擦力两部分。三、判断题（每题1分，共10分）1.岩石的含水率越大，其单轴抗压强度越高。答案：错误解析：水对岩石具有软化作用，含水率增大使岩石强度降低，特别是对泥质胶结的沉积岩影响更为显著。2.岩体结构面的存在会降低岩体的整体强度。答案：正确3.岩石在三轴压缩条件下，其强度和塑性变形能力均随围压的增大而提高。答案：正确4.莫尔强度理论认为，岩石的破坏只与最大主应力有关。答案：错误解析：莫尔强度理论认为破坏取决于最大主应力和最小主应力共同决定的应力圆与莫尔包络线的相对位置。5.地应力测量中，应力解除法的基本原理是测量岩体解除应力后的恢复变形。答案：正确6.巷道开挖后，围岩中的径向应力增大，切向应力减小。答案：错误解析：开挖后围岩径向应力减小，在洞壁处降为零；切向应力则在洞壁附近增大，产生应力集中。7.岩石的抗拉强度一般远大于其抗压强度。答案：错误解析：岩石抗压强度一般远大于抗拉强度，抗拉强度仅为抗压强度的1/10～1/50。8.在层状岩体中，层面与最大主应力夹角为45°～60°时最有利于岩体的稳定。答案：错误解析：当结构面与最大主应力夹角接近45°左右时，结构面上的剪应力与法向应力比值最大，最不利于岩体稳定。9.岩体的渗透性随应力增大而减小。答案：正确解析：应力增大使裂隙压缩闭合，裂隙开度减小，渗透率相应降低。10.蠕变变形是岩石在恒定应力作用下随时间不断增加的变形，最终岩石一定会发生破坏。答案：错误解析：在低应力水平下，岩石的蠕变可能只经历初始蠕变和稳态蠕变阶段而不进入加速蠕变阶段，即不发生破坏。四、简答题（每题10分，共30分）1.简述岩石力学中岩体与岩石的区别与联系。答案：岩石是指不含显著结构面的完整岩块，是构成岩体的基本组成部分。岩体是指地质体中包含各类结构面（如节理、裂隙、断层、层面等）及其切割形成的岩块所构成的整体。两者的区别主要体现在：(1)组成上，岩石为均质或近似均质的材料，岩体则为不连续介质，包含结构面；(2)强度上，岩体强度受结构面控制，通常远低于岩石强度；(3)变形上，岩体除岩石本身的变形外，还有结构面的闭合和滑移变形，故岩体变形模量较低；(4)破坏方式上，岩石以剪断、拉断为主，岩体多以沿结构面滑动和结构体转动为主。解析：常用的工程岩体分级（如BQ分级）及岩体质量评价中，区分"岩石"和"岩体"是最基本的概念前提。岩体力学的研究对象是岩体，而岩石力学参数（如室内试验确定的强度）需要通过折减才能用于岩体工程。2.简述Hoek-Brown强度准则的基本表达式及其适用条件。答案：Hoek-Brown强度准则的基本表达式为：σ其中，σ1为最大主应力，σ3为最小主应力，σci为完整岩石的单轴抗压强度，mb适用条件：(1)适用于各向同性的完整岩石或节理密集分布的岩体；(2)适用于地下开挖、边坡和坝基等岩体工程；(3)不适用于强烈各向异性的层状岩体；对于极其破碎的岩体，可将其近似视为等效连续介质后使用。解析：Hoek-Brown准则的特点是将岩体质量（通过GSI指标反映）与强度参数相联系，是目前岩体工程中应用最广泛的非线性经验强度准则。当s=1、a=3.简述围岩压力（地压）的概念及影响围岩压力的主要因素。答案：围岩压力是指在地下工程开挖后，由于围岩变形或破坏而作用于支护结构上的压力。按成因可分为变形压力、松动压力和冲击压力（岩爆）等。影响围岩压力的主要因素包括：(1)岩体条件：岩体强度、结构面发育程度及产状、岩体完整性等；(2)地应力条件：原岩应力的大小和方向，尤其是最大主应力与洞轴的关系；(3)地下水条件：水的软化、泥化和渗透作用降低岩体强度；(4)工程因素：开挖断面形状和尺寸、开挖方式、支护时机及支护刚度等；(5)时间效应：岩体的流变特性使围岩压力随时间发展而变化。解析：围岩压力的计算是地下工程支护设计的关键依据。经典理论包括普氏平衡拱理论、太沙基理论、芬纳（Fenner）弹塑性理论等，各理论的适用条件不同，需结合具体工程条件选用。五、计算题（每题10分，共20分）1.已知某岩石试件的单轴抗压强度σc=80MPa，该岩石的内摩擦角φ=35(1)该岩石的粘聚力c。(2)当围压σ3=20答案：(1)由单轴压缩破坏条件（σ3=0σ单轴条件下（σ3σ即：csin35°=c将三轴试验结果（σ3=1011602c由单轴试验求得的c=20.8MPa与三轴试验求得的若采用三轴试验数据（更可靠），取c=(2)当σ3σ若采用单轴试验数据，则：σ解析：本题的关键在于理解Mohr-Coulomb准则中单轴抗压强度与强度参数的关系。实际岩石的强度包络线通常为曲线，使用两组试验数据反算的c、φ值可能不同，工程中应采用与应力状态相近的试验数据。本题答案为取三轴数据的计算结果。2.某隧道的埋深H=400m，隧道为圆形断面，半径a=3m。岩体的平均重度(1)隧道开挖前，距地表400m处的原岩垂直应力σv和水平应力σ(2)隧道开挖后，洞壁处（r=a）的切向应力σθ答案：(1)原岩垂直应力：σ原岩水平应力：σ(2)对于圆形巷道，当λ=σσ其中p0在洞壁处（r=σσ解析：本题为经典的圆形巷道弹性解析解（Kirsch问题的静水应力特例）。洞壁处径向应力为零（满足应力边界条件），切向应力为原岩应力的2倍，即应力集中系数为2。当λ≠六、论述题（每题20分，共20分）1.试论述岩体工程中地应力测量的主要方法、原理及其各自的适用条件，并说明地应力资料在岩体工程中的应用。答案：一、地应力测量的主要方法与原理地应力测量方法按原理可分为直接测量法和间接测量法两大类。(1)直接测量法直接测量法是直接利用仪器测量岩体中的应力状态，主要有：①水压致裂法。其原理是：在钻孔中利用高压水对孔壁施加压力，当压力达到岩体抗拉强度时，孔壁产生张裂隙；根据裂隙重张压力、瞬时关闭压力等特征值确定最大、最小水平主应力。该方法的优点是不需要已知岩体的弹性参数，测试深度较大（可达数千米），可直接测量深部地应力；缺点是不能获得垂直于钻孔方向的剪应力分量，且假设钻孔方向为最大主应力方向。②扁千斤顶法。其原理是在岩体表面切割槽缝，安装扁千斤顶，通过加压使槽缝恢复原状，此时压力即为该方向的原岩应力。该方法适用于浅部开挖面或巷道壁面的应力测量，测试深度有限。(2)间接测量法间接测量法是通过测量岩体的应变或变形，再根据岩体的弹性本构关系反算应力，主要有：①应力解除法（套孔应力解除法）。其原理是：在岩体中钻一测量孔，安装应变计或位移计，然后在测量孔外围套钻大孔，使岩芯与外围岩体分离，解除应力。测量岩芯解除前后的应变增量Δε，结合岩芯的弹性模量E和泊松比ν，按弹性理论即可反算原岩应力。该方法测试精度高、技术成熟，是国内外应用最广泛的深部地应力测量方法，适用于完整和较完整的岩体。其代表方法包括：孔径变形法、孔壁应变法、空心包体应变法等。②声发射法（Kaiser效应法）。其原理是：岩石在受载过程中，当应力超过历史最大应力水平时会产生明显增强的声发射信号（Kaiser效应），通过测定岩样在实验加载时的Kaiser点可推知岩体曾受过的最大应力。该方法可用于岩体历史最大应力的估算，但只能给出应力大小的估计值，无法确定方向，且受岩样扰动影响较大。二、地应力资料在岩体工程中的应用(1)地下工程围岩稳定性分析。地应力的大小和方向决定了开挖后围岩应力重分布的规律。高地应力区的巷道应使洞轴尽量与最大主应力方向平行，以减小洞壁切向应力集中；反之，若洞轴垂直于最大主应力方向，则易产生岩爆或大变形。如我国锦屏二级水电站深埋引水隧洞的设计中就充分考虑了地应力方向与洞轴的关系。(2)岩爆预测与防治。当最大主应力较高且岩体坚硬完整时，开挖引起的应力集中可能导致岩爆。根据地应力测量结果，可对岩爆倾向性进行预测，采取合理的开挖方法和卸压措施。例如，深埋隧道施工中通过地应力实测成果，圈定岩爆高发区段并制定相应的防治预案。(3)边坡工程稳定性评价。在层状岩体边坡中，地应力的大小与方向影响结构面上的法向应力与剪应力分布，从而影响边坡的稳