岩石力学复习思考题2020春.doc

1、岩石力学复习思考题参考答案第一章 岩石的物理力学性质1. 名词解释：岩石、岩石结构、岩石构造，岩石的密度、块体密度、颗粒密度、孔隙性、孔隙率、渗透系数、软化系数、岩石的膨胀性、岩石的吸水性，扩容、弹性模量、变形模量、泊松比、脆性度、尺寸效应、常规三轴试验、真三轴试验、岩石三轴压缩强度，流变性、蠕变、松弛、弹性后效、岩石长期强度、强度准则。岩石：是由各种造岩矿物或岩屑在地质作用下按一定规律组合而形成的多种矿物颗粒的集合体，是组成地壳的基本物质。岩体：是相对于岩块而言的，是指地面或地下工程中范围较大的、由岩块（结构体）和结构面组成的地质体。岩石结构：是指岩石中矿物颗粒的大小、形状、表面特征、颗粒相

2、互关系、胶结类型特征等。岩石构造：是指岩石中不同矿物集合体之间及其与其他组成部分之间在空间排列方式及充填形式。岩石的密度：是指单位体积岩石的质量，单位为 kg/m3。块体密度：是指单位体积岩石（包括岩石孔隙体积）的质量。颗粒密度：是岩石固相物质的质量与其体积的比值。孔隙性：把岩石所具有的孔隙和裂隙特性，统称为岩石的孔隙性。孔隙率：岩石试件中孔隙体积与岩石试件体积之比渗透系数：岩石渗透系数是表征岩石透水性的重要指标，渗透系数 K 在数值上等于水力梯度为 1 时的渗流速度，单位为 cm/s 或 m/d。软化系数：软化系数 KR 为岩石试件的饱和抗压强度s cw (MPa)与干抗压强度s c (MP

3、a)的比值。岩石的膨胀性：是指岩石浸水后发生体积膨胀的性质。岩石的吸水性：岩石在一定的实验条件下吸收水分的能力，称为岩石的吸水性，其吸水量的大小取决于岩石孔隙体积的大小及其敞开或封闭的程度等。扩容：是指岩石在外力作用下，形变过程中发生的非弹性的体积增长。弹性模量：是指在单向压缩条件下，弹性变形范围内，轴向应力与试件轴向应变之比，即E = s e 。变形模量：是指岩石在单轴压缩条件下，轴向应力与轴向总应变（为弹性应变e e 和塑性应变e p 之和）之比。泊松比：在单向载荷作用下，横向应变( e x = e y )与轴向应变( e z )之比。脆性度：通常把抗压强度与抗拉强度的比值称为脆性度， n

4、 = sc st尺寸效应：岩石试件的尺寸越大，则强度越低，反之越高，这一现象称为尺寸效应。常规三轴试验：常规三轴试验的应力状态为s1 s 2 = s3 0，即岩石试件受轴压和围压作用，试验主要研究围压（s2 = s3 ）对岩石变形、强度或破坏的影响。真三轴试验：真三轴试验的应力状态为s1 s 2 s3 0 ，即岩石试件在三个彼此正交方向上受到不相等的压力，试验的主要目的是研究中间主应力（s 2 ）的影响。岩石三轴压缩强度：是指岩石在三轴压缩荷载作用下，试件破坏时所承受的最大轴向压应力。流变性：是指介质在外力不变条件下，应力或应变随时间而变化的性质。蠕变：是指介质随在大小和方向均不改变的外力作用

5、下，介质的变形随时间的变化而增大的现象。松弛：是指介质的变形(应变)保持不变时，内部应力随时间变化而降低的现象。弹性后效：是指对介质加载或卸载时，弹性应变滞后于应力的现象。其是一种延迟发生的弹性变形和弹性恢复，外力卸除后最终不留下永久变形。岩石长期强度：岩石的强度是随外载作用时间的延长而降低，通常把作用时间 t 的强度（最低值） S 称为岩石长期强度。强度准则：它表征岩石破坏条件的应力状态与岩石强度参数间的函数关系，一般可以用破坏条件下(极限应力状态)的应力间关系s1 =f (s2 , s3 ) 或t =f (s ) 来表示。通过强度准则判断岩石在什么样应力、应变条件下破坏。2. 岩石结构与岩

6、石构造有何区别？并举例加以说明。岩石结构是指岩石中矿物颗粒的大小、形状、表面特征、颗粒相互关系、胶结类型特征等。岩石颗粒间连接方式分为结晶连接和胶结连接两类。岩石构造是指岩石中不同矿物集合体之间及其与其他组成部分之间在空间排列方式及充填形式。如层理、片理、流面等。3. 岩石颗粒间连接方式有哪几种？岩石颗粒间连接方式分为结晶连接和胶结连接两类。4. 岩石物理性质的主要指标及其表达式是什么？岩石的密度 r = m ；V孔隙率n = Vv 100% ；V吸水性（含水率、吸水率、饱和吸水率与饱水系数）渗透系数： K = vi= vDL h1 - h2= v dL ；dh软化系数： KR= s cw ；

7、sc岩石的自由膨胀率：VH =DH 100%HVD =DD 100% 。D5. 何谓岩石的水理性？水对岩石力学性质有何影响？岩石在水溶液作用下所表现出的力学的、物理的、化学的作用性质，称为岩石的水理性质。主要影响：岩石的吸水率愈高，岩石质量愈差。吸水性较大的岩石（如软岩）当吸水后往往产生膨胀，它会给井巷支护造成很大的压力。岩石渗透系数溶蚀作用使岩石致密程度降低，孔隙率增大，导致岩石强度降低。岩石浸水饱和后强度降低的性质，具有软化性。通常含粘土质矿物岩石遇水易于产生膨胀，影响岩石工程稳定。6. 岩石受载时会产生哪些类型的变形?岩石的塑性和流变性有什么不同?从岩石的破坏特征看，岩石材料可分为哪些类

8、型？按照应力应变时间的关系，岩石的变形可分为弹性变形、塑性变形和粘性（流动）变形三种。弹性(elasticity)在一定的应力范围内，物体受外力作用产生全部变形，而去除外力(卸荷)后能够立即恢复其原有的形状和尺寸大小的性质，称为弹性。塑性(plasticity)物体受力后产生变形，在外力去除(卸荷)后不能完全恢复原状的性质，称为塑性。不能恢复的那部分变形称为塑性变形，或称永久变形、残余变形。粘性(viscosity)物体受力后变形不能在瞬时完成，且应变速率随应力增加而增加的性质，称为粘性。应变速率随应力变化的变形称为流动变形。根据岩石材料的应力应变曲线所表现出的破坏特征，可将岩石划分为脆性材料

9、和延性材料。脆性(brittle)物体受力后，变形很小时就发生破裂的性质，称为脆性。延性(ductile)物体能承受较大塑性变形而不丧失其承载力的性质，称为延性。7. 简述岩石单向压缩条件下的变形特征？试件受载后直到破坏历经以下五个阶段：（1）微裂隙压密阶段(O-A)岩石试件受载初期，内部已存在裂隙及孔隙受压闭合，岩石被逐渐压密，形成早期的非线性变形。（2）弹性变形阶段(A-B)在此阶段应力应变曲线保持线性关系，服从虎克定律o = Ee 。试件中原有裂隙继续被压密，体积变形表现继续被压缩。（3）裂隙发生和扩展阶段(B-C)在此阶段轴向( el )曲线仍保持近于直线；过 B 点后，随载荷增加，曲

10、线e v 偏离直线。新的裂隙产生，呈稳定状态发展。岩石变形表现为塑性变形。（4）裂隙不稳定发展直到破裂阶段(C-D)从e v 曲线看出，C 点切线斜率为无穷大( ds / de v = )，是e v 曲线拐点。过 C 点后，试件体积增大。裂隙进入不稳定发展阶段，裂隙扩展接交形成滑动面，导致岩石试件完全破坏。（5）破裂后阶段（D-E）岩石试件通过峰值应力后，其内部结构遭到破坏，但试件基本保持整体状。裂隙快速发展，交叉且相互联合形成宏观断裂面。试件具有残余强度。se de vCDCBA0Be lAEe扩容压缩8. 简述循环荷载条件下岩石的变形特征。在逐级循环加载条件下。如果卸载点 P 超过屈服点，

11、形成塑性回滞环。随循环次数增加，卸载应力下的岩石材料的弹性有所增强。加、卸荷过程并未改变岩石变形的基本习性，这种现象也称为岩石记忆。CIHPs0PH I e在反复循环加载（在同一荷载水平上反复加卸载）条件下。当循环应力峰值在弹性极限以上，回滞环的面积变小，岩石越来越接近弹性变形。岩石在反复加、卸荷曲线与应力-应变全过程曲线交点处，形成疲劳破坏。当循环应力峰值低于某一极限应力水平时，岩石不会破坏。s0e9. 简述岩石在三轴压缩条件下的变形特征与强度特征。以常规三轴为例破坏前岩石的应变随围压s 3 增大而增加；随围压s 3 增大，岩石的塑性也不断增大，且由脆性逐渐转化为延性。通常把岩石由脆性转化为

12、延性的临界围压s 3 称为转化围压。岩石的峰值强度随s 3 增大而增大随s 3 增大岩石弹性模量增大，软岩增大明显，致密的硬岩增大不明显10. 岩石的弹性模量与变形模量有何区别？11. 什么是岩石全应力应变曲线？为什么普通材料试验机得不出全应力应变曲线？研究它有何意义？岩石全应力应变曲线：应用刚性试验机或伺服试验机得到的试件在破坏前与破坏后的应力应变全过程关系普通材料试验机所测得的结果与岩石所表现不一致的主要原因，在于现在普遍使用的材料试验机加载系统刚度小于试件刚度。由刚度定义 K = P ，在普通材料试验机实验过程中，u在相同的载荷作用下，因为 KM uR 。对于弹性物体，产生弹性变形，贮存

13、在弹性体中弹性应变能 W 为：W =1 Pu = P22 2K。因此在试验机加载系统中贮存的应变能较试件中贮存的应变能大。所以当试件进入裂隙不稳定发展阶段后，试件抵抗变形能力降低，而加载系统所施载荷未做相应改变。即试验机压板施加的压力超过试件抗力，从而使施载过程中，贮存于加载系统中应变能突然释放，对试件产生冲击作用。发生突然破坏，做不出破坏后应力应变曲线。12. 岩石各种强度指标及其表达式是什么？13. 岩石抗拉强度有哪几种测定方法？在劈裂法试验中，试件承受对径压缩，为什么在破坏面上出现拉应力破坏？岩块的抗拉强度是通过室内试验测定的，其方法包括直接拉伸法和间接拉伸法两种。其中以间接拉伸法中的劈

14、裂法和点荷载法最常用。根据弹性理论可知，受径向压缩作用的圆盘中，在纵向直径平面上作用着几乎等值的拉应力。圆盘试件便在拉应力作用下，沿加载方向断裂。在试件中心附近拉应力分布均匀，应力数值近于相等。如果作用在圆盘上载荷不是理想的线集中载荷时，在距圆盘中心上下方向 0.8R(半径)处，应力值为零。大于 0.8R 处应力转为压应力。在两端受力点处压应力为最大，其值为拉应力值 10 倍以上。但因岩石抗拉强度很低，抗压强度较高，所以岩石试件是在拉应力作用下断裂。14. 岩石抗剪强度有哪几种测定方法？如何获得岩石的抗剪强度曲线？当前在实验室测定岩石抗剪强度的方法有直剪试验、倾斜压模剪切法和三轴试验等。按照莫

15、尔强度理论确定岩石强度曲线一般有下述三种方法：三向压缩试验求强度曲线，按单向抗拉、抗压强度绘制强度曲线，倾斜压模剪切法。15. 岩石的受力状态不同对其强度大小有什么影响？哪一种状态下的强度较大？岩石在不同应力状态下的强度值不同，一般符合如下规律：三轴抗压强度双轴抗压强度单轴抗压强度抗剪强度抗弯强度抗拉强度。16. 简述影响岩石单轴抗压强度的因素。这些因素主要包括两方面：一方面是岩石本身方面的因素，如岩石的矿物组成、结构构造、密度、风化程度及含水量等；另一方面是实验条件方面的因素，如试件的几何形状、尺寸、试件加工精度、端面条件、加载速率及温度等因素。17. 岩石典型蠕变可划分为几个阶段，图示并说

16、明其变形特征？根据蠕变曲线特征，可划分成下列几个阶段：DCBeA0t图l-40 岩石的典型蠕变曲线s1)瞬时弹性变形阶段(OA 段)加载后以近于声速速度完成的弹性变形，其值等于0 ；e0 E2)蠕变开始阶段(AB 段) 在这个阶段内，蠕变速度是递减的，而且递减很快，也称为衰减蠕变阶段；3)蠕变第二阶段(BC 段) 在这个阶段蠕变速度保持不变，称稳定蠕变阶段或等速蠕变阶段；4)蠕变第三阶段(CD 段) 此阶段内蠕变速度以加速形式迅增，直至破坏阶段，称为加速蠕变阶段。18. 岩石流变模型的基本元件有哪几种？流变模型主要由三个基本元件弹性元件、粘性元件、塑性元件组成。19. 不同受力条件下岩石流变具

17、有哪些特征?并不是任何岩石材料在任何应力水平上都存在蠕变的的三个阶段，一种岩石既可以发生稳定蠕变也可以发生不稳定蠕变，这取决于岩石应力的大小。小于次临界应力时，蠕变按稳定蠕变发展，不会导致岩石破坏；超过某一临界应力时，蠕变向不稳定蠕变发展，并随着时间的增长，将导致岩石破坏。通常称此临界应力为岩石的长期强度。同一种岩石的蠕变曲线，根据其应力水平，可划分为三个类型：1） 类型：在低应力水平下，包含衰减蠕变和稳定蠕变段。这种蠕变不导致破坏。也称为稳定蠕变。2） 类型：在中等应力水平下，包含典型蠕变三个阶段。3） 类型：在较高应力水平下，应变率很高，几乎没有稳态蠕变阶段。类型、都将导致破坏，故统称不稳

18、定蠕变。s c3s c 2s sc3c1sc1 sc20t图 1-41 岩石蠕变曲线类型20. 简述本书介绍的岩石流变模型的特点。马克斯伟尔模型具有瞬时变形、等速蠕变和松弛特性，不具有弹性后效，可模拟具有这些性质的岩石。开尔文模型具有稳定蠕变和弹性后效性质，而不具备应力松弛和瞬时变形性能。21. 何为岩石长期强度，其与岩石瞬时强度的关系如何？其研究实际意义是什么？一般情况下，当荷载达到岩石瞬时强度 S0 时，岩石发生破坏。在岩石承受荷载低于其瞬时强度的情况下，如持续作用较长时间，由于流变作用，岩石也可能发生破坏。因此，岩石的强度是随外载作用时间的延长而降低，通常把作用时间t 的强度（最低值）

19、S 称为岩石长期强度。岩石长期强度是一种极有意义的时间效应指标。当衡量永久性及使用期长的岩石工程的稳定性时，不应以瞬时强度而应以长期强度作为岩石强度的计算指标。22. 何为强度准则？研究强度准则的意义是什么？常用的岩石强度准则有哪些？强度准则又称破坏判据，它表征岩石破坏条件的应力状态与岩石强度参数间的函数关系，一般可以用破坏条件下(极限应力状态)的应力间关系s1 =f (s2 , s3 ) 或t =f (s ) 来表示。通过强度准则判断岩石在什么样应力、应变条件下破坏。岩石强度准则的建立，可以反映岩石的破坏机理（各种应力状态下岩石破坏的原因）比较适合于岩石的强度理论有格里菲斯理论、莫尔强度理论

20、等。23. 岩石的破坏有几种形式？破坏的机理是什么？1）脆性拉伸破坏，破坏机制：微裂缝或裂隙周围的局部拉应力2）剪切破坏，破坏机制：剪切断裂，即剪应力超过其抗剪强度。3）沿结构面滑移(重剪切破坏)，破坏机制：破坏面剪应力超过其抗剪强度4）塑性破坏，破坏机制：微观上是岩石中的结晶颗粒内部晶格间或颗粒之间的滑移破坏。宏观上是在剪应力作用下产生。24. 莫尔强度理论的主要观点是什么？如何根据莫尔强度理论判断岩石中一点破坏与否？莫尔强度理论认为材料在压应力作用下发生破坏或屈服，主要因某一截面上的剪应力达tM 2a0s 3s 3 s 10 2as1 sM 到一定的限度（即抗剪强度），但也和作用在该面上的

21、正应力所产生的摩擦阻力和材料特性有关。如反映某点应力状态的应力圆处于强度曲线之下(图中，由s1 、s 3 确定的小圆)，说明该点不会发生破坏是处于弹性变形状态。应力圆如刚好与强度曲线相切(图中大圆)，岩石处于极限平衡状态，说明岩石将在一个与最小主应力s 3 方向呈a 角的截面上破坏。若应力圆与强度曲线相割，则岩石将发生破坏。25. 简述格里菲斯强度理论的基本观点,并写出格里菲斯条件。格里菲斯认为，在任何材料内部存在着各种缺陷(称为格里菲斯裂隙)；当含有这些缺陷的材料处于复杂应力状态之下，在这些裂隙端部会产生大的拉应力集中。当这些裂隙端部某一个拉应力值超过该材料的抗拉强度值时，裂隙便开始扩展，其

22、方向最后将与最大主应力方向平行，导致材料发生脆性拉伸破坏。格里菲斯条件：2t13当s1 + 3s3 0 时， (s1 -s3 ) + 8s (s + s )= 0当s1 + 3s3 s 1 3 12 c ss= - 3t1ss 12 c （1-80）s 3s1 = s3P0s c 2C0s1-s tS0A27. 库仑纳维尔理论的主要观点是什么？其能否解释受拉区的强度？库仑纳维尔理论认为：岩石发生剪切破坏时，破坏面上的剪应力应等于岩石本身的内聚力和作用于该面上由法向应力引起的摩擦阻力之和，由此得到库仑纳维尔强度准则为t = C + fs 。试验结果表明，该准则不适用于s 3 3 时，巷道周边仍然

23、存在拉应力；仅当l的数值满足 1/3l3 时，巷道周边不再有拉应力存在。椭圆形、矩形、直墙拱顶形以及马蹄形巷道围岩中应力分布椭圆形（1）最佳轴比：l = 1m（5-11）（2）巷道轴比的倒数与侧压力系数相等，椭圆形巷道的周边任意点的应力均为数值相等的压应力，这对巷道稳定性最有利。椭圆形巷道的零应力（无拉力）轴比：2m 1 - l2l（当l 1 时）（当l 1 时）5出现塑性区后，巷道围岩应力分布发生了什么变化？塑性区应力分布的主要特点是什么？塑性区范围（半径）由哪些因素决定？在围岩产生塑性变形（屈服）后，巷道周边附近出现了一个塑性区；深处的围岩则仍然处于弹性状态。根据应力的分布，可以把巷道围岩划分成塑性区、弹