巖體力學課后習題答案

一章：1.表達巖體力學的定義.巖體力學主要是研究巖體和巖體力學性能的一門學科，是探討巖石和巖體在其周圍物理環(huán)境〔力場、溫度場、地下水等〕發(fā)生變化后，做出響應的一門力學分支。2.何謂巖石？何謂巖體？巖石與巖體有何不同之處？〔1〕巖石：由礦物或巖屑在地質(zhì)作用下按一定規(guī)律聚集而形成的自然物體。〔2〕巖體：一定工程范圍內(nèi)的自然地質(zhì)體?！?〕不同之處：巖體是由巖石塊和各種各樣的結(jié)構(gòu)面的綜合體。3.何謂巖體結(jié)構(gòu)？巖體結(jié)構(gòu)的兩大要素是什么？〔1〕巖體結(jié)構(gòu)是指結(jié)構(gòu)面的發(fā)育程度及其組合關系；或者是指結(jié)構(gòu)體的規(guī)模、形態(tài)及其排列形式所表現(xiàn)的空間形態(tài)?！?〕結(jié)構(gòu)體和結(jié)構(gòu)面。4.巖體結(jié)構(gòu)的六大類型？塊狀、鑲嵌、層狀、碎裂、層狀碎裂、松散結(jié)構(gòu)。巖體有哪些特征？〔1〕不連續(xù)；受結(jié)構(gòu)面控制，巖塊可看作連續(xù)?！?〕各向異性；結(jié)構(gòu)面有一定的排列趨勢，不同方向力學性質(zhì)不同?！?〕不均勻性；巖體中的結(jié)構(gòu)面方向、分布、密度及被結(jié)構(gòu)面切割成的巖塊的大小、形狀和鑲嵌情況等在各部位不同，各部位的力學性質(zhì)不同?！?〕賦存地質(zhì)因子特性〔水、氣、熱、初應力〕都會對巖體有一定作用。二章：1.巖石物理力學性質(zhì)有哪些？巖石的質(zhì)量指標，水理性質(zhì)指標，描述巖石風化能力指標，完整巖石的單軸抗壓強度，抗拉強度，剪切強度，三向壓縮強度和各種受力狀態(tài)相對應的變形特性。2.影響巖石強度特性的主要因素有哪些？對單軸抗壓強度的影響因素有承壓板、巖石試件尺寸及形狀〔形狀、尺寸、高徑比〕，加載速率、環(huán)境〔含水率、溫度〕。對三相壓縮強度的影響因素：側(cè)向壓力、試件尺寸與加載速率、加載路徑、空隙壓力。什么是巖石的應力應變?nèi)^程曲線？所謂應力應變?nèi)^程曲線是指在剛性實驗機上進行實驗所獲得的包括巖石到達峰值應力之后的應力應變曲線。4.簡述巖石剛性實驗機的工作原理？：壓力機加壓〔貯存彈性應能〕巖石試件達峰點強度〔釋放應變能〕導致試件崩潰。AA′O2O1面積—峰點后，巖塊產(chǎn)生微小位移所需的能。ACO2O1面積——峰點后，剛體機釋放的能量〔貯存的能量〕。ABO2O1——峰點后，普通機釋放的能量(貯存的能量)。當實驗機的剛度大于巖石的剛度，才有可能記錄下巖石峰值應力后的應力應變曲線。5.莫爾強度理論，格爾菲斯強度理論和E.hoek和E.T.brown提出的經(jīng)驗理論的優(yōu)缺點？莫爾強度理論優(yōu)點是使用方便，物理意義明確；缺點是1不能從巖石破壞機理上解釋其破壞特征2忽略了中間主應力對巖石強度的影響；格爾菲斯強度理論優(yōu)點是明確說明了脆性材料破裂的原因、破裂所需能量及破裂擴展方向；缺點是僅考慮巖石開裂并非宏觀上破壞的緣故。E.hoek和E.T.brown提出的經(jīng)驗理論與莫爾強度理論很相似其優(yōu)點是能夠用曲線來表示巖石的強度，但是缺點是表達式稍顯復雜。典型的巖石蠕變曲線有哪些特征？典型的巖石蠕變曲線分三個階段第Ⅰ階段：稱為初始蠕變段或者叫瞬態(tài)蠕變階段。在此階段的應變一時間曲線向下彎曲；應變與時間大致呈對數(shù)關系，即ε∝㏒t。第Ⅱ階段：稱為等速蠕變段或穩(wěn)定蠕變段。在此階段內(nèi)變形緩慢，應變與時間近于線性關系。第Ⅲ階段：稱為加速蠕變段非穩(wěn)態(tài)蠕變階段。此階段內(nèi)呈加速蠕變，將導致巖石的迅速破壞。7.有哪三種根本力學介質(zhì)模型？1彈性介質(zhì)模型2塑性介質(zhì)模型〔理想塑E性模型、有硬化塑性介質(zhì)模型〕3黏性介質(zhì)模型根本介質(zhì)模型的串聯(lián)和并聯(lián)的力學特征有何不同？串聯(lián)E和h，每個元素的力相等；總應變=分應變之和。根本模型，兩元件并聯(lián)，使它所表現(xiàn)的變形特征與馬克斯維爾模型有所不同。根據(jù)兩個根本力學模型并聯(lián)的力學特征，當外力作用于模型的兩端時，兩個模型產(chǎn)生的應變相等，而其應力為彈簧所受的應力與粘壺所受的應力之和。巖體在單軸和三軸壓縮應力作用下，其破壞特征有何異同？單軸破壞形態(tài)有兩類：圓錐形破壞，原因：壓板兩端存在摩擦力，箍作用〔又稱端部效應〕，在工程中也會出現(xiàn)；柱狀劈裂破壞，張拉破壞〔巖石的抗拉強度遠小于抗壓強度〕是巖石單向壓縮破壞的真實反映〔消除了端部效應〕，消除試件端部約束的方法，潤滑試件端部〔如墊云母片；涂黃油在端部〕，加長試件。三軸壓縮應力：低圍壓，圍壓作用不明顯，接近單軸壓縮破壞形式；中圍壓，斜面剪切破壞；高圍壓，塑性流動破壞。10、一個試樣，其質(zhì)量為678g，用球磨機磨成巖粉并進行風干，天平秤稱得其質(zhì)量為650g，取其中巖粉60g作顆粒密度試驗，巖粉裝入李氏瓶前，煤油的度數(shù)為0.5，裝入巖粉后靜置半小時，得讀數(shù)為20.3，求：該巖石的天然密度、干密度、顆粒密度、巖石天然空隙率。解：天然密度干密度顆粒密度天然孔隙率12、巖石單元體A—E的應力狀態(tài)如下圖，并巖石的,,試求：〔1〕各單元的主應力的大小、方向，并作出莫爾應力圖?！?〕判斷在此應力下，巖石單元體按莫爾-庫倫理論是否會破壞？解：〔1〕A單元：主應力大小：方向：與的夾角，莫爾應力圖：圓心：半徑：B單元：主應力大小：方向：與的夾角，莫爾應力圖：圓心：半徑：C單元：主應力大小：方向：與的夾角莫爾應力圖：圓心：半徑：D單元：主應力大?。悍较颍号c的夾角，莫爾應力圖：圓心：半徑：E單元：主應力大?。悍较颍号c的夾角莫爾應力圖：圓心：半徑：〔2〕A單元：不破壞；B單元：破壞；C單元：不破壞；D單元：不破壞；E單元：不破壞；13、對某種砂巖做一組三軸壓縮實驗得到的如表所示峰值應力。試求：〔1〕該砂巖峰值強度的莫爾包絡線；〔2〕求該巖石的,值；〔3〕根據(jù)格里菲斯理論，預測巖石抗拉強度為多少？？序號12341.02.09.515.09.628.048.774.0解：〔1〕莫爾包絡線〔2〕由可得單軸抗壓強度值強度線的斜率由公式可得〔3〕令，由可得又，14、將某一巖石試件進行單軸壓縮實驗，其壓應力到達28.0MPa時發(fā)生破壞。破壞面與水平面的夾角為60°，設其抗剪強度為直線型。試計算：〔1〕該巖石的c,值；〔2〕破壞面上的正應力和剪應力；〔3〕在正應力為零的面上的抗剪強度；〔4〕在與最大主應力作用面成30°的面上的抗剪強度。解：〔1〕由題意〔2〕由題意正應力剪應力〔3〕由題意時，由〔4〕抗剪強度15、某砂巖地層，砂巖的峰值強度參數(shù)。某一點的初始應力狀態(tài)為：，由于修建水庫巖石孔隙水壓力增大，試求該點巖石當孔隙水壓力為多大時會使砂巖破壞？解：設最大孔隙水壓力由可得17、某水庫庫址附近現(xiàn)場地應力為：。該水庫位于多孔性石灰?guī)r區(qū)域內(nèi)，該灰?guī)r三軸實驗結(jié)果為。試問：能修多深的水庫而不致因地下水水位升高增加孔隙水壓力而導致巖石破壞？解：由又有可得又能修250m深的水庫。：1.如何測試巖塊和巖體彈性波速度？1、巖塊聲波速度測試：測試儀器主要是巖石超聲波參數(shù)測定儀和縱橫波換能器。測試時，把縱橫波換能器放在巖塊試件的兩端。測定縱波速度時宜采用凡士林或黃油作耦合劑，測定橫波速度時宜采用鋁箔或銅箔作耦合劑測試結(jié)束后，應測定超聲波在標準有機玻璃中的傳播時間，繪制時距曲線并確定儀器系統(tǒng)的零延時。vp=L/〔tp-t0〕，vs=L/〔ts-t0〕2、巖體聲波速度測試：測點外表應大致修鑿平整并擦凈，縱波換能器應涂厚1-2mm的凡士林或黃油，橫波換能器應墊多層鋁箔或銅箔，并應將換能器放置在測點上壓緊。在鉆孔或風鉆孔中進行巖體聲波速度測試時，鉆孔或風鉆孔應沖洗干凈，并在孔內(nèi)注滿水，水即作為耦合劑，而對軟巖宜采用干孔測試。2.影響巖體彈性波速度的因素有哪些？1、巖體彈性波速與巖體種類、巖石密度和生成年代有關.2、巖體波速與巖體中裂隙或夾層的關系：3、巖體波速與巖體的有效孔隙率n及吸水率Wf有關4、巖體波速與各向異性性質(zhì)有關5、巖體受壓應力對彈性波傳播的影響3.用彈性波速度確定地下工程圍巖松動圈〔塑性圈〕范圍的原理是什么？根據(jù)巖體彈性波速度隨裂隙的增多和應力的減小而降低的原理，在松動圈內(nèi)，由于巖體破碎且屬低應力區(qū)，因而波速較小，當進入松動圈邊界完整巖體區(qū)域，應力較高，波速到達最大，之后波速又逐漸減小至一定值。根據(jù)波速隨深度變化曲線，可確定松動圈厚度，其邊界在波速最大值深度附近：13、如下圖為一帶有天然節(jié)理的試件，結(jié)構(gòu)面的外法線與最大主應力的夾角，節(jié)理的根本摩擦角。節(jié)理的粗糙度為4級。節(jié)理面壁的抗壓強度為50MPa，問在多大的作用下巖樣會破壞？解：由題意，，查表，取根據(jù)以上式子解方程，有14、一個與巖心軸線45°角鋸開的節(jié)理，經(jīng)多級三軸試驗后得到表中數(shù)據(jù)。試確定各級極限荷載下節(jié)理面上的正應力與剪應力值以及節(jié)理摩擦角。次序1234側(cè)向0.100.300.501.00軸向0.541.632.725.45解：由〔1〕〔2〕〔3〕〔4〕由15、如下圖，在上題的巖體中，有一逆斷層與水平面夾角為25°，斷層面的爬坡角，試問：在埋深2000m的深處，能承受的最大水平應力是多少？〔重度〕解：結(jié)合上題又據(jù)公式16、如下圖，正斷層與水平面的夾角為65°。當在600m深處水壓力到達10MPa時，斷層產(chǎn)生滑動，假設該處巖層重度為，斷層面，問該正斷層滑動之前水平應力是多大？解：由題意故，水平應力為：1.簡述圍巖分類的目的和意義？〔1〕為巖石工程建設的勘察、設計、施工和編制定額提供必要的根本依據(jù)?！?〕便于施工方法的總結(jié),交流,推廣?！?〕為便于行業(yè)內(nèi)技術(shù)改革和管理。2.闡述圍巖分類有哪些原那么？〔1〕有明確的類級和適用對象?！?〕有定量的指標?！?〕類級一般分五級為宜?！?〕分類方法簡單明了、數(shù)字便于記憶和應用。〔5〕根據(jù)適用對象，選擇考慮因素。3.簡述圍巖分類的根本方法？按巖石的單軸抗壓強度RC分類；以點荷載強度指標分類；按巷道巖石穩(wěn)定性分類；前蘇聯(lián)巴庫地鐵分類；按巖體完整性分類；按巖體綜合指標分類。4.簡述圍巖質(zhì)量指標RQD的定義及評價方法？RQD是選用鞏固完整的、其長度大于等于10cm的巖芯總長度與鉆孔長度的比。評價方法：巖石的RQD與巖體完整性關系密切，RQD與體積節(jié)理數(shù)JV之間存在以下統(tǒng)計關系：RQD=115—3.3JV〔%〕，對于JV小于等于4.5的巖體，其RQD=100%5.簡述巴頓的Q分類采用了那些參數(shù)？他們代表了何種意義？采用了六個參數(shù)：RQD：巖體質(zhì)量指標。Jn節(jié)理的組織數(shù)系數(shù)。Jr節(jié)理的粗糙度系數(shù)。Ja節(jié)理的飾變系數(shù)。JW地下水的影響系數(shù)。SRF應力折減系數(shù)。6.簡述國標巖體分級采用了那些指標作為分級的根本參數(shù)？〔一〕確定巖體根本質(zhì)量：1.定量確定巖體根本質(zhì)量，包括巖石堅硬程度確實定、巖體完整程度確實定2.定性確定巖