重點(diǎn)蔡美峰《巖石力學(xué)與工程》答案

第一章常見巖石的結(jié)構(gòu)連結(jié)類型有那幾種？答：巖石中結(jié)構(gòu)連結(jié)的類型主要有兩種：1?結(jié)晶連結(jié)：巖石中礦物顆粒通過結(jié)晶相互嵌合在一起，如巖漿巖、大部分變質(zhì)巖以及部分沉積巖的結(jié)構(gòu)連結(jié)。2?膠結(jié)連結(jié)：指顆粒與顆粒之間通過膠結(jié)物質(zhì)連結(jié)在一起的連結(jié)。如沉積碎屑巖、部分粘土巖的結(jié)構(gòu)連結(jié)。何謂巖石中的微結(jié)構(gòu)面，主要指那些，各有什么特點(diǎn)？表示巖石物理性質(zhì)的主要指標(biāo)及其表示方式是什么？答：指由巖石固有的物理組成和結(jié)構(gòu)特性所決定的比重、容重、孔隙率、水理性等基本屬性。7、 巖石破壞有幾種形式？對各種破壞的原因作出解釋。答：試件在單軸壓縮載荷作用破壞時(shí)，在試件中可產(chǎn)生三種破壞形式：X狀共軛斜面剪切破壞，破壞面上的剪應(yīng)力超過了其剪切強(qiáng)度，導(dǎo)致巖石破壞。單斜面剪切破壞，破壞面上的剪應(yīng)力超過了其剪切強(qiáng)度，導(dǎo)致巖石破壞。拉伸破壞，破壞面上的拉應(yīng)力超過了該面的抗拉強(qiáng)度，導(dǎo)致巖石受拉伸破壞。什么是全應(yīng)力-應(yīng)變曲線？為什么普通材料實(shí)驗(yàn)機(jī)得不出全應(yīng)力-應(yīng)變曲線？答：全應(yīng)力應(yīng)變曲線：能顯示巖石在受壓破壞過程中的應(yīng)力、變形特性，特別是破壞后的強(qiáng)度與力學(xué)性質(zhì)的變化規(guī)律。由于材料試驗(yàn)機(jī)的剛度小，在試件壓縮時(shí)，其支柱上存在很大的變形和變形能，在試件快要破壞時(shí)，該變形能突然釋放，加速試件破壞，從而得不出極限壓力后的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線。如何根據(jù)全應(yīng)力-應(yīng)變曲線預(yù)測巖石的巖爆、蠕變和在反復(fù)加載、卸載作用下的破壞？答：(a)預(yù)測巖爆：左半部分OEC代表達(dá)到峰值強(qiáng)度時(shí)，積累在巖石試件中的應(yīng)變能，右邊CED代表試件從破壞到破壞整個(gè)過程所消耗的能量。如果A>B,可能產(chǎn)生巖爆，如果AvB，則不會(huì)產(chǎn)生巖爆。預(yù)測蠕變破壞：如圖1-24。當(dāng)巖石應(yīng)力小于H點(diǎn)的應(yīng)力值，巖石不會(huì)發(fā)生蠕變，當(dāng)巖石應(yīng)力大于H點(diǎn)而小于I點(diǎn)，巖石會(huì)發(fā)生蠕變,但蠕變?yōu)榉€(wěn)定蠕變,巖石不會(huì)破壞，當(dāng)巖石應(yīng)力大于I點(diǎn)，則巖石會(huì)發(fā)生不穩(wěn)定蠕變，巖石最終會(huì)破壞.預(yù)測循環(huán)加載條件下巖石的破壞。當(dāng)巖石在低應(yīng)力條件下,進(jìn)行反復(fù)加載卸載,巖石破壞時(shí)的循環(huán)次數(shù)比高應(yīng)力條件下進(jìn)行反復(fù)加載卸載的循環(huán)次數(shù)要多。當(dāng)反復(fù)加載卸載曲線與全應(yīng)力應(yīng)變曲線相交，則巖石破壞。在三軸壓縮試驗(yàn)條件下，巖石的力學(xué)性質(zhì)會(huì)發(fā)生哪些變化？答：三軸壓縮條件下，應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖1-31、1-32所示，圍壓對巖石變形的影響主要有：隨著圍壓(o2=a3)的增大，巖石的抗壓強(qiáng)度顯著增加；隨著圍壓(a2=a3)的增大，巖石破壞時(shí)，巖石的變形顯著增加；隨著圍壓(a2=a3)的增大，巖石的彈性極限顯著增加；隨著圍壓(a2=a3)的增大，巖石的應(yīng)力應(yīng)變曲線形態(tài)發(fā)生明顯的改變，巖石的性質(zhì)發(fā)生了變化，由彈脆性---彈塑性---應(yīng)變硬化?？箟簭?qiáng)度顯著增加；什么是莫爾強(qiáng)度包絡(luò)線？如何根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果繪制莫爾強(qiáng)度包絡(luò)線？答：三軸抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)得出：對于同一種巖石的不同試件或不同實(shí)驗(yàn)條件(不同的圍壓時(shí)的最大軸向壓力值)給出了幾乎恒定的強(qiáng)度指標(biāo)值(直線性強(qiáng)度曲線時(shí)為巖石的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角)。這一強(qiáng)度指標(biāo)以莫爾強(qiáng)度包絡(luò)線(Mohr'strengthenvelop)的形式給出在不同圍壓條件下，得出不同的抗壓強(qiáng)度，因而可以做出不同的莫爾應(yīng)力圓，這些莫爾應(yīng)力圓的包絡(luò)線就是莫爾強(qiáng)度包絡(luò)線。巖石的抗剪強(qiáng)度與剪切面所受正應(yīng)力有什么關(guān)系？試?yán)L圖加以說明。答：S=g?tg?+C巖石的抗剪切強(qiáng)度S與正應(yīng)力G成正比。影響巖石力學(xué)性質(zhì)的主要因素有哪些，如何影響的？答：影響巖石力學(xué)性質(zhì)的主要因素有水、溫度、加載速度、風(fēng)化程度及圍壓。水對巖石力學(xué)性質(zhì)的影響連結(jié)作用：束縛在礦物表面的水分子通過其吸引力作用將礦物顆粒拉近、接緊，起連接作用。潤滑作用：由可溶鹽、膠體礦物連接的巖石，當(dāng)有水入侵時(shí)，可溶鹽溶解，膠體水解，導(dǎo)致礦物顆粒間連接力減弱，摩擦力減低，從而降低巖石的強(qiáng)度。水楔作用：當(dāng)兩個(gè)礦物顆?？康煤芙兴肿友a(bǔ)充到礦物表面時(shí)，礦物顆粒利用其表面吸附力將水分子拉倒自己周圍，在兩個(gè)顆粒接觸處由于吸著力作用使水分子向兩個(gè)礦物顆粒之間的縫隙內(nèi)擠入，這種現(xiàn)象稱水楔作用。(a)使巖石體積膨脹，產(chǎn)生膨脹壓力(b)水膠連接代替膠體連接產(chǎn)生潤滑作用，降低巖石強(qiáng)度孔隙壓力作用：巖石受壓時(shí)，巖石內(nèi)孔隙水來不及排出，在孔隙內(nèi)產(chǎn)生很高的孔隙壓力，降低了巖石的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角，減小了巖石的抗剪強(qiáng)度。(1)溶蝕-潛蝕作用：巖石中滲透水在流動(dòng)過程中可將巖石中可溶物質(zhì)溶解帶走，從而使巖石強(qiáng)度大為減低。溫度對巖石力學(xué)性質(zhì)的影響：如圖1-39所示。隨著溫度的增高，巖石的延性加大，屈服點(diǎn)降低，強(qiáng)度也降低。加載速度對巖石力學(xué)性質(zhì)的影響：加載速率越快，測得的彈性模量越大，獲得的強(qiáng)度指標(biāo)越高。ISRM(國際巖石力學(xué)學(xué)會(huì))建議的加載速率為0.5~1Mpa/s。圍壓對巖石力學(xué)性質(zhì)的影響：巖石在三軸壓縮條件下，巖石的強(qiáng)度和彈性極限都有顯著增加。風(fēng)化對巖石力學(xué)性質(zhì)的影響降低巖體結(jié)構(gòu)面的粗糙程度并產(chǎn)生新的裂隙，巖石在化學(xué)風(fēng)化過程中，礦物成分發(fā)生變化，巖體強(qiáng)度降低。第二章巖體賦存環(huán)境包括哪幾部分？答：賦存環(huán)境：包括地應(yīng)力、地下水和地溫三部分。地應(yīng)力對巖體的影響體現(xiàn)在哪幾個(gè)方面？答：地應(yīng)力對巖體力學(xué)性質(zhì)的影響主要有：地應(yīng)力影響巖體的承載能力：圍壓越大、承載能力越大。地應(yīng)力影響巖體的變形和破壞機(jī)制。如在低圍壓條件下破壞的巖體，在高圍壓條件下呈現(xiàn)出塑性變形和塑性破壞。地應(yīng)力影響巖體中的應(yīng)力傳播的法則。非連續(xù)介質(zhì)巖體在高圍壓條件下，其力學(xué)性質(zhì)具有連續(xù)介質(zhì)巖體的特征。6.按結(jié)構(gòu)面成因、結(jié)構(gòu)面通常分為幾種類型？答：?結(jié)構(gòu)面按成因分：原生結(jié)構(gòu)面、構(gòu)造結(jié)構(gòu)面、次生結(jié)構(gòu)面原生結(jié)構(gòu)面：成巖階段所形成的結(jié)構(gòu)面。巖石成因不同又分為沉積結(jié)構(gòu)面、火成結(jié)構(gòu)面和變質(zhì)結(jié)構(gòu)面。構(gòu)造結(jié)構(gòu)面：巖體在構(gòu)造運(yùn)動(dòng)作用下形成的結(jié)構(gòu)面。此生結(jié)構(gòu)面：在外力作用下(風(fēng)化、地下水、卸載、爆破等)形成的各種界面。13?多結(jié)構(gòu)面巖體的破壞形式如何分析？答：當(dāng)巖體內(nèi)有多組結(jié)構(gòu)面時(shí)，則巖體強(qiáng)度受加載方向與多個(gè)結(jié)構(gòu)面的控制，根據(jù)每組結(jié)構(gòu)面與加載方向夾角，分別求出各結(jié)構(gòu)面單獨(dú)存在時(shí)，在最大主應(yīng)力o1作用下的巖體強(qiáng)度，然后，取出各組結(jié)構(gòu)面單獨(dú)存在時(shí)巖體強(qiáng)度的最小值為多結(jié)構(gòu)面的巖體強(qiáng)度值。第三章地應(yīng)力及測量習(xí)題和思考題簡述地應(yīng)力測量的重要性。答：地應(yīng)力測量的重要性：應(yīng)力測量為各種巖體工程進(jìn)行科學(xué)合理的開挖設(shè)計(jì)和施工提供依據(jù)；地應(yīng)力狀態(tài)對地震預(yù)報(bào)、區(qū)域地殼穩(wěn)定性評價(jià)、油田油井的穩(wěn)定性、核廢料儲存、巖爆、煤和瓦斯突出的研究以及地球動(dòng)力學(xué)的研究也有重要的意義。地應(yīng)力是如何形成的？控制某一工程區(qū)域地應(yīng)力狀態(tài)的主要因素是什么？答：地應(yīng)力是存在于地層中的未受工程擾動(dòng)的天然應(yīng)力，也稱巖體初應(yīng)力、絕對應(yīng)力或原巖應(yīng)力。地應(yīng)力主要與地球的各種動(dòng)力運(yùn)動(dòng)過程有關(guān)，包括板塊邊界受壓、地幔熱對流、地球內(nèi)應(yīng)力、地心引力、地球旋轉(zhuǎn)、巖漿入侵和地殼非均勻擴(kuò)容等?？刂颇骋还こ虆^(qū)域地應(yīng)力狀態(tài)的主要因素是構(gòu)造應(yīng)力場和重力應(yīng)力場。1)、大陸板塊邊界受壓引起的應(yīng)力場。2)、地幔熱對流引起的應(yīng)力場。3)、由地心引力引起的應(yīng)力場。4)、巖漿入侵引起的應(yīng)力場。5)、地溫梯度引起的應(yīng)力場。6)、地表剝蝕產(chǎn)生的應(yīng)力場。簡述地殼淺部地應(yīng)力分布的基本規(guī)律。答：地應(yīng)力分布的一些基本規(guī)律：地應(yīng)力是一個(gè)相對穩(wěn)定的應(yīng)力場，它是時(shí)間和空間的函數(shù)；實(shí)測垂直應(yīng)力基本等于上覆巖層的重量水平應(yīng)力普遍大于垂直應(yīng)力；平均水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力的比值隨深度的增加而減小，oh，average=(oh,max+oh,min)/2100/H+0.3<=oh，average/ovv=1500/H+0.5最大水平應(yīng)力與最小水平應(yīng)力也隨深度呈線形增長關(guān)系；oh，max=6.7+0.0444?H(Mpa)oh，min=0.8+0.0329?H(Mpa)最大水平主應(yīng)力和最小水平主應(yīng)力之值一般相差較大，顯示出很強(qiáng)的方向性。地應(yīng)力的上述分布規(guī)律還會(huì)受到地形、地表剝蝕、風(fēng)化、巖體結(jié)構(gòu)特征、巖體力學(xué)性質(zhì)、溫度、地下水等因素的影響。地應(yīng)力測量方法分哪幾類？它們的主要區(qū)別在哪里？每類包括那些主要測量技術(shù)？答：依據(jù)測量基本原理的不同，可將測量方法分為直接測量法和間接測量發(fā)兩大類。直接測量法是由測量儀器直接測量和記錄各種應(yīng)力量，包括：扁千斤頂法、水力致裂法、剛性包體應(yīng)力計(jì)法和聲發(fā)射法。間接測量法是借助某些傳感器或某些介質(zhì)，測量和記錄巖體中某些與應(yīng)力有關(guān)的間接物理量的變化，如巖體中的變形和應(yīng)變，然后由計(jì)算公式求出原巖應(yīng)力值。包括：套孔應(yīng)力解除法和其他的應(yīng)力應(yīng)變解除法以及地球物理方法等。其中套孔應(yīng)力解除法是目前國內(nèi)外廣泛使用的一種方法。簡述聲發(fā)射的主要測量原理。答：測試原理：材料在受壓后，其內(nèi)部儲存的應(yīng)變能快速釋放產(chǎn)生彈性波，發(fā)生聲響，稱為聲發(fā)射。當(dāng)材料中的應(yīng)力超過其最大應(yīng)力值后，則大量產(chǎn)生聲發(fā)射，這一現(xiàn)象稱為凱澤效應(yīng)。該對應(yīng)點(diǎn)的應(yīng)力即為材料先前受到的最大應(yīng)力。對巖石試件作室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，即可測出該巖體以前縮手的最大應(yīng)力。第四章習(xí)題與思考題1?巖石力學(xué)彈性平面問題的基本方程有幾個(gè)？每一類基本方程是從什么方面考慮的？答：巖石力學(xué)彈性平面問題的基本方程有三組共8個(gè)方程：2?什么叫巖石的本構(gòu)關(guān)系？巖石的本構(gòu)關(guān)系一般有幾種類型？巖石的本構(gòu)關(guān)系是指巖石的應(yīng)力或應(yīng)力速率與其應(yīng)變或應(yīng)變速率的關(guān)系。巖石的本構(gòu)關(guān)系一般分為：彈性本構(gòu)關(guān)系、彈塑性本構(gòu)關(guān)系和流變本構(gòu)關(guān)系。3?什么叫巖石的強(qiáng)度？巖石的破壞一般有幾種類型？答：巖石的強(qiáng)度是巖石抵抗外力破壞的能力。破壞是指巖石材料的應(yīng)力或應(yīng)變超過了自身的應(yīng)力或應(yīng)變的極限。巖石的破壞的形式主要有兩種：斷裂破壞（應(yīng)力達(dá)到強(qiáng)度極限）和流變破壞（出現(xiàn)顯著的塑性變形或流動(dòng)現(xiàn)象）4.對彈性平面問題，（1）應(yīng)力狀態(tài)有哪兩種？其本構(gòu)方程有什么關(guān)系？（2）如果體力為常量，其應(yīng)力分布是否與應(yīng)力狀態(tài)和材料性質(zhì)有關(guān)？為什么？答：彈性平面問題的應(yīng)力狀態(tài)有平面應(yīng)力狀態(tài)和平面應(yīng)變狀態(tài)。6?用莫爾應(yīng)力圓畫出：（1）單向拉伸；（2）純剪切；（3）單向壓縮；（4）雙向壓縮，（5）雙向拉伸。答：莫爾應(yīng)力圓如圖所示：其中純剪切應(yīng)力圓為圓點(diǎn)。什么么叫蠕變、松弛、彈性后效和流變？答：蠕變：當(dāng)應(yīng)力不變時(shí)，變形隨時(shí)間增加而增加的現(xiàn)象。松弛：當(dāng)應(yīng)變不變時(shí)，應(yīng)力隨時(shí)間的增加而減小的現(xiàn)象。彈性后效：加載和卸載時(shí)，彈性應(yīng)變滯后于應(yīng)力的現(xiàn)象。巖石流變：材料的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系與時(shí)間因素有關(guān)的性質(zhì)，材料變形過程中具有時(shí)間效應(yīng)的現(xiàn)象稱為流變現(xiàn)象。蠕變一般包括幾個(gè)階段？每個(gè)階段的特點(diǎn)是什么？答：當(dāng)作用在巖石上的應(yīng)力超過某一值時(shí)，巖石的變形速率隨著時(shí)間的增加而增加，最后導(dǎo)致巖石的破壞，這種蠕變成為不穩(wěn)定蠕變。這是典型的蠕變曲線。根據(jù)應(yīng)變速率不同，其蠕變過程分為三個(gè)階段：第一階段：圖中ab段，應(yīng)變速率隨時(shí)間增加而減小，又稱減速蠕變或初始蠕變階段。第二階段：圖中be段，應(yīng)變速率基本不變，也叫等速蠕變階段。第三階段：圖中cd段，應(yīng)變速率迅速增加直到巖石破壞為止，也叫加速蠕變階段。流變模型的基本元件有哪幾種？答：流變模型的基本元件有彈性元件、塑性元件和粘性元件敘述巖石力學(xué)中常見的幾個(gè)流變模型的特點(diǎn)。答：常見的幾個(gè)流變模型為：圣維南體、馬克思威爾體、開爾文體圣維南體特點(diǎn)：它是理想的碳塑性體，無蠕變，無松弛，無彈性后效。馬克思威爾體特點(diǎn)：具有瞬時(shí)變形、等速蠕變和松弛的性質(zhì)。開爾文體特點(diǎn)：屬于穩(wěn)定蠕變，有彈性后效，沒有松弛。何為巖石的長期強(qiáng)度，它與瞬時(shí)強(qiáng)度一般有什么關(guān)系？答：巖石的長期強(qiáng)度：一般巖石在載荷達(dá)到瞬時(shí)強(qiáng)度時(shí)，巖石發(fā)生破壞。巖石在承受低于瞬時(shí)強(qiáng)度的情況下，如果載荷持續(xù)作用在巖石上，由于流變作用，巖石也可能發(fā)生破壞。因此巖石的強(qiáng)度隨外載荷的作用時(shí)間的延長而減低，通常把作用時(shí)間t-8時(shí)的強(qiáng)度稱之為巖石的長期強(qiáng)度。長期強(qiáng)度與瞬時(shí)強(qiáng)度之比：0GG80.4?0.80=sg何為巖石強(qiáng)度準(zhǔn)則？為什么要提出強(qiáng)度準(zhǔn)則？答：巖石強(qiáng)度準(zhǔn)則（破壞判據(jù)），它表征巖石在極限應(yīng)力狀態(tài)下（破壞條件）的應(yīng)力狀態(tài)和巖石強(qiáng)度參數(shù)之間的關(guān)系，一般可表示為極限應(yīng)力狀態(tài)下的主應(yīng)力間的關(guān)系方程。O1=f（o2,G3）或T=f（o）各種巖石的破壞方式機(jī)理，因此提出了不同的強(qiáng)度準(zhǔn)則。 提出強(qiáng)度準(zhǔn)則是為了更好地了解巖石在何種應(yīng)力條件下發(fā)生破壞，從而避免該種應(yīng)力狀態(tài)的發(fā)生保護(hù)巖石，或促使該種應(yīng)力狀態(tài)的發(fā)生破壞巖石，達(dá)到其工程目的。試論述Coulomb,Mohr,Griffith三準(zhǔn)則的基本原理、主要的區(qū)別及其它們之間的關(guān)系。答：庫侖準(zhǔn)則（Coulomb）:巖石的破壞主要是剪切破壞，巖石的強(qiáng)度，既抗摩擦強(qiáng)度等于巖石本身抗剪切摩擦的粘結(jié)力和剪切面上的法向力產(chǎn)生的摩擦力。莫爾把庫侖準(zhǔn)則推廣到三向應(yīng)力狀態(tài)。實(shí)質(zhì)：巖石到達(dá)極限狀態(tài)時(shí)，滑動(dòng)平面上的剪應(yīng)力達(dá)到一個(gè)取決于正應(yīng)力與材料性質(zhì)的最大值，即O=f（T）。對應(yīng)于各種應(yīng)力狀態(tài)（單軸、雙軸和三軸壓縮）下的破壞的巖石的莫爾應(yīng)力圓的包絡(luò)線，稱為莫爾強(qiáng)度包絡(luò)線。如果巖石的應(yīng)力圓位于莫爾強(qiáng)度包絡(luò)線內(nèi)，則巖石不會(huì)產(chǎn)生破壞，如果巖石的應(yīng)力圓與莫爾包絡(luò)線相切或相交，則巖石會(huì)產(chǎn)生破壞。莫爾強(qiáng)度包絡(luò)線的曲線型式有幾種：斜直線型，二次拋物線型，雙曲線型等。格里菲斯（Griffith）理論：在脆性材料中，其材料斷裂的起因是分布在材料中的微小裂紋尖端有拉應(yīng)力（這種裂紋稱為Grifith裂紋）所致。區(qū)別：格里菲斯（Griffith）理論中巖石的破壞機(jī)理是巖石受到拉應(yīng)力破壞所致。庫侖準(zhǔn)則和莫爾強(qiáng)度理論則認(rèn)為巖石破壞是巖體內(nèi)的某個(gè)面上的剪切應(yīng)力超過了剪切強(qiáng)度值。莫爾強(qiáng)度理論的包絡(luò)線包括了庫侖準(zhǔn)則的直線型，還包括拋物線型和雙曲線型強(qiáng)度準(zhǔn)則，因此，應(yīng)用更廣。第六章習(xí)題與思考題分析邊坡工程對國民經(jīng)濟(jì)的影響作用。答：影響作用主要有：1）邊坡工程對露天礦建設(shè)的影響， 2）邊