巖體力學習題及答案分析

巖體力學：研究巖體在各種力場作用下變形與破壞規(guī)律的科學。巖塊：巖塊是指不含顯著結(jié)構(gòu)面的巖石塊體，是構(gòu)成巖體的最小巖石單元體。有些學者把巖塊稱為結(jié)構(gòu)體、巖石材料及完整巖石等。波速比kv：波速比是國標提出的用來評價巖的風化程度的指標之一，即風化巖塊和新鮮巖塊的縱波速度之比。風化系數(shù)kf：風化系數(shù)是國標提出的用來評價巖的風化程度的指標之一，即風化巖塊和新鮮巖塊飽和單軸抗壓強度之比。結(jié)構(gòu)面：其是指地質(zhì)歷史發(fā)展過程中，在巖體內(nèi)形成的具有一定的延伸方向和長度、厚度相對較小的地質(zhì)面或帶。它包括物質(zhì)分異面和不連續(xù)面，如層面、不整合、節(jié)理面、斷層、片理面等，國內(nèi)外一些文獻中又稱為不連續(xù)面或節(jié)理。節(jié)理密度：反映結(jié)構(gòu)發(fā)育的密集程度，常用線密度表示，即單位長度內(nèi)節(jié)理條數(shù)。節(jié)理連續(xù)性：節(jié)理的連續(xù)性反映結(jié)構(gòu)面貫通程度，常用線連續(xù)性系數(shù)表示，即單位長度內(nèi)貫通部分的長度。節(jié)理粗糙度系數(shù)JRC：表示結(jié)構(gòu)面起伏和粗糙程度的指標，通常用縱刻面儀測出剖面輪廓線與標準曲線對比來獲得。節(jié)理壁抗壓強度JCS：用施密特錘法（或回彈儀）測得的用來衡量節(jié)理壁抗壓能力的指標。節(jié)理張開度：指節(jié)理面兩壁間的垂直距離。巖體：巖體是指在地質(zhì)歷史過程中形成的，由巖塊和結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡組成的，具有一定的結(jié)構(gòu)，賦存于一定的天然應力狀態(tài)和地下水等地質(zhì)環(huán)境中的地質(zhì)體。結(jié)構(gòu)體：巖體中被結(jié)構(gòu)面切割圍限的巖石塊體。巖體結(jié)構(gòu)：巖體中結(jié)構(gòu)面與結(jié)構(gòu)體的排列組合特征。巖體完整性系數(shù)Kv：其是指巖體縱波速度和巖塊縱波速度之比的平方。巖石質(zhì)量指標RQD：大于10cm的巖芯累計長度與鉆孔進尺長度之比的百分數(shù)。巖石的物理性質(zhì)：巖石和土一樣，也是由固體、液體和氣體三相組成的，所謂物理性質(zhì)是指巖石三相組成部分的相對比例關(guān)系不同所表現(xiàn)的物理狀態(tài)。.巖石的熱物理性質(zhì)：巖石在熱交換過程中表現(xiàn)出來的各種性質(zhì)。.巖石的水理性質(zhì)：巖石在水溶液作用下表現(xiàn)出來的性質(zhì)，稱為水理性質(zhì)，主要有吸水性、軟化性、抗凍性及滲透性等。巖石的密度：巖石密度是指單位體積內(nèi)巖石的質(zhì)量，單位為kN/m3。巖石的空隙度：巖石中空隙的總體積與巖石體積的比叫做巖石的空隙度，它用來表征巖石中空隙的發(fā)育狀況。巖石的空隙比：其是指孔隙裂隙的體積與固體的體積之比。巖石的比熱容：單位質(zhì)量巖石的溫度升高1K時所需要的熱量。巖石的導熱系數(shù)：溫度沿單位法向長度下降1K時單位時間內(nèi)通過單位面積巖石的熱量。巖石的比熱：巖石儲存熱量能力的大小，即單位質(zhì)量或單位體積的巖石溫度升高1K是所要供給的熱量。巖石的熱膨脹系數(shù)：其是用來表示巖石受熱膨脹能力大小的系數(shù)，具體分為線膨脹系數(shù)和體膨脹系數(shù)。巖石的吸水率：巖石試件在大氣壓力和室溫條件下自由吸入水的質(zhì)量與巖樣干質(zhì)量之比。巖石的飽水率：巖石試件在150個大氣壓或真空條件下吸入水的質(zhì)量與巖樣干質(zhì)量之比。巖石的飽水系數(shù)：巖石的吸水率與飽和吸水率之比。巖石的軟化系數(shù)：巖石軟化系數(shù)KR定義為巖石試件的飽和抗壓強度與干抗壓強度的比值。巖石的抗凍系數(shù)：巖石試件經(jīng)反復凍融后的干抗壓強度與凍融前干抗壓強度之比。巖石的透水性：在一定的水力梯度或壓力差作用下，巖石能被水透過的性質(zhì)，稱為透水性。巖石的滲透系數(shù)：滲透系數(shù)是表征巖石透水性的重要指標，其在數(shù)值上等于水力梯度為1時的滲透流速。巖石的強度：巖石在達到破壞前所能承受的最大應力。巖石的抗壓強度：在單向壓縮條件下，巖塊能承受的最大壓應力，也叫單軸極限抗壓強度。峰值強度：巖石完全破壞時的應力值。即試件承載力達到最大時的應力值。殘余強度：巖石完全破壞后而僅有內(nèi)摩擦力的強度。巖石的抗拉強度：巖石試件在單向拉伸時能承受的最大拉應力。巖石的抗剪強度：在剪切荷載作用下，巖塊抵抗剪切破壞的最大剪應力。巴西試驗：為了測定巖石抗拉強度而進行的劈裂試驗，是測定巖石抗拉強度的間接試驗。劈裂破壞試驗：用圓柱體或立方體試件，橫置于壓力機的承壓板上，且在試件上、下承壓面上各放一根墊條，然后以一定的加荷速率加壓，直到試件破壞從而測出巖石抗拉強度的試驗。傾斜板剪切試驗：將立方體試件，置于可變角度的傾斜板剪切夾具中，然后在壓力機上加壓直至試件沿預定的剪切面破壞從而求出巖石抗剪強度的一種試驗方法。點荷載試驗：將試件放在點荷載儀中的球面壓頭間，然后通過油泵加壓至試件破壞，利用破壞時的荷載大小可計算求得巖塊的最大拉應力的一種試驗方法。三軸壓縮試驗：試件在三向應力作用下進行壓縮從而求出試件抵抗的最大的軸向應力的試驗方法。真三軸試驗：在三軸壓縮試驗中，當三軸向主應力不相等時即（σ1>σ2>σ3）所做的壓縮試驗。等圍壓試驗：在三軸試驗中，當側(cè)向應力互相相等時（即σ1>σ2=σ3）所做得壓縮試驗。劈裂破壞：試件在軸向壓應力作用下，由于減小或消除了端部約束，沿壓應力垂直方向發(fā)生的拉裂破壞。對頂錐破壞：試件在軸向壓應力作用下，由于試件端部橫向約束，形成的錐形剪切破壞。端部效應：試件試驗時端面條件對巖塊強度的影響，其產(chǎn)生原因一般認為是由于試件端面與壓力機板間的磨擦作用，改變了試件內(nèi)部的應力分布和破壞方式，進而影響巖塊的強度。直剪試驗：將試件放在直剪儀上，試驗時，先在試件上施加法向壓力，然后在水平方向逐級施加水平剪力，直到試件破壞從而求得試件抗剪強度的試驗方法。剛性壓力機：用伺服系統(tǒng)來獲得試件全過程曲線的壓力機。全過程曲線：反映單軸壓縮巖石試件在破裂前后全過程的應力應變關(guān)系的曲線。初始模量：應力—應變曲線在原點處的切線斜率。切線模量：應力—應變曲線直線段的斜率。割線模量：從應力—應變曲線的原點到曲線上一點的連線的斜率，取通常σc的40-60%。泊松比：是指在單軸壓縮條件下，橫向應變與軸向應變之比。彈性滯后：多數(shù)巖石的大部分彈性變形在卸荷后能很快恢復，而小部分（約10%~20%）須經(jīng)過一段時間才能恢復，這種現(xiàn)象稱為彈性滯后。.塑性滯環(huán)：巖石在循環(huán)荷載條件下，每次加荷，卸荷曲線都不重合，且圍成一環(huán)形面積，即塑性滯環(huán)。.巖石的記憶：每次卸載后再加載到原來的應力后繼續(xù)增加荷載，即逐級循環(huán)加載，則新的加載曲線段將沿著卸載前的加載曲線方向上升的形象。反復循環(huán)：在低于彈性極限的恒定應力下反復加載、卸載。逐級循環(huán)：每次卸載后再加載到原來的應力后繼續(xù)增加荷載。疲勞強度：巖塊在高于彈性極限的某一應力下反復加載、卸載時將導致試件進一步的變形，發(fā)生破壞時的應力低于單軸抗壓強度，這一應力稱為疲勞強度。巖石的流變性：巖石的變形和應力受時間因素的影響，在外部條件不變的情況下，巖石的變形或應力隨時間而變化的現(xiàn)象叫流變。蠕變：巖石在恒定的荷載作用下，變形隨時間逐漸增大的性質(zhì)。松馳：巖石在長期的應力作用下，強度漸漸變小的性質(zhì)稱之為松弛。初始蠕變：在本階段內(nèi)，蠕變曲線呈下凹型，特點是應變最初隨時間增大較快，但其應變率隨時迅速遞減到B點達到最小值。等速蠕變：本階段內(nèi)，曲線呈近似直線，即應變隨時間近似等速增加，直到C點。加速蠕變：本階段蠕變加速發(fā)展直到巖石破壞。長期強度：把出現(xiàn)加速蠕變的最低應力值稱為長期強度。力學介質(zhì)模型：用已知邊與變形關(guān)系的簡單元件來描述固體物質(zhì)在受力條件下的變形特征。用于模擬某種物質(zhì)的力學性質(zhì)而用其它具有相似性質(zhì)的材料建立的模型。體積應變曲線：用于描述巖石所受應力與體積應變相互關(guān)系的曲線稱為體積應變曲線。初裂：巖石在荷載作用下，經(jīng)過彈壓壓縮階段，巖石體內(nèi)開始出現(xiàn)微小裂縫的過程，稱為初裂。強度理論：對巖石破壞的原因、過程及條件的系統(tǒng)化論述。破壞判據(jù)(強度準則)：用以表征巖石破壞條件的應力狀態(tài)與巖石強度參數(shù)間的函數(shù)關(guān)系，稱為破壞判據(jù)。脆性破壞：即巖石在荷載作用下沒有顯著覺察的變化就突然破壞的破壞形式。塑性破壞：巖石在破壞之前的變形很大，且沒有明顯的破壞荷載，表現(xiàn)出顯著的塑性變形、流動或擠出，這種破壞稱為塑性破壞。張性破壞：巖石在拉應力的作用下，內(nèi)部連接被破壞，出現(xiàn)了與荷載方向平行的斷裂。剪切破壞：巖石在荷載作用下，當剪應力大于該面上的抗剪強度時，巖石發(fā)生的破壞稱為剪切破壞。流動破壞：通常各種塑性很好的巖石，在荷載作用下，產(chǎn)生巨大的塑性變形或稱之為流動的破壞形式。莫爾強度理論：指材料在極限狀態(tài)下，剪切面上的剪應力達到抗剪強度而破壞，而抗剪強度是與剪切面上得正應力有關(guān)得。八面體強度理論：即巖石破壞的原因是八面體上的剪應力達到了臨界值所引起的。格里菲斯強度理論：實際的固體在結(jié)構(gòu)構(gòu)造上既不是絕對均勻的，也不是絕對連續(xù)的，其內(nèi)部包含有大量的微裂紋和微孔洞，這種固體在外力作用下，即使作用的平均應力不大，但由于微裂紋或微孔洞邊緣上的應力集中，很可能在邊緣局部產(chǎn)生很大的拉應力，當這種拉應力達到或超過強度時，微裂紋便開始擴展，當許多這種的微裂紋擴展、遷就、聯(lián)合時，最后使固體沿某一個或若干個平面或曲面形成宏觀破裂。爬坡角：剪切時結(jié)構(gòu)面法向位移軌跡與水平線的夾角。即，Δv為垂直位移分量，Δu為水平位移分量。基本摩擦角：巖石磨光面做傾斜試驗產(chǎn)生滑動的臨界角。動彈模：巖體在動荷載作用下所表現(xiàn)出來的彈性模量。天然應力：人類工程活動之前存在于巖體中的應力，稱為天然應力或地應力。.重分布應力：開挖破壞了巖體天然應力的相對平衡狀態(tài)，使巖體中的應力產(chǎn)生重分布，這時的應力稱為重分布應力。.圍巖：在巖體中開挖洞室，引起洞室圍巖體中應力的重分布，應力重分布范圍內(nèi)的巖體叫做圍巖。重分布應力：地下開挖破壞了巖體天然應力的相對平衡狀態(tài)，洞室周邊巖體將向開挖空間松脹變形，使圍巖中的應力產(chǎn)生重分布作用，形成新的應力，這種應力稱為重分布應力。.圍巖應力：圍巖中的重分布應力。圍巖壓力：是指圍巖作用在支護上的力。塑性圈(松動圈)：如重分布應力超過圍巖強度極限或屈服極限，造成洞室周邊的非彈性位移，這種現(xiàn)象從周邊向巖體深處擴展到某一范圍，在此范圍內(nèi)的巖體稱為塑性圈(松動圈)。塑性條件：巖石屈服滿足摩爾屈服準則，當巖石進入屈服時就是塑性條件。側(cè)壓力系數(shù)：ξ=σH/σV，即水平應力與垂直應力的比值。靜水壓力狀態(tài)：σ1=σ2=σ3或σH=σV1．從工程的觀點看，巖體力學的研究內(nèi)容有哪幾個方面？答：從工程觀點出發(fā)，大致可歸納如下幾方面的內(nèi)容：1）巖體的地質(zhì)特征及其工程分類。2）巖體基本力學性質(zhì)。3）巖體力學的試驗和測試技術(shù)。4）巖體中的天然應力狀態(tài)。5）模型模擬試驗和原型觀測。6）邊坡巖體、巖基以及地下洞室圍巖的變形和穩(wěn)定性。7）巖體工程性質(zhì)的改善與加固。2．巖體力學通常采用的研究方法有哪些？1）工程地質(zhì)研究法。目的是研究巖塊和巖體的地質(zhì)與結(jié)構(gòu)性，為巖體力學的進一步研究提供地質(zhì)模型和地質(zhì)資料。2）試驗法。其目的主要是為巖體變形和穩(wěn)定性分析提供必要的物理力學參數(shù)。3）數(shù)學力學分析法。通過建立巖體模型和利用適當?shù)姆治龇椒?，預測巖體在各種力場作用下變形與穩(wěn)定性。4）綜合分析法。這是巖體力學研究中極其重要的工作方法。由于巖體力學中每一環(huán)節(jié)都是多因素的，且信息量大，因此，必須采用多種方法考慮各種因素進行綜合分析和綜合評價才能得出符合實際的正確結(jié)論，綜合分析是現(xiàn)階段最常用的方法。(1)巖體中的結(jié)構(gòu)面按成因有哪幾種分法？分別是什么？答：結(jié)構(gòu)面的成因類型分成兩種，一是地質(zhì)成因類型，根據(jù)地質(zhì)成因的不同，可將結(jié)構(gòu)面劃分為原生結(jié)構(gòu)面、構(gòu)造結(jié)構(gòu)面和次生結(jié)構(gòu)面三類；按破裂面的力學成因可分為剪性結(jié)構(gòu)面和張性結(jié)構(gòu)面兩類。(2)結(jié)構(gòu)面的連續(xù)性有幾種定義方法？如何定義？結(jié)構(gòu)面的連續(xù)性反映結(jié)構(gòu)面的貫通程度，常用線連續(xù)系數(shù)和面連續(xù)性系數(shù)表示。線連續(xù)性系數(shù)是指結(jié)構(gòu)面跡線延伸方向單位長度內(nèi)貫通部分的總和；面連續(xù)性系數(shù)是指結(jié)構(gòu)面單位面積內(nèi)貫通部分面積的總和。(3)如何描述結(jié)構(gòu)面的充填情況？按充填物的厚度和連續(xù)性，結(jié)構(gòu)面的充填可分為：薄膜充填、斷續(xù)充填，連續(xù)充填及厚層充填4類，(4)在我國，通常將結(jié)構(gòu)面分為哪幾級？在工程中主要涉及到哪幾級？.按結(jié)構(gòu)面延伸長度、切割深度、破碎帶寬度及其力學效應，可將結(jié)構(gòu)面分為如下5級：I級：指大斷層或區(qū)域性斷層，一般延伸約數(shù)十公里以上，破碎帶寬約數(shù)米至數(shù)十米及幾百米以上。II級：指延伸長而寬度不大的區(qū)域性地質(zhì)界面，如較大的斷層、層間錯動、不整合面及原生軟弱夾層等。III級：指長度數(shù)十米或數(shù)百米的斷層、區(qū)域性、延伸較好的層面及層間錯動等。IV級：指延伸較差的節(jié)理、層面、次生、小斷層及較發(fā)育的片理、劈理面等。V級:又稱微結(jié)構(gòu)面，指隱節(jié)理、微層面及不發(fā)育的片理、劈理等，其規(guī)模小，連續(xù)性差。在工程中主要涉及到III級、IV級。(5)在我國，通常將巖體結(jié)構(gòu)分為哪幾類？.將巖體結(jié)構(gòu)劃分為5大類，即：整體狀結(jié)構(gòu)、塊狀結(jié)構(gòu)、層狀結(jié)構(gòu)、碎裂狀結(jié)構(gòu)、散體狀結(jié)構(gòu)。(6)通常用哪些指標評價巖體的風化程度？答：巖石的風化程度可通過定性指標和某些定量指標來表述，定性指標主要有：顏色、礦物蝕變程度、破碎程度及開挖錘擊技術(shù)特征等。定量指標主要有風化空隙率指標和波速指標等。國標《巖土工程勘察規(guī)范》中提出用風化巖塊的縱波速度、波速比和風化系數(shù)等指標來評價巖塊的風化程度。(7)怎樣用軟化系數(shù)評價巖體的軟化？答：巖石浸水飽和后強度降低的性質(zhì)稱為巖石的軟化性。軟化性用軟化系數(shù)KR表達，它定義為巖石飽和抗壓強度與干抗壓強度之比。當軟化系數(shù)KR>0.75時，巖石的軟化性弱，同時也說明巖石的抗凍性和抗風化能力強，而KR<0.75的巖石則是軟化性較強和工程地質(zhì)性質(zhì)較差的巖石。(8)按巖體力學的觀點，巖體具有什么樣的力學特征？答：非均質(zhì)、非連續(xù)、各向異性。(9)巖體的不連續(xù)性是如何表現(xiàn)的？答：巖體中存在的各種結(jié)構(gòu)面，如斷層，節(jié)理、劈理、層理、卸荷裂隙、風化裂隙等，使介質(zhì)材料在空間的連續(xù)性中斷。(10)為什么說巖體具有不均勻的物理力學性質(zhì)？答：巖體物理力學性質(zhì)的不均勻性由物質(zhì)組成不均勻和節(jié)理發(fā)育不均勻形成。物質(zhì)組成的不均勻主要是組成巖體的巖塊巖性的差別，如砂頁巖互層，泥巖夾灰?guī)r等。節(jié)理發(fā)育不均勻主要是在不同地質(zhì)構(gòu)造部位或不同巖石類型中，節(jié)理發(fā)育差別，如褶皺核部與翼部，砂巖與頁巖中等。(11)巖體的各向異性怎樣產(chǎn)生的？答：主要是層理、節(jié)理、片理面、片麻理面等的存在，造成平行結(jié)構(gòu)面方向和垂直結(jié)構(gòu)面方向物理力學性質(zhì)不同。(12)怎樣確定節(jié)理粗糙度系數(shù)JRC？答：在實際工作中，可用結(jié)構(gòu)面縱剖面儀測出所研究結(jié)構(gòu)面的粗糙剖面，然后與標準剖面進行對比，即可求得結(jié)構(gòu)面的粗糙系數(shù)JRC。(13)怎樣測定節(jié)理壁抗壓強度JCS？答：一般用回彈儀在野外測定，確定方法是：用試驗測得的回彈值，查圖或用公式計算，求得JCS。(14)怎樣測定節(jié)理張開度？答：用標準的各種不同厚度的鋼片（即厚薄規(guī)）插入張開的節(jié)理中，若兩者正好吻合，則鋼片的厚度即為所測節(jié)理的厚度，或者用楔型塞尺測量。(1)在巖石的單軸壓縮試驗中，試件的高徑比、尺寸、加載速率怎樣影響巖石的強度？答：一般說來，高徑比越大，巖石的強度越低。試件尺寸越大，巖石強度越低。加荷速率越大，巖石的強度越大。(2)請描述巖石單軸抗壓強度試驗的制樣、試驗、資料整理的過程和計算方法。答：準備至少6個取自同一地點的試件，試件用圓柱形，試件的斷面尺寸，圓柱形試件尺寸直徑一般D=5cm，試件的高度h=(2~2.5)D，試件端面應當平整光滑，兩端面應平行。試驗前用游標卡尺在試件不同高度位置和不同直徑方向仔細測量試件直徑，取平均直徑作為計算直徑。將試件兩端抹上黃油后置于有球星壓頭的試驗機上，試驗時以每秒0.5~0.8MPa的加荷速率加荷，直到試件破壞，按σc=P/A計算抗壓強度。式中：σc：巖石單軸抗壓強度。P：巖石試件破壞時的荷載。A：試件的橫斷面面積。重復進行6次，取強度平均值。(3)請描述巖石單軸抗拉強度劈裂法試驗的制樣、試驗、資料整理的過程和計算方法。答：取Ф5×5cm或5×5×5cm圓柱體或立方體形狀試件，試驗時沿著圓柱體的直徑方向墊直徑2mm圓形鋼絲墊條置于壓力機上，緩慢加壓致試件受力后沿著受力方向的直徑裂開，試驗資料的整理可按彈性力學來解，，試樣為立方體時，Pmax為破壞荷載。重復試驗6次，取平均值。(4)請描述巖石點荷載試驗的制樣、試驗、資料整理的過程和計算方法。答：以一段長度為直徑1~1.4倍的圓柱狀巖芯，在其中部對稱的兩點上施加點荷載至破壞，破壞方式是巖蕊通常沿縱截面，有時沿橫截面被劈裂，也可以沿巖蕊的軸向在中心線上兩點施加荷載使巖蕊劈裂，單軸抗拉和抗壓強度計算公式如下：單軸抗拉強度計算公式：單軸抗壓強度計算公式：Sc=(22.8~23.7)Is(50)(5)請描述巖石傾斜板剪切試驗的制樣、試驗、資料整理的過程和計算方法。.答：試件尺寸為10cm×10cm×5cm，最大的有達30cm×30cm×30cm的，試驗時采用多個試件，在楔形剪切儀上進行試驗，分別以不同的角度進行，對應于一個角度得出一組σ和τ值。 σ=P(cosα+fsinα)/A τ=P(sinα-fcosα)/A繪制τ-σ曲線，當σ變化范圍圈套時，τ-σ為一條曲線，但當σ<10MPa時可視為直線，可求出c和φ值。(1)單軸壓縮條件下，巖石變形曲線的主要類型有哪些？答：如圖所示：根據(jù)米勒的試驗結(jié)果，巖石變形曲線的主要類型有以下六種：類型Ⅰ表現(xiàn)為近似于直線關(guān)系的變形特征，直到發(fā)生突發(fā)性破壞，且以彈性變形為主。類型Ⅱ，開始為直線，至末端則出現(xiàn)非線性屈服段。類型Ⅲ開始為上凹型曲線，隨后變?yōu)橹本€，直到破壞，沒有明顯的屈服段。類型Ⅳ為中部很陡的“s”形曲線。類型Ⅴ是中部較緩的“s”形曲線。類型Ⅵ開始為一很小的直線段，隨后就不斷增長的塑性變形和蠕變變形。(2)圖示單軸壓縮條件下巖石變形的全過程曲線，說明各特征點的位置和意義，簡述巖石變形各階段及其機制。.答：單軸壓縮條件下巖石變形的全過程曲線如上圖所示：（Ⅰ）孔隙裂隙壓密階段（OA），試件中原有張開性結(jié)構(gòu)面或微裂隙逐漸閉合，巖石被壓密，形成早期的非線性變形。（Ⅱ）彈性變形至微破裂穩(wěn)定發(fā)展階段（AC段），據(jù)其變形機理又可細分彈性變形階段（AB段）和微破裂穩(wěn)定發(fā)展階段（BC段），彈性變形階段不僅變形隨應力成比例增加，而且在很大程度上表現(xiàn)為可恢復的彈性變形，B點的應力可稱為彈性極限。微破裂穩(wěn)定發(fā)展階段的變形主要表現(xiàn)為塑性變形，試件內(nèi)開始出現(xiàn)新的微破裂，并隨應力增強而逐漸發(fā)展，當荷載保持不變時，微破裂也停止發(fā)展，這一階段的上界應力（C點應力）稱為屈服極限。（Ⅲ）非穩(wěn)定破裂發(fā)展階段（CD）。由于破裂過程中造成的應力集中效應顯著，即使外荷載保持不變，破裂仍會不斷發(fā)展，并在某些薄弱部位首先破壞，應力重新分布，其結(jié)果又引起次薄弱部位的破壞，依次進行下去直到試件完全破壞。（Ⅳ）破壞后階段（D點以后階段）：巖塊承載力達到峰值后，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)完全破壞，但試件仍基本保持整體狀，到本階段，裂隙快速發(fā)展，交叉且相互聯(lián)合并形成宏觀斷裂面，此后，巖塊變形主要表現(xiàn)為沿宏觀斷裂面的塊體滑移，試件承載力隨變形增大迅速下降，但并不降到零，說明破裂的巖石仍有一定的承載能力。(3)簡述巖石單軸壓縮變形試驗的試驗方法、過程、和資料整理。答：試樣大多采用圓柱形，一般要求試樣的直徑為5cm，高度為10cm，兩端磨平光滑，在側(cè)面粘貼電阻絲片，以便觀測變形，用壓力機對試樣加壓，在任何軸向壓力下都測量試樣的軸向應變和側(cè)向應變，設試樣的長度為

l，直徑為d，試樣在荷p作用下軸向縮短Δl，側(cè)向膨脹Δd，則試樣的軸向應變?yōu)椋害臿=Δl/l，以及側(cè)向應變?yōu)椋害與=Δd/d，試樣面積為A，則σ=P/A，根據(jù)數(shù)據(jù)繪制應力-應變曲線。(4)簡述三軸條件下巖石的變形特征。答：首先，破壞前巖塊的應變隨圍壓增大而增加，另外：隨圍壓增大，巖塊的塑性也不斷增大，且由脆性轉(zhuǎn)化為延性，巖石由脆性轉(zhuǎn)化為延性的臨界圍壓稱為轉(zhuǎn)化壓力，巖石越堅硬，轉(zhuǎn)化壓力越大，反之亦然。(5)圖示巖石蠕變曲線，簡述各階段的力學特征。.答：（I）初始蠕變階段（AB段）或稱減速蠕變階段，本階段內(nèi)，曲線呈下凹型，特點是應變最初隨時間增大較快，但其應變率隨時間迅速遞減，到點達到最小值。（II）等速蠕變階段（BC段）或稱穩(wěn)定蠕變階段，本階段內(nèi)，曲線呈近似直線，即應變隨時間近似等速增加，直到C點。（III）加速蠕變階段（CD段）：至本階段蠕變加速發(fā)展至巖塊破壞（D點）。(6)分別圖示馬克斯威爾(Maxwell)模型和開爾文(Kelvin)模型。答：(7)簡述巖石初裂的機制、工程意義和監(jiān)測判定方法。答：初裂的機制：荷載增加，巖石中的應力超過彈性極限，巖石內(nèi)部新的裂紋產(chǎn)生和老的裂縫開始擴展。監(jiān)測判定方法：聲發(fā)射儀測定，當發(fā)射儀記錄到大量的聲發(fā)射信號時，即可認為初裂開始。工程意義：預報巖石的破壞及地震的發(fā)生。(1)帕頓(Patton)公式的理論意義是什么？答：帕頓公式的理論意義是提出了剪脹效應，即結(jié)構(gòu)面起伏度的存在可增大結(jié)構(gòu)面的磨擦角，即由增大至，這種效應與剪切過程中向上滑動引起的垂向位移有關(guān)。(2)巴頓(Barton)公式是怎樣建立起來的？公式中各項的意義是什么？答：巴頓對8種不同粗糙起伏的結(jié)構(gòu)面進行了試驗研究，提出了剪脹角的概念并用以代替起伏角，剪脹角的定義為剪切時結(jié)構(gòu)面法向位移的軌跡線與水平線的夾角，即：。通過大量試驗，得出的不規(guī)則粗糙起伏結(jié)構(gòu)面的抗剪強度的統(tǒng)計關(guān)系為：式中：JRC是節(jié)理粗糙度系數(shù)。JCS是節(jié)理抗壁壓強度。為基本磨擦角。(1)承壓板法如何測定巖體的變形參數(shù)？答：先在選擇好的具代表性的巖面上清除浮石，平整巖面，然后依次裝上承壓板、千斤頂，傳力柱和變形量表等，將洞頂作為反力裝置，通過油壓千斤頂對巖面施加荷載，并用百分表測出巖體變形值，將應力與位移繪成變形曲線，在變形曲線上求巖體得變形模量和泊松比。(2)Hoek-Brown的經(jīng)驗方程是什么？各參數(shù)的意義是什么？答：其經(jīng)驗方程為：。式中：σ1、σ3為破壞主應力，σc

為巖塊的單軸抗壓強度。m、s為與巖性及結(jié)構(gòu)面情況有關(guān)的常數(shù)，可查表求得。1、巖體中的天然應力是哪些因素引起的？答：1）巖石的自重；2）構(gòu)造應力及地震；3）巖漿活動及放射性蛻變產(chǎn)生的地熱引起的溫度應力4）地下水動靜壓力。2、目前，實測地應力的方法有哪幾種？答：a、水壓致裂法；b、鉆孔套芯應力解除法；c、聲發(fā)射原理法；d、扁千斤頂法。3、天然應力的分布特征是什么？.答：1）地殼中的主應力為壓應力，方向基本上是鉛垂和水平的。2）垂直應力隨深度線性增的。3）水平應力分布比較復雜。a、水平應力在地表面上水平應力從大到小遞減，在地表深處仍是線性增的。b、在許多地方在地表附近，水平應力大于垂直應力。c在多數(shù)情況，兩個方向的水平應力是不相等的。4）在比較大的范圍內(nèi)，地應力的分布特征比較一致。1、在靜水壓力狀態(tài)下，圍巖應力的分布有何特征？答：天然應力為靜水壓力狀態(tài)時，圍巖內(nèi)重分布應力與θ角無關(guān)，僅與洞半徑a和原始應力水平σ0有關(guān)。徑向應力σr在洞壁處為0，隨著離洞壁距離的增加，其應力逐漸上升，在約6倍洞半徑處基本恢復到原始應力水平。切向應力σθ在洞壁處為2σ0，隨著離洞壁距離的增加，其應力逐漸下降，在約6倍洞半徑處基本恢復到原始應力水平。其分布特征如圖所示：2、在非靜水壓力狀態(tài)下，圍巖應力的分布主要受哪些因素影響？這些因素怎樣影響到圍巖應力的分布特征？答：在非靜水壓力狀態(tài)下，圍巖應力的分布特征與靜水壓力狀態(tài)類似，但側(cè)壓力系數(shù)ξ的大小對應力大小有明顯影響。以圓形洞室為例，當ξ＜1/3時，洞頂將出現(xiàn)拉應力。當1/3＜ξ＜3時，洞壁圍巖內(nèi)的σθ全為壓應力。當ξ＞3時，兩邊墻出現(xiàn)拉應力。3、橢圓形洞室的圍巖應力分布有何特征？答：橢圓形洞室長軸兩端點應力集中最大，易引起壓碎破壞，而短軸兩端易出現(xiàn)拉應力集中，不利于圍巖穩(wěn)定。最合理的洞室方向是長軸平行最大主應力，長短半軸的比等于σ1/σ3，此時洞室圍巖應力分布較均勻，圍巖穩(wěn)定性較好。4、方形及矩形洞室的圍巖應力分布有何特征？答：矩形狀洞室的角點或急拐彎處應力集中最大。長方形短邊中點應力集中大于長邊中點，而角點處應力大，圍巖最易失穩(wěn)。當巖體中天然應力σh、σv相差較大時，則應盡量使洞室長軸平行于最大天然應力的作用方向。(5)圓拱直墻洞室的圍巖應力分布有何特征？答：①平直的周邊容易出現(xiàn)拉應力。由于巖石的抭拉強度通常只有抭壓強度的十幾分子一，所以平直周邊比曲線周邊容易破壞。②拐角處是應力集中區(qū)。③拱頂容易出現(xiàn)拉應力。(6)用彈塑性理論計算圍巖壓力通常有哪幾種方法？答：芬納公式和計算位移公式1、邊坡中的應力分布有何特征？答：（1）無論在什么樣的天然應力場下，邊坡面附近的主應力跡線均明顯偏轉(zhuǎn)，表現(xiàn)為最大主應力與坡面近于平行，最小主應力與坡面近于正交，向坡體內(nèi)漸漸恢復初始應力狀態(tài)；（2）在坡腳附近，形成剪應力集中帶，在坡頂可產(chǎn)生拉應力帶，當應力超過邊坡巖體強度時，可產(chǎn)生坡腳滑動破壞和坡頂?shù)睦瓘埰茐?；?）在非直線坡的情形下，變坡點可形成第二應力異常區(qū)。當坡形上緩下陡時，該異常區(qū)為拉張區(qū)，當坡形下緩上陡時，該異常區(qū)為剪切區(qū)；（4）對階梯形邊坡，在臺階附近為應力異常復雜區(qū)。臺階前端為拉張區(qū)，臺階后部為剪切區(qū)。當臺階寬度較小時，形成復雜的張剪區(qū)，對邊坡安全有較大影響。2、常見的邊坡破壞類形有哪些？答：（1）平面滑動破壞；（2）楔形狀滑動破壞；（3）圓弧形滑動破壞；（4）傾倒破壞；3、邊坡穩(wěn)定性計算的方法主要有哪些？答：①、極限平衡法：單平面滑動計算、雙平面滑動計算、圓弧滑動計算；②、圖解計算；③數(shù)值計算。4、怎樣用赤平投影圖判斷邊坡的穩(wěn)定狀況？答：①、巖體穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，其特點：邊坡巖體中結(jié)構(gòu)面或結(jié)構(gòu)面組合交線的傾向與邊坡傾向正好相反；兩個結(jié)構(gòu)面赤平極射投影的交點M落在邊坡面赤平極射投影的對面，結(jié)構(gòu)面傾向巖體內(nèi)部。②、基本穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，其特點：邊坡巖體中的結(jié)構(gòu)面或組合交線的傾向與坡面傾向一致；結(jié)構(gòu)面的傾角或組合交線的傾角大于邊坡角；兩個結(jié)構(gòu)面赤平投影的交點N落在邊坡面赤平投影園弧內(nèi)。③、不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，其特點：邊坡巖體中的結(jié)構(gòu)面或結(jié)構(gòu)面的組合交線的傾向下坡面的傾向一致；兩個結(jié)構(gòu)面的赤平投影的交點H落在邊坡赤平極射投影園弧以外；巖體中結(jié)構(gòu)面或結(jié)構(gòu)面組合交線的傾角小于邊坡角。(1)在劈裂法測定巖石單軸抗拉強度的試驗中，采用的立方體巖石試件的邊長為5cm，一組平行試驗得到的破壞荷載分別為16.7、17.2、17.0kN，試求其抗拉強度。解：由公式σt=2Pt/πa2=2×Pt×103/3.14×52×10-4=0.255Pt(MPa)σt1=0.255×16.7=4.2585σt2=0.255×17.2=4.386σt3=0.255×17.0=4.335則所求抗拉強度：σt==(4.2585+4.386+4.335)/3=4.33MPa。(2)在野外用點荷載測定巖石抗拉強度，得到一組數(shù)據(jù)如下：D(cm)15.714.614.914.116.316.715.716.6Pt(kN)21.321.924.820.921.525.326.726.1試計算其抗拉強度。(K=0.96)解：因為K=0.96，Pt、D為上表數(shù)據(jù)，由公式σt=KIs=KPt/D2代入上述數(shù)據(jù)依次得：σt=8.3、9.9、10.7、10.1、7.7、8.7、10.4、9.1。求平均值有σt=9.4MPa。(3)試導出傾斜板法抗剪強度試驗的計算公式。解：如上圖所示：根據(jù)平衡條件有：Σx=0τ-Psinα/A-Pfcosα/A=0τ=P(sinα-fcosα)/AΣy=0σ-Pcosα-Pfsinα=0σ=P(cosα+fsinα)式中：P為壓力機的總垂直力。σ為作用在試件剪切面上的法向總壓力。τ為作用在試件剪切面上的切向總剪力。f為壓力機整板下面的滾珠的磨擦系數(shù)。α為剪切面與水平面所成的角度。則傾斜板法抗剪強度試驗的計算公式為:σ=P(cosα+fsinα)/Aτ=P(sinα-fcosα)/A(4)傾斜板法抗剪強度試驗中，已知傾斜板的傾角α分別為30o、40o、50o、和60o，如果試樣邊長為5cm,據(jù)經(jīng)驗估計巖石的力學參數(shù)c=15kPa，φ=31o，試估計各級破壞荷載值。(f=0.01)解：已知α分別為30o、40o、50o、和60o，c=15kPa，φ=31o，f=0.01，τ=σtgφ+cσ=P(cosα+fsinα)/Aτ=P(sinα-fcosα)/AP(sinα-fcosα)/A=P(cosα+fsinα)tgφ/A+c(sinα-fcosα)=(cosα+fsinα)tgφ+cA/PP=cA/[(sinα-fcosα)-(cosα+fsinα)tgφ]由上式，代入上述數(shù)據(jù)，計算得：P30=15(kN/mm2)×25×102(mm2)/[(sin30-0.01×cos30)-(cos30+0.01×sin30)tg31]αsinαcosα(sinα-fcosα)(cosα+fsinα)(cosα+fsinα)tgφP300.50.8660250.491340.8737510.525002-111.4400.6427880.7660440.6351270.7725220.46417821.93638500.7660440.6427880.7596170.6477880.3892310.12456600.8660250.50.8610250.50.300436.68932(5)試按威克爾(Wuerker)假定，分別導出σt、σc、c、φ的相互關(guān)系。解：如圖：由上述ΔAO1B≌ΔAOC得： (1)又AB=ctgΦ×r1,AO1=cscΦ×r1,r1=σt/2 (2)把(2)代入(1)式化簡得： (3)ΔAO2D≌ΔAOC得：∵r1=σt/2r2=σc/2σc(cscφ-1)=σt(cscφ+1) (4)把(4)代入(3)得： (5)由（3），（5） (6)由（3）,（5）2ccosφ=σt(1+sinφ),2ccosφ=σc(1-sinφ),相等有sinφ=(σc-σt)/(σc+σt) (7)由(5)+(3)cosφ=4c/(σc+σt) (8)由（6），（7），（8）(9)(6)在巖石常規(guī)三軸試驗中，已知側(cè)壓力σ3分別為5.1MPa、20.4MPa、和0MPa時，對應的破壞軸向壓力分別是179.9MPa、329MPa、和161MPa，近似取包絡線為直線，求巖石的c、φ值。.1．圖解法由上圖可知，該巖石的c、φ值分別為：28MPa、52°。2．計算法由M-C準則變形（1）考慮Coulomb曲線為直線，則強度線應與Mohr圓中的任意兩圓均相切，此時的c、φ值相等，則任一圓都滿足（1）式。設任意兩圓中的應力分別為，由（1）式得整理得將已知數(shù)據(jù)代入計算結(jié)果如下：σ1Σ3φc179.95.154.4756520.8539332920.451.5765828.05152161035.0996341.81673計算結(jié)果分析，第一組數(shù)據(jù)與第三組數(shù)據(jù)計算結(jié)果明顯低于第一組與第二組數(shù)據(jù)和第二組與第三組數(shù)據(jù)的計算結(jié)果，考慮包絡線為外包，故剔除第一組數(shù)據(jù)與第三組數(shù)據(jù)計算結(jié)果，取平均后得：φ=53.02611°，c=24.45272MPa。(7)某巖石的單軸抗壓強度為164.5MPa，φ=35.2°，如果在側(cè)壓力σ3=40.8MPa下作三軸試驗，請估計破壞時的軸向荷載是多少？解：已知如圖所示：ΔAOC≌ΔABC得：即：因為：r1=82.25MPa，φ=35.2°，所以求得：c=42.64MPa所以：AO=cctanφ=60.45MPaΔABC≌ΔADE得：解得：r2=137.76MPa所以σ1=40.8+2×137.76=316.32MPa(8)在威克爾(Wuerker)假定條件下，巖石抗壓強度是它的抗拉強度的多少倍？解：由上述題(5)知：故φ(1+sinφ)(1-sinφ)σc/σt251.4226180.5773822.463913301.50.53351.5735760.4264243.690172401.6427880.3572124.59891451.7071070.2928935.828427501.7660440.2339567.548632551.8191520.18084810.05901601.8660250.13397513.9282根據(jù)此式點繪的圖如下：(1)試導出體積應變計算式：εv=εa-2εc解：如上圖所示得：V=πc2a/4V′=π(c+Δc)2(a+Δa)/4其中略去了Δc、Δa的高次項，整理得：(2)巖石變形實驗數(shù)據(jù)如下，a.作應力應變曲線(εa、εc、εv)。b.求初始模量、切線模量、50%σc的割線模量和泊松比。σ(MPa)163047627792154164εa(×10-6)18837555074093014121913破壞εc(×10-6)63100175240300350550破壞解：由公式：εv=εa-2εc得：εv=250、175、200、260、330、712、713則初始模量：Ei=σi/εi=16/188=0.085切線模量：Et=(σ2-σ1)/(ε2-ε1)=(77-62)/(930-740)=0.079割線模量：Es=σ50/ε50=77/930=0.083泊松比：μ=εc/εa=319.48/990.39=0.32(1)導出莫爾–庫倫強度準則。解：如圖：由圖中幾何關(guān)系，在ΔABO1中，是直角，(2)導出米色士強度準則。(3)對巖石試樣作卸載試驗，已知C=12kPa，φ=36o，σy=100MPa，當σ1=200MPa時，按莫爾–庫論判據(jù)，卸載達到破壞的最大圍壓σ3是多少？如果按米色士判據(jù)又是多少？解：由上題Mohr判據(jù)按米色士判據(jù)：(4)巖體內(nèi)存在不同方向裂紋，已知σt=–8MPa，a.當σ1=42MPa，σ3=–6MPa時，按格里菲斯準則是否破壞，沿哪個方向破壞？b.當σ1=20MPa，σ3=–8MPa時，是否破壞，沿哪個方向破壞？解：a.由于σ1+3σ3=42+3×(-6)=24>0，所以其破壞準則為：把σ1=42MPa，σ3=–6MPa，σt=8MPa（σt取絕對值）代入上式，左邊=右邊，剛好達到破壞。其破壞面與最大主應力之間的夾角為：，b.由于σ1+3σ3=20+3×(-8)=-4<0，所以其準則為：σ3=-σt。σ3=-8=-σt，按格里菲斯準則可判斷其剛好破壞，其破壞方向為沿σ1的方向。(5)已知巖體中某點應力值為：σ1=61.2MPa，σ3=–19.1MPa，c=50MPa，φ=57o，σt=–8.7MPa，試用莫爾–庫論判據(jù)和格里菲斯準則分別判斷其是否破壞，并討論其結(jié)果。解：a、用莫爾–庫論判據(jù)：等式不成立，所以巖體不破壞。b、用格里菲斯準則：，所以巖體要發(fā)生破壞。c、根據(jù)莫爾–庫倫判據(jù)巖體不破壞，而根據(jù)格里菲斯準則巖體要發(fā)生破壞。即可認為該巖體不會發(fā)生剪切破壞，但由于巖體內(nèi)部存在微裂紋和微孔洞，在外力作用下，即使作用的平均應力不大，在微裂紋和微孔洞的周圍將出現(xiàn)應力集中，并可能產(chǎn)生很大的拉應力，這時就要用格里菲斯準則判斷是否破壞，此題可認為巖體不產(chǎn)生剪切破壞，但會拉裂破壞，所以此巖體將破壞。(1)試導出帕頓(Patton)公式。(2)已知某巖石結(jié)構(gòu)面壁抗壓強度為70MPa，基本摩擦角35o，野外確定JRC為11，試按巴頓(Barton)公式繪出該結(jié)構(gòu)面的σ-τ曲線，并試比較該曲線與庫倫強度曲線的異同。解：根據(jù)Barton公式，將JRC=11，=35，JCS=70MPa代入上式得：，將σ=10,20,…,100MPa代入計算得：στ(Barton)τ(Coulomb)109.7572557.0020752017.3763914.004153024.3349421.006234030.8858828.00835037.1433135.010386043.1722242.012457049.0145349.014538054.6994356.01669060.2484163.0186810065.6779270.02075點繪出的曲線如下：從上圖可以看出：Bartong公式和Coulomb公式結(jié)果接近，在低正應力時（低于JCS），Barton公式計算的剪應力高于Coulomb公式，在高正應力時，Barton公式計算的剪應力低于Coulomb公式。(1)如圖a，在巖石試樣中存在一結(jié)構(gòu)面，a.試證明按莫爾–庫倫強度準則導出的強度判據(jù)為：式中C、φ為結(jié)構(gòu)面參數(shù)。b.當單軸壓縮時，β為多少值該巖石的強度最低？提示：可按圖b關(guān)系導出。.解：解：a.由圖b，在任意ΔABO’中，化簡即可得：證畢。b.單軸時，上式為求σ1對β的最小值。因此，當時，巖石強度最低。(2)地下巖體中有一結(jié)構(gòu)面，其傾角為40o。當在地下200m深處開挖一洞室，如果利用上題的公式，僅考慮巖體自重應力，問該結(jié)構(gòu)面在該洞室處會否滑動？(已知γ=26kN/m3，μ=0.17，結(jié)構(gòu)面C=0.4MPa，φ=28o).解：由上題公式：右邊得：計算表明，滿足破壞所需要的σ1僅為4.743MPa，而此處的實際應力已達5.2MPa，故會滑動。此題有錯誤，(1)考慮地應力為靜水壓力狀態(tài)，分別計算并繪出r＝0、1a、2a、3a、4a、5a、6a時的σr/σ0與σθ/σ0隨r的變化，并討論其與σ0的誤差。解：為靜水壓力狀態(tài)即λ=1，洞室圍巖中與洞軸垂直斷面上任一點的應力由彈性理論的平面問題可得：將r＝0、1a、2a、3a、4a、5a、6a代入得：r1a2a3a4a5a6aσr/σ00（0%）3/4（75%）8/9（89%）15/16（94%）24/25（96%）35/36（97%）σθ/σ02（200%）5/4（125%）10/9（111%）17/16（106%）26/25（104%）37/36（103%）從上表可以看出：應力重分布與無關(guān)，而與測點徑向距離有關(guān)，當洞徑一定時，σθ隨r增大而迅速減少，而σr隨r增大而增大，并都趨近于天然應力值。當r=6a時，σθ、σr與σ0相差僅為1/36，小于2.8%，因此一般可認為應力重分布的影響范圍為r=6a。(2)一圓形洞室的直徑為5m，洞中心埋深610m，巖層密度27kN/m3，泊松比0.25，試求：a.洞壁上各點的應力值并繪成曲線(θ=0o、10o、20o、…、90o)；b.當洞內(nèi)有0.15MPa的壓力時，計算洞壁和拱頂?shù)膰鷰r應力。解：σv=γh=610×27=16.47MPa，λ=μ/(1-μ)=1/3=σh/σv ，σh=σv/3洞壁上各點的應力，，。。0102030405060708090σθ43.92