巖石力學(xué)與地下工程

1答：基性巖石和超基性巖石主要由易風(fēng)化的橄欖石、輝石及基性斜長(zhǎng)石組成。所以基性巖石和超基性巖石答：巖石中的微結(jié)構(gòu)面（或缺陷）是指存在于礦物顆粒內(nèi)部或礦物顆粒及礦物集合體之間微小的弱面及空晶粒邊界：礦物晶體內(nèi)部各粒子都是由各種離子鍵、原子鍵、分子鍵等相連結(jié)。由于礦物晶粒表面電價(jià)不微裂隙：是指發(fā)育于礦物顆粒內(nèi)部及顆粒之間的多呈閉粒間空隙：多在成巖過(guò)程中形成，如結(jié)晶巖中晶粒之間的小空隙，碎屑巖中由于膠結(jié)物未完全充填而留下晶格缺陷：有由于晶體外原子入侵結(jié)果產(chǎn)生的化學(xué)上的缺陷，也有由于化學(xué)比例或原子重新排列的毛病所1）火山碎屑巖：具有巖漿和普通沉積巖的雙重特性4）化學(xué)巖和生物巖：碳酸鹽類(lèi)巖石，以石灰石分變質(zhì)巖特點(diǎn)：是在已有巖石的基礎(chǔ)之上，經(jīng)過(guò)變質(zhì)混合作用后形成的。在形成過(guò)程中由于其形成的溫度和壓力的不同而具有不同的性質(zhì)，形成了變質(zhì)巖特有的片理、剝理和片麻結(jié)構(gòu)等。據(jù)有明顯的不均勻性和各2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。答：試件在單軸壓縮載荷作用破壞時(shí)，在試件中可產(chǎn)生三種破壞答：由彈性理論可得出在對(duì)徑壓縮方向上，圓盤(pán)中心線(xiàn)平面內(nèi)（y軸9、什么是全應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)？為什么普通材料實(shí)驗(yàn)機(jī)得不出全應(yīng)力-應(yīng)變曲答：全應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)：能顯示巖石在受壓破壞過(guò)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(a)預(yù)測(cè)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發(fā)生不穩(wěn)定蠕變,巖石最終會(huì)破壞.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(xiàn)與全應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)相交，則巖石3答：三軸壓縮條件下，應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)如圖1-31、1-32所示，圍壓對(duì)巖石變形的影答：三軸抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)得出：對(duì)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)的最大軸向壓力莫爾強(qiáng)度包絡(luò)線(xiàn)（Mohr’sstrengthe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)力圓的包答：S=σ.tgφ+C巖石的抗剪切強(qiáng)度S與正應(yīng)力σ成正比。（1）孔隙裂隙壓密階段(OA)：巖石試件中的孔（4）破裂后階段(D點(diǎn)以后)：軸壓力達(dá)到試件的峰值強(qiáng)度后，試件內(nèi)部結(jié)構(gòu)遭到答：對(duì)于線(xiàn)彈性巖石，反復(fù)加載和卸載時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變路徑完全相同，對(duì)于完全彈性巖石，反復(fù)加載和卸載時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變路徑完全相同，但是應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系是曲線(xiàn)。對(duì)彈性巖石，加載與卸載曲線(xiàn)不重過(guò)上一次循環(huán)的最大荷載以后，變形曲線(xiàn)仍沿著原來(lái)的單調(diào)加載曲線(xiàn)上升(圖1-34（1）體積變形階段：體積應(yīng)變?chǔ)旁趶椥噪A段內(nèi)隨著應(yīng)力的增加而呈線(xiàn)形變化（體積減小（2）體積不變階段：在這一階段，隨應(yīng)力的如果在彈性體中存在著三個(gè)相互正交的彈性對(duì)稱(chēng)面，在各個(gè)面兩邊的對(duì)稱(chēng)方向上，彈性相同，但在這個(gè)彈答：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5）溶蝕-潛蝕作用：巖石中滲透水在流動(dòng)過(guò)程中可將巖石中可溶物質(zhì)溶解帶走，從而使巖石強(qiáng)度大為答：賦存環(huán)境：包括地應(yīng)力、地下水和地溫5(3)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)后生愈合作用有兩種：其一為壓力愈合，其二為膠結(jié)愈巖體的結(jié)構(gòu)面主要為原生結(jié)構(gòu)面及構(gòu)造結(jié)構(gòu)面。塊狀碎裂結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)體塊度大，大多為1~2米，碎裂結(jié)構(gòu)的塊度小，起塊度與巖層厚度有關(guān)。如答：在不同的巖體工程條件下，巖體結(jié)構(gòu)可視為塊裂結(jié)構(gòu)，斷續(xù)結(jié)構(gòu)和碎裂結(jié)構(gòu)。因此，巖體結(jié)構(gòu)是相對(duì)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、答：根據(jù)結(jié)構(gòu)面的發(fā)育程度、規(guī)模大小、組合形式等可以將結(jié)構(gòu)面分為五級(jí).Ⅲ級(jí)結(jié)構(gòu)面：局部性的斷裂結(jié)構(gòu)，主要指小斷層，延伸數(shù)十6答：結(jié)構(gòu)面試塊長(zhǎng)度增加，平均峰值摩擦角降低，試塊面積增加，剪切應(yīng)力呈現(xiàn)出減小趨勢(shì)。此外，還體切破壞形式由脆性破壞向延伸破壞轉(zhuǎn)化3）尺寸增加，峰值剪脹角減小，結(jié)構(gòu)面粗糙度減小，尺寸效應(yīng)答：巖體在加載過(guò)程中，應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)呈上凹型，中途答：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σ1 巖體的單軸抗拉強(qiáng)度:答：巖體的水力學(xué)性質(zhì)指巖體的滲透性能及在滲流作用下所表現(xiàn)的力學(xué)7答：地下水對(duì)巖體的影響分為：物理的、化學(xué)的和力學(xué)的(b)溶解作用和溶蝕作用：大氣降雨中的酸性物質(zhì)在地下加，當(dāng)巖土體中的陰離子與水作用，使地下水中的OH-濃度增加，水的堿度增加。水解作用一方面改變地答：對(duì)巖土體產(chǎn)生的力學(xué)作用：主要通過(guò)空隙靜水壓力和空隙動(dòng)水壓力作用對(duì)巖土的力學(xué)性質(zhì)施加影響。作為選擇工程結(jié)構(gòu)參數(shù)、科學(xué)管理生產(chǎn)以及評(píng)價(jià)經(jīng)濟(jì)效益的依據(jù)之一，也是巖石力學(xué)與工程應(yīng)用方面的基然后累加各項(xiàng)指標(biāo)的記分，得出該巖體的總分來(lái)評(píng)價(jià)該巖體82．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(chēng)巖體初應(yīng)力、絕對(duì)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(guò)程有關(guān)，包括板塊邊界受壓、地幔熱對(duì)流、地球內(nèi)應(yīng)力、地心引力、地球旋地應(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、地下水等答：依據(jù)測(cè)量基本原理的不同，可將測(cè)量方法分為直接測(cè)量法和間接測(cè)量發(fā)兩大類(lèi)。直接測(cè)量法是由測(cè)量?jī)x器直接測(cè)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)間接測(cè)量法是借助某些傳感器或某些介質(zhì)，測(cè)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)變解除答：(1)測(cè)量原理：由彈性理論可知，鉆孔位于無(wú)限巖體，受到二維應(yīng)力場(chǎng)(σ1，σ2）的作用時(shí)，在鉆孔9Ps=σ2答：測(cè)試原理：材料在受壓后，其內(nèi)部?jī)?chǔ)存的應(yīng)變能快速釋放產(chǎn)生彈性波，發(fā)生聲響，稱(chēng)為聲發(fā)射。當(dāng)材料中的應(yīng)力超過(guò)其最大應(yīng)力值后，則大量產(chǎn)生聲發(fā)射，這一現(xiàn)象稱(chēng)為凱澤效應(yīng)。該對(duì)應(yīng)點(diǎn)的應(yīng)力即為材料先前受到的最大應(yīng)力。對(duì)巖石試件作室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，即全應(yīng)力解除法即是測(cè)點(diǎn)巖體完全脫離地應(yīng)力的作用，測(cè)量其變形值，再根據(jù)巖體的物理力學(xué)性質(zhì)計(jì)算其原的變化而計(jì)算出垂直于鉆孔軸線(xiàn)的平面內(nèi)的應(yīng)力狀態(tài)，并通過(guò)三個(gè)互不平行鉆孔的測(cè)量確定一點(diǎn)的三軸應(yīng)2)孔徑變形和三維應(yīng)力分量之間的關(guān)系式：設(shè)在三維無(wú)限體中有一鉆孔，鉆孔局部坐標(biāo)系為ox/y/z/,鉆孔E,μ——分別為巖石的彈性模量和泊送比。~二個(gè)互相不平行的孔測(cè)量也只能得到五個(gè)獨(dú)立的方程，所以要確定一個(gè)點(diǎn)的原巖應(yīng)力，應(yīng)該需要三個(gè)互相后使用延伸鉆孔的辦法，使粘貼應(yīng)變片的巖石實(shí)現(xiàn)應(yīng)力優(yōu)點(diǎn)：它不需要很長(zhǎng)的套孔巖芯，因而有可能在較為破碎的巖石條件下使缺點(diǎn)：孔底平面的應(yīng)力狀態(tài)和周?chē)瓗r應(yīng)力狀態(tài)的關(guān)系還沒(méi)有理論解，只能通過(guò)實(shí)驗(yàn)或數(shù)值分析方法來(lái)求答：孔壁應(yīng)變計(jì)測(cè)量原理：在三維應(yīng)力場(chǎng)作用下，一個(gè)無(wú)限體中的鉆孔表面及其周?chē)膽?yīng)力分布狀態(tài)可以由現(xiàn)代彈性理論給出精確解。通過(guò)應(yīng)力解除測(cè)量鉆孔表面的應(yīng)變即可求得鉆孔表面的應(yīng)力并進(jìn)而精確計(jì)算缺點(diǎn)是三組應(yīng)變花直接粘貼在孔壁上，而應(yīng)變花和孔壁之間接觸面小，若孔壁有裂隙缺陷，則很難保證膠結(jié)質(zhì)量。如果膠結(jié)質(zhì)量不好，應(yīng)變計(jì)將不可能可靠工作，同時(shí)防水問(wèn)題孔壁應(yīng)變計(jì)測(cè)量原理：在三維應(yīng)力場(chǎng)作用下，一個(gè)無(wú)限體中的鉆孔表面及其周?chē)膽?yīng)力分布狀態(tài)可以由現(xiàn)代彈性理論給出精確解。通過(guò)應(yīng)力解除測(cè)量鉆孔表面的應(yīng)變即可求得鉆孔表面的應(yīng)力并進(jìn)而精確計(jì)算答：空心包體應(yīng)變計(jì)(CSIRO)的測(cè)量基本將三組應(yīng)變片鑲嵌在環(huán)氧樹(shù)脂制成的空心圓筒進(jìn)行測(cè)量?；驹硎牵涸谌S應(yīng)力場(chǎng)作用下，一個(gè)無(wú)限體中的鉆孔表面及其周?chē)膽?yīng)力分布狀態(tài)可以由現(xiàn)代彈性理論給出精確解。通過(guò)應(yīng)力解除測(cè)量鉆孔表面的應(yīng)變即可求得鉆孔表面的應(yīng)力并進(jìn)而精確計(jì)算出原巖應(yīng)16．空心包體應(yīng)變計(jì)和孔徑變形計(jì)、孔底將三組應(yīng)變片鑲嵌在環(huán)氧樹(shù)脂制成的空心圓筒進(jìn)行測(cè)量。一個(gè)答：實(shí)心包體應(yīng)變計(jì)是測(cè)量巖體的應(yīng)變，然后根據(jù)彈性理論計(jì)算原巖應(yīng)力。剛性包體應(yīng)力計(jì)是直接測(cè)量巖答:巖石力學(xué)彈性平面問(wèn)題的基本方程有三組共8個(gè)方程:第一組:平衡微分方程，它考慮微元體的第二組:平面問(wèn)題的幾何方程，它考慮物體受理后的幾何尺寸改變關(guān)系，即位移與應(yīng)變的第三組:平面應(yīng)變本構(gòu)方程，它考慮了巖石在應(yīng)力作用下，應(yīng)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)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(guò)了自身的應(yīng)力或應(yīng)變的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)答：彈性平面問(wèn)題的應(yīng)力狀態(tài)有平面應(yīng)力狀態(tài)和平面應(yīng)變Yxy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)無(wú)關(guān)。當(dāng)體積力為常數(shù)時(shí)，平面問(wèn)題的相容方程和決定應(yīng)力分量的公式及邊界條件式都不含任何彈性答：圖4-5為平面應(yīng)變問(wèn)題。τθττ縮5）雙向拉伸。τσ平均值。'σ1+σ3σ1—σ30σ=2+'σ1+σ3σ1—σ308.將一個(gè)圓柱形材料放在厚壁圓桶內(nèi)承受軸向壓縮，使之無(wú)法產(chǎn)生橫向應(yīng)變1）試?yán)貌此捅却_定水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力之比2）當(dāng)泊送比為0.1和0.5時(shí)，試計(jì)算上述的應(yīng)力比3石的(σx+σy+σz）與體積變化之間的關(guān)系。所以，εx=得σxμ(σy+σz)=0σyμ(σx+σz)=0體積變化（體積應(yīng)變）εv=εx+εy+εz所以，9.在某些模型實(shí)驗(yàn)中，豎向放置的明膠板在側(cè)邊給予約束，使之在這一方向不能產(chǎn)生水平應(yīng)變，而在明膠泊送比是μ,試計(jì)算明膠板在任一點(diǎn)的水平應(yīng)力。答：側(cè)向有約束，所以：εx=ε所以有任一點(diǎn)的水平應(yīng)力σx=σy=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)巖石流變就是指材料的應(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(guò)程中具有時(shí)間效應(yīng)的現(xiàn)象第二階段：圖中bc段，應(yīng)變速率基本不變，也叫等速蠕變當(dāng)作用在巖石上的應(yīng)力小于某一值時(shí)，巖石的變形速率隨時(shí)間的增加而減小，最后趨于穩(wěn)定，這中蠕變成當(dāng)作用在巖石上的應(yīng)力超過(guò)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，這答：巖石的流變包括蠕變、松弛和彈性后效。其流變方程主要有蠕變方程、松弛方程、彈性后效方程。答：流變模型的基本元件有彈性元件、塑性元件和答：常見(jiàn)的幾個(gè)流變模型為：圣維南體、馬克思威爾體、開(kāi)答：巖石的長(zhǎng)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σ∞與瞬時(shí)強(qiáng)度σ0之比：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)到其答：庫(kù)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莫爾把庫(kù)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)取決于對(duì)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(xiàn)，稱(chēng)為莫爾強(qiáng)度包絡(luò)線(xiàn)。如果巖石的應(yīng)力圓位于莫爾強(qiáng)度包絡(luò)線(xiàn)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(xiàn)相切或相交，則巖石會(huì)產(chǎn)生破壞。莫爾強(qiáng)度包絡(luò)線(xiàn)的格里菲斯（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(kù)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(guò)了剪切強(qiáng)度值。莫爾強(qiáng)度理論的包絡(luò)線(xiàn)包括了庫(kù)侖準(zhǔn)則的直線(xiàn)型，還包括拋物線(xiàn)型和雙曲線(xiàn)型強(qiáng)度準(zhǔn)則，因此，應(yīng)為σ3=20Mpa，的條件下，巖石的極限抗壓強(qiáng)度。并求出破壞面的方位。 答:已知θ==600得φ=300,巖石進(jìn)行單軸壓縮,所以σ3=0,當(dāng)σ1=27.6MPa時(shí),巖石破壞,則(1)莫爾圓上任意一點(diǎn)的正應(yīng)力為σ剪應(yīng)力為τ由庫(kù)侖準(zhǔn)則可知，當(dāng)σ=0時(shí),即在莫爾圓上的園點(diǎn)，2θ=1800即和θ=900，S=σ.tgφ+C(2)與最大主應(yīng)力面的夾角為300時(shí)，即θ=300該面上為正應(yīng)力σ,剪應(yīng)力為τ,剪切強(qiáng)度S.σ=+cos2θ=+cos2×300S=σ.tgφ+C0得巖石內(nèi)摩擦角φ=300所以,σ=+cos2θτ=sin2θ樣的巖石在0.59Mpa的圍壓下進(jìn)行一系列三軸試驗(yàn)，求得主應(yīng)力的平均值為答:已知σc=0.23MPa,當(dāng)σ3=0.59MPa時(shí),σ1=2.24MPaMohr應(yīng)力圓:由(1)和(2)式可求出C和φ值.2.01=tg2θσ