岩石力学与工程典型题解

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1、绪论典型题解1.1 岩石和岩体的概念有何不同？答：所谓岩石是由矿物或岩屑在地质作用下按一定的规律聚集而形成的自然物体；所谓岩体是在一定的地质条件下，含有诸如节理、裂隙、层理和断层等地质结构面的复杂地质体。岩石就是指岩块，在一般情况下，不含有地质结构面。1.2 在力学性质上，岩体具有什么特征？答：岩体具有不连续性、各向异性、不均匀性、岩石块单元体的可移动性、赋存地质因子这五条特征。-岩石和岩体的基本物理力学性质典型题解2.1 某岩石试件，测得容重 ，比重2.69，含水量3/9.1cmkg，试求该岩样的孔隙比 ，孔隙度 n，饱和度 和干容重 。%29dvrSd解：孔隙比： 83.019.)2(61

2、)( dv孔隙度： %.4583.0%vn饱和度： 9.26GSr干容重： )/(47.183.013cmgd上述指标，也可利用三相图进行计算，若从以知条件 入手，则可先V假设 V=1，然后推算出三相重量及体积，按各物理指标的定义，即可将各指标求得：设 ，则按容重定义：31cmVgVW9.1按含水量定义： ssd2.0按三相图： s即 ： 9.129.0s故： gWs47.gWs43.07.19按比重定义： 5.6.24cmVs水的容重： 3/1cg34.0W因而， 302.).57.(1)( cmVsa 340243.aV至此，所有的各物理量均以求得，即可由定义得：8.57.sV%3.451

3、043.%10nV3/7.cmgSr2.2 大理岩的抗剪强度试验，当 时，126,10nnMPaa。该岩石作三轴抗压强度试验时，当129.3,nnMPaPa。求侧压力 时，其三轴抗压强度等于多少？0,10aCS则 6a解：（1）计算内摩擦角 （1）tgnn1122（2）联立求解： 021092.7356ntg（2）计算系数 K：7.35sin1si0（3）计算三轴抗压强度： 01.6012.CaSKMPa2.3 设有截面积为 A，长为 l 的花岗岩柱体与其它岩块连接（图 22） 。设柱体温度突然下降 20而两端仍保持距离不变。问由于柱体收缩而引起在岩体内的应力有多少？取花岗岩的线膨胀系数 71

4、0 -6/， 是升高或降低 1、单位长度的伸长或缩短量。已知花岗岩的弹性模量 E=5104MPa，抗拉强度为5MPa，又问该花岗岩会不会破裂？解：先作定性分析。由于柱体收缩而又不让它收缩，这将使体内产生拉应力。设两端的约束反力为 P1 和 P2,岩柱体轴向的静力平衡条件给出 P1-P2=0, 即 P1P 2,但不能决定其大小,需要补充一个变形条件。由于降温，柱体的变形量为：l 1= TL =710-6(-20)L=-1.410-4L变形条件是柱体的长度不变。也即柱体由于受力而产生伸长变形的量l和由于冷却而缩短的量之和等于零。l+ l1=0由此得：l=-l 1=-1.410-4L又从：l ，可得

5、补充方程： 1.410 -4PLAE1PAE于是： 441.057Mat 该花岗岩柱体将产生拉破裂。2.4 三块 立方体试件，分别作倾角为 480，550，640 的抗剪强度试验，其施加的最大荷载分别为 4.5T，2.8T 和 2T，试求岩石的 C、 值，并绘出抗剪强度的曲线图。解：（1）求每块试件破坏面上的剪应力和正应力014845sinsin81.7431.P MPaA0148coscos.69250258sinsin12.8.P MPaA025coscos4.5746.250364sinsin68.9.P MPaA03642coscos4.3.55（2）求岩石的 C， 值，根据以上各值作

6、 关系图，如下图所示：由公式： tg484813.,12MPaPa.Ctg （1）13.4Ctg559.2,6.4MPaPa（2）.tg将（1）式代入（2）式，则得：（3）9.213.46.42560.75.tgt故 037将（3）式代入（1）式，则得： 13.420.754.CMPa绘出抗剪强度的曲线图，如图 21图 212.5 三轴试验时，岩石的应力-应变曲线通常有那四个特征区？试用应力-应变关系曲线加以说明（图 23） 。解：岩石在进行三轴试验时，其应力-应变关系曲线，通常有 4 个特征区。区：表现为裂隙的闭合，应力应变成非线性关系。为不可逆变形。区：弹性变形区，即裂隙闭合后，岩石在外载

7、荷作用下，产生弹性变形。应力-应变关系呈线性关系。区：塑性变形区，出现塑性变形，裂隙呈稳定状态，应力-应变曲线基本呈直线关系。区：裂隙不稳定发展区，裂隙进入不稳定发展状态，应力-应变关系呈非线性关系。如果还继续施加荷载，则岩石试件进入破坏区，应变增加应力反而降低，进入到破裂阶段。2.6 有一个直径比 d1 略小一点的圆柱岩石试件放在内径比 d1 略大一点的钢制套筒内，上下都放有刚性垫块，现施加压力 P，问试件和钢筒内的应力各是多少？（图 24） 。已知 d1=4cm，d 2=6cm，岩石的弹性模量 E1=5104MPa,钢的弹性模量 E2=21104MPa，P=100t。解：先分析受力情况：在

8、压力 P 的作用下，岩石和钢筒各处都受到轴向压力，都有相同的缩短，因此在岩石内和在钢筒内的应力应该是均匀的，它们的合力 P1 和 P2 是沿着轴线向上和外力 P 相平衡的。因为没有水平方向的力，而垂直力都在一条轴线上，所以水平力和力矩的平衡方程都自动满足，剩下一个平衡方程为： P1+P2P即： 2112()4ddp22 6112().01(1)12.579还必须从变形条件列出补充方程：其变形条件依题意是岩石和钢套筒的变形一样。l 1 1PhAEl 2 2l 1l 2即： 12hE(2)1225由（1） （2）两式联立得： 1127MPa ； 2=534MPa图 2-3-岩体的基本力学性能典型题

9、解4.1 如图 4-1 所示。一条隧道沿着倾斜岩层的走向开挖，层面节理倾角为 =50，向洞里倾斜，垂直应力（上覆岩层引起）为 1=2.0MPa，节理面的内摩擦角 =40，粘结力 C=0，洞内干燥，无水压。试求因垂直荷载引起作用于洞壁上的水平推力。解：由公式 又C=0； 3132cotsinf 32tati1cosinf 132antcotsi50.1tatao 310.2.MP4.2 某岩块强度符合库仑准则，C=5MPa，=30。如果三轴应力状态下的 3=10MPa=const，求极限平衡时的 1=？若此时 1、3 作用方向分别为铅直和水平，而岩块内仅包有一条节理。该节理C=0，=30。节理对

10、水平的倾角或为 30，或为 45，或为 60，或为 75，或为90。问：1）在何种情况下，节理不破坏，仅岩石破坏？2）在何种情况下，节理不破坏，或岩石和节理都破坏且岩块破裂面和节理重合？3）在何种情况下，岩块和节理都破坏，但岩块破裂面并不与节理重合？解：（一）由摩尔应力圆可得：图 2-4图 4-1 1313sin22tanC 13icossi0.52047.321.5MPa且破坏面与水平方向的夹角为 60。（二） sin(cot)sinmmC式中： ，132132 11 cotsinsinm12 tsisimC计算得： 1=80， 2=40所以：1）在节理对水平的倾角为 30和 90时，节理不

11、破坏，仅岩块破坏。2）在节理对水平的倾角为 60时，岩块和节理都破坏且岩块破裂面与节理重合。3）在节理对水平的倾角为 45和 75时，岩块和节理都破坏，但岩块破裂面并不与节理重合。-工程岩体分类典型题解5.1 某地下工程岩体的勘探后得到如下资料：单轴饱和抗压强度强度 ；MpaRc5.42岩石较坚硬，但岩体较破碎，岩石的弹性纵波速度 、岩体的弹性纵波速度smVpr450；工作面潮湿，有的地方出现点滴出水状态；有一组结构面，其走向与巷smVp350道轴线夹角大约为 25 度、倾角为 33 度；没有发现极高应力现象。按我国工程岩体分级标准（GB5021894）该岩体基本质量级别和考虑工程基本情况后的

12、级别分别确定为（） 。（A）级和级（B）级和级（C）级和级（D）级和级解:由我国工程岩体分级标准中的各分项指标的确定方法确定各分项指标后，再由分级方法中提供的公式计算岩体基本质量指标 （注意满足公式中的限制条件） ， 依据 值查BQBQ表 5-4（岩体基本质量分级表，所有用表见重点提示）确定基本质量级别；又根据工程情况修正后的岩体基本质量指标 ，还是利用表 5-4 确定岩体的最终级别。（1）计算岩体的基本质量指标（1）vcKRB25039其中：单轴饱和抗压强度强度 ；Mpac.4岩体完整性指标 6.22prmvVK检验限制条件：，所以 仍取为 32.55.324.89306.930cv RKc

13、RMpa，所以 仍取为 0.66601524.4. vc KR v将 和 的值代式（1）得：v 38.BQ（2）查表 5-4（岩体基本质量分级表）该岩体基本质量级别确定为级。（3）计算岩体的基本质量指标修正值)(10 32（2）其中： 为地下水影响修正系数，由表 5-5 查得 0.1；1K1K为主要软弱结构面产状影响修正系数，由表 5-6 查得 0.5；2 2为初始应力状态影响修正系数，由查得 0.5。3 3所以： 7)5.0.(1038 BQ（4）查表 5-4（岩体基本质量分级表）该岩体质量级别最终确定为级。所以，本题答案选（B） 。-岩体的初始应力状态典型题解设某花岗岩埋深一公里，其上复盖地层的平均容重为 ，花岗岩处于弹3/26mKN性状态，泊松比 。该花岗岩在自重作用下的初始垂直应力和水平应力分别为（25.0） 。（A）2600 和 867 （B ）26000 和 8667Kpapa（C）2600 和 866 （D）2600 和