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1、1 岩体力学岩体力学 课后习题答案完善版课后习题答案完善版 能源学院能源学院 张张 盛盛 2013.11.52013.11.5 2 目目 录录 一、绪 论 . 3 二、岩石的基本物理力学性质 . 4 三、岩体的动力学性质 17 四、岩体的基本力学性质 19 五、工程岩体分类 27 六、岩体的初始应力状态 29 七、岩体力学在洞室工程中的应用 32 八、岩体力学在边坡工程中的应用 38 九、岩体力学在岩基工程中的应用 41 3 一一、绪绪 论论 1、叙述岩体力学的定义叙述岩体力学的定义。 答：岩体力学主要是研究岩石和岩体力学性能的一门学科，是探讨岩石和岩体在其周围物理环境发生变化后，做出响应的一
2、门力学分支。 2、何谓岩石何谓岩石？何谓岩体何谓岩体？岩石与岩体有何不同之处岩石与岩体有何不同之处？ 答：岩石是由矿物或岩屑在地质作用下按一定的规律而形成的自然物体， 有其自身的矿物结构和构造。 岩体是一定工程范围内的自然地质体，由岩石块和各种各样的结构面共同组成的综合体。不同：岩体多是不连续介质，通常与工程联系起来，是较大的地质体，而岩石本身可作为连续介质看待，与工程无关。 3、何谓岩体结构何谓岩体结构？岩体结构的两大要素是什么岩体结构的两大要素是什么？ 答：岩体结构是指结构面的发育程度及其组合关系或者是指结构体的规模、形态及其排列形式所表现的空间形态。岩体结构的两大要素是指结构体和结构面。
3、 4、中科院研究所提出的岩体结构可分为哪六大类型中科院研究所提出的岩体结构可分为哪六大类型？ 答：块状结构、镶嵌结构、破碎结构、碎裂结构、层状结构、层状破碎结构、散体结构。 5、岩体有哪些特征岩体有哪些特征？ 答：岩体的特征有不连续性；各向异性；不均匀性；赋存地质因子的特性。 4 二、岩石的基本物理力学性质 1、岩石有哪些物理力学参数岩石有哪些物理力学参数？ 答：岩石的物理力学参数有：岩石的质量指标、水理性质指标、描述岩石风化能力的指标以及完整岩石的单轴抗压强度、抗拉强度、剪切强度、三向压缩强度和与各种受力状态相对应的变形特性等。 2、影响岩石强度特性的主要因素有哪些影响岩石强度特性的主要因素
4、有哪些？ 答：影响岩石强度特性的主要因素有岩石的单轴抗压强度、抗拉强度、抗剪强度、三轴压缩强度。 3、何谓岩石的应力应变全过程曲线何谓岩石的应力应变全过程曲线？ 答：应力应变全过程曲线为在刚性试验机上进行试验所得到的包括岩石达到峰值应力之后的应力应变曲线。 4、简述岩石刚性试验机的工作原理简述岩石刚性试验机的工作原理。 答：试验机主要是由出力系统和金属框架组成，当进行岩石压缩试验时，试验机的金属框架则承受了与出力系统大小相同的拉力，此时，框架中将贮存着一定数量的弹性应变能。当岩石达到峰值应力时，由于已经超出了岩石所能承受的极限应力，使得岩石将产生一个较大量级的应变。正是因为这一应变在瞬时突然产
5、生，促使试验机框架向岩石释放出贮存在机内的弹性应变能。显然，岩石的突然崩溃是出于这附加的能量而造成。当试验机的刚度大于岩石的刚度时，才有可能记录下岩石峰值应力后的应力应变曲线。 5 5、试比较莫尔强度理论试比较莫尔强度理论、格里菲斯强度理论和格里菲斯强度理论和 E.Hoek 和和 E.T.Brown提出的经验强度理论的优缺点提出的经验强度理论的优缺点。 答：几种强度理论的优缺点：莫尔强度理论是岩体力学中应用最广泛的强度理论，其表达式简洁，物理意义明确，使用方便，但是此理论不能从岩石的破坏机理上解释其破坏的特征；其次忽略了中间主应力的影响。格里菲斯强度理论很好的解释了岩石内部的裂纹扩展现象，并能
6、较正确的说明要是的破坏机理，其判据公式虽然是一条用分段函数表示的曲线，但是在-坐标下，其曲线行驶于莫尔强度包络线比较相似。E.Hoek 和 E.T.Brown 提出的经验强度理论公式，它的作用和莫尔强度很接近，能够用曲线来表示的强度是其最大的优点，但是表达式比较复杂。 6、典型的岩石蠕变曲线有哪些特征典型的岩石蠕变曲线有哪些特征？ 答：岩石蠕变曲线分为三个阶段，AB 阶段分为瞬态蠕变阶段，应变速率随时间的增长逐渐减小，蠕变曲线呈下凹型，并向直线过度，此阶段具有弹性后效的特性；BC 阶段称为稳定蠕变阶段，此阶段应变与时间的关系近似呈直线变化，若负荷撤去则应变能够部分恢复，不能完全恢复；C 点以后
7、阶段是非稳态蠕变，经过 C 点之后应变速率剧烈增加，试件将破坏。 7、有哪三种基本的力学介质模型有哪三种基本的力学介质模型？ 答：三种基本的力学介质模型为弹性介质模型；塑性介质模型；粘性6 介质模型。 8、基本介质模型的基本介质模型的串联和并联的力学特征有何不同串联和并联的力学特征有何不同？ 答：串联时，作用于模型两端的力是相同的，总应变量为两个模型的应变量之和；并联时，当外力作用于模型的两端时，两个模型所长生的应变式相等的，而总应力是两个模型的应力之和。 9、岩石在单轴和三轴压缩应力作用下岩石在单轴和三轴压缩应力作用下，其破坏特征有何异同其破坏特征有何异同？ 答：单轴破坏形式有两类，圆锥形破
8、坏和柱状劈裂破坏，前者是因为试件两端面与试验机承压板之间摩擦力增大造成的，若采用有效方法消去岩石试件两端面与试验机承压板见得摩擦力，则试件的破坏形式成为柱状劈裂破坏。假三轴试验中，岩石试件在低围压作用下，其破坏形式主要表现为劈裂破坏，这是围压的作用并没有明显的显现出来，这一破坏形式与单轴的破坏形式比较相似，当在中等围压的作用下，试件表现为剪切破坏，当在高围压作用下，试件则会出现塑性流动破坏，试件不出现宏观上的破坏断裂而呈腰鼓形。围压的增大改变了岩石试件在三向压缩应力作用下的破坏形式。 10、一个一个 5cm5cm5cm 试样试样，其质量为其质量为 678g，用球磨机磨成岩粉并用球磨机磨成岩粉并
9、进行风干进行风干， 天平秤称得其质量为天平秤称得其质量为 650g， 取其中岩粉取其中岩粉 60g 作颗粒密度试验作颗粒密度试验，岩粉装入李氏瓶前岩粉装入李氏瓶前，煤油的度数为煤油的度数为 0.53cm，装入岩粉后静置半小时装入岩粉后静置半小时，得得读数为读数为 20.33cm，求求：该岩石的天然密度该岩石的天然密度、干密度干密度、颗粒密度颗粒密度、岩石天岩石天然空隙率然空隙率。 7 解：天然密度为3/cm71. 2555678gVm 干密度3/6 . 2555650cmgVmsd 颗粒密度3/03. 35 . 0-3 .20 60cmgVmss s 天然孔隙率14. 003. 36 . 2-
10、1-1sdv VVn 11、有一云母岩试件有一云母岩试件， 其力学性能在沿片理方向其力学性能在沿片理方向 A 和垂直方向和垂直方向 B 出现出现明显的各相异性明显的各相异性，试问试问： （1）岩石试件分别在岩石试件分别在 A 向和向和 B 向受到相同的单向压力时向受到相同的单向压力时，表现的变表现的变形哪个更大形哪个更大？弹性模量哪个大弹性模量哪个大？为什么为什么？ （2）岩石试件的单轴抗压强度哪个更大岩石试件的单轴抗压强度哪个更大？为什么为什么？ 解： （1）在相同的单向压力下，B 向变形更大，因为 B 向垂直片理方向，施加单向压力时 B 向岩石变形更大，而 A 向的弹性模量比较大，根据E可
11、知，应力相同下BA，此时 A 向的 E 大于 B 向的 E，即A 的弹性模量比较大。 （2）岩石试件的单轴抗压强度 B 向更大，B 向垂直于片理方向，为剪切片理破坏，A 向由于结构面的弱抗拉效应，岩石容易产生拉破坏，降低抗压强度。 12、已知岩石单元体已知岩石单元体 AE 的应力状态如图所示的应力状态如图所示，并已知岩石的并已知岩石的c=4MPa, 35,试求试求： （1）各单元的主应力的大小各单元的主应力的大小、方向方向，并作出莫尔应力图并作出莫尔应力图。 8 0 . 1x0 . 6x 06.y0 . 5x 0 .2xyyx03.xy 0 .10y04.xy（2）判断在此应力下判断在此应力下
12、，岩石单元岩石单元体按莫尔体按莫尔-库伦理论是否会破坏库伦理论是否会破坏？ 0 . 5y解： （1）A 单元： 主应力大小：MPaxyxx 00 . 502.05-0 25 . 002-22 22 yy31 方向：与x的夹角, 00 . 5-0 0 -22tanyxxy 所以 0。 莫尔应力图：圆心：2.525.0 231半径：2.520-5.0 2-31有 c=4MPa, 35,所以莫尔应力圆为： A 0 . 5yB C D E 9 B 单元： 主应力大小：MPaxyxx 04.-04.04.20-0 200 2-22 22 yy31 方向：与x的夹角45,004. -22tanyxxy，
13、莫尔应力图：圆心：024.0-4.0 231半径：4.024.04.0 2-31有 c=4MPa, 35,所以莫尔应力圆为： C 单元：主应力大小： MPaxyxx 00.7-5.7002.20-05. 205.0 2-222 22 yy31 10 方向：与x的夹角19.30.8,0-5.004. -22tanyxxy莫尔应力图：圆心：2.520.7-5.7 231半径：3.220.75.7 2-31D 单元： 主应力大小： MPaxyxx 06.6.0026.0-06. 26.06.0 2-222 22 yy31 方向：与x的夹角00,6.0-6.00 -22tanyxxy， 莫尔应力图：圆
14、心：6.026.06.0 231半径：026.0-6.0 2-31因为半径为 0 故莫尔应力圆为 11 E 单元： 主应力大小： MPaxyxx 0.0910.9103.21.0-010. 21.010.0 2-222 22 yy31 方向：与x的夹角16.90.67,1.0-10.03.02 -22tanyxxy莫尔应力图：圆心：5.520.0910.91 231半径：5.4120.09-10.91 2-31莫尔应力圆为： （2）A 单元： 12 5.0MPa15.37MPa23545tan42245tan2245tan231 c 所以不破坏； B 单元：同理 4.0MPa0.61MPa23545tan4223545tan-4.02 1 故破坏； C 单元： 5.7MPa12.78MPa23545tan4223545tan-0.72 1 ，故不破坏； D 单元： 6.0MPa37.51MPa23545tan4223545tan6.02 1 ，故不破坏； E 单元： 10.91MPa15.70MPa23545tan4223545tan0.092 1 ，故不
