巖石力學(xué)習(xí)題-劉佑榮

巖體力學(xué)習(xí)題1、何謂巖體力學(xué)?談?wù)勀銓?duì)巖體力學(xué)的認(rèn)識(shí)和看法。答：巖體力學(xué)〔rockmassmechanics〕是力學(xué)的一個(gè)分支學(xué)科，是研究巖體在各種力場(chǎng)作用下變形與破壞規(guī)律的理論及其實(shí)際應(yīng)用的科學(xué)，是一門(mén)應(yīng)用型根底學(xué)科。巖體力學(xué)的應(yīng)用范圍涉及廣泛，如水利水電工程、采礦工程、道路交通工程、國(guó)防工程、海洋工程、核電站等。巖體力學(xué)的開(kāi)展與人類(lèi)工程實(shí)踐分不開(kāi)，而今，由于礦產(chǎn)資源勘探開(kāi)采、能源開(kāi)發(fā)及地球動(dòng)力學(xué)研究等的需要，工程規(guī)模越來(lái)越大，涉及的巖體力學(xué)問(wèn)題越來(lái)越復(fù)雜，這對(duì)巖體力學(xué)提出了更高的要求。2、何謂巖塊、巖體?試比擬巖塊與巖體,巖體與土有何異同點(diǎn)?答：巖塊〔rock或rockblock〕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。巖體〔rockmass〕指在地質(zhì)歷史過(guò)程中形成的，由巖塊和結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)組成的，具有一定的結(jié)構(gòu)并賦存于一定的天然應(yīng)力狀態(tài)和地下水等地質(zhì)環(huán)境中的地質(zhì)體，是巖體類(lèi)型研究的對(duì)象。巖塊與巖體的異同點(diǎn)：巖塊和巖體均為巖石物質(zhì)和巖石材料。然而，巖體與巖塊在性質(zhì)上有本質(zhì)的區(qū)別，其根本原因之一是巖體中存在有各種各樣的結(jié)構(gòu)面及不同于自重應(yīng)力的天然應(yīng)力場(chǎng)和地下水。相對(duì)巖塊而言，巖體的各向異性和不連續(xù)性更為顯著，研究中通常把巖塊近似地視為均質(zhì)、各向同性的連續(xù)介質(zhì)。巖體與土的異同點(diǎn)：巖石和土一樣，是由固體、液體和氣體三相組成的。巖石是有較多缺陷的多晶材料，具有相對(duì)較多的孔隙。同時(shí)，由于巖石經(jīng)受過(guò)多種地質(zhì)作用，還發(fā)育有各種成因的裂隙，如原生裂隙、風(fēng)化裂隙及構(gòu)造裂隙等。所以，巖石的空隙性比土復(fù)雜得多，即除了孔隙外，還有裂隙存在。另外，巖石中的空隙有些局部往往是互不連通的，而且與大氣也不相通。3、何謂巖體分類(lèi)?RMR分類(lèi)和Q分類(lèi)各自用哪些指標(biāo)表示?怎樣求得?答：巖體分類(lèi)〔rockmassclassification〕是通過(guò)巖體的一些簡(jiǎn)單和容易實(shí)測(cè)的指標(biāo)，將工程地質(zhì)條件和巖體參數(shù)聯(lián)系起來(lái)，并借鑒已建工程設(shè)計(jì)、施工和處理等方面成功與失敗的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，對(duì)巖體進(jìn)行歸類(lèi)的一種工作方法。RMR分類(lèi)，即巖體地質(zhì)力學(xué)分類(lèi)，由巖塊強(qiáng)度、RQD值、節(jié)理間距、節(jié)理?xiàng)l件及地下水5類(lèi)參數(shù)組成。分類(lèi)時(shí)，根據(jù)各類(lèi)參數(shù)的實(shí)測(cè)資料，按巖體地質(zhì)力學(xué)分類(lèi)表的標(biāo)準(zhǔn)評(píng)分，然后將各類(lèi)參數(shù)的評(píng)分值相加得巖體質(zhì)量總分RMR值。并按節(jié)理方向及節(jié)理走向和傾角對(duì)隧道開(kāi)挖的影響對(duì)總分作適當(dāng)?shù)男拚?。最后用修正后的巖體質(zhì)量總分RMR值，對(duì)照按總評(píng)分值確定的巖體級(jí)別及巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)表，求得巖體的類(lèi)別及相應(yīng)的不支護(hù)地下開(kāi)挖的自穩(wěn)時(shí)間和巖體強(qiáng)度指標(biāo)〔粘聚力和內(nèi)摩擦角〕。RMR值變化在0—100之間，據(jù)RMR值把巖體分為5級(jí)。Q分類(lèi)，即巴頓巖體質(zhì)量分類(lèi)，用巖體質(zhì)量指標(biāo)Q值對(duì)巖體進(jìn)行分類(lèi)，Q值的定義如下：式中，RQD為巖石質(zhì)量指標(biāo)、為節(jié)理組數(shù)、為節(jié)理粗糙系數(shù)、為節(jié)理蝕變系數(shù)、節(jié)理折減系數(shù)、為應(yīng)力折減系數(shù)。分類(lèi)時(shí)，根據(jù)這6個(gè)參數(shù)的實(shí)測(cè)資料，查表確定各自的數(shù)值后，代入上式求得巖體質(zhì)量指標(biāo)Q值。以Q值為依據(jù)將巖體分為9類(lèi)。4、試述圍壓對(duì)巖塊變形、破壞及強(qiáng)度的影響答：圍壓對(duì)巖塊變形的影響：試驗(yàn)研究說(shuō)明：有圍壓作用時(shí)，巖石的變形性質(zhì)與單軸壓縮時(shí)不盡相同。首先，破壞前巖塊的應(yīng)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，且由脆性逐漸轉(zhuǎn)化為延性。圍壓對(duì)巖塊變形模量的影響常因巖性不同而異，通常對(duì)堅(jiān)硬少裂隙巖石的影響較小，而對(duì)軟弱多裂隙巖石的影響較大?？偟膩?lái)說(shuō)，隨圍壓增大，巖塊的變形模量和泊松比都有不同程度的提高。圍壓對(duì)巖塊破壞的影響：巖塊在三軸壓縮條件下的破壞型式大致分為脆性劈裂、剪切及塑性流動(dòng)三類(lèi)。但具體巖塊的破壞方式，除了受巖石本身性質(zhì)影響外，在很大程度上受?chē)鷫旱目刂?。隨著圍壓的增大，巖塊從脆性劈裂破壞逐漸向塑性流動(dòng)過(guò)渡，破壞前的應(yīng)變也逐漸增大。圍壓對(duì)巖塊強(qiáng)度的影響：理論和實(shí)踐都證實(shí)，各種巖石的三軸壓縮強(qiáng)度(σ1m)均隨圍壓(σ3)的增加而增大。但σ1m的增加率小于σ3的增加率，即σ1m與σ3成非線(xiàn)性關(guān)系。此外，圍壓還影響巖塊的剩余強(qiáng)度。當(dāng)圍壓為零或很低時(shí)，應(yīng)力到達(dá)峰值后曲線(xiàn)迅速下降至接近于零，巖塊剩余強(qiáng)度很低，而隨圍壓增大，其剩余強(qiáng)度也逐漸增大，直到產(chǎn)生應(yīng)變硬化。當(dāng)然圍壓對(duì)強(qiáng)度的影響還受到巖性的制約，通常巖性愈脆，圍壓對(duì)強(qiáng)度的強(qiáng)化效應(yīng)愈明顯。5、結(jié)構(gòu)面的法向剛度與剪切剛度的定義如何？各自如何確定？答：〔1〕法向剛度(normalstiffness)是在法向應(yīng)力作用下，結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生單位法向變形所需要的應(yīng)力，數(shù)值上等于曲線(xiàn)上一點(diǎn)的切線(xiàn)斜率，即：結(jié)構(gòu)面法向剛度確實(shí)定可直接用試驗(yàn)，求得結(jié)構(gòu)面的曲線(xiàn)后，在曲線(xiàn)上直接求得。具體試驗(yàn)又分為室內(nèi)壓縮試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)壓縮試驗(yàn)兩種。室內(nèi)壓縮試驗(yàn)可在壓力機(jī)上進(jìn)行，也可在攜帶式剪力儀或中型剪力儀上配合結(jié)構(gòu)面剪切試驗(yàn)一起進(jìn)行。試驗(yàn)時(shí)先將含結(jié)構(gòu)面巖塊樣裝上，然后分級(jí)施加法向應(yīng)力并測(cè)記相應(yīng)的法向位移，繪制曲線(xiàn)。同時(shí)還必須對(duì)相應(yīng)巖塊進(jìn)行壓縮變形試驗(yàn)，求得巖塊曲線(xiàn)。通過(guò)這兩種試驗(yàn)即可求得結(jié)構(gòu)面的曲線(xiàn)?，F(xiàn)場(chǎng)壓縮變形試驗(yàn)是用中心孔承壓板法。試驗(yàn)時(shí)先在制備好的試件上打垂向中心孔，在孔內(nèi)安裝多點(diǎn)位移計(jì)。然后采用逐級(jí)一次循環(huán)法施加法向應(yīng)力并測(cè)記相應(yīng)的法向變形，繪制出各點(diǎn)的曲線(xiàn)。利用某級(jí)循環(huán)荷載下的應(yīng)力差和相應(yīng)的變形差；用下式即可求得結(jié)構(gòu)面的法向剛度：另外，也可由下式求得某級(jí)法向應(yīng)力下結(jié)構(gòu)面的法向剛度。其中的、可通過(guò)室內(nèi)含結(jié)構(gòu)面巖塊壓縮試驗(yàn)求得。在無(wú)試驗(yàn)資料時(shí)，可用班迪斯(Bandis，1983)提出的經(jīng)驗(yàn)方程求、，即：〔2〕剪切剛度(shearstiffness)的數(shù)值等于峰值前曲線(xiàn)上任一點(diǎn)的切線(xiàn)斜率，即：結(jié)構(gòu)面的剪切剛度可通過(guò)室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)剪切試驗(yàn)確定。室內(nèi)剪切試驗(yàn)是在攜帶式剪力儀或中型剪力儀上進(jìn)行的。試件面積約100～400cm2。試驗(yàn)時(shí)將含結(jié)構(gòu)面的巖塊試件裝入剪力儀中，先施加預(yù)定的法向應(yīng)力，待其變形穩(wěn)定后，再分級(jí)施加剪應(yīng)力，并測(cè)記結(jié)構(gòu)面相應(yīng)的剪位移，繪出曲線(xiàn)。然后在曲線(xiàn)上求結(jié)構(gòu)面的剪切剛度?，F(xiàn)場(chǎng)剪切試驗(yàn)時(shí)也是先施加預(yù)定的法向應(yīng)力，待變形穩(wěn)定后，分級(jí)施加剪應(yīng)力。各級(jí)剪應(yīng)力下的剪切位移可由變形傳感器或自動(dòng)記錄裝置測(cè)記。利用各級(jí)剪應(yīng)力下的剪切位移，可繪制出曲線(xiàn)，進(jìn)而求得結(jié)構(gòu)面的剪切剛度。另外，巴頓(Barton，1977)和喬貝(Choubey，1977)根據(jù)大量的試驗(yàn)資料總結(jié)分析，并考慮到尺寸效應(yīng)，提出了剪切剛度Ks的經(jīng)驗(yàn)估算公式如下：式中：為被剪切結(jié)構(gòu)面的長(zhǎng)度；為結(jié)構(gòu)面的剩余摩擦角。6、原位巖體的力學(xué)試驗(yàn)與巖塊力學(xué)試驗(yàn)在本質(zhì)上有何區(qū)別？巖體的變形性質(zhì)與巖塊相比有什么區(qū)別？答：原位巖體試驗(yàn)對(duì)巖體的擾動(dòng)小，盡可能的保持了巖體的天然結(jié)構(gòu)和環(huán)境狀態(tài)，且考慮了巖體的結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)面對(duì)巖體力學(xué)性質(zhì)的影響。而巖塊試驗(yàn)中的試件往往經(jīng)過(guò)加工，受擾動(dòng)程度大，從而破壞了巖塊原來(lái)的天然結(jié)構(gòu)和所處的環(huán)境狀態(tài)。因此原位巖體試驗(yàn)成果較室內(nèi)試驗(yàn)更符合實(shí)際。巖體的變形性質(zhì)與巖塊有顯著的差異。一般情況下，巖體比巖塊更易于變形，其強(qiáng)度也顯著低于巖塊的強(qiáng)度。正因?yàn)槿绱?，巖體在外力的作用下其力學(xué)屬性往往表現(xiàn)出非均質(zhì)、非連續(xù)、各向異性和非彈性。由于巖體中存在有大量的結(jié)構(gòu)面，結(jié)構(gòu)面中還往往有各種充填物。因此，在受力條件改變時(shí)巖體的變形是巖塊材料變形和結(jié)構(gòu)變形的總和，而結(jié)構(gòu)變形通常包括結(jié)構(gòu)面閉合、充填物壓密及結(jié)構(gòu)體轉(zhuǎn)動(dòng)和滑動(dòng)等變形。在一般情況下，巖體的結(jié)構(gòu)變形起著控制作用。結(jié)構(gòu)面的影響是巖體的力學(xué)性質(zhì)不同于巖塊力學(xué)性質(zhì)的本質(zhì)原因。7、試述巖體結(jié)構(gòu)控制論的根本原理及其實(shí)際意義。答：巖體結(jié)構(gòu)控制論的根本原理：大量實(shí)踐與試驗(yàn)研究說(shuō)明，巖體的應(yīng)力傳播、變形破壞以及巖體力學(xué)介質(zhì)屬性無(wú)不受控于巖體結(jié)構(gòu)。巖體結(jié)構(gòu)對(duì)工程巖體的控制作用主要表現(xiàn)在三方面，即巖體的應(yīng)力傳播特征、巖體的變形與破壞特征及工程巖體的穩(wěn)定性。實(shí)際意義：在工程地質(zhì)模型根底上，經(jīng)初步巖體結(jié)構(gòu)分析，對(duì)巖體穩(wěn)定性可作出宏觀(guān)與定性的判斷；依據(jù)巖體結(jié)構(gòu)，尤其是結(jié)構(gòu)面〔特別是控制性結(jié)構(gòu)面與軟弱結(jié)構(gòu)面〕與工程巖體的依存關(guān)系，可準(zhǔn)確確定巖體穩(wěn)定性的邊界條件；充分認(rèn)識(shí)結(jié)構(gòu)控制作用，將大大提高巖體穩(wěn)定性分析的準(zhǔn)確性。8、試述巖體中水平天然應(yīng)力的根本特點(diǎn)。答：(1)巖體中水平天然應(yīng)力以壓應(yīng)力為主，出現(xiàn)拉應(yīng)力者甚少，且多具局部性質(zhì)。大局部巖體中的水平應(yīng)力大于鉛直應(yīng)力，特別是在前寒武紀(jì)結(jié)晶巖體中，以及山麓附近和河谷谷底的巖體中，這一特點(diǎn)更為突出。如σhmax和σhmin分別代表巖體內(nèi)最大和最小水平主應(yīng)力，而在古老結(jié)晶巖體中，普遍存在σhmax＞σhmin＞σv＝ρgZ的規(guī)律。巖體中兩個(gè)水平應(yīng)力σhmax和σhmin通常都不相等。一般來(lái)說(shuō)σhmin／σhmax比值隨地區(qū)不同而變化于0.2～0.8之間。(4)在薄弱的山體、谷坡附近以及未受構(gòu)造變動(dòng)的巖體中，天然水平應(yīng)力均小于鉛直應(yīng)力。在很薄弱的山體中，甚至可出現(xiàn)水平應(yīng)力為零的極端情況。9、試述粗糙起伏無(wú)充填結(jié)構(gòu)面的剪切強(qiáng)度特征。有一節(jié)理面的起伏角i=20°，根本摩擦角φb=35°，兩壁巖石的內(nèi)摩擦角φ=40°，C=10Mpa,作出節(jié)理面的剪切強(qiáng)度曲線(xiàn)。答：這類(lèi)結(jié)構(gòu)面的根本特點(diǎn)是具有明顯的粗糙起伏度，這是影響結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度的一個(gè)重要因素。在無(wú)充填的情況下，由于起伏度的存在，結(jié)構(gòu)面的剪切破壞機(jī)理因法向應(yīng)力大小不同而異，其抗剪強(qiáng)度也相差較大。當(dāng)法向應(yīng)力較小時(shí)，在剪切過(guò)程中，上盤(pán)巖體主要是沿結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生滑動(dòng)破壞，這時(shí)由于剪脹效應(yīng)(或稱(chēng)爬坡效應(yīng))，增加了結(jié)構(gòu)面的摩擦強(qiáng)度。隨著法向應(yīng)力增大，剪脹越來(lái)越困難。當(dāng)法向應(yīng)力到達(dá)一定值后，其破壞將由沿結(jié)構(gòu)面滑動(dòng)轉(zhuǎn)化為剪斷凸起而破壞，引起所謂啃斷效應(yīng)。從而也增大了結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度。據(jù)試驗(yàn)資料統(tǒng)計(jì)(表5-2、表5-4)，粗糙起伏無(wú)充填結(jié)構(gòu)面在枯燥狀態(tài)下的摩擦角一般為40°～48°，粘聚力在0.1～0.55MPa之間。由題得，10、巖石的抗壓強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度哪個(gè)大，為什么？答：巖石的抗壓強(qiáng)度比抗拉強(qiáng)度大的多。因?yàn)閹r石中包含有大量的微裂隙和孔隙，直接削弱了巖塊的抗拉強(qiáng)度。相對(duì)而言，空隙對(duì)巖塊抗壓強(qiáng)度的影響就小得多，因此，巖塊的抗拉強(qiáng)度一般遠(yuǎn)小于其抗壓強(qiáng)度。11、某巖塊的剪切強(qiáng)度參數(shù)為：C=50Mpa，Φ=60°，設(shè)巖石強(qiáng)度服從莫爾直線(xiàn)型強(qiáng)度理論。如用該巖石試件做三軸試驗(yàn),當(dāng)圍壓σ3和軸壓σ1分別加到50Mpa和700Mpa后，保持軸壓不變，逐漸卸除圍壓σ3，問(wèn)圍壓卸到多少時(shí)，巖石試件破壞？答：由得：因此，圍壓卸到23.46Mpa時(shí)，巖石試件破壞。12、假定巖石中一點(diǎn)的應(yīng)力為：σ1=61.2Mpa，σ3=-11.4Mpa，室內(nèi)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的巖石單軸抗拉強(qiáng)度σt=-8.7Mpa,剪切強(qiáng)度參數(shù)C=30Mpa,tgΦ=1.54,試用格里菲斯判據(jù)和庫(kù)侖—納維爾判據(jù)分別判斷該巖塊是否破壞，并討論結(jié)果。答：〔1〕格里菲斯判據(jù)：因?yàn)樗?，用第一個(gè)式子判定。又所以，巖石發(fā)生破壞?！?〕庫(kù)侖—納維爾判據(jù)：因?yàn)椋?2.63Mpa＞61.2Mpa，因此巖塊不會(huì)破壞。由于庫(kù)侖—納維爾判據(jù)適用于堅(jiān)硬、較堅(jiān)硬的脆性巖石產(chǎn)生剪切破壞的情況，而不適用于拉破壞，而格里菲斯判據(jù)那么認(rèn)為材料的破壞是由于其中存在的微裂紋或孔洞在局部拉應(yīng)力作用下產(chǎn)生擴(kuò)展，聯(lián)合的結(jié)果，適用于脆性巖石的拉破壞情況，因此，該巖石試件用格里菲斯判據(jù)更為準(zhǔn)確，即巖石在該點(diǎn)應(yīng)力狀態(tài)下會(huì)破壞。13、某裂隙化安山巖，通過(guò)野外調(diào)查和室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，巖體屬質(zhì)量中等一類(lèi)，RMR值為44，Q值為1，巖塊單軸抗壓強(qiáng)度σc=75Mpa，薄膜充填節(jié)理強(qiáng)度為φj=15°、Cj=0，假定巖體強(qiáng)度服從Hoek--Brown經(jīng)驗(yàn)準(zhǔn)那么，求：〔1〕繪出巖塊、巖體及節(jié)理三者的強(qiáng)度曲線(xiàn)〔法向應(yīng)力范圍為0—10Mpa〕；〔2〕繪出該巖體Cm和φm隨法向應(yīng)力變化的曲線(xiàn)〔法向應(yīng)力范圍為0—2.5Mpa〕；答：查表得：m=0.311、s=0.00009〔1〕〔2〕14、某鐵路隧道通過(guò)一灰?guī)r山，試從巖體力學(xué)角度分析該隧道存在哪些巖體力學(xué)問(wèn)題及解決這些問(wèn)題的根本思路〔包括研究?jī)?nèi)容和研究方法〕答：〔1〕有關(guān)地下水的方面的問(wèn)題。地下水對(duì)于巖石的作用分為長(zhǎng)期效應(yīng)和短期效應(yīng)。長(zhǎng)期效應(yīng)是指侵蝕性地下水對(duì)于巖體的腐蝕作用；短期效應(yīng)是指巖體中滲流場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)動(dòng)態(tài)平衡的某一方的變化越過(guò)一定幅度而使平衡體系被破壞,從而產(chǎn)生地質(zhì)災(zāi)害。如滲流場(chǎng)超常變化誘發(fā)的滑坡及應(yīng)力場(chǎng)大幅變化引起的隧道突水等,地下水在此過(guò)程中的作用可以稱(chēng)為誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的短期效應(yīng)。鐵路隧道開(kāi)挖將導(dǎo)致天然滲流系統(tǒng)的改變。當(dāng)?shù)叵麻_(kāi)挖排水,巖體的次生滲透性可能隨著溶蝕作用對(duì)隙寬及其連通性的改造發(fā)生演化,從而改變?cè)械乃畮r相互作用。其直接結(jié)果是使地下水中CO2得到不斷的補(bǔ)充,使其碳酸鹽巖的溶解、腐蝕損傷能力大增。同時(shí),不同含水系統(tǒng)的溝通還可能導(dǎo)致混合溶蝕作用。另外,地下施工以及排水使地下水交替加快,巖體中水化學(xué)損傷加速演化,導(dǎo)致巖體裂隙網(wǎng)絡(luò)的滲透性和連通性增加,巖體有效承載面積減小,有效應(yīng)力增加。地下水腐蝕灰?guī)r對(duì)于巖塊強(qiáng)度的影響通?？梢酝ㄟ^(guò)巖樣的干密度來(lái)衡量。根據(jù)研究區(qū)的巖樣試驗(yàn)資料,統(tǒng)計(jì)其中含有干密