巖石力學與工程課后習題與思考解答-wenkub.com

　 　

【正文】 （1）巖石的容重：單位體積巖石的重量；（2）巖石的比重：巖石固體部分的重量與4℃時同體積純水重量的比值；（3）巖石的空隙性：天然巖石中包含著成因、數量各異的空隙和裂隙的結構特征；（4）巖石的水理性：巖石與水相互作用時所表現出來的性質；22．簡述巖石的力學性質及影響巖石力學性質的主要因素。答：巖石與水相互作用時所表現的性質稱為巖石的水理性，包括吸水性、透水性、軟化性和抗凍性。答：巖體的賦存環境包括：地應力、地下水和地溫。主要方法有：（1）地面位移建網觀測；（2）地表裂隙簡易觀察；（3）建筑物裂縫簡易觀察；（4）地面傾斜變化觀測；（5）滑坡深部位移觀測；（6）滑動面位置測定；（7）滑坡滑動力推測。主要特點及適用條件：用極限加速度KC來描述邊坡的穩定程度，可以用于評價各種破壞模式下邊坡穩定性，而且條塊分條是任意性的，從而可以對各種特殊邊坡的破壞模式進行穩定性分析，但是計算比較復雜。主要特點及適用條件：計算準確但是計算復雜，適用于復合破壞面的邊坡，既可以用于圓弧形滑動也可以用于非圓弧形滑動，要求垂直條分。分割條塊時要求采用垂直條分。主要特點及適用條件：力學模型和計算公式簡單，主要適用于均質砂性土、順層巖質邊坡以及沿基巖產生的平面破壞的穩定性分析，但要求滑體做整體剛體運動，對于滑體內產生剪切破壞的邊坡穩定性分析誤差較大。即F=抗滑力/下滑力（3）二維（平面）極限分析的基本單元是單位寬度的分塊滑體。11．軸對稱隧道圍巖處于理想彈塑性狀態，其塑性區半徑與哪些因素有關？圍巖應力分布規律如何？答：軸對稱圍巖條件下理想彈塑性隧道圍巖，其塑性區半徑可由下列公式給出：因此，塑性區半徑與隧洞斷面半徑R0，圍巖應力p0、巖石的內摩擦角φ和巖石的粘結力c，支護反力pi有關。10．簡述邊坡整治的措施。答：巖石在單軸壓縮條件下變形可分為四個階段：（1）空隙裂隙壓密階段（0A段）：試件中原有張開結構面或微裂隙逐漸閉合，巖石被壓密，試件橫向膨脹較小，體積隨載荷增大而減小。答：（1）開挖后，在坑道周邊形成松動圈和塑性變形區。答：蠕變是當應力不變時，變形隨時間增加而增長的現象，蠕變分為四個階段：第一蠕變階段：應變速率隨時間增加而減小，稱為減少蠕變階段或初始蠕變階段；第二蠕變階段：應變速率保持不變，稱等速蠕變階段；第三蠕變階段：應變速率迅速增加直到巖石破壞，稱加速蠕變階段。施工過過程：開挖－一次支護—二次支護。其特點有：（1）及時性：采用噴錨支護為主要手段，可以最大限度的跟緊開挖工作面，利用開挖工作面的時空效應，及時限制支護前圍巖的變形和變形發展，阻止圍巖進入松動狀態，必要的情況可進行超前支護。答：莫爾強度理論認為材料的破壞主要是剪切破壞，破壞面的剪應力大于材料破壞面所能承受的最大剪應力（抗剪強度）時即發生破壞，材料在各種應力狀態下的應力應變曲線，即莫爾應力圓，具有一條公共包絡線，這條包絡線與每個極限應力圓相切，能夠反映材料內部各點受外荷載作用時破壞的性質，這條包絡線就叫做莫爾強度包絡線，在實際受力條件下，通過繪制實際狀況的應力圓，判斷它與材料莫爾包絡線之間的關系就可以判斷材料是否發生破壞及破壞面的位置。包括表層蠕動和深層蠕動兩種。4．簡述巖體邊坡變形和破壞的主要形式。巖塊強度以單軸抗壓強度或點荷載強度指標表示；RQD值是指10cm及以上長度巖芯累計長度與鉆孔長度比值（百分比）；節理間距指巖體中兩條節理見的平均距離；節理條件包括節理面粗糙度、節理面的連續性、節理寬度和節理面巖石的堅硬程度。優缺點評價：水壓致裂法認為初始開裂發生在鉆孔壁切向應力最小的部位，亦即平行于最大主應力方向，這是基于巖石為連續、均質和各向同性的假設。答：基本原理為：彈性力學原理知當一無限體中的鉆孔受到無窮遠處二維應力場（σ1，σ2）的作用，離開鉆孔端部一定距離部位處于平面應力狀態： σr=0其中，σθ，σr分別為鉆孔周邊的切向應力和徑向應力；θ為周邊一點與σ1軸的夾角，當θ=0時，σθ取最小值，此時σθ=3σ2－σ1。+500sin10176。－20+Psin40176。－80－250sin10176。若已知滑面AB和BC得傾角為α=10176。基礎寬度b=、埋深d=，試求該巖基承載力的標準值fk和設計值f。如采用陪燒法、電滲排水法、水泥灌漿法、鉆孔爆破法等。整治措施：（1）消除或減小地表水或地下水的作用；（2）恢復山體平衡條件；（3）改善滑動帶或滑動體土壤性質。監測方法有：(1)地面位移觀測法—建網觀測（由設置在滑坡體內及其周圍穩定區地表的各個位移觀測點（樁），以及設置在滑坡體外穩定區地面的置鏡樁等的觀測系統）(2)地表裂縫簡易觀測法。？它們能預測嗎？答：邊坡坍塌的模式不同主要因為不同邊坡其賦存環境、受力情況、邊坡巖體結構和邊坡巖體力學性質不同，其破壞模式可以根據節理裂隙或巖土性質及外力作用條件進行粗略預測。？答：土體與巖體的結構不同，從而它們的工程地質及水文地質以至力學特性差異顯著。而使巖體全面崩塌的情況。：滑動面通常為弧形狀，巖體沿此弧形狀滑移。（2）滑坡：是指巖體在自重力作用下，沿坡內軟弱結構面產生的整體滑動。ACBDo多點位移計多點位移計多點位移計答：向圍巖內部打孔安裝多點位移計（穿過圍巖松動圈），測量圍巖內部的移動情況，通過觀察多點位移計是否測出圍巖有整體性移動結合收斂變形計測量數值可以判斷收斂位移是否是絕對位移，若未測出巖石內部發生移動變形，則收斂計測出結果及是絕對位移，反之則是收斂位移。答：分析如下（1）p1=0時巷道周邊：r=R0時σr=0 ， σθ=σc塑性區一點：R0≤r＜Rp時，彈、塑性區一點：令上述公式r=RP即得彈性區一點：Rp＜r ＜r→∞ 時，原巖區一點：r→∞時, 上述公式知= =p0(2)p1=p時巷道周邊：r=R0時 σr=p1 ，σθ=p1+σc塑性區一點：R0＜r＜Rp時，彈、塑性區一點：令上述公式r=RP即得彈性區一點：Rp＜r＜r→∞ 時，原巖區一點：r→∞時, 上述公式知==p0，試用你掌握的所有辦法，確定其頂板、側幫壓力，并進行比較。90176。求彈性應力分布情況，并指出最大應力及確定σθ=、。請你在Mohr圖上繪出代表這兩種試驗結果的應力圓，確定其內摩擦角和粘結力。并求出破壞面的方位。格里菲斯理論認為脆性材料的破壞是由材料內部微裂隙端部拉應力集中而導致的。？為什么要提出強度準則？答：強度準則又稱為破壞判據，是表示巖石在極限應力狀態下（破壞條件）的應力狀態和巖石強度參數之間的關系。當作用在巖石上的應力超過某一值時，巖石的變形速率隨著時間的增加而增加，最后導致巖石的破壞，這種蠕變稱為不穩定蠕變。答：：（1）簡單拉伸：σ=σ0（2）二維應力狀態：σ1=σ0/3，σ2=－σ0/3（3）純剪：τxy=σ0答：、松弛、彈性后效和流變？答：蠕變是當應力不變時，變形隨時間增加而增長的現象；松弛是當應變不變時，應力隨時間增加而減小的現象；彈性后效是加載或卸載時，彈性應變滯后于應力的現象；流變是指材料變形過程中具有時間效應的現象。如果明膠的密度為γ，至任一點的深度是z，泊松比是υ，試計算明膠板在任一點的水平應力。答：如下圖示：：在發生最大與最小剪應力的面上，正應力的數值都等于兩個主應力的平均值。兩類本構方程都是由胡克定理推到而來，只要將應力問題中彈性模量E換成E/（1－υ2），υ換成υ/（1－υ）就可得到平面應變問題。根據巖石變形性質，巖石的本構關系可分為巖石彈性本構關系和巖石塑性本構關系，統稱為彈塑性本構關系；巖石彈性本構關系根據巖石變形是否成線性分為線性彈性本構關系和非線性彈性本構關系；巖石材料一般表現為既有彈性又有塑性，是彈塑性體，因而根據巖石是否各向同性又分為各向同性彈塑性本構關系和非各向同性彈塑性本構關系。答：地應力測量過程中多數應變計和形變計都是采用電阻應變片采集測量量數據，電阻應變片是基于電阻應變片長度變化引起電阻變化這一原理，在實際使用過程中，電阻變化受溫度影響明顯，這就會導致電阻變化，造成虛假的輸出結果，影響輸出電壓，使結果偏離真實。答：通過應力解除測量鉆孔壁表面應變，進而計算出鉆孔表面應力，利用彈性力學原理，一個無限體中的鉆孔表面的應力分布狀態可以通過周圍巖體中應力狀態給出精確解，因此，通過鉆孔表面應力狀態可反算出周圍巖體應力狀態。＜β≤180176。＜β≤90176。答：方式一：垂直鉆孔軸線平面內的應力狀態求解如下圖表：如圖，孔徑變形計記錄垂直孔軸線平面的變形量UUU3，通過下試求取平面內主應力σ1，σ2:其中E,υ為巖體彈性模量和泊松比，泊松比可通過在巖芯上貼徑向應變片測量其軸向和徑向變形而得，對于彈性模量可通過對巖芯施加圍壓P0，利用公式：其中，U:圍巖引起的平均變形量；R、r：套孔巖芯的外、內徑。孔徑一般130150mm，形成大孔之后磨平孔底并在孔底打出同心錐形孔，以利進一步鉆同心小孔；（2）完成上述工作，從大孔孔底打同心小孔，供安裝探頭用。答：材料在受到外荷載作用時，其內部存儲的應變能快速釋放產生彈性波，發出聲響，稱為聲發射；聲發射測試的原理是基于凱澤效應的；凱澤效應是指多晶金屬的應力從其歷史最高水平釋放后，在重新加載，當應力未達到先前最大應力值（凱澤點）時，很少發生聲發射現象，當應力達到或超過先前最大應力值時，則產生大量的聲發射現象。答：水壓致裂法認為初始開裂發生在鉆孔壁切向應力最小的部位，亦即平行于最大主應力方向，這是基于巖石為連續、均質和各向同性的假設。巖石存在裂隙水壓P0時Pi=3σ2－σ1+T－P0 ；若在開裂鉆孔中再次注入高壓水，使致裂裂隙張開，保持壓力穩定，此時測得裂隙重開壓力Pr= d3σ2－σ1－P0，結合Ps=σ2就能避開再次測算T而直接計算出σ1，σ2，達到試驗目的。直接測量法測量技術包括：扁千斤頂法、水力致裂法、剛性包體應力計法和聲發射法；間接測量方法包括：全應力解除法（套孔解除法）、局部應力解除法（平行鉆孔法和中心鉆孔法）、松弛應變測量法、孔壁崩落測量法和地球物理探測法（聲波觀察法和超聲波譜法）等，涉及測量技術包括：孔徑變形測量技術、孔底變形測量技術、孔壁應變測量技術、空心包體應變測量技術、實心包體應變測量技術和環境溫度的影響及其完全溫度補償技術。答：地應力是引起地下或露天巖石開挖工程變形和破壞的根本作用力，是引起巖石開挖工程穩定性因素中最更本最重要的因素之一，進行地應力測量是確定工程巖體屬性 ，進行圍巖穩定性分析，實現巖石工程開挖設計和決策科學化的必要前提條件。φ/176。？答：主要通過空隙靜水壓力及空隙動水壓力作用對巖土體的力學性質施加影響。(2)隨外荷載加大和循環次數增多，閉環曲線逐漸后移，其原因是巖體裂隙與結構面被嚴密與嚙合所致；（3）重復循環加、卸載次數越多，結構體與結構面被壓密程度越高，閉環曲線上的滯后變形量越小，甚至把閉環曲線演變成一條直線；（4）隨著荷載和循環次數的增加，一定程度后，巖體變形由結構控制轉變為結構效應的消失；（5）當外載荷降至零，并持續一段時間后，巖體產生較大的回彈變形，及巖體彈性變形能的釋放；，其強度如何確定？答：如下圖示：若結構面受力狀態其莫爾應力圓與巖石強度包絡線相切，巖石沿某截面發生剪切破壞；當結構面受力狀態處于其莫爾強度包絡線之上或以上，則巖體沿該結構面發生破壞，若結構面受力狀態落在其莫爾強度包絡線之下，則巖體不沿該結構面發生破壞。答：（1）結構面產狀：（2）結構面形態：（2）結構面延展尺度：（3）結構面密集程度：、法向變形與結構面的哪些因素有關？答：結構面剪切變形與巖石強度、結構面粗糙度和法向力有關；結構面法向變形與巖石本身的力學性質、結構面粗糙度、結構面受載歷史等因素有關。Ⅳ級延展數米，未錯動，不夾泥，有的呈弱結合狀態，統計結構面節理、劈裂、片理、層理、卸荷裂隙、風化裂隙等。Ⅲ級延展十米或數十名，無破碎帶，面內不含泥，有的具泥膜，僅在一個地質時代的地層中分布，有的僅僅在某一種巖性中分布。Ⅱ級延伸數百米至數公里，破碎帶寬度比較窄，幾厘米至數米。，結構面分為幾種類型？答：按照結構面成因，巖體結構面分為原生結構面、構造結構面及次生結構面。（5）續斷結構巖體：結構面不連續，對巖體切而不斷。壓力愈合指具有粘性成分的物質的碎裂巖體經高圍壓作用下，其結構面重新粘結在一起，形成完整結構；膠結愈合指碎裂巖體經膠結物粘結在一起，形成完整結構，但后期愈合面強度低于原巖強度。地應力可以使不連續變形的巖體轉化為連續變形的巖體。對賦存在一定地應力環境中的巖體來說，地應力對巖體形成的圍壓越大，其承載能力越大。答：巖石的全部或部分物理、力學性質隨方向不同而表現出差異的現象稱著巖石的各向異性；如果在彈性體中存在著三個相互正交的彈性對稱面，在各個面兩邊對稱方向上彈性相同，但在這個彈性主向上彈性并不相同，這種物體稱為正交各向異性體；其應力應變對應關系表示為：物體內部某一面的各個方向彈性性質相同，這個面稱為各向同性面，垂直該面方向的力學性質不同，具有這樣性質的物體稱為橫觀各向異性體，其應力應變關系表示為：（需校驗）？如何影響的？答：主要影響因素有：水、溫度、加載速率、圍壓、風化程度等。？簡述巖石擴容的發生過程。（3）彈塑性巖石不斷加大循環加、卸載荷：多次反復加、卸載，每次施加的最大載荷比上一次循環的最大荷載大，則形成上述曲線，隨循環次數增多，塑性滯回環面積擴大，卸載曲線斜率增加表明卸載應力下的巖石材料彈性有所增強，此外，每次卸載再加載，形成變形記憶曲線，塑性變形隨著循環荷載不斷加大而增大，當循環加、卸載到一定程度時，試件發生破壞。（4）破裂后階段（D點以后）：巖塊承載力達到峰值強度后，內部結構遭到破壞，試件保持整體狀，隨著繼續施壓，裂隙快速發展，出現宏觀斷裂面，此后表現為