北科大考研初试《岩石力学》问答题.docx

北京科技大学硕士学位研究生入学考试 岩石力学问答题1. 什么是全应力-应变曲线？各个阶段的特征是什么？画图说明。全应力-应变曲线：能显示岩石在受压破坏过程中的应力、变形特性，特别是破坏后的强度与力学性质的变化规律。分为四个阶段（1） 孔隙裂隙压密阶段：在此阶段时间横向膨胀较小，试件体积随荷载增大而减小；（2） 弹性变形至微弹性裂隙稳定发展阶段：该阶段的应力-应变曲线成近似直线型；（3） 非稳定破裂发展阶段：进入本阶段后，微破裂的发展出现了质的变化，破裂不断发展，直至试件完全破坏，试件由体积压缩转为扩容，轴向应变和体积应变速率增大。（4） 破裂后阶段：裂隙快速发展，交叉且相互联合，形成宏观断面。此后，岩块变形主要表现为沿宏观裂面的块体滑移。试件承载力随变形增大迅速下降，但不降到零。2. 为什么普通材料试验机得不出全应力-应变曲线？全应力应变曲线有什么用途？由于材料试验机的刚度小，在试件压缩时，其支柱上存在很大的变形和变形能，在试件快要破坏时，该变形能突然释放，加速试件破坏，从而得不出极限压力后的应力-应变关系曲线。全应力-应变曲线的用途：（1） 揭示试件破裂后仍有一定承载力（2） 预测蠕变的破坏（3） 预测岩爆（4） 预测循环加载下的岩石破坏3. 蠕变有哪两种类型？典型蠕变曲线分哪三个阶段？画图说明。（1） 稳定蠕变：蠕变变形的速率随时间增长而减小，最后变形趋于一个稳定的极限。（2） 不稳定蠕变：蠕变不能稳定于某一极限值，而是无限增长直到破坏。第一蠕变阶段：如曲线中ab段，应变速率随时间增加而减小，故又称减速蠕变阶段。第二蠕变阶段：如曲线中bc段，应变速率保持不变，故又称为等速蠕变阶段。第三蠕变阶段：如曲线中cd段，应变速率迅速增加直到岩石破坏，故又称为加速蠕变阶段。4. 简述维护岩石地下工程稳定的基本原则(新奥法)。（1） 合理利用和充分发挥岩体强度A 避免岩石强度的损坏B 充分发挥岩体的承载能力C 加固岩体（2） 改善围岩的应力条件A. 选择合理的隧道断面形状和尺寸B. 选择合理的位置和方向C. 采用卸压方法（3） 合理支护（4） 强调检测和信息反馈（5） 注重涌水处理：堵水、输水。5. 围岩-支护作用的共同原理是什么？它对围岩支护有什么指导意义？A 围岩周边位移和支护反力成反变关系；B 支架的支护力与支架变形成正变关系；C 围岩特性曲线与支架特性曲线的交点是围岩与支架的工作点，构成共同作用关系，二者共同承载；D 在一定变形范围内，围岩变形越大所需支护力越小。指导意义：上述分析反映了围岩稳定与支护相互作用的某些基本原理，为确定支护的内应力及其变形位移和选定支护结构、尺寸提供了基本思路。6. 简述弹塑性岩石在反复加载与卸载条件下的变形特征。（一） 如果每次施加的最大荷载与第一次施加的最大荷载一样A 每次加、卸载都形成一个塑性滞回环。这些塑性滞回环随着加、卸载的次数增加而愈来愈狭窄，并且彼此愈来愈近，岩石愈来愈接近弹性变形，一直到某此循环没有塑性变形为止；B 当循环应力峰值小于某一数值时，循环次数及时很多，也不会导致试件的破坏；C 而超过这一数值岩石将在某此循环中发生破坏（疲劳破坏），这一数值称为临界应力。（二） 如果每次施加的最大荷载比前一次循环的最大荷载大A 随着循环次数的增加，塑性滞回环的面积也有所扩大，卸载曲线的斜率也逐次略有增加；B 每次卸载后再加载，在荷载超过上一次循环的最大荷载以后，变形曲线仍沿着原来的单调加载曲线上升，好像不曾收到反复加载的影响似的，这种现象称为岩石的变形记忆。 7. 地应力的成因有哪些？浅部地壳中地应力分布基本规律是什么？成因：地应力的形成主要与地球的各种动力运动过程有关，其中包括：板块边界受压、地幔热对流、地球内应力，地心引力、地球旋转、岩浆倾入和地壳非均匀扩容等。基本规律：（1） 地应力是一个相对稳定的应力场，它是时间和空间的函数；（2） 实测垂直应力基本等于上覆岩层的重量；（3） 水平应力普遍大于垂直应力；（4） 平均水平应力与垂直应力的比值随深度的增加而减小；（5） 最大水平应力与最小水平应力也随深度呈线形增长关系；（6） 最大水平主应力和最小水平主应力之值一般相差较大，显示出很强的方向性。8. 岩石边坡稳定性分析的极限平衡分析方法有哪三个前提，它的分析计算步骤是什么？前提：（1） 滑动面上实际岩土提供的抗剪强度s与作用在滑面上的垂直应力存在如下关系（2） 稳定性系数F（安全系数）的定义为沿最危险破坏面作用的最大抗滑力（或力矩）与下滑力（或力矩）的比值。即F=抗滑力下滑力（3） 二维（平面）极限分析的基本单元是单位宽度的分块滑体。计算步骤：（1） 在断面上绘制滑面形状；（2） 推定滑坡后裂缝及塌陷带的深度，计算或确定其产生的影响；（3） 对滑坡的滑体进行分块。（4） 计算滑动面上的空隙水压力；（5） 采用合适的计算方法，计算稳定系数。9. 岩体地质力学分类（CSIR分类）与巴顿岩体质量分类（Q）分别考虑岩体的哪些因素？岩体地质力学分类是由岩体强度、RQD值、节理间距、单位长度的节理条数及地下水5种指标分别计分，然后累加各项指标的计分，得出该岩体的总分来评价该岩体的质量。巴顿岩体质量（Q）分类Q=RQDJnJrJaJwSRF考虑因素：RQD岩石质量标准；Jn节理组数；Jr节理粗糙系数；Ja节理蚀变系数；Jw节理水折减系数；SRF应力折减系数。10. 岩体地质力学分类（CSIR分类）指标值（RMR）的组成指标、分类方法及其意义： 组成指标：岩块强度、RQD值、节理间距、节理条件及地下水5种。分类方法：按各种指标的数值按标准评分，求和得总分RMR值，然后按规定对总分作适当修正。最后用总分对照表求得所研究岩体的类别及相应的无支护地下工程的自稳时间和岩体强度指标(c,)值。意义：由于组成岩体的岩石性质、组织结构不同，以及岩体中结构面发育情况差异，致使岩体力学性质相当复杂。为了在工程设计与施工中能区分出岩体质量的好坏和表现在稳定性上的差别，需要对岩体做出合理分类，作为选择工程结构参数、科学管理生产以及评价经济效益的依据之一，这也是岩石力学与工程应用方面的基础性工作。CISR分类原为解决坚硬岩体中浅埋隧道工程而发展起来的，从现场应用看，使用较简便，大多数场合岩体评分值都有用，但在处理那些造成挤压、膨胀和涌水的极其软弱的岩体问题时，此分类法难于使用。11. 边坡稳定性的影响因素有哪些？举例说明。（1） 不连续面在边坡破坏中的作用；（2） 改变斜坡外形，引起坡体应力分布的变化；（3） 改变斜坡岩土体的力学性质，使坡体强度发生变化；（4） 斜坡直接受各种力的作用。12. 锚杆的结构类型和作用机理是什么？早期：机械式金属或木锚杆，后来：粘结式钢筋或钢丝绳锚杆、木锚杆、竹锚杆等以及管缝式锚杆。近期：快硬或膨胀水泥砂浆、水泥药卷、树脂药卷等性能良好的粘结材料。作用机理：主要有悬吊作用、减垮作用、组合梁作用，组合拱作用，加固作用等，锚杆对抑制节理面间的剪切变形和提高岩体的整体强度方面起有重要的作用，特别是对于全长锚固的锚杆。13. 用图，公式，文字，论述莫尔-库伦强度理论的主要内容及该理论有何优缺点。内容：（1） 岩石的剪切破坏由剪力引起，但不是发生在最大的剪应力作用面上；（2） 剪切强度在最大的剪应力作用面上；（3） 剪切强度取决于剪切面上的正应力和岩石性质，是剪切面上正应力的函数，=f()；（4） 剪切强度只是关于轴对称的曲线，破坏面成对簇出现；（5） 不考虑2的影响。优点：（1） 该理论比较全面地反映了岩石的强度特征，它既适用于塑性岩石也适用于脆性岩石的剪切破坏；（2） 反映了岩石抗拉强度远小于抗压强度这一特性；（3） 能解释岩石在三向等拉时会破坏，而在三向等压时不会破坏的特点；（4） 简单，方便。同时考虑拉、压、剪，可判断破坏面方向。缺点：（1） 忽略了中间主应力2的影响，与实验结果有一定的出入；（2） 只适用于剪破坏，没考虑结构面影响；（3） 不适用于膨胀或蠕变破坏。14. 加载速度和围岩分别对岩石力学性质有何影响？加载速度：加载速度越快，测得弹性模量越大，反之越小。加载速度越快，获得的强度指标越高。围压：岩石的塑性和脆性并非固有的性质，与其受力状态有关，随着受力状态的改变，其脆性和塑性是可以相互转化的。随围压增大，岩石的塑性不断增大，由脆性逐渐转化为延性，把岩石由脆转化为塑性的临界围压称为转化压力，岩石越坚硬，转化压力越大。15. 线弹性体，完全弹性体，弹性体三者的应力-应变关系有什么区别？完全弹性体：循环加载时的-关系为曲线，加载路径与卸载路径完全重合。线弹性体：循环加载时的-关系为直线，加载路径与卸载路径完全重合。弹性体：加载路径与卸载路径不同，但反复加载与卸载时，应力应变关系总是服从此环路的规律。16. 如何通过岩石的三轴压缩试验确定岩石的内摩擦角和内聚力？（1） 直线型：强度包络线与轴的截距称为岩石的粘结力（或内聚力），记为c（Mpa），与轴的夹角称为岩石的内摩擦角，记为（度）。（2） 曲线型：A. 将包络线和轴的截距定为c，将包络线与轴相交点的包络线外切线与轴夹角定为内摩擦角；B. 根据实际盈利状态在莫尔包络线上找到相应点，在该点作包络线外切线，外切线与夹角为内摩擦角，外切线及其延长线与轴相交之截距即为c。用三轴压缩试验获得岩石的强度曲线和强度指标对岩石的56个试件做三轴压缩试验，每次试验的围压值不等，由小到大，得出每次试件破坏时的应力莫尔圆，通常也将单轴压缩试验和拉伸试验破坏时的莫尔圆，用于绘制应力莫尔圆强度包络线。各莫尔圆的包络线就是莫尔强度曲线。将包络线和轴的截距定为C（粘结力，内聚力），将包络线与轴相交点的包络线外切线与轴夹角定为（内摩擦角）。17. 简述水压致裂法测地应力的基本原理和测量步骤。基本原理：由弹性力学，当一个位于无限体中的钻孔受到无穷远处二维应力场（1、2）的作用时，离开孔端部一定距离的部位处于平面应力状态。在这些部位，钻孔周边应力场为： =1+2-2(1-2)cos2r=0钻孔周边的切向应力；r钻孔周边的径向应力； 周边一点与1轴的夹角。当 =0 时， 取最小值，=32-1在孔内加入压力Pi，当Pi超过孔壁处的最小压应力和岩体的抗拉强度之和时，孔壁就会破裂，此时，在 =0的方向，即1轴的方向会产生裂隙，即：Pi=32-1+T (3)如果继续加压，直到裂隙深度达到3倍孔径时，此时已接近原岩应力状态，停止加压，保持压力恒定，将该恒定压力记为Ps，Ps 与2相平衡，即Ps=2 （4）只要测量出岩体的抗拉强度T 和记录的Pi和Ps就可由（3），（4）式求出1和2。这样就可得出1和2的大小和方向。如果孔内有裂隙水压P0,则（3）式变为：Pi=32-1+ T -P0 (5)在不测试岩体的抗拉强度条件下，通过增加一个环节，即可求出1和2。在初始裂隙产生后，将水压卸除，使裂隙闭合，然后再重新向封隔段加压，使裂隙重新打开，记录裂隙重新开时的压力Pr,则有：Pr=32-1 - P0 (6)由（5）和（6）式，可求出1和2。测量步骤：（1） 打钻孔到准备测量应力的部位，并将钻孔中待加压段用封隔器密封起来；（2） 向隔离段注射高压水，记录孔裂开时的压力值Pi，继续加压，直到裂隙扩大到孔径的3倍，关闭高压水系统，保持水压恒定，此时的应力为关闭应力，记为Ps,最后卸压，使裂隙闭合；（3） 重新向密闭段注入高压水，使裂隙重新打开，记录裂隙重新打开时的压力Pr和随后的恒定关闭压力Ps；（4） 将封隔器卸压，从孔中取出；（5） 用摄像机记录孔内的水压致裂裂隙，天然节理、裂隙的位置、方向和大小。18. 简述全应力解除法测量地应力的基本原理和步骤。全应力解除法即是测点岩体完全脱离地应力的作用，测量其变形值，再根据岩体的物理力学性质计算其原岩应力。操作步骤：（1） 从岩体表面向岩体内打大钻孔，直径一般为130-150mm；（2） 从大钻孔内再打小钻孔，直径一般为36-38mm；（3） 在小孔中央安装探头；（4） 再用大钻孔打大孔，解除探头上的压应力，记录岩体的变形值；（5） 取出岩芯，测量岩芯的E、等物理力学参数；（6） 根据理论公式计算原岩应力值。套孔应力解除法又分为：孔径变形法、孔底应变法、孔壁应变法、空心包体应变法和实心包体应变法五种。19. 从受力观点分析，岩石的破坏形式有哪几种？并简述其破坏原因。（1） X状共轭斜面剪切破坏：由于破坏面上的剪应力超过极限引起的；（2） 单斜面剪切破坏：由于破坏面上的剪应力超过极限引起的；（3） 拉伸破坏：横向拉应力超过岩石抗拉极限所引起的。20. 滑坡的主要类型。（1） 平面剪切滑动A. 阶梯式滑坡B. 三维楔体破坏C. 多滑块滑动（2） 旋转剪切滑动21. 轴对称隧道围岩处于理想弹塑性状态，其塑性半径与哪些因素有关？围岩应力分布规律如何？P31122. 岩体边坡主要破坏形式、主要类型和滑坡防治的主要措施、原则：主要形式：崩塌、滑坡、倾倒、滑塌、岩块流动、岩层曲折主要类型：岩块流动滑坡、平面剪切破坏滑坡、旋转剪切滑坡防治措施：避避开滑坡影响（大中型）；排排水导流，使水不再进入或停留在滑坡范围内，并排除和疏干其中已有的水，以增加边坡的稳定性；挡抗滑支挡，在滑坡舌部或中前部修建各种形式的抗滑挡墙，在滑坡其他不同部位修建各种多级挡墙，阻挡滑坡体的滑动（作用长久）；减减重反压，把滑坡体上部主滑和牵引地段的土石方挖去，填在滑坡下的抗滑地段，反压阻滑，改善边坡，减小下滑力，增加抗滑力，提高滑坡的稳定性（简便，中小型）。固利用物理化学加固，以土层固化改变滑动带的土石性质，提高它的强度。植植树造林，采取绿化山坡，种树植被等措施来防止滑体、岸坡冲刷，稳定滑坡。防治原则：1.尽量避免存在滑动条件区域，对可能引起滑坡地段要有相应措施预防。2.对大中型复杂滑坡，全面搜集资料，摸清规律，做出全面整治规划。3.针对病因采取综合措施，治早治小，防患于未然。4.因地制宜，从实际出发。5.在滑坡已经出现或即将出现各种急剧变形的征兆时，对各种建筑物可能产生危害的滑坡，必须采用果断有效的应急工程措施。6.全面规划，选择最佳整治方案。预报为主，定性要准，治理要早，措施要稳，要狠，养护要勤。“准、早、稳、狠、勤”。23. 描述结构面状态的指标结构面产状：结构面产状对岩体是否沿某一结构面滑动起控制作用。结构面形态：决定结构面抗滑力大小，当结构面的起伏程度大，粗糙度高时，其抗滑力就大。结构面的延展尺度：在工程岩体范围内，延展尺度大的结构面，完全控制了岩体的强度。结构面的密集程度：以岩体裂隙度K和切割度Xe表征岩体结构面的密集程度。深埋（=1）圆形洞室弹塑性围岩二次应力分布状态是什么？ 如图所示，弹塑性区围岩应力分布状态：1-松动区：岩体被切割、强度明显降低、应力低于原岩应力；2塑形强化区：岩体呈塑形状态、处于塑性强化阶段、应力高于原岩应力；3弹性承载区：岩体处于弹性变形阶段，应力高于原岩应力：4原岩应力区：未受开挖影响、处于原岩状态。新奥法的基本内容，并举例说明。 在地下工程施工中，将喷射混凝土以及锚杆支护手段与岩石力学原理正确的结合起来，这就是“新奥法”。基本原理是：在新奥法中非常重视围岩“自承能力”，也即认为围岩再支护中起着重要作用。并将洞里看做是支护和围岩的整体结构。支护与围岩两者紧贴在一起，能获得较好的支护效果。新奥法主张采用喷锚支护措施，能够及时防止由于围岩变形，松动和破坏而引起的围岩强度急剧下降。衬砌与围岩协同作用共同承担岩石重量及作用力。对于衬砌仅看做是给围岩提供侧向力，使之处于三维应力状态，而不是用来专门承担上不岩体重量所引起的作用力。与传统支护的指导思想不同，新奥法强调围岩整体原则：充分利用岩体强度，发挥岩体的自承能力；正确运用围岩支架共同作用原则，恰当利用岩体蜕变发展规律；把检测作用为必要手段，检测支护位移和压力变化；强调封底的必要性；施工、检测、设计三结合。 特点：强调利用自身强度，符合围岩支架共同作用原理，重视实验，理论和时间结合。分析影响边坡失稳的主要因素。答：主要因素：1）不连续面在边坡破坏中的作用：2）改变斜坡外形，引起坡体应力分布的变化3）改变斜坡岩体的力学性质，使坡体强度发生变化4）斜坡直接受到各种力的作用。试论述Coulomb,Mohr,Griffith 三准则的基本原理、主要的区别及其它们之间的关系。答：库仑准则（Coulomb）:岩石的破坏主要是剪切破坏，岩石的强度，既抗摩擦强度等于岩石本身抗剪切摩擦的粘结力和剪切面上的法向力产生的摩擦力。莫尔把库仑准则推广到三向应力状态。实质：岩石到达极限状态时，滑动平面上的剪应力达到一个取决于正应力与材料性质的最大值，即 =f( )。对应于各种应力状态（单轴、双轴和三轴压缩）下的破坏的岩石的莫尔应力圆的包络线，称为莫尔强度包络线。如果岩石的应力圆位于莫尔强度包络线内，则岩石不会产生破坏，如果岩石的应力圆与莫尔包络线相切或相交，则岩石会产生破坏。莫尔强度包络线的曲线型式有几种：斜直线型，二次抛物线型， 双曲线型等。格里菲斯（Griffith）理论：在脆性材料中，其材料断裂的起因是分布在材料中的微小裂纹尖端有拉应力（这种裂纹称为Grifith 裂纹）所致。区别：格里菲斯（Griffith）理论中岩石的破坏机理是岩石受到拉应力破坏所致。库仑准则和莫尔强度理论则认为岩石破坏是岩体内的某个面上的剪切应力超过了剪切强度值。莫尔强度理论的包络线包括了库仑准则的直线型，还包括抛物线型和双曲线型强度准则，因此，应用更广。