岩石力学习题+思考题答案

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第一章 习题与思考题答案

1． 构成岩石的主要造岩矿物有那些？

答：岩石的主要物质成分:正长石、斜长石、石英、黑云母、白云母、角闪石、辉石、橄榄石、方解石、白云石、高岭石、赤 铁矿等。

2． 为什么说基性岩和超基性岩最容易风化？

答：基性岩石和超基性岩石主要由易风化的橄榄石、辉石及基性斜长石组成。所以基性岩石和超基性岩石 非常容易风化。

3． 常见岩石的结构连结类型有那几种？ 答：岩石中结构连结的类型主要有两种：

1.结晶连结：岩石中矿物颗粒通过结晶相互嵌合在一起，如岩浆岩、大部分变质岩以及部分沉积岩的结 构连结。

2.胶结连结：指颗粒与颗粒之间通过胶结物质连结在一起的连结。如沉积碎屑岩、部分粘土岩的结构连 结。

4． 何谓岩石中的微结构面，主要指那些，各有什么特点？

答：岩石中的微结构面（或缺陷）是指存在于矿物颗粒内部或矿物颗粒及矿物集合体之间微小的弱面及空 隙。它包括矿物的解理、晶格缺陷、晶粒边界、粒间空隙、微裂隙等。

矿物的解理面：是指矿物晶体或晶粒受力后沿一定结晶方向分裂成的光滑平面。

晶粒边界：矿物晶体内部各粒子都是由各种离子键、原子键、分子键等相连结。由于矿物晶粒表面电价不 平衡而使矿物表面具有一定的结合力，但这种结合力一般比起矿物内部的键连结力要小，因此， 晶粒边界就相对软弱。

微裂隙：是指发育于矿物颗粒内部及颗粒之间的多呈闭合状态的破裂迹线，也称显微裂隙。

粒间空隙：多在成岩过程中形成，如结晶岩中晶粒之间的小空隙，碎屑岩中由于胶结物未完全充填而留下 的空隙。粒间空隙对岩石的透水性和压缩性有较大的影响。

晶格缺陷：有由于晶体外原子入侵结果产生的化学上的缺陷，也有由于化学比例或原子重新排列的毛病所 产生的物理上的缺陷。它与岩石的塑性变形有关。

5． 自然界中的岩石按地质成因分类，可分为几大类，各大类有何特点？ 答：根据地质学的岩石成因分类可把岩石分为岩浆岩、沉积岩和变质岩。 岩浆岩:岩浆岩分三大类，其特点：

1）深成岩：常形成较大的入侵体。颗粒均匀，多为粗-中粒状结构，致密坚硬，孔隙很小，力学强度高， 透水性较弱，抗水性较强。

2）浅成岩：成分与深成岩相似，但产状和结构都不相同，多为岩床、岩墙和岩脉。均匀性差，与其他 岩种相比，它的性能较好。

3）喷出岩：结构较复杂，岩性不均一，连续性较差，透水性较强，软弱结构面比较发育。 沉积岩特点：

1）火山碎屑岩：具有岩浆和普通沉积岩的双重特性和过渡关系，各类火山岩的性质差别很大。 2）胶结碎屑岩：是沉积物经过胶结、成岩固结硬化的岩石。其性质取决于胶结物的成分、胶结形式和 碎屑物成分和特点。

3）粘土岩：包括页岩和泥岩。其性质较差。

4）化学岩和生物岩：碳酸盐类岩石，以石灰石分布最广。结构致密、坚硬、强度较高。

变质岩特点：是在已有岩石的基础之上，经过变质混合作用后形成的。在形成过程中由于其形成的温度和 压力的不同而具有不同的性质，形成了变质岩特有的片理、剥理和片麻结构等。据有明显的不均匀性和各 向异性。

1） 接触变质岩：侵入体周围形成岩体。岩体透水性强，抗风化能力降低。

2） 动力变质岩：构造作用形成的断裂带及附近受到影响的岩石。它的胶结不好，裂隙、孔隙发育， 强度低，透水性强。

3） 区域变质岩：这种变质岩的分布范围广，岩石厚度大，变质程度均一。一般块状岩石性质较好， 层状片状岩石性质较差。

6． 表示岩石物理性质的主要指标及其表示方式是什么？

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答：指由岩石固有的物理组成和结构特性所决定的比重、容重、孔隙率、水理性等基本属性。

7、岩石破坏有几种形式？对各种破坏的原因作出解释。

答：试件在单轴压缩载荷作用破坏时，在试件中可产生三种破坏形式:

(1)X状共轭斜面剪切破坏，破坏面上的剪应力超过了其剪切强度，导致岩石破坏。 (2)单斜面剪切破坏，破坏面上的剪应力超过了其剪切强度，导致岩石破坏。 (3)拉伸破坏，破坏面上的拉应力超过了该面的抗拉强度，导致岩石受拉伸破坏。

8、劈裂法实验时，岩石承受对称压缩，为什么在破坏面上出现拉应力？绘制 试件受力图说明劈裂法试验的基本原理。

答：由弹性理论可得出在对径压缩方向上，圆盘中心线平面内（y 轴）的应力状态为

D t p x ??????????????2 Dt p t r r p y ??????2 ) 1 1 ( 2

1 2

????????????

在圆盘中心点，r+r= D, r= r= D/2 则, σ =σ = 2p/（dπ t） σ =σ = 6p/（dπ t）

在对径压缩时圆盘中心点的压应力值为拉应力值的3 倍，而岩石的抗压强度是抗拉强度的5~20 倍。岩石在 受压破坏前就被抗拉应力所破坏。所以破坏面上出现拉应力破坏。P——试件劈裂破坏发生时的最大压力值； D——岩石圆盘试件的直径；T——岩石圆盘试件的厚度，

9、什么是全应力-应变曲线？为什么普通材料实验机得不出全应力-应变曲 线？

答：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。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。 10.如何根据全应力-应变曲线预测岩石的岩爆、蠕变和在反复加载、卸载作用下的破坏？ 答：

(a)预测岩爆：左半部分OEC 代表达到峰值强度时,积累在岩石试件中的应变能，右边CED 代表试件从破坏 到破坏整个过程所消耗的能量。如果A>B,可能产生岩爆，如果A

(b)预测蠕变破坏：如图1-24 。当岩石应力小于H 点的应力值,岩石不会发生蠕变,当岩石应力大于H 点而 小于I 点,岩石会发生蠕变,但蠕变为稳定蠕变,岩石不会破坏,当岩石应力大于I 点,则岩石会 发生不稳定蠕变,岩石最终会破坏.

(c)预测循环加载条件下岩石的破坏。当岩石在低应力条件下,进行反复加载卸载,岩石破坏时的循环次数比 高应力条件下进行反复加载卸载的循环次数要多。当反复加载卸载曲线与全应力应变曲线相交，则岩石 破坏。

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11.在三轴压缩试验条件下，岩石的力学性质会发生哪些变化？

答：三轴压缩条件下，应力应变曲线如图1-31、1-32所示，围压对岩石变形的影响主要有： (1)随着围压(σ = σ ) 的增大，岩石的抗压强度显着增加；

(2)随着围压(σ = σ ) 的增大，岩石破坏时，岩石的变形显着增加； (3)随着围压(σ = σ ) 的增大，岩石的弹性极限显着增加；

(4)随着围压(σ = σ ) 的增大，岩石的应力应变曲线形态发生明显的改变，岩石的性质发生了变 化，由弹脆性---弹塑性---应变硬化。抗压强度显着增加；

12.什么是莫尔强度包络线？如何根据试验结果绘制莫尔强度包络线？

答：三轴抗压强度实验得出：对于同一种岩石的不同试件或不同实验条件（不同的围压时的最大轴向压力 值）给出了几乎恒定的强度指标值（直线性强度曲线时为岩石的内聚力和内摩擦角）。这一强度指标以 莫尔强度包络线（Mohr’sstrength envelop）的形式给出。

在不同围压条件下，得出不同的抗压强度，因而可以做出不同的莫尔应力圆， 这些莫尔应力圆的包 络线就是莫尔强度包络线。

13.岩石的抗剪强度与剪切面所受正应力有什么关系？试绘图加以说明。

答：S ?????tg???C

岩石的抗剪切强度S 与正应力??成正比。

14.简述岩石在单轴压缩条件下的变形特征。

答：在单轴压缩条件下，岩石的应力-应变曲线如图。 全应力-应变曲线可分为四个阶段：

（1）孔隙裂隙压密阶段(OA)：岩石试件中的孔隙裂隙被压密，形成早期的非线形变形，σ -ε 曲线呈 上凹型。

（2）弹性变形至微弹性裂隙

稳定发展阶段(AC)：该阶段的应力-应变曲线近似为直线。 其中AB段为弹性变形阶段，BC段为 微破裂稳定发展阶段。

（3）非稳定破坏发展阶段(CD)：C点是岩石从弹性变为塑性的转折点，称为屈服点。该点相应的应力为 屈服应力。该阶段中，微裂隙的发展出现了质的变化，破裂不断发展，直至试 件完全破坏。

（4）破裂后阶段(D点以后)： 轴压力达到试件的峰值强度后，试件内部结构遭到破坏，但试件基本保 持整体状。之后，裂隙快速发展，形成宏观断裂面，试件承载能力随变形增大 而迅速下降，但并不为零，说明破裂的岩石仍具有一定的承载力。 15.简述岩石在反复加载和卸载条件下的变形特征。

答： 对于线弹性岩石，反复加载和卸载时的应力应变路径完全相同，对于完全弹性岩石，反复加载和 卸载时的应力应变路径完全相同，但是应力应变关系是曲线。对弹性岩石，加载与卸载曲线不重 合，但反复加载和卸载时的应力应变路径总是服从此环路的规定。

非弹性体岩石：在弹性范围内服从弹性岩石的变形特征，当卸载点P 超过屈服点时，卸载曲线与 加载曲线不重合，形成塑性滞回环。

等荷载循环加载、卸载时的应力应变曲线，如图1-29 所示。塑性滞回环随着加载卸载次数的增加而变 窄，直至接近弹性变形，没有塑性变形为止。

不断增大荷载的循环加载、卸载时的应力应变曲线，如图1-30 所示。在每次卸载后再加载，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(图1-30 中的 OC 线)， 好像不曾受到循环加载的影响似的，这种现象成为岩石的变形记忆。

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16.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？

答：完全弹性体：循环加载时的σ -ε 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σ -ε 关系为直线。加载路径与卸载路径完全重合。

弹性体岩石：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。

17.什么是岩石的扩容？简述岩石扩容的发生过程。

答：岩石在荷载作用下，在其破坏之前产生的一种明显的非弹性体积变形。对E 和υ 为常数的岩石，其体 积应变曲线可分为三个阶段：

（1） 体积变形阶段：体积应变ε 在弹性阶段内随着应力的增加而呈线形变化（体积减小）， 在此阶段ε 1 >ε 2 +ε 3

（2） 体积不变阶段：在这一阶段，随应力的增加，岩石体积应变增量接近为零。岩石体积几 乎不变。

（3） 扩容阶段：外力继续增加时，岩石的体积不是减小，而是增加，增加速率越来越大，最 终岩石破坏。

18.什么是岩石的各向异性？什么是正交各向异性？什么是横观各向异性？写出正交各向异性和横

观各向异性岩石的应力-应变关系式。 答：

岩石的全部或部分物理、力学性质（岩石的E, υ 等）随方向不同而表现出差异的现象称为岩石的各向异性。 如果在弹性体中存在着三个相互正交的弹性对称面，在各个面两边的对称方向上，弹性相同，但在这个弹 性主向上弹性并不相同，这种物体称为正交各向异性体。

岩石在某一平面内的各方向弹性性质相同，这个面称为各向同性面，而垂直此面方向的力学性质是不同的， 具有这种性质的物体称为横观各向同性体。

19.影响岩石力学性质的主要因素有哪些，如何影响的？

答：影响岩石力学性质的主要因素有水、温度、加载速度、风化程度及围压。 (1) 水对岩石力学性质的影响

1） 连结作用：束缚在矿物表面的水分子通过其吸引力作用将矿物颗粒拉近、接紧，起连接作用。 2） 润滑作用：由可溶盐、胶体矿物连接的岩石，当有水入侵时，可溶盐溶解，胶体水解，导致矿物颗 粒间连接力减弱，摩擦力减低，从而降低岩石的强度。

3） 水楔作用：当两个矿物颗粒靠得很近，有水分子补充到矿物表面时，矿物颗粒利用其表面吸附力将 水分子拉倒自己周围，在两个颗粒接触处由于吸着力作用使水分子向两个矿物颗粒之间的缝隙内挤 入，这种现象称水楔作用。（a）使岩石体积膨胀，产生膨胀压力 (b)水胶连接代替胶体连接产生润 滑作用，降低岩石强度

4） 孔隙压力作用：岩石受压时，岩石内孔隙水来不及排出，在孔隙内产生很高的孔隙压力，降低了岩 石的内聚力和内摩擦角，减小了岩石的抗剪强度。

5） 溶蚀-潜蚀作用：岩石中渗透水在流动过程中可将岩石中可溶物质溶解带走，从而使岩石强度大为 减低。

(2) 温度对岩石力学性质的影响：如图1-39 所示。随着温度的增高，岩石的延性加大，屈 服 点降低，强度也降低。

(3) 加载速度对岩石力学性质的影响：加载速率越快，测得的弹性模量越大，获得的强度指标越高。ISRM （国际岩石力学学会）建议的加载速率为~1Mpa/s。

(4) 围压对岩石力学性质的影响：岩石在三轴压缩条件下，岩石的强度和弹性极限都有显着增加。 (5) 风化对岩石力学性质的影响

a) 降低岩体结构面的粗糙程度并产生新的裂隙，

b) 岩石在化学风化过程中，矿物成分发生变化，岩体强度降低。 第二章 习题与思考

1． 岩体赋存环境包括哪几部分？

答：赋存环境：包括地应力、地下水和地温三部分。

2． 地应力对岩体的影响体现在哪几个方面？

答：地应力对岩体力学性质的影响主要有：

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(1)地应力影响岩体的承载能力：围压越大、承载能力越大。

(2)地应力影响岩体的变形和破坏机制。如在低围压条件下破坏的岩体，在高围压条件下呈现出塑性变 形和塑性破坏。

(3)地应力影响岩体中的应力传播的法则。非连续介质岩体在高围压条件下，其力学性质具有连续介质 岩体的特征。

3． 岩体结构划分的主要依据是什么？