高等岩土力学

矿山岩体力学分析中的系统方法摘要：首先用系统思想认识矿山岩体这一复杂力学分析对象，考察复杂岩体系统的特性。

然后在矿山岩体的力学分析中引入系统科学的分析方法并论述了相关的问题。

提出：发展系统方法与力学方法、岩石工程实际三者相结合，是解决复杂矿山岩体力学分析问题的有效逢径。

关键词：力学分析矿山岩休系统模拟1 问题的提出科学研究的对象是客观自然界，自然界中的实际对象往往很复杂。

事物的客观规律又具有较强的隐蔽性，而科学研究的目的在于从客观存在的大量错综复杂的现象中发现事物的本质和规律。

采矿工程学科研究的对象是自然界的地层，称为岩体。

它是长期遭受到地质运动而被破坏过的岩石。

也是具有多种层次的结构体，包括(地壳)板块、断层、裂隙、层理及节理等，因此说，矿山岩体是一个极其复杂的结构体。

岩石力学是研究岩石及岩石结构的力学性能和力学行为的理论和应用学科，它以岩石为研究对象。

探讨岩石对其周围物理环境中力场反应的力学分支。

问世几十年来，解决了大量的工程问愿，获得了广泛的应用。

但随着岩石工程结构的日益复杂，岩石力学遇到了许多难以克服的困难，尤其是对复杂岩体的力学分析，所得结果与实际情况往往相去甚远，使得工程界很长一个时期以来一直以经验为主来指导复杂岩体结构的设计与施工。

科学研究是从同题着手的，面对十分复杂的岩体结构，如何进行较为精确的力学分析。

使力学分析的结果与实际情况相近?对于这个问愿的解决，许多岩石力学工作者作了大量的努力，但仍未从根本上取得成效。

计算技术和数值方法的发展曾使人们产生极大的希望，但在多年的研究之后，问题并无大的改观。

近年来人们认识到系统科学方法的作用，开始用系统观点来观察和认识事物。

用系统科学方法来指导问题的解决。

本文想依此观点和方法对矿山岩体的力学分析做些探讨。

2 认识矿山岩体中的系统思想唯物辩证的思维方式突出的特点是把自然界看成是一个有千丝万缕联系的有机整体。

现代系统思维继承和发展了辩证的整体性思维方式。

一、名词解释分层总和法附加应力土的压缩系数液性指数角点法被动土压力粘聚力土的极限平衡条件塑性指数粘性土有效应力残留变形粘聚力莫尔破坏包线极限荷载内摩擦力液限蠕变弹性变形基底接触压力固结度土的极限平衡状态压缩曲线土的压缩性灵敏度土的自重应力单向固结莫尔应力圆临界荷载二、填空题1、在含水量不变的情况下,原状土与彻底扰动后饱和粘土的不排水强度之比称。

2、饱和土在压力作用下，孔隙中的一些自由水将随时间而逐渐被排除，同时孔隙体积也逐渐减小。

这种过程称为土的和。

3、一个上下两面均能排水的压缩土层，达到一固结度时，需要时间10小时，若此土层仅有上层排水，则达到同一固结度所需时间为小时。

4、影响土体抗剪强度的因素有、两类。

5、干燥的无粘性土坡处于极限平衡状态时，土坡的坡角为。

6、依相对密度的公式D r =（e max－e）/( e max－e min)可知，当D r = 时，表示土处于最密实状态。

7、挡土墙后应选择内摩擦角大，透水性好的填料，如块石、砾石、粗砂等，可有效减小土压力，从而提高墙体稳定性。

8、为了模拟土体在现场可能受到的剪切条件，按剪切前的固结程度、剪切时的排水条件及加荷速率，把直接剪切试验分为、和三种试验方法。

9、松砂或软土在排水剪切过程中，其体积会。

10、土的三相是指、、。

11、剪切强度试验成果的表示方有和。

12、粘性土通常用来判别软硬状态。

现有某粘性土测得其初始含水量=24%，塑限p=19%，液限L=31%，可判断该粘性土处于状态。

13、地基的最终沉降量一般可分为三部分，即、、和，一般说其中以为主。

13、挡土墙常见的形式有、、等。

15、用无侧限抗压试验或十字板剪切试验测定的抗剪强度，相当于用三轴剪力仪的试验。

17、土的物理性质指标中有三个基本指标可直接通过土工试验测定，它们分别、和。

18、某均质地基，已知其重度=17.6kN/m3，则地面下深度为3m处由上部土层所产生的竖直方向自重应力为 kPa。

2011武汉工程大学研究生《高等岩土力学》期末考试一、简答题（25分，每小题5分）1．试述岩土的工程分类方法及其意义。

2．何为岩石强度准则？为什么要提出强度准则？3．岩土中的应力波有那几种，各有何特点？4．简述有效应力原理的基本概念，在地基土的最终变形计算中，土中附加应力是指有效应力还是总应力？5．试述土的振动液化机理及其影响因素。

二、计算题（45分，每小题15分）1．如图1所示为一板桩打入透水土层后形成的流网。

已知透水土层深18m，渗透系数k=3×10-4mm/s，板桩打入土层表面以下9.0m，板桩前后水深如图中所示。

试求：（1）图中所示a,b,c,d,e各点的孔隙水压力；（2）地基的单位渗水量。

图1 图22．某均质岩石的强度曲线为：τ=σtanυ+c，其中c=40MPa，υ=30°。

试求在侧向围岩应力σ3=20MPa的条件下，岩石的极限抗压强度，并求出破坏面的方位。

3．某一滑动面为折线型的均质滑坡，其主轴断面及作用力参数如表所示，计算该滑坡的稳定性系数Fs。

三、论述题（30分）1．试述岩土力学的研究方法（15分）。

2．简述岩石力学问题的不确定性及其研究方法（15分）。

部分参考答案4. 按照Terzagh i的有效应力原理，有效应力被定义为固体颗粒(即土颗粒)间的接触应力在土体截面积上的平均应力，其值'σ是总应力σ减去孔隙水压力u 所得差值，它控制了土的变形及强度性能。

事实上，有效应力原理虽然在物理意义上是明确的，但它仅仅是个“概念性”的模型，这表现在有效应力根本无法测定，而是量测总应力和孔隙水压力后的差值。

即有效应力实际是一个虚拟的物理量，它比实际接触应力要小得多。

土中的自重应力分为作用于土体上的总自重应力和作用于骨架上的有效自重应力。

有效应力是根据应力的承担者来划分，而自重应力和附加应力是根据应力的来源来划分。

在地基土的最终变形计算中，土中附加应力应该是指总应力。

1. 推导抗剪断试验法向应力与剪切应力公式（指标的物理意义、与加载力之间的关系，画示意图）；图一 变角度剪切示意图下面推导过程计算公式中P ——压力机的总压力 α——试件倾角f ——圆柱形滚子与上下压板的摩擦系数 根据图一分析，由于受力平衡， Q=Psin cos Pf αα- cos sin N P Pf αα=+ 受剪面法向应力：Af P AF )sin (cos αασ+==剪应力：Af P AQ )cos (sin αατ-==2. 简述RQD 岩石分类方法（侧重指标\工程应用）；岩石质量指标RQD ：讲长度在10cm 以上的岩芯累计长度占钻孔总长的百分比。

%100cm 1010⨯=钻孔长度）岩芯累计长度以上（含cm RQD岩石质量指标 分类 很差 差 一般 好 很好 RQD （%）<2525~5050~7575~90>90这种分类方法简单易行，是一种快速、经济而实用的岩体质量评价方法CSIR 分类指标值RMR ：由岩块强度、RQD 值、节理间距、节理条件及地下水5种指标组成。

岩体地质力学（RMR ）分类表分类参数 数值范围 1完整岩石强度/MPa点荷载强度指标 >10 4~10 2~4 1~2 对强度较低的岩石宜用单轴抗压强度 单轴抗压强度>250 100~250 50~100 25~50 5~25 1~5 <1 评分值15 12 7 4 21 02岩芯质量指标RQD（%） 90~100 75~90 50~75 25~60 <25 评分值20 17 13 8 3 3节理间距/cm >200 60~200 20~60 6~20 <6 评分值20 1510854节理条件节理面很粗糙，节理不连续，节理宽度为零，节理面岩石坚硬节理面稍粗糙，宽度<1mm ，节理面岩石坚硬 节理面稍粗糙，宽度<1mm ，节理面岩石较弱节理面光滑或含厚度<5mm的软弱夹层，张开度1~5mm ，节理连续含厚度>5mm 的软弱夹层，张开度>5mm ，节理连续评分值30 25 20 10 0 5地下水条件每10m 长的隧道涌水量/L/min0 <10 10~25 25~125 >125 0 0.1 0.1~0.2 0.2~0.5 >0.5 一般条件 完全干燥 潮湿 只有湿气中等水压水的问题严重评分值151074CSIR 分类原为解决坚硬节理岩体中浅埋隧道工程而发展起来的。

一、高等土力学研究的主要内容答：土力学主要是研究土的物理、化学、和力学特性以及土体在荷载、水、温度等外界因素作用下的工程性状。

高等土力学则是深化上述研究，重点研究先进的土工试验（实验）方法和设备、土体本构关系、塑性特性、强度、渗流、固结、压缩及其机理。

二、与上部结构工程相比，岩土工程的研究和计算分析有什么特点？答：1）岩土工程的规模和尺寸比一般的结构工程大得多，其实际范围是空间半无限体，工程计算分析中采用的边界是近似和模糊的；2）岩土的各种参数是空间的函数，参数的变异性大，变异系数在0.1-0.35,有的可能超过0.4，并且土性之间或不同点的土性具有较强的相关性，包括互相关和自相关；3）岩土属于高非线性材料，在不同的应力水平下变形特性不同，岩土工程的极限状态方程也经常是高度非线性的，并且诱发极限状态的原因或作用多种多样；4）岩土试样性质与原状岩土的性质往往存在较大的差别，即使是原为测试，反应的也仅仅是岩土的“点”性质（如现场十字板强度试验）或“线”性质（如静力触探实验）。

而岩土工程的行为往往由它的整体空间平均性质控制，因此在岩土工程可靠度分析中，要注意“点”、“线”到空间平均性概率统计指标问题5）由于上述岩土性质和岩土工程的不确定性加之推理的不确定性（如有目的的简化）,岩土工程的计算模型往往具有较大的不确定性或者不精确性，并且除了上述3)中提到的在岩土工程中针对不同原因和作用，会有不同的极限状态方程外，对同一计算参数也存在不同的计算表达式；6）施工工艺，施工质量及施工水平等会对岩土工程的性质和功能产生很大的影响。

三、土的特性答：1土的变异性大，离散性大，指标值合理确定很困难。

2土的应力应变关系是非线性的，而且不是唯一的，与应力历史有关。

3土的变形在卸载后一般不能完全恢复，饱和粘土受力后，其变形不能立刻完成，而且要经过很长一段时间才能逐渐稳定。

4土的强度也不是不变的，它与受力条件排水条件密切相关。

一、课程简介《高等岩土力学》课程是省研究生示范课《高等土力学》的基础上开设的学位课，是土木工程专业岩土工程方向博士、硕士和土木水利专业硕士的学科基础课。

主要介绍岩土工程领域设计、施工、科研中所涉及的岩石和土体的物理力学性质以及地基、边坡、洞室等岩土工程问题的基本原理和分析方法。

二、课程内容课程主要包含高等岩石力学和高等土力学两部分内容。

重点讲解岩石与土的物理力学性质和基本原理，培养学生应用基本原理分析地基、边坡及洞室变形与稳定等相关工程问题的能力，以及解决实际岩土工程问题的能力。

通过该课程的学习，学生可以了解岩土力学与工程领域的国际前沿与难点问题，了解新时代我国重大基础设施建设和社会经济发展的主要岩土工程问题。

三、课程特色(一)育人目标课程目标1：掌握岩石与土的物理力学性质和基本原理，能够应用基础原理分析地基、边坡及洞室变形与稳定等相关工程问题。

课程目标2：培养学生分析岩土工程问题的思维方式和方法，以及利用基本原理解决实际工程问题的能力。

课程目标3：了解岩土力学与工程领域的国际前沿与难点问题，了解新时代我国重大基础设施建设和社会经济发展的主要岩土工程问题。

激发学生积极投身于国家基础设施建设的热情和奉献精神，培养学生爱党爱国、艰苦奋斗、爱人民、爱集体、爱专业的优良品质。

(二)案例设计（1）典型课程思政教学案例一：绪论——国家重大需求通过介绍国家正在建设重大工程如川藏铁路、国家安全防护如导弹冲击的地下防护工程、地基破坏引发房屋倒塌和灾难性滑坡事件等岩土力学相关重大工程与灾害问题，引出岩土力学专业的重要性和核心内容，进而融入著名岩石力学专家林俊德院士的爱党爱国故事，通过播放4分钟林院士临终前在医院工作视频，并向学生提问和讨论，悄然激发学生的爱国情怀和责任担当。

（2）典型课程思政教学案例二：工程案例——反倾岩体边坡倾倒破坏首先分析工程地质教材中“反倾边坡一般为稳定边坡”的结论是基于什么，然后例举黄河上游、三峡库区及澜沧江流域大量反倾岩体边坡倾倒破坏的实例，抛出为什么这些反倾边坡不稳定的问题并与学生讨论。