岩块的力学属性：
1．弹性（elasticity）：在一定的应力范围内，物体受外力产生的全部变形当去除外力后能够立即恢复其原有的形状和大小的性质。
2．塑性（plasticity）：物体受力后产生变形，在外力去除（卸荷）后不能完全恢复原状的性质。不能恢复的变形叫塑性变形或永久变形、残余变形。
3．粘性（viscosity）：物体受力后变形不能在瞬时完成，且应变速率随应力增加而增加的性质。应变速率随应力变化的变形叫流动变形。
4．脆性（brittle）：物质受力后，变形很小时就发生破裂的性质。
5．延性（ductile）：物体能承受较大塑性变形而不丧失其承载力的性质。
第一节岩块的变形性质
一、单轴压缩条件下的岩块变形性质
1．连续加载下的变形性质
（1）加载方式：
单调加载（等加载速率加载和等应变速率加载）
循环加载（逐级循环加载和反复循环加载）
（2）四个阶段：
①Ⅰ：OA段，孔隙裂隙压密阶段；
②Ⅱ：AC段，弹性变形至微破裂稳定发展阶段（AB段和BC段）
弹性极限→屈服极限
③Ⅲ：CD段，非稳定破裂发展阶段（累进破裂阶段）→“扩容”现象发生
“扩容”：在岩石的单轴压缩试验中，当压力达到一定程度以后，岩石中的破裂（裂纹）继续发生和扩展，岩石的体积应变增量由压缩转为膨胀的力学过程。
—峰值强度或单轴抗压强度
④Ⅳ：D点以后阶段，破坏后阶段（残余强度）
以上说明：
岩块在外荷作用下变形→破坏的全过程，具有明显的阶段性，总体上可分为两个阶段：
1）峰值前阶段（前区）
2）峰值后阶段（后区）
（3）峰值前岩块的变形特征（Miller，1965）
①应力—应变曲线类型
米勒（Miller，1965）6类（σ—εL曲线），如图4.3所示：
Ⅰ：近似直线型（坚硬、极坚硬岩石）：如玄武岩、石英岩等；
Ⅱ：下凹型（较坚硬、少裂隙岩石）：如石灰岩、砂砾岩；
Ⅲ：上凹型（坚硬有裂隙发育）：如花岗岩、砂岩；
Ⅳ：陡“S”型（坚硬变质岩）：如大理岩、片麻岩；
Ⅴ：缓“S”型（压缩性较高的岩石）：如片岩；
Ⅵ：下凹型（极软岩）。
法默（Farmer，1968），根据峰前σ—ε曲线把岩石划分三类，如图4.4所示：
准弹性岩石：细粒致密块状岩石，如无气孔构造的喷出岩、浅成岩浆岩和变质岩等。
具弹脆性性质。
半弹性岩石：空隙率低且具有较大内聚力的粗粒岩浆岩和细粒致密的沉积岩。
非弹性岩石：内聚力低，空隙率大的软弱岩石，如泥岩、页岩、千枚岩等。
②变形参数确定（变形模量、泊松比）
变形模量（modulus of deformation）：
当σ—ε为直线关系时，E为常量。
当σ—ε为非直线关系时，E为变量（初始模量、切线模量、割线模量）。
σ—ε为非直线时，工程上用得最多的是切线模量（通常所说的弹性模量）。其中
初始模量（Ei）：反映了岩石中微裂隙的多少；
切线模量（Et）：反映了岩石的弹性变形特征；
割线模量（Es）：反映了岩石的总体变形特征。
变形模量:指单轴压缩条件下，轴向压力与轴向应变之比。
当σ—ε关系为直线↓，变形多为弹性变形，故变形模量又叫“弹性模量（modulus of elasticity）或杨氏模量”。
泊松比μ（poisson′s ratio）：
指单轴压缩条件下，横向应变（）与轴向应变（）之比。
（采用处的与之经来计算μ）
※E和μ常具有各向异性：
当垂直于层理、片理等微结构面方向加荷时，E最小；
当平行于层理、片理等微结构面方向加荷时，E最大。
（4）峰值后岩块的变形特征
刚性压力机（Rigid machine）和伺服机（Servocontrol machine）的出现→后区研究
岩块σ—ε全过程曲线
岩块应力（σ）—应变（ε）全过程曲线基本模式：
①Wawersik和Fairhust（1970）（图4.5）
Ⅰ型：稳定破裂传播型，后区负坡向，变形能不能使破裂继续扩展；
Ⅱ型：非稳定破裂传播型，后区正坡向，本身所贮存的能量能使破裂继续扩展。
②葛修润等人（1994）（图4.6）
后区曲线在P点右侧。上图的Ⅱ型曲线是人为控制造成的。
岩石越脆，曲线越陡，如新鲜的花岗岩、玄武岩；
越是塑性岩石，后区曲线越缓，如页岩、泥岩、泥灰岩和红砂岩等。
2．循环荷载条件下的变形特征（逐级循环加载和反复循环加载）
（1）同一荷载下，加、卸荷且弹性极限时，大部分为弹性恢复，如图4.7所示
弹性后效：岩石（块）在循环荷载作用下，当卸荷后，大部分弹性变形能很快恢复，而小部分（10%～20%）的弹性变形须经一段时间才能恢复的现象。即指加荷或卸荷条件下，弹性应变滞后于应力的现象。
（2）同一荷载下，加、卸荷且时，如图4.8所示
弹性模量：变形模量：
（3）逐级循环加载，如图4.9所示
每次加、卸荷曲线不重合，且围成封闭环→“回滞环”→“岩石记忆”
（4）反复循环加、卸载（荷），如图4.9所示
（a）次数越多，再加荷曲线越陡（应变强化），回滞环面积变小；
（b）残余变形εp↑；
（c）疲劳强度的出现。
疲劳强度：使岩石发生疲劳破坏时循环荷载的应力水平的大小（非定值）。
岩石疲劳破坏：在循环荷载作用下，岩石会在比峰值应力低的应力水平下破坏的现象。
二、三轴压缩条件下的岩块变形性质
1．三轴试验
σ1＞σ2＞σ3真三轴试验/不等压三轴试验；
σ1＞σ2=σ3＞0，普通三轴试验（常规三轴试验）。
一组试件（4个以上），υ≥5cm，h=（2～2.6）υ
2．围压对岩块变形破坏的影响
①σ3↑，破坏前的ε↑；
②σ3↑，破坏方式由脆性破坏→延性破坏；
根据延性度的不同，岩石的破坏方式主要有两种：
（a）脆性破坏：指岩石在变形很小时，由弹性变形直接发展为急剧、迅速的破坏，破坏后的应力降较大。（b）延性破坏（塑性破坏）或延性流动：指岩石在发生较大的永久变形后导致破坏的情况，且破坏后应力降很小。
以上两种方式，可以用延性度来区别。
延性度：指岩石在达到破坏前的全应变或永久应变。
当＜3%时，脆性破坏；
当3～5%时，过渡型；
当＞5%时，延性破坏。
长期强度：指长期荷载（应变速率小于10-b/s）作用下岩石的强度。
③应变硬化现象（σ3↑一定值）；
应变硬化：在塑性变形区，材料（岩石）的应力随应变增加而增大的现象。反映了材料抵抗进一步变形能力随变形的增加而增强的现象。
④σ3↑，E、μ不同程度的提高；此时E可按下式确定：
⑤σ3↑，岩石的三轴极限强度↑。
三、岩石的蠕变性质（有的教材称“岩石流变理论”）
岩石流变：在外部条件不变的情况下，岩石的变形或应力随时间而变化的现象。
蠕变：指岩石在恒定的荷载（应力）条件下，变形随时间增长的现象（或性质）。
松弛：指应变一定时（不变），应力随时间增加而减小的现象。
弹性后效：指加载或卸载时，弹性应变滞后于应力的现象。
1．蠕变曲线的特征
瞬时应变
三个阶段，如图4.10所示：
Ⅰ：初始蠕变阶段（AB段），减速蠕变阶段；下凹型
Ⅱ：等速蠕变阶段（BC段），稳定蠕变阶段；近似直线型
Ⅲ：加速蠕变阶段（CD段）。上凹型
2．蠕变性质的影响因素
（1）岩性；（坚硬岩石蠕变变形很小，可忽略不计，软弱岩石蠕变明显。）
（2）应力；
低应力（＜12.5Mpa）下，不出现加速蠕变阶段；
中等应力（12.5～25Mpa）下，呈“S”型，具明显的三个阶段；
高应力（＞25Mpa）下，不出现等速蠕变阶段。
（3）温度、湿度；温度、湿度↑，岩石的总应变与等速阶段的应变速率↑。
3．蠕变模型及其本构方程（有些教材上称为“流变模型理论”）
研究岩石时效现象，有两种方法：
（1）经验（方程）法
根据岩石蠕变试验结果，由数理统计学的回归拟合方法建立经验方程。其通式一般为：
ε（t）=ε0+ε1（t）+ε2（t）+ε3（t）
t时间的应变瞬时应变初始段应变等速段应变加速段应变
典型的岩石蠕变方程有：幂函数方程、指数方程、混合方程等等。
（2）蠕变模型法（流变模型理论法、微分方程法）
把岩石材料抽象成一系列简单的元件（如弹簧、阻尼器等）及其组合模型来模拟岩石的蠕变特性，建立其本构方程。
1）理想物体的基本模型（基本元件）
①弹性元件（无蠕变）：弹簧
②塑性元件（摩擦片或滑块）
理想的塑性体（圣维南体）St.Venant
本构方程：
当σ＜σs时，ε=0
当σ≥σs时，ε→∞（流动变形）
③粘性元件（阻尼器）
牛顿流体（理想的粘性体）
本构方程服从牛顿定理：
式中：η为动力粘带系数（0.1pa?s）
2）组合模型
①Maxwell模型（马克斯威尔）
弹性元件+粘性元件（串联）
（本构方程）
（a）恒定荷载σ=σ0时，=0，则
又t =0时，（瞬时应变），得
（蠕变方程）
（b）ε不变（一定）时，，由本构方程得：
当t =0时，σ=σ0（σ0为瞬时应力）→C = －lnσ0
（松弛方程）
②Kelvin（开尔文）模型
弹性元件+粘性元件（并联）
（本构方程）
（a）σ=σ0时
（蠕变方程）
当t =t1时卸荷时，σ=0
当t =t1时，ε=ε1，即：
（卸荷方程）
（b）ε=ε0=常数时，
σ=Eε（松弛方程）
当ε=ε0=常数时，σ=常数，并不随时间拉长而减小，即此模型无应力松弛性能。
第二节岩块的强度性质
岩块的强度（Strength of rock）：指岩块抵抗外力破坏的能力。它包括抗压强度、抗拉强度和抗剪强度。根据破坏时的应力类型，岩块的破坏有三种类型：
（脆性破坏）（过渡型）（塑性/延性破坏）
拉破坏、剪切破坏和流动。（即破坏机制问题分为三种）
一、单轴抗压强度（uniaxial compressive strength）
1．σc的确定
（1）抗压试验：σc=Pc/A （Mpa）Pc—荷载（破坏时）（N）
A—横断面积（mm2）
岩石试件通常为圆柱状或长方柱状。
圆柱状：直径D=5cm或7cm，h=（2～2.5）D
长方柱状：断面S=5×5cm2，h=（2～2.5）
断面S=7×7cm2，h=（2～2.5）
（2）点荷载试验→间接求取σc
σc=22.82?
式中Is(50)为直径50mm标准试件的点荷载强度。
2．影响因素
（1）岩石本身性质方面的因素，如矿物组成、结构构造、密度、风化程度等等；
（2）试验条件
①试件的几何形状及加工精度；（大小、h/D、端面粗糙和不平行）
②加荷速率；（v↑，σc↑）
③端面条件；（端面效应）（试件端面与压力机板间的摩擦作用）
④湿度和温度；
⑤层理结构。（σc∥＜σc⊥）
二、三轴压缩强度（triaxial compressive strength）
1．σ1m的确定
σ1m=Pm/A （Mpa）Pm—试件破坏时的轴向荷载（N）
A—试件的初始横断面面积（mm2）
2．试验结果处理
（1）当σ3变化很大时，强度包络线常为一曲线，且C、υ也并非常数；（图4.18a）
σ1m的经验关系式：比尼卫斯基（Bieniawski，1963）等。
（2）当σ3不大时，强度包络线常可近似视为一直线。（图4.18b）
根据直线型试验曲线，可以求得岩块强度参数σ1m、C、υ、σt、σc、σ3之间的关系：
②当σ3=0时，σ1m=σc
③由得：
又由
④
⑤
3．影响因素（见教材P62）
三、单轴抗拉强度（Uniaxial tensile strength）
脆性度（nb）：岩块的抗压强度与抗拉强度的比值即。一般10～20，最大可达50。
四、剪切强度（Shear strength）
按剪切试验方法不同，如图4.19所示，可分为三种（剪切强度）类型：
1．抗剪断强度（预设剪切面），如图4.19a所示
其中：P、T为试件剪断时的最大垂直压力和水平剪力；
S为剪切面面积；
由Mohr-Coumlomb理论可知，抗剪断强度:
直剪试验、变角板剪切试验和三轴试验。
2．抗剪强度（摩擦强度）（先存剪切面），如图4.19b所示
实际上是结构面的剪切强度问题。
3．抗切强度（预设剪切面，P=0），如图4.19c所示
（取决于内聚力）
测定岩块的抗剪断强度、抗剪强度有现场实验（直接剪切试验）及室内试验（直接剪切仪、三轴压缩仪等）。第三节岩石的破坏判据/强度准则
（Failure Criterion for Rock / Strength Criterion for Rock）
强度准则或破坏判据（Strength & Failure Criterion)：
表征岩石破坏条件的应力状态与岩石强度参数间的函数关系。σ1=f（σ2、σ3）/τ=f（σ）
岩石的强度理论：
研究岩石在各种应力状态下的强度准则或破坏判据的理论。
岩体内任一点的应力状态（σ1，σ2，σ3）三维→二维平面问题
三向应力状态简化为二向应力状态研究→平面问题
（1）
其共轭面（θ=90°+β）的法向应力σθ和剪应力τθ：
（2）
（1）式可化为：
与（1）式中的第二式平方后相加得：
根据静力平衡条件：∑Fx=0，∑Fy=0
一、库仑—纳维尔判据（Coulomb-Navier）
1883年，Navier在Coulomb的最大剪应力理论的基础上，提出：
其中τ为破坏面上的剪应力；
C为材料本身的抗切强度；
υ为摩擦角。
如图4.21所示，破坏判据可写成：
令f=tgυ，则：
∴上式改写成：
（Coulomb-Navier判据）
（1）说明：当理论计算出的岩体内σ1≥实际的σ1时，稳定，不会破坏；
实际的σ1＞理论计算的σ1，就会破坏。
（2）适应条件：该判据适用于坚硬、较坚硬的脆性岩石的剪切破坏情况，而不适用于拉破坏的情况；没有考虑中间主应力σ2的影响。
二、莫尔判据（Mohr Failure Criterion）
1900年，莫尔认为：
材料在极限状态时，剪切面上的τ就达到了随法向应力和材料性质而定的极限性。即：
当材料中的点可能滑动面上的τ超过该面上的剪切强度时，该点就产生剪切破坏，而剪切强度又是法向应力σ的函数：
τ=f (σ)
通过试验方法（单轴拉伸、压缩及三轴压缩），可以确定破坏时的莫尔应力圆的包络线（强度曲线）。
为了便于计算，有人提出了包络线的型式：（斜）直线型、抛物线型、双曲线型等。
1．斜直线型（与Coulomb-Navier基本一致）
或
又由
取σ3=0，σ1=σc
2．（二次）抛物线型
岩性较坚硬至较弱的岩石，如泥灰岩、泥岩、砂岩、泥页岩、页岩等岩石的强度包络线近似于二次抛物线。如图4.22（教材P70）所示，强度曲线表达式：
又………………… ①
……… ②
②代入①，并消去式中的σ，得二次抛线物型包络线的主应力表达式：
（σ1-σ3）2=2n（σ1+σ3）+4nσt-n2 …………………………………③
单轴压缩时，σ3=0，σ1=σc，则得
n2-2（σc+2σt）n+σc2=0
…………………………………………………….④
将④代入τ2=n(σ+σt)和③得到用τ和主应力表达的二次抛物线型莫尔判据：
或
3．双曲线型
岩性坚硬、较坚硬的岩石，如砂岩、灰岩、花岗岩等，其强度包络线近似于双曲线，如图4.23所示。
表达式为：
τ2=（σ+σt）2tg2υ0+（σ+σt）σt
式中：υ0为包络线渐近线的倾角，
τ2≥（σ+σt）2tg2υ0+（σ+σt）σt
（破坏判据）
说明：莫尔判据（强度理论）实质上是一种剪应力强度判据（理论），既适用于塑性岩石，又适用于脆性岩石的剪切破坏，应用很广。
缺点：忽略了σ2；只适用于剪破坏，不适用于拉破坏、膨胀和流动破坏。
三、八面体强度判据（Octahedral Strength Criterion）
该判据认为：岩石破坏的原因是八面体上的剪应力达到临界值所引起的。
如何求取八面体上的剪应力值？
取一四面体研究，如图4.24所示。
取σ1、σ2、σ3与X、Y、Z轴平行，等斜面ABC（面积为S）的法线N，它与X、Y、Z轴之夹角分别为α、β、γ。
令cosα=l，cosβ=m，cosγ=n
∵等斜，l=m=n= ∴S△COB=Scosα S△AOC=ScosβS△AOB=Scosγ
据力的平衡：，，得：
又
等倾面S上的法向应力为Px、Py、Pz在N轴投影之和，即：
那么，等倾面上的剪应力（即八面体上的剪应力）τ则为：
八面体强度理论认为，如果τ8达到临界值时，岩石屈服（或破坏）。但临界值有不同的假说，从而得出不同的判据形式。
（1）米赛斯强度判据（Mises Strength Criterion ）
Mises认为，岩石单向受力至屈服时，τ8→τ8s?（八面体极限剪应力），岩石屈服（或破坏）。
∵单向受力至极限时，σ2=σ3=0，σ1=σs′
∴
∴τ=τ8s时就将Mises强度判据：
式中：σs′为单向受力时岩石的屈服极限（允许应力）。
适用条件：以延性破坏为主的岩石。
缺点：作为屈服准则比较符合实际，但作为破坏准则，则缺乏足够的岩体力学试验依据。因此，实际中较
少采用。
（2）德鲁克—普拉格（Drucker-Prager）判据
D-P准则（判据）是在C-M准则和Mises准则基础上的扩展和推广。应用较广，特别在弹塑性有限元计算中应用广泛。
表示式：
，若F ＞0,破坏；若F ≤0，不破坏。
式中：I1为应力（张量）第一不变量，
J2为第二应力偏量不变量，
a，Kf为仅与岩石内摩擦角υ和粘聚力C有关的实验常数：
（3）八面体强度理论的优点
考虑了中间主应力的作用。
四、最大正应变（理论）强度判据（Maximum Positive Strain Criterion）
（1）最大正应变理论认为：
物体发生张性破裂的原因是由最大延伸应变ε达到一定的极限应变ε0。
其强度条件（判据）：
（2）力学模型
张应变控制下的张破裂力学模型如图4.25所示，岩石张破裂是侧向应变ε3 ≥ ε0所致。
由广义虎克定理（Generalized Hooke’s Law）：
（3）强度判据
当σ3－μ（σ1+σ2）＜0时，ε3＜0即张应变。那么，强度判据写成：
［σ3－μ（σ1+σ2）］=－Eε0（a）
极限张应变值ε0的确定：
①单向拉伸破坏瞬间的极限应变：
σt—岩石抗拉强度（b）
②单轴压缩条件下的极限应变，即：
（c）
将（b）、（c）代入（a）所得：
那么最大正应变强度判据可写成：
式中：σc—岩石单轴抗压强度；
μ—发生破坏时侧向应变与轴向应变之比（泊松比）。
当岩石应力条件满足以上判据时，岩石发生张破裂。→取其中最小的比较。
（4）适用条件
无围压和低围压及脆性岩石。
五、格里菲斯判据（Griffith Criterion）
前面谈到的几种强度理论都把岩石材料看作连续的均匀介质，但Griffith则有所不同，他认为：材料内部
存在着许多微裂隙，在力的作用下，这些细微裂隙周围，特别是缝端可以产生应力集中现象。材料的破坏往往从缝端开始，裂缝扩展，最后导致材料的完全破坏。（参考《岩体力学》，凌贤长等编著）（Griffith，1920）格里菲斯脆性破坏理论，是在微裂纹控制破坏和渐进式破坏的概念基础上提出来的。（1）裂纹尖端及其附近应力
假定：
微裂纹呈近似椭圆时，且相邻微裂纹之间无相互影响。
由左图可得：
在、及作用下，裂纹椭圆周边将产一切向应力，采用弹性力学中英格里斯（Inglis）公式表示，即：其中：m=b/a，a、b为长、短轴之一半。
α为裂纹椭圆偏心角（对x轴的偏心角），如图4.28所示。
并略去高次项就得出：
………………………①
裂纹尖端周边最大切向拉应力。
（2）破坏判据（强度准则）
当σb ≥σt时，裂纹扩展。（σb大于或等于裂纹周边材料局部抗拉强度）。
∵σt、m难以测量
∴用一个比较容易测量的量来表示切向应力σb的临界值，即垂直于裂隙椭圆长轴方向进行单轴抗拉实验求得的σt作为切向应力的临界值。
假定：
裂纹长轴垂直于单向拉伸的拉应力。
1）采用及表示的破坏判据：
单向拉伸：
，
代入①式得：
…………………②
②代入①式得：
2）采用及表示的破坏判据（强度准则）
又代入①简化后得：
…③
令，可得的危险角β：
或
当sin2β=0时，β=0代入③得最大拉应力：
……………………………………④
当时代入③得最大拉应力：
………………………………⑤
由②和⑤可得：
………………………………⑥
或
当时，由②和④式给出的最大拉应力达到，即
…………………⑦
因此，由⑥和⑦得Griffith判据的主应力表达式：
如何判断：
（3）适用条件
脆性岩石的拉破坏情况。
★附：讨论裂纹扩展的方向（σ1+3σ3≥0）
由裂纹椭圆周边应力分布示意图，使裂纹椭圆参数方程：
∵当，裂纹扩展
∴裂纹扩展方向（产生新裂隙方向）无疑是裂纹周边的切线方向如图4.29所示。
该法线方程如：
又有：（m=b/a）
（1）由于，有（裂纹一般宽度很小）
又
…………………………………………①
（2）∵裂纹周边处于破裂（扩展）状态
…………………………….②
②代入①得：…………………………………③
由………………………④
由③和④
由此可知，裂纹最初扩展的方向不是沿着裂纹椭圆长轴，而是与裂纹椭圆长轴呈2β交角。
（4）修正的格里菲斯判据
上述的Griffith判据，无论是岩石受张应力或是受压应力，都是在裂纹张开而不闭合的情况下才成立。
但是，实际上，岩石受压力时裂纹趋于闭合，闭合后裂纹面上将产生摩擦力，故上述判据在此情况下不适用。
麦克林托克（Moclintock）1962年对Griffith判据作了适当的修正，并认为：
当裂纹在压应力作用下闭合时，裂纹在整个长度范围内均匀接触，并且能够传递正应力（压应力）及剪应力。由于裂纹均匀闭合，故正应力在裂纹端部不引起应力集中，而只有剪应力才造成裂纹端部应力集中。因此，就可假定裂纹在二向应力条件下呈纯剪破坏或扩展。其强度曲线及莫尔应力图如图4.30和图4.31所示：
由图可知：
单轴压缩时，，如图4.31所示，与Coulomb-Navier判据相类似，但物理含义不同。
其中，υ为裂纹闭合后的内摩擦角。
为修正的Griffith判据
用剪应力表示为：
单轴压缩时，，
为单轴压缩条件下的修正Griffith判据。
第四章岩土体工程性质 一、名词解释(6) 1．岩石风化作用p74 岩石形成后，地表附近的完整岩石，会在温度、水溶液、气体及生物等自然因素作用下，逐渐产生裂隙、发生机械破碎和矿物成分的改变，丧失完整性，这个过程称为岩石风化作用。 2．物理风化作用p74 岩石在自然因素作用下发生机械破碎，而无明显成分改变的风化作用称物理风化作用，又称机械风化作用。 3．化学风化作用p74 岩石在自然因素作用下发生化学成分改变，从而导致岩石破坏为化学风化作用。 4．生物风化作用p75 岩石风化过程有生物活动的参与称生物风化，如岩石裂隙中生长的树，随着树的生长，根系发育延伸，岩石被劈裂，即属生物物理风化；岩石表面生长的地衣分泌有机酸腐蚀岩石，使其分解，即属生物化学风化。 5．风化程度p76 岩石风化后工程性质改变的程度。 6．饱和重度p77 天然状态下，单位体积岩石土中包括固体颗粒、一定的水和孔（裂）隙三部分，若水把所有孔隙充满，则为岩土的饱和重度。 7．岩石吸水率p79 在常压条件下，岩石浸入水中充分吸水，被吸收的水质量与干燥岩石质量之比为吸水率。 8．液性指数p82 黏性土的天然含水率和塑限的差值与塑性指数之比。 9．弹性模量p85 岩石的弹性模量是变形曲线弹性段（直线段）的斜率。 10．岩体p86 岩体通常是指由各种岩石块体和不连续面组合而成的“结构物”。 11．结构面P87 岩体被不连续界面分割，这些不连续界面被称为岩体的结构面。 二、单选(22) 1．冰劈作用是（）。p74 A．物理风化B．生物风化C．化学风化D．差异风化 2．因强烈蒸发使地下水浓缩结晶，导致岩石裂缝被结晶力扩大，叫做（）。P74 A．热胀冷缩作用B．盐类结晶作用C．冰劈作用D．碳酸化作用 3．黄铁矿在空气或水中生成褐铁矿，在化学风化中应属于（）。P75
第八章组合变形构件的强度习题 一、填空题 1、两种或两种以上基本变形同时发生在一个杆上的变形,称为（）变形。 二、计算题 1、如图所示的手摇绞车，最大起重量Q=788N，卷筒直径D=36cm,两轴承间的距离l=80cm,轴的许用应力[]σ=80Mpa。试按第三强度理论设计轴的直径d。 2、图示手摇铰车的最大起重量P=1kN，材料为Q235钢，[σ]=80 MPa。试按第三强度理论选择铰车的轴的直径。 3、图示传动轴AB由电动机带动，轴长L=1.2m,在跨中安装一胶带轮，重G=5kN,半径R=0.6m,胶带紧边张力F1=6kN,松边张力F2=3kN。轴直径d=0.1m，材料许用应力[σ]=50MPa。试按第三强度理论校核轴的强度。 4、如图所示，轴上安装有两个轮子，两轮上分别作用有F=3kN及重物Q，该轴处于
平衡状态。若[σ]=80MPa。试按第四强度理论选定轴的直径d。 5、图示钢质拐轴，AB轴的长度l AB=150mm, BC轴长度l BC=140mm，承受集中载荷F 的作用，许用应力[σ]=160Mpa，若AB轴的抗弯截面系数W z=3000mm3，。试利用第三强度理论，按AB轴的强度条件确定此结构的许可载荷F。(注：写出解题过程) 6、如图所示，由电动机带动的轴上，装有一直径D=1m的皮带轮，皮带紧边张力为2F=5KN，松边张力为F=2.5KN，轮重F P=2KN，已知材料的许用应力[σ]=80Mpa，试按第三强度理论设计轴的直径d。 7、如图所示，有一圆杆AB长为l，横截面直径为d，杆的一端固定，一端自由，在自由端B处固结一圆轮，轮的半径为R，并于轮缘处作用一集中的切向力P。试按第三强度理论建立该圆杆的强度条件。圆杆材料的许用应力为[σ]。
岩块的力学属性： 1．弹性（elasticity）：在一定的应力范围内，物体受外力产生的全部变形当去除外力后能够立即恢复其原有的形状和大小的性质。 2．塑性（plasticity）：物体受力后产生变形，在外力去除（卸荷）后不能完全恢复原状的性质。不能恢复的变形叫塑性变形或永久变形、残余变形。 3．粘性（viscosity）：物体受力后变形不能在瞬时完成，且应变速率随应力增加而增加的性质。应变速率随应力变化的变形叫流动变形。 4．脆性（brittle）：物质受力后，变形很小时就发生破裂的性质。 5．延性（ductile）：物体能承受较大塑性变形而不丧失其承载力的性质。 第一节岩块的变形性质 一、单轴压缩条件下的岩块变形性质 1．连续加载下的变形性质 （1）加载方式： 单调加载（等加载速率加载和等应变速率加载） 循环加载（逐级循环加载和反复循环加载） （2）四个阶段： ①Ⅰ：OA段，孔隙裂隙压密阶段； ②Ⅱ：AC段，弹性变形至微破裂稳定发展阶段（AB段和BC段） 弹性极限→屈服极限 ③Ⅲ：CD段，非稳定破裂发展阶段（累进破裂阶段）→“扩容”现象发生 “扩容”：在岩石的单轴压缩试验中，当压力达到一定程度以后，岩石中的破裂（裂纹）继续发生和扩展，岩石的体积应变增量由压缩转为膨胀的力学过程。 —峰值强度或单轴抗压强度 ④Ⅳ：D点以后阶段，破坏后阶段（残余强度） 以上说明： 岩块在外荷作用下变形→破坏的全过程，具有明显的阶段性，总体上可分为两个阶段： 1）峰值前阶段（前区） 2）峰值后阶段（后区） （3）峰值前岩块的变形特征（Miller，1965） ①应力—应变曲线类型 米勒（Miller，1965）6类（σ—εL曲线），如图4.3所示： Ⅰ：近似直线型（坚硬、极坚硬岩石）：如玄武岩、石英岩等； Ⅱ：下凹型（较坚硬、少裂隙岩石）：如石灰岩、砂砾岩； Ⅲ：上凹型（坚硬有裂隙发育）：如花岗岩、砂岩； Ⅳ：陡“S”型（坚硬变质岩）：如大理岩、片麻岩； Ⅴ：缓“S”型（压缩性较高的岩石）：如片岩； Ⅵ：下凹型（极软岩）。 法默（Farmer，1968），根据峰前σ—ε曲线把岩石划分三类，如图4.4所示： 准弹性岩石：细粒致密块状岩石，如无气孔构造的喷出岩、浅成岩浆岩和变质岩等。 具弹脆性性质。 半弹性岩石：空隙率低且具有较大内聚力的粗粒岩浆岩和细粒致密的沉积岩。 非弹性岩石：内聚力低，空隙率大的软弱岩石，如泥岩、页岩、千枚岩等。
1、岩体稳定性分析和地下水渗流分析通常把岩体视为由岩块（结构体）与结构面组成的地质体。 2、岩体工程中的软弱夹层问题： 如黄河小浪底水库工程左坝肩的泥化夹层； 葛洲坝水利工程坝基的泥化夹层； 黑河水库左坝肩单薄山梁的断层引发的渗漏问题； 长江三峡自然坡中的软弱夹层等。 这些软弱结构面在不同程度上影响和控制着工程岩体的稳定性。因此，结构面变形与强度性质的研究，在工程实践中具十分重要的实际意义： 1）大量工程实践表明：在工程荷载（小于10Mpa）范围内，工程岩体的失稳破坏有相当一部分是沿软弱结构面破坏的。因此，结构面的强度性质的研究是评价岩体稳定性的关键。 2）在工程荷载作用，结构面及其充填物的变形是岩体变形的主要组成部分，控制着工程岩体的变形特性。3）结构面是岩体中渗透水流的主要通道。 4）工程荷载作用下，岩体中的应力分布受结构面及其力学性质的影响。 第一节结构面的变形性质（特性） 结构面的变形包括法向变形和剪切变形两个方面。 一、结构面的法向变形 1．法向变形特征（Normal deformation） 设不含结构面岩块的变形为ΔVr，含结构面岩块的变形为ΔVt，那么结构面的法向闭合变形 ΔVj为： ΔVj=ΔVt－ΔVr 由结构面法向应力σn与变形的关系曲线可得如下特征： 1）σn↑，ΔVj↑↑，曲线呈上凹型； σn→σ0，σn－ΔVt变陡，与σn－ΔVr大致变形； 2）初始压缩阶段，ΔVt主要由结构面闭合造成的； 3）试验研究表明，当开始，含结构面岩块的变形由以结构面的闭合→岩块的弹性变形； 4）σn－ΔVj曲线的渐近线大致为： ΔVj=Vm 5）结构面的最大闭合量小于结构面的张开度（e）。 含结构面的岩块和不含结构面的岩块在法向上加荷、卸荷后的应力—变形曲线，见教材P76-77（Bandis 等，1983）。 2．法向变形本构方程（法向应力与变形之间的关系） 这方面的研究目前仍处于探索阶段，已提出的本构方程都在试验的基础上总结出来的经验方程，如Goodman，Bandis及孙广忠等人。 1）古德曼（Goodman，1974）双曲线函数拟合结构面法向应力σn与闭合变形ΔVj（mm）间的本构关系： 或式中：σi为结构面所受的初始应力。 2）班迪斯等（Bandis等，1983） 当σn→∞时，ΔVj→ 由初始法向强度的定义得：
第一章绪论 土动力学是研究各种动荷载作用下土的变形、强度特性及土体稳定性的一门学科。 一、动荷载的类型及特点 有两类常见的动荷载：冲击荷载与振动荷载。 1.冲击荷载。爆破、爆炸以及各种冲击引起的荷载，这类荷载对土体的作用主要体现在荷载的速率效应对土体强度与变形的影响。 2.振动荷载。地震，波浪，交通，大型机器基础等引起的荷载，这类荷载对土体的作用主要体现在3个方面： （1）荷载的速率效应对土体强度与变形的影响 （2）荷载循环次数的影响（疲劳） （3）荷载幅值的大小 二、土动力学的研究任务 探求动荷载作用下土体变形、强度变化的规律性，运用近代力学的原理，分析研究土工建筑物及建筑物地基在各种动力影响下的变形与破坏规律。研究内容包括两大方面的内容： 土的动力特性 土的动力稳定性 6个方面的研究问题，包括： （1）工程建筑中的各种动荷作用及其特点 （2）土体中波的传播 （3）土的动力特性：土的动强度、动变形、土的震动液化等。
（4）动荷载作用下的土体本构关系（土的动应力应变关系问题）（5）土动力特性测试方法与测试技术 （6）动荷载作用下土体的稳定性，包括动荷作用下土与结构物的相互作用，地基承载力，土坡稳定性以及挡土墙的土压力。 三、土动力学发展阶段与发展趋势 第1阶段（20世纪30年代）动力机器基础研究 第2阶段（2次世界大战以后）冲击荷载作用下土的动力学问题研究 第3阶段（20世纪60年代以后）振动荷载作用下土的动力学问题研究（地震、海洋、交通等） 当前的主要发展趋势（4点）： （1）注重研究土体的动力失稳机理 （2）进一步深化对土的动应力应变关系的研究 （3）进一步深化土与结构物相互作用的研究，即利用更加真实的土动应力应变关系，将结构物与土体相互作用过程中的变形与破坏作为一个整体进行仿真计算分析。 （4）注重现场观测结构、模型试验结果、计算分析结果的相互印证研究 第二章土的动力特性 土的动力特性是指动荷载作用下土的动强度特性与土的动变形特性。 研究土的动力特性，就是依据动荷载作用特点，揭示土的动力破
§9.1 组合变形概述 前面研究了杆件在拉伸（压缩）、剪切、扭转和弯曲四种基本变形时的强度和刚度问题。但在工程实际中，许多构件受到外力作用时，将同时产生两种或两种以上的基本变形。例如建筑物的边柱，机械工程中的夹紧装置，皮带轮传动轴等。 我们把杆件在外力作用下同时产生两种或两种以上的基本变形称为组合变形。常见的组合变形有： 1.拉伸（压缩）与弯曲的组合； 2.弯曲与扭转的组合； 3.两个互相垂直平面弯曲的组合（斜弯曲）； 4.拉伸（压缩）与扭转的组合。 本章只讨论弯曲与扭转的组合。 处理组合变形问题的基本方法是叠加法，将组合变形分解为基本变形，分别考虑在每一种基本变形情况下产生的应力和变形，然后再叠加起来。组合变形强度计算的步骤一般如下： (1) 外力分析将外力分解或简化为几种基本变形的受力情况； (2) 内力分析分别计算每种基本变形的内力，画出内力图，并确定危险截面的位置； (3) 应力分析在危险截面上根据各种基本变形的应力分布规律，确定出危险点的位置及其应力状态。 (4) 建立强度条件将各基本变形情况下的应力叠加，然后建立强度条件进行计算。 §9.2 弯扭组合变形强度计算 机械中的转轴，通常在弯曲和扭转组合变形下工作。现以电机为例，说明此种组合变形的强度计算。图10-1a所示电机轴，在轴上两轴承中端装有带轮，工作时，电机给轴输入一定转矩，通过带轮的皮带传递给其它设备。带紧边拉力为F T1，松边拉力为F T2，不计带轮自重。
图10-1 (1) 外力分析将作用于带上的拉力向杆的轴线简化，得到一个力和一个力偶，如图10-1(b)，其值分别为 力F使轴在垂直平面内发生弯曲，力偶M1和电机端产生M2的使轴扭转，故轴上产生弯曲和扭转组合变形。 (2) 内力分析画出轴的弯矩图和扭矩图，如图10-1(c)、(d)所示。由图知危险截面为轴上装带轮的位置，其弯矩和扭矩分别为
岩土工程介绍及发展研究方向 展望岩土工程的发展,笔者认为需要综合考虑岩土工程学科特点、工程建设对岩土工程发展的要求，以及相关学科发展对岩土工程的影响。 岩土工程研究的对象是岩体和土体。岩体在其形成和存在的整个地质历史过程中，经受了各种复杂的地质作用，因而有着复杂的结构和地应力场环境。而不同地区的不同类型的岩体，由于经历的地质作用过程不同，其工程性质往往具有很大的差别。岩石出露地表后，经过风化作用而形成土，它们或留存在原地，或经过风、水及冰川的剥蚀和搬运作用在异地沉积形成土层。在各地质时期各地区的风化环境、搬运和沉积的动力学条件均存在差异性，因此土体不仅工程性质复杂而且其性质的区域性和个性很强。 岩石和土的强度特性、变形特性和渗透特性都是通过试验测定。在室内试验中，原状试样的代表性、取样过程中不可避免的扰动以及初始应力的释放，试验边界条件与地基中实际情况不同等客观原因所带来的误差，使室内试验结果与地基中岩土实际性状发生差异。在原位试验中，现场测点的代表性、埋设测试元件时对岩土体的扰动，以及测试方法的可靠性等所带来的误差也难以估计。 岩土材料及其试验的上述特性决定了岩土工程学科的特殊性。岩土工程是一门应用科学，在岩土工程分析时不仅需要运用综合理论知识、室内外测成果、还需要应用工程师的经验，才能获得满意的结果。在展望岩土工程发展时不能不重视岩土工程学科的特殊性以及岩土工程问题分析方法的特点。 土木工程建设中出现的岩土工程问题促进了岩土工程学科的发展。例如在土木工程建设中最早遇到的是土体稳定问题。土力学理论上的最早贡献是1773年库伦建立了库伦定律。随后发展了Rankine(1857)理论和Fellenius(1926)圆弧滑动分析理论。为了分析软粘土地基在荷载作用下沉降随时间发展的过程，Terzaghi(1925)发展了一维固结理论。回顾
作业
1.什么是岩体？岩体的结构一般根据什么来划分？岩体结构 可以分为哪几种结构类型？ 2.什么是结构面？结构面按地质成因分为哪几种？各有什么 特征？ 3.结构面具有哪些特征？结构面的存在对岩体的力学性质和 岩体稳定性有什么影响？试举例说明。 4.岩块的主要物理性质(包括水理性质)有哪些？各有什么工 程意义？
第四章 岩块的变形与强度性质
? ? ? ? 有关的基本概念 岩块的变形性质 岩块的强度性质 岩石的破坏判据
第一节 概述
（一）研究岩块力学性质的意义
岩石的力学性质
岩体
环
（水） 岩块 结构面 （地应力） 境
主要力学性质：变形与强度、破坏 研究岩块力学性质的主要方法：室内试验
（二）材料受力所表现出的 σ 几种基本力学性质 ? 弹性 物体受外力作用产生变形，除去外
力（荷载）后，变形立刻完全恢复 的性质，称为弹性。该变形为弹性 变形，该物体为弹性介质。
岩石的力学性质
直线关系
0
ε
? 塑性 物体受外力作用产生变形，除去 外力（荷载）后，变形不能完全 恢复的性质，称为塑性。不能恢 复的变形称为塑性变形（永久变 形或残余变形）。 在外力作用下，或者在一定应力 范围内，只发生塑性变形的物体 称为塑性介质。
线弹性（理想弹性）
σ
σs
0
ε
理想弹塑性材料
物体受外力作用后变形不能在瞬间 σ ? 粘性 完成，且变形速率随应力增加而增 加的性质，称为粘性。 ? 脆性 物体受外力作用后，变形很小时就 dε & ε dt 发生破裂的性质，称为脆性。相应 0 理想粘性材料 的破坏称为脆性破坏。 物体受外力作用后，发生较大变形时发生破坏，称为 塑性破坏。 脆性破坏与塑性破坏的区别:以材料受力破坏前的总应变和 全应力-应变曲线上负坡的坡降大小划分。破坏前总应变小, 负坡较陡的为脆性破坏,反之为塑性破坏。工程上以5％进行 划分。脆性破坏--破坏前的总应变<5％;塑性破坏--破坏前的 总应变>5％。
岩石的力学性质
第四章岩土体工程性质 一、名词解释 ．岩石风化作用 岩石形成后，地表附近的完整岩石，会在温度、水溶液、气体及生物等自然因素作用下，逐渐产生裂隙、发生机械破碎和矿物成分的改变，丧失完整性，这个过程称为岩石风化作用。 ．物理风化作用 岩石在自然因素作用下发生机械破碎，而无明显成分改变的风化作用称物理风化作用，又称机械风化作用。 ．化学风化作用 岩石在自然因素作用下发生化学成分改变，从而导致岩石破坏为化学风化作用。 ．生物风化作用 岩石风化过程有生物活动的参与称生物风化，如岩石裂隙中生长的树，随着树的生长，根系发育延伸，岩石被劈裂，即属生物物理风化；岩石表面生长的地衣分泌有机酸腐蚀岩石，使其分解，即属生物化学风化。 ．风化程度 岩石风化后工程性质改变的程度。 ．饱和重度 天然状态下，单位体积岩石土中包括固体颗粒、一定的水和孔（裂）隙三部分，若水把所有孔隙充满，则为岩土的饱和重度。 ．岩石吸水率 在常压条件下，岩石浸入水中充分吸水，被吸收的水质量与干燥岩石质量之比为吸水率。 ．液性指数 黏性土的天然含水率和塑限的差值与塑性指数之比。 ．弹性模量 岩石的弹性模量是变形曲线弹性段（直线段）的斜率。 ．岩体
岩体通常是指由各种岩石块体和不连续面组合而成的“结构物”。 ．结构面 岩体被不连续界面分割，这些不连续界面被称为岩体的结构面。 二、单选 ．冰劈作用是（ ）。 ．物理风化 ．生物风化 ．化学风化 ．差异风化 ．因强烈蒸发使地下水浓缩结晶，导致岩石裂缝被结晶力扩大，叫做（ ）。 ．热胀冷缩作用 ．盐类结晶作用 ．冰劈作用 ．碳酸化作用 ．黄铁矿在空气或水中生成褐铁矿，在化学风化中应属于（ ）。 ．溶解作用 ．水化作用 ．氧化作用 ．碳酸化作用 ．硬石膏转变成石膏体积增大 倍，使岩石破坏，在化学风化中应属于（ ）。 ．溶解作用 ．水化作用 ．氧化作用 ．碳酸化作用 ．生物物理风化的主要类型是（ ）。 ．冰劈作用 ．热胀冷缩作用 ．盐类结晶作用 ．根劈作用 ．抗风化能力最强的矿物是（ ）。 ．正长石 ．斜长石 ．石英 ．方解石 ．影响岩石风化的内部因素是（ ）。 ～ ．湿度和压力 ．化学活泼性流体 ．岩石性质和地质构造 ．矿物的联结力 ．岩石浸水后强度降低的性能叫做岩石的（ ）。 ．吸水性 ．软化性 ．可溶性 ．崩解性 ．土的含水率是指（ ）。 ．土中水的质量与土粒质量之比 ．土中水的质量与土体总重量之比 ．土中水的体积与土粒体积之比 ．土中水的体积与土体总体积之比 ．判别黏性土软硬状态的指标是（ ）。 ．塑性指数 ．液限 ．液性指数 ．塑限 ．岩石的强度指标，通常是用岩石的（ ）来表示。 ．抗压强度 ．抗拉强度 ．抗剪强度 ．抗扭强度
目录 1概述 2非饱和土基本特性 3应力状态变量 3.1吸力 3.2有效应力 3.3应力状态变量. 4强度理论 4.1Mohr一Coulomb准则 4.2非饱和土的破坏准则 4.3非饱和土抗剪强度公式的讨论 5变形特性
岩土工程中的非饱和土比比皆是，主要是自然干燥土和压实土。在地基工程、边坡工程和洞室工程中尤为常见，因此研究非饱和土的性质实属必要。非饱和土力学涉及的一系列工程，如土坝的建造与运行、环境条件变化情况下的天然土坡、竖直挖方的边坡稳定、膨胀土造成的地面隆起及湿陷性土中的许多实际问题，均要对土的渗流、体变和抗剪强度特性有所了解才能解决。非饱和土是由固相、液相和气相组成的复合介质，其性质远比饱和土复杂。目前对非饱和土的研究还停留在初步阶段，对非饱和土力学涉及的实际问题还缺乏建立在非饱和土三相特性基础之上的严密理论和正确解决方案。非饱和土分布广，并且应用广，但对其特性研究不足的矛盾使得对非饱和土问题的解决成为日益紧迫的研究课题。 1 概述 1936年召开的第一届国际土力学和基础工程会议为建立饱和土力学的原理和公式提供了论坛，这些原理和公式在随后几十年的研究工作中始终起着关键性的作用。在同一会议上讨论了有关非饱和土性状的许多论文，但遗憾的是没有出现适用于非饱和土的类似的原理和公式。随后的岁月非饱和土理论发展缓慢（Fredlund,1979），一直到50年代后期，解释非饱和土性状的若干概念才在英国帝国大学建立起来（Bishop,1959）。 20世纪60年代前，非饱和土力学研究的主要特点是以毛细作用为主要研究内容。在30年代进行大规模城市建设的时候，兴建了大量与城市建设有关的灌溉工程和交通工程，使工程师感到困难的就是地下水位以上土体中水的流动问题。他们使用了毛细作用来描述水从地下水位向上的流动，以后对土中毛细水流动的研究至少长达20年。在1936年的国际会议上，Ostashev 提出了两篇有关土中毛细作用的论文，他指出了土中存在毛细作用；Boulichev 介绍了计算毛细水压力和毛细水高度的方法。Terzaghi 在《理论土力学》中总结和吸收Hogentogle 和Barder 的研究成果，假定土的孔隙率n 和渗透系数k 不变，提出毛细水上升到某个高度z 所需要的时间t ：log nh h z t k h z h ????=- ???-???? 式中：h ——毛细水的最大高度。 这一阶段研究的主要精力都在毛细水，局限性明显，因此研究进展缓慢，所取得的成功有限。 20世纪60年代到80年代末，这一阶段研究的特点是将饱和土力学有关理论借用到非饱和土力学研究中，以Bishop 和Fredlund 为代表。Hogentogle 和Barder 就已经认识到毛细水的应力状态对非饱和土强度的影响，并认为毛细水的流动严格符合公认的表面张力、重力和水力学原理；Bernatizk 也已经观测到水-气弯液面会使土的强度增加，并建议用土的无侧限抗压强度来研究毛细张力；Black 和Crony （1957），Williams （1957），Bishop （1960）等和Aitchison （1967）将饱和土有效应力原理引进非饱和土中，提出非饱和土有效应力的概念，并用其解决非饱和土的强度问题；Coleman （1962），Matyas 和Radhakrishna （1968），以及Fredlund 和Morgenstern （1977）用两个独立的应力状态变量来研究非饱和土的力学性质。这阶段对非饱和土强度问题取得一些公认的结果，对变形问题还处于探索阶段。 20世纪80年代后，对非饱和土的变形进行了更深入地研究。Alonso(1990)和Toll(1990)分别提出了土的弹塑性本构模型；Alonso(1992)根据非饱和土（膨胀土）的变形特性提出了描述膨胀土体积和剪切变形的本构模型；陈正汉（1998）
第十二章 组合变形的强度计算 思 考 题 1 何谓组合变形？如何计算组合变形杆件横截面上任一点的应力？ 2 何谓平面弯曲？何谓斜弯曲？二者有何区别？ 3 何谓单向偏心拉伸（压缩）？何谓双向偏心拉伸（压缩）？ 4 将斜弯曲、拉（压）弯组合及偏心拉伸（压缩）分解为基本变形时，如何确定各基本变形下正应力的正负？ 5 对斜弯曲和拉（压）弯组合变形杆进行强度计算时，为何只考虑正应力而不考虑剪应力？ 6 什么叫截面核心？为什么工程中将偏心压力控制在受压杆件的截面核心范围内？ 习 题 1 矩形截面悬臂梁受力如图所示，Ｆ通过截面形心且与ｙ轴成角，已知Ｆ＝1.2ｋN ，ｌ＝２ｍ，5.1, 12==?b h ?，材料的容许正应力［σ］＝10MPa ，试确定ｂ和ｈ的尺寸。 2 承受均布荷载作用的矩形截面简支梁如图所示，ｑ与ｙ轴成?角且通过形心，已知ｌ＝4ｍ，ｂ＝10ｃｍ，ｈ＝15ｃｍ，材料的容许应力［σ］＝10MPa ，试求梁能承受的最大分布荷载m ax q 。 题 1 图 题 2 图 3 如图所示斜梁横截面为正方形，a ＝10ｃｍ，Ｆ＝３ｋＮ作用在梁纵向对称平面内且为铅垂方向，试求斜梁最大拉压应力大小及其位置。
4 矩形截面杆受力如图所示，Ｆ 1和Ｆ2的作用线均与杆的轴线重合，Ｆ3作用在杆的对称平面内，已知Ｆ1＝5ｋN ，Ｆ2＝10ｋN ，Ｆ3.＝1.2ｋN ， ＝2ｍ，ｂ＝12cm ，ｈ=18cm ，试求杆中的最大压应力。 题 3 图 题 4 图 5 图为起重用悬臂式吊车，梁ＡＣ由№18工字钢制成，材料的许用正应力[σ] =100MPa 。当吊起物重（包括小车重）Ｑ＝25ｋＮ，并作用与梁的中点Ｄ时，试校核梁ＡＣ的强度。 6 柱截面为正方形，边长为ａ，顶端受轴向压力Ｆ作用，在右侧中部挖一个槽（如图），槽深4 a 。求开槽前后柱内的最大压应力值。 题 5 图 题 6 图 7 砖墙及其基础截面如图，设在1ｍ长的墙上有偏心力Ｆ＝40kN 的作用，试求截面1-1和2-2上的应力分布图。 8 矩形截面偏心受拉木杆，偏心力Ｆ＝160kN ，ｅ＝5cm ，［σ］＝10MPa ，矩形截面宽度ｂ＝16cm ，试确定木杆的截面高度ｈ
1.简述采矿工程中岩体力学的特点。 ①采矿工程多处于地下较深处，而其它地下工程多在距地表较近（几十米）的范围内； ②对矿山工程，只要求在开采期间不破坏，在采后能维持平衡状态不影响地表安全即可，故其计算精度、安全系数及加固等方面均低于国防、水利工程的标准；③矿山地质条件复杂，又受矿床赋存条件限制，故采矿工程的位置选择性不大，同时采掘工作面不断变化，因而采矿工程岩石力学具有复杂性的特点 2.绘图并说明岩石的应力-应变全过程曲线。 3. 3、简述岩石在三向压力作用下的变形规律。 1、裂隙压密阶段(OA)。曲线上凹，体积缩小；A点： 压密极限 2、线弹性变形阶段(AB)。呈直线，体积仍缩小；B 点：弹性极限 3、微裂隙稳定发展阶段(BC)。近似线弹性，体积变 形由缩小转为增大，发生“扩容”；C点：屈服极限 屈服点：岩石从弹性变为塑性的转折点 4、非稳定发展阶段(CD) 5、裂隙扩展、新裂隙产生，体积膨胀加剧，显示 宏观破坏迹象，岩石承载能力达到极限；D点:峰值强度/强度极限，即单轴抗压强度 6、残余强度阶段(DE)岩石全面破坏，承载能力下 降，但尚有承载力，此为岩石材料特点之一 岩石三向压力（σ1＞σ2=σ3）作用下变形规律 1随着围压（σ2=σ3）增大，岩石抗压强度显著增加； 2随着围压（σ2=σ3）增大，岩石变形显著增大； 3随着围压（σ2=σ3）增大，岩石弹性极限显著增大； 4随着围压（σ2=σ3）增大，岩石性质发生变化：由弹性→塑性
4. 解释岩石的不稳定蠕变曲线，试述如何利用它进行岩体工程破坏的预报？ 5. 绘图并说明岩石力学介质常用的理论模型。 ①岩石自身性质 ⑴ 虎克体——弹簧元件 理想弹性元件，呈线弹性，完全服从虎克定律，其力学关系为 由于弹性模量E 为常量，故变形与时间无关，有 dt d E dt d ε σ= ⑴ 过渡蠕变阶段（Ⅰ） 在加载瞬间有一弹性变形ε0，继而以较快的速度增长，随后蠕变速度逐渐降低，并过渡到等速蠕变阶段。 若在此阶段内卸载，则会出现瞬间弹性变形（PQ 段），和通过一段时间才能恢复的变形（QR 段） ⑵ 稳定蠕变阶段（Ⅱ） 变形缓慢，应变与时间近于线性关系，变形速度保持恒定 若在此阶段卸载，则不仅出现瞬间的弹性恢复（TU 段）和弹性后效（UV 段），还会有不可恢复的永久变形残留 ⑶加速蠕变阶段（Ⅲ） 蠕变速度加快，内部裂隙迅速发展，促使变形加剧，直到破坏 * 利用蠕变曲线进行岩石工程破坏预报。若发现岩体某部分位移速度开始由等速转入加速发展时，表明即将发生破坏；若给出加速蠕变起始点时间，及时撤离，可避免灾难发生 ⑶ 牛顿体——阻尼元件 是一种理想的粘性流体，其流动性质服从牛顿粘性定律，即粘性体的流动速度（或应变速度）与应力成比例关系： η——液体粘性系数 ⑵ 库仑体——摩擦元件 理想塑性体，其力学关系为： ???≥∞ →<=) () (000σσσσε σ0——屈服极限
连云港地区软土的工程地质性质及岩土工程勘察的注意问题 摘要：本文叙述了连云港市区软土分布成因、特征物理学性质，根据大量工作实践，提出工程勘察中应注意的八个问题。 关键词：软土、性质、工程勘察、注意问题。 1连云港市区软土分布、成因 连云港地处于黄海之滨，包括东海县、赣榆县、灌云县、藻南县等四个县，新浦区、海州区、连云区等三个区，地貌上多属黄海海积平原，其中有我国著名的花果山(云台山)为低山丘陵。连云港市区除了云台山及孔望山、锦屏山之外都普遍分布着厚度1－25米不等的软土。本人根据大量工作实践，总结出一条经验：一般自然地面标高在4.00米(黄海高程)以下的区域会存在软土，即使在山前地带也存在。而地面标高在5.00米以上的区域则不会存在软土(特殊情况例外，如山前的近代滑坡体、崩塌堆积物的下部可能会有)。 下表为连云港市区不同地段软土顶底板埋深 地点华联火车站海州墟沟出口加工区开发区浦南燕尾港 顶板深度 1.0－1.5 1.5－2.0 1.5－2.0 1.5－2.5 1－1.5 1.5－2.0 1.5-2.0 1-2.0 底板深度11－11.5 11.5－12.0 10－12* 4－12 11－13* 10－13 5.5- 6.5 16-18 *海州区山前个别地区淤泥厚度可达20米 **开发区山前个别地区淤泥厚度可达25米(古海冲沟) 连云港市区除了山区之外的平原区，都广泛分布着软土。据东海县志记载：在明代还是为海中的“仙山”，正如吴承恩所描写的花果山。当我们从山下向云台山上爬或走时，来到一片陡坡或山涯前，常常看到原来海浪冲蚀的“海蚀穴”，在近代还是一片汪洋大海。软土的成因为海积－冲海积。排除局部的海沟和山前因素，连云港市区的软土深度一般在10－13米。 2特征
绪论 一、岩土工程的含义和研究对象 1、岩土工程是以求解岩体与土体工程问题，包括地基与基础、边坡和地下工程等问题，作 为自己的研究对象。它涉及到岩体与土体的利用、整治和改造，包括岩土工程的勘察、设计、施工和监测四个方面。 2、岩土工程以工程地质学、土力学、岩体力学和基础工程学为理论基础，以解决在建设过 程中出现的与岩体和土体有关的工程技术问题，是一门地质与工程紧密结合的学科。 二、岩土工程勘察的任务和特点 具体任务归纳如下： (1)阐述建筑场地的工程地质条件，指出场地内不良地质现象的发育情况及其对工程建设的影响，对场地稳定性作出评价。(2)查明工程范围内岩土体的分布、性状和地下水活动条件，提供设计、施工和整治所需的地质资料和岩土技术参数。(3)分析、研究有关的岩土工程问题，并作出评价结论。(4)对场地内建筑总平面布置、各类岩土工程设计、岩土体加固处理、不良地质现象整治等具体方案作出论证和建议。(5)预测工程施工和运行过程中对地质环境和周围建筑物的影响，并提出保护措施的建议。 第一章岩土工程勘察基本技术要求 1.1 岩土工程勘察的分级 岩土工程勘察的等级，是由工程安全等级、场地和地基的复杂程度三项因素决定的。首先应分别对三项因素进行分级，在此基础上进行综合分析，以确定岩土工程勘察的等级划分。 (P7 表1-5) 四、岩土工程勘察等级 1.2 岩土工程勘察的阶段 《岩土工程勘察规范》明确规定勘察工作划分为规划勘察、初步勘察、详细勘察和施工图勘察四个阶段。 1）规划勘察：可行性研究勘察也称为选址勘察，其目的是要强调在可行性研究时勘察工作的重要性，特别是对一些重大工程更为重要。 2）初步勘察：初步勘察的目的，是密切结合工程初步设计的要求，提出岩土工程方案设 计和论证。 3）详细勘察：详细勘察的目的，是对岩土工程设计、岩土体处理与加固、不良地质现象的 防治工程进行计算与评价，以满足施工图设计的要求。 4）施工勘察：对工程地质条件复杂或有特殊施工要求的重要工程，还需要进行施工勘察。
第四章岩土体工程性质 一、名词解释（6） 1. 岩石风化作用p74 岩石形成后，地表附近的完整岩石，会在温度、水溶液、气体及生物等自然因素作用下，逐渐产生裂隙、发生机械破碎和矿物成分的改变，丧失完整性，这个过程称为岩石风化作用。 2. 物理风化作用p74 岩石在自然因素作用下发生机械破碎，而无明显成分改变的风化作用称物理风化作用，又称机械风化作用。 3?化学风化作用p74 岩石在自然因素作用下发生化学成分改变，从而导致岩石破坏为化学风化作用。 4. 生物风化作用p75 岩石风化过程有生物活动的参与称生物风化，如岩石裂隙中生长的树，随着树的生长，根系发育延伸，岩石被劈裂，即属生物物理风化；岩石表面生长的地衣分泌有机酸腐蚀岩石，使其分解，即属生物化学风化。 5. 风化程度p76 岩石风化后工程性质改变的程度。 6. 饱和重度p77 天然状态下，单位体积岩石土中包括固体颗粒、一定的水和孔（裂）隙三部分，若水把所有孔隙充满，则为岩土的饱和重度。 7?岩石吸水率p79 在常压条件下，岩石浸入水中充分吸水，被吸收的水质量与干燥岩石质量之比为吸水率。 &液性指数p82 黏性土的天然含水率和塑限的差值与塑性指数之比。 9. 弹性模量p85 岩石的弹性模量是变形曲线弹性段（直线段）的斜率。 10. 岩体p86 岩体通常是指由各种岩石块体和不连续面组合而成的“结构物”。 11. 结构面P87 岩体被不连续界面分割，这些不连续界面被称为岩体的结构面。 二、单选（22） 1. 冰劈作用是（）。p74
A ?物理风化 B ?生物风化C.化学风化 D ?差异风化 2?因强烈蒸发使地下水浓缩结晶，导致岩石裂缝被结晶力扩大，叫做（）。P74 A .热胀冷缩作用 B .盐类结晶作用C.冰劈作用 D .碳酸化作用 3. 黄铁矿在空气或水中生 成褐铁矿，在化学风化中应属于（）。P75 A .溶解作用 B .水化作用C.氧化作用 D .碳酸化作用 4. 硬石膏转变成石膏体积增大 1.5倍，使岩石破坏，在化学风化中应属于（）°P75 A .溶解作用 B .水化作用C.氧化作用 D .碳酸化作用 5. 生物物理风化的主要类型是（）。P75 A ?冰劈作用 B ?热胀冷缩作用 C ?盐类结晶作用 D ?根劈作用 6. 抗风化能力最强的矿物是（）。P75 A .正长石 B .斜长石 C .石英 D .方解石 7. 影响岩石风化的内部因素是（）。p75?76 A .湿度和压力 B .化学活泼性流体 C .岩石性质和地质构造 D .矿物的联结力 &岩石浸水后强度降低的性能叫做岩石的（）。P81 A .吸水性 B .软化性 C .可溶性 D .崩解性 9. 土的含水率是指（）。P82 A .土中水的质量与土粒质量之比 B .土中水的质量与土体总重量之比 C. 土中水的体积与土粒体积之比 D .土中水的体积与土体总体积之比 10. 判别黏性土软硬状态的指标是（）。P83 A .塑性指数 B .液限 C .液性指数 D .塑限 11. 岩石的强度指标，通常是用岩石的（）来表示。P83 A .抗压强度 B .抗拉强度C.抗剪强度 D .抗扭强度 12. 在缺乏试验资料时，岩石的抗拉强度一般可取为抗压强度的（）。P84 A . 1/2 ?1/5 B . 1/10 ?1/20 C . 2 ?5 倍 D . 10 ?20 倍 13. 岩石在单轴压力下变形，其横向应变与纵向应变的比值叫做（）。P85 A .弹性模量 B .变形模量C.塑性模量 D .泊松比 14. 层理是（）结构面。P87 A .原生 B .构造C.次生D .变质 15. 次生结构面的常见代表是（）。P87 A. 冷缩节理、层理、片理 B .张节理、剪节理、断层 C.风化裂隙、爆破裂隙、御荷裂隙、溶蚀裂隙 D .不整合接触界面 16. 岩体工程性质不仅取决于组成它的岩石，更主要是取决于它的（）。P87 A .结构体形态B.矿物成份C.不连续性 D .岩石构造 17. 岩体结构是指（）。p89 A .结构面和结构体的组合形式B.岩石块体的大小和形态 C.结构面的空间分布状况 D.岩体各向异性的持征 18. （）、块状结构、层状结构、碎裂结构、散体结构是结构体的五大类型。P89 A .砾石结构 B .砂状结构C.粗粒结构 D .整体结构
岩土工程学科 Geotechnical Engineering 专业代码081401 一、学科专业简介 岩土工程是以岩土的利用、改造与整治为研究对象的学科。土木、水利、交通及环境工程等所遇到的岩土问题有明显的共性。大型工程设施建设中，与岩土有关的地基基础部分的设计和施工对于整个工程的安全可靠、经济技术指标及功能的发挥起着重要的作用。由于岩土介质的特殊性，它与一般的结构工程的设计与施工有较大的区别，带有明显区域特征。岩土工程通常通过勘察、室内外试验测定、方案论证、设计计算、施工监测、反演分析、工程判断等特殊的工作程序解决工程问题，其主要研究内容包括：岩土基本工程性质、岩土工程设计方法、岩土工程施工技术与管理及测试分析技术等。因土性、时效、环境和工程特性等因素的复杂性，目前岩土工程还带有较强的经验性。随着现代科学技术的发展，新的设计理论与方法、新材料、新测试分析技术以及大型工程建设实践，为岩土工程学科的发展提供了有利的条件。 二、培养目标 应掌握岩土工程学坚实的基础理论和系统的专门知识，对本学科的现状和发展趋势有基本的了解；有严谨求实、勇于探索的科学态度和作风，具有从事科学研究工作的能力；较为熟练地掌握一门外国语，能阅读本专业的外文资料；能从事教学、科研、设计和技术管理或其他工程技术工作。 三、研究方向 （1）岩土的基本工程性质：岩土的本构理论、岩土试样采集、实验室试验与原位测试技术； （2）地基与基础工程：地基处理、浅基础、深基础、桩基础、深基础的开挖与支护、边坡稳定、岩土与结构相互作用、岩土体渗流理论及工程应用； （3）岩土工程数值分析技术及各类软件； （4）隧道与地下工程； （5）爆破与安全技术； 四、学习年限、学习时间及学分要求 1、学习年限：实行弹性学制，硕士生的学习年限一般为2至3年； 2、学习时间：硕士生原则上要求在一年内完成课程学习。必须在完成了规 定的课程学习，中期筛选通过，并进行开题后方能进行学位论文写作。学位论文研究、撰写及答辩的时间硕士生不少于1年； 3、学分要求：总学分不少于32学分；其中学位课不少于20学分，教学实 践记1学分，学术活动记1学分。
第四章软土强度与变形特性的微细观分析 §4.1 微观测试仪器简介 §4.1.1环境扫描电子显微镜(ESEM) 借助电子显微技术技术，可直接观察到土体的微观结构，从微观层次解释土体的工程性质。环境扫描电子显微镜（ESEM）是现阶段研究土体微结构重要的、最常用的显微观察仪器，该仪器能对含水土样直接观察，不需干燥和镀膜处理，可在接近天然原状条件下观测土体的微观结构图像，是一种很有前景的土体微观试验研究手段。扫描电子显微镜（ESEM）的工作原理如图4-1所示；图4-2所示为荷兰FEI 公司生产的型号为Quanta 200的环境扫描电子显微镜，其主要技术参数如下： 1 分辨率： 二次电子像: 高真空模式 1.2nm @ 30kV; 3.0nm @ 1kV 低真空模式 1.5nm @ 30kV; 3.0nm @ 3kV 环境真空模式 1.5nm @ 30kV
背散射电子: 高真空和低真空模式: 2.5nm @ 30kV 扫描透射STEM探测器: 0.8nm @ 30kV 图4-1 扫描电镜原理示意图
2 加速电压200V ～30kV,连续可调 3 放大倍数：12倍～100万倍 4 电子枪：高亮度肖特基热场发射电子枪，4 极电子枪单 5 最大电子束流：100nA 6 样品室压力最高达4000Pa 7 样品台：全对中样品台，5轴马达驱动 X≥100mm，Y≥100mm，Z≥60mm，T≥-5～+70°（手动）R=360°连续旋转，最大样品尺寸: 左右284mm。 图4-2 Quanta 200环境电子扫描显微镜 图4-3所示为膨润土粉末在不同放大倍数的电子扫描图片。
第五章结构面的变形与强度性质 1、岩体稳定性分析和地下水渗流分析通常把岩体视为由岩块（结构体）与结构面组成的地质体。 2、岩体工程中的软弱夹层问题： 如黄河小浪底水库工程左坝肩的泥化夹层； 葛洲坝水利工程坝基的泥化夹层； 黑河水库左坝肩单薄山梁的断层引发的渗漏问题； 长江三峡自然坡中的软弱夹层等。 这些软弱结构面在不同程度上影响和控制着工程岩体的稳定性。因此，结构面变形与强度性质的研究，在工程实践中具十分重要的实际意义： 1）大量工程实践表明：在工程荷载（小于10Mpa）范围内，工程岩体的失稳破坏有相当一部分是沿软弱结构面破坏的。因此，结构面的强度性质的研究是评价岩体稳定性的关键。 2）在工程荷载作用，结构面及其充填物的变形是岩体变形的主要组成部分，控制着工程岩体的变形特性。 3）结构面是岩体中渗透水流的主要通道。 4）工程荷载作用下，岩体中的应力分布受结构面及其力学性质的影响。 第一节结构面的变形性质（特性） 结构面的变形包括法向变形和剪切变形两个方面。 一、结构面的法向变形 1．法向变形特征（Normal deformation） 设不含结构面岩块的变形为ΔV r，含结构面岩块的变形为ΔV t，那么结构面的法向闭合变形ΔV j为： ΔV j=ΔV t－ΔV r 由结构面法向应力σn与变形的关系曲线可得如下特征： 1）σn↑，ΔV j↑↑，曲线呈上凹型； σn→σ0，σn－ΔV t变陡，与σn－ΔV r大致变形；
2）初始压缩阶段，ΔV t 主要由结构面闭合造成的； 3）试验研究表明，当c n σσ3 1=开始，含结构面岩块的变形由以结构面的闭合→岩块的弹性变 形； 4）σn －ΔV j 曲线的渐近线大致为： ΔV j =V m 5）结构面的最大闭合量小于结构面的张开度（e ）。 含结构面的岩块和不含结构面的岩块在法向上加荷、卸荷后的应力—变形曲线，见教材P 76-77 （Bandis 等，1983）。 2．法向变形本构方程（法向应力与变形之间的关系） 这方面的研究目前仍处于探索阶段，已提出的本构方程都在试验的基础上总结出来的经验方程，如Goodman ，Bandis 及孙广忠等人。 1）古德曼（Goodman ，1974）双曲线函数拟合结构面法向应力σn 与闭合变形ΔV j （mm ）间的本构关系： i j m j n V V V σσ??? ? ??+?-?=1 或 n i m m j V V V σσ1 -=? 式中：σi 为结构面所受的初始应力。 2）班迪斯等（Bandis 等，1983） 图5.1 典型岩块和结构面法向变形曲线