(完整版)重慶大學(xué)-博士、碩士-采礦工程巖石力學(xué)考題3

1、 二. 論述巖石在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的破壞類型， 并闡述其在工程巖體 穩(wěn)定性研究中的意義 。（ 20 分） 三. 論述影響巖石力學(xué)性質(zhì)的主要因素。 （20 分） 四. 什么是巖石的水理性？如何描述巖石的水理性？（ 20 分） 五. 什么是巖石的應(yīng)力 - 應(yīng)變?nèi)^程曲線， 研究應(yīng)力 - 應(yīng)變?nèi)^程曲 線的意義是什么？ （ 20 分）試述庫侖準(zhǔn)則和莫爾假定的基本內(nèi)容 20 分） 一 試述庫侖準(zhǔn)則和莫爾假定的基本內(nèi)容 該準(zhǔn)則是 17731773 年由庫侖引入的，他認(rèn)為趨于使一平面產(chǎn)生破壞的剪應(yīng)力受到材料的內(nèi)聚力和乘以常數(shù) 的平面的法應(yīng)力的抵抗，即 | | T | = | = S So + + 1 其中，

2、6和T是該破壞平面的法向應(yīng)力和剪應(yīng)力， S So可以看作是材料的固有剪切強(qiáng)度的常數(shù)，1是材料的 內(nèi)摩擦系數(shù)的常數(shù)。根據(jù)該理論可以推論出，當(dāng)巖石發(fā)生破壞時(shí)所產(chǎn)生的破裂面將有兩個(gè)可能的共軛破裂 面，且均通過中間主應(yīng)力的方向，并與最大主應(yīng)力方向成夾角 ( (4 ：) )，這里的內(nèi)摩擦角 tan 莫爾假定是莫爾于 19001900 年提出的一種剪切破壞理論， 該理論認(rèn)為巖石受壓后產(chǎn)生的破壞主要是由于巖 石中出現(xiàn)的最大有效剪應(yīng)力所引起，并提出當(dāng)剪切破壞在一平面上發(fā)生時(shí)，該破壞平面上的法向應(yīng)力6和 剪應(yīng)力T由材料的函數(shù)特征關(guān)系式聯(lián)系： | | T|=|=f f (6) 按莫爾假定可以看出：巖石的破壞強(qiáng)度是

3、隨其受力條件而變化的，周向應(yīng)力越高破壞強(qiáng)度越大； 巖石在三向受壓時(shí)的破壞強(qiáng)度僅與最大和最小主應(yīng)力有關(guān)，而與中間主應(yīng)力無關(guān)；三向等壓條件下，莫 爾應(yīng)力圓是法向應(yīng)力6軸上的一個(gè)點(diǎn)圓，不可能與莫爾包絡(luò)線相切，因而巖石也不可能破壞；巖石的破 裂面并不與巖石中的最大剪應(yīng)力面相重合， 而是取決于其極限莫爾應(yīng)力圓與莫爾包絡(luò)線相切處切點(diǎn)的位置， 這也說明巖石的破裂不僅與破裂面上的剪應(yīng)力有關(guān)，也與破裂面上出現(xiàn)的法向正應(yīng)力和表征巖性的內(nèi)聚力 和內(nèi)摩擦角有關(guān)。 總之，莫爾假定考慮了巖石的受力狀態(tài)、周向應(yīng)力約束的影響和巖石的本身性能，能較全面的反映巖 石的破壞強(qiáng)度特征，但該假定忽視了中間主應(yīng)力對(duì)巖石破壞強(qiáng)度的影響，而

4、事實(shí)證明中間主應(yīng)力對(duì)其破壞 強(qiáng)度是有一定程度影響的。 二. 論述巖石在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的破壞類型，并闡述其在工程巖體穩(wěn)定性研究中的意義 在關(guān)于巖石破裂的所有討論中，破裂面的性質(zhì)和描述是最重要的，出現(xiàn)的破裂類型可用下圖中巖石在 各種圍壓下的行為來說明。 在無圍壓受壓條件下，觀測(cè)到不規(guī)則的 縱向裂縫見圖(a)(a)，這個(gè)普通現(xiàn)象的解釋至今仍然不十分清楚; 加中等數(shù)量的圍壓后，圖(a)(a)中的不規(guī)則性態(tài)便由與方向傾斜小于 4545 度 4 5,1 OA單軸審號(hào)中旳縱僚1夠裂I. ao購切妙宰u(yù) cc 辜殖？3 切觸裂.2拉忡賊裂* “5衛(wèi)j議初報(bào)產(chǎn)生齢川卅破輕 角的單一破裂面所代替圖(b)(b)，這

5、是壓應(yīng)力條件下的典型破裂， 并將其表述為 剪切破壞，它的特征是沿破 裂面的剪切位移，對(duì)巖石破裂進(jìn)行分類的 GriggsGriggs 和 Han di n(1960)Han di n(1960)稱它為斷層；因?yàn)樗系刭|(zhì)上的斷層 作用，后來有許多作者追隨著他們；然而，更可取的似乎是限制術(shù)語斷層于地質(zhì)學(xué)范圍，保留術(shù)語剪切破 裂于試驗(yàn)范圍更好；如果繼續(xù)增加圍壓，使得材料成為完全延性的，則出現(xiàn)剪切破裂的網(wǎng)格 圖(c)(c)，并伴 有個(gè)別晶體的塑性。 破裂的第二種基本類型是 拉伸破裂， 它典型地出現(xiàn)于單軸拉伸中，它的特征是明顯的分離，而在表面 間沒有錯(cuò)動(dòng) 圖(d)(d)。 在較為復(fù)雜的應(yīng)力條件下出現(xiàn)的破

6、裂， 可以認(rèn)為上述類型之一或其它。 如果平板在線載荷之間受壓圖 (e)(e)，則在載荷之間出現(xiàn)一個(gè)拉伸破裂，如果這些載荷是由環(huán)繞材料的外套擠入材料的裂縫中引起的，則 將破裂表述為 侵入破裂，當(dāng)檢查圖( (a)a)情況中的破裂面時(shí)，它們中的一些部分有剪切破裂的狀態(tài)。而其他一 些部分顯然是拉伸破裂。巖石破裂中，注意力還將集中于重要的擴(kuò)容現(xiàn)象，它發(fā)生于巖石試件的單軸和三 軸受壓期間.通常，在三軸試驗(yàn)中，圍壓是由流體通過一個(gè)剛度可忽略不計(jì)的不滲透膜來施加的，在這樣2 (b) (c) 3 () 的試驗(yàn)中，試件的徑間膨脹和擴(kuò)容顯然不會(huì)由于圍壓的增加而被局部或均勻地阻擋；如果試件被更多的巖 石包圍，象實(shí)際情

7、形中聽發(fā)生的那樣，那就將是這種情況，不管圍巖是否破壞，預(yù)料它所提供的阻力會(huì)有 增加最小主應(yīng)力值的效應(yīng)，因此趨于阻止破壞和集中破裂于有限的體積內(nèi)。 三. 論述影響巖石力學(xué)性質(zhì)的主要因素 回答要點(diǎn)： 論述影響巖石力學(xué)性質(zhì)的因素很多，如水、溫度、風(fēng)化程度、加荷速度、圍壓的大小、各向異性等等, 對(duì)巖石的力學(xué)性質(zhì)都有影響?，F(xiàn)分述如下： 1 1、 水對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)的影響。主要表現(xiàn)在連接作用、潤(rùn)滑作用、水楔作用、孔隙壓力作用、溶蝕及 潛蝕作用； 2 2、 溫度對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)的影響。隨著溫度的增高，巖石的延性加大，屈服點(diǎn)降低，強(qiáng)度也降低； 3 3、 加荷速度對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)的影響。隨著加荷速度的降低，巖石的延性

8、加大，屈服點(diǎn)降低，強(qiáng)度也 降低； 4 4、 圍壓對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)的影響。隨著溫度的增高，巖石的延性加大，屈服點(diǎn)降低，強(qiáng)度也降低； ? ? 風(fēng)化對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)的影響。產(chǎn)生新的裂隙、礦物成分發(fā)生變化、結(jié)構(gòu)和構(gòu)造發(fā)生變化。 四. 什么是巖石的水理性？如何描述巖石的水理性？ 巖石遇水作用后，會(huì)引起某些物理、化學(xué)和力學(xué)等性質(zhì)的改變，水對(duì)巖石的這種作用特性稱為巖石的 水理性。巖石的水理性主要包括吸水性、抗凍性和軟化系數(shù)三個(gè)方面。 巖石的吸水性是指巖石吸收水分的性能，其水量的大小取決于巖石孔隙體積的大小及其敞開或封閉程 度等，描述巖石吸水性的指標(biāo)有吸水率、飽水率和飽水系數(shù)。巖石的吸水率 V Vi為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力

9、下，巖石吸 入水的重量 W W 與巖石干重量 W W 之比： V W 100% Wd 巖石的飽水率 V V2為高壓（150150 個(gè)大氣壓）或真空條件下，巖石吸入水的重量 V2V2 與巖石干重量 W W 之比: 顯然，吸水性較大的巖石在吸水后往往會(huì)產(chǎn)生較大的膨脹， 它將會(huì)給地下空間的支護(hù)造成很大的壓力。 巖石的抗凍性是指巖石抵抗凍融破壞的性能，它是評(píng)價(jià)巖石抗風(fēng)化穩(wěn)定性的一個(gè)重要指標(biāo)。當(dāng)巖石經(jīng) 過反復(fù)凍結(jié)和融解時(shí)，由于巖石中含各種礦物的膨脹系數(shù)不同， 巖石產(chǎn)生不均勻膨脹而導(dǎo)致巖石結(jié)構(gòu)破壞, 同時(shí)由于巖石中的水分凍結(jié)對(duì)巖石產(chǎn)生膨脹壓力，這都將致使巖石強(qiáng)度降低，甚至引起巖石的破壞。巖石 的抗凍性可用

10、抗凍系數(shù) C Cf表示，它是指巖石試件在土 25250C C 的溫度區(qū)間內(nèi)，反復(fù)降溫、凍結(jié)、升溫、融解， 然后測(cè)量其抗壓強(qiáng)度的下降值 c cf，以此強(qiáng)度下降值與凍融實(shí)驗(yàn)前的抗壓強(qiáng)度 c之比的百分率作為 抗凍系數(shù) C Cf: Cf _cL 100% c 其中，c凍融實(shí)驗(yàn)前巖石試件的抗壓強(qiáng)度， cf凍融實(shí)驗(yàn)后巖石試件的抗壓強(qiáng)度。 V2 W 100% Wd 巖石的飽水系數(shù) K Ks為吸水率 V與飽水率 V V2之比: Ks V V2 巖石中含水量的多少也會(huì)影響巖石的強(qiáng)度，一般而言，巖石含水越多，其強(qiáng)度就會(huì)越低，通?？梢杂?K K 點(diǎn)，因此，稱此階段為巖石材料的應(yīng)變硬化變形階段，對(duì)于軟弱類巖石，該應(yīng)變

11、階段較為明顯； CDCD 段, , 巖石此時(shí)雖然已經(jīng)發(fā)生宏觀破壞，但由于尚未完全破裂仍能夠承受一定載荷，但其承載能力將隨變形的逐 漸增大而減小，當(dāng)在 BCBC中任意點(diǎn) Q Q 卸載后再加載時(shí)，則其所能達(dá)到的最高應(yīng)力值將比 Q Q 點(diǎn)的應(yīng)力值要低, 所以稱此變形階段為應(yīng)變軟化變形階段。 研究應(yīng)力- -應(yīng)變?nèi)^程曲線的工程意義主要表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面: 可以看出，巖石即使在發(fā)生破壞而且變形很大的情況下，也具有一定的承載能力 ，事實(shí)上，在礦井中所看 到的巖體都有程度不同的破裂， 但仍具有一定的承載能力，也就是這個(gè)原因；二是從巖石應(yīng)力 - -應(yīng)變?nèi)^程 曲線中可以判定該種巖石在高應(yīng)力作用下是否會(huì)易于發(fā)生

12、巖爆，因?yàn)橐话愣裕瑤r石試件中的應(yīng)力在達(dá)到 峰值以前，積蓄于巖石試件內(nèi)部的彈性應(yīng)變能就約等于應(yīng)力 - -應(yīng)變?nèi)^程曲線峰值左側(cè)的面積 A A，而巖石試 件破壞時(shí)所消耗的能量也就等于應(yīng)力 - -應(yīng)變?nèi)^程曲線峰值右側(cè)的面積 B,B,若 ABAB 則表示該巖石在高應(yīng)力 作用下破壞后尚剩余部分能量，這部分能量的突然釋放就及有可能會(huì)引起巖爆。另外，也可以通過巖石的 應(yīng)力- -應(yīng)變?nèi)^程曲線預(yù)測(cè)其是否發(fā)生蠕變破壞和循環(huán)載荷條件下是否發(fā)生破壞 。 軟化系數(shù) c來反映巖石的這種關(guān)系。所謂軟化系數(shù) C ,是指巖石試件在飽水狀態(tài)下的抗壓強(qiáng)度 c與干燥 狀態(tài)下的抗壓強(qiáng)度 c的比值: 各類巖石的軟化系數(shù)一般在 0.450.45- -0.900.90 之間變化。 五. 什么是巖石的應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)^程曲線，研究應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)^程曲線的意義是什么? 所謂巖石的應(yīng)力- -應(yīng)變?nèi)^程曲線是指采用剛性材料試驗(yàn)機(jī)對(duì) 巖石試件在外載荷作用的全過程中所測(cè)取的的應(yīng)力與應(yīng)變所繪制的 應(yīng)力- -應(yīng)變關(guān)系曲線。一般而言，在不同應(yīng)力條件下，巖石材料的完 整應(yīng)力- -應(yīng)變?nèi)^程曲線可分為以下四個(gè)部分， 亦即是巖石變形的四 個(gè)基本階段（如右圖所示）：OAOA 段，曲線稍向上凹，為巖石材料的 孔隙壓密變形階段，