巖石力學考博真題-2007年秋及答案

1、科目代碼：248共1貞測試科目：高等巖石力學專 業(yè)：采礦工程、平安技術及工程、礦物加工工程、平安治理工程、資源綜合利用工程請考生注意：做題包括填空題和選擇題一律答在做題紙上,答在試題上無效.一. 簡述庫侖準那么和莫爾假定的根本內容,并簡要說明對其研究的工程實際意義.20分二. 論述巖石在復雜應力狀態(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. 論述影響巖石力學性質的主要因素.20分四. 試述巖石的水理性.20分五. 試述工程巖體中的初始地應力及其分布規(guī)律.20分重慶大學博士生入學測試試題答案科目代碼：248學院：資源及環(huán)境科學學院科目名稱：高等巖石力學一. 簡述庫侖準那么和莫

2、爾假定的根本內容,并簡要說明對其研究的工程實際意義.庫侖準那么是1773年由庫侖引入的,他認為趨于使一平面產生破壞的剪應力受到材料的內聚力和乘以 常數的平面的法應力的對抗,即|T | = S 0 + |1 b其中,b和c是該破壞平面的法向應力和剪應力,S可以看作是材料的固有剪切強度的常數,是材料的內摩擦系數的常數.根據該理論可以推論出,當巖石發(fā)生破壞時所產生的破裂面將有兩個可能的共軸 破裂面,且均通過中間主應力的方向,并與最大主應力方向成夾角(44 ),這里的內摩擦角itan .莫爾假定是莫爾于1900年提出的一種剪切破壞理論,該理論認為巖石受壓后產生的破壞主要是由于巖石中出現的最大有效剪應力

3、所引起,并提出當剪切破壞在一平面上發(fā)生時,該破壞平面上的法向應力b和剪應力T由材料的函數特征關系式聯系：|T | = f (b)按莫爾假定可以看出：巖石的破壞強度是隨其受力條件而變化的,周向應力越高破壞強度越大；巖 石在三向受壓時的破壞強度僅與最大和最小主應力有關,而與中間主應力無關；三向等壓條件下,莫 爾應力圓是法向應力b軸上的一個點圓,不可能與莫爾包絡線相切,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力面相重合,而是取決于其極限莫爾應力圓與莫爾包絡線相切處切點的 位置,這也說明巖石的破裂不僅與破裂面上的剪應力有關,也與破裂面上出現的法向正應力和表征巖性 的內聚力和內摩擦角有

4、關.總之,莫爾假定考慮了巖石的受力狀態(tài)、周向應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度特征,但該假定無視了中間主應力對巖石破壞強度的影響,而事 實證實中間主應力對其破壞強度是有一定程度影響的.二. 論述巖石在復雜應力狀態(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.在關于巖石破裂的所有討論中,破裂面的性質和描述是最重要的,出現的破裂類型可用以下圖中巖石 在各種圍壓下的行為來說明.在無圍壓受壓條件下,觀測到不規(guī)那么的縱向裂縫見圖(a),這個普通現象的解釋至今仍然不十分清楚；加中等數量的圍壓后,圖 (a)中的不規(guī)那么性態(tài)便由與方向傾斜小于45度角的單一破裂面所代替圖(b)

5、,這是壓應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,對巖石破裂進行分類的 Griggs和Handin(1960)稱它為斷層；由于它符合地質上的斷層作用,后來有許多作者追隨著他們；然而,更可取的似乎是限制術語斷層于地質學范圍,保存術語剪切破裂于試驗范圍更好； 如果繼續(xù)增加圍壓,使得材料成為完全延性的,那么出現剪切破裂的網格圖(c),并伴有個別晶體的塑性.破裂的第二種根本類型是 拉伸破裂,它典型地出現于單軸拉伸中,它的特征是明顯的別離,而在表 面間沒有錯動圖(d).在較為復雜的應力條件下出現的破裂,可以認為上述類型之一或其它.如果平板在線載荷之間受壓圖(e),那么在載

6、荷之間出現一個拉伸破裂,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, 那么將破裂表述為 侵入破裂,當檢查圖a情況中的破裂面時,它們中的一些局部有剪切破裂的狀態(tài).而其 他一些局部顯然是拉伸破裂.巖石破裂中,注意力還將集中于重要的擴容現象,它發(fā)生于巖石試件的單軸 和三軸受壓期間.通常,在三軸試驗中,圍壓是由流體通過一個剛度可忽略不計的不滲透膜來施加的,在 這樣的試驗中,試件的徑間膨脹和擴容顯然不會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,象實際情形中聽發(fā)生的那樣,那就將是這種情況,不管圍巖是否破壞,預料它所提供的阻力 會有增加最小主應力值的效應,因此趨于阻止破壞和集

7、中破裂于有限的體積內.國5.L 以單鈾質沛中的縱時破O第坎I破澳*C3多匡瓣切堿裂.拉伸破紹-由蛇荷裁產生的拉伸觸彼三. 論述影響巖石力學性質的主要因素答復要點：論述影響巖石力學性質的因素很多,如水、溫度、風化程度、加荷速度、圍壓的大小、各向異性等等, 對巖石的力學性質都有影響.現分述如下：1、水對巖石力學性質的影響.主要表現在連接作用、潤滑作用、水楔作用、孔隙壓力作用、溶蝕及 潛蝕作用；2、溫度對巖石力學性質的影響.隨著溫度的增高,巖石的延性加大,屈服點降低,強度也降低；3、加荷速度對巖石力學性質的影響.隨著加荷速度的降低,巖石的延性加大,屈服點降低,強度也 降低；4、 圍壓對巖石力學性質的

8、影響.隨著溫度的增高,巖石的延性加大,屈服點降低,強度也降低；5、風化對巖石力學性質的影響.產生新的裂隙、礦物成分發(fā)生變化、結構和構造發(fā)生變化.四. 試述巖石的水理性答：巖石遇水作用后,會引起某些物理、化學和力學等性質的改變,水對巖石的這種作用特性稱為巖石的 水理性.巖石的水理性包括吸水性、抗凍性和軟化系數三方面,現分述如下：所謂吸水性是指巖石吸收水分的性能,可以采用吸水率、飽水率和飽水系數來表示,即：吸水率：V1 W 100%Wd飽水率：V2 W 100%Wd飽水系數：Ks VV2其中,W為巖石在標準大氣壓下吸入水的重量,W為巖石150個大氣壓或真空條件下吸入水的重量,巖石的干重量.所謂抗凍

9、性就是指巖石對抗凍融破壞的性能,它是評價巖石抗風化穩(wěn)定性的一個重要指標,可以采用 抗凍系數來表示,即：Cf 一亶 100%c其中,c為凍融實驗前巖石試件的抗壓強度,cf為凍融實驗后巖石試件的抗壓強度所謂軟化系數是指巖石試件在飽水狀態(tài)下的抗壓強度c與在枯燥狀態(tài)下的抗壓強度c'的比值,即:c cc各類巖石的軟化系數大約在0.45-0.90之間.五. 試述工程巖體中的初始地應力及其分布規(guī)律工程巖體中的初始地應力是指未受到任何工程擾動的巖體在天然狀態(tài)下所具有的內應力,主要由巖體 自重及地質構造作用所引起,地形、地質構造、地震力、水壓力、熱應力等也會在一定的時間和空間范圍 內一定程度上影響到巖體

10、中的初始地應力.由于地質構造現象、構造應力以及巖石的種類、性態(tài)等在空間分布上的不均勻性,巖體的初始地應力 狀態(tài)將會隨巖體所處的深度和位置不同而有所變化,但可以認為任一點處的應力都是處于相對的平衡狀態(tài) 的.工程巖體中的地應力主要由自重應力和構造應力兩局部組成.自重應力在巖體中的分布是隨深度變化 大致呈線性增長的, 假設設在距地表深為 z處的豎直方向的自重應力為b z,水平方向的自重應力為b x和b y 那么：n鉛垂分量 z izi 1水平分量這里,丫 i是第i層地層的容重,Zi是第i層地層的厚度,是當前地層的泊松比.構造應力是由于地球自 轉角速度的變化、地球殼體繞地軸旋轉產生的離心力和地幔對流等

11、因素所引起的,所以在工程巖體中的構 造應力是以水平應力分量為主,其大小將因地層的褶皺、斷裂、升降等等地質構造現象及程度不同而異.綜合大量實測資料和近代理論,初始地應力場的一般分布規(guī)律有如下特點：1初始地應力一般是三軸壓應力狀態(tài),且受地表地形地貌、山川河流和構造影響,其分布往往十分復雜；2三個主應力的大小一般圖1 魅石的典型蠕變曲玫互不相等,其中兩個近水平方向 主應力也不相同,且最大水平主應 力的方向與區(qū)域性構造形跡密切 相關,往往是構造應力影響的結 果；3三個主應力的方向一般偏離 鉛垂或水平方向不大,引起偏離的 主要原因是構造、巖層傾角或局部 不均質影響；4初始地應力中的鉛 垂應力分量根本上等

12、于上覆巖體 的自重,它隨深度呈線性增長；5 初始地應力的兩個近水平應力分 量分布十分復雜,因地而異,且隨深度而變化；兩個水平應力的平均值與鉛垂應力的比值入的統(tǒng)計規(guī)律可概括為側應力系數平均與深度呈雙曲線變化,越近地表平均水平應力相對高于鉛垂應力；往下越相接近,一定深度之后變得小于鉛垂應力.進入到蠕變變形階段, 可將蠕變變形一般可分成三個階段：1第一蠕變階段AB段,也稱過渡蠕變階*段,在這個階段內,蠕變?yōu)橄蛳聫澢男螤?也就是說曲線的斜率逐漸變小,假設在這一階段之中曲線上某一點E進行卸載,那么應變沿著曲線 EFG下降,最后應變?yōu)榱?、其中EF曲線為瞬時彈性應變之恢復曲線,而FG曲線表示應變隨時間逐漸恢復為零；2第二蠕變階段BC段,也稱穩(wěn)定蠕變階段, 蠕變變形曲線近似一傾斜直線,即蠕變應變率保持常量,一直持續(xù)到C點.假設在這一階殷中進行卸載,那么應變沿曲線HIJ逐漸恢復趨近于一漸近線,最后保存一定永久應變；3第三蠕變階段CD段,也稱加速蠕變階段,應變率由C點開 始迅速增加,到達D點,巖石即發(fā)生破壞,這一階段完成時間較短,嚴格地說,這一階段可分