《礦山巖體力學》考試題

PAGE2PAGE5《礦山巖體力學》考試題（120分鐘）（A卷）班級姓名學號成績____________題號一二三總計得分一、名詞解釋（每小題4分，共10題，共40分）1.圣維南原理2.逆解法3.巖石孔隙率4.延性破壞5.蠕變6.結(jié)構(gòu)面線連續(xù)性系數(shù)7.圍巖應力8.支承壓力9.構(gòu)造應力10.地應力的間接測量法二、簡答題（每小題8分，共3題，共24分）1.寫出二維直角坐標下的彈性力學基本方程？2.作巖石應力—應變?nèi)^程曲線示意圖，并簡述各個階段特點？3.簡述具有單結(jié)構(gòu)面的巖體強度如何確定？三、計算題（每小題12分，共3題，共36分）1.已知一點的六個應力分量為，，，，，，試求出該點的三個主應力大小和最大主應力的方向？2.將某一巖石試件進行單軸壓縮實驗，其壓應力達到28MPa時發(fā)生破壞，破壞面與水平面的夾角為60°，設該巖石滿足摩爾-庫侖破壞準則，（1）試求該巖石的內(nèi)摩擦角和粘聚力C，寫出摩爾-庫侖方程式？（2）畫出此受力狀態(tài)時的摩爾-庫侖破壞準則示意圖。3.在地下400m深處，掘進一個圓形巷道，斷面半徑為5m，覆蓋巖層的容重，側(cè)壓力系數(shù)為1，試求：（1）求離巷道壁面2m處圍巖的徑向應力和環(huán)向應力大??？（2）繪出巷道頂板中線和側(cè)壁中線處的和曲線圖。《礦山巖體力學》考試題（A卷）答案一、名詞解釋（每小題4分，共10題，共40分）1.圣維南原理：如果把物體的一小部分邊界上的面力，變換為分布不同但靜力等效的面力（主矢量相同，對于同一點的主矩也相同），那么，近處的應力分布將有顯著的改變，但遠處所受的影響可以不計。2.逆解法：先設定各種形式的、滿足相容方程的應力函數(shù)，并求出應力分量；然后再根據(jù)應力邊界條件和彈性體的邊界形狀，看這些應力分量對應于邊界上什么樣的面力，從而得知所選取的應力函數(shù)可以解決的問題。3.巖石的孔隙率：巖石中各種孔洞、裂隙體積的總和與巖石總體積之比。4.延性破壞：巖石破壞之前的變形很大，且沒有明顯的破壞載荷，表現(xiàn)出顯著的塑性變形、流動或擠出，這種破壞稱為延性破壞。5.蠕變：固體材料在不變載荷的長期作用下，其變形隨時間的增長而緩慢增加的現(xiàn)象。6.結(jié)構(gòu)面線連續(xù)性系數(shù)：沿結(jié)構(gòu)面延伸方向上，結(jié)構(gòu)面各段長度之和與測線長度的比值。7.圍巖應力：在巖體內(nèi)開挖地下硐室，圍巖將在徑向、環(huán)向分別發(fā)生引張及壓縮變形，使得原來的徑向壓應力降低，而環(huán)向壓應力升高，通常，將這種應力重分布所波及的巖石稱之為圍巖，重分布后的應力狀態(tài)叫圍巖應力。8.支承壓力：在巖體內(nèi)開掘巷道后，巷道圍巖必然出現(xiàn)應力重新分布，一般將巷道兩側(cè)改變后的切向應力增高部分稱為支承壓力。9.構(gòu)造應力：由地質(zhì)構(gòu)造運動而引起的地應力。10.地應力的間接測量法：借助某些傳感元件或某些媒介，測量和記錄巖體中某些與應力有關(guān)的間接物理量的變化，如巖體中的變形或應變，巖體的密度、滲透性、吸水性、電磁、電阻、電容的變化，彈性波傳播速度的變化等，然后由測得的間接物理量的變化，通過已知的公式計算出巖體中的應力值。二、簡答題（每小題8分，共3題，共24分）1.寫出二維直角坐標下的彈性力學基本方程？（1）平衡微分方程（2）幾何方程其中，=3=0=0求解，即得最大主應力在（x，y，z）坐標系下的夾角余弦為（1，0，0）。2.將某一巖石試件進行單軸壓縮實驗，其壓應力達到28MPa時發(fā)生破壞，破壞面與水平面的夾角為60°，設該巖石滿足摩爾-庫侖破壞準則，（1）試求該巖石的內(nèi)摩擦角和粘聚力C，寫出摩爾-庫侖方程式？（2）畫出此受力狀態(tài)時的摩爾-庫侖破壞準則示意圖。解：（1）根據(jù)摩爾-庫侖破壞準則知巖石破壞時的破壞面與水平面的夾角為，并由題意知，所以得巖石的內(nèi)摩擦角。再由摩爾-庫侖破壞準則知巖石破壞時主應力符合，由題意知巖石單軸壓縮實驗時，，繼而求得。即得摩爾-庫侖方程式為。（2）3.在地下400m深處，掘進一個圓形巷道，斷面半徑為5m，覆蓋巖層的容重，側(cè)壓力系數(shù)為1，試求：（1）求離巷道壁面2m處圍巖的徑向應力和環(huán)向應力大??？（2）繪出巷道頂板中線和側(cè)壁中線處的和曲線圖。解：（1）由題意知該巷道處的垂直應力，并由側(cè)壓力系數(shù)為1，得水平應力。由此得該圓形巷道處于靜水壓力下，此時圍巖的徑向應力和環(huán)向應力表達式為：再由題意知，式中原始應力，斷面半徑，離巷道壁面2m處圍巖即為距巷道中心距離，代入上式得，。（2）PAGE2PAGE1《礦山巖體力學》考試題（120分鐘）（B卷）班級姓名序號成績____________題號一二三總計得分一、名詞解釋（每小題4分，共10題，共40分）1.巖石力學2.半逆解法3.巖石孔隙比4.脆性破壞5.單向抗壓強度6.變形模量7.巖體結(jié)構(gòu)8.圍巖應力9.支承壓力10.地應力的直接測量法二、簡答題（每小題8分，共3題，共24分）1.試述彈性力學的基本假定？2.作巖石蠕變的典型應變—時間曲線，并簡述其特點？3.簡述礦山巖體力學這門學科的自身特點？三、計算題（每小題12分，共3題，共36分）1.將某一巖石試件進行單軸壓縮實驗，其壓應力達到40MPa時發(fā)生破壞，破壞面與水平面的夾角為60°設該巖石滿足摩爾-庫侖破壞準則，試求：（1）該巖石的內(nèi)摩擦角和粘聚力C？（2）當對其進行三軸壓縮實驗，圍壓為10MPa時，軸向壓應力達到多少時巖石破壞？2.在地下600m處，掘進一圓形巷道，斷面半徑為3m，覆蓋巖層的容重，側(cè)壓力系數(shù)為1，試求：（1）求離巷道壁面4m處圍巖的徑向應力和環(huán)向應力大?。浚?）繪出巷道頂板中線和側(cè)壁中線處的和曲線圖。3.設有矩形截面的長梁(長度遠大于深度h)，它的寬度遠小于深度和長度(近似的平面應力情況，可取單位寬度的梁)，在兩端受相反的力偶而彎曲，體力可以不計，設滿足相容方程的應力函數(shù)，試用半逆解法求應力分量？PAGE4PAGE5《礦山巖體力學》考試題（B卷）答案一、名詞解釋（每小題4分，共10題，共40分）1.巖石力學：巖石力學是研究巖石的力學性質(zhì)的一門理論和應用科學，是探討巖石對周圍物理環(huán)境中力場的反應。2.半逆解法：針對所要求解的問題，根據(jù)彈性體的邊界形狀和受力情況，假設部分或全部應力分量的函數(shù)形式，并從而推出應力函數(shù)的形式，然后代入相容方程，求出應力函數(shù)的具體表達式，再由應力函數(shù)求得應力分量，并考察這些應力分量能否滿足全部應力邊界條件（對于多連體，還須滿足位移單值條件）。如果所有條件都能滿足，自然得出的就是正確解答。如果某方面的條件不能滿足，就要另作假設，重新進行求解。3.巖石孔隙比：巖石中各種孔洞和裂隙體積的總和與巖石固體部分實體積之比。4.脆性破壞：巖石在載荷作用下沒有顯著覺察的變形就突然破壞的形式。5.單向抗壓強度：巖石試件在單軸壓力下（無圍壓而軸向加壓力）抵抗破壞的極限能力或極限強度，它在數(shù)值上等于破壞時的最大壓應力。6.變形模量：在應力—應變曲線上的任何點與坐標原點相連的割線斜率，表示該點所代表的應力的變形模量。7.巖體結(jié)構(gòu)：巖體中結(jié)構(gòu)面與結(jié)構(gòu)體形態(tài)和組合的特征。8.圍巖應力：在巖體內(nèi)開挖地下硐室，圍巖將在徑向、環(huán)向分別發(fā)生引張及壓縮變形，因此使得原來的徑向壓應力降低，而環(huán)向壓應力升高，通常，將這種應力重分布所波及的巖石稱之為圍巖，重分布后的應力狀態(tài)叫圍巖應力。9.支承應力：在巖體內(nèi)開掘巷道后，巷道圍巖必然出現(xiàn)應力重新分布，一般將巷道兩側(cè)改變后的切向應力增高部分稱為支承壓力。10.地應力的直接測量法：由測量儀器直接測量和記錄各種應力量，如補償應力、恢復應力、平衡應力，并由這些應力量和原巖應力的相互關(guān)系，通過計算獲得原巖應力值。二、簡答題（每小題8分，共3題，共24分）1.試述彈性力學的基本假定？（1）連續(xù)性假設：假定整個物體的體積都被組成這個物體的介質(zhì)所填滿，不留任何空隙。（2）完全彈性假設：假定物體能完全恢復原形而沒有任何剩余形變。（3）均勻性假設：假定整個物體是由同一材料組成的。（4）各向同性假設：假定物體的彈性在所有各個方向都相同。（5）小變形假設：假定整個物體所有各點的位移都遠小于物體原來的尺寸，而且應變和轉(zhuǎn)角都遠小于1。2.作巖石蠕變的典型應變—時間曲線，并簡述其特點？首先，在開始加載的瞬間，試件立即產(chǎn)生一個瞬時的彈性應變（圖中OA段），這一段所經(jīng)時間極短，可看作與時間無關(guān)。由A到B這一段應變不斷增加，但應變速率逐漸減小，故曲線是下凹型，AB段稱為過渡蠕變或第一階段蠕變.由B到C這一段應變以恒定的速率增長，故BC段稱為定常蠕變或第二階段蠕變，這個階段的時間延續(xù)最長。在C點以后應變又加速增長，故曲線呈上凹型，當應變達到某個數(shù)值D點時試件破壞，加速蠕變或第三階段蠕變。3.簡述礦山巖體力學這門學科的自身特點？（1）采深大。其它工程部門在地下開挖的巷硐大都在離地表不深的地點，而采礦工程的作業(yè)地點常在地下幾百米深處，甚至達二、三千米以上。深部巖體動態(tài)與地表附近大不相同，地表附近巖體的破壞形式一般為脆性斷裂，而較深處巖體則屬粘塑性破壞，其次，巖體的應力狀態(tài)也不相同，淺部巖體垂直應力與水平應力之差一般很明顯，深部巖體卻相差不甚顯著。上述情況使礦山巖石力學所采用的地壓計算方法和測試技術(shù)與其它工程相比有所不同。（2）地下開采過程中安設的人工支護大多是服務年限不長或維護時間較短的臨時結(jié)構(gòu)物，只要求其在開采期間不致破壞或適時破壞，在開采后能維持平衡狀態(tài)不危害地面安全即可，而且許多工程結(jié)構(gòu)物還可以隨采隨廢。所以，在計算精度、安全系數(shù)及巖體加固等方面的要求一般均低于水利水電、交通、建筑和國防等部門的標準。（3）由于采礦作業(yè)地點必須服從于有用礦物的自然埋藏地點，使得選擇地下工程建筑物的位置往往受很大限制。（4）其他工程部門中研究的對象多是開挖后即不再轉(zhuǎn)移的地下硐室或隧道，而礦井的采掘工作面是不斷移動的，這就要求礦山巖石力學必須考慮難以預見的復雜地質(zhì)變化對工程結(jié)構(gòu)帶來的影響。由于大面積開采還會引起采空區(qū)上方大量巖層移動和破壞，研究這些巖層的運動、破壞和平衡規(guī)律及其控制方法，是礦山巖石力學的重要課題，這也是區(qū)別于其他應用性巖石力學學科的重要內(nèi)容。三、計算題（每小題12分，共3題，共36分）1.將某一巖石試件進行單軸壓縮實驗，其壓應力達到40MPa時發(fā)生破壞，破壞面與水平面的夾角為60°設該巖石滿足摩爾-庫侖破壞準則，試求：（1）該巖石的內(nèi)摩擦角和粘聚力C？（2）當對其進行三軸壓縮實驗，圍壓為10MPa時，軸向壓應力達到多少時巖石破壞？解：（1）根據(jù)摩爾-庫侖破壞準則知巖石破壞時的破壞面與水平面的夾角為，并由題意知，所以得巖石的內(nèi)摩擦角。再由摩爾-庫侖破壞準則知巖石破壞時主應力符合，由題意知巖石單軸壓縮實驗時，，繼而求得。（2）當進行三軸實驗時，，由摩爾-庫侖破壞準則知巖石破壞時主應力符合，即求得，即軸向壓應力達到70MPa時巖石破壞。2.在地下600m處，掘進一圓形巷道，斷面半徑為3m，覆蓋巖層的容重，側(cè)壓力系數(shù)為1，試求：（1）求離巷道壁面4m處圍巖的徑向應力和環(huán)向應力大小？（2）繪出巷道頂板中線和側(cè)壁中線處的和曲線圖。解：（1）由題意知該巷道處的垂直應力，并由側(cè)壓力系數(shù)為1，得水平應力。由此得該圓形巷道處于靜水壓力下，此時圍巖的徑向應力和環(huán)向應力表達式為：再由題意知，式中原始應力，斷面半徑，離巷道壁面4m處圍巖即為距巷道中心距離，代入上式得，。（2）3.設有矩形截面的長梁(長度遠大于深度h)，它的寬度遠小于深度和長度(近似的平面應力情況，可取單位寬度的梁)，在兩端受相反的力偶而彎曲，體力可以不計，設滿足相容方程的應力函數(shù)，試用半逆解法求應力分量？解：由應力函數(shù)得相應的應力分量