(完整版)重慶大學-博士、碩士-采礦工程巖石力學考題3

1、 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. 什么是巖石的水理性？如何描述巖石的水理性？（ 20 分） 五. 什么是巖石的應力 - 應變全過程曲線， 研究應力 - 應變全過程曲 線的意義是什么？ （ 20 分）試述庫侖準則和莫爾假定的基本內容 20 分） 一 試述庫侖準則和莫爾假定的基本內容 該準則是 17731773 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 的平面的法應力的抵抗，即 | | T | = | = S So + + 1 其中，

2、6和T是該破壞平面的法向應力和剪應力， S So可以看作是材料的固有剪切強度的常數，1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軛破裂 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 ( (4 ：) )，這里的內摩擦角 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6和 剪應力T由材料的函數特征關系式聯系： | | T|=|=f f (6) 按莫爾假定可以看出：巖石的破壞強度是

3、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6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，但該假定忽視了中間主應力對巖石破壞強度的影響，而

4、事實證明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)則的 縱向裂縫見圖(a)(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)(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單軸審號中旳縱僚1夠裂I. ao購切妙宰u cc 辜殖？3 切觸裂.2拉忡賊裂* “5衛(wèi)j議初報產生齢川卅破輕 角的單一破裂面所代替圖(b)(b)，這

5、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 GriggsGriggs 和 Han di n(1960)Han di n(1960)稱它為斷層；因為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，保留術語剪切破 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，則出現剪切破裂的網格 圖(c)(c)，并伴 有個別晶體的塑性。 破裂的第二種基本類型是 拉伸破裂， 它典型地出現于單軸拉伸中，它的特征是明顯的分離，而在表面 間沒有錯動 圖(d)(d)。 在較為復雜的應力條件下出現的破

6、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)(e)，則在載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，則 將破裂表述為 侵入破裂，當檢查圖( (a)a)情況中的破裂面時，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2 (b) (c) 3 () 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

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中破裂于有限的體積內。 三. 論述影響巖石力學性質的主要因素 回答要點： 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 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 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 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

8、加大，屈服點降低，強度也 降低； 4 4、 圍壓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； ? ? 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. 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。巖石的水理性主要包括吸水性、抗凍性和軟化系數三個方面。 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有吸水率、飽水率和飽水系數。巖石的吸水率 V Vi為標準大氣壓力

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產生較大的膨脹， 它將會給地下空間的支護造成很大的壓力。 巖石的抗凍性是指巖石抵抗凍融破壞的性能，它是評價巖石抗風化穩(wěn)定性的一個重要指標。當巖石經 過反復凍結和融解時，由于巖石中含各種礦物的膨脹系數不同， 巖石產生不均勻膨脹而導致巖石結構破壞, 同時由于巖石中的水分凍結對巖石產生膨脹壓力，這都將致使巖石強度降低，甚至引起巖石的破壞。巖石 的抗凍性可用

10、抗凍系數 C Cf表示，它是指巖石試件在土 25250C C 的溫度區(qū)間內，反復降溫、凍結、升溫、融解， 然后測量其抗壓強度的下降值 c cf，以此強度下降值與凍融實驗前的抗壓強度 c之比的百分率作為 抗凍系數 C Cf: Cf _cL 100% c 其中，c凍融實驗前巖石試件的抗壓強度， cf凍融實驗后巖石試件的抗壓強度。 V2 W 100% Wd 巖石的飽水系數 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影響巖石的強度，一般而言，巖石含水越多，其強度就會越低，通?？梢杂?K K 點，因此，稱此階段為巖石材料的應變硬化變形階段，對于軟弱類巖石，該應變

11、階段較為明顯； CDCD 段, , 巖石此時雖然已經發(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，當在 BCBC中任意點 Q Q 卸載后再加載時，則其所能達到的最高應力值將比 Q Q 點的應力值要低, 所以稱此變形階段為應變軟化變形階段。 研究應力- -應變全過程曲線的工程意義主要表現在以下兩個方面: 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，也就是這個原因；二是從巖石應力 - -應變全過程 曲線中可以判定該種巖石在高應力作用下是否會易于發(fā)生

12、巖爆，因為一般而言，巖石試件中的應力在達到 峰值以前，積蓄于巖石試件內部的彈性應變能就約等于應力 - -應變全過程曲線峰值左側的面積 A A，而巖石試 件破壞時所消耗的能量也就等于應力 - -應變全過程曲線峰值右側的面積 B,B,若 ABAB 則表示該巖石在高應力 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引起巖爆。另外，也可以通過巖石的 應力- -應變全過程曲線預測其是否發(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 c來反映巖石的這種關系。所謂軟化系數 C ,是指巖石試件在飽水狀態(tài)下的抗壓強度 c與干燥 狀態(tài)下的抗壓強度 c的比值: 各類巖石的軟化系數一般在 0.450.45- -0.900.90 之間變化。 五. 什么是巖石的應力-應變全過程曲線，研究應力-應變全過程曲線的意義是什么? 所謂巖石的應力- -應變全過程曲線是指采用剛性材料試驗機對 巖石試件在外載荷作用的全過程中所測取的的應力與應變所繪制的 應力- -應變關系曲線。一般而言，在不同應力條件下，巖石材料的完 整應力- -應變全過程曲線可分為以下四個部分， 亦即是巖石變形的四 個基本階段（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，