巖石力學(xué)考博真題-2007年秋及答案

1、科目代碼：248共1貞測(cè)試科目：高等巖石力學(xué)專(zhuān) 業(yè)：采礦工程、平安技術(shù)及工程、礦物加工工程、平安治理工程、資源綜合利用工程請(qǐng)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(wú)效.一. 簡(jiǎn)述庫(kù)侖準(zhǔn)那么和莫爾假定的根本內(nèi)容,并簡(jiǎn)要說(shuō)明對(duì)其研究的工程實(shí)際意義.20分二. 論述巖石在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的破壞類(lèi)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. 試述巖石的水理性.20分五. 試述工程巖體中的初始地應(yīng)力及其分布規(guī)律.20分重慶大學(xué)博士生入學(xué)測(cè)試試題答案科目代碼：248學(xué)院：資源及環(huán)境科學(xué)學(xué)院科目名稱(chēng)：高等巖石力學(xué)一. 簡(jiǎn)述庫(kù)侖準(zhǔn)那么和莫

2、爾假定的根本內(nèi)容,并簡(jiǎn)要說(shuō)明對(duì)其研究的工程實(shí)際意義.庫(kù)侖準(zhǔn)那么是1773年由庫(kù)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)力的對(duì)抗,即|T | = S 0 + |1 b其中,b和c是該破壞平面的法向應(yīng)力和剪應(yīng)力,S可以看作是材料的固有剪切強(qiáng)度的常數(shù),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)可能的共軸 破裂面,且均通過(guò)中間主應(yīng)力的方向,并與最大主應(yīng)力方向成夾角(44 ),這里的內(nèi)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(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

3、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b和剪應(yīng)力T由材料的函數(shù)特征關(guān)系式聯(lián)系：|T | = f (b)按莫爾假定可以看出：巖石的破壞強(qiáng)度是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(wú)關(guān)；三向等壓條件下,莫 爾應(yīng)力圓是法向應(yīng)力b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(shuō)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

4、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,但該假定無(wú)視了中間主應(yīng)力對(duì)巖石破壞強(qiáng)度的影響,而事 實(shí)證實(shí)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(lèi)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(lèi)型可用以下圖中巖石 在各種圍壓下的行為來(lái)說(shuō)明.在無(wú)圍壓受壓條件下,觀測(cè)到不規(guī)那么的縱向裂縫見(jiàn)圖(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)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(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(lèi)的 Griggs和Handin(1960)稱(chēng)它為斷層；由于它符合地質(zhì)上的斷層作用,后來(lái)有許多作者追隨著他們；然而,更可取的似乎是限制術(shù)語(yǔ)斷層于地質(zhì)學(xué)范圍,保存術(shù)語(yǔ)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,那么出現(xiàn)剪切破裂的網(wǎng)格圖(c),并伴有個(gè)別晶體的塑性.破裂的第二種根本類(lèi)型是 拉伸破裂,它典型地出現(xiàn)于單軸拉伸中,它的特征是明顯的別離,而在表 面間沒(méi)有錯(cuò)動(dòng)圖(d).在較為復(fù)雜的應(yīng)力條件下出現(xiàn)的破裂,可以認(rèn)為上述類(lèi)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(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, 那么將破裂表述為 侵入破裂,當(dāng)檢查圖a情況中的破裂面時(shí),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(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(guò)一個(gè)剛度可忽略不計(jì)的不滲透膜來(lái)施加的,在 這樣的試驗(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)際情形中聽(tīng)發(fā)生的那樣,那就將是這種情況,不管?chē)鷰r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

7、中破裂于有限的體積內(nèi).國(guó)5.L 以單鈾質(zhì)沛中的縱時(shí)破O第坎I破澳*C3多匡瓣切堿裂.拉伸破紹-由蛇荷裁產(chǎn)生的拉伸觸彼三. 論述影響巖石力學(xué)性質(zhì)的主要因素答復(fù)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.現(xiàn)分述如下：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、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、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,巖石的延性加大,屈服點(diǎn)降低,強(qiáng)度也 降低；4、 圍壓對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)的

8、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；5、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. 試述巖石的水理性答：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(chēng)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(shù)三方面,現(xiàn)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(shù)來(lái)表示,即：吸水率：V1 W 100%Wd飽水率：V2 W 100%Wd飽水系數(shù)：Ks VV2其中,W為巖石在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下吸入水的重量,W為巖石150個(gè)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(duì)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),可以采用 抗凍系數(shù)來(lái)表示,即：Cf 一亶 100%c其中,c為凍融實(shí)驗(yàn)前巖石試件的抗壓強(qiáng)度,cf為凍融實(shí)驗(yàn)后巖石試件的抗壓強(qiáng)度所謂軟化系數(shù)是指巖石試件在飽水狀態(tài)下的抗壓強(qiáng)度c與在枯燥狀態(tài)下的抗壓強(qiáng)度c'的比值,即:c cc各類(lèi)巖石的軟化系數(shù)大約在0.45-0.90之間.五. 試述工程巖體中的初始地應(yīng)力及其分布規(guī)律工程巖體中的初始地應(yīng)力是指未受到任何工程擾動(dòng)的巖體在天然狀態(tài)下所具有的內(nèi)應(yīng)力,主要由巖體 自重及地質(zhì)構(gòu)造作用所引起,地形、地質(zhì)構(gòu)造、地震力、水壓力、熱應(yīng)力等也會(huì)在一定的時(shí)間和空間范圍 內(nèi)一定程度上影響到巖體

10、中的初始地應(yīng)力.由于地質(zhì)構(gòu)造現(xiàn)象、構(gòu)造應(yīng)力以及巖石的種類(lèi)、性態(tài)等在空間分布上的不均勻性,巖體的初始地應(yīng)力 狀態(tài)將會(huì)隨巖體所處的深度和位置不同而有所變化,但可以認(rèn)為任一點(diǎn)處的應(yīng)力都是處于相對(duì)的平衡狀態(tài) 的.工程巖體中的地應(yīng)力主要由自重應(yīng)力和構(gòu)造應(yīng)力兩局部組成.自重應(yīng)力在巖體中的分布是隨深度變化 大致呈線性增長(zhǎng)的, 假設(shè)設(shè)在距地表深為 z處的豎直方向的自重應(yīng)力為b z,水平方向的自重應(yīng)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(dāng)前地層的泊松比.構(gòu)造應(yīng)力是由于地球自 轉(zhuǎn)角速度的變化、地球殼體繞地軸旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力和地幔對(duì)流等

11、因素所引起的,所以在工程巖體中的構(gòu) 造應(yīng)力是以水平應(yīng)力分量為主,其大小將因地層的褶皺、斷裂、升降等等地質(zhì)構(gòu)造現(xiàn)象及程度不同而異.綜合大量實(shí)測(cè)資料和近代理論,初始地應(yīng)力場(chǎng)的一般分布規(guī)律有如下特點(diǎn)：1初始地應(yīng)力一般是三軸壓應(yīng)力狀態(tài),且受地表地形地貌、山川河流和構(gòu)造影響,其分布往往十分復(fù)雜；2三個(gè)主應(yīng)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(gè)近水平方向 主應(yīng)力也不相同,且最大水平主應(yīng) 力的方向與區(qū)域性構(gòu)造形跡密切 相關(guān),往往是構(gòu)造應(yīng)力影響的結(jié) 果；3三個(gè)主應(yīng)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(gòu)造、巖層傾角或局部 不均質(zhì)影響；4初始地應(yīng)力中的鉛 垂應(yīng)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(zhǎng)；5 初始地應(yīng)力的兩個(gè)近水平應(yīng)力分 量分布十分復(fù)雜,因地而異,且隨深度而變化；兩個(gè)水平應(yīng)力的平均值與鉛垂應(yīng)力的比值入的統(tǒng)計(jì)規(guī)律可概括為側(cè)應(yīng)力系數(shù)平均與深度呈雙曲線變化,越近地表平均水平應(yīng)力相對(duì)高于鉛垂應(yīng)力；往下越相接近,一定深度之后變得小于鉛垂應(yīng)力.進(jìn)入到蠕變變形階段, 可將蠕變變形一般可分成三個(gè)階段：1第一蠕變階段AB段,也稱(chēng)過(guò)渡蠕變階*段,在這個(gè)階段內(nèi),蠕變?yōu)橄蛳聫澢男螤?也就是說(shuō)曲線的斜率逐漸變小,假設(shè)在這一階段之中曲線上某一點(diǎn)E進(jìn)行卸載,那么應(yīng)變沿著曲線 EFG下降,最后應(yīng)變?yōu)榱?、其中EF曲線為瞬時(shí)彈性應(yīng)變之恢復(fù)曲線,而FG曲線表示應(yīng)變隨時(shí)間逐漸恢復(fù)為零；2第二蠕變階段BC段,也稱(chēng)穩(wěn)定蠕變階段, 蠕變變形曲線近似一傾斜直線,即蠕變應(yīng)變率保持常量,一直持續(xù)到C點(diǎn).假設(shè)在這一階殷中進(jìn)行卸載,那么應(yīng)變沿曲線HIJ逐漸恢復(fù)趨近于一漸近線,最后保存一定永久應(yīng)變；3第三蠕變階段CD段,也稱(chēng)加速蠕變階段,應(yīng)變率由C點(diǎn)開(kāi) 始迅速增加,到達(dá)D點(diǎn),巖石即發(fā)生破壞,這一階段完成時(shí)間較短,嚴(yán)格地說(shuō),這一階段可分