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文檔簡介

1、試述庫侖準則和莫爾假定的基本內容,并說明對其研究的工程實際意義。(補:莫爾假定的優(yōu)缺點)該準則是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(shù)的 平面的法應力的抵抗,即IT | = S+ 其中,C和T是該破壞平面的法向應力和剪應力,So可以看作是材料的固有剪切強度的常數(shù),口是材料的內 摩擦系數(shù)的常數(shù)。根據(jù)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(才二-畀),這里的內摩擦角tan。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

2、 中出現(xiàn)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C和剪應力 T由材料的函數(shù)特征關系式聯(lián)系:|T |= f (C)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C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(xiàn)的法向正應力和表

3、征巖性的內聚力和內摩擦角有關??傊?,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,而事實證明中間主應力對其破壞強度是有一 定程度影響的。補卜卜:摩爾判據(jù)的優(yōu)點是:在判斷復雜應力狀態(tài)下巖石是否發(fā)生破壞以及破壞面的方 向時,很簡單, 也很方便;能比較真實地反映巖石的抗剪特性:可以解釋為什么在三向等拉時會發(fā)生破壞,而在三向等壓時 不會發(fā)生破壞。但其缺點是:只考慮了最大主應力和最小主應力對巖石破壞強度的影響,而忽略了中間主應力 的作用,實驗表明中間主應力對巖 石破壞強度是有一定程度影響的;摩爾判據(jù)不

4、適用于含有結構面的巖石試 件,盡管巖石中的結構面會嚴重地影響巖石試件的破壞強度;摩爾判據(jù)只適用于剪切,對受拉區(qū)研究不夠 充 分,不適于膨脹或蠕變破壞。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(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,觀測到不規(guī)則的縱向裂縫見圖(a),這個普通現(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)則性態(tài)便由與方向傾斜小于45度血干Qnr +2(bY)(d)t*)M 4 5,1 J)至軸舉第中勺縱冏於- 3剪切睥裂-孕仲何ttl

5、f士,工B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。評述巖石在復雜應力條件下的變形特性。在外力作用下,巖石一般不遵從虎克定律,沒有明顯的比例極限、彈性極限和屈服點等,通常是緊隨著 出現(xiàn)彈性變形就開始出現(xiàn)塑性變形,且一旦受力產生變形再卸載后會或多或少的都殘留有一定數(shù)量的永久變 形,該永久變形一般將隨外力的增加而增大。因此再描述巖石的變形特性時,所謂的“線彈性”、“可 逆”、“楊氏摸量”、“泊松比”、“屈服應力”等等術語都是近似的或在一定條件下的平均值。

6、在各種不同應力條件下,巖石材料的變形特性可采用應力對應變作圖所得到的應力應變曲線來表示。一 般而言,巖石材料的完整應力應變曲線可分為四個部分,亦即是巖石變形的四個階段(如右圖所示):0A 段,曲線稍向上凹,為巖石材料的孔隙壓密變形階段,對于孔隙度較大或結構較為松散的巖石類材料,該變形 階段較為明顯;AB段,曲線非常接近直線的部分,為巖石類材料的彈性變形階段,并將B點所對應的應 力值稱為屈服應力或彈性極限,對于堅硬致密的巖石類材料,該直線部分十分明顯;BC段,曲線稍向下 凹,到達C點時巖石發(fā)生宏觀破壞,當在BC中任意點K卸載后再加載時,則其B點將移至K點,因此, 稱此階段為巖石材料的應變硬化變形

7、階段,對于軟弱類巖石,該應變階段較為明顯;CD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BC中任意點Q卸載后再加載時,則其所能達到的最高應力值將n二曲心環(huán)沁過麗曲比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 根據(jù)現(xiàn)有大量的實驗研究成果,巖石在各種不 同應力條件下的變形曲線大致可以歸納為以下四種基本類型:直線型,由加載至產生破壞,其應力 應變曲線都近似呈線性 特性,稱此類曲線為彈脆性變形曲線;下凹型,0A段幾乎 不存在,且其應力應變曲線在接近破壞時將出現(xiàn)連續(xù)的非彈性 變形,稱此類曲線為彈塑性變形曲線;上凹型,巖石

8、在 發(fā) 生破壞之前,主要表現(xiàn)為孔隙壓縮變形和線彈性變形,其應力 應變曲線在低應力下表現(xiàn)出向上彎曲的現(xiàn)象,隨后近似呈線性關系,直至發(fā)生破壞,稱此類曲線為塑彈性變形曲線;反曲型,巖石發(fā)生破壞前,OA AB和BC段都較為明顯,其應力應變曲線呈現(xiàn)S型曲線,在接近破壞時將產生 較大的非彈性變 形,稱此類曲線為塑彈塑性變形曲線。在反復加卸載過程中,每一對加、卸載曲線都不相互重合,其間將呈現(xiàn)出所謂的“塑性 滯環(huán)”現(xiàn)象,這 也表明了巖石類材料的應力應變關系具有明顯的非單值性,但若將加、卸載值固定后,再反復進行加、卸載, 則該“塑性滯環(huán)”所圍成的面積將隨加、卸載循環(huán)次數(shù)的遞增而減少,其相應的殘余變形量也將逐漸降

9、低。巖石類材料的變形特性還將受到各種外界與內在因素的影響,其主要影響因素有周向應力、加載速率、 加載路徑、環(huán)境溫度、含水量、孔隙及孔隙液壓等等。試論述巖體結構類型。巖體結構分類依據(jù):第一依據(jù):結構面類型:軟弱結構面和堅硬結構面第二依據(jù):結構面切割程度及結構體類型:塊裂結構、板裂結構、碎裂結構、斷續(xù)結構、完整結構巖體結構分類方案:板裂結層狀板裂結構完整結構塊狀完整結構板狀完整結構II斷續(xù)結構塊狀斷續(xù)結構層狀斷續(xù)結構碎裂結構過渡型散體結構塊狀碎裂結構層狀碎裂結構碎屑狀散體結構糜棱化散體結構各類巖體結構的地質特征:完整結構巖體塊裂結構巖體板裂結構巖體碎裂結構巖體斷續(xù)結構巖體散體結構巖體巖體結構的相對

10、性及工程巖體結構的唯一性:對于工程巖體而言,由于工程規(guī)模和尺寸的變化,巖 體結構也發(fā)生相對變化。因此,巖體結構是相對性,只有在確定的地質條件和工程尺寸條件下,工程巖體結構才是唯一確定的。論述巖石的流變特性以及蠕變變形曲線特征。所謂巖石的流變性質就是指巖石的應力-應變關系與時間因素有關的性質,包括蠕變、松弛與彈性后效三 個方面。所謂蠕變是指當載荷不變時,變形隨著時間而增長的現(xiàn)象;所謂松弛是指當應變保持不變時,應力隨 著時間增長而減小的現(xiàn)象;所謂彈性后效是指當加載或卸載時,彈性應變滯后于應力的現(xiàn)象。巖石的蠕變變形特性曲線可以通過單軸或三軸壓縮、扭轉或彎曲等蠕變實驗來進行研究。實驗表明,在恒定載荷作

11、用下,只要有充分長的時間,應力低于或高于彈性極限均能產生蠕變現(xiàn)象。但在不同 的恒定載荷下,變形隨時間增長的蠕變曲線卻有差異。巖石的蠕變曲線不 僅與應力大小、性質及巖石種類有 關、而且還與其所在的物理環(huán)境如溫度、圍壓、濕度等因巖石立即產生圉4 1巖石的典水?。蛔兦赜嘘P,上圖為巖石的一典型蠕變曲線。當在巖石試件上施加一恒定載荷, 瞬時彈性應變& e(0A段)。這種變形往往按聲速完成,可 以近似認為在t=0完成,其應變?yōu)? e = c /。若載荷保持恒定 且持續(xù)作用,應變則隨時間緩慢地增長,進入到蠕變變形階 段,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

12、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,若在 這一階段之 中(曲線上某一點E)進行卸載,則應變沿著曲線EFGF 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。若在這一階殷中進行卸載,則應變沿曲線HJ逐漸恢復趨近于一漸近線,最后保 留一定永久應變;(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,達到D點,巖石即發(fā)生破壞,這一階段完成時間較短,嚴格地說,這一階段可分為兩個區(qū)間:即發(fā)育著延性變

13、形但尚未引起破壞的階 段(CP段)和微裂隙劇烈發(fā)展導致變形劇增和引起破 壞的階段(PD段),它相當于褶皺形成后的斷裂形 成階段。同一種巖石,其載荷值越大,在第二階段持續(xù)的時間也就越短,第三階段破壞出現(xiàn)也就越快。在載荷很 大的情況下,幾乎加載之后立即產生破壞。一般中等載荷,所有的三個蠕變變形階段表現(xiàn)得十分明顯。任何一 個蠕變變形階段的持續(xù)時間,都取決子巖石類型、載荷值 及溫度等因素。9什么是初始地應力?試論述初始地應力的成因及其分布規(guī)律。初始地應力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

14、一定的時間和空間范圍內一定程度上影響到 巖體中的初始地應力。工程巖體中的地應力主要由自重應力和構造應力兩部分組成。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,若設在距地表深為z處的豎直方向的自重應力為C z,水平方向的自重應力為C x和C y,貝U:鉛垂分量n丁八ZimA水平分量偵z這里,丫 j是第i層地層的容重,二是第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(xiàn)象及程度不同而異。初始地應力的成因:大陸板塊

15、邊界受壓引起的地應力場;地幔熱對流引起的地應力場;由地心引力引起的地應力場;巖漿浸入引起的地應力場;地溫梯度 引起的地應力場;地表剝蝕產生的地應力場。初始地應力的分布規(guī)律:地應力是一個具有相對穩(wěn)定性的非穩(wěn)定應力場,它是時間和空間的函數(shù);地應 力中的鉛垂應力分量基本等于上覆巖層的重量,它隨深度呈線性增長;地應力中的水平應力普遍大于 鉛垂應力;平均水平應力與鉛垂應力的比值隨深度增長而減小;最大水平主應力和最小水平主應力 也隨深度呈線性增長關系;最大水平主應力和最小水平主應力之值一般相差較大,顯示出很強的方向性;地應力的分布受地形、地表剝蝕、風化、巖體結構特征、巖體力學性質、溫度、地下 水等因素、的

16、影響,特別是地形和斷層的擾動影響最大。*卜: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基本上等于上覆巖體的自重,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

17、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(shù)(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。10.論述在單軸壓縮載荷作用時巖石試件的端部約束效應。由于巖石材料與鐵板之間的泊松 比值存在差異,這將在試件端面與鐵板之間的接觸面上產生摩擦力,該摩擦力將影響巖石試件的橫向變形 和巖石試件端面附件區(qū)域的應力狀態(tài)。由于該摩擦力的存在,導致巖石試件內部應力分布不均,致使巖石 試件并非只產生縱向劈裂破壞(亦稱拉伸破壞),還有可能產生X狀共軛斜面剪切破壞和單斜面剪切破 壞等破壞形式。為了盡量減小試件端面與鐵板之間的

18、接觸面上產生摩擦力,以保證巖石試件端面附件區(qū)域的應力狀態(tài)也為 單向受力狀態(tài),必須要在試件端面與鐵板之間的接觸面上添加緩沖材 料。國際巖石巖石力學學會建議在試件端面與鐵板之間使用與同樣直徑大小的鋼件墊塊。巖石力學復習巖石破壞有幾種形式?對各種破壞的原因作出解釋。答:試件在單軸壓縮載荷作用破壞時,在試件中可 產生三種破壞形式:X狀共軛斜面剪切破壞,破壞面上的剪應力超過了其剪切強度,導致巖石破壞。單斜面剪切破壞,破壞面上的剪應力超過了其剪切強度,導致巖石破壞。拉伸破壞,破壞面上的拉應力超過了該面的抗拉強度,導致巖石受拉伸破壞。什么是全應力-應變曲線?為什么普通材料實驗機得不出全應力-應變曲線?答:全

19、應力應變曲線:能顯 示巖石在受壓破壞過程中的應力、變形特性,特別是破壞后的強度與力學性質的變化規(guī)律。由于材料試驗機的 剛度小,在試件壓縮時,其支柱上存在很大的變形和變形能,在試件快要破壞時,該變形能突然釋放,加速試 件破壞,從而得不出極限壓力后的應力應變關系曲線。三簡述巖石在反復加載和卸載條件下的變形特征。答:對于線彈性巖石,反復加載和卸載時的應力應變路徑完全相同,對于完全彈性巖石,反復加載和卸載時 的應力應變路徑完全相同,但是應力應變關系是曲線。對彈性巖石,加載與卸載曲線不重合,但反復加載和卸載時的應力應變路徑總是服從此環(huán)路的規(guī)定。非彈性體巖石:在彈性范圍內服從彈性巖石 的變形特征,當卸載點

20、P超過屈服點時,卸載曲線與加載曲線不重合,形成塑性滯回環(huán)。等荷載循環(huán)加載、卸載時的應力應變曲線,。塑性滯回環(huán)隨著加載卸載次數(shù)的增加而變窄,直至接近彈性變 形,沒有塑性變形為止。不斷增大荷載的循環(huán)加載、卸載時的應力應變曲線,在每次卸載后再加載,在荷載超過上一次循環(huán)的最大荷 載以后,變形曲線仍沿著原來的單調加載曲線上升,好像不曾受到循環(huán)加 載的影響似的,這種現(xiàn)象成為巖石 的變形記憶。四線彈性體、完全彈性體、彈性體三者的應力應變關系有什么區(qū)別?答:完全彈性體:循環(huán)加載時的(T -關系為曲線。加載路徑與卸載路徑完全重合。線彈性體:循環(huán)加載時的C -關系為直線。 加載路徑與卸載路徑完全重合。彈性體巖石:

21、加載路徑與卸載路徑不同,但反復加載與卸載時,應力應變關系總是服從此 環(huán)路的規(guī)律。巖體賦存環(huán)境包括哪幾部分?答:賦存環(huán)境:包括地應力、地下水和地溫三部分。地應力對巖體的影響體現(xiàn)在哪幾個方面?地應力影響巖體的承載能力:圍壓越大、承載能力越大。地應力影響巖體的變形和破壞機制。如在低圍壓條件下破壞的巖體,在高圍壓條件下呈現(xiàn)出塑性變形和塑 性破壞。地應力影響巖體中的應力傳播的法則。非連續(xù)介質巖體在高圍壓條件下,其力學性質具有連續(xù)介質巖體 的特征。巖體結構劃分的主要依據(jù)是什么?答:巖體結構單元有結構面和結構體兩種基本要素。因此,巖體結構分類主要依據(jù)結構面及結構體的類型進行 分類。按結構面成因、結構面通常分

22、為幾種類型?答:結構面按成因分:原生結構面、構造結構面、次生結構面原生結構面:成巖階段所形成的結構面。巖石成因不同又分為沉積結構面、火成結構面和變質結構面。構造結構面:巖體在構造運動作用下形成的結構面。此生結構面:在外力作用下(風化、地下水、卸載、爆破等)形成的各種界面。結構面的剪切變形、法向變形與結構面的哪些因素有關?答:結構面的剪切變形、法向變形與巖石強 度、結構面粗糙性和法向力有關。十.結構面力學性質的尺寸效應體現(xiàn)在哪幾個方面?答:結構面試塊長度增加,平均峰值摩擦角降低,試塊 面積增加,剪切應力呈現(xiàn)出減小趨勢此外,還體現(xiàn)在以下幾個方面:(1)隨著結構面尺寸的增大,達到峰值強度時的位移量增

23、大;2)試塊尺寸增加,剪切破壞形式由脆性破壞向延伸破壞轉化;3)尺寸增加,峰值剪脹角減小,結構面粗糙度減小,尺寸效應也減小十一簡述地應力測量的重要性。答:地應力測量的重要性:(1)應力測量為各種巖體工程進行科學合理的開挖設計和施工提供依據(jù);(2) 地應力狀態(tài)對地震預報、區(qū)域地殼穩(wěn)定性評價、油田油井的穩(wěn)定性、核廢料儲存、巖 爆、煤和瓦斯 突出的研究以及地球動力學的研究也有重要的意義。十二.地應力測量方法分哪幾類?它們的主要區(qū)別在哪里?每類包括那些主要測量技術?答:依據(jù)測量基本原 理的不同,可將測量方法分為直接測量法和間接測量發(fā)兩大類。直接測量法是由測量儀器直接測量和記錄各種應力量,包括:扁千斤頂

24、法、水力致裂法、剛 性包體應力計法和 聲發(fā)射法。間接測量法是借助某些傳感器或某些介質,測量和記錄巖體中某些與應力有關的間接物理量 的變化,如巖體中 的變形和應變,然后由計算公式求出原巖應力值。包括:套孔應力解除法和其他的應力應變解除法以及地球物 理方法等。其中套孔應力解除法是目前國內外廣泛使用 的一種方法-十三.什么叫巖石的本構關系?巖石的本構關系一般有幾種類型?巖石的本構關系是指巖石的應力或應力速率 與其應變或應變速率的關系。巖石的本構關系一般分為:彈性本構關系、彈塑性本構關系和流變本構關十四.什么叫巖石的強度?巖石的破壞一般有幾種類型?巖石的強度是巖石抵抗外力破壞的能力。破壞是指巖 石材料

25、的應力或應變超過了自身的應力或應變的極限。巖石的破壞的形式主要有兩種:斷裂破壞(應力達到強度極限)和流變破壞(出現(xiàn)顯著的塑性變形或流動現(xiàn) 象)十五.什么叫蠕變、松弛、彈性后效和流變?答:蠕變:當應力不變時,變形隨時間增加而增加的現(xiàn)象 松弛: 當應變不變時,應力隨時間的增加而減小的現(xiàn)象。彈性后效:加載和卸載時,彈性應變滯后于應力的現(xiàn)象。巖石流變就是指材料的應力-應變關系與時間因素有關的性質,材料變形過程中具有時間效應 的現(xiàn)象稱為流變 現(xiàn)象。十六描述巖石流變性質的流變方程主要有幾種?答:巖石的流變包括蠕變、松弛和彈性后效。其流變方程主 要有蠕變方程、松弛方程、彈性后效方程。十七流變模型的基本元件有

26、哪幾種?答:流變模型的基本元件有彈性元件、塑性元件和粘性元件十八試論述Coulomb,Mohr,Griffith三準則的基本原理、主要的區(qū)別及其它們之間的關系。答:庫侖準則(Coulomb):巖石的破壞主要是剪切破壞,巖石的強度,既抗摩擦強度等于巖 石本身抗剪切 摩擦的粘結力和剪切面上的法向力產生的摩擦力。莫爾把庫侖準則推廣到三向應力狀態(tài)。實質:巖石到達極 限狀態(tài)時,滑動平面上的剪應力達到一個取決于正應力與材料性質的最大值,即 (T =f ( T )。對應于 各種應力狀態(tài)(單軸、雙軸和三軸壓縮)下的破壞的巖石的莫爾應力圓的包絡線,稱為莫爾強度包 絡線。如果巖石 的應力圓位于莫 爾強度包絡線內,

27、則巖石不會產生破壞,如果巖石的應力圓與莫爾包絡線相切或相交,則巖石會產生破壞。莫爾強度包絡線的曲線型式有幾種:斜直線型,二次拋物線型,雙曲線型等。十九.格里菲斯(Griffith)理論:在脆性材料中,其材料斷裂的起因是分布在材料中的微小裂紋尖端有拉應力(這種裂紋稱為Grifith裂紋)所致。區(qū)別:格里菲斯(Griffith)理論中巖石的破壞機理是巖石受到拉應力破壞所致。庫侖準則和莫爾強度理論則認為巖石破壞是巖體內的某個面上的剪切應力超過了剪切強度值。莫爾強度理論的包絡線包 括了庫侖準則的直線型,還包括拋物線型和雙曲線型強度準則,論述巖石的流變特性以及蠕變變形曲線特征。(20分)回答要點:巖石流變性與流變現(xiàn)象的定義;(4分)蠕變、松弛以及彈性后效的定義;(6分)*穩(wěn)定蠕變與不穩(wěn)定蠕變;(2分)巖石的典型蠕變變形曲線及其 3個基本階段;(5分)巖石的長期強度及其確定方法。(3分)試評述單軸壓縮載荷作用下的端部約束效應。(20分)回答要點:單軸壓縮載荷條件的定義;(2分)

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