北科大考研初試《巖石力學(xué)》問答題

北京科技大學(xué)碩士學(xué)位研究生入學(xué)考試《巖石力學(xué)》問答題什么是全應(yīng)力-應(yīng)變曲線？各個階段的特征是什么？畫圖說明。全應(yīng)力-應(yīng)變曲線：能顯示巖石在受壓破壞過程中的應(yīng)力、變形特性，特別是破壞后的強度與力學(xué)性質(zhì)的變化規(guī)律。分為四個階段孔隙裂隙壓密階段：在此階段時間橫向膨脹較小，試件體積隨荷載增大而減小；彈性變形至微彈性裂隙穩(wěn)定發(fā)展階段：該階段的應(yīng)力-應(yīng)變曲線成近似直線型；非穩(wěn)定破裂發(fā)展階段：進入本階段后，微破裂的發(fā)展出現(xiàn)了質(zhì)的變化，破裂不斷發(fā)展，直至試件完全破壞，試件由體積壓縮轉(zhuǎn)為擴容，軸向應(yīng)變和體積應(yīng)變速率增大。破裂后階段：裂隙快速發(fā)展，交叉且相互聯(lián)合，形成宏觀斷面。此后，巖塊變形主要表現(xiàn)為沿宏觀裂面的塊體滑移。試件承載力隨變形增大迅速下降，但不降到零。為什么普通材料試驗機得不出全應(yīng)力-應(yīng)變曲線？全應(yīng)力應(yīng)變曲線有什么用途？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(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線。全應(yīng)力-應(yīng)變曲線的用途：揭示試件破裂后仍有一定承載力預(yù)測蠕變的破壞預(yù)測巖爆預(yù)測循環(huán)加載下的巖石破壞蠕變有哪兩種類型？典型蠕變曲線分哪三個階段？畫圖說明。穩(wěn)定蠕變：蠕變變形的速率隨時間增長而減小，最后變形趨于一個穩(wěn)定的極限。不穩(wěn)定蠕變：蠕變不能穩(wěn)定于某一極限值，而是無限增長直到破壞。第一蠕變階段：如曲線中ab段，應(yīng)變速率隨時間增加而減小，故又稱減速蠕變階段。第二蠕變階段：如曲線中bc段，應(yīng)變速率保持不變，故又稱為等速蠕變階段。第三蠕變階段：如曲線中cd段，應(yīng)變速率迅速增加直到巖石破壞，故又稱為加速蠕變階段。簡述維護巖石地下工程穩(wěn)定的基本原則(新奧法)。合理利用和充分發(fā)揮巖體強度避免巖石強度的損壞充分發(fā)揮巖體的承載能力加固巖體改善圍巖的應(yīng)力條件選擇合理的隧道斷面形狀和尺寸選擇合理的位置和方向采用卸壓方法合理支護強調(diào)檢測和信息反饋注重涌水處理：堵水、輸水。圍巖-支護作用的共同原理是什么？它對圍巖支護有什么指導(dǎo)意義？圍巖周邊位移和支護反力成反變關(guān)系；支架的支護力與支架變形成正變關(guān)系；圍巖特性曲線與支架特性曲線的交點是圍巖與支架的工作點，構(gòu)成共同作用關(guān)系，二者共同承載；在一定變形范圍內(nèi)，圍巖變形越大所需支護力越小。指導(dǎo)意義：上述分析反映了圍巖穩(wěn)定與支護相互作用的某些基本原理，為確定支護的內(nèi)應(yīng)力及其變形位移和選定支護結(jié)構(gòu)、尺寸提供了基本思路。簡述彈塑性巖石在反復(fù)加載與卸載條件下的變形特征。如果每次施加的最大荷載與第一次施加的最大荷載一樣每次加、卸載都形成一個塑性滯回環(huán)。這些塑性滯回環(huán)隨著加、卸載的次數(shù)增加而愈來愈狹窄，并且彼此愈來愈近，巖石愈來愈接近彈性變形，一直到某此循環(huán)沒有塑性變形為止；當循環(huán)應(yīng)力峰值小于某一數(shù)值時，循環(huán)次數(shù)及時很多，也不會導(dǎo)致試件的破壞；而超過這一數(shù)值巖石將在某此循環(huán)中發(fā)生破壞（疲勞破壞），這一數(shù)值稱為臨界應(yīng)力。如果每次施加的最大荷載比前一次循環(huán)的最大荷載大隨著循環(huán)次數(shù)的增加，塑性滯回環(huán)的面積也有所擴大，卸載曲線的斜率也逐次略有增加；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(diào)加載曲線上升，好像不曾收到反復(fù)加載的影響似的，這種現(xiàn)象稱為巖石的變形記憶。地應(yīng)力的成因有哪些？淺部地殼中地應(yīng)力分布基本規(guī)律是什么？成因：地應(yīng)力的形成主要與地球的各種動力運動過程有關(guān)，其中包括：板塊邊界受壓、地幔熱對流、地球內(nèi)應(yīng)力，地心引力、地球旋轉(zhuǎn)、巖漿傾入和地殼非均勻擴容等?；疽?guī)律：地應(yīng)力是一個相對穩(wěn)定的應(yīng)力場，它是時間和空間的函數(shù)；實測垂直應(yīng)力基本等于上覆巖層的重量；水平應(yīng)力普遍大于垂直應(yīng)力；平均水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力的比值隨深度的增加而減??；最大水平應(yīng)力與最小水平應(yīng)力也隨深度呈線形增長關(guān)系；最大水平主應(yīng)力和最小水平主應(yīng)力之值一般相差較大，顯示出很強的方向性。巖石邊坡穩(wěn)定性分析的極限平衡分析方法有哪三個前提，它的分析計算步驟是什么？前提：滑動面上實際巖土提供的抗剪強度s與作用在滑面上的垂直應(yīng)力存在如下關(guān)系穩(wěn)定性系數(shù)F（安全系數(shù)）的定義為沿最危險破壞面作用的最大抗滑力（或力矩）與下滑力（或力矩）的比值。即F=抗滑力二維（平面）極限分析的基本單元是單位寬度的分塊滑體。計算步驟：在斷面上繪制滑面形狀；推定滑坡后裂縫及塌陷帶的深度，計算或確定其產(chǎn)生的影響；對滑坡的滑體進行分塊。計算滑動面上的空隙水壓力；采用合適的計算方法，計算穩(wěn)定系數(shù)。巖體地質(zhì)力學(xué)分類（CSIR分類）與巴頓巖體質(zhì)量分類（Q）分別考慮巖體的哪些因素？巖體地質(zhì)力學(xué)分類是由巖體強度、RQD值、節(jié)理間距、單位長度的節(jié)理條數(shù)及地下水5種指標分別計分，然后累加各項指標的計分，得出該巖體的總分來評價該巖體的質(zhì)量。巴頓巖體質(zhì)量（Q）分類Q=RQD考慮因素：RQD——巖石質(zhì)量標準；Jn——節(jié)理組數(shù)；Jr——節(jié)理粗糙系數(shù)；Ja——節(jié)理蝕變系數(shù)；Jw——節(jié)理水折減系數(shù)；巖體地質(zhì)力學(xué)分類（CSIR分類）指標值（RMR）的組成指標、分類方法及其意義：組成指標：巖塊強度、RQD值、節(jié)理間距、節(jié)理條件及地下水5種。分類方法：按各種指標的數(shù)值按標準評分，求和得總分RMR值，然后按規(guī)定對總分作適當修正。最后用總分對照表求得所研究巖體的類別及相應(yīng)的無支護地下工程的自穩(wěn)時間和巖體強度指標(c,?)值。意義：由于組成巖體的巖石性質(zhì)、組織結(jié)構(gòu)不同，以及巖體中結(jié)構(gòu)面發(fā)育情況差異，致使巖體力學(xué)性質(zhì)相當復(fù)雜。為了在工程設(shè)計與施工中能區(qū)分出巖體質(zhì)量的好壞和表現(xiàn)在穩(wěn)定性上的差別，需要對巖體做出合理分類，作為選擇工程結(jié)構(gòu)參數(shù)、科學(xué)管理生產(chǎn)以及評價經(jīng)濟效益的依據(jù)之一，這也是巖石力學(xué)與工程應(yīng)用方面的基礎(chǔ)性工作。CISR分類原為解決堅硬巖體中淺埋隧道工程而發(fā)展起來的，從現(xiàn)場應(yīng)用看，使用較簡便，大多數(shù)場合巖體評分值都有用，但在處理那些造成擠壓、膨脹和涌水的極其軟弱的巖體問題時，此分類法難于使用。邊坡穩(wěn)定性的影響因素有哪些？舉例說明。不連續(xù)面在邊坡破壞中的作用；改變斜坡外形，引起坡體應(yīng)力分布的變化；改變斜坡巖土體的力學(xué)性質(zhì)，使坡體強度發(fā)生變化；斜坡直接受各種力的作用。錨桿的結(jié)構(gòu)類型和作用機理是什么？早期：機械式金屬或木錨桿，后來：粘結(jié)式鋼筋或鋼絲繩錨桿、木錨桿、竹錨桿等以及管縫式錨桿。近期：快硬或膨脹水泥砂漿、水泥藥卷、樹脂藥卷等性能良好的粘結(jié)材料。作用機理：主要有懸吊作用、減垮作用、組合梁作用，組合拱作用，加固作用等，錨桿對抑制節(jié)理面間的剪切變形和提高巖體的整體強度方面起有重要的作用，特別是對于全長錨固的錨桿。用圖，公式，文字，論述莫爾-庫倫強度理論的主要內(nèi)容及該理論有何優(yōu)缺點。內(nèi)容：巖石的剪切破壞由剪力引起，但不是發(fā)生在最大的剪應(yīng)力作用面上；剪切強度在最大的剪應(yīng)力作用面上；剪切強度取決于剪切面上的正應(yīng)力和巖石性質(zhì)，是剪切面上正應(yīng)力的函數(shù)，τ=f(σ)剪切強度只是關(guān)于σ軸對稱的曲線，破壞面成對簇出現(xiàn)；不考慮σ2優(yōu)點：該理論比較全面地反映了巖石的強度特征，它既適用于塑性巖石也適用于脆性巖石的剪切破壞；反映了巖石抗拉強度遠小于抗壓強度這一特性；能解釋巖石在三向等拉時會破壞，而在三向等壓時不會破壞的特點；簡單，方便。同時考慮拉、壓、剪，可判斷破壞面方向。缺點：忽略了中間主應(yīng)力σ2的影響，與實驗結(jié)果有一定的出入只適用于剪破壞，沒考慮結(jié)構(gòu)面影響；不適用于膨脹或蠕變破壞。加載速度和圍巖分別對巖石力學(xué)性質(zhì)有何影響？加載速度：加載速度越快，測得彈性模量越大，反之越小。加載速度越快，獲得的強度指標越高。圍壓：巖石的塑性和脆性并非固有的性質(zhì)，與其受力狀態(tài)有關(guān)，隨著受力狀態(tài)的改變，其脆性和塑性是可以相互轉(zhuǎn)化的。隨圍壓增大，巖石的塑性不斷增大，由脆性逐漸轉(zhuǎn)化為延性，把巖石由脆轉(zhuǎn)化為塑性的臨界圍壓稱為轉(zhuǎn)化壓力，巖石越堅硬，轉(zhuǎn)化壓力越大。線彈性體，完全彈性體，彈性體三者的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系有什么區(qū)別？完全彈性體：循環(huán)加載時的σ-ε關(guān)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σ-ε關(guān)系為直線，加載路徑與卸載路徑完全重合。彈性體：加載路徑與卸載路徑不同，但反復(fù)加載與卸載時，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系總是服從此環(huán)路的規(guī)律。如何通過巖石的三軸壓縮試驗確定巖石的內(nèi)摩擦角和內(nèi)聚力？直線型：強度包絡(luò)線與τ軸的截距稱為巖石的粘結(jié)力（或內(nèi)聚力），記為c（Mpa），與σ軸的夾角稱為巖石的內(nèi)摩擦角，記為?（度）。曲線型：將包絡(luò)線和τ軸的截距定為c，將包絡(luò)線與τ軸相交點的包絡(luò)線外切線與σ軸夾角定為內(nèi)摩擦角；根據(jù)實際盈利狀態(tài)在莫爾包絡(luò)線上找到相應(yīng)點，在該點作包絡(luò)線外切線，外切線與σ夾角為內(nèi)摩擦角，外切線及其延長線與τ軸相交之截距即為c。用三軸壓縮試驗獲得巖石的強度曲線和強度指標對巖石的5~6個試件做三軸壓縮試驗，每次試驗的圍壓值不等，由小到大，得出每次試件破壞時的應(yīng)力莫爾圓，通常也將單軸壓縮試驗和拉伸試驗破壞時的莫爾圓，用于繪制應(yīng)力莫爾圓強度包絡(luò)線。各莫爾圓的包絡(luò)線就是莫爾強度曲線。將包絡(luò)線和τ軸的截距定為C（粘結(jié)力，內(nèi)聚力），將包絡(luò)線與τ軸相交點的包絡(luò)線外切線與σ軸夾角定為?（內(nèi)摩擦角）。簡述水壓致裂法測地應(yīng)力的基本原理和測量步驟。基本原理：由彈性力學(xué)，當一個位于無限體中的鉆孔受到無窮遠處二維應(yīng)力場（σ1、σσθσrθ——周邊一點與σ1當θ=0時，σθ取最小值，在孔內(nèi)加入壓力Pi，當Pi超過孔壁處的最小壓應(yīng)力和巖體的抗拉強度之和時，孔壁就會破裂，此時，在的方向，即σ1Pi如果繼續(xù)加壓，直到裂隙深度達到3倍孔徑時，此時已接近原巖應(yīng)力狀態(tài)，停止加壓，保持壓力恒定，將該恒定壓力記為Ps，Ps與Ps=σ只要測量出巖體的抗拉強度T和記錄的Pi和Ps就可由（3），（4）式求出σ1和σ2。這樣就可得出如果孔內(nèi)有裂隙水壓P0,則（3Pi在不測試巖體的抗拉強度條件下，通過增加一個環(huán)節(jié)，即可求出σ1和σ使裂隙閉合，然后再重新向封隔段加壓，使裂隙重新打開，記錄裂隙重新開時的壓力PrPr由（5）和（6）式，可求出σ1和σ測量步驟：打鉆孔到準備測量應(yīng)力的部位，并將鉆孔中待加壓段用封隔器密封起來；向隔離段注射高壓水，記錄孔裂開時的壓力值Pi，繼續(xù)加壓，直到裂隙擴大到孔徑的3倍，關(guān)閉高壓水系統(tǒng)，保持水壓恒定，此時的應(yīng)力為關(guān)閉應(yīng)力，記為Ps,重新向密閉段注入高壓水，使裂隙重新打開，記錄裂隙重新打開時的壓力Pr和隨后的恒定關(guān)閉壓力P將封隔器卸壓，從孔中取出；用攝像機記錄孔內(nèi)的水壓致裂裂隙，天然節(jié)理、裂隙的位置、方向和大小。簡述全應(yīng)力解除法測量地應(yīng)力的基本原理和步驟。全應(yīng)力解除法即是測點巖體完全脫離地應(yīng)力的作用，測量其變形值，再根據(jù)巖體的物理力學(xué)性質(zhì)計算其原巖應(yīng)力。操作步驟：從巖體表面向巖體內(nèi)打大鉆孔，直徑一般為130-150mm；從大鉆孔內(nèi)再打小鉆孔，直徑一般為36-38mm；在小孔中央安裝探頭；再用大鉆孔打大孔，解除探頭上的壓應(yīng)力，記錄巖體的變形值；取出巖芯，測量巖芯的E、μ等物理力學(xué)參數(shù)；根據(jù)理論公式計算原巖應(yīng)力值。套孔應(yīng)力解除法又分為：孔徑變形法、孔底應(yīng)變法、孔壁應(yīng)變法、空心包體應(yīng)變法和實心包體應(yīng)變法五種。從受力觀點分析，巖石的破壞形式有哪幾種？并簡述其破壞原因。X狀共軛斜面剪切破壞：由于破壞面上的剪應(yīng)力超過極限引起的；單斜面剪切破壞：由于破壞面上的剪應(yīng)力超過極限引起的；拉伸破壞：橫向拉應(yīng)力超過巖石抗拉極限所引起的。滑坡的主要類型。平面剪切滑動階梯式滑坡三維楔體破壞多滑塊滑動旋轉(zhuǎn)剪切滑動軸對稱隧道圍巖處于理想彈塑性狀態(tài)，其塑性半徑與哪些因素有關(guān)？圍巖應(yīng)力分布規(guī)律如何？P311巖體邊坡主要破壞形式、主要類型和滑坡防治的主要措施、原則：主要形式：崩塌、滑坡、傾倒、滑塌、巖塊流動、巖層曲折主要類型：巖塊流動滑坡、平面剪切破壞滑坡、旋轉(zhuǎn)剪切滑坡防治措施：避——避開滑坡影響（大中型）；排——排水導(dǎo)流，使水不再進入或停留在滑坡范圍內(nèi)，并排除和疏干其中已有的水，以增加邊坡的穩(wěn)定性；擋——抗滑支擋，在滑坡舌部或中前部修建各種形式的抗滑擋墻，在滑坡其他不同部位修建各種多級擋墻，阻擋滑坡體的滑動（作用長久）；減——減重反壓，把滑坡體上部主滑和牽引地段的土石方挖去，填在滑坡下的抗滑地段，反壓阻滑，改善邊坡，減小下滑力，增加抗滑力，提高滑坡的穩(wěn)定性（簡便，中小型）。固——利用物理化學(xué)加固，以土層固化改變滑動帶的土石性質(zhì)，提高它的強度。植——植樹造林，采取綠化山坡，種樹植被等措施來防止滑體、岸坡沖刷，穩(wěn)定滑坡。防治原則：1.盡量避免存在滑動條件區(qū)域，對可能引起滑坡地段要有相應(yīng)措施預(yù)防。2.對大中型復(fù)雜滑坡，全面搜集資料，摸清規(guī)律，做出全面整治規(guī)劃。3.針對病因采取綜合措施，治早治小，防患于未然。4.因地制宜，從實際出發(fā)。5.在滑坡已經(jīng)出現(xiàn)或即將出現(xiàn)各種急劇變形的征兆時，對各種建筑物可能產(chǎn)生危害的滑坡，必須采用果斷有效的應(yīng)急工程措施。6.全面規(guī)劃，選擇最佳整治方案。預(yù)報為主，定性要準，治理要早，措施要穩(wěn)，要狠，養(yǎng)護要勤?！皽?、早、穩(wěn)、狠、勤”。描述結(jié)構(gòu)面狀態(tài)的指標結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀：結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀對巖體是否沿某一結(jié)構(gòu)面滑動起控制作用。結(jié)構(gòu)面形態(tài)：決定結(jié)構(gòu)面抗滑力大小，當結(jié)構(gòu)面的起伏程度大，粗糙度高時，其抗滑力就大。結(jié)構(gòu)面的延展尺度：在工程巖體范圍內(nèi)，延展尺度大的結(jié)構(gòu)面，完全控制了巖體的強度。結(jié)構(gòu)面的密集程度：以巖體裂隙度K和切割度Xe表征深埋（λ=1）圓形洞室彈塑性圍巖二次應(yīng)力分布狀態(tài)是什么？如圖所示，彈塑性區(qū)圍巖應(yīng)力分布狀態(tài)：1-松動區(qū)：巖體被切割、強度明顯降低、應(yīng)力低于原巖應(yīng)力；2—塑形強化區(qū)：巖體呈塑形狀態(tài)、處于塑性強化階段、應(yīng)力高于原巖應(yīng)力；3—彈性承載區(qū)：巖體處于彈性變形階段，應(yīng)力高于原巖應(yīng)力：4—原巖應(yīng)力區(qū)：未受開挖影響、處于原巖狀態(tài)。新奧法的基本內(nèi)容，并舉例說明。在地下工程施工中，將噴射混凝土以及錨桿支護手段與巖石力學(xué)原理正確的結(jié)合起來，這就是“新奧法”?；驹硎牵涸谛聤W法中非常重視圍巖“自承能力”，也即認為圍巖再支護中起著重要作用。并將洞里看做是支護和圍巖的整體結(jié)構(gòu)。支護與圍巖兩者緊貼在一起，能獲得較好的支護效果。新奧法主張采用噴錨支護措施，能夠及時防止由于圍巖變形，松動和破壞而引起的圍巖強度急劇下降。襯砌與圍巖協(xié)同作用共同承擔(dān)巖石重量及作用力。對于襯砌僅看做是給圍巖提供側(cè)向力，使之處于三維應(yīng)力狀態(tài)，而不是用來專門承擔(dān)上不巖體重量所引起的作用力。與傳統(tǒng)支護的指導(dǎo)思想不同，新奧法強調(diào)圍巖整體原則：充分利用巖體強度，發(fā)揮巖體的自承能力；正確運用圍巖—支架共同作用原則，恰當利用巖體蛻變發(fā)展規(guī)律；把檢測作用為必要手段，檢測支護位移和壓力變化；強調(diào)封底的必要性；施工、檢測、設(shè)計三結(jié)