巖石力學考博真題秋及答案

1、重慶大學二零零七年博士生(秋季)入學考試試題科目代碼：248 （共 1 頁）考試科目：高等巖石力學專 業(yè)：采礦工程、安全技術(shù)及工程、礦物加工工程、安全管理工程、資源綜合利用工程請考生注意：答題（包括填空題和選擇題）一律答在答題紙上，答在試題上無效。一. 簡述庫侖準則和莫爾假定的基本內(nèi)容，并簡要說明對其研究的工程實際意義。(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(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)重慶大學博士生入學考試試題答案科目代碼：

2、248 學院：資源及環(huán)境科學學院科目名稱：高等巖石力學一. 簡述庫侖準則和莫爾假定的基本內(nèi)容，并簡要說明對其研究的工程實際意義。 庫侖準則是1773年由庫侖引入的，他認為趨于使一平面產(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)力的抵抗，即 | = S0 + 其中，和是該破壞平面的法向應(yīng)力和剪應(yīng)力，S0可以看作是材料的固有剪切強度的常數(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，當巖石發(fā)生破壞時所產(chǎn)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(yīng)力的方向，并與最大主應(yīng)力方向成夾角()，這里的內(nèi)摩擦角。 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(chǎn)生

3、的破壞主要是由于巖石中出現(xiàn)的最大有效剪應(yīng)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(yīng)力和剪應(yīng)力由材料的函數(shù)特征關(guān)系式聯(lián)系： | = f（）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(yīng)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(yīng)力有關(guān)，而與中間主應(yīng)力無關(guān)；三向等壓條件下，莫爾應(yīng)力圓是法向應(yīng)力軸上的一個點圓，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)線相切處切點的位置，這也說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

4、內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角有關(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度特征，但該假定忽視了中間主應(yīng)力對巖石破壞強度的影響，而事實證明中間主應(yīng)力對其破壞強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度角的單一破裂面所代替圖(

5、b)，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，對巖石破裂進行分類的Griggs和Handin(1960)稱它為斷層；因為它符合地質(zhì)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(shù)語斷層于地質(zhì)學范圍，保留術(shù)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(xiàn)剪切破裂的網(wǎng)格圖(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(xiàn)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)。在較為復(fù)雜的應(yīng)力條件下出現(xiàn)的破裂，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)，則在載荷之間出

6、現(xiàn)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)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(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(yù)料它所提供的阻力會有增加最小主應(yīng)力值的效應(yīng)，因此趨于阻止破壞和集中破裂于有限的體積內(nèi)。

7、三. 論述影響巖石力學性質(zhì)的主要因素回答要點：論述影響巖石力學性質(zhì)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(zhì)都有影響?，F(xiàn)分述如下：1、 水對巖石力學性質(zhì)的影響。主要表現(xiàn)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、 溫度對巖石力學性質(zhì)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、 加荷速度對巖石力學性質(zhì)的影響。隨著加荷速度的降低，巖石的延性加大，屈服點降低，強度也降低；4、 圍壓對巖石力學性質(zhì)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；5、 風化對巖石力學性質(zhì)的影響。產(chǎn)生新的裂隙、礦物成分

8、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，會引起某些物理、化學和力學等性質(zhì)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)來表示，即：吸 水 率： 飽 水 率： 飽水系數(shù)： 其中，W1為巖石在標準大氣壓下吸入水的重量，W2為巖石150個大氣壓或真空條件下吸入水的重量，Wd為巖石的干重量。所謂抗凍性就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，可以采用抗凍系數(shù)來表示，即：其中，為凍融實驗前巖石試件的抗壓強度，為凍融實驗

9、后巖石試件的抗壓強度所謂軟化系數(shù)是指巖石試件在飽水狀態(tài)下的抗壓強度與在干燥狀態(tài)下的抗壓強度的比值，即：各類巖石的軟化系數(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)力等也會在一定的時間和空間范圍內(nèi)一定程度上影響到巖體中的初始地應(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、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)將會隨巖體所處的深度和位置不同而有所變化，但可以認為任一點處的應(yīng)力都是處于相對的平衡狀態(tài)的。工程

10、巖體中的地應(yīng)力主要由自重應(yīng)力和構(gòu)造應(yīng)力兩部分組成。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的，若設(shè)在距地表深為z處的豎直方向的自重應(yīng)力為z，水平方向的自重應(yīng)力為x和y，則： 鉛垂分量 水平分量 這里，i是第i層地層的容重，Zi是第i層地層的厚度，是當前地層的泊松比。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流等因素所引起的，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。綜合大量實測資料和近代理論，初始地應(yīng)力場的一般分布規(guī)律有如下特點：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

11、川河流和構(gòu)造影響，其分布往往十分復(fù)雜；2)三個主應(yīng)力的大小一般互不相等，其中兩個(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(yīng)力的兩個近水平應(yīng)力分量分布十分復(fù)雜，因地而異，且隨深度而變化；兩個水平應(yīng)力的平均值與鉛垂應(yīng)力的比值的統(tǒng)計規(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)力相對高于鉛垂應(yīng)力；往下越相接近，一定深度之后變得小于鉛

12、垂應(yīng)力。進入到蠕變變形階段，可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,在這個階段內(nèi),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(yīng)變沿著曲線EFG下降，最后應(yīng)變?yōu)榱恪⑵渲蠩F曲線為瞬時彈性應(yīng)變之恢復(fù)曲線，而FG曲線表示應(yīng)變隨時間逐漸恢復(fù)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(yīng)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(yīng)變沿曲線HIJ逐漸恢復(fù)趨近于一漸近線，最后保留一定永久應(yīng)變;(3)第三蠕變階段(CD段),也稱加速蠕變階段，應(yīng)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