重庆大学-博士、硕士-采矿工程岩石力学考题4

重庆大学二零零七年博士生(秋季)入学考试试题一. 简述库仑准则和莫尔假定的基本内容，并简要说明对其研究的工程实际意义。

(20分)二. 论述岩石在复杂应力状态下的破坏类型，并阐述其在工程岩体稳定性研究中的意义。

(20分)三. 论述影响岩石力学性质的主要因素。

(20分)四. 试述岩石的水理性。

(20分)五. 试述工程岩体中的初始地应力及其分布规律。

(20分)重庆大学博士生入学考试试题答案科目代码：248 学院：资源及环境科学学院科目名称：高等岩石力学一. 简述库仑准则和莫尔假定的基本内容，并简要说明对其研究的工程实际意义。

库仑准则是1773年由库仑引入的，他认为趋于使一平面产生破坏的剪应力受到材料的内聚力和乘以常数的平面的法应力的抵抗，即|τ| = S 0 + μσ其中，σ和τ是该破坏平面的法向应力和剪应力，S 0可以看作是材料的固有剪切强度的常数，μ是材料的内摩擦系数的常数。

根据该理论可以推论出，当岩石发生破坏时所产生的破裂面将有两个可能的共轭破裂面，且均通过中间主应力的方向，并与最大主应力方向成夹角()，这里的内摩擦角φπ2141-。

μφ1tan -= 莫尔假定是莫尔于1900年提出的一种剪切破坏理论，该理论认为岩石受压后产生的破坏主要是由于岩石中出现的最大有效剪应力所引起，并提出当剪切破坏在一平面上发生时，该破坏平面上的法向应力σ和剪应力τ由材料的函数特征关系式联系：|τ| = f （σ）按莫尔假定可以看出：①岩石的破坏强度是随其受力条件而变化的，周向应力越高破坏强度越大；②岩石在三向受压时的破坏强度仅与最大和最小主应力有关，而与中间主应力无关；③三向等压条件下，莫尔应力圆是法向应力σ轴上的一个点圆，不可能与莫尔包络线相切，因而岩石也不可能破坏；④岩石的破裂面并不与岩石中的最大剪应力面相重合，而是取决于其极限莫尔应力圆与莫尔包络线相切处切点的位置，这也说明岩石的破裂不仅与破裂面上的剪应力有关，也与破裂面上出现的法向正应力和表征岩性的内聚力和内摩擦角有关。

总之，莫尔假定考虑了岩石的受力状态、周向应力约束的影响和岩石的本身性能，能较全面的反映岩石的破坏强度特征，但该假定忽视了中间主应力对岩石破坏强度的影响，而事实证明中间主应力对其破坏强度是有一定程度影响的。

二. 论述岩石在复杂应力状态下的破坏类型，并阐述其在工程岩体稳定性研究中的意义。

在关于岩石破裂的所有讨论中，破裂面的性质和描述是最重要的，出现的破裂类型可用下图中岩石在各种围压下的行为来说明。

在无围压受压条件下，观测到不规则的纵向裂缝[见图(a)]，这个普通现象的解释至今仍然不十分清楚；加中等数量的围压后，图(a)中的不规则性态便由与方向倾斜小于45度角的单一破裂面所代替[图(b)]，这是压应力条件下的典型破裂，并将其表述为剪切破坏，它的特征是沿破裂面的剪切位移，对岩石破裂进行分类的Griggs 和Handin(1960)称它为断层；因为它符合地质上的断层作用，后来有许多作者追随着他们；然而，更可取的似乎是限制术语断层于地质学范围，保留术语剪切破裂于试验范围更好；如果继续增加围压，使得材料成为完全延性的，则出现剪切破裂的网格[图(c)]，并伴有个别晶体的塑性。

破裂的第二种基本类型是拉伸破裂，它典型地出现于单轴拉伸中，它的特征是明显的分离，而在表面间没有错动[图(d)]。

在较为复杂的应力条件下出现的破裂，可以认为上述类型之一或其它。

如果平板在线载荷之间受压[图i me an dAl l t h i ng si nt he i rb ei n ga re go (e)]，则在载荷之间出现一个拉伸破裂，如果这些载荷是由环绕材料的外套挤入材料的裂缝中引起的, 则将破裂表述为侵入破裂，当检查图(a)情况中的破裂面时，它们中的一些部分有剪切破裂的状态。

而其他一些部分显然是拉伸破裂。

岩石破裂中，注意力还将集中于重要的扩容现象，它发生于岩石试件的单轴和三轴受压期间．通常，在三轴试验中，围压是由流体通过一个刚度可忽略不计的不渗透膜来施加的，在这样的试验中，试件的径间膨胀和扩容显然不会由于围压的增加而被局部或均匀地阻挡；如果试件被更多的岩石包围，象实际情形中听发生的那样，那就将是这种情况，不管围岩是否破坏，预料它所提供的阻力会有增加最小主应力值的效应，因此趋于阻止破坏和集中破裂于有限的体积内。

三. 论述影响岩石力学性质的主要因素回答要点：论述影响岩石力学性质的因素很多，如水、温度、风化程度、加荷速度、围压的大小、各向异性等等，对岩石的力学性质都有影响。

现分述如下：1、水对岩石力学性质的影响。

主要表现在连接作用、润滑作用、水楔作用、孔隙压力作用、溶蚀及潜蚀作用；2、温度对岩石力学性质的影响。

随着温度的增高，岩石的延性加大，屈服点降低，强度也降低；3、加荷速度对岩石力学性质的影响。

随着加荷速度的降低，岩石的延性加大，屈服点降低，强度也降低；4、围压对岩石力学性质的影响。

随着温度的增高，岩石的延性加大，屈服点降低，强度也降低；5、风化对岩石力学性质的影响。

产生新的裂隙、矿物成分发生变化、结构和构造发生变化。

四. 试述岩石的水理性答：岩石遇水作用后，会引起某些物理、化学和力学等性质的改变，水对岩石的这种作用特性称为岩石的水理性。

岩石的水理性包括吸水性、抗冻性和软化系数三方面，现分述如下：所谓吸水性是指岩石吸收水分的性能，可以采用吸水率、饱水率和饱水系数来表示，即：吸 水 率： %10011⨯=dW W V 饱 水 率： %10022⨯=d W W V 饱水系数： 21V V K s =其中，W 1为岩石在标准大气压下吸入水的重量，W 2为岩石150个大气压或真空条件下吸入水的重量，W d 为岩石的干重量。

所谓抗冻性就是指岩石抵抗冻融破坏的性能，它是评价岩石抗风化稳定性的一个重要指标，可以采用抗冻系数来表示，即：%100⨯-=ccfc f C σσσ其中，为冻融实验前岩石试件的抗压强度，为冻融实验后岩石试件的抗压强度c σcf σ所谓软化系数是指岩石试件在饱水状态下的抗压强度与在干燥状态下的抗压强度’的比值，即：c σc σ'c c c σση=各类岩石的软化系数大约在0.45-0.90之间。

五. 试述工程岩体中的初始地应力及其分布规律工程岩体中的初始地应力是指未受到任何工程扰动的岩体在天然状态下所具有的内应力，主要由岩体自重及地质构造作用所引起，地形、地质构造、地震力、水压力、热应力等也会在一定的时间和空间范围内一定程度上影响到岩体中的初始地应力。

由于地质构造现象、构造应力以及岩石的种类、性态等在空间分布上的不均匀性，岩体的初始地应力状态将会随岩体所处的深度和位置不同而有所变化，但可以认为任一点处的应力都是处于相对的平衡状态的。

工程岩体中的地应力主要由自重应力和构造应力两部分组成。

自重应力在岩体中的分布是随深度变化大致呈线性增长的，若设在距地表深为z 处的竖直方向的自重应力为σz ，水平方向的自重应力为σx 和σy ，则：铅垂分量 ii ni z zγσ∑==1水平分量 zy x σμμσσ-==1这里，γi 是第i 层地层的容重，Z i 是第i 层地层的厚度，μ是当前地层的泊松比。

构造应力是由于地球自转角速度的变化、地球壳体绕地轴旋转产生的离心力和地幔对流等因素所引起的，所以在工程岩体中的构造应力是以水平应力分量为主，其大小将因地层的褶皱、断裂、升降等等地质构造现象及程度不同而异。

综合大量实测资料和近代理论，初始地应力场的一般分布规律有如下特点：1)初始地应力一般是三轴压应力状态，且受地表地形地貌、山川河流和构造影响，其分布往往十分复杂；2)三个主应力的大小一般互不相等，其中两个(近)水平方向主应力也不相同，且最大水平主应力的方向与区域性构造形迹密切相关，往往是构造应力影响的结果；3)三个主应力的方向一般偏离铅垂或水平方向不大，引起偏离的主要原因是构造、岩层倾角或局部不均质影响；4)初始地应力中的铅垂应力分量基本上等于上覆岩体的自重，它随深度呈线性增长；5)初始地应力的两个近水平应力分量分布十分复杂，因地而异，且随深度而变化；两个水平应力的平均值与铅垂应力的比值λ的统计规律可概括为侧应力系数(平均)与深度呈双曲线变化，越近地表平均水平应力相对高于铅垂应力；往下越相接近，一定深度之后变得小于铅垂应力。

进入到蠕变变形阶段，可将蠕变变形一般可分成三个阶段：(1)第一蠕变阶段(AB段),也称过渡蠕变阶*段,在这个阶段内,蠕变为向下弯曲的形状,也就是说曲线的斜率逐渐变小，若在这一阶段之中(曲线上某一点E)进行卸载，则应变沿着曲线EFG下降，最后应变为零、其中EF曲线为瞬时弹性应变之恢复曲线，而FG曲线表示应变随时间逐渐恢复为零；(2)第二蠕变阶段(BC段), 也称稳定蠕变阶段，蠕变变形曲线近似一倾斜直线，即蠕变应变率保持常量，一直持续到C点。

若在这一阶殷中进行卸载，则应变沿曲线HIJ逐渐恢复趋近于一渐近线，最后保留一定永久应变;(3)第三蠕变阶段(CD段),也称加速蠕变阶段，应变率由C点开始迅速增加，达到D点，岩石即发生破坏，这一阶段完成时间较短，严格地说，这一阶段可分为两个区间：即发育着延性变形但尚未引起破坏的阶段(CP段)和微裂隙剧烈发展导致变形剧增和引起破坏的阶段(PD段)，它相当于褶皱形成后的断裂形成阶段。

5) 同一种岩石，其载荷值越大，在第二阶段持续的时间也就越短，第三阶段破坏出现也就越快。

在载荷很大的情况下，几乎加载之后立即产生破坏。

一般中等载荷，所有的三个蠕变变形阶段表现得十分明显。

任何一个蠕变变形阶段的持续时间，都取决子岩石类型、载荷值及温度等因素。