重庆大学博士研究生试题岩石力学年春

一.试述库仑准则和莫尔假定的基本内容。（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）四.什么是岩石的水理性？如何描述岩石的水理性？（20分）五.什么是岩石的应力-应变全过程曲线，研究应力-应变全过程曲线的意义是什么？（20分）一.试述库仑准则和莫尔假定的基本内容该准则是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|=S0+μσ其中，σ和τ是该破坏平面的法向应力和剪应力，S0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(2141)，这里的内摩擦角1tan。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(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；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。四.什么是岩石的水理性？如何描述岩石的水理性？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。岩石的水理性主要包括吸水性、抗冻性和软化系数三个方面。岩石的吸水性是指岩石吸收水分的性能，其水量的大小取决于岩石孔隙体积的大小及其敞开或封闭程度等，描述岩石吸水性的指标有吸水率、饱水率和饱水系数。岩石的吸水率V1为标准大气压力下，岩石吸入水的重量W1与岩石干重量Wd之比：%10011dWWV岩石的饱水率V2为高压（150个大气压）或真空条件下，岩石吸入水的重量W2与岩石干重量Wd之比：%10022dWWV岩石的饱水系数Ks为吸水率V1与饱水率V2之比：21VVKs显然，吸水性较大的岩石在吸水后往往会产生较大的膨胀，它将会给地下空间的支护造成很大的压力。岩石的抗冻性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。当岩石经过反复冻结和融解时，由于岩石中含各种矿物的膨胀系数不同，岩石产生不均匀膨胀而导致岩石结构破坏，同时由于岩石中的水分冻结对岩石产生膨胀压力，这都将致使岩石强度降低，甚至引起岩石的破坏。岩石的抗冻性可用抗冻系数Cf表示，它是指岩石试件在±250C的温度区间内，反复降温、冻结、升温、融解，然后测量其抗压强度的下降值cfc，以此强度下降值与冻融实验前的抗压强度c之比的百分率作为抗冻系数Cf：%100ccfcfC其中，c冻融实验前岩石试件的抗压强度，cf冻融实验后岩石试件的抗压强度。岩石中含水量的多少也会影响岩石的强度，一般而言，岩石含水越多，其强度就会越低，通常可以用软化系数c来反映岩石的这种关系。所谓软化系数c，是指岩石试件在饱水状态下的抗压强度c与干燥状态下的抗压强度'c的比值：'ccc各类岩石的软化系数一般在0.45-0.90之间变化。五.什么是岩石的应力-应变全过程曲线，研究应力-应变全过程曲线的意义是什么？所谓岩石的应力-应变全过程曲线是指采用刚性材料试验机对岩石试件在外载荷作用的全过程中所测取的的应力与应变所绘制的应力-应变关系曲线。一般而言，在不同应力条件下，岩石材料的完整应力-应变全过程曲线可分为以下四个部分，亦即是岩石变形的四个基本阶段(如右图所示）：①OA段，曲线稍向上凹，为岩石材料的孔隙压密变形阶段，对于孔隙度较大或结构较为松散的岩石类材料，该变形阶段较为明显；②AB段，曲线非常接近直线的部分,为岩石类材料的弹性变形阶段，并将B点所对应的应力值称为屈服应力或弹性极限，对于坚硬致密的岩石类材料，该直线部分十分明显；③BC段,曲线稍向下凹，到达点时岩石发生宏观破坏，当在BC中任意点K卸载后再加载时，则其B点将移至K点，因此,称此阶段为岩石材料的应变硬化变形阶段，对于软弱类岩石，该应变阶段较为明显；④CD段,岩石此时虽然已经发生宏观破坏，但由于尚未完全破裂仍能够承受一定载荷，但其承载能力将随变形的逐渐增大而减小，当在BC中任意点Q卸载后再加载时，则其所能达到的最高应力值将比Q点的应力值要低，所以称此变形阶段为应变软化变形阶段。研究应力-应变全过程曲线的工程意义主要表现在以下两个方面：一是从岩石应力-应变全过程曲线中可以看出，岩石即使在发生破坏而且变形很大的情况下，也具有一定的承载能力，事实上，在矿井中所看到的岩体都有程度不同的破裂，但仍具有一定的承载能力，也就是这个原因；二是从岩石应力-应变全过程曲线中可以判定该种岩石在高应力作用下是否会易于发生岩爆，因为一般而言，岩石试件中的应力在达到峰值以前，积蓄于岩石试件内部的弹性应变能就约等于应力-应变全过程曲线峰值左侧的面积A，而岩石试件破坏时所消耗的能量也就等于应力-应变全过程曲线峰值右侧的面积B，若AB，则表示该岩石在高应力作用下破坏后尚剩余部分能量，这部分能量的突然释放就及有可能会引起岩爆。另外，也可以通过岩石的应力-应变全过程曲线预测其是否发生蠕变破坏和循环载荷条件下是否发生破坏。