(完整版)重慶大學(xué)-博士、碩士巖石力學(xué)考題2

1、重慶大學(xué)二零零五年博士生（秋季）入學(xué)考試試題一、 論述巖石的流變特性以及蠕變變形曲線特征。（2020 分）二、 論述摩爾判據(jù)的基本內(nèi)容，并簡要評述摩爾判據(jù)的優(yōu)缺 點。（2020 分）三、 什么是初始地應(yīng)力？試論述初始地應(yīng)力的成因及其分布 規(guī)律。（2 20 0分）四、 評述巖石在復(fù)雜應(yīng)力條件下的的變形特性。（2020 分）五、 論述在單軸壓縮載荷作用時巖石試件的端部約束效應(yīng)。（2020 分）重慶大學(xué)博士生入學(xué)考試試題答案一、論述巖石的流變特性以及蠕變變形曲線特征（2020 分）所謂巖石的流變性質(zhì)就是指巖石的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系與時間因素有關(guān)的性質(zhì)，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

2、變時，變形隨著時間而增長的現(xiàn)象；所謂松弛是指當應(yīng)變保持不變時，應(yīng)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(yīng)變滯后于應(yīng)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(zhuǎn)或彎曲等蠕變實驗來進行研究。實驗表明,在恒定載荷作用下，只要有充分長的時間，應(yīng)力低于或高于彈性極限均能產(chǎn)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(yīng)力大小、性質(zhì)及巖石種類有 關(guān)、而且還與其所在的物理環(huán)境如溫度、圍壓、濕度等因素有關(guān)，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，巖石立即產(chǎn)生一瞬時彈性應(yīng)變& 以近似認為在 t=0t=0 完

3、成，其應(yīng)變?yōu)?e= =c/E/E。若載荷保 持恒定且持續(xù)作用，應(yīng)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 1）第一蠕變階段（ABAB 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 E）進行卸載，則應(yīng)變沿 著曲線 EFGEFG 下降，最后應(yīng)變?yōu)榱?、其?E EF F曲線為瞬時彈 性應(yīng)變之恢復(fù)曲線，而 FGFG 曲線表示應(yīng)變隨時間逐漸恢復(fù) 為零；（2 2）第二蠕變階段（BCBC 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

4、 C C 點。若在這一階殷中進行卸載，則應(yīng)變沿 曲線 HJHJ 逐漸恢復(fù)趨近于一漸近線，最后保留一定永久應(yīng)變顯。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。二、 論述摩爾判據(jù)的基本內(nèi)容，并簡要評述摩爾判據(jù)的優(yōu)缺點（2020 分）。摩爾假定是摩爾于 19001900 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b和剪應(yīng)力T由材料的函數(shù)特征關(guān)系式聯(lián)系：| |T|=f|=f（b）按摩爾假定可以看出：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

5、； 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,摩爾應(yīng)力圓是法向應(yīng)力b軸上的一個點圓，不可能與摩爾包絡(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，而是取決于其極限摩爾應(yīng)力圓與摩爾包絡(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 性的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角有關(guān)。摩爾判據(jù)的優(yōu)點是：在判斷復(fù)雜應(yīng)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

6、考慮了最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力對巖石破壞強度的影響，而忽 略了中間主應(yīng)力的作用，實驗表明中間主應(yīng)力對巖石破壞強度是有一定程度影響的；摩爾判據(jù)不適用 于含有結(jié)構(gòu)面的巖石試件，盡管巖石中的結(jié)構(gòu)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。三、什么是初始地應(yīng)力？試論述初始地應(yīng)力的成因及其分布規(guī)律（2020 分）?；卮鹨c： 初始地應(yīng)力 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。一階

7、段可分為兩個區(qū)間：即發(fā)育著延性變形但尚未引起破壞的階段（CPCP 段）和微裂隙劇烈發(fā)展導(dǎo)致變形劇e（OAOA 段）。這種變形往往按聲速完成，可M 41斜費鮒曲魁儒喪赴耙; ;（3 3）第三蠕變階段（CDCD 段），），也稱加速蠕變階段，應(yīng)變率由 C C 點開始迅速增加，達到D D 點，巖石即發(fā)生破壞，這一階段完成時間較短，嚴格地說，這增和引起破壞的階段（PDPD 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(chǎn)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x工程巖體中的地

8、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 和by，則:鉛垂分量水平分量這里，丫i是第 i i 層地層的容重，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。初始地應(yīng)力的成因：? ?大陸板塊邊界受壓引起的地應(yīng)力場；? ?地幔熱對流引起的地應(yīng)力場；? ?由地心引力引起的地應(yīng)力場；? ?巖漿浸入引起的地應(yīng)力場；? ?地溫梯度引起的地應(yīng)力場；? ?地表剝蝕產(chǎn)生的地應(yīng)力場。初始地應(yīng)力的分布規(guī)律

9、：? ?地應(yīng)力是一個具有相對穩(wěn)定性的非穩(wěn)定應(yīng)力場，它是時間和空間的函數(shù)；? ?地應(yīng)力中的鉛垂應(yīng)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(yīng)力中的水平應(yīng)力普遍大于鉛垂應(yīng)力；? ?平均水平應(yīng)力與鉛垂應(yīng)力的比值隨深度增長而減?。? ?最大水平主應(yīng)力和最小水平主應(yīng)力也隨深度呈線性增長關(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；? ?地應(yīng)力的分布受地形、地表剝蝕、風(fēng)化、巖體結(jié)構(gòu)特征、巖體力學(xué)性質(zhì)、溫度、地下水等因素 的影響，特別是地形和斷層的擾動影響最大。四、評述巖石在復(fù)雜應(yīng)力條件下的的變形特性（2020 分）。在外力作用下，巖石一般不遵從虎克定律，沒

10、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(chǎn)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(yīng)力”等等術(shù)語都是近似的或在一定條件下的平均值。在各種不同應(yīng)力條件下，巖石材料的變形特性可采用應(yīng)力對應(yīng)變作圖所得到的應(yīng)力應(yīng)變曲線來表示。 般而言，巖石材料的完整應(yīng)力應(yīng)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）0A0A 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(jié)構(gòu)較為松散的巖石類

11、 材料，該變形階段較為明顯； ABAB 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 B點所對應(yīng)的應(yīng)力值稱為屈服應(yīng)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；BCBC段，曲線稍向下凹，到達 C C 點時巖石發(fā)生宏觀破壞，當在BCBC 中任意點 K K 卸載后再加載時，則其 B B 點將移至 K K 點，因此，稱此階段為巖石材料的應(yīng)變硬化變形階段，對于軟弱類巖石，該應(yīng)變階段較為明顯；CDCD 段，巖石此時雖然已經(jīng)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 BCBC 中任意點 Q Q 卸載后再加載時，則 其所

12、能達到的最高應(yīng)力值將比 Q Q點的應(yīng)力值要低，所以稱 此變形階段為應(yīng)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(yīng)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(chǎn)生破壞，其應(yīng)力應(yīng)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，0A0A 段幾乎不存在，且其應(yīng)力應(yīng)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，z z 處的豎直方向的自重應(yīng)力為b水平方向的自重應(yīng)力為6izi 1yiZ Z 是第 i i層地層的厚度，是當前地層的泊松比。構(gòu)造應(yīng)力是由于地球圏s巖石3力亠應(yīng)整全過程曲蠟 -巖石在發(fā)生破壞之前，主要表現(xiàn)為孔隙

13、壓縮變形和線彈性變形，其應(yīng)力應(yīng)變曲線在低應(yīng)力下表現(xiàn)出向上 彎曲的現(xiàn)象，隨后近似呈線性關(guān)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，0A0A、ABAB 和 BCBC 段都較為明顯，其應(yīng)力應(yīng)變曲線呈現(xiàn)S S 型曲線，在接近破壞時將產(chǎn)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(fù)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(yīng)力應(yīng)變關(guān)系具有明顯的非單值性，但若將加、卸載值固定后，再反復(fù)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(yīng)的殘余變形量也將 逐漸降低。巖石類材料的變形特性還將受到各種外界與內(nèi)在因素的影響，其主要影響因素有周向應(yīng)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。五、論述在單軸壓縮載荷作用時巖石試件的端部約束效應(yīng)（2020 分）?；卮鹨c：? ? 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(chǎn)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(yīng)力狀態(tài)