【正文】 【科學出版社 蔡美峰主編】習題與思考題及解答 第一章巖石物理力學性質(zhì) ？ 答：巖石中主要造巖礦物有：正長石、斜長石、石英、黑云母、白云母、角閃石、輝石、橄欖石、方解石、白云石、高嶺石、磁鐵礦等。 ？ 答：基性和超基性巖石主要是由易風化的橄欖石、輝石及斜長石組成，所以非常容易風化。 ？各有什么特點？ 答：巖石中結(jié)構(gòu)連接的類型主要 有兩種，分別是結(jié)晶連接和膠結(jié)連接。 結(jié)晶連接指礦物顆粒通過結(jié)晶相互嵌合在一起。這類連接使晶體顆粒之間緊密接觸，故巖石強度一般較大，抗風化能力強；膠結(jié)連接指巖石礦物顆粒與顆粒之間通過膠結(jié)物連接在一起，這種連接的巖石，其強度主要取決于膠結(jié)物及膠結(jié)類型。 ，主要指哪些，各有什么特點？ 答：巖石中的微結(jié)構(gòu)面（或稱缺陷）是指存在于礦物顆粒內(nèi)部或礦物顆粒及礦物集合之間微小的若面及空隙。包括礦物的解理、晶格缺陷、晶粒邊界、粒間空隙、微裂隙等。 礦物解理面指礦物晶體或晶粒受力后沿一定結(jié)晶防線 分裂成光滑平面，解理面往往平行于礦物晶體面網(wǎng)間距較大的面網(wǎng)。 晶粒邊界：由于礦物晶粒表面電價不平衡而引起礦物表面的結(jié)合力，該結(jié)合力源小于礦物晶粒內(nèi)部分子、原子、離子鍵之間的作用力，因此相對較弱，從而造成礦物晶粒邊界相對軟弱。 微裂隙：指發(fā)育于礦物顆粒內(nèi)部及顆粒之間的多呈閉合狀態(tài)的破裂痕跡線。具有方向性。 粒間空隙：多在成巖過程中形成晶粒之間、膠結(jié)物之間微小的空隙。 ，可以分為幾大類，各大類有何特點？ 答：按地質(zhì)成因分類，自然界中巖石可分為巖漿巖、沉積巖和變質(zhì)巖三大類。 巖漿巖按照巖漿冷凝成巖的地質(zhì)環(huán)境不同又可分為深成巖、淺成巖和噴出巖。其中深成巖常形成巨大的侵入體，有巨型巖體，大的如巖盤、巖基，其形成環(huán)境都處在高溫高壓之下，形成過程中由于巖漿有充分的分異作用，常常形成基性巖、超基性巖、中性巖及酸性、堿性巖等，其巖性較均一，變化較小，巖體結(jié)構(gòu)呈典型的塊狀結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)多為六面體和八面體，巖體顆粒均勻，多為粗 中粒結(jié)構(gòu)，致密堅硬，空隙少，力學強度高，透水性弱，抗水性強；淺成巖成分與相應的深成巖相似，其產(chǎn)狀多為巖床、巖墻、巖脈等小侵入體，巖體均一性差，巖體結(jié)構(gòu)常呈鑲嵌式結(jié)構(gòu)，巖石 常呈斑狀結(jié)構(gòu)和均粒 中細粒結(jié)構(gòu)，細粒巖石強度比深成巖高，抗風化能力強，斑狀結(jié)構(gòu)則差一些；噴出巖有噴發(fā)及溢流之別，其結(jié)構(gòu)比較復雜，巖性不一，各向異性顯著，巖體連續(xù)性差，透水性強，軟弱結(jié)構(gòu)面發(fā)育。 沉積巖是由風化剝蝕作用或火山作用形成的物質(zhì)，在原地或被外力搬運，在適當條件下沉積下來，經(jīng)膠結(jié)和成巖作用而形成的。其礦物成分主要是粘土礦物、碳酸鹽和殘余的石英長石等，具層理構(gòu)造，巖性一般具有明顯的各向異性，按形成條件和結(jié)構(gòu)特點，沉積巖可分為：火山碎屑巖、膠結(jié)碎屑巖、粘土巖、化學巖和生物化學巖等。 變質(zhì)巖是在已有巖石 的基礎(chǔ)上，經(jīng)過變質(zhì)混合作用形成的。因其形成的溫度、壓強等變質(zhì)因素復雜，其力學性質(zhì)差別很大，不能一概而論。 ？ 巖石力學與工程 【科學出版社 蔡美峰主編】習題與思考題及解答 ？對各種破壞的原因作出解釋。 答：巖石在單軸壓縮載荷作用下，破壞形式包含三種： X狀共軛面剪切破壞、單斜面剪切破壞和拉伸破壞。前兩類破壞形式主要是因為軸向主應力因起破壞面的剪應力超過巖石最大剪應力而導致的破壞；后一類破 壞主要是因為軸向主應力引起破壞面橫向拉應力超過巖石最大拉應力而導致的破壞。 ，巖石承受對稱壓縮，為什么在破壞面上出現(xiàn)拉應力？繪制試件受力圖說明實驗的基本原理。 答：試件受力圖如下： 從圖上看出：在圓盤邊緣 x、 y向都表現(xiàn)出壓應力，隨著位置向圓盤中心移動，X 向壓應力變小并出現(xiàn)拉應力，并逐漸均勻化，在 Y 向上，隨著位置向圓盤中央靠近，壓應力逐漸減小并均勻化，但始終是處于壓的狀態(tài)，又因為巖石抗拉強度低，故圓盤試件在中央沿直徑發(fā)生劈裂破壞。 應變曲線，為什么普通材料試驗機得不出全 應力 應變曲線？ 答：能全面反映巖石受壓破壞過程中的應力、應變特征，特別是巖石破壞后的強度與力學性 巖石力學與工程 【科學出版社 蔡美峰主編】習題與思考題及解答 質(zhì)變化規(guī)律的應力應變曲線就叫全應力 應變曲線。普通試驗機只能得出半程應力 應變曲線不能得出全應力 應變曲線的原因是由于試驗機的剛性不足，在巖石壓縮過程中，試件受壓，試驗機框架受拉，隨著巖樣不斷被壓縮，試驗機發(fā)生的彈性變形以應變能形式存于機器中，當施加壓力超過巖石抗壓強度，試件破壞，此時，試驗機迅速回彈，被存于試驗機中 的應變能瞬間釋放到巖石試件中，引起巖石的激烈破壞和崩解，因而造成無法獲得巖石在超過峰值破壞強度后受壓的應力應變曲線。 應變曲線預測巖石的巖爆、流變和反復加、卸載作用下的破壞？ 答：（ 1）如下圖示全應力應變曲線： 左半部 A的面積代表，達到峰值強度時，積累在試件內(nèi)部的應變能，右半部 B代表試件從破裂到破壞所消耗的能量。若 A＞ B，說明巖石破壞后尚余一部分能量，這部分能量突然釋放就會產(chǎn)生巖爆，若 A＜ B，則說明應變能在破壞過程中全部消耗掉，因而不會產(chǎn)生巖爆。 （ 2）在試件 加載到一定程度，保持一定應力水平不變，試件將發(fā)生蠕變，蠕變發(fā)生到一定程度，即應變達到某一值，蠕變就停止，全應力 應變曲線預測蠕變可由下應變 應力曲線預測蠕變破壞圖示意： 圖中，全應力 應變曲線及蠕變終止軌跡線由大量實驗所得，（ 1）當應力在 H點以下時，保持應力不變，試件不會發(fā)生蠕變；（ 2）當應力在 H 至 G 點見時，保持應力不變，試件發(fā)生蠕變，最終發(fā)展到蠕變終止軌跡線，停止蠕變，試件不破壞，如 EF；（ 3）當應力在 G點以上時，保持應力值不變，試件發(fā)生蠕變，蠕變應變最終達到破壞段應力應變曲線破壞段 ，試件發(fā)生破壞，如 AB,CD；（ 4）從 C點開始發(fā)生蠕變則到 D點發(fā)生破壞，若從 A點發(fā)生蠕變，則到 B點發(fā)生破壞，前者，蠕變時間較后者長。 （ 3）全應力 應變曲線預測循環(huán)加載下巖石的破壞： 巖石力學與工程 【科學出版社 蔡美峰主編】習題與思考題及解答 由于巖石的非完全彈性（或非線彈性），在循環(huán)荷載作用下，在應力應變圖中表現(xiàn)出若干的滯回環(huán)，并不斷向破壞段應力 應變曲線靠近，在循環(huán)荷載加載到一定程度，巖石將發(fā)生疲勞破壞，通過全應力 應變圖可看出，高應力狀態(tài)下加載循環(huán)荷載，巖石在較短時間 內(nèi)發(fā)生破壞，在低應力狀態(tài)下加載循環(huán)荷載則需要較長時間才發(fā)生破壞。 ，巖石的力學性質(zhì)會發(fā)生哪些變化？ 答：三軸壓縮試驗條件下，巖石的抗壓強度顯著增大；巖石的變形顯著增大；巖石的彈性極限顯著增大；巖石的應力 應變曲線形態(tài)發(fā)生明顯變化，表明巖石由彈性向彈塑性變化。 ？如何根據(jù)實驗結(jié)果繪制莫爾強度包絡線？ 答：莫爾強度理論認為材料在單向壓縮、拉伸、純剪切時所得到的在各種應力狀態(tài)下的極限應力圓具有一條公共包絡線，這條包絡線與每個極限應力圓相切，能夠反映材料內(nèi) 部各點受外荷載作用時材料破壞的性質(zhì)，這條包絡線就叫做莫爾包絡線。 對巖石試件的三軸壓縮試驗，可以通過對同種巖石試件在不同圍壓條件下（圍壓值從小到大），繪制莫爾圓，連接各莫爾圓的公切線，形成平滑曲線就能繪制出該巖石試件的莫爾包絡線。從工程應用的角度來看，可以在單向拉伸與壓縮兩種應力狀態(tài)下，以通過試驗結(jié)果得到的兩個極限應力圓為依據(jù)，以這兩個圓的公切線作為近似而取直線的公共包絡線。 ？試繪圖加以說明？ 答：如圖角模壓剪試驗受力示意圖： 上圖說明，剪切面上可分解為沿剪切面的剪應力 T=Psina/A和垂直于剪切面的正應力 N=Pcosa/A，上圖示試驗表明，剪切面得正應力越大，試件被剪切破壞前的剪應力也越大，因為剪切破壞前一定要克服摩擦力 f和剪切面得粘結(jié)力（內(nèi)聚力） c，又 f=μN，故 T=μN+c，及正應力越大，摩擦力越大，巖石發(fā)生剪切破壞所需的剪應力也越大，說明抗剪強度越強。 。 答：單軸壓縮條件下巖石變形特征分四個階段： 巖石力學與工程 【科學出版社 蔡美峰主編】習題與思考題及解答 （ 1）空隙裂隙壓密階段（ 0A段）：試件中原有張開結(jié)構(gòu)面或微裂隙逐漸閉合，巖石被壓密，試件橫向膨脹較小，體積隨載荷增大而減小。 （ 2）彈性變形至微彈性裂隙穩(wěn)定發(fā)展階段（ AC 段）：巖石發(fā)生彈性形變，隨著載荷加大巖石發(fā)生軸向壓縮，橫向膨脹，總體積縮小。 （ 3）非穩(wěn)定破裂發(fā)展階段（ CD 段）：微破裂發(fā)生質(zhì)的變化，破裂不斷發(fā)展直至試件完全破壞，體積由壓縮轉(zhuǎn)為擴容，軸向應變和體積應變速率迅速增大。 （ 4）破裂后階段（ D點以后）：巖塊承載力達到峰值強度后，內(nèi)部結(jié)構(gòu)遭到破壞，試件保持整體狀，隨著繼續(xù)施壓，裂隙快速發(fā)展，出 現(xiàn)宏觀斷裂面，此后表現(xiàn)為宏觀斷裂面的塊體滑移。 。 答：（ 1）線彈性或完全彈性巖石：在反復加載和卸載條件下，因其應力 應變曲線路徑重合或形成閉合回路，多次循環(huán)加 卸載，其應力 應變圖形不變，因為變形在彈性范圍內(nèi)。 （ 2）彈塑性巖石等荷循環(huán)加、卸載荷：如果卸載點未超過屈服點，其受力處于彈性狀態(tài)與 （ 1）同論；若卸載點超過屈服點，在加載過程中發(fā)生塑性形變，每次加、卸載都形成滯回環(huán)，這些滯回環(huán)隨著加、卸次數(shù)增加而愈來愈窄，并且彼此越來越近，巖石愈來愈接近彈性變 形，一直到某次變形沒有塑性變形為止，當循環(huán)應力峰值小于臨界應力 σ1時，循環(huán)次數(shù)及時很多也不會導致試件破壞，而超臨界應力巖 σ1石將在某次循環(huán)中發(fā)生破壞。 （ 3）彈塑性巖石不斷加大循環(huán)加、卸載荷： 多次反復加、卸載，每次施加的最大載荷比上一次循環(huán)的最大荷載大，則形成上述曲線，隨 巖石力學與工程 【科學出版社 蔡美峰主編】習題與思考題及解答 循環(huán)次數(shù)增多，塑性滯回環(huán)面積擴大，卸載曲線斜率增加表明卸載應 力下的巖石材料彈性有所增強，此外，每次卸載再加載，形成變形記憶曲線，塑性變形隨著循環(huán)荷載不斷加大而增大，當循環(huán)加、卸載到一定程度時，試件發(fā)生破壞。 、完全彈性體、彈性體三者的應力 應變關(guān)系有什么區(qū)別？ 答：如下應力 應變曲線 彈性體：應力 應變圖成直線形式，滿足關(guān)系式 σ=Eε(E彈性模量 )。 完全彈性體：應力 應變曲線為曲線，加載卸載曲線重合，滿足關(guān)系式 σ=f(ε)。 彈性體：加、卸載應力 應變曲線形成閉合的滯回環(huán)，卸載曲線與加載曲線不重合，此類材料稱為彈性體材料； 彈塑性體 ：加、卸載應力 應變曲線不重合，且不形成閉合的滯回環(huán)，此類材料稱彈塑性材料，如上圖示，其中 OM段位可恢復的彈性形變， MN 段稱不可恢復的塑性形變。 ？簡述巖石擴容的發(fā)生過程。 答：巖石擴容是巖石在荷載作用下，在其破壞之前的一種明顯的非彈性體積形變。巖石受壓過程中，試件任意微小單元 X、 Y、 Z 方向發(fā)生形變， ε ε ε3分別對應最大、中間、最小主應變，彈性模量和泊松比為常數(shù)的巖石受壓體積變化經(jīng)歷三個階段：（ 1）體積變形階