【正文】 【科學(xué)出版社 蔡美峰主編】習(xí)題與思考題及解答 第一章巖石物理力學(xué)性質(zhì) ？ 答：巖石中主要造巖礦物有：正長(zhǎng)石、斜長(zhǎng)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(fēng)化的橄欖石、輝石及斜長(zhǎng)石組成，所以非常容易風(fēng)化。 ？各有什么特點(diǎn)？ 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(qiáng)度一般較大，抗風(fēng)化能力強(qiáng)；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(qiáng)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(diǎn)？ 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(jià)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(duì)較弱，從而造成礦物晶粒邊界相對(duì)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(diǎn)？ 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(jiān)硬，空隙少，力學(xué)強(qiáng)度高，透水性弱，抗水性強(qiáng)；淺成巖成分與相應(yīng)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(xì)粒結(jié)構(gòu)，細(xì)粒巖石強(qiáng)度比深成巖高，抗風(fēng)化能力強(qiáng)，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(fù)雜，巖性不一，各向異性顯著，巖體連續(xù)性差，透水性強(qiáng)，軟弱結(jié)構(gòu)面發(fā)育。 沉積巖是由風(fēng)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(yùn)，在適當(dāng)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(zhǎng)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(diǎn)，沉積巖可分為：火山碎屑巖、膠結(jié)碎屑巖、粘土巖、化學(xué)巖和生物化學(xué)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(qiáng)等變質(zhì)因素復(fù)雜，其力學(xué)性質(zhì)差別很大，不能一概而論。 ？ 巖石力學(xué)與工程 【科學(xué)出版社 蔡美峰主編】習(xí)題與思考題及解答 ？對(duì)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?yàn)檩S向主應(yīng)力因起破壞面的剪應(yīng)力超過巖石最大剪應(yīng)力而導(dǎo)致的破壞；后一類破 壞主要是因?yàn)檩S向主應(yīng)力引起破壞面橫向拉應(yīng)力超過巖石最大拉應(yīng)力而導(dǎo)致的破壞。 ，巖石承受對(duì)稱壓縮，為什么在破壞面上出現(xiàn)拉應(yīng)力？繪制試件受力圖說明實(shí)驗(yàn)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(yīng)力，隨著位置向圓盤中心移動(dòng)，X 向壓應(yīng)力變小并出現(xiàn)拉應(yīng)力，并逐漸均勻化，在 Y 向上，隨著位置向圓盤中央靠近，壓應(yīng)力逐漸減小并均勻化，但始終是處于壓的狀態(tài)，又因?yàn)閹r石抗拉強(qiáng)度低，故圓盤試件在中央沿直徑發(fā)生劈裂破壞。 應(yīng)變曲線，為什么普通材料試驗(yàn)機(jī)得不出全 應(yīng)力 應(yīng)變曲線？ 答：能全面反映巖石受壓破壞過程中的應(yīng)力、應(yīng)變特征，特別是巖石破壞后的強(qiáng)度與力學(xué)性 巖石力學(xué)與工程 【科學(xué)出版社 蔡美峰主編】習(xí)題與思考題及解答 質(zhì)變化規(guī)律的應(yīng)力應(yīng)變曲線就叫全應(yīng)力 應(yīng)變曲線。普通試驗(yàn)機(jī)只能得出半程應(yīng)力 應(yīng)變曲線不能得出全應(yīng)力 應(yīng)變曲線的原因是由于試驗(yàn)機(jī)的剛性不足，在巖石壓縮過程中，試件受壓，試驗(yàn)機(jī)框架受拉，隨著巖樣不斷被壓縮，試驗(yàn)機(jī)發(fā)生的彈性變形以應(yīng)變能形式存于機(jī)器中，當(dāng)施加壓力超過巖石抗壓強(qiáng)度，試件破壞，此時(shí)，試驗(yàn)機(jī)迅速回彈，被存于試驗(yàn)機(jī)中 的應(yīng)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(qiáng)度后受壓的應(yīng)力應(yīng)變曲線。 應(yīng)變曲線預(yù)測(cè)巖石的巖爆、流變和反復(fù)加、卸載作用下的破壞？ 答：（ 1）如下圖示全應(yīng)力應(yīng)變曲線： 左半部 A的面積代表，達(dá)到峰值強(qiáng)度時(shí)，積累在試件內(nèi)部的應(yīng)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(huì)產(chǎn)生巖爆，若 A＜ B，則說明應(yīng)變能在破壞過程中全部消耗掉，因而不會(huì)產(chǎn)生巖爆。 （ 2）在試件 加載到一定程度，保持一定應(yīng)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(yīng)變達(dá)到某一值，蠕變就停止，全應(yīng)力 應(yīng)變曲線預(yù)測(cè)蠕變可由下應(yīng)變 應(yīng)力曲線預(yù)測(cè)蠕變破壞圖示意： 圖中，全應(yīng)力 應(yīng)變曲線及蠕變終止軌跡線由大量實(shí)驗(yàn)所得，（ 1）當(dāng)應(yīng)力在 H點(diǎn)以下時(shí)，保持應(yīng)力不變，試件不會(huì)發(fā)生蠕變；（ 2）當(dāng)應(yīng)力在 H 至 G 點(diǎn)見時(shí)，保持應(yīng)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(dāng)應(yīng)力在 G點(diǎn)以上時(shí)，保持應(yīng)力值不變，試件發(fā)生蠕變，蠕變應(yīng)變最終達(dá)到破壞段應(yīng)力應(yīng)變曲線破壞段 ，試件發(fā)生破壞，如 AB,CD；（ 4）從 C點(diǎn)開始發(fā)生蠕變則到 D點(diǎn)發(fā)生破壞，若從 A點(diǎn)發(fā)生蠕變，則到 B點(diǎn)發(fā)生破壞，前者，蠕變時(shí)間較后者長(zhǎng)。 （ 3）全應(yīng)力 應(yīng)變曲線預(yù)測(cè)循環(huán)加載下巖石的破壞： 巖石力學(xué)與工程 【科學(xué)出版社 蔡美峰主編】習(xí)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(yīng)力應(yīng)變圖中表現(xiàn)出若干的滯回環(huán)，并不斷向破壞段應(yīng)力 應(yīng)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(yīng)力 應(yīng)變圖可看出，高應(yīng)力狀態(tài)下加載循環(huán)荷載，巖石在較短時(shí)間 內(nèi)發(fā)生破壞，在低應(yīng)力狀態(tài)下加載循環(huán)荷載則需要較長(zhǎng)時(shí)間才發(fā)生破壞。 ，巖石的力學(xué)性質(zhì)會(huì)發(fā)生哪些變化？ 答：三軸壓縮試驗(yàn)條件下，巖石的抗壓強(qiáng)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(yīng)力 應(yīng)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(shí)驗(yàn)結(jié)果繪制莫爾強(qiáng)度包絡(luò)線？ 答：莫爾強(qiáng)度理論認(rèn)為材料在單向壓縮、拉伸、純剪切時(shí)所得到的在各種應(yīng)力狀態(tài)下的極限應(yīng)力圓具有一條公共包絡(luò)線，這條包絡(luò)線與每個(gè)極限應(yīng)力圓相切，能夠反映材料內(nèi) 部各點(diǎn)受外荷載作用時(shí)材料破壞的性質(zhì)，這條包絡(luò)線就叫做莫爾包絡(luò)線。 對(duì)巖石試件的三軸壓縮試驗(yàn)，可以通過對(duì)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(luò)線。從工程應(yīng)用的角度來看，可以在單向拉伸與壓縮兩種應(yīng)力狀態(tài)下，以通過試驗(yàn)結(jié)果得到的兩個(gè)極限應(yīng)力圓為依據(jù)，以這兩個(gè)圓的公切線作為近似而取直線的公共包絡(luò)線。 ？試?yán)L圖加以說明？ 答：如圖角模壓剪試驗(yàn)受力示意圖： 上圖說明，剪切面上可分解為沿剪切面的剪應(yīng)力 T=Psina/A和垂直于剪切面的正應(yīng)力 N=Pcosa/A，上圖示試驗(yàn)表明，剪切面得正應(yīng)力越大，試件被剪切破壞前的剪應(yīng)力也越大，因?yàn)榧羟衅茐那耙欢ㄒ朔Σ亮?f和剪切面得粘結(jié)力（內(nèi)聚力） c，又 f=μN(yùn)，故 T=μN(yùn)+c，及正應(yīng)力越大，摩擦力越大，巖石發(fā)生剪切破壞所需的剪應(yīng)力也越大，說明抗剪強(qiáng)度越強(qiáng)。 。 答：?jiǎn)屋S壓縮條件下巖石變形特征分四個(gè)階段： 巖石力學(xué)與工程 【科學(xué)出版社 蔡美峰主編】習(xí)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(kuò)容，軸向應(yīng)變和體積應(yīng)變速率迅速增大。 （ 4）破裂后階段（ D點(diǎn)以后）：巖塊承載力達(dá)到峰值強(qiáng)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(fù)加載和卸載條件下，因其應(yīng)力 應(yīng)變曲線路徑重合或形成閉合回路，多次循環(huán)加 卸載，其應(yīng)力 應(yīng)變圖形不變，因?yàn)樽冃卧趶椥苑秶鷥?nèi)。 （ 2）彈塑性巖石等荷循環(huán)加、卸載荷：如果卸載點(diǎn)未超過屈服點(diǎn)，其受力處于彈性狀態(tài)與 （ 1）同論；若卸載點(diǎn)超過屈服點(diǎn)，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(dāng)循環(huán)應(yīng)力峰值小于臨界應(yīng)力 σ1時(shí)，循環(huán)次數(shù)及時(shí)很多也不會(huì)導(dǎo)致試件破壞，而超臨界應(yīng)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(fù)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(xué)與工程 【科學(xué)出版社 蔡美峰主編】習(xí)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(kuò)大，卸載曲線斜率增加表明卸載應(yīng) 力下的巖石材料彈性有所增強(qiáng)，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(dāng)循環(huán)加、卸載到一定程度時(shí)，試件發(fā)生破壞。 、完全彈性體、彈性體三者的應(yīng)力 應(yīng)變關(guān)系有什么區(qū)別？ 答：如下應(yīng)力 應(yīng)變曲線 彈性體：應(yīng)力 應(yīng)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(yīng)力 應(yīng)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(yīng)力 應(yīng)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(yīng)力 應(yīng)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(fù)的彈性形變， MN 段稱不可恢復(fù)的塑性形變。 ？簡(jiǎn)述巖石擴(kuò)容的發(fā)生過程。 答：巖石擴(kuò)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(duì)應(yīng)最大、中間、最小主應(yīng)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(gè)階段：（ 1）體積變形階