【文章內(nèi)容簡介】 一點（40，30，20）如圖1－14上應力圓1 ，在包絡線內(nèi)，不破壞。第二點（，30，）如圖1－14上應力圓2，正好與包絡線相切，說明是極限應力圓，處于極限狀態(tài)，破壞。第三點（，30，1）如圖114上應力圓3 ，破壞。第四點（1000，1000，1000）為軸上一點，坐標為（1000，0）不破壞。 （3）需要指出，畫出強度包絡線和應力圓可以形象地看出是否破壞，但本題亦可通過解析法求解：由極限平衡條件可知，當給定一個圍壓 ，就可以求出在該圍壓下的極限最大主應力，那么，如果該點的就破壞，＜就不破壞，據(jù)此可計算：第一點（40，30，20），不破壞。同理可求出：第二點（，30， )，〔〕＝ ＝＞〔〕，顯然破壞?？梢娮鲌D法所作的極限狀況系作圖中誤差。第三點（，30，1），〔〕＝ 。＝＞〔〕，破壞。第四點（1000，1000，1000），〔〕＝，= 1000 ＜〔〕，不破壞。20．某種巖石在單向壓縮過程中，壓應力達28MPa時發(fā)生破壞，破壞面與最大主平面夾角60176。，假定抗剪強度隨正應力呈線性變化，計算：（1）這種巖石的內(nèi)摩擦角；（2）在正應力為零的平面上的抗剪強度；（3）上述實驗中與最大主平面成30176。夾角的平面上的剪應力；（4）破壞面上的正應力和剪應力。由于抗剪強度隨正應力線性變化，故符合直線型包絡線，可據(jù)此進行計算。答：（1）據(jù)剪切破壞角求巖右內(nèi)摩擦角題意指出抗剪強度隨正應力呈線性變化，符合直線型強度曲線，已知可得內(nèi)摩擦角（2）求內(nèi)聚力C因為 C即為正應力等于零時的巖石抗剪強度。 （3）求與最大主平面成30176。夾角的平面上的抗剪強度（4）破壞面上的正應力和剪應力（5）上述過程還可通過圖1－15看出 圖1－14 圖1－1521．什么叫巖石？什么叫巖體？兩者之間的主要關系？ 答：巖石是組成地殼的基本固態(tài)物質，它由各種造巖礦物或巖屑在地質作用下按一紐唇而成。有時稱為巖塊。巖體是指自然界中由各種巖性和各種結構特征的巖石所組成的集合體。成的。在工程實際中也可以把巖體看作是由結構面和受它包圍的結構體共同組成的。顯然，巖石是組成巖體的基本單元，巖沐的特征除了受巖石基本特征的影響外，還受結構面的影響。巖體和巖石主要有以下不同： （1）從物質組成上，巖石由造巖礦物和巖屑組成；而巖體則由各種巖石組合而成，并因受到成巖時生成的結構面和以后由于地質構造作用而形成的裂隙的影響，也可看作是由結構面和結構體共同組成的。圖1－16 巖體強度變化曲線圖（2）絕大多數(shù)巖石比較致密均勻，可以看作是均勻介質，而巖體由于存在結構面，或巖石組合不同，呈現(xiàn)出明顯的非均質性。（3）當巖石內(nèi)包含有層面時具有各向異性的特點，同一層面內(nèi)則顯示各向同性，但一般情況下塊狀巖石為各向同性；而巖體由于存在結構面，表現(xiàn)出明顯的各向異性。（4）巖石內(nèi)礦物顆粒接觸較緊密、充填物膠結較好，可認為是連續(xù)體，在研究其受載下變形和破壞時可利用連續(xù)介質力學的方法；而巖體由于受結構面的影響，一般屬于非連續(xù)體，研究其受載下的變形和破壞時一般不能應用連續(xù)介質力學的方法； （5）巖石的強度特征是整體強度較為均一，而巖體由于結構面和結構體組合特征不同，整體強度懸殊很大。一些實驗表明，巖體強度和巖石試塊強度有時相差一、兩個量級；（6）從破壞機理上，巖石單向受壓時以剪切破壞為主，在圍壓狀態(tài)下基本是剪切破壞，而多裂隙巖體為無拉伸材料，受壓時常沿結構面破壞。ⅠⅡ圖1－17圖1－18ⅠⅡ22．在單向受壓條件下，如果巖體內(nèi)只有一組平行節(jié)理，當加載方向連續(xù)變化，即加載方向與節(jié)理面（弱面）所成夾角連續(xù)變化時，巖體強度會隨之發(fā)生怎樣變化？ 答：當巖體中存在有一組平行弱面（節(jié)理面）時，加載方向變化，其極限強度也隨之發(fā)生變化。如巖體強度變化曲線圖1－16；可以看出：（1）當加載方向與弱面垂直（）時，巖體強度與弱面無關，巖休強度等于巖塊強度，此時巖體強度最大，為；在無圍壓時，就等于單向抗壓強度；（2）隨著角度由0逐步接近時，巖體強度受弱面的影響越來越大。當，剪切面正好與弱面重合，巖體強度等于弱面的抗剪切強度，顯然，這時巖體強度最小。 （3）由到，巖體強度逐步增加，當時，加載方向與弱面方向平行，由于弱面抗拉強度小，壓應力在垂直弱面方向產(chǎn)生拉應力容易使弱面劈裂。23．圖示節(jié)理巖體的節(jié)理面傾角（見圖1－19） ，節(jié)理面的內(nèi)聚力, 內(nèi)摩擦角；巖體本身內(nèi)聚力，內(nèi)摩擦角。設該節(jié)理巖體受到的圍巖壓力為6MPa ，求該巖體的極限抗壓強度。如果將圍巖壓力提高到 10MP 時，該節(jié)理面對巖體強度有無影響？答：（1）按巖體內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角在圖1－17上畫出直線型包絡線Ⅰ；按節(jié)理面內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角在圖上畫出直線型包絡線Ⅱ；（2）當不考慮弱面影響時，可據(jù)下式求出在圍壓為6MPa時的軸向抗壓強度據(jù)，可畫出極限應力圓a；此極限應力圓a在弱面莫爾直線型包絡線外，連接AP兩點，176。時，就對巖體強度有影響。 （3）由A點（即軸上相當于6MP的點）作與軸成30176。的直線AH與弱面包絡線Ⅱ交于H點，此點的正應力和剪應力即為巖石沿弱面破壞時弱面上的正應力和剪應力，據(jù)此作圖可得出此時巖體受30176。夾角弱面影響的軸向抗壓強度，據(jù)，可畫出極限應力圓b，即為受與水平面成30176。夾角的弱面影響的巖體極限應力圓。（4）如果將圍巖壓力提高10MPa時，那么極限軸向抗壓強度：根據(jù), ，又可以畫出不考慮弱面影響的極限應力圓，然后由D點（即軸圍壓相當于10MPa的點）作與軸成30176。夾角的直線DH′，與弱面的直線型包絡線Ⅱ交于H1點，H1點在極限應方圓c內(nèi)，可見當圍壓提高到10Mpa時，與水平面成30176。夾角的節(jié)理面（弱面）對巖體強度仍有影響。24．已知一節(jié)理巖體本身內(nèi)聚力為 C1＝8MPa ，內(nèi)摩擦角，該巖體內(nèi)有一組平行節(jié)理，節(jié)理面本身的內(nèi)聚力為 C2＝3MPa ，內(nèi)摩擦角試求： （1）當作成巖石試件在普通材料實驗機上作單向抗壓實驗時，節(jié)理面與水平面夾角在多大范圍內(nèi)對巖體單向抗壓強度有影響？影響最大時的單向抗壓強度與沒有影響時巖體單向抗壓強度的百分比是多少？ （2）當在三軸實驗機上作實驗，圍壓等于6Mpa時，節(jié)理面與水平面夾角在多大范圍內(nèi)對巖體極限軸向強度有影響？影響最大時的軸向強度是沒有影響時的百分之幾？ 答：先在一圖上按C1＝8 MPa和畫出巖體的直線型包絡線Ⅰ；按 C2＝3MPa 和2= 30176。畫出節(jié)理面的直線型包絡線Ⅱ，如圖1－18所示。（1）當不考慮節(jié)理面影響時，可求出巖體單向抗壓強度據(jù)此畫出單向坑壓的極限應力圓a，與結構面包絡線Ⅱ交于H點，連接OH ，可量出其與a抽夾角約35176。，可見當節(jié)理面與水平面夾角大于35176。時，對巖體強度就有影響。最大影響角據(jù)此就可以畫出弱面影響最大時的極限應力圓（與包絡線Ⅱ相切）b。實際上亦可通過解析式求得%。（2）同理可求出不考慮弱面圍壓等于6MPa時的巖體三向抗壓強度據(jù)此又可畫出三向受壓極限應力圓c，與結構面包絡線Ⅱ交與H′點，連接AH′，可量出當節(jié)理面與水平面夾角大于40176。時，對巖體強度就有影響。同理可求出當圍壓為6MPa，弱面影響最大時的三向抗壓強度%。25．某礦為施工需要，測定了主井井口表土層下基巖的巖體強度，采用圖 1 1 4 所 圖1－19 圖1－20 巖體現(xiàn)場剪切實驗圖示的巖休現(xiàn)場剪切實驗方法，加工巖體預計的剪切破壞面為 65cmx65cm ，實際施工中由于有誤差，剪切面積 A 如表1現(xiàn)場巖體強度實驗按規(guī)定進行了4次，每次先施加一定的法向力N到一定值后穩(wěn)定不變，再施加傾斜15176。的推力P直到巖體沿AB面剪切破壞。實驗結果如表1－1。表1－1實驗次數(shù)剪切面積A 長寬（cmcm）固定法向力N（KN）破壞時傾斜推力P（KN）165607201240272601651637360602161701465603102121（1）繪出該基巖巖體強度包絡線； 圖1－19（2）如－屬線性關系，求該基巖的巖體內(nèi)聚力C 和內(nèi)摩擦角。 答：（1）作用在破壞面上的正應力和剪應力分別按下式計算：據(jù)此就可以分別求出四次實驗的和；， ，（2）在一 坐標上找出4次實驗對應點：1，2，3，4點（圖1－19）可以看出4個點接近一條直線，因此可判定此巖體強度曲線符合直線型包絡線如圖 1－19所示，得：內(nèi)聚力C＝ 內(nèi)摩擦角26．在礦山壓力和巖層控制的實踐和研究中，較廣泛應用的巖石強度理論有哪些？各有何優(yōu)缺點？今后的前景如何？ 答：在礦山壓力和巖層控制研究中較廣泛應用的巖石強度理論主要有三個：莫爾強度理論，格里菲斯強度理論和八面體剪應力理論。（1）目前，應用最廣的是莫爾強度理論。因為經(jīng)過大量實踐，證明它能較準確地解釋和判斷一些巖石的破壞現(xiàn)象，較全面地反映巖石的強度特性。巖石在不同受力狀態(tài)下的破壞形式，主要有兩種：剪切破壞和拉斷破壞，莫爾強度理論與最大剪應力理論（或稱第三強度理論）不同，后者認為材料在一定受力狀態(tài)下，當其最大剪應力等于單向拉伸實驗時的極限剪應力時，材料破壞。而莫爾強度理論則認為，導致材料破壞的剪應力不僅與材料本身的性質有關，還與破壞面上由正應力造成的摩擦阻力有關，即材料沿某一個面剪斷時的剪應力與該面上的正應力存在一定的函數(shù)關系了。顯然，莫爾強度理論更符合巖體實際所受的復雜的應力狀態(tài)。實驗所得的莫爾強度包絡線，在拉應力區(qū)閉合，也能反映巖石抗拉強度遠小于抗壓強度這一特點。實踐還表明，莫爾強度理論不僅適用于脆性材料的破壞，在有些情況下也適用于塑性材料的破壞。直線型莫爾強度包絡線由巖石抗剪實驗得到，簡易準確，大量被應用作巖石破壞的判據(jù)。莫爾強度理論主要缺陷有二：一是它沒有考慮到中間主應力的影響，二是它以材料剛進入破壞時的極限應力為破壞準則，不能反映材料破壞的漸進性，特別是在高圍壓情況下。（2）格里菲斯強度理論被有些學者認為是最有發(fā)展前途的強度理論，它不僅能解釋巖石脆性破壞現(xiàn)象，而且它的出發(fā)點是認為材料破壞的根據(jù)是其內(nèi)部存在著細微的裂縫，無論在拉應力或壓應力作用下都會在裂縫周圍產(chǎn)生應力集中，形成拉應力，當裂縫端部拉應力大于材料的抗拉強度時，就會由于裂縫的擴大導致材料破壞。這就解釋了許多材料在遠低于其強度極限時就發(fā)生破壞的原因。因此，在格里菲斯理論的基礎上發(fā)展了斷裂力學，在巖石力學中也出現(xiàn)了斷裂巖石力學。一些人用它來研究巖石中裂隙擴展和破壞問題，以及巖石的壓縮破壞機理，近年也有人據(jù)此分析巷道錨噴支護前后裂紋應力場的變化，解釋錨噴機理。但也有人認為格里菲斯強度理論距離實際應用還有一定距離，即巖石中存在的大量節(jié)理裂隙與材料中的一條裂縫有很大區(qū)別，一些實驗表明，巖石中大量裂隙在壓應力作用下產(chǎn)生閉合，某些情況下裂隙閉合反而使強度有所增加，有人據(jù)此對格里菲斯理論進行了修正，可見它在不斷發(fā)展。 （3）八面體剪應力理論，又稱八面體強度理論或形狀改變比能理論或歪形能理論。它認為材料破壞的原因是材料的屈服，而引起材料屈服的原因是八面體剪應力，即材料無論處于何種受力狀態(tài)，只要八面體上的剪應力達到材料單向拉伸破壞時剪應力時，材料就開始屈服。這一理論考慮到了巖石的三向受力襖態(tài)，包括中間主應力，與塑性材料的實驗結果符合，在塑性力學中稱為馮——米賽斯破壞準則，因此在研究巖石的塑性破壞時有應用，但距廣泛應用還有很大距離。 （4）在礦山壓力研究中也有人應用最大變形理論，即第二強度理論，認為巖石的破壞取決于臨介狀態(tài)下的變形，一些現(xiàn)場也以某種變形極限作為判斷巖石破壞的依據(jù)。27．目前，圍巖強度的現(xiàn)場簡易測定方法主要有哪些？其適用條件各是什么？答：在煤礦生產(chǎn)實踐中常常需要及時測定一些巖石的強度參數(shù)，如我國在緩傾斜煤層頂板分類中就要求測定直接頂?shù)膯蜗蚩箟簭姸取＿@些強度參數(shù)通過實驗室?guī)r石力學實驗可以獲得，但要求現(xiàn)場將采集的巖徉送到實臉院所，費時費工，不少礦山希望能有一些在現(xiàn)場簡易測定巖石強度的方法，以便能在現(xiàn)場就地簡便地進行實驗。目前國內(nèi)外應用的方法有：（1）點荷載強度測定法點荷載實驗法可以對現(xiàn)場不規(guī)則巖（煤）塊進行實臉，主要方法是在現(xiàn)場取不規(guī)則巖塊15～25塊，要求巖塊短軸雙點間距3～5cm，將試件置于點荷載儀上下兩個加荷雄之間，利用加荷錐對試件施加壓力，直到試件破壞，通過計算求出試件強度。由于點荷載實驗是通過對試件一對點加載，所需加載量小，因此，點荷載儀結構簡單，便于攜帶，可供現(xiàn)場使用，而且它對巖石試件尺寸、形狀、表面猜度要求不高，取祥制備比較容易。這種實驗方法已正式列入煤炭工業(yè)部標準試驗規(guī)程。圖1－21 斯密特中錘結構示意圖（2）使用可對巖石表面作用集中力的試樣儀裝置，以對不同強度巖石試驗儀工具插入時阻力不同，換算巖體強度。如圖外應用較廣泛的施密特沖擊錘（圖1－21），其原理是將沖錘的活塞桿 1 安放在巖石表面上，沿沖錘的軸線方向向儀器的外殼3加壓，這時活塞桿就壓入外殼內(nèi)部，中央桿抬起止動裝置并在一定時刻沖錘5對活塞桿1產(chǎn)生沖擊，于是活塞桿1回跳到一定高度。巖石的強度特性和彈性不同，活塞桿回跳高度就不同，據(jù)此換算巖石強度。還有用液壓、鉆削等方法進行強度評價的，主要有三種類型：靜力壓入式，動力壓入式和鉆削式，施密特錘屬于動力壓入式。鉆削式的基本原理是根據(jù)巖石強度不同，鉆進速度和取下的巖石碎屑的阻力不同，以純鉆進工m鉆眼所需要時間的平均值作為可鉆性指標進行換算。這類方法簡便易行，但取樣儀所受阻力不僅取決于巖石本身強度，還與巖石所處應力狀態(tài)有關，如在處于高應力區(qū)的阻力與低應力區(qū)的同一巖石阻力就不同。（3）用地球物理方法進行測定，其主要原理是巖石強度不同，對地震、電、磁反應不同來進行的。 （4）搗碎筒法。主要原理是利用巖石強