【正文】 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。 ，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：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。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。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。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。 ，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。具有方向性。 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。包括礦物的解理、晶格缺陷、晶粒邊界、粒間空隙、微裂隙等。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。 ？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?！究茖W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。 結(jié)晶連接指礦物顆粒通過結(jié)晶相互嵌合在一起。 ，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。 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)。 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。 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。 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。 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。 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。 ？ 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。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。 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。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。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。 （ 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。 ？如何根據(jù)實驗結(jié)果繪制莫爾強度包絡(luò)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(luò)線，這條包絡(luò)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(luò)線就叫做莫爾包絡(luò)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(luò)線。 。 （ 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。 （ 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)。 （ 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：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)。 ？簡述巖石擴容的發(fā)生過程。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）體積變形階段：體積應變在彈性范圍內(nèi)，隨應力增加而呈線性變化，此階段 ε1＞ |ε2+ε3|體積減?。唬?2）體積不變階段：體積發(fā)生形變，但體積應變增量近似為零， ε1＝ |ε2+ε3|體積不變；（ 3）擴容階段：兩側(cè)向變形之和超過最大主應力壓縮變形， ε1＜ |ε2+ε3|，體積增大。 答：巖石的全部或部分物理、力學性質(zhì)隨方向不同而表現(xiàn)出差異的現(xiàn)象稱著巖石的各向異性； 如果在彈性體中存在著三個相互正交的彈性對稱面，在各個面兩邊對稱方向上彈性相同，但在這個彈性主向上彈性并不相同 ，這種物體稱為正交各向異性體；其應力應變對應關(guān)系表示為： 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 物體內(nèi)部某一面的各個方向彈性性質(zhì)相同，這個面稱為各向同性面，垂直該面方向的力學性質(zhì)不同，具有這樣性質(zhì)的物體稱為橫觀各向異性體，其應力 應變關(guān)系表示為：（需校驗） ？如何影響的？ 答：主要影響因素有：水、溫度、加載速率、圍壓、風化程度等。 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 第二章巖體力學性質(zhì) ？ 答：包括地應力、地下水和地溫三部分。對賦存在一定地應力環(huán)境中的巖體來說，地應力對巖體形成的圍壓越大，其承載能力越大。試驗表明低圍壓下表現(xiàn)出脆性破壞的巖體在高圍壓下呈剪塑性變形。地應力可以使不連續(xù)變形的巖體轉(zhuǎn)化為連續(xù)變形的巖體。 。壓力愈合指具有粘性成分的物質(zhì)的碎裂巖體經(jīng)高圍壓作用下，其結(jié)構(gòu)面重新粘結(jié)在一起，形成完整結(jié)構(gòu)；膠結(jié)愈合指碎裂巖體經(jīng)膠結(jié)物粘結(jié)在一起，形成完整結(jié)構(gòu)，但后期愈合面 強度低于原巖強度。 （ 3）板裂結(jié)構(gòu)巖體：主要發(fā)育于經(jīng)過皺褶作用的層狀巖體內(nèi)，受一組軟弱結(jié)構(gòu)面切割，結(jié)構(gòu)體呈板狀，軟弱結(jié)構(gòu)面組要為層間錯動面或塊狀原生結(jié)構(gòu)巖體內(nèi)的似層間錯動，結(jié)構(gòu)體多為組合板塊結(jié)構(gòu)，有的亦為完整板塊狀結(jié)構(gòu)。 （ 5）續(xù)斷結(jié)構(gòu)巖體：結(jié)構(gòu)面不連續(xù)，對巖體切而不斷。 答：巖體結(jié)構(gòu)的分類對特定的工程條件有唯一性，對于確定的地質(zhì)條件只有在確定的工程尺寸條件下，工程巖體結(jié)構(gòu)才是唯一的。 ，結(jié)構(gòu)面分為幾種類型？ 答：按照結(jié)構(gòu)面成因，巖體結(jié)構(gòu)面分為原生結(jié)構(gòu)面、構(gòu)造結(jié)構(gòu)面及次生結(jié)構(gòu)面。 答：巖體結(jié)構(gòu)面分為五級，見下表： 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 。 10.結(jié)構(gòu)面的力學性質(zhì)的尺寸效應體現(xiàn)在哪幾個方面？ 答： (1)隨著試塊面積增加，巖石平均峰值摩擦角和平均峰值剪切應力呈減少趨勢； （ 2）隨著結(jié)構(gòu)面尺寸的增大。 下巖體變形有什么特點？ 答：（ 1）加、卸在過程相應的應力 應變曲線出現(xiàn)閉環(huán)形式，出現(xiàn)卸載回彈變形的滯 后現(xiàn)象，產(chǎn)生殘余變形 。 ？ 答：當結(jié)構(gòu)面受力狀態(tài)處于其莫爾強度包絡(luò)線之上或以上，則巖體沿該結(jié)構(gòu)面發(fā)生破壞，若結(jié)構(gòu)面受力狀態(tài)落在其莫爾強度包絡(luò)線之下，則巖體不沿該結(jié) 構(gòu)面發(fā)生破壞。 （ 1）當?shù)谝唤M結(jié)構(gòu)面與第一主應力夾角 2β＜ 2β1或 2β＞ 2β1’ 時，巖體不發(fā)生破壞； （ 2）當?shù)谝唤M結(jié)構(gòu)面與第一主應力夾角 2β1＜ 2β＜ 2β2或 2β1’ ＞ 2β＞ β2’ 時，巖體沿第一組結(jié)構(gòu)面發(fā)生破壞； 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 (3) 當?shù)诙M結(jié)構(gòu)面與第一主應力夾角 2β1＜ 2β＜ 2β1’ ，且未達到巖石破壞極限，則巖體沿第二 組結(jié)構(gòu)面破壞； （ 4）上述條件不滿足，則巖體沿某一截面發(fā)生破壞。 答： HeokBrown經(jīng)驗方程表述如下： 式中 σ σ3分別為為破壞時巖體的最大主應力何最小主應力， σc為巖塊的單軸抗壓強度， m、 s為與巖性及結(jié)構(gòu)面有關(guān)的常數(shù)，分別令 σ3=0和 σ1=0可得出巖體單軸抗壓和抗拉的破壞強度