岩石力学及工程课后习题及思考解答

第一章岩石物理力学性质1.构成岩石的主要造岩矿物有哪些？答：岩石中主要造岩矿物有：正长石、斜长石、石英、黑云母、白云母、角闪石、辉石、橄榄石、方解石、白云石、高岭石、磁铁矿等。2.为什么说基性岩和超基性岩最容易风化？答：基性和超基性岩石主要是由易风化的橄榄石、辉石及斜长石组成，所以非常容易风化。3.常见岩石的结构连接类型有哪几种？各有什么特点？答：岩石中结构连接的类型主要有两种，分别是结晶连接和胶结连接。结晶连接指矿物颗粒通过结晶相互嵌合在一起。这类连接使晶体颗粒之间紧密接触，故岩石强度一般较大，抗风化能力强；胶结连接指岩石矿物颗粒与颗粒之间通过胶结物连接在一起，这种连接的岩石，其强度主要取决于胶结物及胶结类型。4.何谓岩石中的微结构面，主要指哪些，各有什么特点？答：岩石中的微结构面（或称缺陷）是指存在于矿物颗粒内部或矿物颗粒及矿物集合之间微小的若面及空隙。包括矿物的解理、晶格缺陷、晶粒边界、粒间空隙、微裂隙等。矿物解理面指矿物晶体或晶粒受力后沿一定结晶防线分裂成光滑平面，解理面往往平行于矿物晶体面网间距较大的面网。晶粒边界：由于矿物晶粒表面电价不平衡而引起矿物表面的结合力，该结合力源小于矿物晶粒内部分子、原子、离子键之间的作用力，因此相对较弱，从而造成矿物晶粒边界相对软弱。微裂隙：指发育于矿物颗粒内部及颗粒之间的多呈闭合状态的破裂痕迹线。具有方向性。粒间空隙：多在成岩过程中形成晶粒之间、胶结物之间微小的空隙。5.自然界中的岩石按地质成因分类，可以分为几大类，各大类有何特点？答：按地质成因分类，自然界中岩石可分为岩浆岩、沉积岩和变质岩三大类。岩浆岩按照岩浆冷凝成岩的地质环境不同又可分为深成岩、浅成岩和喷出岩。其中深成岩常形成巨大的侵入体，有巨型岩体，大的如岩盘、岩基，其形成环境都处在高温高压之下，形成过程中由于岩浆有充分的分异作用，常常形成基性岩、超基性岩、中性岩及酸性、碱性岩等，其岩性较均一，变化较小，岩体结构呈典型的块状结构，结构多为六面体和八面体，岩体颗粒均匀，多为粗-中粒结构，致密坚硬，空隙少，力学强度高，透水性弱，抗水性强；浅成岩成分与相应的深成岩相似，其产状多为岩床、岩墙、岩脉等小侵入体，岩体均一性差，岩体结构常呈镶嵌式结构，岩石常呈斑状结构和均粒-中细粒结构，细粒岩石强度比深成岩高，抗风化能力强，斑状结构则差一些；喷出岩有喷发及溢流之别，其结构比较复杂，岩性不一，各向异性显著，岩体连续性差，透水性强，软弱结构面发育。沉积岩是由风化剥蚀作用或火山作用形成的物质，在原地或被外力搬运，在适当条件下沉积下来，经胶结和成岩作用而形成的。其矿物成分主要是粘土矿物、碳酸盐和残余的石英长石等，具层理构造，岩性一般具有明显的各向异性，按形成条件和结构特点，沉积岩可分为：火山碎屑岩、胶结碎屑岩、粘土岩、化学岩和生物化学岩等。变质岩是在已有岩石的基础上，经过变质混合作用形成的。因其形成的温度、压强等变质因素复杂，其力学性质差别很大，不能一概而论。6.表示岩石物理性质的主要指标及其表示方式是什么？答：见下表所示：物理性质符号物理意义计算公式容重γ岩石单位体积（包括岩石内空隙体积）的重量γ=W/V比重Gs岩石固体部分的重量和4℃时同体积纯水重量的比值Gs=Ws/(Vs·γω）空隙性总空隙率n岩石空隙的体积与岩石总体积的比值n=Vρ/V×100%总开空隙率no岩石开型空隙的体积与岩石总体积的比值no=Vρ，o/V*100%大开空隙率nb岩石大开型空隙的体积与岩石总体积的比值nb=Vρ，b/V×100%小开空隙率ns岩石小开型空隙的体积与岩石总体积的比值ns=Vρ，s/V×100%闭空隙率nc岩石闭型空隙的体积与岩石总体积的比值nc=Vρ，c/V×100%水理性天然含水率ω天然状态下岩石中水的质量与岩石烘干质量的比值ω=mω/mrd吸水率ωa岩石在常温条件下吸入水分的质量与其烘干质量的比值ωa=(m0-mdr)/mdr×100%饱和吸水率ωsa岩石在强制条件下（高压、真空煮沸）下，岩石吸入水的质量与岩样烘干质量的比值,亦称饱水率wsa=(msa-mdr)/mdr×100%饱水系数kω岩石吸水率与饱水率的比值kω=ωa/ωsa×100%透水性岩石能被水透过的性能，用渗透系数衡量软化性ηc岩石浸水后软化的性能，用软化系数衡量(饱水岩样抗压强度与烘干岩样抗压强度比值）ηc=σcω/σc抗冻性cf岩石抵抗冻融破坏的性能，用抗冻系数衡量（岩样在±25℃的温度区间内，反复降温、冻结、升温、溶解，其岩样抗压强度下降值与冻融前抗压强度比值）cf=(σc-σcf)/σc×100%7.岩石破坏有几种形式？对各种破坏的原因作出解释。答：岩石在单轴压缩载荷作用下，破坏形式包含三种：X状共轭面剪切破坏、单斜面剪切破坏和拉伸破坏。前两类破坏形式主要是因为轴向主应力因起破坏面的剪应力超过岩石最大剪应力而导致的破坏；后一类破坏主要是因为轴向主应力引起破坏面横向拉应力超过岩石最大拉应力而导致的破坏。8.劈裂法实验时，岩石承受对称压缩，为什么在破坏面上出现拉应力？绘制试件受力图说明实验的基本原理。答：试件受力图如下：r/Rσxσy0拉伸压缩应力值/MP从图上看出：在圆盘边缘x、y向都表现出压应力，随着位置向圆盘中心移动，X向压应力变小并出现拉应力，并逐渐均匀化，在Y向上，随着位置向圆盘中央靠近，压应力逐渐减小并均匀化，但始终是处于压的状态，又因为岩石抗拉强度低，故圆盘试件在中央沿直径发生劈裂破坏。9.什么是全应力-应变曲线，为什么普通材料试验机得不出全应力-应变曲线？答：能全面反映岩石受压破坏过程中的应力、应变特征，特别是岩石破坏后的强度与力学性质变化规律的应力应变曲线就叫全应力-应变曲线。普通试验机只能得出半程应力-应变曲线不能得出全应力-应变曲线的原因是由于试验机的刚性不足，在岩石压缩过程中，试件受压，试验机框架受拉，随着岩样不断被压缩，试验机发生的弹性变形以应变能形式存于机器中，当施加压力超过岩石抗压强度，试件破坏，此时，试验机迅速回弹，被存于试验机中的应变能瞬间释放到岩石试件中，引起岩石的激烈破坏和崩解，因而造成无法获得岩石在超过峰值破坏强度后受压的应力应变曲线。10.如何根据全应力-应变曲线预测岩石的岩爆、流变和反复加、卸载作用下的破坏？答：（1）如下图示全应力应变曲线：ABOCDσε左半部A的面积代表，达到峰值强度时，积累在试件内部的应变能，右半部B代表试件从破裂到破坏所消耗的能量。若A＞B，说明岩石破坏后尚余一部分能量，这部分能量突然释放就会产生岩爆，若A＜B，则说明应变能在破坏过程中全部消耗掉，因而不会产生岩爆。（2）在试件加载到一定程度，保持一定应力水平不变，试件将发生蠕变，蠕变发生到一定程度，即应变达到某一值，蠕变就停止，全应力-应变曲线预测蠕变可由下应变-应力曲线预测蠕变破坏图示意：OσεEFIHCDABG蠕变终止轨迹线图中，全应力-应变曲线及蠕变终止轨迹线由大量实验所得，（1）当应力在H点以下时，保持应力不变，试件不会发生蠕变；（2）当应力在H至G点见时，保持应力不变，试件发生蠕变，最终发展到蠕变终止轨迹线，停止蠕变，试件不破坏，如EF；（3）当应力在G点以上时，保持应力值不变，试件发生蠕变，蠕变应变最终达到破坏段应力应变曲线破坏段，试件发生破坏，如AB,CD；（4）从C点开始发生蠕变则到D点发生破坏，若从A点发生蠕变，则到B点发生破坏，前者，蠕变时间较后者长。（3）全应力-应变曲线预测循环加载下岩石的破坏：OσεABC由于岩石的非完全弹性（或非线弹性），在循环荷载作用下，在应力应变图中表现出若干的滞回环，并不断向破坏段应力-应变曲线靠近，在循环荷载加载到一定程度，岩石将发生疲劳破坏，通过全应力-应变图可看出，高应力状态下加载循环荷载，岩石在较短时间内发生破坏，在低应力状态下加载循环荷载则需要较长时间才发生破坏。11.在三轴压缩试验条件下，岩石的力学性质会发生哪些变化？答：三轴压缩试验条件下，岩石的抗压强度显著增大；岩石的变形显著增大；岩石的弹性极限显著增大；岩石的应力-应变曲线形态发生明显变化，表明岩石由弹性向弹塑性变化。12.什么是莫尔强度包络线？如何根据实验结果绘制莫尔强度包络线？答：莫尔强度理论认为材料在单向压缩、拉伸、纯剪切时所得到的在各种应力状态下的极限应力圆具有一条公共包络线，这条包络线与每个极限应力圆相切，能够反映材料内部各点受外荷载作用时材料破坏的性质，这条包络线就叫做莫尔包络线。对岩石试件的三轴压缩试验，可以通过对同种岩石试件在不同围压条件下（围压值从小到大），绘制莫尔圆，连接各莫尔圆的公切线，形成平滑曲线就能绘制出该岩石试件的莫尔包络线。从工程应用的角度来看，可以在单向拉伸与压缩两种应力状态下，以通过试验结果得到的两个极限应力圆为依据，以这两个圆的公切线作为近似而取直线的公共包络线。13.岩石的抗剪强度与剪切面所受正应力有什么关系？试绘图加以说明？答：如图角模压剪试验受力示意图：PcosαPsinαPPαA上图说明，剪切面上可分解为沿剪切面的剪应力T=Psina/A和垂直于剪切面的正应力N=Pcosa/A，上图示试验表明，剪切面得正应力越大，试件被剪切破坏前的剪应力也越大，因为剪切破坏前一定要克服摩擦力f和剪切面得粘结力（内聚力）c，又f=μN，故T=μN+c，及正应力越大，摩擦力越大，岩石发生剪切破坏所需的剪应力也越大，说明抗剪强度越强。14.简述岩石在单轴压缩条件下的变形特征。答：单轴压缩条件下岩石变形特征分四个阶段：OσεCABD（1）空隙裂隙压密阶段（0A段）：试件中原有张开结构面或微裂隙逐渐闭合，岩石被压密，试件横向膨胀较小，体积随载荷增大而减小。（2）弹性变形至微弹性裂隙稳定发展阶段（AC段）：岩石发生弹性形变，随着载荷加大岩石发生轴向压缩，横向膨胀，总体积缩小。（3）非稳定破裂发展阶段（CD段）：微破裂发生质的变化，破裂不断发展直至试件完全破坏，体积由压缩转为扩容，轴向应变和体积应变速率迅速增大。（4）破裂后阶段（D点以后）：岩块承载力达到峰值强度后，内部结构遭到破坏，试件保持整体状，随着继续施压，裂隙快速发展，出现宏观断裂面，此后表现为宏观断裂面的块体滑移。15.简述岩石在反复加载和卸载条件下的变形特性。答：（1）线弹性或完全弹性岩石：在反复加载和卸载条件下，因其应力-应变曲线路径重合或形成闭合回路，多次循环加-卸载，其应力-应变图形不变，因为变形在弹性范围内。（2）弹塑性岩石等荷循环加、卸载荷：如果卸载点未超过屈服点，其受力处于弹性状态与（1）同论；若卸载点超过屈服点，在加载过程中发生塑性形变，每次加、卸载都形成滞回环，这些滞回环随着加、卸次数增加而愈来愈窄，并且彼此越来越近，岩石愈来愈接近弹性变形，一直到某次变形没有塑性变形为止，当循环应力峰值小于临界应力σ1时，循环次数及时很多也不会导致试件破坏，而超临界应力岩σ1石将在某次循环中发生破坏。OσεHH'σ1AEP（3）弹塑性岩石不断加大循环加、卸载荷：OσεPHICP'H'I'多次反复加、卸载，每次施加的最大载荷比上一次循环的最大荷载大，则形成上述曲线，随循环次数增多，塑性滞回环面积扩大，卸载曲线斜率增加表明卸载应力下的岩石材料弹性有所增强，此外，每次卸载再加载，形成变形记忆曲线，塑性变形随着循环荷载不断加大而增大，当循环加、卸载到一定程度时，试件发生破坏。16.线弹性体、完全弹性体、弹性体三者的应力-应变关系有什么区别？答：如下应力-应变曲线OσεOσPεOσεPP线弹性材料完全弹性材料弹性材料MOσεP弹塑性材料MN弹性体：应力-应变图成直线形式，满足关系式σ=Eε(E-弹性模量);完全弹性体：应力-应变曲线为曲线，加载卸载曲线重合，满足关系式σ=f(ε);弹性体：加、卸载应力-应变曲线形成闭合的滞回环，卸载曲线与加载曲线不重合，此类材料称为弹性体材料；弹塑性体：加、卸载应力-应变曲线不重合，且不形成闭合的滞回环，此类材料称弹塑性材料，如上图示，其中OM段位可恢复的弹性形变，MN段称不可恢复的塑性形变。17.什么是岩石的扩容？简述岩石扩容的