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矿山压力及其控制习题及解答 第一章 矿山岩石和岩体的基本性质 一、什么叫岩石的应力应变全程曲线？为什么说它真实的反映了岩石的破坏过程？认识这一过程对研究岩石性质有何意义？ 岩石的应力应变全程曲线，又称全应力—应变曲线，是在刚性实验机上得到的、反映岩石加载后变形和破坏全过程的实验曲线。如图1-1，它与在一般普通的材料实验机上所得的曲线不同，可分为以下几段： 1、OA段，为岩石的压密阶段，由于岩石内部各种裂隙受压闭合而形成； 2、AB段，接近于直线，为线弹性阶段，B 点为弹性极限； 3、BC段，为塑性段，与普通材料实验机上脆性岩石发生破坏前塑性段很短相比，它的塑性段较为明显。由于这一阶段岩石内部有微破裂不断发生，又称为破裂发展阶段。岩石到C点发生破坏，C点即为强度极限； 4、CD段、岩石的破坏是一个渐进的发展过程，即岩石在C 点达到强度极限以后仍有一定的承载能力，在低于强度极限的压力下应变继续扩大，直到压力降到某一较小值，岩石在D 点达到完全破坏。这一段卸载曲线CD，称为后破坏曲线或峰后特性曲线。 岩石的应力—应变全程曲线真实地反映了岩石破坏的全过程。过去在普通的材料实验机上得不到这一曲线，是由于普通的材料实验机具有“柔性”，在对岩石试块加载过程中它本身也相应地产生变形，不断地聚积一部分变形能。当岩石达到强度极限后，随试件破裂。 图1 岩石的应力应变全程曲线 二、莫尔强度理论和格里菲斯强度理论提出的基本思想是什么？它们在本质上有何区别？为什么目前莫尔强度理论较广泛地用作岩石的强度条件？ 莫尔强度理论认为，材料破坏主要是由于破坏面上的剪应力达到一定程度，但此剪应力还与破坏面上由于正应力造成的摩擦阻力有关。也就是说，材料某一点发生破坏，不仅取决于该点的剪应力，同时取决于正应力，即沿某一面剪断时剪应力与正应力存在着一定的函数关系，τ=f（σ）。 格里菲斯强度理论则认为，任何材料内部都存在各种细微的裂缝，当材料处于一定的应力状态时，在这些裂缝的端部便会产生应力集中。如果主应力为拉应力，则在裂缝端部产生几倍于主应力的拉应力；如果主应力为压应力，在裂缝端部也产生拉应力。当裂缝周周拉应力超过岩石的抗拉强度时，就会由于岩石的扩展而造成岩石的破坏。 莫尔强度理论的实质是剪切破坏理论，而格里菲斯强度理论的实质是脆性拉断破坏理论，这就是它们实质上的区别。 日前莫尔强度理论之所以广泛地用作岩石的强度条件，是由于它能较全面地反映岩石的强度特性。如它能较好地反映岩石抗拉强度远小于抗压强度的特点；它能解释岩石为什么会在三向受拉时破坏，而在三向等压时不会破坏这样一些基本现象（因为包络线在受拉区闭合，在受压区不闭合）等。 三、在矿山压力和岩层控制的实践和研究中，较广泛应用的岩石强度理论有哪些？各有何优缺点？今后的前景如何？ 在矿山压力和岩层控制研究中较广泛应用的岩石强度理论主要有三个：莫尔强度理论，格里菲斯强度理论和八面体剪应力理论。 1.目前，应用最广的是莫尔强度理论。因为经过大量实践，正明它能较准确地解释和判断一些岩石的破坏现象，较全面地反映岩石的强度特性。岩石在不同受力状态下的破坏形式，主要有两种：剪切破坏和拉断破坏，莫尔强度理论与最大剪应力理论（或称第三强度理论）不同，后者认为材料在一定受力状态下，当其最大剪应力等于单向拉伸实验时的极限剪应力时，材料破坏。而莫尔强度理论则认为，导致材料破坏的剪应力不仅与材料本身的性质有关，还与破坏面上由正应力造成的摩擦阻力有关，即材料沿某一个面剪断时的剪应力与该面上的正应力存在一定的函数关系τ=f（σ）。显然，莫尔强度理论更符合岩体实际所受的复杂的应力状态。实验所得的莫尔强度包络线，在拉应力区闭合，也能反映岩石抗拉强度远小于抗压强度这一特点。实践还表明，莫尔强度理论不仅适用于脆性材料的破坏，在有些情况下也适用于塑性材料的破坏。 直线型莫尔强度包络线由岩石抗剪实验得到，简易准确，大量被应用作岩石破坏的判据。 莫尔强度理论主要缺陷有二：一是它没有考虑到中间主应力σ2的影响；二是它以材料刚进入破坏时的极限应力为破坏准则，不能反映材料破坏的渐进性，特别是在高围压情况下。 2.格里菲斯强度理论被有些学者认为是最有发展前途的强度理论，它不仅能解释岩石脆性破坏现象，而且它的出发点是认为材料破坏的根据是其内部存在着细微的裂缝，无论在拉应力或压应力作用下都会在裂缝周围产生应力集中，形成拉应力，当裂缝端部拉应力大于材料的抗拉强度时，就会由于裂缝的扩大导致材料破坏。这就解释了许多材料在远低于其强度极限时就发生破坏的原因。因此，在格里菲斯强度理论的基础上发展了断裂力学，在岩石力学中也出现了断裂岩石力学。一些人用它来研究岩石中裂隙扩展和破坏问题，以及岩石的压缩破坏机理，近年也有人据此分析巷道锚喷支护前后裂纹应力场的变化，解释锚喷机理。但也有人