1.2　课后习题详解

1．构成岩石的主要造岩矿物有哪些？

答：岩石中主要的造岩矿物有：正长石、斜长石、石英、黑云母、角闪石、辉石、橄榄石、方解石、白云石、高岭石、赤铁矿等。

2．为什么说基性岩和超基性岩最容易风化？

答：首先，基性岩和超基性岩是由基性岩浆冷凝形成，岩浆中富含铁镁而贫钾钠，粘度小，流动性大，因此冷凝之后易风化；此外，基性和超基性岩石主要是由易于风化的橄榄石、辉石及基性斜长石组成，所以非常容易风化。

3．常见岩石的结构连结类型有哪几种？

答：岩石中结构连结的类型主要有两种：结晶连结和胶结连结。其中，胶结连结又分为基质胶结连结，接触胶结连结和孔隙胶结连结。

4．何谓岩石中的微结构面，主要指哪些，各有什么特点？

答：（1）岩石中的微结构面是指存在于矿物颗粒内部或矿物颗粒与矿物集合体之间微小的弱面及空隙。

（2）岩石中的微结构面主要有：

①解理：矿物的解理面指矿物晶体或晶粒受力后沿一定结晶方向分裂成的光滑平面。

②晶粒边界：矿物晶体内部各粒子都是由各种离子键、原子键、分子键等相连结。由于矿物晶粒表面电价不平衡而使矿物表面具有一定的结合力，但这种结合力一般比起矿物内部的键连结力要小，因此晶粒边界就相对软弱。

③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迹线。

④粒间空隙：在成岩过程中由于结晶岩中晶粒之间、碎屑岩中胶结物未完全充填而形成的空隙。

⑤晶格缺陷：由于晶体外原子入侵结果产生的化学上的缺陷或由于化学比例重新排列而产生的物理上的缺陷。

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：（1）根据地质学的岩石成因分类可把岩石分为岩浆岩、沉积岩和变质岩三大类。

（2）各大类特点

①岩浆岩：地壳以下物质成分复杂，主要含硅酸盐并含有大量的水汽和各种其他气体的岩石。依冷凝成岩浆岩地质环境的不同，将岩浆岩分为三大类：深成岩、浅成岩和喷出岩。

②沉积岩：沉积岩又称水成岩，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，其矿物成分主要是黏土矿物，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，按形成条件及结构特点，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。

③变质岩：变质岩是在已有岩石的基础上，经过变质混合作用后形成的岩石。变质岩的化学成分基本与原岩的化学成分相同，除含有角闪石、碳酸盐类等主要造岩矿物外，变质岩中常出现铝、不含铁的镁硅酸盐矿物、复杂的钙镁铁锰铝的硅酸盐矿物、纯钙的硅酸盐矿物以及主要造岩矿物中的某些特殊矿物。按变质作用类型和成因，可将变质岩分为三种：区域变质岩、接触变质岩和动力变质岩。

6．表示岩石物理性质的主要指标及其表示方式是什么？

答：（1）岩石的密度

岩石单位体积的质量称为岩石的密度，岩石密度表达式为：。

（2）岩石的容重

岩石单位体积的重量称为容重，岩石容重表达式为：。

（3）岩石的比重

岩石的比重是岩石固体部分的重量和4℃时同体积纯水重量的比值，即。

（4）岩石的渗透性

度量岩石允许流体和气体通过的特性称为岩石的渗透性。岩石的渗透性可用达西定律来描述：。

（5）岩石的天然含水率

天然状态下岩石中水的质量与岩石的烘干质量的比值称为岩石的天然含水率，其表达式为：。

（6）岩石的吸水性

岩石在一定条件下吸收水分的性能称为岩石的吸水性。其表达式为：。

7．表示岩石力学性质的指标包含哪两类？解释各自的物理意义。

答：表示岩石力学性质的指标分别是岩石的强度和变形。

（1）岩石的强度

岩石的强度是指岩石在各种荷载作用下，达到破坏时所能承受的最大应力。包括抗压强度，抗拉强度和抗剪切强度。

（2）岩石的变形

岩石在荷载作用下，首先发生的物理现象是变形。随着荷载的不断增加，或在恒定荷载作用下，随时间的增长，岩石变形逐渐增大，最终导致岩石破坏。

8．岩石破坏有几种形式？对各种破坏的原因作出解释。

答：试件在单轴压缩载荷作用破坏时，在试件中可产生三种破坏形式。

（1）X状共轭斜面剪切破坏：破坏面上的剪应力超过了其剪切强度，导致岩石破坏。

（2）单斜面剪切破坏：破坏面上的剪应力超过了其剪切强度，导致岩石破坏。

（3）拉伸破坏：破坏面上的拉应力超过了该面的抗拉强度，导致岩石受拉伸破坏。

9．劈裂法试验时，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劈裂法试验的基本原理。

答：试件受力图1-2-1如下：

图1-2-1

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，因此在岩石受压破坏之前会受到拉应力破坏，故圆盘试件在中央沿直径发生劈裂破坏。

10．什么是全应力-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：（1）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。

（2）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。

11．如何根据全应力应变曲线预测岩石的岩爆、流变和在反复加、卸载作用下的破坏？

答：（1）预测岩爆

图1-2-2所示为全应力-应变曲线：

图1-2-2

图中左半部分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。

①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；

②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）预测流变破坏

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-应变曲线蠕变破坏可由以下应变-应力曲线图1-2-3预测：

图1-2-3

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，

试件不破坏，如EF；

③当应力在G点以下时，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，

前者蠕变试件较后者长。

（3）预测循环加载条件下岩石的破坏

由于岩石的非完全弹性，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1-2-4可以看出，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。

图1-2-4

12．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：在三轴压缩试验条件下，岩石的力学性质会发生这样的变化：

（1）随着围压的增大，岩石的抗压强度显著增加；

（2）随着围压的增大，岩石的变形显著增大；

（3）随着围压的增大，岩石的弹性极限显著增大；

（4）随着围压的增大，岩石的应力-应变曲线形态发生明显改变，岩石的性质发生了变化，即弹脆性-弹塑性-应变硬化。

13．什么是莫尔强度包络线？如何根据试验结果绘制莫尔强度包络线？

答：（1）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，这条包络线就称为莫尔包络线。

（2）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。

14．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：（1）如图1-2-5所示的角模压剪试验时一种最简单的限制性剪切强度试验。在压力P的作用下，剪切面上可分解为沿剪切面的剪力Psinα/A和垂直剪切面的正应力Pcosα/A。

图1-2-5

（2）试验表明，剪切面上所受的正应力越大，试件被剪破坏前剪切面上所能承受的剪应力也越大。因为剪切破坏发生前一要克服粘结力，二要克服剪切面上的摩擦力，正应力越大，摩擦力也越大。

（3）将限制性剪切强度试验试件被剪破坏时的剪应力和正应力标注到σ-τ应力平面上就是一个点，不同的正、剪应力组合就是不同的点，将所有点连接起来就获得了莫尔强度包络线（如下图1-2-6）。

图1-2-6  限制性剪切强度莫尔强度包络线

15．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，如图1-2-7所示：

（1）空隙裂隙压密阶段（OA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，体积随荷载增大而减小；

（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。

图1-2-7

16．简述岩石在反复加载和卸载条件下的变形特征。

答：（1）对于线弹性岩石，加载 路径与卸载路径完全重合，多次反复加载、卸载时，

其应力-应变路径是相同的，都沿同一直线往返。

（2）对于完全弹性岩石，其加载、卸载路径也完全重合，但应力-应变关系是曲线，不

是直线，反复多次加载与卸载，其应力-应变曲线仍服从此曲线关系。

（3）对于弹性岩石，虽然加载曲线与卸载曲线不重合，但是反复加载与卸载时，应力-

应变曲线总是服从此环路规律。

（4）对于非弹性岩石，如果卸载点P超过屈服点，则卸载曲线不与加载曲线重合，形

成塑性滞回环，卸载曲线的平均斜率一般与加载曲线直线段的斜率相同。如果多次反复加载与卸载，且每次施加的最大荷载与第一次施加的最大荷载一样，则每次加、卸载曲线都形成一个塑性滞回环（如图1-2-8）。这些塑性滞回环随着加、卸载的次数增加而越来越狭窄，并且彼此越来越接近，岩石越来越接近弹性变形，一直到某次循环没有塑性变形为止。

①当循环应力峰值小于某一数值时，循环次数即使很多，也不会导致试件破坏；

②当循环应力峰值超过某一数值时，岩石将在某次循环中发生破坏，这一数值称为临界

应力。

图1-2-8

（5）如果多次反复加载、卸载循环，每次施加的最大荷载比前一次循环的最大荷载要

大，则可得到图1-2-9所示曲线。随着循环次数的增加，塑性滞回环的面积也有所扩大，卸载曲线的斜率也逐次略有增加，表明卸载应力下岩石材料弹性有所增强。此外，每次卸载后再加载，在荷载超过上一次循环的最大荷载以后，变形曲线若仍沿着原来的单调加载曲线上升，好像不曾受到反复加载的影响似的，这种现象称为岩石的变形记忆。

图1-2-9

17．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：（1）线弹性体：应力-应变曲线图呈直线形式，如图1-2-10（a）所示。满足σ=Eε（E为岩石的弹性模量）；

（2）完全弹性体：应力-应变曲线为曲线，加载卸载曲线重合，如图1-2-10（b）所示。满足关系式σ=f（ε）；

（3）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，

如图1-2-10（c）所示。此类材料称为弹性体材料。

图1-2-10

18．什么是岩石的扩容？简述岩石扩容的发生过程。

答：（1）岩石扩容是岩石在荷载作用下，在其破坏之前的一种明显的非弹性体积形变。

（2）岩石受压过程中，试件任意微小单元X、Y、Z方向发生形变，ε1、ε2、ε3分

别对应最大、中间、最小主应变，弹性模量和泊松比为常数的岩石受压体积变化经历三个阶段：

①体积变形阶段

体积应变在弹性范围内，随应力增加而呈线性变化，此阶段ε₁＞|ε₂+ε₃|体积减小；

②体积不变阶段

体积发生形变，但体积应变增量近似为零，ε₁＝|ε₂+ε₃|体积不变；

③扩容阶段

两侧向变形之和超过最大主应力压缩变形，ε₁＜|ε₂+ε₃|，体积增大。

19．什么是岩石的各向异性？什么是正交各向异性？什么是横观各向同性？写出正交各向异性和横观各向同性岩石的应力-应变关系式。

答 ：（1）岩石的各向异性

岩石的各向异性是指岩石的全部或部分物理、力学性质随方向不同而表现出差异的现象。

（2）正交各向异性

如果在弹性体中存在着三个互相正交的弹性对称面，在各个面两边的对称方向上，弹性相同，但在这个弹性主向上弹性并不相同，这种现象称为正交各向异性。

正交各向异性体的应力-应变关系为：

（3）横观各向同性

物体内部某一面的各个方向弹性性质相同，这个面称为各向同性面，垂直该面方向的力学性质不同，具有这样性质的物体称为横观各向异性体。

横观各向同性体应力-应变关系为：

20．影响岩石力学性质的主要因素有哪些？如何影响的？

答：（1）主要影响因素有：水、温度、加载速度、围压大小、风化程度等。

（2）影响特点

①水对岩石力学性质的影响：

a．连结作用：束缚在矿物表面的水分子通过其吸引力作用将矿物颗粒拉近、接紧，起连接作用；

b．润滑作用：由可溶盐、胶体矿物连接的岩石，当有水浸入时，可溶盐溶解，胶体水解，使原有的连结变成水胶连结，导致矿物颗粒间连结力减弱，摩擦力减低，水起到润滑剂的作用；

c．水楔作用：当两个矿物颗粒靠的很近，有水分子补充到矿物表面时，矿物颗粒利用其表面吸附力将水分子拉到自己周围，在两个颗粒接触处由于吸着力作用使水分子向两个矿物颗粒之间的缝隙内挤入，这种现象称为水楔作用；

d．孔隙压力作用：岩石受压时，岩石内孔隙水来不及排出，在孔隙内产生很高的孔隙压力，降低了岩石的内聚力和内摩擦角，减小了岩石的抗剪强度；

e．溶蚀-潜蚀作用：岩石中渗透水在流动过程中可将岩石中可溶物质溶解带走，从而使岩石强度大为降低。

②温度对岩石力学性质的影响

随着温度的增高，岩石的延性加大，屈服点降低，强度也降低。

③加载速度对岩石力学性质的影响

加载速率越快，测得的弹性模量越大，获得的强度指标越高。

④围压对岩石力学性质的影响

岩石在三轴压缩条件下，岩石的强度和弹性极限都有显著增加。

⑤风化对岩石力学性质的影响

风化过程中，原生矿物经物理、化学、生物作用而发生变化，产生次生矿物，引起岩体成分结构和构造的变化，降低了岩石的物理力学性质。