Ⅰ 岩樣三軸壓縮的破壞形式
就實驗室常規三軸壓縮試驗而言，公式（7.2）或（7.10）的確切含義是，一個給定岩樣能夠承載的最大軸向應力σS與圍壓σ3呈線性關系。這已經為大量的試驗結果所證實，但並不足以說明，達到臨界狀態的截面傾角就一定是45°+φ/2。岩樣實際破壞面並不總是平面，即使是平面，剪切破壞角也與Coulomb准則預測的數值有所差異。即Coulomb准則可以很好地描述岩石的強度特徵，而所預測的破裂角可能與實際情況相差甚遠。
從晉城某採煤工作面取得的煤塊D，沒有明顯可見的層理，加工的試樣沒有明顯的缺陷，強度也很高，單軸壓縮強度可以達到50.5MPa。圖7-10是不同圍壓下煤樣壓縮破壞形式。圍壓較低時破裂面比較復雜，而圍壓較高時則是單一的斷面，且斷面的平整度也較好。其中圍壓20MPa以上的3個試樣，以小於45°傾角的截面剪切破裂（圖7-11）。對此可作如下理解：煤的楊氏模量較低（在5GPa以下），軸向壓縮過程產生的變形較大，高圍壓下材料粘聚力的喪失是在最大剪切變形作用下實現的。
圖7-10 不同圍壓下煤樣軸向壓縮的破壞形式
圍壓：D1—2.5MPa；D2—5MPa；D3—10MPa；D4—15MPa；D5—20MPa；D6—30MPa；D7，D8—多次載入下破壞
煤塊D的6個試樣在不同圍壓下的強度已經在圖3-14中給出。煤樣D7是在圍壓為30MPa下軸向循環壓縮破壞的，D8是在不同圍壓下多次載入破壞的，試驗結果表明，圍壓、載入歷史對楊氏模量沒有影響［14］，但二者強度都較低，故未在圖3-14中標出。另外，圍壓在10MPa時試樣的強度低於圍壓5MPa的強度，表明試樣之間存在差異，不過從整體上看，圍壓對試樣的強度影響符合線性變化的規律。利用公式（7.2）回歸的結果是
σS=58.7MPa+4.43σ3
相關系數 R=0.979。相應的內摩擦角 φ=39.17°，θ0=45°+φ/2=64.59°。圖7-10中煤樣的實際破裂角都小於θ0。
圖7-11 煤樣以小於45°傾角的截面剪切破壞
從該礦另一工作面得到的煤塊A、C，均存在明顯層理和裂隙，層理傾角約為 68°（tanθ=2.5）。煤塊A加工的5個試樣單軸壓縮強度在5.3～10.4MPa，強度較低。煤塊C加工的6個試樣強度隨圍壓的變化關系也在圖3-14給出，試樣多數沿層理破壞，但並非單一斷面，破裂面較為復雜。不過，其三軸強度利用公式（7.2）回歸結果是
σS=9.68MPa+4.57σ3
相關系數R=0.992。對C、D兩個煤塊加工的試樣，公式（7.2）中的K是大致相同的。這也說明了圖7-9a的正確性：試樣破壞面具有不同的傾角，但圍壓通過摩擦實現的承載能力大致相同。因而利用Coulomb准則描述試樣的強度是合適的。這在第3章3.5節已作專門討論。
均質、無缺陷的各種砂岩和部分大理岩試樣，顆粒之間的粘接強度較差，通常呈對角破壞。圖7-12是粉砂岩試驗三軸壓縮破壞後的形狀。斷裂面由傾角β的平面和部分以岩樣端面為底的錐面共同構成。ACG區域是圓錐面的一部分，GH間近似為平面。試驗中大多數岩樣的兩個破裂塊具有較好的對稱性。
圖7-12 粉砂岩試樣含有圓錐的對角破壞
產生這種破裂形式的原因是，岩樣端部和試驗機壓頭之間存在摩擦，即通常所說的端部效應，抑制材料的周向膨脹，但影響隨深度增加而逐步減小，因此剪切破壞面呈圓錐狀。個別岩樣破壞後可以取出完整的圓錐體。錐面底角a小於破裂平面的傾角β，因而軸向壓縮時岩樣發生張開，使得圓錐面部分具有明顯的剪切破壞特徵，而平面部分則具有拉伸破壞特徵。顯然，岩樣對角破壞後的殘余強度不能再用Coulomb准則來分析［15］。
圖7-13是沿陡傾角破壞的石灰岩（單軸壓縮）和大理岩試樣（圍壓20MPa），其破壞面起止於上下端面，而不是側面。由於石灰岩緻密均勻，楊氏模量可以高達70GPa，能夠承受的壓縮變形較小，因而岩樣很快產生新的破壞面，其中一個局部破壞與主控斷裂面對稱，實現了破裂面在垂直於軸向的投影覆蓋岩樣斷面，使其軸向承載能力完全喪失［16］。這也說明，該試樣的斷裂並非源於石灰岩的沉積弱面。圖7-14中的大理岩也是緻密均勻，顆粒細微，單一傾角的剪切破壞面止於岩樣的上下端面，兩個破裂塊體都能單獨承載一定的軸向應力，岩樣的承載能力並不完全是剪切面之間的摩擦力，即通常所說的殘余強度，並沒有表示岩石的摩擦特性。
對此可以作如下解釋。由於圖7-13中石灰岩和大理岩可以認為是均質材料，因而大致沿著承載能力最小的截面，即Coulomb准則預計的方向破壞。直徑D、高L的岩樣，其對角截面的傾角為 arctan（L/D），直徑為50mm、長度為100mm的岩樣，該角度是63.43°。這就是說，對於摩擦角大於36.87°或者說圍壓對強度的影響系數大於4的岩石，45°+φ/2就大於arctan（L/D），不能再以圖7-7分析Coulomb准則。而這樣的岩石確實很多，如砂岩、花崗岩、大理岩以及煤通常圍壓對強度影響系數都大於4［6］。在岩石顆粒細微、均勻時，破壞面所需變形較小，試驗機壓頭的端部效應不很顯著，因而出現起止於上、下端面的平面剪切破壞。而顆粒特徵明顯的砂岩和大理岩，則因壓縮變形較大出現含圓錐的對角破壞。對大多數岩石來說，圍壓影響系數在6.25以下［6］，就此而言，岩樣的長徑比最好能夠達到2.5，以避免試驗機壓頭的端部效應。
圖7-13 石灰岩試樣（單軸）、大理岩試樣（圍岩40MPa）的陡傾角破壞
a—石灰岩試樣；b—大理岩試樣
圖7-14 砂岩試樣不同圍壓下壓縮的全程曲線和破壞後照片
圖7-14是義馬礦煤層頂板砂岩部分試樣的常規三軸壓縮全程曲線和圍壓在10MPa和20MPa下壓縮破壞的照片［17］。值得注意的是，破壞試樣存在張開的局部裂隙，且數量較多。這些裂隙面都垂直於試樣軸線。而在壓縮試驗之前，只是一些弱面，並未張開。為慎重起見，對鑽孔剩餘的岩塊、對從岩心切割下的端頭等都進行了仔細觀察，均未發現明顯的張開裂隙。
無疑，試樣壓縮過程中軸向應力升高，伴隨著彈性變形的增大。達到峰值應力時，試樣內弱面等部分材料已經屈服產生塑性變形，其彈性變形減小，而強度較高的材料則承載了比宏觀應力（名義應力）更大的載荷，因而也就具有更大的彈性變形。在試樣產生宏觀的剪切滑移、承載的軸向應力降低時，試樣內材料的彈性變形將逐步恢復。各處的彈性變形不同，強度較低的材料在彈性變形完全恢復之後，將在其他材料的作用下產生拉伸變形，從而形成張開的裂隙。為了研究試樣的破壞形式，在其沒有完全喪失承載能力時就停止軸向壓縮。圖7-14的兩個試樣仍保持完整形狀，長度僅比原始值減少0.1mm左右，遠小於實際的軸向壓縮變形。這表明卸載之後試樣的軸向變形得到相當程度的恢復，而產生塑性屈服的材料則在此過程中被拉伸破壞。
岩體工程的開挖就是一個卸載過程，圍岩體的破壞機理和力學特徵已經進行了廣泛的研究，三峽永久船閘的開挖也表明，岩體卸載之後會產生大量的張開裂隙，這些張開裂隙也是壓應力逐步降低過程中產生的［18］。圖7-14的岩樣試驗結果為岩體的卸載破壞又提供了另一個解釋。
Ⅱ 請問力學的軸向拉伸和壓縮，剪切，扭轉，彎曲四種變形各有什麼造成（力之類）
拉伸——拉伸力
壓縮——壓縮力
剪切——剪切力
扭轉——扭轉力
彎曲——方向向心力
你是這個意思不
Ⅲ 岩樣單軸壓縮的破壞形式
岩樣常規三軸壓縮的最終破壞形式是明顯的剪切滑移；單軸直接拉伸是垂直於軸向的拉斷。但是，岩樣單軸壓縮的破壞形式卻復雜多變，通常認為，最終的破壞多數是與軸向近乎平行的劈裂破壞，或稱岩樣單軸抗壓強度的降低是由於岩樣內部的拉伸破壞造成的。不過，在岩樣的單軸壓縮過程中，如果材料變形均勻，沒有產生屈服破壞，那麼岩樣內部的應力就只有壓應力和剪應力，並不存在拉應力。
2.2.1 破壞形式
中國礦業大學電液伺服試驗機實驗室陳列有50多個單軸壓縮破壞的岩樣，筆者也進行了多種岩石試樣單軸壓縮試驗。通過對這些岩樣的仔細考察，可以將岩樣單軸壓縮的最終破壞形式歸納為5種［9］（圖2-4）。
圖2-4 岩樣單軸壓縮破壞的形式
（a）岩樣完全由單一斷面剪切滑移而破壞，與三軸壓縮過程中的破壞形式相似，試樣的端部可能出現一個局部的圓錐面；而風化嚴重的大理岩試樣甚至可以出現平整的平面剪斷破壞。不過，對於一般的脆性岩石，這種單一斷面的剪切破壞情況比較少見。
（b）岩樣沿軸向存在相當多的劈裂面，但有一個貫穿整個岩樣的剪切破壞面。某些岩樣除主剪切面之外還存在少量的局部剪切破壞面。由於岩石的抗拉強度較低，所以就破壞面而言以張拉為主，有時甚至掩蓋了剪切破壞面。
（c）兩個相互連接或平行的剪切面共同實現對岩樣的貫穿，當然岩樣中也可能存在沿軸向的劈裂面。
（d）岩樣一端為破裂圓錐面，在錐底產生沿軸向的張裂破壞。對砂岩試樣而言，這種破裂方式多出現在長徑比為1的試樣，而通常長徑比為2的試樣只會出現局部的圓錐面，沒有觀察到完整的破裂圓錐。並且岩樣兩端同時出現破裂圓錐面是不容易的。不過對細晶大理岩試樣，單軸壓縮破壞後靠近端部的岩石因受摩擦抑制處於三向壓應力狀態，結構趨於緻密，而中部晶粒則喪失粘聚力，結構鬆散，有時可以剝出完整的圓錐體。
（e）岩樣側面出現類似於「壓桿失穩」的岩片折斷破壞，其餘部分的破壞如（a）或（b）所示。這種情況只出現在一些硬脆的岩石試樣，同時伴隨著巨大的聲音。這與採煤工作面出現的「片幫現象」類似。
單軸壓縮時，絕大多數的主剪切破壞面都是始於岩樣的一個端面而終止於另一個端面，只有極少數岩樣由於層理或弱面等原因，主剪切面終止於岩樣的側面。在岩樣單軸壓縮失穩破壞時部分材料會被壓碎，成粉末狀；單軸抗壓強度可達250MPa以上的細顆粒花崗岩，失穩破壞時成粉末狀四散炸開。另外，圍壓下壓縮時均質緻密的大理岩破裂面可以終止於岩樣的側面，一般不會發生崩潰式失穩破壞。
通過上述分析，發現岩樣的單軸壓縮破壞，會產生各種各樣的破裂面，這些破裂面位於垂直於軸向的投影之和，最終將覆蓋岩樣的端面積，造成岩樣軸向承載能力的消失。破裂面如果沒有覆蓋岩樣斷面積，則岩樣必然具有一定的軸向承載能力。
單軸壓縮時岩樣以X狀共軛剪切破壞是極為罕見的，以單一斷面剪切破壞並不常見，破裂角與Coulomb准則所預計的45°+φ/2也不一致，通常偏大。有些資料對岩樣單軸壓縮破壞的描述可能不夠准確［10］。圖2-5給出了8個岩樣單軸壓縮破壞的照片，破壞形式較為特殊。
圖2-5 岩樣單軸壓縮破壞的照片
A、B是剪切破壞，但由於破壞傾角較大，為了實現破裂面覆蓋試樣斷面，出現了多個剪切破壞面。這些剪切面都是岩石材料新鮮破裂面，傾角大致相同，但方向不同。
C右上角是岩石材料的新鮮破裂面，傾角較大，後轉為層理面的剪切破壞。
D是沿充填節理的破裂，不過該試樣並未完全失去承載能力，如果繼續施加軸向壓縮變形，還會產生新的破裂面。這種陡傾角的節理在單軸壓縮時承載能力很低，固然可以說是在載荷作用下破裂。不過，在圍壓作用下節理承載能力很高，也會在變形的作用下產生破裂，且破裂之後承載能力仍可以隨著壓縮變形而增大，達到峰值承載能力。即圍壓下壓縮時，試樣的承載能力與破壞並不完全等同。
E是剪切破壞與沿軸向破壞的組合；F是剪切破壞與垂直於軸向破壞的組合。這樣的破壞多出現於顆粒較細且強度較高的試樣。剪切破壞無疑可以用承載能力來解釋，而沿軸向和垂直於軸向的破壞，顯然源於顆粒之間變形達到臨界值後即相互分離。
G是端部圓錐剪切破壞引起張拉破裂，試樣破裂後從端部取出完整的圓錐體H；I是端部圓錐剪切破壞與中間的平面剪切破壞的組合。這類破壞形式可能與試樣端部的摩擦效應有關。
2.2.2 岩樣單軸壓縮產生張拉破壞的原因
Jaeger J C發現在圍壓低達0.35MPa（50psi）時岩樣仍保持剪切破裂形式，由此推斷在單軸壓縮時，岩樣的破壞也是由剪切破裂產生的［11］。然而岩樣的破壞形式和承載能力降低是兩個不同的概念，必須明確區分。我們認為，在單軸壓縮過程中，許多岩樣的最終破壞形式確實是以沿著軸向的張拉劈裂為主，但張拉破壞是由剪切滑移引起的，而且岩樣承載能力的降低也是由剪切滑移決定的。下面予以具體說明。
在岩樣的單軸壓縮過程中，如果材料變形均勻，沒有產生屈服破壞，那麼岩樣內部的應力就只有壓應力和剪應力，並不存在拉應力。這可以利用Mohr應力圓得到說明。因此，岩樣內部的最初破壞只能是剪切破壞或剪切滑移。但是一旦岩樣內部出現剪切滑移後，在滑移面附近的應力狀態將發生巨大的變化。下面以圖2-6作一簡單的定性說明。
圖2-6 岩樣沿軸向拉張破壞機理
從岩樣中沿軸向取出一個包含剪切滑移面AB的「隔離體」，在剪切滑移面上有正壓力N和摩擦力F，兩者沿軸向的合應力小於岩樣的軸向應力，否則就不會滑移破壞。因而在BG面上必然存在剪切應力以平衡軸向載荷。剪切滑移作用還會產生垂直於軸向的拉力Ncosa-Fsina，其大小隨該滑移面積增大而增大。
顯然在沒有圍壓的單軸壓縮過程中，隨著剪切滑移面的增大，岩樣內沿軸向的拉應力達到岩石的抗拉強度時，將會產生沿軸向的張拉破壞。岩石的抗拉強度較低是出現這種現象的根本原因。某一拉張破壞面出現之後，其下方（沿滑移面）的岩石材料在軸向的剪切應力和拉應力將減為零。其後隨著剪切面的不斷擴大，拉張破壞又將逐個地發生，從而岩樣內出現眾多沿軸向劈裂的破壞面。由於試驗機壓頭的端部摩擦效應，圖中的剪切滑移面AC的上方通常很少產生拉張破壞面，至少靠近A點的岩石材料是能夠保持完整的塊狀。
圖2-7 岩樣外側「壓桿失穩」式折斷造成的應力跌落
如果最初的剪切滑移面出現在岩樣的內部，那麼剪切滑移引起的沿軸向拉張劈裂面可能使岩樣側面的材料脫離主體，成為一個壓桿。細長壓桿通常產生失穩而折斷，完全失去承載能力。原來儲存的彈性形變恢復，使其長度大於岩樣而彎曲。這種破壞情形會在應力-應變全程曲線上反映出來，即在應變幾乎不變時出現一個應力小幅度跌落（圖2-7）。這種應力跌落多是出現在峰值附近，但並不會顯著影響岩樣的整體變形過程。
必須強調的是，若岩樣只是沿軸向破裂成相互脫離的兩塊，則以兩個小岩樣並聯體的形式完全能夠繼續承載軸向載荷。岩石的破壞與承載能力的喪失是兩個不同的概念，只有材料的剪切破壞才能引起承載能力的降低。岩樣在軸向和環向產生塑性變形就是剪切滑移的宏觀表現。因此，岩樣的軸向承載能力的降低與塑性變形量必然有著某種聯系。
Ⅳ 桿件軸向壓縮或拉伸時會有怎樣的變形
拉伸時，首先會產生彈性變形，之後，隨著力的不斷增加，當力到達桿件的屈服強度後，會產生明顯變形，就像瓶頸一樣，再加大力，到達極限強度後，就突然斷裂；壓縮的話，先是彈性變形，然後到達屈服強度後，會沿桿件軸線45度方向產生裂縫，到達極限強度後，桿件破壞。
Ⅳ 軸向拉伸壓縮時外力形變有何特點
軸向拉伸，長度增加，體積不變，截面積變小，拉應力越大，截面積變小程度越大，所謂的「徑縮」現象
軸向拉伸壓縮，長度減少，體積不變，截面積增加，壓應力越大，截面積增加程度越大。
Ⅵ 軸向拉伸(壓縮)與彎曲組合變形計算公式是什麼
軸向力引起軸向拉伸(或壓縮)