Ⅰ 岩样三轴压缩的破坏形式
就实验室常规三轴压缩试验而言，公式（7.2）或（7.10）的确切含义是，一个给定岩样能够承载的最大轴向应力σS与围压σ3呈线性关系。这已经为大量的试验结果所证实，但并不足以说明，达到临界状态的截面倾角就一定是45°+φ/2。岩样实际破坏面并不总是平面，即使是平面，剪切破坏角也与Coulomb准则预测的数值有所差异。即Coulomb准则可以很好地描述岩石的强度特征，而所预测的破裂角可能与实际情况相差甚远。
从晋城某采煤工作面取得的煤块D，没有明显可见的层理，加工的试样没有明显的缺陷，强度也很高，单轴压缩强度可以达到50.5MPa。图7-10是不同围压下煤样压缩破坏形式。围压较低时破裂面比较复杂，而围压较高时则是单一的断面，且断面的平整度也较好。其中围压20MPa以上的3个试样，以小于45°倾角的截面剪切破裂（图7-11）。对此可作如下理解：煤的杨氏模量较低（在5GPa以下），轴向压缩过程产生的变形较大，高围压下材料粘聚力的丧失是在最大剪切变形作用下实现的。
图7-10 不同围压下煤样轴向压缩的破坏形式
围压：D1—2.5MPa；D2—5MPa；D3—10MPa；D4—15MPa；D5—20MPa；D6—30MPa；D7，D8—多次加载下破坏
煤块D的6个试样在不同围压下的强度已经在图3-14中给出。煤样D7是在围压为30MPa下轴向循环压缩破坏的，D8是在不同围压下多次加载破坏的，试验结果表明，围压、加载历史对杨氏模量没有影响［14］，但二者强度都较低，故未在图3-14中标出。另外，围压在10MPa时试样的强度低于围压5MPa的强度，表明试样之间存在差异，不过从整体上看，围压对试样的强度影响符合线性变化的规律。利用公式（7.2）回归的结果是
σS=58.7MPa+4.43σ3
相关系数 R=0.979。相应的内摩擦角 φ=39.17°，θ0=45°+φ/2=64.59°。图7-10中煤样的实际破裂角都小于θ0。
图7-11 煤样以小于45°倾角的截面剪切破坏
从该矿另一工作面得到的煤块A、C，均存在明显层理和裂隙，层理倾角约为 68°（tanθ=2.5）。煤块A加工的5个试样单轴压缩强度在5.3～10.4MPa，强度较低。煤块C加工的6个试样强度随围压的变化关系也在图3-14给出，试样多数沿层理破坏，但并非单一断面，破裂面较为复杂。不过，其三轴强度利用公式（7.2）回归结果是
σS=9.68MPa+4.57σ3
相关系数R=0.992。对C、D两个煤块加工的试样，公式（7.2）中的K是大致相同的。这也说明了图7-9a的正确性：试样破坏面具有不同的倾角，但围压通过摩擦实现的承载能力大致相同。因而利用Coulomb准则描述试样的强度是合适的。这在第3章3.5节已作专门讨论。
均质、无缺陷的各种砂岩和部分大理岩试样，颗粒之间的粘接强度较差，通常呈对角破坏。图7-12是粉砂岩试验三轴压缩破坏后的形状。断裂面由倾角β的平面和部分以岩样端面为底的锥面共同构成。ACG区域是圆锥面的一部分，GH间近似为平面。试验中大多数岩样的两个破裂块具有较好的对称性。
图7-12 粉砂岩试样含有圆锥的对角破坏
产生这种破裂形式的原因是，岩样端部和试验机压头之间存在摩擦，即通常所说的端部效应，抑制材料的周向膨胀，但影响随深度增加而逐步减小，因此剪切破坏面呈圆锥状。个别岩样破坏后可以取出完整的圆锥体。锥面底角a小于破裂平面的倾角β，因而轴向压缩时岩样发生张开，使得圆锥面部分具有明显的剪切破坏特征，而平面部分则具有拉伸破坏特征。显然，岩样对角破坏后的残余强度不能再用Coulomb准则来分析［15］。
图7-13是沿陡倾角破坏的石灰岩（单轴压缩）和大理岩试样（围压20MPa），其破坏面起止于上下端面，而不是侧面。由于石灰岩致密均匀，杨氏模量可以高达70GPa，能够承受的压缩变形较小，因而岩样很快产生新的破坏面，其中一个局部破坏与主控断裂面对称，实现了破裂面在垂直于轴向的投影覆盖岩样断面，使其轴向承载能力完全丧失［16］。这也说明，该试样的断裂并非源于石灰岩的沉积弱面。图7-14中的大理岩也是致密均匀，颗粒细微，单一倾角的剪切破坏面止于岩样的上下端面，两个破裂块体都能单独承载一定的轴向应力，岩样的承载能力并不完全是剪切面之间的摩擦力，即通常所说的残余强度，并没有表示岩石的摩擦特性。
对此可以作如下解释。由于图7-13中石灰岩和大理岩可以认为是均质材料，因而大致沿着承载能力最小的截面，即Coulomb准则预计的方向破坏。直径D、高L的岩样，其对角截面的倾角为 arctan（L/D），直径为50mm、长度为100mm的岩样，该角度是63.43°。这就是说，对于摩擦角大于36.87°或者说围压对强度的影响系数大于4的岩石，45°+φ/2就大于arctan（L/D），不能再以图7-7分析Coulomb准则。而这样的岩石确实很多，如砂岩、花岗岩、大理岩以及煤通常围压对强度影响系数都大于4［6］。在岩石颗粒细微、均匀时，破坏面所需变形较小，试验机压头的端部效应不很显着，因而出现起止于上、下端面的平面剪切破坏。而颗粒特征明显的砂岩和大理岩，则因压缩变形较大出现含圆锥的对角破坏。对大多数岩石来说，围压影响系数在6.25以下［6］，就此而言，岩样的长径比最好能够达到2.5，以避免试验机压头的端部效应。
图7-13 石灰岩试样（单轴）、大理岩试样（围岩40MPa）的陡倾角破坏
a—石灰岩试样；b—大理岩试样
图7-14 砂岩试样不同围压下压缩的全程曲线和破坏后照片
图7-14是义马矿煤层顶板砂岩部分试样的常规三轴压缩全程曲线和围压在10MPa和20MPa下压缩破坏的照片［17］。值得注意的是，破坏试样存在张开的局部裂隙，且数量较多。这些裂隙面都垂直于试样轴线。而在压缩试验之前，只是一些弱面，并未张开。为慎重起见，对钻孔剩余的岩块、对从岩心切割下的端头等都进行了仔细观察，均未发现明显的张开裂隙。
无疑，试样压缩过程中轴向应力升高，伴随着弹性变形的增大。达到峰值应力时，试样内弱面等部分材料已经屈服产生塑性变形，其弹性变形减小，而强度较高的材料则承载了比宏观应力（名义应力）更大的载荷，因而也就具有更大的弹性变形。在试样产生宏观的剪切滑移、承载的轴向应力降低时，试样内材料的弹性变形将逐步恢复。各处的弹性变形不同，强度较低的材料在弹性变形完全恢复之后，将在其他材料的作用下产生拉伸变形，从而形成张开的裂隙。为了研究试样的破坏形式，在其没有完全丧失承载能力时就停止轴向压缩。图7-14的两个试样仍保持完整形状，长度仅比原始值减少0.1mm左右，远小于实际的轴向压缩变形。这表明卸载之后试样的轴向变形得到相当程度的恢复，而产生塑性屈服的材料则在此过程中被拉伸破坏。
岩体工程的开挖就是一个卸载过程，围岩体的破坏机理和力学特征已经进行了广泛的研究，三峡永久船闸的开挖也表明，岩体卸载之后会产生大量的张开裂隙，这些张开裂隙也是压应力逐步降低过程中产生的［18］。图7-14的岩样试验结果为岩体的卸载破坏又提供了另一个解释。
Ⅱ 请问力学的轴向拉伸和压缩，剪切，扭转，弯曲四种变形各有什么造成（力之类）
拉伸——拉伸力
压缩——压缩力
剪切——剪切力
扭转——扭转力
弯曲——方向向心力
你是这个意思不
Ⅲ 岩样单轴压缩的破坏形式
岩样常规三轴压缩的最终破坏形式是明显的剪切滑移；单轴直接拉伸是垂直于轴向的拉断。但是，岩样单轴压缩的破坏形式却复杂多变，通常认为，最终的破坏多数是与轴向近乎平行的劈裂破坏，或称岩样单轴抗压强度的降低是由于岩样内部的拉伸破坏造成的。不过，在岩样的单轴压缩过程中，如果材料变形均匀，没有产生屈服破坏，那么岩样内部的应力就只有压应力和剪应力，并不存在拉应力。
2.2.1 破坏形式
中国矿业大学电液伺服试验机实验室陈列有50多个单轴压缩破坏的岩样，笔者也进行了多种岩石试样单轴压缩试验。通过对这些岩样的仔细考察，可以将岩样单轴压缩的最终破坏形式归纳为5种［9］（图2-4）。
图2-4 岩样单轴压缩破坏的形式
（a）岩样完全由单一断面剪切滑移而破坏，与三轴压缩过程中的破坏形式相似，试样的端部可能出现一个局部的圆锥面；而风化严重的大理岩试样甚至可以出现平整的平面剪断破坏。不过，对于一般的脆性岩石，这种单一断面的剪切破坏情况比较少见。
（b）岩样沿轴向存在相当多的劈裂面，但有一个贯穿整个岩样的剪切破坏面。某些岩样除主剪切面之外还存在少量的局部剪切破坏面。由于岩石的抗拉强度较低，所以就破坏面而言以张拉为主，有时甚至掩盖了剪切破坏面。
（c）两个相互连接或平行的剪切面共同实现对岩样的贯穿，当然岩样中也可能存在沿轴向的劈裂面。
（d）岩样一端为破裂圆锥面，在锥底产生沿轴向的张裂破坏。对砂岩试样而言，这种破裂方式多出现在长径比为1的试样，而通常长径比为2的试样只会出现局部的圆锥面，没有观察到完整的破裂圆锥。并且岩样两端同时出现破裂圆锥面是不容易的。不过对细晶大理岩试样，单轴压缩破坏后靠近端部的岩石因受摩擦抑制处于三向压应力状态，结构趋于致密，而中部晶粒则丧失粘聚力，结构松散，有时可以剥出完整的圆锥体。
（e）岩样侧面出现类似于“压杆失稳”的岩片折断破坏，其余部分的破坏如（a）或（b）所示。这种情况只出现在一些硬脆的岩石试样，同时伴随着巨大的声音。这与采煤工作面出现的“片帮现象”类似。
单轴压缩时，绝大多数的主剪切破坏面都是始于岩样的一个端面而终止于另一个端面，只有极少数岩样由于层理或弱面等原因，主剪切面终止于岩样的侧面。在岩样单轴压缩失稳破坏时部分材料会被压碎，成粉末状；单轴抗压强度可达250MPa以上的细颗粒花岗岩，失稳破坏时成粉末状四散炸开。另外，围压下压缩时均质致密的大理岩破裂面可以终止于岩样的侧面，一般不会发生崩溃式失稳破坏。
通过上述分析，发现岩样的单轴压缩破坏，会产生各种各样的破裂面，这些破裂面位于垂直于轴向的投影之和，最终将覆盖岩样的端面积，造成岩样轴向承载能力的消失。破裂面如果没有覆盖岩样断面积，则岩样必然具有一定的轴向承载能力。
单轴压缩时岩样以X状共轭剪切破坏是极为罕见的，以单一断面剪切破坏并不常见，破裂角与Coulomb准则所预计的45°+φ/2也不一致，通常偏大。有些资料对岩样单轴压缩破坏的描述可能不够准确［10］。图2-5给出了8个岩样单轴压缩破坏的照片，破坏形式较为特殊。
图2-5 岩样单轴压缩破坏的照片
A、B是剪切破坏，但由于破坏倾角较大，为了实现破裂面覆盖试样断面，出现了多个剪切破坏面。这些剪切面都是岩石材料新鲜破裂面，倾角大致相同，但方向不同。
C右上角是岩石材料的新鲜破裂面，倾角较大，后转为层理面的剪切破坏。
D是沿充填节理的破裂，不过该试样并未完全失去承载能力，如果继续施加轴向压缩变形，还会产生新的破裂面。这种陡倾角的节理在单轴压缩时承载能力很低，固然可以说是在载荷作用下破裂。不过，在围压作用下节理承载能力很高，也会在变形的作用下产生破裂，且破裂之后承载能力仍可以随着压缩变形而增大，达到峰值承载能力。即围压下压缩时，试样的承载能力与破坏并不完全等同。
E是剪切破坏与沿轴向破坏的组合；F是剪切破坏与垂直于轴向破坏的组合。这样的破坏多出现于颗粒较细且强度较高的试样。剪切破坏无疑可以用承载能力来解释，而沿轴向和垂直于轴向的破坏，显然源于颗粒之间变形达到临界值后即相互分离。
G是端部圆锥剪切破坏引起张拉破裂，试样破裂后从端部取出完整的圆锥体H；I是端部圆锥剪切破坏与中间的平面剪切破坏的组合。这类破坏形式可能与试样端部的摩擦效应有关。
2.2.2 岩样单轴压缩产生张拉破坏的原因
Jaeger J C发现在围压低达0.35MPa（50psi）时岩样仍保持剪切破裂形式，由此推断在单轴压缩时，岩样的破坏也是由剪切破裂产生的［11］。然而岩样的破坏形式和承载能力降低是两个不同的概念，必须明确区分。我们认为，在单轴压缩过程中，许多岩样的最终破坏形式确实是以沿着轴向的张拉劈裂为主，但张拉破坏是由剪切滑移引起的，而且岩样承载能力的降低也是由剪切滑移决定的。下面予以具体说明。
在岩样的单轴压缩过程中，如果材料变形均匀，没有产生屈服破坏，那么岩样内部的应力就只有压应力和剪应力，并不存在拉应力。这可以利用Mohr应力圆得到说明。因此，岩样内部的最初破坏只能是剪切破坏或剪切滑移。但是一旦岩样内部出现剪切滑移后，在滑移面附近的应力状态将发生巨大的变化。下面以图2-6作一简单的定性说明。
图2-6 岩样沿轴向拉张破坏机理
从岩样中沿轴向取出一个包含剪切滑移面AB的“隔离体”，在剪切滑移面上有正压力N和摩擦力F，两者沿轴向的合应力小于岩样的轴向应力，否则就不会滑移破坏。因而在BG面上必然存在剪切应力以平衡轴向载荷。剪切滑移作用还会产生垂直于轴向的拉力Ncosa-Fsina，其大小随该滑移面积增大而增大。
显然在没有围压的单轴压缩过程中，随着剪切滑移面的增大，岩样内沿轴向的拉应力达到岩石的抗拉强度时，将会产生沿轴向的张拉破坏。岩石的抗拉强度较低是出现这种现象的根本原因。某一拉张破坏面出现之后，其下方（沿滑移面）的岩石材料在轴向的剪切应力和拉应力将减为零。其后随着剪切面的不断扩大，拉张破坏又将逐个地发生，从而岩样内出现众多沿轴向劈裂的破坏面。由于试验机压头的端部摩擦效应，图中的剪切滑移面AC的上方通常很少产生拉张破坏面，至少靠近A点的岩石材料是能够保持完整的块状。
图2-7 岩样外侧“压杆失稳”式折断造成的应力跌落
如果最初的剪切滑移面出现在岩样的内部，那么剪切滑移引起的沿轴向拉张劈裂面可能使岩样侧面的材料脱离主体，成为一个压杆。细长压杆通常产生失稳而折断，完全失去承载能力。原来储存的弹性形变恢复，使其长度大于岩样而弯曲。这种破坏情形会在应力-应变全程曲线上反映出来，即在应变几乎不变时出现一个应力小幅度跌落（图2-7）。这种应力跌落多是出现在峰值附近，但并不会显着影响岩样的整体变形过程。
必须强调的是，若岩样只是沿轴向破裂成相互脱离的两块，则以两个小岩样并联体的形式完全能够继续承载轴向载荷。岩石的破坏与承载能力的丧失是两个不同的概念，只有材料的剪切破坏才能引起承载能力的降低。岩样在轴向和环向产生塑性变形就是剪切滑移的宏观表现。因此，岩样的轴向承载能力的降低与塑性变形量必然有着某种联系。
Ⅳ 杆件轴向压缩或拉伸时会有怎样的变形
拉伸时，首先会产生弹性变形，之后，随着力的不断增加，当力到达杆件的屈服强度后，会产生明显变形，就像瓶颈一样，再加大力，到达极限强度后，就突然断裂；压缩的话，先是弹性变形，然后到达屈服强度后，会沿杆件轴线45度方向产生裂缝，到达极限强度后，杆件破坏。
Ⅳ 轴向拉伸压缩时外力形变有何特点
轴向拉伸，长度增加，体积不变，截面积变小，拉应力越大，截面积变小程度越大，所谓的“径缩”现象
轴向拉伸压缩，长度减少，体积不变，截面积增加，压应力越大，截面积增加程度越大。
Ⅵ 轴向拉伸(压缩)与弯曲组合变形计算公式是什么
轴向力引起轴向拉伸(或压缩)