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岩石的力学性质

[拼音]:yanshi de lixue xingzhi

[外文]:mechanical properties of rock

岩石受载时的变形和强度特征。岩石受载后,随应力增加应变也增大。当应力增大到岩石强度值,或应力长期恒定保持在某一水平时,都能使岩石破坏。在评价采场、井巷围岩稳定性和解决岩石破碎问题时,都需研究反映岩石应力-应变关系的变形特征和岩石破坏条件下最大应力的强度特征数据。

岩石变形特征

在试验室对多种岩石试块作大量试验获得单向受压的“应力-应变”关系,见图1。坚固的岩浆岩、石灰岩等岩石的应力-应变曲线近于直线,表现为弹性变形,最后呈突然脆性破坏(图1a)。含有孔隙和微裂隙的坚固岩石与变质岩,当加载方向垂直裂隙、片理方向时,应力-应变曲线开始上凹,而后为直线,上凹为加载后裂隙闭合,表现为塑弹性变形(图1b)。岩性松软的沉积岩或片理发育的变质岩,受垂直片理方向的载荷作用,表现为塑弹塑性变形(图1c)。

岩石变形特征,除受岩性影响外,还受应力状态影响。1911年卡门(Karman)用大理岩在三向压缩下所得的“应力-应变”曲线见图2。随着侧向应力σ3增大,岩石强度极限提高。σ3愈大,岩石呈现塑性变形愈明显。

工程上常用弹性模量(E)和泊松比(μ)表示岩石变形特征指标。前者指在弹性范围内应力与应变之比。从图1、图2看出:岩石的弹性模量不是常数,目前常用抗压强度50%的相应应力σ50与相应应变ε50之比(E=σ5050)表示。泊松比为横向应变与纵向应变之比。

岩石变形还受载荷作用时间的影响,表现有两种:

(1)蠕变,在恒定载荷作用下,岩石变形随时间增长而增大;

(2)松弛,岩石在变形过程中应变保持不变,应力则随时间增长而降低。在评价岩体稳定性时,必须考虑时间因素。

岩石强度特征

从巷道、采场矿柱或试验室试件看岩石受压破坏的形式,可分为拉伸和剪切破坏两类。试件或矿柱受压时,视端面摩擦状况或矿柱上部有无弱岩性薄层,可能产生拉伸或剪切破坏;受弯时拉伸破坏;受扭时剪切破坏,在高侧限压力条件下出现的塑性流动破坏是岩石颗粒间产生微小滑移的结果,仍属剪切破坏。通过试验室或现场原位测定各种加载条件下岩石的抗压、抗剪、抗弯、抗拉等各种强度的顺序为:三向等压〉三向不等压>双向压>单向压>剪切>弯曲>单向拉。岩石强度随成分、结构、侧限压、温度、湿度、风化程度、几何尺寸、加载速度、试件加工情况等因素的不同而异。

岩体是指较大范围的在原位上的岩石。由于地壳运动和开采等因素作用,在岩体内生成各种原生和次生的结构面。原位岩石被结构面切割形成岩体结构。可分为:完整结构、块状结构、层状结构、破碎结构和散体结构。结构面的存在,使粘聚力和内摩擦系数降低。完整结构的岩体强度与岩块强度之比多在0.5~1之间,而在破碎结构中,比值多为0.2以下。结构面的存在,特别是层理、片理等,使岩体产生明显的各向异性特征。例如,层状岩体的弹性模量,垂直于层理方向加载比平行于层理方向为小;抗压、抗剪强度垂直方向大于平行方向;而抗拉、抗弯强度则平行方向大于垂直方向。

岩石强度理论

说明在何种应力状态σ1=f(σ2σ3)下,岩石发生拉伸、剪切破坏的强度准则。在岩石力学中,常用库仑-纳维埃(Coulomb-Navier)和莫尔(Mohr)两种强度理论,说明剪切破坏。70年代以来,在岩石力学中应用最大线应变理论和格里菲斯强度准则来说明岩石受压时引起的拉伸破坏。

库仑-纳维埃理论

库仑于1776年假定材料内某点最大剪切应力达到抗剪强度时引起破坏。纳维埃于1883年修改了库仑的最大剪应力理论,认为作用于破坏面的正应力σ会使岩石抗剪强度(τ)增加,引起破坏的剪切应力可表示为:τf+σtgστσ分别是破坏面上的剪应力与正应力;c为粘聚力,σ为内摩擦角。该式表示的强度曲线是直线,可根据不同正应力作用下的抗剪强度值作出,也可用单向抗拉和抗压强度的极限应力圆的公切线表示,见图3中的直线1。

莫尔理论

莫尔于1900年认为材料的抗剪强度是正应力的函数。τf(σ)所反映的强度曲线形式完全由试验确定,它是一系列极限应力圆的包络线(图3中曲线 2)。在拉应力区域中,由于岩石的多向受拉难于实现,一般假设强度曲线收缩于单向抗拉的极限应力圆。如c=0,莫尔包络线过原点,则与土力学中的兰金 (Rankine)准则一致。莫尔强度曲线在受拉区闭合,在受压区倾斜向上。说明岩石受三向等拉时会破坏,受三向等压时不会破坏,剪应力与正应力有关,抗压强度大于抗拉强度,这些都与岩石性质基本相符。因此获得应用。但该理论认为中间应力 σ2不起作用,与试验结果有一定出入。

最大线应变理论

该理论认为材料发生拉伸破坏的决定因素是拉伸线应变。岩石在任意应力状态下,当在最小主应力方向上的拉伸线应变达到单向拉伸破坏瞬间的极限线应变值时,岩石就会发生拉伸破坏,其强度条件为:σ3μ(σ1+σ2)≤St,式中σ1σ2σ3分别为最大、中间和最小主应力,μ为岩石泊松比,St为岩石抗拉强度。在巷道或采场矿柱中所看到的一些平行巷道帮或矿柱轴线的张裂缝即因此发生。

格里菲斯(Griffith)强度准则

它以材料中存在微裂缝为前题,材料受应力时,裂缝尖端应力集中,当尖端或其邻近的拉应力达到某一临界值时,使裂缝扩张,引起岩石破坏。

参考书目
  1. 谷德振:《岩体工程地质力学基础》,科学出版社,北京,1979。
  2. 李先炜:《岩块力学性质》,煤炭工业出版社,北京,1983。

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