（巖石的力學(xué)性質(zhì)）

巖石的力學(xué)性質(zhì)是指巖石在應(yīng)力作用下表現(xiàn)的彈性、塑性、彈塑性、流變性、脆性、韌性、發(fā)熱等力學(xué)性質(zhì)。巖石在地質(zhì)作用過(guò)程或各種應(yīng)力作用下表現(xiàn)的各種力學(xué)性質(zhì)。巖石力學(xué)性質(zhì)因巖石的組分、結(jié)構(gòu)的不同而千差萬(wàn)別;加上時(shí)間、溫度、濕度、圍壓、加力方式和加力快慢、變形歷史,以及其周圍介質(zhì)情況等因素的影響,還有巖塊大小不一,其表現(xiàn)的差別甚大。巖石力學(xué)性質(zhì)分彈性、塑性、彈塑性、流變性、脆性、韌性等。

中文名

巖石的力學(xué)性質(zhì)

外文名

mechanical properties of rocks

性質(zhì)介紹

巖石受載時(shí)的變形和強(qiáng)度特征。巖石受載后，隨應(yīng)力增加應(yīng)變也增大。當(dāng)應(yīng)力增大到巖石強(qiáng)度值，或應(yīng)力長(zhǎng)期恒定保持在某一水平時(shí)，都能使巖石破壞。在評(píng)價(jià)采場(chǎng)、井巷圍巖穩(wěn)定性和解決巖石破碎問(wèn)題時(shí)，都需研究反映巖石應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系的變形特征和巖石破壞條件下最大應(yīng)力的強(qiáng)度特征數(shù)據(jù)。

在試驗(yàn)室對(duì)多種巖石試塊作大量試驗(yàn)獲得單向受壓的“應(yīng)力-應(yīng)變”關(guān)系，見圖1。堅(jiān)固的巖漿巖、石灰?guī)r等巖石的應(yīng)力-應(yīng)變曲線近于直線，表現(xiàn)為彈性變形,最后呈突然脆性破壞(圖1a)。含有孔隙和微裂隙的堅(jiān)固巖石與變質(zhì)巖，當(dāng)加載方向垂直裂隙、片理方向時(shí)，應(yīng)力－應(yīng)變曲線開始上凹，而后為直線,上凹為加載后裂隙閉合,表現(xiàn)為塑彈性變形（圖1b）。巖性松軟的沉積巖或片理發(fā)育的變質(zhì)巖,受垂直片理方向的載荷作用,表現(xiàn)為塑彈塑性變形（圖1c）。

巖石的力學(xué)性質(zhì)巖石變形特征，除受巖性影響外，還受應(yīng)力狀態(tài)影響。1911年卡門(Karman)用大理巖在三向壓縮下所得的“應(yīng)力－應(yīng)變”曲線見圖2。隨著側(cè)向應(yīng)力增大,巖石強(qiáng)度極限提高。愈大，巖石呈現(xiàn)塑性變形愈明顯。

巖石的力學(xué)性質(zhì)工程上常用彈性模量()和泊松比()表示巖石變形特征指標(biāo)。前者指在彈性范圍內(nèi)應(yīng)力與應(yīng)變之比。從圖1、圖2看出:巖石的彈性模量不是常數(shù)，常用抗壓強(qiáng)度50%的相應(yīng)應(yīng)力與相應(yīng)應(yīng)變?chǔ)胖?=/ε)表示。泊松比為橫向應(yīng)變與縱向應(yīng)變之比。

巖石變形還受載荷作用時(shí)間的影響,表現(xiàn)有兩種:①蠕變，在恒定載荷作用下，巖石變形隨時(shí)間增長(zhǎng)而增大；②松弛，巖石在變形過(guò)程中應(yīng)變保持不變，應(yīng)力則隨時(shí)間增長(zhǎng)而降低。在評(píng)價(jià)巖體穩(wěn)定性時(shí)，必須考慮時(shí)間因素。

從巷道、采場(chǎng)礦柱或試驗(yàn)室試件看巖石受壓破壞的形式，可分為拉伸和剪切破壞兩類。試件或礦柱受壓時(shí)，視端面摩擦狀況或礦柱上部有無(wú)弱巖性薄層,可能產(chǎn)生拉伸或剪切破壞；受彎時(shí)拉伸破壞;受扭時(shí)剪切破壞，在高側(cè)限壓力條件下出現(xiàn)的塑性流動(dòng)破壞是巖石顆粒間產(chǎn)生微小滑移的結(jié)果，仍屬剪切破壞。通過(guò)試驗(yàn)室或現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)定各種加載條件下巖石的抗壓、抗剪、抗彎、抗拉等各種強(qiáng)度的順序?yàn)椋喝虻葔骸等虿坏葔?gt;雙向壓>單向壓>剪切>彎曲>單向拉。巖石強(qiáng)度隨成分、結(jié)構(gòu)、側(cè)限壓、溫度、濕度、風(fēng)化程度、幾何尺寸、加載速度、試件加工情況等因素的不同而異。

巖體是指較大范圍的在原位上的巖石。由于地殼運(yùn)動(dòng)和開采等因素作用，在巖體內(nèi)生成各種原生和次生的結(jié)構(gòu)面。原位巖石被結(jié)構(gòu)面切割形成巖體結(jié)構(gòu)?？煞譃椋和暾Y(jié)構(gòu)、塊狀結(jié)構(gòu)、層狀結(jié)構(gòu)、破碎結(jié)構(gòu)和散體結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)面的存在，使粘聚力和內(nèi)摩擦系數(shù)降低。完整結(jié)構(gòu)的巖體強(qiáng)度與巖塊強(qiáng)度之比多在0.5～1之間，而在破碎結(jié)構(gòu)中，比值多為0.2以下。結(jié)構(gòu)面的存在,特別是層理、片理等，使巖體產(chǎn)生明顯的各向異性特征。例如，層狀巖體的彈性模量，垂直于層理方向加載比平行于層理方向?yàn)樾?；抗壓、抗剪?qiáng)度垂直方向大于平行方向；而抗拉、抗彎強(qiáng)度則平行方向大于垂直方向。

說(shuō)明在何種應(yīng)力狀態(tài)=(·)下，巖石發(fā)生拉伸、剪切破壞的強(qiáng)度準(zhǔn)則。在巖石力學(xué)中，常用庫(kù)侖－納維埃(Coulomb-Navier)和莫爾(Mohr)兩種強(qiáng)度理論，說(shuō)明剪切破壞。70年代以來(lái)，在巖石力學(xué)中應(yīng)用最大線應(yīng)變理論和格里菲斯強(qiáng)度準(zhǔn)則來(lái)說(shuō)明巖石受壓時(shí)引起的拉伸破壞。

庫(kù)侖－納維埃理論 庫(kù)侖于1776年假定材料內(nèi)某點(diǎn)最大剪切應(yīng)力達(dá)到抗剪強(qiáng)度時(shí)引起破壞。納維埃于1883年修改了庫(kù)侖的最大剪應(yīng)力理論，認(rèn)為作用于破壞面的正應(yīng)力會(huì)使巖石抗剪強(qiáng)度()增加,引起破壞的剪切應(yīng)力可表示為:= tg,與分別是破壞面上的剪應(yīng)力與正應(yīng)力；為粘聚力，為內(nèi)摩擦角。該式表示的強(qiáng)度曲線是直線，可根據(jù)不同正應(yīng)力作用下的抗剪強(qiáng)度值作出，也可用單向抗拉和抗壓強(qiáng)度的極限應(yīng)力圓的公切線表示，見圖3中的直線1。

巖石的力學(xué)性質(zhì)莫爾理論 莫爾于1900年認(rèn)為材料的抗剪強(qiáng)度是正應(yīng)力的函數(shù)。=()所反映的強(qiáng)度曲線形式完全由試驗(yàn)確定，它是一系列極限應(yīng)力圓的包絡(luò)線（圖3中曲線 2）。在拉應(yīng)力區(qū)域中，由于巖石的多向受拉難于實(shí)現(xiàn)，一般假設(shè)強(qiáng)度曲線收縮于單向抗拉的極限應(yīng)力圓。如=0，莫爾包絡(luò)線過(guò)原點(diǎn)，則與土力學(xué)中的蘭金 (Rankine)準(zhǔn)則一致。莫爾強(qiáng)度曲線在受拉區(qū)閉合，在受壓區(qū)傾斜向上。說(shuō)明巖石受三向等拉時(shí)會(huì)破壞，受三向等壓時(shí)不會(huì)破壞,剪應(yīng)力與正應(yīng)力有關(guān),抗壓強(qiáng)度大于抗拉強(qiáng)度，這些都與巖石性質(zhì)基本相符。因此獲得應(yīng)用。但該理論認(rèn)為中間應(yīng)力不起作用,與試驗(yàn)結(jié)果有一定出入。

最大線應(yīng)變理論 該理論認(rèn)為材料發(fā)生拉伸破壞的決定因素是拉伸線應(yīng)變。巖石在任意應(yīng)力狀態(tài)下，當(dāng)在最小主應(yīng)力方向上的拉伸線應(yīng)變達(dá)到單向拉伸破壞瞬間的極限線應(yīng)變值時(shí)，巖石就會(huì)發(fā)生拉伸破壞，其強(qiáng)度條件為：－( )≤t，式中、、分別為最大、中間和最小主應(yīng)力，為巖石泊松比，t為巖石抗拉強(qiáng)度。在巷道或采場(chǎng)礦柱中所看到的一些平行巷道幫或礦柱軸線的張裂縫即因此發(fā)生。

格里菲斯(Griffith)強(qiáng)度準(zhǔn)則 它以材料中存在微裂縫為前題，材料受應(yīng)力時(shí)，裂縫尖端應(yīng)力集中，當(dāng)尖端或其鄰近的拉應(yīng)力達(dá)到某一臨界值時(shí),使裂縫擴(kuò)張,引起巖石破壞。2100433B

巖石物理力學(xué)性質(zhì)是指巖石對(duì)物理?xiàng)l件及力作用的反應(yīng)。巖石的物理力學(xué)性質(zhì)是研究一切礦山工程穩(wěn)定的重要依據(jù)。巖石的物理性質(zhì)主要有容重、非均勻性、非連續(xù)性。滲透性、吸水性、熱脹性、聲學(xué)性、導(dǎo)電性、光學(xué)性及磁性等 。巖石的力學(xué)性質(zhì)主要有可變形性、彈性、塑性、流變性、變形模量、彈性模量、粘性系數(shù)、泊桑比、粘結(jié)力、內(nèi)摩擦角、單向抗壓強(qiáng)度、三向抗壓強(qiáng)度、單向抗拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、摩擦強(qiáng)度、殘余強(qiáng)度及流變強(qiáng)度等。巖石物理力學(xué)性質(zhì)通過(guò)巖石試件室內(nèi)物理力學(xué)實(shí)驗(yàn)來(lái)確定，或現(xiàn)場(chǎng)巖石物理力學(xué)測(cè)試測(cè)定。

在應(yīng)變速率增加的情況下，巖石動(dòng)態(tài)彈性模量和巖石動(dòng)態(tài)強(qiáng)度都要增大，塑性變形減少，高速擴(kuò)展的裂紋有分叉的趨勢(shì)。相反，在應(yīng)變速率很低的情況下，巖石常出現(xiàn)流變。

在撞擊和沖擊加載狀態(tài)下，巖石質(zhì)點(diǎn)的慣性變位已很顯著，這時(shí)必須考慮應(yīng)力波在巖石中的傳播和透反射。波在巖石自由面或隅角的反射，常使它產(chǎn)生裂紋或崩角。

在十分高的沖擊載荷作用下，如核爆近區(qū)。與巖石強(qiáng)度有關(guān)的效應(yīng)則退居次要地位，而體積壓縮變形和熱耦合就成為其主要特征，這時(shí)巖石變形類似于可壓縮流體，并造成巖石組織結(jié)構(gòu)的永久性變化。

分節(jié)霍布金森桿是當(dāng)今測(cè)定撞擊加載狀態(tài)下巖石動(dòng)態(tài)力學(xué)性質(zhì)的常用方法，為了得到更高的應(yīng)變速率?？刹捎闷桨逭鲎苍囼?yàn)和平板斜碰撞試驗(yàn) 。

不同性質(zhì)巖石的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系、變形條件或破裂條件等都不同。由于各種巖石的組分和結(jié)構(gòu)各異，形成的年代不同，其中還有許多裂隙，致使其力學(xué)性質(zhì)相差很大，小塊巖石與大塊巖石，以及巖塊和地塊的各點(diǎn)之間，差別也很大，此種性質(zhì)還受時(shí)間、溫度、濕度、圍壓、加力的方式和快慢、變形的歷史，以及巖石所處的周圍介質(zhì)等因素的影響。地塊的變形與之密切相關(guān)，力學(xué)性質(zhì)不同的巖石，即使在相同的外力作用下變形也不相同；反之，變形相同的巖石，若力學(xué)性質(zhì)不同，它們所受的力也一定不相同。因此在地質(zhì)學(xué)中，無(wú)論從已知外力和邊界條件去推測(cè)地塊變形，或從地塊的變形去反推地塊所受的邊界條件和外力，都需了解當(dāng)時(shí)當(dāng)?shù)氐膸r石力學(xué)性質(zhì)。2100433B