影響巖石力學性質和巖石變形的因素

賀智慧

影響巖石力學性質和巖石變形的因素

賀智慧

(晉城煤業(yè)集團 趙莊煤業(yè)，山西 晉城 046605)

巖石的力學性質和巖石變形不僅受巖石內部因素，如成分、結構和構造的控制，而且受巖石所處外部環(huán)境，如溫度、圍壓、應力作用時間等因素的影響。本文就影響巖石的力學性質和巖石變形的內部與外部因素進行研究分析。

力學性質;巖石變形;影響因素

巖石力學與工程的研究對象就是巖石或巖體，巖石或巖體是賦存于自然界中非常復雜的介質，它是天然地質作用的產物，是自然界各種礦物的集合體，它們在形成過程中都有各自不同的成因特點，并且經受了漫長的地質作用，認識所研究的對象—巖石或巖體的基本構成和基本分類，必須了解巖石的主要物理性質和力學性質及其影響這些性質的主要因素。

1 巖石的成分、結構和構造

不同成分的巖石，其抗壓、抗張、抗剪強度相差很懸殊。一般說來，含硬度大的顆粒礦物越多的巖石，強度越大，往往呈脆性變形，如石英砂巖、花崗巖等;含硬度小的片狀礦物，尤其含具有滑感的鱗片狀礦物越多的巖石，強度越小，往往呈韌性變形，如黏土巖、片巖等。沉積巖與火成巖平均礦物成分比較表見表1。

從表1可以看出，沉積巖的礦物成分較火成巖有很大差別。首先，在沉積巖中幾乎看不到火成巖中大量出現(xiàn)的橄欖石、輝石、角閃石等鐵鎂礦物和基性斜長石，而黏土礦物、氧化物礦物、氫氧化物礦物和碳酸鹽礦物大量出現(xiàn);其次，火成巖中長石多于石英，而沉積巖中石英多于長石，而且長石中是以鉀長石為主，酸性斜長石次之，其它種類長石罕見［1］。

表1 沉積巖與火成巖平均礦物成分比較表

2 圍壓

巖石的圍壓是指周圍巖體對它施加的壓力。在地下深處巖石的圍壓，主要是由上覆巖石的重量所致，故常稱為靜巖壓力。

式中：

PZ—靜巖壓力;

ρ—覆蓋層的平均密度;

g—重力加速度;

Z—巖石的埋深。

圍壓一方面增強了巖石的韌性;另一方面大大提高了巖石的強度極限，而彈性極限也有所增高。在溫度不變的情況下，白云巖的塑性變形隨著圍壓的增加而明顯增加，見圖1。圍壓小于125 MPa時，各應力－應變到達曲線終點時，白云巖就會破裂;而圍壓為125 MPa及其以上的各條實驗曲線，卻不表明各自的應力－應變達到曲線終點時白云巖也發(fā)生破裂［2］。在不同圍壓下對白云石進行壓縮試驗的應力－應變曲線見圖1。

圖1 在不同圍壓下白云石壓縮試驗的應力－應變曲線

3 溫度

許多巖石在常溫常壓下是脆性的，隨著溫度的升高，巖石的強度就會降低，彈性就有所減弱，韌性則大為增加，易于變形。格里格斯(D.T.Griggs，1951)對大理巖進行實驗所作出的應力－應變曲線見圖2。圍壓在100 MPa下，對標本施加壓力時，室溫條件下，大理巖的彈性極限為2 000 kgf/cm2左右;溫度增高到150℃時，彈性極限降低為1 000 kgf/cm2左右。這條曲線表明，隨著溫度增高，巖石易于變形，且抗壓強度低。所以，巖石在溫度增高時易于形成剪裂。溫度和溶液對大理石的影響見圖2。因此，在升高溫度的條件下，較小的應力也能使巖石發(fā)生較大的塑性變形［3］。

4 應力作用時間

時間對巖石力學性質和變形的影響，主要表現(xiàn)在施力速度、重復受力和蠕變與松弛。

4.1 施力速度

快速施力，能加快巖石變形速度，使巖石表現(xiàn)為脆性變形。緩慢施力，則會使脆性物質發(fā)生塑性變形。Z.T.Bieniawski于1970年在不同施力速度條件下對砂巖進行了一系列單軸壓縮實驗。實驗結果表明，砂巖在不同應變速度下，每條應力－應變曲線都有一個應力峰值，它隨著應變速度的增加而增加，反映抗壓強度隨著施力和應變速度的減慢而降低，見圖3。

圖2 溫度和溶液對大理石的影響

圖3 在不同施力和應變速度下砂巖的應力－應變曲線

巖石的單軸抗壓強度通常隨加載速率的提高而增大。在很高的加載速率下，如沖擊等試驗所求得的單軸抗壓強度甚至可達數(shù)倍于低加載速率的試驗結果。所以，在研究巖石準靜態(tài)載荷作用下的力學性質時，選擇適當?shù)募虞d速率對其試驗結果來說是比較重要的，因此，按ISRM建議的，在進行單軸抗壓強度試驗時，其加載速率應控制在0.5～1 MPa/s，一般從實驗開始直至試件破壞的時間為5～10 min［4］。

4.2 重復受力

使巖石多次重復受力，雖然作用力不大，也能使巖石破裂［5］。對疲勞現(xiàn)象產生的原因，有人作這樣的解釋，即：當重復作用的應力低于巖石的彈性極限，在應力作用間歇期間變形恢復原狀，重復作用的次數(shù)再多也只是被限制在作用應力范圍以內發(fā)生彈性變形，所以巖石不會發(fā)生破裂;如果重復作用的應力，介于巖石的彈性極限與疲勞極限之間，在應力作用間歇期間，變形就不完全恢復原狀，而出現(xiàn)一些塑性應變，每次出現(xiàn)的塑性應變就都會累積在一起［6］。但是隨著應力重復作用次數(shù)的增加，而逐次累積起來的塑性應變的增量將成對數(shù)地減少，直至為零，所以塑性應變累積到一定程度時就不再增加，巖石仍然不會發(fā)生破裂;若重復作用的應力，達到或超過巖石的疲勞極限，逐次累積的塑性應變一直在增加，并且增量不再減小。當塑性應變累積到能使巖石破壞的應變量時，巖石就會發(fā)生疲勞破壞。重復作用的應力的上限與完全應力—應變曲線尾部的交點，即是疲勞破壞點，見圖4。它反映了重復作用的應力與疲勞破壞時積累的塑性應變之間的關系。重復作用的應力越大，疲勞破壞時累積的塑性應變越小;應力達到或超過巖石強度極限時，就無需重復作用，巖石便會破壞。疲勞破壞應變與完全應力－應變曲線的關系示意圖見圖4。

圖4 疲勞破壞應變與完全應力－應變曲線的關系示意圖

4.3 蠕變與松馳

1)蠕變。巖石在受力變形過程中，若保持應力不變，應變則隨時間的增長而逐漸加大，這種現(xiàn)象稱蠕變。不同應力作用下的蠕變曲線是不同的，見圖5。不同溫度條件下的蠕變曲線也不一致，見圖6。

圖5 石灰?guī)r壓縮試驗的蠕變曲線圖

圖6 蠕變曲線

蠕變是不可恢復的永久應變。從材料的典型蠕變曲線(圖6)可以看出，總應變由兩部分組成：一部分為彈性應變;另一部分為塑性應變。典型的蠕變過程可以分為三個階段：第一階段稱過渡蠕變階段，圖6中曲線的AB段，其應變速率不斷減小，達到B點時為最小值;第二階段稱穩(wěn)態(tài)蠕變階段，或定常蠕變階段，即曲線的BC段，其應變速率大致保持一定，這也是應變速率最小的一個階段;第三階段為加速蠕變階段，即曲線的CD段，隨著時間的增長，其應變速率顯著加快，由于試件頸縮的緣故，到達D點后試件破壞。

2)松馳。

若保持變形不變，而應力隨時間的增長逐漸減小，這種現(xiàn)象稱為松馳。從典型的松馳曲線圖上，見圖7，松馳過程分兩個階段，第一階段，即 AB線段的應力迅速減小松馳速度急劇下降;第二階段，即BC線段的應力減小速度緩慢松馳速度逐漸下降，并趨于某一極限值。

圖7 松弛曲線

蠕變和松弛現(xiàn)象顯示了應力和應變的時間效應［7］。地質上的巖石變形是在漫長的地質歷史時期中發(fā)生的，因此，蠕變和松弛對巖石變形的研究尤為重要。

5 結語

巖石的力學性質和巖石變形受巖石的內部與外部因素影響。研究影響巖石力學性質和巖石變形的內部與外部因素，主要包括巖石的成分、結構和構造、圍壓、溫度、應力作用時間幾個因素。各種因素通過不同的形式對巖石的力學性質和巖石變形產生不同的影響。

［1］ 蔡美峰.巖石力學與工程［M］.北京：科學出版社，2002：35－38.

［2］ 孫廣忠.巖石力學基礎［M］.北京：科學出版社，1983：62－65.

［3］ 鄭永學.礦山巖體力學［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，1988：55－56.

［4］ J.C.耶格著.中國科學院工程力學研究所譯.巖石力學基礎［M］.北京：科學出版社，1976：23－24.

［5］ 高 磊.礦山巖石力學［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1987：16－18.

［6］ 華東水利學院，成都科技大學.巖石力學［M］.北京：水力電力出版社，1986：81－82.

［7］ 張 清，杜 靜.巖石力學基礎［M］.北京：中國鐵道出版社，1997：20－22.

Mechanical Properties of Rocks and Rock Deformation Factors

He Zhi－h(huán)ui

Mechanical properties of rock and rock deformation not only by the rock internal factors such as composition，structure and formation control，but also by the rock located the external environment such as temperature，confining pressure，stress effect time and other factors influence.In this paper，the internal and external factors of influencing the mechanical properties of rock and rock deformation are studied and analyzed.

Mechanical properties;Rock deformation;Influence factors

TD313

A

1672－0652(2012)07－0053－04

2012－06－04

賀智慧(1972—)，男，山西太原人，2011年畢業(yè)于太原理工大學(函授)，助理工程師，主要從事煤礦開采技術管理工作(E －mail)wangmoshu913@163.com