岩石的力學性質是指岩石在應力作用下表現的彈性、塑性、彈塑性、流變性、脆性、韌性、發熱等力學性質。岩石在地質作用過程或各種應力作用下表現的各種力學性質。岩石力學性質因岩石的組分、結構的不同而千差萬別;加上時間、溫度、濕度、圍壓、加力方式和加力快慢、變形歷史,以及其周圍介質情況等因素的影響,還有岩塊大小不一,其表現的差別甚大。岩石力學性質分彈性、塑性、彈塑性、流變性、脆性、韌性等。
基本介紹
- 中文名：岩石的力學性質
- 外文名：mechanical properties of rocks
正文,
正文
岩石受載時的變形和強度特徵。岩石受載後，隨應力增加應變也增大。當應力增大到岩石強度值，或應力長期恆定保持在某一水平時，都能使岩石破壞。在評價采場、井巷圍岩穩定性和解決岩石破碎問題時，都需研究反映岩石應力－應變關係的變形特徵和岩石破壞條件下最大應力的強度特徵數據。
在試驗室對多種岩石試塊作大量試驗獲得單向受壓的“應力-應變”關係，見圖1。堅固的岩漿岩、石灰岩等岩石的應力-應變曲線近於直線，表現為彈性變形,最後呈突然脆性破壞(圖1a)。含有孔隙和微裂隙的堅固岩石與變質岩，當載入方向垂直裂隙、片理方向時，應力－應變曲線開始上凹，而後為直線,上凹為載入後裂隙閉合,表現為塑彈性變形（圖1b）。岩性鬆軟的沉積岩或片理髮育的變質岩,受垂直片理方向的載荷作用,表現為塑彈塑性變形（圖1c）。
岩石的力學性質岩石變形特徵，除受岩性影響外，還受應力狀態影響。1911年卡門(Karman)用大理岩在三向壓縮下所得的“應力－應變”曲線見圖2。隨著側向應力增大,岩石強度極限提高。愈大，岩石呈現塑性變形愈明顯。
岩石的力學性質工程上常用彈性模量()和泊松比()表示岩石變形特徵指標。前者指在彈性範圍內應力與應變之比。從圖1、圖2看出:岩石的彈性模量不是常數，目前常用抗壓強度50%的相應應力與相應應變ε之比(=/ε)表示。泊松比為橫向應變與縱向應變之比。
岩石變形還受載荷作用時間的影響,表現有兩種:①蠕變，在恆定載荷作用下，岩石變形隨時間增長而增大；②鬆弛，岩石在變形過程中應變保持不變，應力則隨時間增長而降低。在評價岩體穩定性時，必須考慮時間因素。
從巷道、采場礦柱或試驗室試件看岩石受壓破壞的形式，可分為拉伸和剪下破壞兩類。試件或礦柱受壓時，視端面摩擦狀況或礦柱上部有無弱岩性薄層,可能產生拉伸或剪下破壞；受彎時拉伸破壞;受扭時剪下破壞，在高側限壓力條件下出現的塑性流動破壞是岩石顆粒間產生微小滑移的結果，仍屬剪下破壞。通過試驗室或現場原位測定各種載入條件下岩石的抗壓、抗剪、抗彎、抗拉等各種強度的順序為：三向等壓〉三向不等壓>雙向壓>單向壓>剪下>彎曲>單向拉。岩石強度隨成分、結構、側限壓、溫度、濕度、風化程度、幾何尺寸、載入速度、試件加工情況等因素的不同而異。
岩體是指較大範圍的在原位上的岩石。由於地殼運動和開採等因素作用，在岩體內生成各種原生和次生的結構面。原位岩石被結構面切割形成岩體結構。可分為：完整結構、塊狀結構、層狀結構、破碎結構和散體結構。結構面的存在，使粘聚力和內摩擦係數降低。完整結構的岩體強度與岩塊強度之比多在0.5～1之間，而在破碎結構中，比值多為0.2以下。結構面的存在,特別是層理、片理等，使岩體產生明顯的各向異性特徵。例如，層狀岩體的彈性模量，垂直於層理方向載入比平行於層理方向為小；抗壓、抗剪強度垂直方向大於平行方向；而抗拉、抗彎強度則平行方向大於垂直方向。
說明在何種應力狀態=(·)下，岩石發生拉伸、剪下破壞的強度準則。在岩石力學中，常用庫侖－納維埃(Coulomb-Navier)和莫爾(Mohr)兩種強度理論，說明剪下破壞。70年代以來，在岩石力學中套用最大線應變理論和格里菲斯強度準則來說明岩石受壓時引起的拉伸破壞。
庫侖－納維埃理論 庫侖於1776年假定材料內某點最大剪下應力達到抗剪強度時引起破壞。納維埃於1883年修改了庫侖的最大剪應力理論，認為作用於破壞面的正應力會使岩石抗剪強度()增加,引起破壞的剪下應力可表示為:=+tg,與分別是破壞面上的剪應力與正應力；為粘聚力，為內摩擦角。該式表示的強度曲線是直線，可根據不同正應力作用下的抗剪強度值作出，也可用單向抗拉和抗壓強度的極限應力圓的公切線表示，見圖3中的直線1。
岩石的力學性質莫爾理論 莫爾於1900年認為材料的抗剪強度是正應力的函式。=()所反映的強度曲線形式完全由試驗確定，它是一系列極限應力圓的包絡線（圖3中曲線 2）。在拉應力區域中，由於岩石的多向受拉難於實現，一般假設強度曲線收縮於單向抗拉的極限應力圓。如=0，莫爾包絡線過原點，則與土力學中的蘭金 (Rankine)準則一致。莫爾強度曲線在受拉區閉合，在受壓區傾斜向上。說明岩石受三向等拉時會破壞，受三向等壓時不會破壞,剪應力與正應力有關,抗壓強度大於抗拉強度，這些都與岩石性質基本相符。因此獲得套用。但該理論認為中間應力不起作用,與試驗結果有一定出入。
最大線應變理論 該理論認為材料發生拉伸破壞的決定因素是拉伸線應變。岩石在任意應力狀態下，當在最小主應力方向上的拉伸線應變達到單向拉伸破壞瞬間的極限線應變值時，岩石就會發生拉伸破壞，其強度條件為：－(+)≤t，式中、、分別為最大、中間和最小主應力，為岩石泊松比，t為岩石抗拉強度。在巷道或采場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生。
格里菲斯(Griffith)強度準則 它以材料中存在微裂縫為前題，材料受應力時，裂縫尖端應力集中，當尖端或其鄰近的拉應力達到某一臨界值時,使裂縫擴張,引起岩石破壞。
岩石的力學性質
岩石的力學性質
岩石的力學性質
在試驗室對多種岩石試塊作大量試驗獲得單向受壓的“應力-應變”關係，見圖1。堅固的岩漿岩、石灰岩等岩石的應力-應變曲線近於直線，表現為彈性變形,最後呈突然脆性破壞(圖1a)。含有孔隙和微裂隙的堅固岩石與變質岩，當載入方向垂直裂隙、片理方向時，應力－應變曲線開始上凹，而後為直線,上凹為載入後裂隙閉合,表現為塑彈性變形（圖1b）。岩性鬆軟的沉積岩或片理髮育的變質岩,受垂直片理方向的載荷作用,表現為塑彈塑性變形（圖1c）。
岩石的力學性質岩石變形特徵，除受岩性影響外，還受應力狀態影響。1911年卡門(Karman)用大理岩在三向壓縮下所得的“應力－應變”曲線見圖2。隨著側向應力增大,岩石強度極限提高。愈大，岩石呈現塑性變形愈明顯。
岩石的力學性質工程上常用彈性模量()和泊松比()表示岩石變形特徵指標。前者指在彈性範圍內應力與應變之比。從圖1、圖2看出:岩石的彈性模量不是常數，目前常用抗壓強度50%的相應應力與相應應變ε之比(=/ε)表示。泊松比為橫向應變與縱向應變之比。
岩石變形還受載荷作用時間的影響,表現有兩種:①蠕變，在恆定載荷作用下，岩石變形隨時間增長而增大；②鬆弛，岩石在變形過程中應變保持不變，應力則隨時間增長而降低。在評價岩體穩定性時，必須考慮時間因素。
從巷道、采場礦柱或試驗室試件看岩石受壓破壞的形式，可分為拉伸和剪下破壞兩類。試件或礦柱受壓時，視端面摩擦狀況或礦柱上部有無弱岩性薄層,可能產生拉伸或剪下破壞；受彎時拉伸破壞;受扭時剪下破壞，在高側限壓力條件下出現的塑性流動破壞是岩石顆粒間產生微小滑移的結果，仍屬剪下破壞。通過試驗室或現場原位測定各種載入條件下岩石的抗壓、抗剪、抗彎、抗拉等各種強度的順序為：三向等壓〉三向不等壓>雙向壓>單向壓>剪下>彎曲>單向拉。岩石強度隨成分、結構、側限壓、溫度、濕度、風化程度、幾何尺寸、載入速度、試件加工情況等因素的不同而異。
岩體是指較大範圍的在原位上的岩石。由於地殼運動和開採等因素作用，在岩體內生成各種原生和次生的結構面。原位岩石被結構面切割形成岩體結構。可分為：完整結構、塊狀結構、層狀結構、破碎結構和散體結構。結構面的存在，使粘聚力和內摩擦係數降低。完整結構的岩體強度與岩塊強度之比多在0.5～1之間，而在破碎結構中，比值多為0.2以下。結構面的存在,特別是層理、片理等，使岩體產生明顯的各向異性特徵。例如，層狀岩體的彈性模量，垂直於層理方向載入比平行於層理方向為小；抗壓、抗剪強度垂直方向大於平行方向；而抗拉、抗彎強度則平行方向大於垂直方向。
說明在何種應力狀態=(·)下，岩石發生拉伸、剪下破壞的強度準則。在岩石力學中，常用庫侖－納維埃(Coulomb-Navier)和莫爾(Mohr)兩種強度理論，說明剪下破壞。70年代以來，在岩石力學中套用最大線應變理論和格里菲斯強度準則來說明岩石受壓時引起的拉伸破壞。
庫侖－納維埃理論 庫侖於1776年假定材料內某點最大剪下應力達到抗剪強度時引起破壞。納維埃於1883年修改了庫侖的最大剪應力理論，認為作用於破壞面的正應力會使岩石抗剪強度()增加,引起破壞的剪下應力可表示為:=+tg,與分別是破壞面上的剪應力與正應力；為粘聚力，為內摩擦角。該式表示的強度曲線是直線，可根據不同正應力作用下的抗剪強度值作出，也可用單向抗拉和抗壓強度的極限應力圓的公切線表示，見圖3中的直線1。
岩石的力學性質莫爾理論 莫爾於1900年認為材料的抗剪強度是正應力的函式。=()所反映的強度曲線形式完全由試驗確定，它是一系列極限應力圓的包絡線（圖3中曲線 2）。在拉應力區域中，由於岩石的多向受拉難於實現，一般假設強度曲線收縮於單向抗拉的極限應力圓。如=0，莫爾包絡線過原點，則與土力學中的蘭金 (Rankine)準則一致。莫爾強度曲線在受拉區閉合，在受壓區傾斜向上。說明岩石受三向等拉時會破壞，受三向等壓時不會破壞,剪應力與正應力有關,抗壓強度大於抗拉強度，這些都與岩石性質基本相符。因此獲得套用。但該理論認為中間應力不起作用,與試驗結果有一定出入。
最大線應變理論 該理論認為材料發生拉伸破壞的決定因素是拉伸線應變。岩石在任意應力狀態下，當在最小主應力方向上的拉伸線應變達到單向拉伸破壞瞬間的極限線應變值時，岩石就會發生拉伸破壞，其強度條件為：－(+)≤t，式中、、分別為最大、中間和最小主應力，為岩石泊松比，t為岩石抗拉強度。在巷道或采場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生。
格里菲斯(Griffith)強度準則 它以材料中存在微裂縫為前題，材料受應力時，裂縫尖端應力集中，當尖端或其鄰近的拉應力達到某一臨界值時,使裂縫擴張,引起岩石破壞。
岩石的力學性質岩石的力學性質岩石的力學性質