賀智慧

影響巖石力學(xué)性質(zhì)和巖石變形的因素

賀智慧

(晉城煤業(yè)集團(tuán) 趙莊煤業(yè)，山西 晉城 046605)

巖石的力學(xué)性質(zhì)和巖石變形不僅受巖石內(nèi)部因素，如成分、結(jié)構(gòu)和構(gòu)造的控制，而且受巖石所處外部環(huán)境，如溫度、圍壓、應(yīng)力作用時(shí)間等因素的影響。本文就影響巖石的力學(xué)性質(zhì)和巖石變形的內(nèi)部與外部因素進(jìn)行研究分析。

力學(xué)性質(zhì);巖石變形;影響因素

巖石力學(xué)與工程的研究對(duì)象就是巖石或巖體，巖石或巖體是賦存于自然界中非常復(fù)雜的介質(zhì)，它是天然地質(zhì)作用的產(chǎn)物，是自然界各種礦物的集合體，它們?cè)谛纬蛇^(guò)程中都有各自不同的成因特點(diǎn)，并且經(jīng)受了漫長(zhǎng)的地質(zhì)作用，認(rèn)識(shí)所研究的對(duì)象—巖石或巖體的基本構(gòu)成和基本分類(lèi)，必須了解巖石的主要物理性質(zhì)和力學(xué)性質(zhì)及其影響這些性質(zhì)的主要因素。

1 巖石的成分、結(jié)構(gòu)和構(gòu)造

不同成分的巖石，其抗壓、抗張、抗剪強(qiáng)度相差很懸殊。一般說(shuō)來(lái)，含硬度大的顆粒礦物越多的巖石，強(qiáng)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(qiáng)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(jiàn)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(zhǎng)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(zhǎng)石多于石英，而沉積巖中石英多于長(zhǎng)石，而且長(zhǎng)石中是以鉀長(zhǎng)石為主，酸性斜長(zhǎng)石次之，其它種類(lèi)長(zhǎng)石罕見(jiàn)［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?chē)鷰r體對(duì)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(qiáng)了巖石的韌性;另一方面大大提高了巖石的強(qiáng)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(jiàn)圖1。圍壓小于125 MPa時(shí)，各應(yīng)力－應(yīng)變到達(dá)曲線終點(diǎn)時(shí)，白云巖就會(huì)破裂;而圍壓為125 MPa及其以上的各條實(shí)驗(yàn)曲線，卻不表明各自的應(yīng)力－應(yīng)變達(dá)到曲線終點(diǎn)時(shí)白云巖也發(fā)生破裂［2］。在不同圍壓下對(duì)白云石進(jìn)行壓縮試驗(yàn)的應(yīng)力－應(yīng)變曲線見(jiàn)圖1。

圖1 在不同圍壓下白云石壓縮試驗(yàn)的應(yīng)力－應(yīng)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(qiáng)度就會(huì)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(duì)大理巖進(jìn)行實(shí)驗(yàn)所作出的應(yīng)力－應(yīng)變曲線見(jiàn)圖2。圍壓在100 MPa下，對(duì)標(biāo)本施加壓力時(shí)，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(shí)，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(qiáng)度低。所以，巖石在溫度增高時(shí)易于形成剪裂。溫度和溶液對(duì)大理石的影響見(jiàn)圖2。因此，在升高溫度的條件下，較小的應(yīng)力也能使巖石發(fā)生較大的塑性變形［3］。

4 應(yīng)力作用時(shí)間

時(shí)間對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)和變形的影響，主要表現(xiàn)在施力速度、重復(fù)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(huì)使脆性物質(zhì)發(fā)生塑性變形。Z.T.Bieniawski于1970年在不同施力速度條件下對(duì)砂巖進(jìn)行了一系列單軸壓縮實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，砂巖在不同應(yīng)變速度下，每條應(yīng)力－應(yīng)變曲線都有一個(gè)應(yīng)力峰值，它隨著應(yīng)變速度的增加而增加，反映抗壓強(qiáng)度隨著施力和應(yīng)變速度的減慢而降低，見(jiàn)圖3。

圖2 溫度和溶液對(duì)大理石的影響

圖3 在不同施力和應(yīng)變速度下砂巖的應(yīng)力－應(yīng)變曲線

巖石的單軸抗壓強(qiáng)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(yàn)所求得的單軸抗壓強(qiáng)度甚至可達(dá)數(shù)倍于低加載速率的試驗(yàn)結(jié)果。所以，在研究巖石準(zhǔn)靜態(tài)載荷作用下的力學(xué)性質(zhì)時(shí)，選擇適當(dāng)?shù)募虞d速率對(duì)其試驗(yàn)結(jié)果來(lái)說(shuō)是比較重要的，因此，按ISRM建議的，在進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)時(shí)，其加載速率應(yīng)控制在0.5～1 MPa/s，一般從實(shí)驗(yàn)開(kāi)始直至試件破壞的時(shí)間為5～10 min［4］。

4.2 重復(fù)受力

使巖石多次重復(fù)受力，雖然作用力不大，也能使巖石破裂［5］。對(duì)疲勞現(xiàn)象產(chǎn)生的原因，有人作這樣的解釋?zhuān)矗寒?dāng)重復(fù)作用的應(yīng)力低于巖石的彈性極限，在應(yīng)力作用間歇期間變形恢復(fù)原狀，重復(fù)作用的次數(shù)再多也只是被限制在作用應(yīng)力范圍以內(nèi)發(fā)生彈性變形，所以巖石不會(huì)發(fā)生破裂;如果重復(fù)作用的應(yīng)力，介于巖石的彈性極限與疲勞極限之間，在應(yīng)力作用間歇期間，變形就不完全恢復(fù)原狀，而出現(xiàn)一些塑性應(yīng)變，每次出現(xiàn)的塑性應(yīng)變就都會(huì)累積在一起［6］。但是隨著應(yīng)力重復(fù)作用次數(shù)的增加，而逐次累積起來(lái)的塑性應(yīng)變的增量將成對(duì)數(shù)地減少，直至為零，所以塑性應(yīng)變累積到一定程度時(shí)就不再增加，巖石仍然不會(huì)發(fā)生破裂;若重復(fù)作用的應(yīng)力，達(dá)到或超過(guò)巖石的疲勞極限，逐次累積的塑性應(yīng)變一直在增加，并且增量不再減小。當(dāng)塑性應(yīng)變累積到能使巖石破壞的應(yīng)變量時(shí)，巖石就會(huì)發(fā)生疲勞破壞。重復(fù)作用的應(yīng)力的上限與完全應(yīng)力—應(yīng)變曲線尾部的交點(diǎn)，即是疲勞破壞點(diǎn)，見(jiàn)圖4。它反映了重復(fù)作用的應(yīng)力與疲勞破壞時(shí)積累的塑性應(yīng)變之間的關(guān)系。重復(fù)作用的應(yīng)力越大，疲勞破壞時(shí)累積的塑性應(yīng)變?cè)叫?應(yīng)力達(dá)到或超過(guò)巖石強(qiáng)度極限時(shí)，就無(wú)需重復(fù)作用，巖石便會(huì)破壞。疲勞破壞應(yīng)變與完全應(yīng)力－應(yīng)變曲線的關(guān)系示意圖見(jiàn)圖4。

圖4 疲勞破壞應(yīng)變與完全應(yīng)力－應(yīng)變曲線的關(guān)系示意圖

4.3 蠕變與松馳

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

圖5 石灰?guī)r壓縮試驗(yàn)的蠕變曲線圖

圖6 蠕變曲線

蠕變是不可恢復(fù)的永久應(yīng)變。從材料的典型蠕變曲線(圖6)可以看出，總應(yīng)變由兩部分組成：一部分為彈性應(yīng)變;另一部分為塑性應(yīng)變。典型的蠕變過(guò)程可以分為三個(gè)階段：第一階段稱過(guò)渡蠕變階段，圖6中曲線的AB段，其應(yīng)變速率不斷減小，達(dá)到B點(diǎn)時(shí)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(yīng)變速率大致保持一定，這也是應(yīng)變速率最小的一個(gè)階段;第三階段為加速蠕變階段，即曲線的CD段，隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，其應(yīng)變速率顯著加快，由于試件頸縮的緣故，到達(dá)D點(diǎn)后試件破壞。

2)松馳。

若保持變形不變，而應(yīng)力隨時(shí)間的增長(zhǎng)逐漸減小，這種現(xiàn)象稱為松馳。從典型的松馳曲線圖上，見(jiàn)圖7，松馳過(guò)程分兩個(gè)階段，第一階段，即 AB線段的應(yīng)力迅速減小松馳速度急劇下降;第二階段，即BC線段的應(yīng)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(yīng)力和應(yīng)變的時(shí)間效應(yīng)［7］。地質(zhì)上的巖石變形是在漫長(zhǎng)的地質(zhì)歷史時(shí)期中發(fā)生的，因此，蠕變和松弛對(duì)巖石變形的研究尤為重要。

5 結(jié)語(yǔ)

巖石的力學(xué)性質(zhì)和巖石變形受巖石的內(nèi)部與外部因素影響。研究影響巖石力學(xué)性質(zhì)和巖石變形的內(nèi)部與外部因素，主要包括巖石的成分、結(jié)構(gòu)和構(gòu)造、圍壓、溫度、應(yīng)力作用時(shí)間幾個(gè)因素。各種因素通過(guò)不同的形式對(duì)巖石的力學(xué)性質(zhì)和巖石變形產(chǎn)生不同的影響。

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

［2］ 孫廣忠.巖石力學(xué)基礎(chǔ)［M］.北京：科學(xué)出版社，1983：62－65.

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

［4］ J.C.耶格著.中國(guó)科學(xué)院工程力學(xué)研究所譯.巖石力學(xué)基礎(chǔ)［M］.北京：科學(xué)出版社，1976：23－24.

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

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

［7］ 張 清，杜 靜.巖石力學(xué)基礎(chǔ)［M］.北京：中國(guó)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(xué)(函授)，助理工程師，主要從事煤礦開(kāi)采技術(shù)管理工作(E －mail)wangmoshu913@163.com