岩石力学参数分布特征
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发布时间：2022-05-11 06:08
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时间：2024-02-10 09:52
岩石是岩体的组成物质，它的工程地质特性一般不直接决定岩体的稳定性，但它是影响岩体稳定性的重要因素之一。在完整块状结构的岩体与松软岩体中，结构面对岩体变形破坏不起主导作用，岩石的特性与岩体的特性并无本质的区别。岩体的工程地质特性包括物理性质、水理性质与力学性质三大方面，但最重要的是力学性质。表征岩石的基本力学性质有弹性、塑性、硬化、强度、刚度和韧性等等。岩石种类不同，变形程度不同，所显现出来的力学性质也不一样。有的性质是相对而言的，如脆性和韧性。现在一般是以破裂后残余应变或临近破裂前总应变量的大小来度量，如按破裂前的最大应变小于 3% 定为脆性，大于 5%为韧性，介于 3%～5%是过渡性的。因此，在进行工程地质和顶板岩体质量及稳定性评价时，要对沉积岩石的变形力学特性进行专门研究。
岩石的力学性质主要指岩石的变形与强度特性。为了研究岩石强度和变形特性及岩石发生破裂的发展过程，利用岩石力学试验机对圆柱形岩石试件进行单轴或三轴压缩试验是基本手段之一。岩石的变形特征最直观的表达方法是通过应力 - 应变关系曲线来表示( 图6.1) 。在刚性实验机上获得的岩石应力 - 应变曲线较好地再现了岩石的应变强化和应变软化特性，对于大多数岩石，当应力超过岩石的抗压强度时，由于内部微裂纹扩展，岩石表现为渐进破坏，强度逐渐降低 ( 应变软化) ，同时伴随着体积膨胀 ( 扩容) ，直至达到一个残余强度值。因此，由峰值强度至残余强度这一区段可以看作岩石由完整发展到破碎的过程。
理想岩石的变形过程大体上可分为 3 个阶段 ( 图6.1) : 弹性变形阶段、塑性变形阶段与破坏阶段。弹性阶段即应力与应变之间成直线关系，当外力除去后，变形即可完全恢复。塑性阶段是随应力的增大，应变急剧增大，二者之间呈凸形的曲线关系，而且除去外力之后变形也不能完全恢复。当外力增大到一定限度之后，试件将发生破坏。
图6.1 理想岩石的应力 - 应变曲线
然而，实际的岩石具有不同的矿物成分与结构，甚至还可以具有一定的微小裂隙，其变形过程远比理想岩石复杂。R.P.米勒对 28 种岩石进行了大量的单轴抗压试验之后，归纳出 6 种类型的应力 - 应变关系 ( 图6.2) 。
第Ⅰ类: 弹性，应力 - 应变曲线具有非常接近直线的变形特点，主要为弹性变形，变形不大时突然破裂，多属脆性岩石。属于这一类型的有玄武岩、石英岩、辉绿岩、白云岩和较硬的石灰岩等。
策Ⅱ类: 弹 - 塑性，应力 - 应变曲线呈简单函数关系，卸载时显示出较大的残余变形。属于这一类型的有较软的石灰岩、粉砂岩、凝灰岩等。
图6.2 在单轴压缩下岩石直至破坏时典型的应力 - 应变曲线
第Ⅲ类: 塑 - 弹性，应力 - 应变曲线开始凹向上微弯，而后逐渐变成凹向下微弯，不表现屈服，而以脆性断裂的形式破坏。属于这一类型的有砂岩、花岗岩、平行于片理方向受力的片岩和一些辉绿岩等。
第Ⅳ类: 塑 - 弹 - 塑性，应力 - 应变曲线开始凹向上弯，中间有一段接近直线段，接着是凹向下弯，从总体上看，曲线呈陡挺的 S 型。属于这一类型的有变质岩、大理岩和片麻岩等。
第 V 类: 弹 - 塑 - 弹性，应力 - 应变曲线呈舒缓的 S 型。属于这一类型的有垂直于片理方向受力的片岩等。
第Ⅵ类: 弹 - 塑 - 蠕变，即岩石试件变形到一定阶段之后变形随时间而增大。应力 -应变具有一段不长的初始直线部分，随后进入塑性变形阶段，可以产生较大的塑性变形。属于这一类型的有岩盐、钾矿石和其他蒸发岩类等。
这 6 种类型中，第Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ类曲线都是在开始阶段有凹向上弯的部分，实验证明:这是由于实验岩石具有较大的孔隙率、微裂隙或片理组织，随着应力作用加大，微孔隙、微裂隙被封闭或压密，开始阶段的应力 - 应变曲线正反映这一过程。
岩石的变形特性可以用一系列变形参数来表达。对于拉伸或压缩变形来说，最主要的变形参数有变形模量 ( E) 和泊松比 ( μ) 。
兖州煤田山西组主采 3 煤层及其顶板岩层均形成于浅水三角洲沉积，沉积岩性由陆源碎屑岩的砂岩、粉砂岩、粉砂质泥岩、泥质岩及粘土岩和煤层组成。由于顶板岩性及其组合的差异，顶板稳定性不同，生产实践表明，一般砂岩顶板稳定性高，初次垮落步距大，而泥岩顶板稳定性差，初次垮落步距较小。
表6.1 3 层煤物理力学性质
表6.2 不同岩性的直接顶、老顶、底板物理力学性质
从力学角度出发，沉积岩性对顶板稳定性的影响主要取决于岩石的力学强度。试验表明 ( 表6.1，表6.2) ，任何一种岩石力学性质的变化范围都很大，并与其他岩石有较大范围的交叉，如兖州煤田中砂岩的单轴抗压强度为 48.7～ 76.8MPa，粉砂岩为 34.0～57.0MPa，泥岩为 29.5～ 40.1MPa，煤层为 11～ 18MPa，其他参数也具有类似的特点，反映出相同类型的岩石，其力学性质差异较大，也说明影响沉积岩石力学性质的因素之多，如沉积岩石的成分、结构、胶结成分、胶结类型和支撑类型都影响着岩石力学性质。尽管同一岩性的岩石力学性质变化较大，但仍可以看出，单轴抗压强度和抗拉强度以及岩石质量指标以砂岩类最大，粉砂岩次之，泥岩较小，煤层最小。因此岩性类型对岩石强度和岩石质量均有重要的影响。
