岩石的力学性质

翡翠的张性裂隙和剪性裂隙翡翠岩是--种变质岩，是在高压低温条件下形成的，是多期地质应力作用的结果。一般地讲，应力作用类型可以分为拉伸、挤压、剪切、弯曲、扭转。每种应力可使翡翠岩产生不同的应变，当它们超过应变极限时，将产生不同类型的裂隙。按作用应力性质可将翡翠原石的裂隙分为：张裂隙和剪裂隙。张裂隙是因拉伸应力作用而产生的裂隙。当翡翠岩受拉伸时，会产生与主要的张应力方向垂直的张裂隙。张裂隙的主要特征为：裂隙短而弯曲；裂隙面粗糙不平，无擦痕；张裂隙多开口，一般易被矿脉充填，行家称的"开口绺"即为张裂隙的一种；张裂隙有时呈不规则的树枝状、各种网络状，有时也构成放射状或同心圆状组合形式。剪裂隙是由于剪切力作用而形成的。剪切力是一对力量相等、方向相反的应力，当剪切力作用于翡翠岩石并超过它的抗剪强度时，岩石会发生破裂。首先产生的主裂隙是沿剪切力对角线方向，其次相应地将产生于垂直主裂隙的另一组裂隙，这两组裂隙组成"X"形裂隙，行家称为"十字绺"的裂隙就属于"X"形裂隙，这种裂隙在翡翠原石中普遍可见。剪裂隙的主要特征有：一般延伸较长；裂隙面比较平直光滑，有时因剪切滑动而留下擦痕；"X”形裂隙发育良好时，可将岩石切割成菱形、棋盘格式岩块或岩柱，行家称"X"形裂隙为"恶裂"；若只发育一组剪裂隙，则裂隙会相互平行延伸；剪裂隙排列往往具等距性。岩石的力学性质岩石受载时的变形和强度特征。岩石受载后，随应力增加应变也增大。当应力增大到岩石强度值，或应力长期恒定保持在某一水平时，都能使岩石破坏。在评价采场、井巷围岩稳定性和解决岩石破碎问题时，都需研究反映岩石应力一应变关系的变形特征和岩石破坏条件下最大应力的强度特征数据。岩石变形特征在试验室对多种岩石试块作大量试验获得单向受压的“应力-应变”关系，见图1。坚固的岩浆岩、石灰岩等岩石的应力-应变曲线近于直线，表现为弹性变形，最后呈突然脆性破坏（图1a）。含有孔隙和微裂隙的坚固岩石与变质岩，当加载方向垂直裂隙、片理方向时，应力一应变曲线开始上凹，而后为直线，上凹为加载后裂隙闭合，表现为塑弹性变形（图1b）。岩性松软的沉积岩或片理发育的变质岩，受垂直片理方向的载荷作用，表现为塑弹塑性变形（图1c）。 囊I常―岩石—岩赚岩，球担,..、任土治，■旋岩、白云岩史剧岩片再岩、片制千枚者，相善.穴理岩.石英岩花世岩、曲丢*■■敞就技堑虬燧钮茁安山瓦 岩石的力学性质岩石变形特征，除受岩性影响外，还受应力状态影响。1911年卡门（Karman）用大理岩在三向压缩下所得的“应力一应变”曲线见图2。随着侧向应力。增大,岩石强度极限提高。a愈大，岩石呈现塑性变形愈明显。 3…nii一”…工…七.一‘‘lw*ir~30£4~25002M6iS00LS®5M距印港洋再孵佥肝事唐火戚*申*『箱出uc±wJ■••••：-■- 岩石的力学性质工程上常用弹性模量(E)和泊松比(“)表示岩石变形特征指标。前者指在弹性范围内应力与应变之比。从图1、图2看出：岩石的弹性模量不是常数，目前常用抗压强度50%的相应应力。演与相应应变£演之比(Ep5。/£50)表示。泊松比为横向应变与纵向应变之比。50 50 5050岩石变形还受载荷作用时间的影响,表现有两种:①蠕变，在恒定载荷作用下，岩石变形随时间增长而增大；②松弛，岩石在变形过程中应变保持不变，应力则随时间增长而降低。在评价岩体稳定性时，必须考虑时间因素。岩石强度特征从巷道、采场矿柱或试验室试件看岩石受压破坏的形式，可分为拉伸和剪切破坏两类。试件或矿柱受压时，视端面摩擦状况或矿柱上部有无弱岩性薄层,可能产生拉伸或剪切破坏；受弯时拉伸破坏;受扭时剪切破坏，在高侧限压力条件下出现的塑性流动破坏是岩石颗粒间产生微小滑移的结果，仍属剪切破坏。通过试验室或现场原位测定各种加载条件下岩石的抗压、抗剪、抗弯、抗拉等各种强度的顺序为：三向等压〉三向不等压＞双向压〉单向压〉剪切〉弯曲〉单向拉。岩石强度随成分、结构、侧限压、温度、湿度、风化程度、几何尺寸、加载速度、试件加工情况等因素的不同而异。岩体是指较大范围的在原位上的岩石。由于地壳运动和开采等因素作用，在岩体内生成各种原生和次生的结构面。原位岩石被结构面切割形成岩体结构。可分为：完整结构、块状结构、层状结构、破碎结构和散体结构。结构面的存在，使粘聚力和内摩擦系数降低。完整结构的岩体强度与岩块强度之比多在0.5〜1之间，而在破碎结构中，比值多为0.2以下。结构面的存在，特别是层理、片理等，使岩体产生明显的各向异性特征。例如，层状岩体的弹性模量，垂直于层理方向加载比平行于层理方向为小；抗压、抗剪强度垂直方向大于平行方向；而抗拉、抗弯强度则平行方向大于垂直方向。岩石强度理论说明在何种应力状态。=f(a丁。3)下，岩石发生拉伸、剪切破坏的强度准则。在岩石力学中，常用库仑一纳维埃(Coulomb-Navier)和莫尔(Mohr)两种强度理论，说明剪切破坏。70年代以来，在岩石力学中应用最大线应变理论和格里菲斯强度准则来说明岩石受压时引起的拉伸破坏。库仑一纳维埃理论库仑于1776年假定材料内某点最大剪切应力达到抗剪强度时引起破坏。纳维埃于1883年修改了库仑的最大剪应力理论，认为作用于破坏面的正应力。会使岩石抗剪强度(r)增加，引起破坏的剪切应力可表示为：r=f+。tga,r与。分别是破坏面上的剪应力与正应力；c为粘聚力，。为内摩擦角。该式表示的强度曲线是直线，可根据不同正应力作用下的抗剪强度值作出，也可用单向抗拉和抗压强度的极限应力圆的公切线表示，见图3中的直线1。衰1地球不同地质时代大酰的特征地Vi酎代年代伽)厚度眼)(F)I7040.40.112-fl即In2700^2m扳(12710.0如4 岩石的力学性质莫尔理论莫尔于1900年认为材料的抗剪强度是正应力的函数。r=f(a)所反映的强度曲线形式完全由试验确定，它是一系列极限应力圆的包络线(图3中曲线2)。在拉应力区域中，由于岩石的多向受拉难于实现，一般假设强度曲线收缩于单向抗拉的极限应力圆。如c=0，莫尔包络线过原点，则与土力学中的兰金(Rankine)准则一致。莫尔强度曲线在受拉区闭合，在受压区倾斜向上。说明岩石受三向等拉时会破坏，受三向等压时不会破坏，剪应力与正应力有关，抗压强度大于抗拉强度，这些都与岩石性质基本相符。因此获得应用。但该理论认为中间应力a不起作用，与试验结果有一定出入。最大线应变理论该理论认为材料发生拉伸破坏的决定因素是拉伸线应变。岩石在任意应力状态下，当在最小主应力方向上的拉伸线应变达到单向拉伸破坏瞬间的极限线应变值时，岩石就会发生拉伸破坏，其强度条件为：a一〃(a+a)^St，式中a、a、a分别为最大、中间和最小主应力，〃为岩石泊松比，St2为岩石抗拉强度。在巷道或采场矿柱中所看到的一些平行巷道帮或矿柱轴线的张裂缝