论文部分内容阅读
摘 要：本文论述了岩石介质的受力破坏形态与强度，之后选取花岗岩进行静力学试验，将试验结果与理论分析进行比较，得出二者的一致性，并说明了二者存在差异的原因。
关键词：岩石；力学特性；静态试验；强度
1.岩石的力学特性
1.1岩石的受力变形特性
岩石在外力作用下产生变形，其变形按性质分为弹性变形和塑性变形，图是岩石典型的完整应力应变曲线。根据曲率变化，可将岩石变形过程分为四个阶段：
（1）微裂隙压密阶段。岩石中原有的裂隙在荷载的作用下逐渐被压密，曲线呈上凹形，曲线斜率随应力增大而逐渐增大，表示微裂隙的变化开始较快，随后逐渐减慢。A点对应的应力称为压密极限强度。对于微裂隙发育的岩石，本阶段比较明显，但对于致密岩石而言，很难划出这个阶段。
（2）弹性变形阶段。岩石的微裂隙进一步的闭合，空隙被压缩，原有的裂隙没有新的发展，也没有产生新的裂隙，应力应变基本上成正比关系，曲线近于直线，岩石变形以弹性为主。B点对应的应力称为弹性极限强度。
（3）裂隙的发展和破坏阶段。当应力超过弹性极限强度后，岩石中产生新的裂隙，同时已有裂隙继续发展，应变的增加速率超过应力的增加速率，应力应变曲线的斜率逐渐降低，并成曲线关系，体积变形由压缩转变为膨胀。应力增加，裂隙进一步扩展，岩石局部破损，且破损范围逐渐扩大形成贯穿的破裂面，导致岩石破坏。C点对应的应力达到最大值，称为峰值强度或单轴极限抗压强度。
（4）峰值后阶段。岩石破坏后，经较大的变形，应力下降到一定程度开始保持常数，D点对应的应力称为残余强度。
岩石的变形性能一般用弹性模量和泊松比两个指标来表示。弹性模量是在单轴压缩条件下，轴向压应力和轴向应变之比。弹性模量越大，变形越小，说明岩石抵抗变形的能力越强。岩石在轴向压力作用下，除产生轴向压缩外，还会产生横向膨胀。这种横向应变与轴向应变之比，称为岩石的泊松比。泊松比越大，说明岩石受力后的横向变形越大，岩石的泊松比一般都在。
1.2岩石的强度
岩石的抗压强度：岩石在单向压力作用下抵抗压碎破坏的能力。在数值上等于岩石受压达到破坏的极限应力，岩石的抗压强度是在单向压力无侧向约束的条件下测得的，在单轴压力作用下常见的破坏方式有：（a）单轴压力作用下试件的劈裂；（b）单斜面剪切破坏；（c）多个共扼斜面剪切破坏，如图2所示。
岩石的抗拉强度：是岩石在单向受拉条件下拉断时的极限应力值。岩石的抗拉强度远小于抗压强度，目前常用劈裂法来测定岩石抗拉强度。
岩石的抗剪强度：岩石抵御剪切破坏的能力。数值上等于岩石受剪切破坏时剪切面上的极限剪应力，常以黏聚力 c和 内摩角这两个抗剪参数表示。室内实验主要采用直接剪切实验，楔形剪切实验和三轴实验来测定抗剪强度标。
在岩石的几个指标中，抗压强度最高，抗剪强度居中，抗拉强度最小。抗剪强度为抗压强度的10%～40%；抗拉强度仅为抗压强度的2%～16%，岩石越坚硬，其值相差越大，较软的岩石差别较小。因此，岩石的抗压强度和抗剪，抗拉强度是相互联系的。
2.岩石静力学试验
2.2试验装置和试件
本次试验使用60吨电液伺服万能试验机，采用徐州市鼓楼区花岗岩石材厂生产的花岗岩（抗压强度一般为100～250Mpa，抗拉强度为7～25Mpa，泊松比为0.2～0.3，按抗压强度分为：微裂隙发育的花岗岩，中粒花岗岩和致密花岗岩）。通过中国矿业大学能源学院煤炭与安全重点实验室进行制作打磨，试件采用静态力学试验的标准试件，为直径5厘米，高10厘米的圆柱体共三个。各试件之间的尺寸，允许有 的变化，试件表面用磨光机加工、游标卡尺控制厚度，其表面不平整度严格控制在0.02mm以内。
2.2试验结果
本次试验的加载速度为 ，试件的峰值强度分别为：107.516，109.478，105.147，107.380（Mpa）。
试验发现，试件达到峰值强度后，岩石的破裂逐渐发展成为贯穿的破裂面，岩石全面破坏，承载能力逐渐降低，最后完全破坏，岩石试件的破坏是瞬间产生的典型的斜剪切破坏，也就是图2中的岩石破坏类型（b）。
通过仪器得到各试件轴向的试验力-位移全过程的曲线，以试件为例，见图3。
通过试验，同岩石单轴加载条件下的变形相比，实测的曲线和四个阶段基本相符，只是相对于第四阶段峰值后阶段有些差别，对于微裂隙发育的岩石，第一阶段比较明显。图3中，第一阶段也是比较明显的，说明试件是有微裂隙发育的花岗岩。相对于第四阶段，由于试验中的加载速度比较大，岩石试件在最后突然破碎而失去承载能力，因此最后的试验力-位移曲线是一个断点。
参考文献：
[1]林英松，葛洪魁.岩石动态与静态弹性参数差别的微观机理.石油大学学报.2006.4.
[2]马飞，长杆弹对坚硬岩石侵彻的工程近似分析.徐州空军学院硕士论文.2008.3.
[3]李廷，席道瑛.动荷载作用下岩石非线性弹性响应研究.地学边缘.2006.5.
[4]李相然.工程地质学.北京：中国电力出版社.2006.
关键词：岩石；力学特性；静态试验；强度
1.岩石的力学特性
1.1岩石的受力变形特性
岩石在外力作用下产生变形，其变形按性质分为弹性变形和塑性变形，图是岩石典型的完整应力应变曲线。根据曲率变化，可将岩石变形过程分为四个阶段：
（1）微裂隙压密阶段。岩石中原有的裂隙在荷载的作用下逐渐被压密，曲线呈上凹形，曲线斜率随应力增大而逐渐增大，表示微裂隙的变化开始较快，随后逐渐减慢。A点对应的应力称为压密极限强度。对于微裂隙发育的岩石，本阶段比较明显，但对于致密岩石而言，很难划出这个阶段。
（2）弹性变形阶段。岩石的微裂隙进一步的闭合，空隙被压缩，原有的裂隙没有新的发展，也没有产生新的裂隙，应力应变基本上成正比关系，曲线近于直线，岩石变形以弹性为主。B点对应的应力称为弹性极限强度。
（3）裂隙的发展和破坏阶段。当应力超过弹性极限强度后，岩石中产生新的裂隙，同时已有裂隙继续发展，应变的增加速率超过应力的增加速率，应力应变曲线的斜率逐渐降低，并成曲线关系，体积变形由压缩转变为膨胀。应力增加，裂隙进一步扩展，岩石局部破损，且破损范围逐渐扩大形成贯穿的破裂面，导致岩石破坏。C点对应的应力达到最大值，称为峰值强度或单轴极限抗压强度。
（4）峰值后阶段。岩石破坏后，经较大的变形，应力下降到一定程度开始保持常数，D点对应的应力称为残余强度。
岩石的变形性能一般用弹性模量和泊松比两个指标来表示。弹性模量是在单轴压缩条件下，轴向压应力和轴向应变之比。弹性模量越大，变形越小，说明岩石抵抗变形的能力越强。岩石在轴向压力作用下，除产生轴向压缩外，还会产生横向膨胀。这种横向应变与轴向应变之比，称为岩石的泊松比。泊松比越大，说明岩石受力后的横向变形越大，岩石的泊松比一般都在。
1.2岩石的强度
岩石的抗压强度：岩石在单向压力作用下抵抗压碎破坏的能力。在数值上等于岩石受压达到破坏的极限应力，岩石的抗压强度是在单向压力无侧向约束的条件下测得的，在单轴压力作用下常见的破坏方式有：（a）单轴压力作用下试件的劈裂；（b）单斜面剪切破坏；（c）多个共扼斜面剪切破坏，如图2所示。
岩石的抗拉强度：是岩石在单向受拉条件下拉断时的极限应力值。岩石的抗拉强度远小于抗压强度，目前常用劈裂法来测定岩石抗拉强度。
岩石的抗剪强度：岩石抵御剪切破坏的能力。数值上等于岩石受剪切破坏时剪切面上的极限剪应力，常以黏聚力 c和 内摩角这两个抗剪参数表示。室内实验主要采用直接剪切实验，楔形剪切实验和三轴实验来测定抗剪强度标。
在岩石的几个指标中，抗压强度最高，抗剪强度居中，抗拉强度最小。抗剪强度为抗压强度的10%～40%；抗拉强度仅为抗压强度的2%～16%，岩石越坚硬，其值相差越大，较软的岩石差别较小。因此，岩石的抗压强度和抗剪，抗拉强度是相互联系的。
2.岩石静力学试验
2.2试验装置和试件
本次试验使用60吨电液伺服万能试验机，采用徐州市鼓楼区花岗岩石材厂生产的花岗岩（抗压强度一般为100～250Mpa，抗拉强度为7～25Mpa，泊松比为0.2～0.3，按抗压强度分为：微裂隙发育的花岗岩，中粒花岗岩和致密花岗岩）。通过中国矿业大学能源学院煤炭与安全重点实验室进行制作打磨，试件采用静态力学试验的标准试件，为直径5厘米，高10厘米的圆柱体共三个。各试件之间的尺寸，允许有 的变化，试件表面用磨光机加工、游标卡尺控制厚度，其表面不平整度严格控制在0.02mm以内。
2.2试验结果
本次试验的加载速度为 ，试件的峰值强度分别为：107.516，109.478，105.147，107.380（Mpa）。
试验发现，试件达到峰值强度后，岩石的破裂逐渐发展成为贯穿的破裂面，岩石全面破坏，承载能力逐渐降低，最后完全破坏，岩石试件的破坏是瞬间产生的典型的斜剪切破坏，也就是图2中的岩石破坏类型（b）。
通过仪器得到各试件轴向的试验力-位移全过程的曲线，以试件为例，见图3。
通过试验，同岩石单轴加载条件下的变形相比，实测的曲线和四个阶段基本相符，只是相对于第四阶段峰值后阶段有些差别，对于微裂隙发育的岩石，第一阶段比较明显。图3中，第一阶段也是比较明显的，说明试件是有微裂隙发育的花岗岩。相对于第四阶段，由于试验中的加载速度比较大，岩石试件在最后突然破碎而失去承载能力，因此最后的试验力-位移曲线是一个断点。
参考文献：
[1]林英松，葛洪魁.岩石动态与静态弹性参数差别的微观机理.石油大学学报.2006.4.
[2]马飞，长杆弹对坚硬岩石侵彻的工程近似分析.徐州空军学院硕士论文.2008.3.
[3]李廷，席道瑛.动荷载作用下岩石非线性弹性响应研究.地学边缘.2006.5.
[4]李相然.工程地质学.北京：中国电力出版社.2006.