影响岩石力学性质和岩石变形的因素

贺智慧

影响岩石力学性质和岩石变形的因素

贺智慧

(晋城煤业集团 赵庄煤业，山西 晋城 046605)

岩石的力学性质和岩石变形不仅受岩石内部因素，如成分、结构和构造的控制，而且受岩石所处外部环境，如温度、围压、应力作用时间等因素的影响。本文就影响岩石的力学性质和岩石变形的内部与外部因素进行研究分析。

力学性质;岩石变形;影响因素

岩石力学与工程的研究对象就是岩石或岩体，岩石或岩体是赋存于自然界中非常复杂的介质，它是天然地质作用的产物，是自然界各种矿物的集合体，它们在形成过程中都有各自不同的成因特点，并且经受了漫长的地质作用，认识所研究的对象—岩石或岩体的基本构成和基本分类，必须了解岩石的主要物理性质和力学性质及其影响这些性质的主要因素。

1 岩石的成分、结构和构造

不同成分的岩石，其抗压、抗张、抗剪强度相差很悬殊。一般说来，含硬度大的颗粒矿物越多的岩石，强度越大，往往呈脆性变形，如石英砂岩、花岗岩等;含硬度小的片状矿物，尤其含具有滑感的鳞片状矿物越多的岩石，强度越小，往往呈韧性变形，如黏土岩、片岩等。沉积岩与火成岩平均矿物成分比较表见表1。

从表1可以看出，沉积岩的矿物成分较火成岩有很大差别。首先，在沉积岩中几乎看不到火成岩中大量出现的橄榄石、辉石、角闪石等铁镁矿物和基性斜长石，而黏土矿物、氧化物矿物、氢氧化物矿物和碳酸盐矿物大量出现;其次，火成岩中长石多于石英，而沉积岩中石英多于长石，而且长石中是以钾长石为主，酸性斜长石次之，其它种类长石罕见［1］。

表1 沉积岩与火成岩平均矿物成分比较表

2 围压

岩石的围压是指周围岩体对它施加的压力。在地下深处岩石的围压，主要是由上覆岩石的重量所致，故常称为静岩压力。

式中：

PZ—静岩压力;

ρ—覆盖层的平均密度;

g—重力加速度;

Z—岩石的埋深。

围压一方面增强了岩石的韧性;另一方面大大提高了岩石的强度极限，而弹性极限也有所增高。在温度不变的情况下，白云岩的塑性变形随着围压的增加而明显增加，见图1。围压小于125 MPa时，各应力－应变到达曲线终点时，白云岩就会破裂;而围压为125 MPa及其以上的各条实验曲线，却不表明各自的应力－应变达到曲线终点时白云岩也发生破裂［2］。在不同围压下对白云石进行压缩试验的应力－应变曲线见图1。

图1 在不同围压下白云石压缩试验的应力－应变曲线

3 温度

许多岩石在常温常压下是脆性的，随着温度的升高，岩石的强度就会降低，弹性就有所减弱，韧性则大为增加，易于变形。格里格斯(D.T.Griggs，1951)对大理岩进行实验所作出的应力－应变曲线见图2。围压在100 MPa下，对标本施加压力时，室温条件下，大理岩的弹性极限为2 000 kgf/cm2左右;温度增高到150℃时，弹性极限降低为1 000 kgf/cm2左右。这条曲线表明，随着温度增高，岩石易于变形，且抗压强度低。所以，岩石在温度增高时易于形成剪裂。温度和溶液对大理石的影响见图2。因此，在升高温度的条件下，较小的应力也能使岩石发生较大的塑性变形［3］。

4 应力作用时间

时间对岩石力学性质和变形的影响，主要表现在施力速度、重复受力和蠕变与松弛。

4.1 施力速度

快速施力，能加快岩石变形速度，使岩石表现为脆性变形。缓慢施力，则会使脆性物质发生塑性变形。Z.T.Bieniawski于1970年在不同施力速度条件下对砂岩进行了一系列单轴压缩实验。实验结果表明，砂岩在不同应变速度下，每条应力－应变曲线都有一个应力峰值，它随着应变速度的增加而增加，反映抗压强度随着施力和应变速度的减慢而降低，见图3。

图2 温度和溶液对大理石的影响

图3 在不同施力和应变速度下砂岩的应力－应变曲线

岩石的单轴抗压强度通常随加载速率的提高而增大。在很高的加载速率下，如冲击等试验所求得的单轴抗压强度甚至可达数倍于低加载速率的试验结果。所以，在研究岩石准静态载荷作用下的力学性质时，选择适当的加载速率对其试验结果来说是比较重要的，因此，按ISRM建议的，在进行单轴抗压强度试验时，其加载速率应控制在0.5～1 MPa/s，一般从实验开始直至试件破坏的时间为5～10 min［4］。

4.2 重复受力

使岩石多次重复受力，虽然作用力不大，也能使岩石破裂［5］。对疲劳现象产生的原因，有人作这样的解释，即：当重复作用的应力低于岩石的弹性极限，在应力作用间歇期间变形恢复原状，重复作用的次数再多也只是被限制在作用应力范围以内发生弹性变形，所以岩石不会发生破裂;如果重复作用的应力，介于岩石的弹性极限与疲劳极限之间，在应力作用间歇期间，变形就不完全恢复原状，而出现一些塑性应变，每次出现的塑性应变就都会累积在一起［6］。但是随着应力重复作用次数的增加，而逐次累积起来的塑性应变的增量将成对数地减少，直至为零，所以塑性应变累积到一定程度时就不再增加，岩石仍然不会发生破裂;若重复作用的应力，达到或超过岩石的疲劳极限，逐次累积的塑性应变一直在增加，并且增量不再减小。当塑性应变累积到能使岩石破坏的应变量时，岩石就会发生疲劳破坏。重复作用的应力的上限与完全应力—应变曲线尾部的交点，即是疲劳破坏点，见图4。它反映了重复作用的应力与疲劳破坏时积累的塑性应变之间的关系。重复作用的应力越大，疲劳破坏时累积的塑性应变越小;应力达到或超过岩石强度极限时，就无需重复作用，岩石便会破坏。疲劳破坏应变与完全应力－应变曲线的关系示意图见图4。

图4 疲劳破坏应变与完全应力－应变曲线的关系示意图

4.3 蠕变与松驰

1)蠕变。岩石在受力变形过程中，若保持应力不变，应变则随时间的增长而逐渐加大，这种现象称蠕变。不同应力作用下的蠕变曲线是不同的，见图5。不同温度条件下的蠕变曲线也不一致，见图6。

图5 石灰岩压缩试验的蠕变曲线图

图6 蠕变曲线

蠕变是不可恢复的永久应变。从材料的典型蠕变曲线(图6)可以看出，总应变由两部分组成：一部分为弹性应变;另一部分为塑性应变。典型的蠕变过程可以分为三个阶段：第一阶段称过渡蠕变阶段，图6中曲线的AB段，其应变速率不断减小，达到B点时为最小值;第二阶段称稳态蠕变阶段，或定常蠕变阶段，即曲线的BC段，其应变速率大致保持一定，这也是应变速率最小的一个阶段;第三阶段为加速蠕变阶段，即曲线的CD段，随着时间的增长，其应变速率显著加快，由于试件颈缩的缘故，到达D点后试件破坏。

2)松驰。

若保持变形不变，而应力随时间的增长逐渐减小，这种现象称为松驰。从典型的松驰曲线图上，见图7，松驰过程分两个阶段，第一阶段，即 AB线段的应力迅速减小松驰速度急剧下降;第二阶段，即BC线段的应力减小速度缓慢松驰速度逐渐下降，并趋于某一极限值。

图7 松弛曲线

蠕变和松弛现象显示了应力和应变的时间效应［7］。地质上的岩石变形是在漫长的地质历史时期中发生的，因此，蠕变和松弛对岩石变形的研究尤为重要。

5 结语

岩石的力学性质和岩石变形受岩石的内部与外部因素影响。研究影响岩石力学性质和岩石变形的内部与外部因素，主要包括岩石的成分、结构和构造、围压、温度、应力作用时间几个因素。各种因素通过不同的形式对岩石的力学性质和岩石变形产生不同的影响。

［1］ 蔡美峰.岩石力学与工程［M］.北京：科学出版社，2002：35－38.

［2］ 孙广忠.岩石力学基础［M］.北京：科学出版社，1983：62－65.

［3］ 郑永学.矿山岩体力学［M］.北京：冶金工业出版社，1988：55－56.

［4］ J.C.耶格著.中国科学院工程力学研究所译.岩石力学基础［M］.北京：科学出版社，1976：23－24.

［5］ 高 磊.矿山岩石力学［M］.北京：机械工业出版社，1987：16－18.

［6］ 华东水利学院，成都科技大学.岩石力学［M］.北京：水力电力出版社，1986：81－82.

［7］ 张 清，杜 静.岩石力学基础［M］.北京：中国铁道出版社，1997：20－22.

Mechanical Properties of Rocks and Rock Deformation Factors

He Zhi－hui

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

贺智慧(1972—)，男，山西太原人，2011年毕业于太原理工大学(函授)，助理工程师，主要从事煤矿开采技术管理工作(E －mail)wangmoshu913@163.com