岩石力学4章.

第四章岩石的强度与室内测定第一节岩石的破坏与破坏类型第二节岩石抗压强度及其影响因素第三节岩石抗拉强度及其影响因素第四节岩石的抗剪强度及其影响因素研究岩石的破坏（failure）与破坏类型（modeoffailure），对于正确选择岩石的破坏准则（failurecriterion），为地下岩体结构的应力分析打好基础至关重要。研究的主要方法是室内实验研究。第一节岩石的破坏与破坏类型一、岩样（rocksample）的制备研究岩石的强度特征就必须用岩心(core)进行室内实验，关于岩样的制备，我们在第三章中已经了解了它的尺寸大小方面的问题。在这一章内容里我们将了解更多有关岩样的问题。岩石的力学性质取决于组成晶体、颗粒和胶结(cement)物之间的相互作用以及裂缝、节理、层面和断层的存在。在研究岩石的力学性质时，一方面，人们很难根据岩石其组成颗粒的性质来说明该岩石的力学性质，特别是它的强度；另一方面，由于裂缝、节理、层面和断层的分布特别广泛、复杂，以致于使每一块岩体的力学性质各有特点。因此，在确定岩石的最基本的力学性质时，应包含足够数量的组成颗粒，同时要排除较大的结构不连续性，使试件具备大致均匀的性质。另外，实验岩样可以很方便地在实验室进行实验，一般尺寸为几到几十厘米的岩样(rocksample)适用于此要求，。所以，岩石的取样既要避免岩体的结构面(tectonicsurface)，又要有一定的代表性和广泛性。所取的样品必须标明它的出处（产地、井深、层位和岩性）。根据需要不同，实验样品可分为三大类：规则岩样（圆柱体、棱柱体或立方体）、不规则岩样和特殊形状岩样。规则岩样(regularlump)大多数实验样品是圆柱体。加工样品的直径多采用2.5-5.0cm，常用实验所采用的长径比（geothermalgradient）如下：抗压强度实验(compressivestrengthtest)：2.5-3.0弯曲实验(curvedtest)：3.0-7.0巴西实验(Braziliantest)：0.5-1.0冲压实验(punchingtest)：0.2-0.25为了制备这些规则岩样，多用地下开挖或钻井取得的岩心在实验室里加工。在制备岩样时，先用锯将岩心切成所需要的长度。当用大块岩石制备样品时，首先用机器或人工将其切成小块，然后经改进的台钻或小型采石钻在岩块上钻取岩心。使用锯制备棱柱体样品时，首先将岩块切成板状，再切成条状，最后加工成棱柱体。若岩石很脆或强度很低，在样品即将切断时，由于材料受剪切，常感到加工困难。此时可将岩样埋入石蜡中，然后再进行切割。在实验前，样品端面的制作要符合一定的标准。因为样品端面的沟槽或孔洞处会形成应力集中点，导致样品在相当低的载荷条件下就发生破坏。采用车床或表面研磨制备样品时，样品周边如果粗糙，必须修整光滑。对于抗压强度实验(compressivestrengthtest)的圆柱体岩样，ISRM规定的标准是：（1）样品端面应当磨平到0.02mm，（2）样品端面应当垂直于样品轴，误差在0.001弧度以内；（3）样品的周边应当是光滑的，并且没有不规则的凸起，而且在样品整个长度上的直径差不超过0.3mm；不规则样品（irregularlump）不规则实验的样品采取用小锤轻敲去掉尖角，按照样品的重量选择大小。特殊形状岩样根据特殊用途的要求，进行特殊加工，如圆环、球形等。由于岩石的非均匀性（heterogeneousproperty），单块岩石的实验数据不可能代表某一层位的性质，必须做足够数量的岩样。实验样品的数量取决于结果的偏差系数和平均值的精度与可靠性。通常情况下，均质岩石的样品数量如下：大理岩2-3个，页岩5个，砂岩5-10个。二、岩石破坏类型（rockfailuretype）岩石的破坏取决于物理环境（围压confiningpressure、温度temperature、应变率strainrate、中间主应力intermediateprincipalstress及孔隙pore、孔隙压力porepressure等），在低温、低围压及高应变率条件下，岩石往往表现为脆性破坏；而在高温、高围压及低应变率条件下，岩石则表现为延性破坏或延性流动。根据岩石破坏前应变(strain)的百分数，可以将岩石的破坏(failure)分为五种类型（图4-1）。该图概括地说明上述围压、温度、孔隙压力、中间主应力及应变率条件对岩石破坏形态的影响。第一种类型相当于岩石处于地表或接近地表的情况。在常温常压环境下或稍有围压而应力差值(differentialstress)很大时，破坏前永久应变＜1％，岩石表现为脆性状态，应力应变近似直线关系。在上述前提下，当应力达到一定值时，岩石垂直于最小主应力(minimumprincipalstress)方向产生张性破裂，这是由于围压、温度较低或孔隙压力及应变率较大，允许岩石试件有一定侧向膨胀的结果。31第二种类型相当于岩石离地表一定深度。其围压与温度已较第一种情况稍高，但应变率及孔隙压力仍很高的情况，岩石表现出少量的延性(ductility)，随着延性增加破坏前的永久应变(permanentstrain)增加到1-5％。岩石破裂时在试件边缘出现与最大主应力(maximumprincipalstress)方向夹角小于45°的局部剪切破裂面，而大范围仍沿着最大主应力方向成张性破裂，其应力一应变曲线最初呈现近似线性关系，超过弹性极限(elasticlimit)则略有向下弯曲的部分，仍可归纳为脆性破裂范围。第三种类型相当于岩石处于离地表更深处（约2-5km)。围压、温度较前更高或围压较大，均可产生这种情况的破坏。其破坏面属于单一剪切面(shearsurface)，破裂面与最大主应力(maximumprincipalstress)方向之夹角小于45度，破裂前应变为2％到8％，为脆性向延性过渡状态。第三种类型岩石所处的深度是油气工程涉及的主要范围。Schwartz(1964）从实验结果得出部分岩石由脆性转化为延性破坏的条件：对石灰岩、大理岩而言，当围压由零增加到69MPa时，则可以由脆性转化为延性破坏；对花岗岩、砂岩，围压达到69MPa时，仍看不到延性破坏的现象。剪切破坏面的角度随着围压而变化，共扼剪切破裂角（conjugateshearfracturesangle）随着围压的增加而增大。第四种类型相当于离地表10-20km处的岩石。其围压与温度更高，或应变率很低，或岩石本身具有一定延性（如碳酸盐类岩石），其破坏前总应变为5％到10％，前者为脆性转化为延性的界线，后者已处于延性状态。破坏时剪切破碎带(shearzones)较宽且有一定的相对错动，断层面与最大压应力方向夹角略小于45°或接近45°。Robinson(1959)对Indiana石灰岩所做实验表明：当围压等于孔隙压力时，岩石试件沿单一剪切面发生破坏。当应力差(differentialstress)为3.4MPa，围压为69MPa时，岩石试件产生两个或三个或更多剪切破裂面，这些剪切面的数目，随着应力差及围压的增大而增加。第五种类型相当于岩石离地表更深。围压大于500MPa，温度超过500℃或应变率小于10-12／ｓ情况，岩石呈现出完全延性状态。最后，延性变形增加，永久变形大于10％。从图4-1可以归纳出岩石破坏破坏类型分为破裂（包括张破裂和剪破裂）及流动两种。在不考虑时间等因素前提下，围压、温度较低或应变率较高情况下往往产生张性破裂，其破裂方向平行于最大压应力方向或垂直最大拉应力方向。随着围压、温度的提高，岩石处于脆性向延性过渡阶段，往往产生单一剪切破裂面或共轭剪裂面，其破裂面最初方向与最大压应力之间夹角小于45℃。剪切破裂面的夹角随着岩石延性的增长而变大。在高温、高围压下岩石呈现缓慢延性流动状态。现在的问题是如何测定岩石的破坏力，也就是说测定应力达到什么程度时岩石才产生破坏，这就是下面要介绍的岩石强度向题。一、岩石强度(rockstrength)的定义岩石强度的含义是指岩石不致产生破坏而能抵抗的最大应力，而岩石力学中常将破坏应力定义为岩石强度。单轴强度(uniaxialstrength)是指岩石试件在单轴载荷下达到破坏时的最大应力，一般分成抗压、抗拉、抗剪强度等等。第二节岩石抗压强度及其影响因素单轴抗压强度(uniaxialcompressivestrength)简称抗压强度，通常将圆柱体（直径为5.4cm，高为llcm)或立方柱体5*5*11cm3的岩石试件放置在压力机上进行单轴加压试验，当压力使岩石达到破坏时，此时试件的破坏应力被称为岩石抗压强度。即：APcc上式，Pc为破坏载荷；A为试件原始横截面面积。二、岩石抗压强度的影响因素抗压强度的影响因素大体可分两类：其一是岩石本身的因素，如：岩石结构构造、矿物成分、颗粒大小、胶结物、容重、孔隙度及含水量等等（内在因素）；其二是实验方法与物理环境的影响，如：试件尺寸、形状、试件加工情况、压力机压头与试件之间的摩擦、加载速率及周围物理环境等（外在因素）。1、内在因素内在因素之一：矿物成分一般岩石中如含有较高的石英、长石、辉石等矿物，则岩石的抗压强度相对提高。反之，岩石中含有较多强度较低的云母、高岭土、绿泥石、滑石、叶腊石等，则岩石的抗压强度相对降低。内在因素之二：岩石内部结构例如，由石英颗粒组成石英岩的骨架，这种石英岩的强度很大；但花岗岩中，石英颗粒也很多，但它们之间并无直接接触，因此石英颗粒的存在并没有使花岗岩强度增大。另外，花岗岩中含有云母类片状矿物及节理发育的长石，是造成花岗岩强度降低的因素之一。内在因素之三：岩石中的胶结物岩右中的胶结物以硅质胶结物强度最高。其次是铁质、钙质胶结物，而泥质胶结物强度最低。内在因素之四：岩石中的水若有水的渗入促进胶结软化，可使岩石强度显著降低。岩石名称抗压强度（Mpa）干燥水浸花岗岩40~22025~205闪长岩97.7~23268.8~159.7辉长岩118.1~272.558~145.8玄武岩102.7~290.132.5~153.7凝灰岩61.7~178.57.8~189.2石灰岩13.4~250.1砂岩17.5~2505.7~241.5粘土岩20.7~592.4~31.8页岩57~13613.7~75.1板岩123~199.672~149.6千枚岩30.1~49.459.6~218.928.1~33.3片岩29.5~174.1表4-1岩石在水侵入情况下强度的变化内在因素之五：岩石中颗粒的大小（grainsize）颗粒的大小也影响岩石强度，细粒岩石其强度往往大于粗粒岩石，如细晶花岗岩强度达到196.2MPa,而粗晶花岗岩的强度为117.7MPa。内在因素之六：岩石的容重岩石的容重也影响强度，如白灰岩的容重由1.5g/cm3增加到2.7g/cm3时，其抗压强度由4.9MPa增加为176.6MPa；砂岩容重由1.87g/Cm3变化为2.57g/Cm3，其强度由14.7MPa增加为88.3MPa,内在因素之七：岩石的孔隙度岩石孔隙度对抗压强度影响很大，如图4-3所示，随着岩石孔隙度增大而抗压强度显著下降。若孔隙中含有水会导致岩石强度进一步下降，如图4-4所示。砂岩中水分增至4％，强度值降低约为干燥时的50％；而泥质板岩水分增加到1.5％，则强度下降为70％，如表4-1所示。图4-3岩石强度与孔隙度关系图4-4岩石中水分含量对抗压强度的影响（据高磊等，1979）（据Burshtun1969）虚线为抗压强度，实线为抗拉强度(1)砂岩；(2)泥质板岩湿度%孔隙度%综上所述，即便是同一种名称的岩石，由于产地不同，岩石内部结构、颗粒大小、胶结物、容重、孔隙度及含水量等亦各不相同，所以其强度亦有很大差异。内在因素之八：岩石的的结构构造沉积岩中具有层理，各种片岩中具有片理，且矿物多处于定向排列，均形成各向异性的（anisotropic）特征，这种各向异性岩石（anisotropicrock）平行层理方向及垂直层理方向其抗压强度差别很大。如表4-2所示：一般垂直层理方向的抗压强