对岩石力学的认识 指导老师：路世豹
摘要：人类改造地球的能力日新月异，各项工程蓬勃发展，这就需要我们对岩石工程有一定认识，岩石工程分析和设计的重点是对岩石工程条件的评价，岩石工程工程变形、破坏的预测以及相应工程措施的决策。 关键词：物理力学指标 全应力－应变曲线 脆性 塑性
1引言
岩石力学是近代发展起来的一门新兴学科和边缘学科，是一门应用性和实践性很强的应用基础学科。岩石属于固体，岩石力学应属于固体力学的范畴。一般从宏观的意义上，把固体看做连续介质。岩石工程的计算中存在大量不确定性因素，如岩石的结构、性质、节理、裂隙分布、工程地质条件等均存在大量不确定性，所以传统连续介质理论作为一种确定性研究方法是不适合用于解决岩石工程问题的
2岩石的物理力学指标
2．1岩石的工程性质
自然界中有各种各样的岩石，不同成因的岩石具有不同的力学特性，因此有必要根据不同成因对岩石进行分类。根据地质学的岩石成因分类可把岩石分为岩浆岩、沉积岩、和变质岩三大类。
2.1.1岩浆岩的性质
岩浆岩具有较高的力学强度，可作为各种建筑物良好的地基及天然建筑石料。但各类岩石的工程性质差异很大。 深成岩具结晶联结，晶粒粗大均匀，孔隙度小、裂隙较不发育，岩块大、整体稳定性好，但值得注意的是这类岩石往往由多种矿物结晶组成，抗风化能力较差，特别是含铁镁质较多的基性岩，则更易风化破碎，故应注意对其风化程度和深度的调查研究。 浅成岩中细晶质和隐晶质结构的岩石透水性小、抗风化性能较深成岩强，但斑状结构岩石的透水性和力学强度变化较大，特别是脉岩类，岩体小。
喷出岩常具有气孔构造、流纹构造和原生裂隙，透水性较大。此外，喷出岩多呈岩流状产出，岩体厚度小，岩相变化大，对地基的均一性和整体稳定性影响较大。 2.1.2 沉积岩的性质
碎屑岩的工程地质性质一般较好，但其胶结物的成分和胶结类型影响显著。此外，碎屑的成分、粒度、级配对工程性质也有一定的影响。
粘土岩和页岩的性质相近，抗压强度和抗剪强度低，受力后变形量大，浸水后易软化和泥化。若含蒙脱石成分，还具有较大的膨胀性。这两种岩石对水工建筑物地基和建筑场地边坡的稳定都极为不利，但其透水性小，可作为隔水层和防渗层。
化学岩和生物化学岩抗水性弱，常具不同程度的可溶性。硅质成分化学岩的强度较高，但性脆易裂，整体性差。碳酸盐类岩石如石灰岩、白云岩等具中等强度，一般能满足水工设计要求，但存在于其中的各种不同形态的喀斯特，往往成为集中渗漏的通道。易溶的石膏、盐岩等化学岩，往往以夹层或透镜体存在于其他沉积岩中，质软，浸水易溶解，常常导致地基和边坡的失稳。 2.1.3变质岩的性质
变质岩的工程性质与原岩密切相关，往往与原岩的性质相似或相近。一般情况下，由于
原岩矿物成分在高温高压下重结晶的结果，岩石的力学强度较变质前相对增高。
变质岩的片理构造(包括板状、千枚状、片状及片麻状构造)会使岩石具有各向异性特征，水工建筑中应注意研究其在垂直及平行于片理构造方向上工程性质的变化。 2.2岩石的物理性质主要指标
岩石的物理性质是指由岩石固有的物质组成和结构特征所决定的比重、容重、孔隙率等 2.2.1岩石的容重
岩石容重取决于组成岩石的矿物成分、孔隙发育程度及其含水量．岩石容重的大小、在一定程度上反映出岩石力学性质的优劣一般地，岩石容重愈大，其力学性质也愈好，反之，则愈差．
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。 2.2.2岩石的比重
岩石的比重指岩石固体的质量与同体积水的质量之比值。岩石的比重可在实验室进行测定，其计算公式为： WsGs Vsw
式中：GS——岩石的比重；
Ws——干燥岩石的质量(g); Vs——岩石固体体积(cm3); γW — 40C时水的密重。 岩石的比重，在数值上等于其密度，它取决于组成岩石的矿物比重及其在岩石中的相对含量。成岩矿物的比重越大，则岩石的比重越大。反之，则岩石的比重越小。岩石的比重，可采用比重瓶法进行测定，实验时先将岩石研磨成粉末，烘干后用比重瓶法测定，其原理、方法与土工试验相同。 2.2.3岩石的孔隙性
岩石孔隙度对抗压强度影响很大，随着岩石孔隙度增大而抗压强度显著下降。若石孔隙中含有水会导致岩石强度进一步下降。砂岩中水分增到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%，如下图示。
图：岩石强度与孔隙度强度
2.2.4岩石的水理性
岩石遇水后会引起某些物理、化学和力学性质的改变，岩石的这种性质称为岩石的水理性。
1、岩石的天然含水率
岩石在天然状态下，含水的质量与烘干质量的比值 2、岩石的吸水性
岩石吸收水分的性能称为岩石的吸水性，其吸水量的大小取决于岩石孔隙体积的大小及其密闭程度。
岩石的吸水性指标有吸水率、饱水率和饱水系数。
3岩石的破坏形式
在不同的应力状态下，岩石的破坏机制不同，常见的岩石破坏形式有以下几种
一、拉破坏：岩石试件单向抗压的纵向裂纹，矿柱，采面片帮。特点出现与最大应力方向平行的裂隙。
(b)
(a)
二、剪切破坏：岩石试件单向抗压的X形破坏。从应力分析可知，单向压缩下某一剪切面上的切向应力达到最大引起的破坏。
图： 剪切破坏
三、重剪破坏：即沿原有的结构面的滑动、重剪破坏
主要的机制：岩体受剪切作用或者受拉应力的作用、三向受压情况下多数为剪切应力的作用，侧向压力较小时可能是拉神破坏，实际工程中可能是不同机制的组合，但侧向应力较大时，可以认为剪切应力是岩石重剪破坏的主要破坏机制。
4全应力应力-应变曲线
弹性体按其应力－应变关系又可分为两种类型：线弹性体：应力－应变呈直线关系。非线性弹性体：应力—应变呈非直线的关系。
线弹性体，其应力－应变呈直线关系： σ=Eε
非线性弹性体，其应力—应变呈非直线的关系： σ=f(ε)
理想塑性体的应力－应变关系:当σ <σs 时， ε=0，当σ ≥σs 时， ε－＞∞
岩石的应力—应变曲线随着岩石性质不同有各种不同的类型。米勒（Müller）采用28种岩石进行大量的单轴试验后，据峰值前应力—应变曲线将岩石分成六种类型，如图所示。
类型Ⅰ 应力与应变关系是一直线或者近似直线，直到试件发生突然破坏为止。 由于塑性阶段不明显，这些岩石被称为弹性岩石。例如：玄武岩、石英岩、白云岩以及极坚固的石灰岩。类型Ⅱ 应力较低时，应力—应变曲线近似于直线，当应力增加到一定数值后，应力—应变曲线向下弯曲，随着应力逐渐增加而曲线斜率也就越变越小，直至破坏。由于这些岩石低应力时表现出弹性，高应力时表现出塑性，所以被称为弹—塑性岩石。例如：较弱的石灰岩、泥岩以及凝灰岩等。类型Ⅲ 在应力较低时，应力—应变曲线略向上弯曲。当应力增加到一定数值后，应力—应变曲线逐渐变为直线，直至发生破坏。由于这些岩石低应力时表现出塑性，高应力时表现出弹性，所以被称为塑—弹性岩石。例如：砂岩、花岗岩、片理平行于压力方向的片岩以及某些辉绿岩等。类型Ⅳ 应力较低时，应力—应变曲线向上弯曲，当压力增加到一定值后，变形曲线成为直线，最后，曲线向下弯曲，曲线似S型。由于这些岩石低应力时表现出塑性，高应力时表现出弹性，破坏前又表现出塑性，所以被称为塑—弹—塑性岩石。例如：大多数为变质岩（大理岩、片麻岩等）。类型Ⅴ 基本上与类型Ⅳ相同，也呈S型，不过曲线斜率较平缓。一般发生在压缩性较高的岩石中。应力垂直于片理的片岩具有这种性质。类型Ⅵ 应力—应变曲线开始先有很小一段直线部分，然后有非弹性的曲线部分，并继续不断地蠕变。这类材料被称为弹—粘性岩石。例如：岩盐、某些软弱岩石。 5全应力-应变曲线的应用 ①预测岩爆
图：全应力-应变曲线预测岩爆示意图 A为弹性变形能 B为岩石破坏耗散能
当A>B时，岩石破坏后尚有余能----岩爆 当A 图：全应力-应变曲线预测反复加载条件破坏示意图 6结论 影响岩石力学性质的因素很多，如水、温度、风化程度、加荷速率、围压的大小、各向异性等，对岩石力学的性质都有影响。岩土工程和其他土木工程结构相比，其重要的差别在于岩体是天然的地质体，而非人工设计加工的，首先要认识它，然后才能利用它。 参考文献： [1] 蔡美峰：岩石力学与工程，2002 [2] 刘佑荣：岩体力学 中国地质大学出版社，1999 因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容