岩石强度准则

2024-07-11

岩石强度准则（精选2篇）

岩石强度准则篇1

0引言

研究煤层开采过程中覆岩导水裂隙带高度的确定, 最主要的是确定孔隙水压作用下岩石的破坏过程, 而岩石破坏过程决定于孔隙水压对岩石强度的影响, 孔隙水压对岩石强度的影响分为几个方面: 作用机理、物理作用、化学作用、力学作用等。

1孔隙水对岩石的作用机理

岩石中的水通常以两种方式赋存, 一种称之为结合水, 一种为重力水或称为自由水, 它们对岩石力学性质的影响, 主要体现在以下个方面: 连结作用、润滑作用、水楔作用、孔隙压力作用、溶蚀及潜蚀作用等。前三种作用为结合水产生的, 后两种作用是重力水造成的。结合水是由于矿物对水分子的吸附力超过了重力而被束缚在矿物表面的水, 水分子运动主要受矿物表面势能的控制, 这种水在矿物表面形成一层水膜, 这种水膜产生前述的三种作用。

1. 1连结作用

束缚在矿物表面的水分子通过其吸引力作用将矿物颗粒拉近、接紧, 起连结作用, 这种作用在松散土中是明显的, 但对于岩石, 由于矿物颗粒间的连结强度远远高于这种连结作用, 因此, 对岩石力学性质的影响是微弱的, 但对于被土充填的结构面的力学性质的影响则很明显。

1. 2润滑作用

由可溶盐、胶体矿物连结的岩石, 当有水浸入时, 可溶盐溶解, 胶体水解, 使原有的连结变成水胶连结, 导致矿物颗粒间连结力减弱, 摩擦力减低, 水起到润滑剂的作用。

1. 3水楔作用

当两个矿物颗粒靠得很近, 有水分子补充到矿物表面时, 矿物颗粒利用其表面吸着力将水分子拉到自己周围, 在两个颗粒接触处由于吸着力作用使水分子向两个矿物颗粒之间的缝隙内挤入, 这种现象称水楔作用。

当岩石受压时, 如压应力大于吸着力, 水分子就被压力从接触点中挤出; 反之如压应力减小至低于吸着力, 水分子就又挤入两颗粒之间, 使两颗粒间距增大, 这样便产生两种结果: 一是岩石体积膨胀, 如岩石处于不可变形的条件, 便产生膨胀压力; 二是水胶连结代替胶体及可溶盐连结, 产生润滑作用, 岩石强度降低。

以上几种作用都是与岩石中结合水有关, 而岩石含结合水的多少主要和矿物的亲水性有关。岩石中亲水性最大的是黏土矿物, 故含黏土矿物多的岩石受水的影响最大。如黏土岩在浸湿后其强度降低可达, 而含亲水矿物少或不含的岩石, 如花岗岩、石英岩等, 浸水后强度变化则小得多。

1. 4孔隙压力作用

对于孔隙和微裂隙中含有重力水的岩石, 当其突然受载而水来不及排出时, 岩石孔隙或裂隙中将产生很高的孔隙压力。这种孔隙压力减小了颗粒之间的压应力, 从而降低了岩石的抗剪强度, 甚至使岩石的微裂隙端部处由于受拉状态从而破坏岩石的连结。

1. 5溶蚀- 潜蚀作用

岩石中渗透水在其流动过程中可将岩石中可溶物质溶解带走, 有时将岩石中小颗粒冲走, 从而使岩石强度大为降低, 变形加大, 前者称为溶蚀作用, 后者称为潜蚀作用。在岩体中有酸性或碱性水流时, 极易出现溶蚀作用, 当水力梯度很大时, 对于孔隙度大、连结差的岩石易产生潜蚀作用。

2孔隙水对岩石强度的影响

2. 1孔隙水的物理化学作用对岩石强度的影响

孔隙水对岩体强度的影响主要表现为孔隙水对岩体的物理化学作用和孔隙水对岩体的力学作用。就孔隙水的物理化学作用来说, 孔隙水主要通过楔劈、润滑、潜蚀、水解、连接、冻融等多种水岩作用, 使岩体发生崩解、膨胀、易溶岩溶解和裂隙面上的填充物发生变形和位移等, 改变岩体的成分与结构。同时, 进入裂尖微裂纹损伤区的孔隙水使微裂纹间的岩桥桥联介质的细观断裂韧度或断裂扩展阻力降低, 这些都对岩体产生软化作用。

由于渗流的作用, 水分子沿着岩体中桥联介质的矿物颗粒界面进入基质, 基质的矿物颗粒因此被水分子所包围, 这样本来存在于矿物颗粒间的相互引力作用、静电作用和胶结作用, 由于水分子的侵入而减弱, 这是由于水分子吸附于矿物颗粒间, 抵消了一部分引力作用。另外, 水分子与矿物颗粒胶质的化学作用, 削弱了胶质的胶结作用。矿物间的相互引力作用和胶结作用的削弱, 导致其易于分离, 从而易于开裂。因而可以说, 由于渗流作用, 进入基质和裂尖微裂纹损伤区的孔隙水使微裂纹间的岩桥桥联介质的细观断裂韧度或断裂扩展阻力降低, 使岩体产生软化和崩解。岩体的软化主要表现为岩体的膨胀, 岩体的膨胀是矿物晶胞间吸收不定量水分子造成的粒内膨胀和矿物颗粒扩散层厚度增大造成的粒间膨胀的综合表现。岩体的崩解是指岩体浸水后岩石颗粒吸收了大量的水分, 使晶胞间距增大或扩散层增厚, 使胶结物崩解, 而碎屑颗粒之间失去连接造成重力解体。另外, 吸湿力的作用可使岩体产生新的软弱面, 并沿软弱面产生破坏, 从而造成岩体的崩解。显然, 岩体的膨胀和崩解都受岩石矿物含量及类型、胶结物类型及固结程度等因素的综合影响。一般来说, 胶结程度越高、结构越紧密、强度越高的岩体, 膨胀性越低越不容易发生崩解。根据实验结果可知, 当岩石的内聚力大于时膨胀性可忽略。

显然, 孔隙水使岩体产生的软化和崩解削弱了岩体强度, 尤其对结构松散的软弱岩体强度的削弱更为明显。根据实验结果可知, 粉粘粒含量很高的砖红色砂质泥岩在饱和状态下的强度与自然状态下相比, 抗压强度、各模量、抗剪强度均下降。这表明了亲水性较强、矿物含量较多的软弱岩体在浸水后强度下降得很显著, 因此在这类岩体的工程开挖过程中, 对其做必要的保护和衬砌是非常重要的。此外, 岩体中强风化带本身的颗粒被渗流水剥蚀, 渗流的动水作用使裂隙面上的填充物发生变形和位移, 尤其是剪切变形和位移, 这些都会导致裂隙的进一步扩展, 削弱岩体的强度。

2. 2孔隙水的力学作用对岩石强度的影响

通常把存在孔隙及裂隙中的水统称为孔隙水, 如图1所示。在岩体未受外力的情况下, 孔隙中的水压力是很小的, 如果孔隙水在荷载作用下难于排水或不能排水, 将产生较高的孔隙水压力。在孔隙水压力的作用下, 岩体中固体颗粒或骨架所能承受的压力便相应减小, 致使岩体强度随之降低。

就孔隙水的力学作用来说, 孔隙水主要通过孔隙静水压力和孔隙动水压力对岩土体的力学性质施加影响。前者减小岩土体的有效应力而降低岩土体的强度, 在裂隙岩体中的孔隙静水压力可使裂隙产生扩容变形, 后者对岩土体产生切向的推力以降低岩土体的抗剪强度。例如地下工程中的围岩水压力, 其作用效果使岩体中裂纹面裂纹尖端的应力强度因子增加, 当达到临界应力强度因子时, 裂纹贯通、扩展、破坏, 从而使地下工程稳定性降低。孔隙水压力的作用主要表现在如下几方面: 1降低裂纹面上的正压力, 减少摩阻力, 进而产生对裂纹尖端应力强度因子的影响。2孔隙水压力的“楔入”作用, 推动了裂纹的扩展过程, 使岩体产生渐进性破坏。3在动水压力作用下, 岩体中软弱结构面以及岩体中某些接触面上的颗粒被渗透水冲刷转移, 使岩体产生渗透变形, 强度降低而产生变形破坏。

3结语

孔隙水对于岩石的影响主要体现在其对于岩石的物理化学作用和力学作用, 本文围绕岩石损伤力学的基本特性, 详细介绍了孔隙水压对岩体的物理化学损伤, 以及孔隙水压对岩石的力学性质的影响作用, 为孔隙水的作用机理和作用方式提供了一定的理论依据。

摘要：主要研究了孔隙水对于岩石强度的影响, 岩石强度的大小决定岩石受到孔隙水压力下破坏过程的快慢, 从而可计算导水裂隙带的高度。孔隙水对于岩石作用机理、物理力学作用共同决定着岩石的强度。

关键词：孔隙水,岩石强度,导水裂隙带,分析

参考文献

[1]徐永福, 陈永战, 刘松玉, 等.非饱和膨胀土的三轴试验研究[J].岩土工程学报, 1998 (3) :14-18.

[2]马青, 赵均海, 魏雪英.基于统一强度理论的巷道围岩抗力系数研究[J].岩土力学, 2009 (11) :3393-3398.

[3]曾庆瑶, 张学薇, 王敏妙, 等.孔隙水对深部巷道稳定性影响研究[J].内蒙古煤炭经济, 2014 (6) :167-168.