不同侧压下沉积岩石变形与强度特征

2006/3/28 16:33:12

摘　要：基于沉积岩石类型，系统地研究了在不同侧压条件下不同岩性岩石的力学特征.研究表明，沉积岩的变形和强度以及破坏机制与其所承受的有效侧压大小有关，不同岩性岩石的刚度和强度均随侧压的增大而增大；不同岩性岩石的应变软化性态和破坏机制也均随侧压的增大而发生转化.
关键词：沉积岩石；侧压；变形；强度

　　岩石是组成岩体的材料成分，岩石的力学性质主要受岩石的物质成分、结构和赋存环境等因素影响^［1］.由于沉积岩形成于地壳浅部，其生成和赋存环境与岩浆岩或变质岩显然不同，岩性较为软弱，变化较大，成分复杂，使得沉积岩具有不同于其它岩类的变形力学特性.为了研究岩石强度和变形特性及岩石发生破裂的发展过程，用岩石力学试验机对圆柱形岩石试件进行单轴或三轴压缩试验是基本手段之一^［2］，在这一方面，早已受到研究者的重视，取得了许多研究成果^［3］.沉积岩石的变形与强度特征，除受沉积岩的成分和结构影响外，主要受赋存条件的影响，特别是水和地应力环境的影响.在井下采动过程中，煤层及其顶底板岩石总是处于一定的地应力作用之下，受单轴载荷作用的情况是极少的，大多数处于二向或三向受力状态，因此，在解决矿井工程地质问题，对顶板岩体质量和稳定性作出评价时，有必要了解岩石在不同侧压条件下的变形与强度特性^［4］.
　　本文试验样品采自淮南新集井田二叠纪含煤岩系主采煤层顶底板岩石.为了使测试结果最大可能地符合岩石的自然状况，在岩样采好后，迅速用纸包好，浸蜡整体封固.岩石力学试验在YTD－200型电子式压力试验机上完成，试验工作依照我国水电部颁《水利水电工程岩石试验规程（81）》进行.

1　不同侧压下的岩石变形特征

　　沉积岩石承载后发生的变形及破坏形态与其所承受的有效侧压大小有关.试验表明，沉积岩石的主应力差-应变曲线斜率随着侧压的增加而明显变陡，如图1所示.
　　从图1可以看出，不同岩性岩石的弹性模量均随侧压的增大而增大，说明沉积岩石原来具有较多的孔隙裂隙，在侧压作用下，孔隙裂隙被压密闭合，而使岩石刚度加大，但并非直线关系.试验结果统计表明，其关系为

　(1)

式中，E为弹性模量，GPa；σ₃为侧向应力，MPa；b₀,b₁和b₂为弹性模量岩性影响系数，对于不同岩性岩石其系数不同，如表1所示.

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图1　不同岩石在不同侧压下主应力差-应变曲线

Fig.1　The principal stress-strain curves of different rocks under different confining pressures

(a)中细砂岩样；(b)砂质泥岩样；(c)泥岩样；(d)煤样

表1　岩石弹性模量岩性影响系数
Table 1　Influencing coefficients of lithological characters on elastic modulus

岩　性	b₂	b₁	b₀	σ₃／MPa	相关系数R
砂　　岩	0.016	-0.121	38.113	≤50	0.97
砂质泥岩	0.040	-0.678	26.909	≤40	0.94
泥　　岩	0.006	0.254	28.876	≤50	0.99

　　在侧压为10 MPa时，与单轴压缩时相比，砂岩的弹性模量增加了28%，砂质泥岩的弹性模量增加了11.3%，泥岩的弹性模量则增加了7%；而在侧压为40 MPa时，与单轴压缩时相比，砂岩的弹性模量增加了72%，砂质泥岩的弹性模量增加了179%，泥岩的弹性模量则增加了93%.在低侧压时，砂岩的弹性模量明显地大于砂质泥岩和泥岩，但随着侧压的增大，砂岩与砂质泥岩和泥岩的弹性模量差值逐渐减少.
　　在试验中，泊松比受侧压影响较小，也就是说，沉积岩石的泊松比并不因侧压的不同而有明显变化，关于这方面有待于进一步加以研究.

2　不同侧压下岩石的强度

　　试验结果表明，侧压对沉积岩石的强度影响是明显的，不同岩性的岩石，随着σ₃的增大，岩石的轴向破坏应力（强度）也增大，但其增大的速率受岩性所控制，则不完全相同，经回归分析，其关系可用下式表示，即

σ₁＝σ_c＋kσ₃，　(2)

式中，σ₁为轴向破坏应力，MPa；σ_c为岩石的单轴抗压强度,MPa；k为岩性强度影响系数，如表2所示.
　　长沙矿山研究院在研究锡矿山锑矿顶、底板灰岩及矽化灰岩力学性质中，发现系数k随侧向应力σ₃增大而降低，其关系如图2所示.从图2可以看出，增加侧向应力可提高岩石的抗压强度，但幅度有限^［5］.

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图2　k与侧向压力σ₃的关系
Fig.2　The relationship between k and confining pressure σ₃

表2　岩性强度影响系数
Table 2　Influencing coefficients of lithological characters
on compressive strength

岩　性	σ_c／MPa	k	σ₃／MPa	相关系数R
中粒岩屑石英砂岩	77.56	6.90	≤50	0.99
中细粒长石石英砂岩	107.17	4.12	≤50	0.95
中粒石英砂岩	117.41	6.17	≤40	0.92
砂质泥岩	77.45	5.60	≤40	0.99
泥岩	40.15	2.66	≤50	0.99
煤	8.83	2.07	≤30	0.99

　　试验结果表明，侧压除影响岩石的变形和强度特性外，也对岩石的破坏机制产生重要的影响.在没有侧压条件下，岩石试件呈典型的脆性张破坏，即破裂面平行于主压应力作用力方向；随着侧压的增加，岩石试件由剪张破坏(即以张破坏为主，剪破坏为辅的破坏型式)到张剪破坏(即剪破坏为主，张破坏为辅的破坏型式)，然后向典型的剪切破坏转化；在高侧压条件下，岩石试件呈塑性破坏，试件表面形成密集的“X”型节理,剪切破裂面上有很多岩粉，破裂面交汇处有较大范围的挤压粉碎区，并有显著的侧向膨胀.
　　不同岩性的岩石存在一定的差异，如泥岩和煤试样在单轴压缩条件下为剪张破坏，在一定侧压条件下为弱面剪切破坏和塑性破坏；并且随着侧压的增大，岩石应力-应变曲线由应变软化性态向近似应变硬化性态过渡，并伴有体积膨胀现象.砂质泥岩试样在单轴压缩条件下为脆性张裂破坏，随着侧压的增加，岩石便进入剪切破坏，岩石应力-应变曲线表现出一定的应变软化特性.砂岩试样在试验的侧压范围内均为脆性张裂破坏和剪切破坏，破坏时发出较大的声响和震动，岩石应力-应变曲线表现出明显的脆性和应变软化特性^［6］.
　　由上可知，侧压对岩石的力学性质的影响十分明显，在研究顶板岩体稳定性时，只有认真地考虑岩体环境应力因素，才能作出正确的评价.

3　结　　论

　　（1）沉积岩石的变形与强度特征，除受沉积岩的成分和结构的影响外，主要受赋存条件的影响，特别是水和地应力环境的影响.研究表明，沉积岩的变形和强度与其所承受的有效侧压大小有关，其主应力差－应变曲线斜率随着侧压的增加而明显变陡，不同岩性的岩石弹性模量均随侧压的增大而增大，呈非线性关系.
　　（2）在一定的侧压条件下，不同岩性的岩石随着侧压的增大岩石的强度增高，呈线性关系，其增长速率受岩性所控制.
　　(3)不同岩性岩石的应变软化性态和破坏机制也均随侧压的增大而发生转化.

参考文献：

［1］孙广忠.岩体结构力学［M］.北京:科学出版社,1988
［2］葛修润，周伯海，刘明贵，等.岩石峰值后特性和数值模拟方法探讨［A］.见：葛修润主编.计算机方法在岩石力学及工程中应用国际学术讨论会论文集［C］.武汉：武汉测绘科技大学出版社（中文版）, 1994.389～397
［3］Murrell S A F.The effect of triaxial stress systems on the strength of rock at atmospheric temperatures［J］.Geophys J Roy Astr Soc, 1965, 10: 231～281
［4］孟召平.煤层顶板沉积岩体结构及其对顶板稳定性的影响［D］.北京:中国矿业大学（北京）,1999
［5］郑永学.矿山岩体力学［M］.北京：冶金工业出版社,1988.28～31
［6］法默I W.岩石的工程性质［M］.汪　浩译.徐州：中国矿业大学出版社，1988.92～112

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