岩石研究内容及过程论文

岩石的变形特性及试验方法研究论文

岩石的变形特性是指岩石在外力作用下岩石中的应力与应变的关系特性，它是影响建筑物稳定的重要因素。岩石在较小的力的作用下首先发生变形，变形量随作用力增大而增大，当作用力和变形量超过一定的限度后就会发生破坏，在作用力不断增大的过程中，岩石的变形和破坏是一个统一的、连续的过程。工程岩体如果变形过大就会导致上面的建筑物失稳危及安全，因此工程勘察期间必须获得可靠的变形参数，才能据此在施工时采取适当措施防止其对工程的影响，保证建筑物的安全。下面分别从岩石的变形特性、变形阶段和试验方法等方面进行探究

1岩石变形的特性

岩石的变形性质通常用应力一应变曲线表不，它通过测量岩石试样受压时的应力一应变关系得到。山于岩石的组成成分及其结构与构造比较复杂，所以岩石的应力一应变关系也比较复杂，岩石变形过程中表现出弹性、塑性、勃性、脆性和延性等性质。

1. 1弹性

在一定应力范围内，物体受外力作用产生变形，去除外力后能够立即恢复原状的性质，这种变形称为弹性变形。

1.2塑性

物体受外力作用后发生变形，去除外力后不能完全复原状的性质，这种变形称为塑性变形或永久变形。

1.3勃性

物体在外力作用下变形不能立刻完成，应变速率随应力增大而增大的性质，这种变形称为流动变形。

1.4脆性

物体受力后，变形很小时就发生破裂的性质。

1.5延性

物体能承受较大塑性变形而不丧失其承载力的'性质。

另外，岩石的变形和破坏的性质还会随着受力状态的变化而变化。岩石在三向受力状态下与单向受力状态下的应力一应变关系有很大的区别，随着围压增大，三向抗压强度增加，峰值变形增加，弹性极限增加，岩石山弹脆性向弹塑性、应变硬化转变。

2岩石变形的阶段

根据单向无侧限逐级维持荷载法应力一应变关系曲线曲率的变化，可将岩石变形过程划分为四个阶段:

2. 1孔隙裂隙压密阶段

岩石中原有的微裂隙逐渐被压密，曲线呈上升形，岩石变形多为塑性变形，曲线斜率随应力增大而逐渐增大，表不微裂隙的变化开始较快，随后逐渐减慢，对于微裂隙发育的岩石，本阶段较明显，但致密坚硬的岩石很难划出这个阶段，此阶段末点对应的应力称为压密极限强度。

2. 2弹性变形至微破裂稳定发展阶段

岩石中的微裂隙进一步闭合，孔隙被压缩，原有裂隙基本上没有新的发展，也没有产生新的裂隙，应力与应变基本上呈线性关系，曲线近于直线，岩石变形以弹性为主。此阶段末点对应的应力称为弹性极限强度。

2. 3塑性变形至破坏峰值阶段

当应力超过弹性极限强度后，岩石中产生新的裂隙，同时已有裂隙也有新的发展，应变的增加速率超过应力的增加速率，应力一应变曲线的斜率逐渐降低呈下降形，体积变形山压缩转为膨胀，随着应力增加裂隙进一步扩展，岩石局部破损，且破损范围逐渐扩大形成贯通的破裂面，导致岩石破坏，岩石变形不再恢复，此段末点对应的应力称单轴极限抗压强度。

2. 4破坏后峰值跌落阶段至残余强度阶段

岩石破坏后，经过较大的变形，应力下降到一定程度开始保持常数，此段末端对应的应力称为残余强度。

3岩石变形的试验方法

3. 1单轴压缩变形试验

这是室内测定岩石变形参数最常用的方法，是指试件在轴向压力下产生轴向压缩、横向膨胀，最后导致破坏的试验。适用于能制成圆柱体(高径比2~2:1)试件的各类岩石，可在不同含水状态下进行试验，同一含水状态下每组试件应为3个。可采用电阻应变片法或千分表法，坚硬和较坚硬的岩石宜采用电阻应变片法，较软岩和软岩宜采用千分表法。一般采用一次连续加载法或逐级一次循环法，最大循环载荷为预估极限载荷的50%，试验时以每秒0. 5~1. 0Pa的速度逐级加载，施加一级载荷后立即测读相应载荷下的纵向和横向变形值，一分钟后再读一次，再施加下一级载荷，读数不少于10组。用电阻应变片法时轴向或径向的应变片的数量可采用2片或吐片且应牢固地贴在试件上;用千分表法时轴向和径向的千分表各采用2只或吐只且应分别安装在试件直径的对称位置上。测试完成后根据测得的应力和应变值绘制应力应变关系曲线，可分别计算岩石的弹性模量、变形模量和泊松比等变形参数。

3. 2三轴压缩变形试验

这是室内测定岩石变形参数较少用的方法，一般在测定三轴压缩强度的同时测读三轴压缩变形数据。适用于能制成圆柱体试件的各类岩石(高径比2 ~ 2. 5:1)，同一含水状态下每组不少于5个试件，5个试件分别在5级(一般按等差数列来分)不同的侧压下做试验。试验时将岩石试件放在密闭容器内，先以每秒0. 05MPa的速度同步施加侧压和轴压至预定的侧压值，并在试验过程中保持不变，再以每秒0. 5~1. OMPa的速度连续施加轴向荷载，直至试件破坏。在加压过程中同时测定不同荷载下的轴向变形值，每个试件测值不少于10组。测试完成后绘制轴向与侧向应力差与轴向应变的关系曲线，可根据需要分别计算弹性模量、变形模量等三轴压缩变形参数。

4岩石变形参数的确定

4. 1弹性模量

应力应变曲线上直线段的斜率，对同一岩石在极限弹性范围内接近常数，反映的是岩石在弹性变形范围内的平均弹性模量，是最常用的变形参数。

4. 2割线模量(变形模量)

应力应变曲线上任意一点与原点的连线的斜率，工程勘察通常取抗压强度50%处的点来计算，也叫割线弹性模量。

4. 3泊松比

应力应变曲线上任意一点横向应变跟纵向应变的比值，对同一岩石在极限弹性范围内接近常数，工程勘察通常用抗压强度50%处的点来计算，反映的是岩石在弹性变形范围内的平均泊松比，这也是常用的变形参数。

4. 4初始模量

应力应变曲线在原点处的切线的斜率。

4. 5切线模量

应力应变曲线上任意一点的切线的斜率。

5岩石变形试验的改进

在普通柔性试验机上做岩石压缩试验时，绝大多数试件破坏时突然崩溃、碎块四射，只能测得峰值前的应力一应变曲线，无法记录下峰值后的情况，其根本原因是试验机的刚度不够大，为了获得包括峰值后变形在内的全过程应力应变曲线，就需要提高试验机的刚度，同时降低岩石试件的刚度。这可从以下四个方面来改进:

1架构的截面积并减小其长度;2增加液压柱的截面积并减小其长度;3减小岩石试件的截面积并增加其长度;4增加伺服控制系统，控制岩石变形速度恒定。

6结语

综上所述，岩石的变形特性虽然很复杂，但在实际工程中，建筑物作用于岩石的应力远低于单轴极限抗压强度，岩石所处变形多为弹性变形状态，因此可在一定程度上将岩石看作准弹性体，用弹性模量来表不其变形特征，一般只需测定抗压强度50%处的弹性模量和泊松比就可以了。另外在弹性极限压力之内单轴压缩变形和三轴压缩变形试验结果参数值基本接近，而单轴压缩试验更简单易行，故一般采用单轴压缩试验来测定岩石的变形指标。

岩石在太阳辐射、大气、水和生物作用下出现破碎、疏松及矿物成分次生变化的现象.导致上述现象的作用称风化作用.分为：①物理风化作用.主要包括温度变化引起的岩石胀缩、岩石裂隙中水的冻结和盐类结晶引起的撑胀、岩石因荷载解除引起的膨胀等.②化学风化作用.包括：水对岩石的溶解作用；矿物吸收水分形成新的含水矿物,从而引起岩石膨胀崩解的水化作用；矿物与水反应分解为新矿物的水解作用；岩石因受空气或水中游离氧作用而致破坏的氧化作用.③生物风化作用.包括动物和植物对岩石的破坏,其对岩石的机械破坏亦属物理风化作用,其尸体分解对岩石的侵蚀亦属化学风化作用.人为破坏也是岩石风化的重要原因.岩石风化程度可分为全风化、强风化、弱风化和微风化4个级别.大约在200年前,人们可能认为高山、湖泊和沙漠都是地球上永恒不变的特征.可现在我们已经知道高山最终将被风化和剥蚀为平地,湖泊终将被沉积物和植被填满,沙漠会随着气候的变化而行踪不定.地球上的物质永无止境地运动着.暴露在地壳表面的大部分岩石都处在与其形成时不同的物理化学条件下,而且地表富含氧气、二氧化碳和水,因而岩石极易发生变化和破坏.表现为整块的岩石变为碎块,或其成分发生变化,最终使坚硬的岩石变成松散的碎屑和土壤.矿物和岩石在地表条件下发生的机械碎裂和化学分解过程称为风化.由于风、水流及冰川等动力将风化作用的产物搬离原地的作用过程叫做剥蚀 地表岩石在原地发生机械破碎而不改变其化学成分也不新矿物的作用称物理风化作用.如矿物岩石的热胀冷缩、冰劈作用、层裂和盐分结晶等作用均可使岩石由大块变成小块以至完全碎裂.化学风化作用是指地表岩石受到水、氧气和二氧化碳的作用而发生化学成分和矿物成分变化,并产生新矿物的作用.主要通过溶解作用水化作用水解作用碳酸化作用和氧化作用等式进行.虽然所有的岩石都会风化,但并不是都按同一条路径或同一个速率发生变化.经过长年累月对不同条件下风化岩石的观察,我们知道岩石特征、气候和地形条件是控制岩石风化的主要因素.不同的岩石具有不同的矿物组成和结构构造,不同矿物的溶解性差异很大.节理、层理和孔隙的分布状况和矿物的粒度,又决定了岩石的易碎性和表面积.风化速率的差异,可以从不同岩石类型的石碑上表现出来.如花岗岩石碑,其成分主要是硅酸盐矿物.这种石碑就能很好地抵御化学风化.而大理岩石碑则明显地容易遭受风化.气候因素主要是通过气温、降雨量以及生物的繁殖状况而表现的.在温暖和潮湿的环境下,气温高,降雨量大,植物茂密,微生物活跃,化学风化作用速度快而充分,岩石的分解向纵深发展可形成巨厚的风化层.在极地和沙漠地区,由于气候干冷,化学风化的作用不大,岩石易破碎为棱角状的碎屑.最典型的例子,是将矗立于干燥的埃及已35个世纪并保存完好的克列奥帕特拉花岗岩尖柱塔,搬移到空气污染严重的纽约城中心公园之后,仅过了75年就已面目全非.地势的高度影响到气候：中低纬度的高山区山麓与山顶的温度、气候差别很大,其生物界面貌显著不同.因而风化作用也存在显著的差别.地势的起伏程度对于风化作用也具普遍意义：地势起伏大的山区,风化产物易被外力剥蚀而使基岩裸露,加速风化.山坡的方向涉及到气候和日照强度,如山体的向阳坡日照强,雨水多,而山体的背阳坡可能常年冰雪不化,显然岩石的风化特点差别较大.剥蚀与风化作用在大自然中相辅相成,只有当岩石被风化后,才易被剥蚀.而当岩石被剥蚀后,才能露出新鲜的岩石,使之继续风化.风化产物的搬运是剥蚀作用的主要体现.当岩屑随着搬运介质,如风或水等流动时,会对地表、河床及湖岸带产生侵蚀.这样也就产生更多的碎屑,为沉积作用提供了物质条件.岩石在日光、水分、生物和空气的作用下,逐渐被破坏和分解为沙和泥土,称为风化作用.沙和泥土就是岩石风化后的产物.