岩石力学性质的影响因素

水、温度、风化程度、加载速率、围压大小、各向异性等1)水对岩石力学性质的影响水在岩石中两种赋存方式：一种结合水或称束缚水，一种为重力水或称为自由水。主要作用体现在，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。前三种作用是结合水产生的。结合水是由于矿物对水分子的吸附力超过了其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，在矿物表面形成一层水膜，这种水膜产生前述的三种作用。2.4.2.7影响岩石力学性质的主要因素结合水：产生三种作用：连结作用、润滑作用、水楔作用。连结作用：将矿物颗粒拉近、接紧，起连结作用。润滑作用：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，摩擦力降低，水起到润滑剂的作用。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。1)水对岩石力学性质的影响当岩石受压时：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。1)水对岩石力学性质的影响重力水：对岩石力学性质的影响主要表现在孔隙水压力作用和溶蚀、潜蚀作用。（1）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，产生孔隙压力，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于受拉状态，从而破坏岩石的连结。1)水对岩石力学性质的影响（2）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，使岩石强度大为降低，变形加大。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。（3）除了上述五种作用外，水在冻融时的胀缩作用对岩石力学强度破坏很大。1)水对岩石力学性质的影响岩浆岩沉积岩变质岩岩石名称软化系数岩石名称软化系数岩石名称软化系数花岗岩0.72－0.97火山集块岩0.6－0.8片麻岩0.75－0.97闪长岩0.60－0.80火山角砾岩0.57－0.95石英片麻岩0.44－0.84闪长玢岩0.78－0.81安山凝灰集块岩0.61－0.74角闪片岩0.44－0.84辉绿岩0.33－0.90凝灰岩0.52－0.86云母片岩0.53－0.69流纹岩0.75－0.95砾岩0.50－0.96绿泥石片岩0.53－0.69安山岩0.81－0.91石英砂岩0.65－0.97千枚岩0.67－0.96玄武岩0.30－0.95泥质砂岩，粉砂岩0.21－0.75硅质板岩0.75－0.79泥岩0.40－0.60泥质板岩0.39－0.52页岩0.24－0.74石英岩0.94－0.96石灰岩0.70－0.94泥灰岩0.44－0.54水对岩石的软化作用按一般地热增温看，每增加100米深度，温度升高3℃。2)温度对岩石力学性质的影响平洞小立井内贮存核废料罐高硫矿山、自燃矿物温度高地下深部研究、核废料处理研究一般来说，随着温度的增高，岩石的延性加大，屈服点降低，强度降低。玄武岩花岗岩白云岩2)温度对岩石力学性质的影响如图所示即为三种不同岩石在围压为500MPa，温度由25℃升高到800℃时应力－应变特征。多数岩石在地表表现为脆性；趋向地下，随着温度和围压的增加，到一定深度就会从脆性向延性过渡。因此，岩石力学实验中常把围压和温度一起来考虑。温度升高产生延性的原因是由于岩石内部分子的热运动增强，因此，削弱了它们之间的内聚力，使晶粒面更容易产生滑移。加载速率愈大，弹性模量愈大；加荷速率愈小，弹性模量愈小。加载速率越大，获得的强度指标值越高。国际岩石力学学会（ISRM）建议：加载速率为0.5~0.8MPa/秒，一般从开始试验直至试件破坏的时间为5~10分钟。3)加载速率对岩石力学性质的影响由三轴压缩试验可知：岩石的脆性和塑性并非岩石固有的性质，它与其受力状态有关，随着受力状态的改变，其脆性和塑性是可以相互转化的。在三轴压缩条件下，岩石的变形、强度和弹性极限都有显著增大。例如：欧洲阿尔卑斯山的山岭隧道穿过很坚硬的花岗岩，由于山势陡峭，花岗岩处于很高的三维地应力状态下，表现出明显的塑性变形。4)围压对岩石力学性质的影响风化作用：是一种表生的自然营力和人类作用的共同产物，是一种很复杂的地质作用，将涉及到气温、大气、水分、生物、原岩的成因、原岩的矿物成分、原岩的结构和构造等诸因素的综合作用。风化作用降低岩体的物理力学性质：①降低岩体结构面的粗糙程度，产生新的裂隙，破坏岩体的完整性。岩石结构连结被削弱,坚硬岩石变为半坚硬岩石、疏松土。②在化学风化过程中，矿物成分发生变化，原生矿物经受水解、水化、氧化等作用，逐渐为次生矿物，特别是产生粘土矿物（如蒙脱石、高岭石等）。③成分结构和构造的变化,导致抗水性降低、亲水性增高（如膨胀性、崩解性、软化性增强）；力学强度降低，压缩性加大。5)风化对岩石力学性质的影响风化对岩石力学性质的影响可通过对岩石风化程度的评价来进行。风化程度可通过室内岩石物理力学性质指标评定的方法，也可能用声波及超声波的方法。1964年以来，水电部成都勘察设计研究院科研所提出用岩石风化程度系数(Ky)来评定岩石的风化程度。Ky＝(Kn＋Kr＋Kw)/3式中：Kn=n1/n2(孔隙率系数)；Kr=r2/r1(强度系数)；Kw=ω1/ω2(吸水率系数)；n1，r1，ω1－新鲜岩石的孔隙率、抗压强度、吸水率；n2，r2，ω2－风化岩石的孔隙率、抗压强度、吸水率；风化作用程度的评价方法Ky≤0.1剧风化Ky＝0.1－0.35强风化Ky＝0.35－0.65弱风化Ky＝0.65－0.90微风化Ky＝0.90－1.00新鲜岩石岩石风化程度Ky的概念，是表示岩石风化程度深浅的一个相对指标，不是绝对值。岩石风化程度分级如下