(一)岩石强度的概念
作用于岩石上的外载荷增大到一定程度时,岩石就会发生破坏。破坏时岩石所能承受的最大载荷称为极限载荷,单位面积上的极限载荷称为极限强度,简称为岩石的强度。
根据受力条件不同,岩石的强度可分为抗压强度、抗拉强度、抗剪强度和抗弯强度等;根据应力状态,岩石的强度可分为单向应力状态下的强度、两向应力状态下的强度和三向应力状态下的强度;根据加载速度,岩石强度可分为静载强度和动载强度。
在简单应力状态下,通常采用单向拉伸、压缩、剪切等试验确定岩石的强度。
在复杂应力状态下,可以采用三轴试验装置确定岩石的强度。由于岩石多是脆性的,故在岩石力学中最常用的是剪切破坏强度理论和脆性断裂强度理论。
实验室实验时试件无侧压力作用,只有在轴向压力作用下岩石直至破坏时,单位面积上所承受的载荷,叫作岩石的单轴抗压强度,其计算公式为
式中 R——岩石单轴抗压强度,MPa;
P——岩石破坏时的最大载荷,N;
S——垂直加载方向试件横截面面积,mm2。
(二)影响岩石强度的因素
岩石破碎效果与岩石强度有密切的关系,对岩石强度影响因素的分析,有利于寻求最佳破岩方法,有利于提高破岩效率。岩石强度受到下列因素的影响。
1.岩石的矿物成分
不同矿物组成的岩石具有不同的强度。岩石中石英含量高,并且石英颗粒在岩石中联结成骨架时,则岩石的强度较高。而方解石和白云石等强度较小,在碳酸盐类岩石中方解石含量增加,则岩石强度降低。对于沉积碎屑岩来说,胶结物的成分对岩石强度有较大的影响。例如,硅质胶结的砂岩,其抗压强度高达 200 MPa 以上,而钙质胶结的砂岩,强度则为 20~100 MPa,泥质胶结的砂岩,强度往往在20 MPa 以下。
2.岩石的结构构造(www.xing528.com)
矿物颗粒大小对岩石强度有一定的影响。一般说来,细粒岩石的强度高于粗粒岩石的强度,并且颗粒越细,这种影响越大。结晶程度对岩石强度也有影响,在岩浆岩结构中非结晶物质越多,其强度越低。层理发育的岩石其强度具有明显的各向异性,垂直于层理方向的抗压强度最大,平行于层理方向的抗压强度最小,与层理方向存在某种角度的抗压强度介于二者之间。岩石的层理、节理和孔洞等都可以看成是岩石结构构造上的缺陷。另外,多矿物集合的岩石在不同矿物颗粒的结合处或交界处,存在着许多微小的孔隙和裂缝,它们也是结构构造上的缺陷。这些缺陷破坏了岩石的连续性和完整性,在外载荷的作用下,应力往往首先集中在这些部位。
3.岩石的容重和孔隙度
岩石的孔隙度增加,容重降低,岩石强度也降低。
4.受力条件
岩石的抗压、抗拉、抗剪和抗弯强度有很大的差别。在单向应力状态下,岩石的抗压强度最大,而抗拉强度最小,抗剪和抗弯强度介于前两者之间。利用岩石抗剪和抗拉强度小的弱点,寻求相应的破岩方法,对提高破岩效率非常有利。
5.应力状态
岩石在单向应力状态下,抗压强度最小;两向应力状态下次之;三向应力状态下,抗压强度最大。在钻进时,减小液柱压力,变三维应力状态为两维应力状态,是提高钻进速度的重要途径。
6.载荷速度
岩石的抗压强度也是随着加载速度的增加而增大的。在高速加载时(例如冲击试验)得到的抗压强度值要比低速加载时(例如一般材料试验机的加载)大得多。
7.湿度和温度
湿度对岩石的强度有很大影响。当水侵入岩石时,水就顺着裂隙进入润湿岩石全部自由面上的每个矿物颗粒。由于水分子的加入改变了岩石的物理状态,削弱了颗粒间的联系,使岩石强度降低,降低程度决定于岩石内孔隙和裂隙状况、组成矿物的亲水性和水的物理化学性质。
温度对岩石的单向抗压强度产生一定的影响,随着温度上升,岩石的抗压强度下降。
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