本书的主要内容

如题所述

岩石力学是一个与工程领域密切相关的应用学科,《中国岩石力学与工程世纪成就》一书就此内容进行了全面而具体的论述[75]。本书仅是就室内试验结果对岩石的力学性质进行简单的讨论。

实验室得到的各种岩石力学数据是岩石试样、试验机以及测试方式共同作用的结果,并不完全等同于岩石的力学性质。这是从事岩石力学试验研究时需要特别注意的问题。

岩石在达到承载极限之后,其材料强度的丧失是逐步发生的。由于岩石内部各处强度不等,也就不会同时达到承载极限、同步屈服破坏。因此,本书试图说明这种非均匀变形破坏所造成的影响。为此利用伺服试验机对几种岩石进行了常规三轴试验及超声波测试,并引用了许多文献中的试验结果,研究了不同应力路径下岩样的变形、屈服和破坏过程,力图从岩样宏观的载荷-变形曲线中理解岩石材料的力学性质,对强度准则、杨氏模量、泊松比等岩性参数的确定方法提出建议。

不同长度、不同直径岩样的单轴压缩应力-应变全程曲线是不同的,因此,必须确定岩样峰值应力之后的变形与岩样形状之间的关系,进而研究岩样与试验机的联合作用、岩样失稳破坏和Ⅱ类全程曲线等问题,讨论伺服试验机的加载方法和矿柱岩爆的产生原因,并对试验机压头与岩样端部的摩擦效应加以说明。

由于岩石材料的非均质性,相同试验条件下不同岩样的峰值强度存在显著的差异。这种差异甚至会影响到研究的定性结论。然而,应力-应变全程曲线提供了岩样内部材料更多的强度信息,从中可以确定岩样的缺陷程度和理想强度。利用岩样没有缺陷时的理想强度,在消除岩样之间差异的基础上讨论围压的作用和应力路径的作用等问题,从而得出比较准确的结论。以期就Coulomb强度准则的确定方法以及统计评价提出建议。

岩石并非均质弹性材料,但仍沿用弹性力学中的杨氏模量和泊松比的概念。因而需要研究岩样的变形与围压以及加卸载路径的关系,并利用岩石内裂隙摩擦解释试验现象。岩样的环向变形从另一方面反映了岩石的力学性质。利用不同围压的轴向压缩和比例加载的岩样环向变形全程曲线来讨论确定泊松比参数的方法,研究岩样环向塑性变形与轴向塑性变形之间的关系,并对岩样的全程曲线作出明确的解释。

岩石的强度准则是判断工程岩体的应力状态是否安全的判据或条件,通常,用主应力或者由它们组合得到的不变量来表示。但是岩石破坏的各种三向应力状态在实验室难以模拟,一些常用的强度准则也没有得到真正的、全面的试验证明。经过简单的计算发现,Drucker-Prager强度准则和幂函数强度准则等尽管包含中间主应力,并且得到了常规三轴压缩试验的检验,但并不能正确反映中间主应力对岩石强度的影响,而且都是极端偏于不安全的。在定性分析中间主应力对岩石破坏影响的基础上,本书提出Coulomb强度准则的修正公式。

岩体不仅是一种材料,而且是一个复杂的应力、应变环境。工程开挖实际就是岩体在某一方向卸载。岩体的破坏是在卸载过程中发生的。为此在保持岩样轴向应力不变和轴向载荷不变的条件下,进行降低围压引起岩样破坏的试验,即通常所说的卸载破坏试验或卸围压试验。利用卸围压试验,同样可以确定岩石的峰值强度和残余强度,并且可以通过应力之间的关系确定泊松比系数。对岩样轴向压缩破坏和卸围压破坏的异同也进行了讨论。本书在明确不同应力路径下岩样的强度定义之后,讨论了应力路径对岩样强度和变形的影响。

在实验室常规三轴应力状态下,岩样的变形特性与其屈服过程中轴向承载能力的变化有关。若承载能力在屈服过程中降低,即屈服弱化,则强度较高的材料因实际应力的降低而不再屈服,岩石的屈服破坏将局部化,产生的塑性变形较小;而屈服强化时,实际应力的增加将使岩样内的材料依强度从低到高逐步屈服,从而屈服破坏在岩样轴向趋于均匀,产生的塑性变形较大。通过比较峰值强度和残余强度与围压的关系,可以理解屈服过程中承载能力以及内摩擦力的变化情况。

就微观而言,岩石材料的承载能力由粘聚力和内摩擦力共同构成,二者在屈服过程并不是常数:粘聚力随塑性变形降低,而内摩擦力系数随塑性变形增加。利用这一模型研究了岩石屈服破坏过程,力图解释强度的尺度效应、屈服的延性和脆性、卸载破坏及应力路径等问题。

拉伸强度是岩石力学性质的指标之一。对岩样直接拉伸和各种间接拉伸试验进行了讨论,本书在平台圆盘巴西劈裂试验和圆柱试样围压下直接拉伸的试验基础上,研究了岩石在压拉应力状态下的强度准则。

测试岩样的超声波速度计算动态参数是进行岩样压缩破坏试验之前的例行工作,本书就这一内容讨论了岩石内超声波的传播特性、测试方式和结果。

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