岩石试样的强度准则及内摩擦系数

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1、第7卷　第1期地质力学学报Vol17No112001年3月JOURNALOFGEOMECHANICSMar.2001文章编号:100626616(2001)0120053208岩石试样的强度准则及内摩擦系数12尤明庆,华安增(11焦作工学院机械系,焦作　454159;21中国矿业大学,徐州　221008)摘　要:岩石是一种非均质材料并含有各种缺陷,利用岩样的应力应变全程曲线可以确定理想强度,在排除岩样缺陷后讨论峰值强度与围压的关系,即强度准则。通过岩样剪切破坏后保持轴向变形恒定降低围压试验,可以确定岩样由摩擦力维持的承载能力随围压的变化关系。比较峰值强

2、度和残余强度随围压变化关系的异同,可以研究岩样屈服过程中内摩擦系数的变化情况,以及内摩擦力对岩样变形特性的影响。粉砂岩试样在峰值应力时内摩擦系数已经达到最大值,峰后只是粘结力或者说是材料强度的降低过程,围压对变形没有明显影响。大理岩试样屈服过程中内摩擦系数不断增加,而内摩擦力的增加量与围压有关,高围压时只有材料强度完全丧失之后,由内摩擦力达到岩样的承载极限。内摩擦力系数随屈服过程增大,是岩石由脆性转变为延性的根本原因。关键词:强度准则;内摩擦系数;岩石缺陷;理想强度;卸围压+中图分类号:TU45812文献标识码:A0　引言库伦强度准则,即粘结力(C)和

3、内摩擦角(<)的概念在岩体工程中已得到广泛应用,但试验数据通常离散较大,确定C和<的方法仍需要研究,仅依靠统计和回归等数学手段的改[1,2]进,并不能根本解决由岩石非均质性引起的离散性。河北邢台东庞矿的岩石力学性质研究表明,16个岩样在围压0～20MPa之间进行轴向压缩,极限主应力差的平均值并不随围压呈线①性增加(图1),特别是围压从5MPa增加到10MPa,岩样平均强度没有增加反而有所降低。这表明岩样之间的差异很大。由图1的数据直接回归得到的强度准则σs=6014+1145σ3并不能表示围压对岩样强度的影响;而由回归公式求得的粘结力C=1913MPa

4、和内摩擦角<=2418°,能否表示真正的岩石材料强度特性值得怀疑,随着围压增大而岩样强度降低现象在实际试验中常有出现,文献中也有[3]报导。收稿日期:1999209228基金项目:河南省杰出青年科学基金资助作者简介:尤明庆(1964—),男,博士,教授,从事岩石力学和流体机械方面的教学和研究工作。①　中国矿业大学岩控中心.邢台矿务局东庞矿岩石力学性质试验报告.1996,38～39.©1994-2007ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.http://www.cn

5、ki.net54地　质　力　学　学　报2001岩石的非均质性众所周知,但似乎没有引起足够的重视。图2是161个30×60mm圆柱形花岗岩试样单轴压缩强度的直方图,平均强度为[4]16612MPa,标准方差为3111MPa。尽管所有岩样均取自同一个40×40×120cm的岩块,并且该岩块没有肉眼可见的缺陷和不均质,但岩样之间的强度差异依然很大。当从这161个岩样中随机选取20个样时,其强度平均值在16612±2419MPa内的概率为95%;若选取5个样时,其强度平均值在16612±5812MPa内的概率仅有70%。即用5个岩样强度的平均值来表示岩块的平均

6、强度,其误差超过35%的可能性达到30%。然而,如果从这161个岩样中选择若干个进行不同围压下的三轴试验,那么即使同一围压下的岩样数达到5个,图1　岩样极限主应力差与围压的关系材料的非均质性仍有极大的可能掩盖围压的作Fig11Relationbetweenconfiningpressure用。若增加重复试验次数,在实际操作中是非常andmaximumdifferenceofprincipalstresses[5]困难的,至于在岩体工程现场钻取的岩心其强度差异更大。为了确定岩石的强度准则———不同应力状态下岩石的承载极限,显然必须消除岩样之间的离散性对试

7、验结果的影响。本文采取了两种方法,一是利用应力应变全程曲线确定岩样的理想强度,即岩样如果没有缺陷时应该具有的承载极限。另一是在岩样剪切破坏后保持轴向变形恒定条件下降低围压,在此过程中岩样的材料强度为零,这样由摩擦力维持的岩样承载能力随围压的变化关系便可确定。在此基础上研究了粉砂岩和大理岩两种试样的内摩擦力系数变化情况,以及内摩擦力对岩样承载能力和变形特性的影响。1　岩样的理想强度和强度图2　花岗岩试样单轴压缩强度直方图准则Fig12Histogramofuniaxialcompressivestrengthofgranite　　岩石是非均质材料,存在各

8、种缺陷。常规三轴压缩过程中岩样的峰值应力σS只是其内部材料强度特性总体的、宏观的表现,而应力—