基于应力_应变曲线的岩石脆性特征定量评价方法

第33卷 第6期

岩石力学与工程学报 Vol.33 No.6

2014年6月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering June，2014

基于应力–应变曲线的岩石脆性特征

定量评价方法

周 辉，孟凡震，张传庆，徐荣超，卢景景

(中国科学院武汉岩土力学研究所 岩土力学与工程国家重点实验室，湖北 武汉 430071)

摘要：脆性是岩石的一种重要性质，岩石的许多力学行为都与其脆性有关。总结现有的基于强度、应力–应变曲线、加卸载试验、硬度、矿物成分等脆性指标，并详细分析这些指标在评价岩石脆性时的局限性。为合理、准确评价岩石的脆性程度，提出一种建立在应力–应变曲线峰后应力降的相对大小和绝对速率基础上、能够考虑岩石塑性屈服特性和应力状态影响的新的脆性指标，并开展单轴和三轴压缩实验对新指标进行检验。试验结果表明：水泥砂浆和大理岩脆性程度均随围压增大而减小，相同应力状态下大理岩脆性程度均大于水泥砂浆，这与二者实际脆性程度相符；单轴试验条件下灰岩、大理岩、花岗岩和红砂岩的脆性程度依次减小，破坏时的轴向应变逐渐增大，这与“应变越低脆性程度越大”吻合。试验结果可很好地验证该脆性指标的可靠性，研究成果对丰富和改进现有的岩石脆性特征评价方法具有重要意义。

关键词：岩石力学；脆性指标；应力–应变曲线；峰后应力降；围压影响

中图分类号：TU 45 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2014)06–1114–09 DOI:10.13722/http://doc.guandang.netki.jrme.2014.06.004

QUANTITATIVE EVALUATION OF ROCK BRITTLENESS BASED ON

STRESS-STRAIN CURVE

ZHOU Hui，MENG Fanzhen，ZHANG Chuanqing，XU Rongchao，LU Jingjing

(State Key Laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering，Institute of Rock and Soil Mechanics，Chinese Academy of

Sciences，Wuhan，Hubei 430071，China)

Abstract：Brittleness is one of the most important properties for rock materials，to which many mechanical behaviors of rock are related. Existing indices of brittleness based on strength，stress-strain curve，loading and unloading tests，hardness and mineral composition were summarized，and merits and weakness of the indices were analyzed in detail. In order to evaluate the brittleness of rocks reasonably and accurately，a new index of brittleness reflecting the characteristic of plastic yielding and the effect of stress state was introduced on basis of the relative magnitude and the absolute velocity of post peak stress dropping. Axial and triaxial compression tests were conducted to examine the new index. The results of tests show that brittleness of cement mortar and marble both decrease with the increasing of confining pressure and the brittleness of marble is greater than the one of cement mortar under the same stress state，which agree with the actual brittleness of the two rock materials. Brittleness of limestone，marble，granite and red sandstone decrease in order and their axial strain at failure

收稿日期：2013–09–25；修回日期：2013–12–02

基金项目：国家重点基础研究发展计划(973)项目(2014CB046902)；中国科学院科技创新“交叉与合作团队”(人教字[2012]119号)；中国科学院知识创新工程重要方向项目(KZCX2–EW–QN115)

作者简介：周 辉(1972–)，男，1994年毕业于山东矿业学院采矿工程专业，现任研究员、博士生导师，主要从事岩石力学试验、理论、数值分析与工程安全性分析等方面的教学与研究工作。E-mail：hzhou@http://doc.guandang.net

第33卷 第6期 周 辉等：基于应力–应变曲线的岩石脆性特征定量评价方法 1115

increase in order gradually，which conforms to that the low values of elongation means more brittle. The test results verified the reliability of the new index of brittleness nicely which may enrich and improve the existing evaluation methods of rock brittleness.

Key words：rock mechanics；brittleness index；stress-strain curve；stress drop after peak stress；influence of confining stress

1 引 言

塑性表示材料在某种给定载荷下产生较大永久变形而不发生破坏的能力，而脆性则是与塑性相对的概念，即在外力作用下发生很小的变形就发生破坏，失去承载能力。脆性是岩石(特别是深部岩石)的一种非常重要的性质，如岩爆的发生条件之一是在硬脆性围岩中，围岩的脆性程度和脆性破坏的程度是决定岩爆风险的关键内因[1]；脆性也是表示岩石可钻性的关键指标，对于旋转钻机钻取岩芯以及现在深埋硬岩掘进中广泛采用TBM开挖刀盘破岩的钻进速度、道具磨损、造价预测等，同样具有决定性作用[2-3]；由于页岩的脆性显著影响井壁的稳定性，因此页岩脆性是评价储层力学特性和压裂效果的关键指标[4]；在煤矿开采中，煤的脆性越好，越容易切割，生产效率越高[5]；现在被广泛用作建筑材料的花岗岩的脆性程度大小也决定了其适用范

围。因此，在深埋岩石工程建设和资源开发利用中，合理而准确的评价岩石脆性特征具有重要意义。

V. Hucka和B. Das[6]早在1974年就对当时表示岩石脆性的指标进行了总结。之后随着岩石力学的不断发展，人们根据不同的目的和评价对象建立了不同的脆性分析指标，如表1所示。R. Altindag和S. Kahramana[7-9]将岩石抗压强度和劈裂抗拉强度积的一半定义为脆性系数(B2)，并认为其与岩石的可钻性指数、断裂韧性和比能均具有密切的相关性，而与压拉强度比表征的脆性指数(B1)无明显关系。S. P. Singh[5]认为，煤的脆性(以B3和B16为衡量指标)越大，切割阻力和初始临界贯入应力越大，产生的细粒所占百分比越少，粉尘越少。Q. M. Gong和J. Zhao[2]研究了TBM进尺速度与岩石脆性程度(B1)的关系，发现进尺速度随脆性程度的增大而增大。S. Kahraman[10]也根据不同文献中的数据研究了TBM进尺速度和岩石脆性(B1，B3，B15)的关系，发现进尺速度与B1和B3无相关性，但与B15有很强

表1 常见的脆性指数

Table 1 Summary of common brittleness indices

分类依据

基于强度特征的脆性指标

计算公式与说明

B1 c/ t，B2 c t/2，B3 ( c t)/( c t)，B4 ( c f)/( t b)，

其中， c为单轴抗压强度； t为劈裂抗拉强度； f和 b分别为峰值前、后总应变量

B5 ( p r)/ p，其中， p为峰值强度， r为残余强度

B6 ( fp cp)/ cp， fp为摩擦强度达到稳定值得塑性极限， cp为黏聚力达到残余值的塑性极限

基于全应力–应变曲线的脆性指标

B7 B1 B21，B1 ( BRIT n)/( m n)，B2 CS CS ，其中， BRIT为峰值应变参数， m和 n为最大、最小峰值应变， ， ， 分别为标准化系数

CS p( p r)/ p( r p)， p， p为峰值强度和对应的峰值应变， r， r为残余强度和对应的 …… 此处隐藏：17210字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……