两种晶粒大理岩的强度变形和破坏 花岗岩、大理岩、石灰岩、页岩、玄武岩等岩石的工程地质性质有哪...
大理岩是一种典型的变质岩石，因具有明显的脆性-延性转化特征，在岩石力学中得到广泛的研究，其强度、变形特征随产地和内部矿物结构而不同。从河南省南阳市南召县某采石场购得多种大理岩块，白色，主要矿物成分为方解石、白云石和菱镁矿。一是细晶变晶结构，晶粒在0.5～1mm，断面似砂糖状，微风化；另一是粉晶变晶结构，晶粒在0.2～0.5mm，一般在0.3mm左右，风化严重。在实验室加工成直径为50mm、长度为100mm左右的试样，在测试试样超声波速度后，进行单轴和常规三轴压缩试验，研究试样的杨氏模量、强度和破坏特征与岩石矿物晶粒之间的关系。
7.4.1 单轴压缩试验
对两种大理岩各进行了重复4次的单轴压缩试验，应力-应变全程曲线如图7-15所示，平均模量Eav、变形模量E50、强度σ0等参数如表7-1所示。在压缩试验之前测量了试样的纵波速度υP、横波速度υS，得到动态模量Ed。
从图7-15可以看出，粉晶大理岩具有明显的脆性破坏特征，而细晶大理岩则不很显著。这是因为，晶粒尺度增大，相互之间的粘接面积增大，克服其粘聚力需要的变形也增大，不易产生脆性破坏；另一方面，晶粒较大时，各处的强度差异也会较大，屈服破坏在岩样内是逐步发生的，应力-应变曲线峰值附近显示出逐步变化的过程，也不易产生脆性破坏。此外，尽管试样之间没有肉眼可见的不同，但强度和变形特征仍具有一定的离散性，大致为平均值的10%。
粉晶大理岩在达到应力峰值之后，由于晶粒之间的粘结面积较小而迅速破坏，不需要试验机继续提供能量。但试样加载模量远低于卸载模量，意味着试样并没有储存大量的弹性应变能量，试验机压缩试样所做的功主要消耗于内部塑性变形，因而试样仍能保持完整的形状，并不会产生崩溃式破坏。
图7-15 两种晶粒大理岩的单轴压缩全程曲线
表7-1 岩样单轴压缩的力学参数和超声波参数
粉晶大理岩比细晶大理岩的单轴压缩强度稍低，相差近20%，但杨氏模量要低许多。显然，在晶粒之间粘聚力大致相当时，晶粒尺度越小，岩石内部的界面也越多，因而压缩过程中的滑移量也就增大，使得杨氏模量降低。另一方面，粉晶大理岩的强度与杨氏模量具有相关性，这对软弱岩石普遍成立［19］，但其强度离散性较小而杨氏模量离散性较大。强度较大意味着风化程度较弱，因而晶粒之间的滑移量较小。由于晶粒尺度较小，滑移界面较多，因而强度稍有变化就会显著影响变形。
细晶粒的大理岩只是微风化，试样的强度主要受内部局部缺陷影响，而局部缺陷对杨氏模量的影响却较小。因此其强度离散性较大而杨氏模量离散性较小。试样屈服之后变形及破裂位置（下述）的不同，也充分表明内部强度分布的差异性。
粉晶大理岩内部具有裂隙，裂隙的闭合使得变形模量E50较低，超声波当然会受到裂隙的影响，但可以通过相互粘结的晶粒曲折传播，因此动态模量Ed大于变形模量E50而小于平均模量Eav。超声波传播时岩石的变形较小，不会引起晶粒界面之间的滑移，因而对没有明显裂隙的细晶大理岩来说，动态模量可以大于平均模量和变形模量。
7.4.2 常规三轴压缩试验
图7-16是两组试样不同围压下常规三轴压缩的全程曲线。在围压为5～10MPa时，两种大理岩都产生了脆性向延性的转化。单轴压缩强度较低的粉晶大理岩由脆性向延性转化的围压较低。文献［5］中报道的粗晶大理岩脆性向延性转化的围压仅在3MPa左右（图7-6）。值得注意的是，细晶大理岩的杨氏模量与围压没有关系，而粉晶大理岩的杨氏模量随围压增大。由于试样之间具有差异，图7-16 b不同围压下试样杨氏模量的差异也并不完全是围压引起的，但围压对杨氏模量的影响确实存在。在试验的最大围压40MPa内，粉晶大理岩平均模量的最大值仍小于细晶大理岩所有试样的最小值。粉晶大理岩晶粒之间具有大量的滑移界面，围压能够抑制其滑移从而减小变形，增大杨氏模量。
图7-16 两种晶粒大理岩的常规三轴压缩全程曲线
图中曲线旁数字是试样编号和围压
7.4.3 强度准则和试样破坏形式
岩样的极限承载能力与围压的关系如图7-17所示。尽管两种岩石的结构具有很大的区别，杨氏模量和单轴压缩强度也不同，但围压超过10MPa即试样进入塑性变形阶段后，相同围压下两种岩石的三轴强度差异甚小，进行联合回归的强度准则是
σs=54.65+2.84σ3
10MPa≤σ3
据此计算得到的内摩擦系数μ=0.546，内摩擦角φ=arctanμ=28.63°，破坏断面倾角是59.3°。粉晶大理岩试样的单轴压缩强度明显低于三轴强度回归得到的54.65MPa。
图7-17 细晶和粉晶大理岩的强度与围压的关系
图7-18是粉晶大理岩试样破坏断面的示意图。单轴压缩的1号和3号试样的破裂面由3个平面组成（图中仅给出1个），单轴压缩的2号和4号试样和围压为2.5MPa和5MPa的试样都是单一断面的剪切破坏。而围压10MPa以上时，试样均未产生宏观的断裂，只是产生大量的滑移迹线，在周向具有对称性，倾角大致相同，约为57.3°。压缩变形较大的试样产生较大的塑性变形，明显呈鼓状。
图7-18 粉晶试样破坏断面的示意图
试样内数字是相应部位的尺寸，单位：mm；64.4°等为主控破裂面的倾角
为了更明确地认识高围压下试样的破坏特征，在围压30MPa 下对一个粉晶大理岩试样压缩至轴向应变43‰时完全破裂，该变形已经达到试验机压缩量的极限数值。试样并不是在单一方向的剪切滑移，试样最终形成X状或Y状的破裂（图7-19）。破裂面之间的平均夹角54.7°，该值低于 Coulomb 准则预测的61.4°。但破裂锥上方的倾角，即试样的主控破坏角较大，与Coulomb准则预测的破坏角59.3°相当。显然，高正应力下的摩擦作用，破裂面附近的大理岩晶粒成泥状而脱落，造成破裂面夹角比实际的屈服滑移面夹角略小。
图7-19 粉晶大理岩试样的破裂形式和应力-应变曲线
图7-20是细晶大理岩试样破坏断面的示意图。单轴压缩的试样1沿多个断面破裂（其强度最高），其余3个单轴压缩试样都是以单一断面剪切破坏的（图中仅给出1个）。另外，两个长度124mm的试样，其破坏角度也与此大致相当。围压下轴向压缩时，试样都是沿单一断面的剪切破坏，不过破坏位置随试样而变化。在围压30MPa以上时，试样未产生宏观的断裂，只是产生大量的滑移迹线，倾角大致相同，约为58.6°。滑移迹线具有沿周向分布的特征，尽管并非完全对称。
从图7-18和图7-20可以看出，围压增大试样的破裂角呈现减小的趋势。在围压10MPa以上时，破坏断面或滑移迹线的倾角接近Coulomb准则确定的数值，这也表明对宏观均匀的大理岩可以利用Coulomb准则来描述其承载特性。
图7-20 细粒大理岩试样破坏断面的示意图
试样内数字是相应部位的尺寸，单位：mm；69.4°等为主控破裂面的倾角
7.4.4 岩石强度、 变形和破坏特性的讨论
岩石试样压缩过程的变形量由3个部分构成：①晶粒之间的裂隙闭合；②岩石材料的压缩变形；③晶粒界面之间滑移。
晶粒之间的裂隙闭合体现为岩石初始压缩时的非线性变形，只影响岩石的变形模量，对平均模量没有作用。在围压下压缩时裂隙通常在静水压力加载时就已经闭合，在轴向压缩过程没有显示。
岩石材料的压缩变形，在卸载时可以瞬时恢复。这是真正的弹性变形。例如，大理岩试样的纵波速度可以达到7000m/s以上［20］，而对大理岩矿岩墙测量的纵波速度也可以达到6900m/s［21］，相应的（动态）弹性模量在10GPa以上。这意味着，单纯由晶粒材料压缩引起的变形是很小的。而岩样实际压缩试验时，只有卸载模量才能达到如此高的数值，而加载模量则包含了其他的变形，因而也要低得多。
晶粒界面间滑移引起的变形。该变形量与摩擦有关，因而受到应力状态的影响。在卸载时该变形量通常不能迅速恢复，引起卸载模量与加载模量的差异。这也表明，岩石的线性变形并不一定是弹性变形［22］。对风化的粉晶大理岩，围压增大可以抑制晶粒之间的滑移，从而减小变形提高杨氏模量。
摩擦强度是岩石的一个重要力学参数，地壳断层处的应力状态和地震机理，滑坡体的稳定性以及含有节理断层岩体的力学行为都与此有关［12，13，23，24］，需要进行仔细的研究。下面通过不同应力状态的试样承载特性来认识摩擦的作用。
图7-21是两个粉晶大理岩试样的三轴压缩应力-应变曲线。1个试样在围压40MPa下压缩到轴向应变24‰，然后轴向卸载，再加载仍能达到原来的承载应力。另一试样首先在围压30MPa 下压缩到轴向应变18‰，停止试验完全卸载；再重新施加围压至30MPa，进行轴向压缩至塑性变形阶段，增加围压至40MPa继续进行轴向加载。该岩样的极限承载能力与加载历史完全没有关系，由围压确定。但变形与加载历史有关，试样经过一次压缩之后，晶粒界面的摩擦滑移保存残余变形，因而再加载时可以有更高的杨氏模量和更好的线性变形。这对围压40MPa的循环加载过程也是如此。文献［22］已对此进行了仔细说明。
图7-19中试样在围压30MPa下压缩至轴向应变43‰时完全破裂，但破裂之前轴向应力并没有明显的降低。显然，试样在塑性变形阶段的承载能力由围压确定，即通过摩擦来继续承载轴向应力，其承载能力并不随轴向压缩变形的增大而降低。
图7-21 塑性变形阶段的承载能力与加载路径
图中曲线旁数字是试样编号和围压
图7-22 单轴压缩裂隙试样围压下承载变形特性与完好试样的比较
为了进一步说明摩擦的作用，对一个细晶大理岩试样进行单轴压缩（图7-22曲线A），在产生贯通的剪切裂纹但没有破裂时卸载，再进行围压40MPa的轴向压缩（曲线B）。试样单轴压缩产生的剪切裂纹倾角较大，在围压作用下闭合其摩擦承载能力大于试样的三轴强度，因而在轴向压缩过程中没有发生滑移，与完整试样相同围压下的变形特征（曲线C）完全相同，即单轴压缩产生的裂隙完全不影响试样的强度和变形。岩石失去粘聚力之后完全可以通过摩擦承载。
图7-16所示的粉晶和细晶两种大理岩尽管单轴压缩时的性能差别显著，但完全屈服之后的摩擦系数都是0.546。这是一个材料参数。与Byerlee定律中高正应力的数值相近。不过从微观上看，摩擦只有在接触面之间发生了相对错动之后才会出现，摩擦系数应该随着塑性滑移而逐渐增大，与此同时材料的粘聚力逐步丧失。摩擦力由摩擦系数和正应力共同确定，而围压较大时正应力也较大；局部材料的滑移造成粘聚力降低，但由此引起的摩擦系数增加会产生摩擦力的较大增加，即材料屈服破坏能够引起承载能力的增加。在这种情形下强度较高的材料也会屈服，通过塑性滑移产生的摩擦来承载比自身材料强度更高的载荷，岩石变形趋于均匀，产生的塑性变形也就较大，即由脆性转化为延性。
7.4.5 岩石试样的破坏角
本文使用的两种大理岩具有宏观的均匀一致性，由Coulomb准则确定的承载能力最小的断面倾角是59.3°，而试样在较高围压下实际破裂面或屈服滑移面的倾角在58°左右，差别不大。另一方面，在围压较低时，破裂角是随围压增大而减小的。这可以理解为，大理岩具有晶粒的特征，在低围压下剪切破坏时，轴向应力也较低，晶粒能保持其原有形状，相互之间发生相对滑移，从而引起的摩擦力较大。较大的摩擦系数，对应于较大的破坏角。在高围压时，岩石破坏时的应力状态较高，晶粒会变形或破裂，产生新的滑移面，摩擦系数较小，破坏角也就较小。当然，如果试样具有明显的非均质性，那么在围压较低时摩擦作用就较小，其强度和破坏形式比较复杂，破裂角与Coulomb准则预测的数值不会完全一致［25］。而在围压较高、摩擦作用较大时，岩石内部的缺陷等对变形和强度的影响较小，强度和杨氏模量离散性较小就是其宏观表现。就此而言，利用低强度的材料模拟高应力下岩石的变形特性［26］，确实是可行的途径之一。
岩石峰值强度的大小和岩石最终破坏的时间是否有关~
岩石峰值强度的大小和岩石最终破坏的时间有关。
在载荷达到峰值载荷的的随后很长一段时间内声发射进入平静期，一直延续到峰值荷载后区。直到840s 以后声发射事件才开始出现，这时岩石的载荷降到了峰值载荷的90％。在峰值后” 区，出现了几次较为明显的应力降，在对应后两次突然的应力降时的声发射率也 较高．其余的声发射率也较低。这跟含铜黄铁矿的矿物晶粒结构比较特殊有关， 其晶粒颗粒较租，晶界清晰光滑，破坏基本上是沿晶界面破坏的。破坏呈渐进形 式，试件破坏程度很大，几乎全部被压碎，破坏的碎块尺寸更晶粒在同一数量级 蛇纹岩因为相对均匀。岩石矿物晶粒很小，破坏是渐进式的，整个变形过程中都有声发射事件产生，从开始加载到破坏，声发射率总体上呈现逐渐上升的趋 势，并且声发射率相对前面五种岩石都高，另外一个特点就是，虽然总体上声发 射率呈上升趋势，但是声发射率的高低是间歇出现的，这种声发射率的阵发式增 大，正说明了蛇纹岩的破坏过程是一个微裂纹不断扩展成较大裂纹，在汇合成更 大裂纹，小破裂、大破裂不断更替累积，最终达到破坏的过程。
岩石声发射受到多种因素的影响，如强度、节理、晶粒大小软硬。石英闪 长岩强度高，矿物颗粒坚硬，脆性大，破坏过程中产生的声发射较少且集中在破 坏前很短的一段时间内；大理岩强度低，存在节理裂隙，产生的声发射较多，持续时间也较长；蛇纹岩矿物晶粒细腻、质软，产生的声发射多持续时间很长。
花岗岩
花岗岩是岩浆在地下深处经冷凝而形成的深成酸性火成岩，部分花岗岩为岩浆和沉积岩经变质而形成的片麻岩类或混合岩化的岩石。花岗岩主要组成矿物为长石、石英、黑白云母等[1]，石英含量是10%～50%。长石含量约总量之2/3，分为正长石、斜长石（碱石灰）及微斜长石（钾碱）。不同品种的矿物成份不尽相同，还可能有含辉石和角闪石。花岗岩质地坚硬致密、强度高、抗风化、耐腐蚀、耐磨损、吸水性低，美丽的色泽还能保存百年以上，是建筑的好材料，但它不耐热。全晶质等粒状结构，块状构造。产状多为岩基，岩株。花岗岩石材按色彩、花纹、光泽、结构和材质等因素，分不同级次。
大理岩
大理岩（marble）一种变质岩，又称大理石。因在中国由于云南省大理县盛产这种岩石而得名。由碳酸盐岩经区域变质作用或接触变质作用形成。主要由方解石和白云石组成，此外含有硅灰石、滑石、透闪石、透辉石、斜长石、石英、方镁石等。具粒状变晶结构，块状（有时为条带状）构造。大理岩硬度不大，易于开采加工，板材磨光后非常美观，可作室内装饰材料；开采和加工中的废料，可制成工艺品或经轧碎作生产水磨石、水刷石等的优质集料。少数高度致密均质的可供艺术雕刻和装饰用。岩块与盐酸作用气泡，具有可溶性。
石灰岩
也是变质岩。简称灰岩，以方解石为主要成分的碳酸盐岩。有时含有白云石、粘土矿物和碎屑矿物，有灰、灰白、灰黑、黄、浅红、褐红等色，硬度一般不大，与稀盐酸反应剧烈。石灰岩结构较为复杂，有碎屑结构和晶粒结构两种。碎屑结构多由颗粒、泥晶基质和亮晶胶结物构成。颗粒又称粒屑，主要有内碎屑、生物碎屑和鲕粒等，泥晶基质是由碳酸钙细屑或晶体组成的灰泥，质点大多小于0.05毫米，亮晶胶结物是充填于岩石颗粒之间孔隙中的化学沉淀物，是直径大于0.01毫米的方解石晶体颗粒；晶粒结构是由化学及生物化学作用沉淀而成的晶体颗粒。
页岩
是一种沉积岩，成分复杂，但都具有薄页状或薄片层状的节理，主要是由黏土沉积经压力和温度形成的岩石，但其中混杂有石英、长石的碎屑以及其他化学物质。粘土岩的一种。成分复杂，除粘土矿物（如高岭石、蒙脱石、水云母、拜来石等）外，还含有许多碎屑矿物（如石英、长石、云母等）和自生矿物（如铁、铝、锰的氧化物与氢氧化物等）。具页状或薄片状层理。用硬物击打易裂成碎片。是由粘土物质经压实作用、脱水作用、重结晶作用后形成。由极细的粘土、泥质，经过紧压固结、脱水、重结晶后形成的，具有薄页状层理构造的粘土岩，称为页岩。（页理是鳞片状的粘土矿物在压紧过程中，平行排列而成的）页岩致密，硬度低，表面光泽暗淡。含有机质的呈灰黑、黑色。 页岩含铁的呈褐红、棕红等色，还有黄色、绿色等多种颜色。页岩抗风化力弱，在地形上常形成低山低谷。页岩不透水，往往成为不透水层或隔水层。
玄武岩
是一种基性喷出岩，其化学成分与辉长岩相似，SiO2含量变化于45%～52%之间，K2O+Na2O含量较侵入岩略高，CaO、Fe2O3+FeO、MgO含量较侵入岩略低。矿物成份主要由基性长石和辉石组成，次要矿物有橄榄石，角闪石及黑云母等，岩石均为暗色，一般为黑色，有时呈灰绿以及暗紫色等。呈斑状结构。气孔构造和杏仁构造普遍。玄武岩的颜色，常见的多为黑色、黑褐或暗绿色。因其质地致密，它的比重比一般花岗岩、石灰岩、沙岩、页岩都重。但也有的玄武岩由于气孔特别多，重量便减轻，甚至在水中可以浮起来。
岩石断裂韧度的KⅠC测试方法
答：断裂韧度是材料的一种固有属性,它表示材料抵抗裂纹扩展的能力,也就是处于极限状态的应力强度因子。岩石断裂力学的理论和试验表明,岩石KⅠC确实存在。但由于岩石材料和金属材料无论在结构上还是在破坏机理上都有很大的不同,因此岩石的KⅠ...
区域变质岩的主要类型
答：大理岩(marble)是一种碳酸盐矿物(方解石,白云石为主)含量大于50%的变质岩。它是由石灰岩、白云岩等碳酸盐岩经区域变质作用或热接触变质作用而成。由于原岩所含杂质和变质条件不同,大理岩中可含少量蛇纹石、透闪石、透辉石、方柱石、金...
晶质塑性变形现象是指?
答：天然变形纹可以为如下几种形式:①高位错密度的无气泡带之间的低位错密度高气泡含量带;②都不含气泡的高位错密度与低位错密度相间的片状区;③拉长的亚晶粒。 总的说来,变形纹是一种比较复杂的变形显微构造现象,主要由晶内位错滑移产生...
岩样长度对三轴压缩的影响
答：第2章2.7节已经对大理岩试样长度与单轴压缩强度的关系进行了试验研究，通过垫加聚四氟乙烯薄片的对比试验确认了端部摩擦的作用，讨论了不同晶粒大理岩端部摩擦效应的差异和试样长度与强度的回归公式，分析了试样破坏的两种不同...
循环加载对岩样的强化作用
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岩石对工程性质的影响
答：例如细晶花岗岩的强度可达180～200MPa，而粗晶花岗岩的强度只有120～140MPa；具有微晶至隐晶质的玄武岩，比中粗晶粒的基性岩强度更高；致密的结晶灰岩要比粗晶大理岩的强度高2～3倍。（2）胶结联结 主要是指以沉积岩的碎屑...
影响岩石力学性质的因素
答：在不同围压下进行的大理岩三轴实验表明(图3-31),随着围压增加,岩石弹性极限增大,延性增强,强度及破坏前的应变增大。但岩石类型不同,所受影响的程度不同。 图3-31 大理岩在不同围压下应力-应变曲线 (据Karman,1912) 对碳酸盐类岩石...
学习任务影响固体岩石变形的主要因素
答：表3 -2 七种岩石在干燥和潮湿条件下的抗压强度 (据徐开礼等,1989) 在图3-19中,湿、干大理岩的两条不同的应力-应变曲线对比表明,湿大理岩比干大理岩更容易发生塑性变形。干大理岩产生10%的变形量的压应力是300MPa,而湿大理岩产生同样...
岩石的脆延性转化和极限状态下强度和破坏
答：试样破坏时的宏观应力当然要低于材料的实际粘聚力。对于高强度的花岗岩、片麻岩，抗压强度达到Byerlee摩擦强度之后，试样破坏的变形量小于10%，仍属于脆性或脆性-延性过渡段，但强度随围压增大已与材料关系不大，且主断裂带与最...
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答：例如细晶花岗岩的强度可达180～200MPa，而粗晶花岗岩的强度只有120～140MPa;具有微晶至隐晶质的玄武岩，比中粗晶粒的基性岩强度更高;致密的结晶灰岩要比粗晶大理岩的强度高2～3倍。(2)胶结联结 主要是指以沉积岩的碎屑...
