火连寨石膏矿岩石力学参数测试与分析

页岩 灰白色硬石膏 泥质泥晶白云岩
7. 11
0. 30
弹性模量 泊松比 ( E×104M pa) #
3. 65
0. 17
8. 24
0. 25
4. 91
0. 26
3. 81 5. 28
0. 17 0. 28
3. 88
0. 27
2. 97
0. 28
3. 40
0. 28
6. 24
0. 30
6. 06
0. 30
低 30～45
32%
中 50～80
2～3
高 110～170
8～10
W 24 泥质泥晶白云岩
Baidu Nhomakorabea
W 25 紫色泥质白云岩
W 26 杂色泥质白云岩
W4 钙质页岩
W7 三 页岩
W9
含云母页岩 含云母页岩
14%
50～70
3～7
W 22
W 11
W 13 四 石膏
W 19
W 23
页岩 石膏- 硬石膏矿 灰白色硬石膏 灰白色硬石膏 灰白色硬石膏
0. 34 0. 22 0. 15 0. 18 0. 25 0. 23 0. 28 0. 25 0. 20 0. 25
W 12 W 13 W 14 C6 W 20 W 21 W 21 W 22 W 23 W 24
泥晶白云岩 灰白色硬石膏矿
石膏化白云岩 粉砂岩
泥质泥晶白云岩 泥质泥晶白云岩 泥质泥晶白云岩
7. 98 42° 0. 97
C6
粉砂岩
18. 52 40° 0. 98
·8·
有 色 矿 冶 1999 年第 1 期
1. 2 岩石弹性模量测定 岩石应力与应变曲线是研究岩石变形
机制的重要依据。试验采用静态电阻应变测 量法。以压应力为纵座标, 以轴向应变( ∀a) 、 径向应变( ∀c) 为横座标, 可得到压应力- 轴 向应变曲线、压应力- 径向应变曲线。取应 力( ) 轴向应变( ∀a ) 曲线上近于直线段诸点
岩石名称
C( M pa) ! ( 度) 相关系数
12. 24 42° 0. 99
W 13
灰白色硬石膏矿 12. 50 40° 0. 99
14. 25 41° 0. 99
W 14
石膏化白云岩 17. 36 41° 0. 97
12. 07 11. 45 12. 53 21. 94 12. 14 9. 80
岩石抗拉强度是岩石受拉应力作用时, 受拉面上的极限载荷。试验采用劈裂法。根
据弹性力学可知, 在受对径压缩任用的圆盘 中, 在纵向直径平面上作用着几乎等值的拉 应力。圆盘试件在拉应力作用下, 沿加载方 向断裂。岩样破坏面位于纵向平面的为有效 数据。每组岩石试样 5～10 块。仅钙质页岩、 含云母页岩、因层理比较发育, 有效数据 4 ～5 个。各组岩样抗拉强度见表 3。 1. 5 岩石软化系数测定
14%
45～90
4～5
五 泥岩 W8 紫红色泥岩
4%
42
3
C6 六 砂岩
W6
粉砂岩 含海绿石砂岩
7%
65～80
9～12
抗剪强度 C (M pa) ! ( 度)
11～19
39°～42°
7～10 15～21
38°～41°
11～13
32°～40°
8～14
39°～42°
10 18～22
40° 39°～40°
1. 3 岩石单轴抗压强度测定 岩石单轴抗压强度是岩石试件在单向
压应力作用 下, 单位面积 上承受的极限载 荷。每组取试样 5～10 块。每组岩石单试件 抗压强度的算术平均值作为该组岩石的抗 压强度。一般岩石抗压强度值离散性较大, 偏差系数变 化于 15% ～35% 以内, 个别可 达 50% 。因此抗压强度测定所需试样数取 5 块以上。测试结果中的坏值按 Grubbs 准则 剔除。各组岩石抗压强度值见表 3。 1. 4 岩石抗拉强度测定
抗拉强度 ( M pa) 9. 42 6. 74 5. 78 5. 82 3. 48 — — 2. 70 2. 53 2. 54 4. 39 — — —
岩样编号
W4 W7 W8 W9 W 10
表 4 火连寨石膏矿五种岩石软化系数值
岩石名称
钙质页岩 含云母页岩 紫红色泥岩 含云母页岩 泥晶白云岩
干燥抗压强度 ( M pa) 69. 93 59. 65 42. 18 56. 36 39. 29
鲕粒微晶灰岩 花纹状泥晶灰岩 鲕粒亮晶灰岩 钙质页岩 微晶鲕粒灰岩 含海绿石砂岩 含云母页岩 紫红色泥岩 含云母页岩 白云岩 石膏- 硬石膏矿 泥晶白云岩 灰白色硬石膏矿 石膏矿白云岩
表 3 火连寨石膏矿岩石抗压、抗拉强度值
抗压强度 抗拉强度
岩样号 岩石名称
( M pa)
(M pa)
40. 62 43. 61 60. 34 69. 93 68. 36 67. 89
56. 36 39. 29 44. 73
6. 76 2. 08 4. 84
W 21 W 22 W 23
泥质泥晶白云岩 页岩 灰白色硬石膏
29. 14 46. 92 62. 10
8. 21 4. 89 10. 30
W 24 W 25 W 26
泥质泥晶白云岩 紫色泥质白云岩 杂色泥质白云岩
抗压强度 ( M pa) 80. 99 70. 08 87. 89 70. 67 54. 17 60. 95 72. 28 50. 47 43. 66 51. 37 89. 95 118. 46 172. 88 111. 47
岩石软化系数为饱和状态下的极限抗 压强度与干燥状态下的抗压强度之比。试验 中分别测出饱和岩石试件和干燥试件的单 轴抗压强度, 即可求得岩石软化系数。岩石 软化系数如表 4。
1999 年第 1 期 有 色 矿 冶
·9·
岩样号 岩石名称
W1 W2 W3 W4 W5 W6 W7 W8 W9 W 10 W 11 W 12 W 13 W 14
1999 年第 1 期 有 色 矿 冶
·11·
2. 2 火连寨石膏矿岩石的变形特征 岩石变形参数是反映岩体稳定的重要
指标之一。是岩体工程稳定分析和数值模拟 评价的主要 参数, 也是确 定工程岩体加固 ( 支护) 的重要依据。为此测量和分析岩石变
形特征显得十分重要。经归类分析, 火连寨 石膏矿各类岩石变形特征如表 6 所示。从表 6 中看出该矿岩石应力—应变曲线呈现三 种类型。
·10·
有 色 矿 冶 1999 年第 1 期
砂岩、w 14 石膏化白云岩例外, 强度值分别 为 12. 5MP a 和 10. 3M Pa, 岩石抗剪强度内 聚 力( C) 值以 10～15M P a 居多, 内摩擦角 ( ! ) 在 32°～42°之间。比较以上三种岩石强 度, 可明显看出该矿岩石抗压强度> 抗剪强
5. 74 6. 38 5. 54 5. 16 5. 11 12. 59
C6 W 15 W 16 W 17 W 18 W 19
粉砂岩 泥晶灰岩 薄层泥质泥晶灰岩 薄层泥质泥晶灰岩 泥质微晶灰岩 灰白色硬石膏
59. 63 42. 18
5. 23 3. 25
W 20 W 21
泥质泥晶白云岩 泥质泥晶白云岩
2 岩石力学强度试验分析
2. 1 火连寨石膏矿岩石强度特点 该矿岩石可分为六类: 第一灰岩类; 第
二白云岩类; 第三页岩类; 第四石膏矿类; 第
五泥岩类; 第六砂岩类。各类岩石强度特点 见表 5。
该 矿 岩 石 抗 压 强 度 集 中 在 40 ～ 80M Pa, 其 中以 灰岩、石 膏矿 类具有 代表 性。白云岩类根据实测数据结果可分为低 30 ～ 45M Pa, 中 50 ～ 80M Pa , 高 110 ～ 170M P a 三个强度段, 强度范 围变化较大, 最大值与最小值之差达 6 倍。岩石抗拉强度 基本上在 2～8M Pa 以内, 仅 W 6 含海绿石
W1 鲕粒微晶灰岩 W2 花纹状泥晶灰岩
W3 鲕粒亮晶灰岩
W5 一 灰岩
W 15
微晶鲕粒灰岩 泥晶灰岩
29%
40～80
5～6
W 16 薄层泥质泥晶灰岩
W 17 薄层泥质泥晶灰岩
W 18 泥晶微晶灰岩
W 10 W 12 W 14 W 20 二 白云岩 W 21 W 21
白云岩 泥晶白云岩 石膏化白云岩 泥质泥晶白云岩 泥质泥晶白云岩 泥质泥晶白云岩
灰白色硬石膏 14. 58
40° 39° 40° 42° 40° 40°
0. 99 0. 99 0. 99 0. 99 0. 97 0. 99
13. 00 36° 0. 94
W 25
紫色泥质白云岩 21. 01 38° 0. 97
7. 55 41° 0. 99
W 26
杂色泥质白云岩 14. 81 41° 0. 98
线性回归, 其斜率为切线弹性模量( Et ) 。岩 石的泊松比( #) 为同上应力段径向应变( ∀c ) 与轴向应变( ∀a ) 之比。岩石变形试验每组试 样 3～5 块。取每组单个试件弹性模量和泊 松比的算术平均值为该组岩石的弹性模量 和泊松比。岩石的弹性模量和泊松比见表 2。
岩样号
W1 W2 W3 W4 W5 W6 W7 W8 W9 W 10 W 11
岩石名称
鲕粒微晶灰岩 花纹状泥晶灰岩
鲕粒亮晶灰岩 钙质页岩
微晶鲕粒灰岩 含海绿石砂岩
含云母页岩 紫红色泥岩 含云母页岩
白云岩 石膏- 硬石膏矿
表 2 火连寨石膏矿岩石变形参数
弹性模量 泊松比 ( E×104M pa) #
岩样号
岩石名称
7. 74 4. 84 5. 44 4. 60 6. 52 4. 26 2. 74 2. 83 3. 06 3. 24
能力, 是反映岩石力学性质的重要参数。试 验采用变角度剪切法。利用材料试验机施加 垂直载荷, 按变角度剪切模具给定的剪切面 剪断试件。通过静力平衡条件解析剪切面上 所受的法向应力和剪应力。从而绘制法向应 力( ) 和剪切强度( ) 之间的关系曲线, 用统 计学方法求得岩石内聚力( C ) 和内摩擦角 ( )。
1999 年第 1 期 有 色 矿 冶
·7·
火连寨石膏矿岩石力学参数测试与分析
张淑兰
刘剑平
( 东北大学, 沈阳, 110006) ( 东煤沈阳建筑基础公司, 沈阳, 110015)
摘 要 本文概述了火连寨石膏矿 28 组岩样多种力学参数测试方法、原理与过程, 并对测试
结果进行了数据处理, 分析了岩 石力学参数之间的关系, 对岩 石抗压强度与 弹性模 量之间的关系进行了探讨。
40° 40° 42° 39° 32° 40°
0. 99 0. 97 0. 99 0. 98 0. 95 0. 99
W 15 W 16 W 17 W 18 W 21 W 23
泥晶灰岩
16. 59
薄层泥质泥晶灰岩 19. 73
薄层泥质泥晶灰岩 11. 05
泥晶微晶灰岩 11. 30
泥质泥晶白云岩 9. 41
饱和抗压强度 ( M pa) 49. 99 9. 80 6. 76 11. 15 34. 87
软化系数
0. 71 0. 16 0. 16 0. 20 0. 89
从表 4 看出不同岩石软化系数变化颇 大, 尤其是含云母页岩、紫红色泥岩强度降 低在 80% 以上, 施工中应采取降水措施, 以 保证岩土工程的稳定。
度> 抗拉强度。三种岩石强度之间的数量关 系是岩石抗拉强度是抗压强度的 1/ 11, 最 低为 1/ 20, 岩石抗剪强度是抗压强度的 1/ 5, 在 1/ 8～1/ 3 范围内变化。
表 5 火连寨石膏矿岩石强度特点
序号 类别 岩样号 岩石名称
占矿岩 百分比
抗压强度 ( M p a)
抗拉强度 ( M pa)
关键词 应力 岩石强度 弹性模量 离散性
火连寨石膏矿位于本溪市郊。该矿的石 灰岩、石膏是本溪市主要的建筑材料工业基 地。该矿委托我室对其钻探取样的 28 组岩 石进行抗压强度、抗拉强度、抗剪强度、弹性 模量和泊松比、软化系数测定。笔者对测试 结果进行了分析探讨。
1 岩石力学参数的测定
1. 1 岩石抗剪强度测定 岩石抗剪强度是岩石抵抗剪切作用的
各组岩石抗剪强度值见表 1。
岩样号 W1 W2 W3 W4 W5 W6 W7 W8 W9 W 10 W 11
岩石名称 鲕粒微晶灰岩 花纹状泥晶灰岩 鲕粒亮晶灰岩
钙质页岩 微晶鲕粒灰岩 含海绿石砂岩
含云母页岩 紫红色泥岩 含云母页岩
白云岩 石膏- 硬石膏矿
表 1 火连寨石膏矿岩石抗剪参数表
C( M pa) ! ( 度) 相关系数 岩样号
·12·
有 色 矿 冶 1999 年第 1 期
第一种: 弹—塑性曲线 应力—应变曲线开始为直线, 但接近破
坏载荷强度时呈曲线。石灰岩、砂岩、中低强 度的白云岩都有这种变形特征曲线。岩石较 致密但岩性稍软, 开始为弹性变形而后产生 塑性变形直至破坏。