岩石的破裂方式及剪裂角分析

如题所述

岩石在外力作用下抵抗破坏的能力称为强度。同一岩石的强度极限值,在不同性质的应力作用下差别很大(如表3-1)。一般来说,岩石的抗压强度约为抗张强度的30倍,为抗剪强度的10倍。岩石受力发生断裂的方式有张裂和剪裂两种形式。

张裂是在外力作用下,当张应力达到或超过岩石的抗张强度时,在垂直于主张应力轴的方向上产生的断裂。剪裂是岩石受力时,大致沿最大剪应力作用面发生的断裂,此时的最大剪应力也达到或超过岩石的抗剪强度。

从理论上分析,剪裂将沿着最大剪应力作用面发生,即剪裂面与σ1呈45°相交,但岩石力学实验和野外观察表明,剪裂面与σ1夹角总小于45°。因此,一对共轭剪裂面形成一对锐角和钝角。我们将剪裂面与σ1所夹锐角称为剪裂角(θ),将共轭剪裂面所夹锐角叫共轭剪裂角(2θ)。

表3-1 常温常压下,一些岩石的强度极限

注:括号为强度范围。 (据徐开礼、朱志澄,1989)

图3-12 剪切破裂时的莫尔圆图解(据徐开礼、朱志澄,1989)

剪裂角小于45°,说明剪裂面并没有沿着最大剪应力作用面发生,这是因为岩石发生剪切破裂不仅与该面上剪应力大小有关,还与该面上的正应力有关。库仑经过实验得出:

τ=τo+μσn

式中:τ为剪切破裂面的抗剪强度;τo为当σn=0时岩石的抗剪强度,又称内聚力;σn是破裂面上的正应力;μ是内摩擦系数,即为上式中直线的斜率,如果直线与坐标横轴所夹锐角为φ,则μ=tanφ。φ称为岩石的内摩擦角。因此,上式可写为:

τ=τontanφ

进行单轴压缩实验,将破裂时应力状态用摩尔圆表示于图3-12。该圆与剪切破裂线相切于D和E点。D和E点的横坐标和纵坐标分别代表剪切破裂面上的正应力和剪应力。从图中可以看出:当岩石发生剪切破裂时,剪裂面由于最大主应力轴的夹角(剪裂角)θ=45°-φ/2,共轭剪裂角2θ=90°-φ。因此剪裂角和共轭剪裂角的大小取决于岩石的内摩擦角φ。

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