巖石的地質(zhì)本質(zhì)性及其巖石力學(xué)演繹探討
物體的本質(zhì)性指的是物體本身的物理特性及結(jié)構(gòu)而形成的內(nèi)在本性，下面是小編搜集整理的一篇探究巖石地質(zhì)本質(zhì)性及其巖石力學(xué)演繹的論文范文，供大家閱讀參考。
[摘要] 巖石力學(xué)以巖石為主要的研究對象，但其原材料-巖石，卻和其他工程材料有較大區(qū)別，具有較明顯的特殊性，而其主要目標則是探討巖石的力學(xué)性能。文章首先分析了巖石力學(xué)與地質(zhì)力學(xué)之間的關(guān)系，并在此基礎(chǔ)上，從巖石的物質(zhì)性與次生演化方面入手對巖石的地質(zhì)本質(zhì)性進行了研究，再對巖石的力學(xué)本構(gòu)性等特性作了相關(guān)探討，旨在建立一種巖石地質(zhì)學(xué)與石力學(xué)相互認識及深入結(jié)合的知識通道。
[關(guān)鍵字]巖石 地質(zhì)本質(zhì)性 石力學(xué)
引言
巖石是一種經(jīng)過了漫長的地質(zhì)歷史和多種地球動力作用而形成的一種自然造物，并因此具有了其特殊的本質(zhì)性。本文先對巖石力學(xué)與地質(zhì)學(xué)的關(guān)系、巖石的地質(zhì)本質(zhì)性進行了相關(guān)分析，再對巖石力學(xué)本構(gòu)性作了闡述，以期為巖石力學(xué)的進一步發(fā)展提供有利依據(jù)。
1 巖石力學(xué)和地質(zhì)學(xué)的相關(guān)分析
1.1巖石力學(xué)和地質(zhì)學(xué)的學(xué)科關(guān)系分析
巖石力學(xué)該門學(xué)科發(fā)展的研究目標是力學(xué)理論，其研究對象則是巖石。巖石屬于地質(zhì)產(chǎn)物，又稱地質(zhì)體[1]。從廣義上理解巖石力學(xué)，巖石力學(xué)實質(zhì)是力學(xué)和地質(zhì)學(xué)結(jié)合而成的交叉學(xué)科，若從側(cè)重點的角度看，巖石力學(xué)更側(cè)重于力學(xué)和巖石地質(zhì)的結(jié)合。巖石力學(xué)是一門應(yīng)用基礎(chǔ)學(xué)科，其研究任務(wù)主要是巖石的工程建設(shè)及地質(zhì)資源的開發(fā)工程。從巖石力學(xué)的發(fā)展趨勢看，更具深度與廣度的力學(xué)、地質(zhì)學(xué)勢必會和和工程學(xué)科相結(jié)合。所以，地質(zhì)學(xué)一定會變?yōu)閹r石力學(xué)和巖石工程學(xué)科的一門支柱性基礎(chǔ)學(xué)科。
1.2地質(zhì)學(xué)的相關(guān)分析
地質(zhì)學(xué)以地球為研究對象，特別是對地殼的研究，主要研究任務(wù)是對其物質(zhì)組成與結(jié)構(gòu)、形成、演化的地質(zhì)動力作用及其過程進行研究，而地質(zhì)學(xué)的核心研究思路則是地質(zhì)歷史的時空重建，通過以層序與構(gòu)造分析為基礎(chǔ)，采用一些現(xiàn)代的物理化科學(xué)方法、技術(shù)方法，使傳統(tǒng)的地質(zhì)學(xué)科進入到了現(xiàn)代科學(xué)行列[2]。
1.3工程地質(zhì)學(xué)的相關(guān)分析
工程地質(zhì)學(xué)該門學(xué)科的應(yīng)用性較強，主要研究任務(wù)對工程建設(shè)的地質(zhì)條件、出現(xiàn)的問題及治理措施進行研究，重點是對工程的地質(zhì)作用進行研究，包括人類工程活動與地質(zhì)環(huán)境之間的'相互作用與制約。工程地質(zhì)學(xué)的主要學(xué)科領(lǐng)域包括工程地質(zhì)力學(xué)、工程巖土學(xué)、工程環(huán)境地質(zhì)學(xué)、地質(zhì)災(zāi)害學(xué)、資源地質(zhì)工程學(xué)等[3]。
2 巖石的地質(zhì)本質(zhì)性分析
物體的本質(zhì)性指的是物體本身的物理特性及結(jié)構(gòu)而形成的內(nèi)在本性。許多巖石力學(xué)家都認為巖石屬于一種較特殊的材料，而其特殊性主要決定于地質(zhì)本質(zhì)性，同時，巖石還具有演化性。
2.1巖石的物質(zhì)性分析
巖石屬于礦物的結(jié)合體，是由礦物組合而成，而其物質(zhì)性主要由成巖及其演化過程中所形成的礦物組合情況決定。
2.1.1原巖物質(zhì)的相關(guān)分析
巖漿巖屬于原始巖類，而其物質(zhì)組成部分主要是由巖漿的成分決定;同時，因為變質(zhì)巖與沉積巖都是次生巖類，所以巖漿巖也是地殼巖石的基本組成物質(zhì)，常見的造巖礦物包括石英、云母、長石等暗色的礦物，這些造巖礦物的力學(xué)硬度與強度差異較大，其中以石英的強度最高、長石次之，那些暗色且呈鱗片狀或者針狀的礦物，不僅剛度小，強度也較低。礦物力學(xué)特性的差異會對巖石力學(xué)性能造成直接的影響。
在巖石中，較典型的巖漿巖則為花崗巖，該巖石一般含有較多的長石與石英，所占的比例約分別為40%～50%，但暗色礦物一般只占15%左右。不同巖類的礦物由于比例不相同及所含的礦物成分也不盡相同，因此使巖石具有多樣性。沉積巖是次生巖類，其礦物組成是對原巖次生變化以及在沉積前發(fā)生于地面和水面的變化的反映。除了較典型的造巖物以外，巖石中還包括大量的巖類、黏土以及次生蝕變礦物等�；瘜W(xué)沉積巖則主要是碳酸鹽或者其他的巖類組成。同時，變質(zhì)巖也是次生巖類，而淺變質(zhì)巖的組成基本還和原巖一樣，且原巖經(jīng)過高溫作用會出現(xiàn)熔融與再結(jié)晶的現(xiàn)象，最終形成深變質(zhì)巖，常見的如花崗片麻巖。
在巖石的構(gòu)成中，礦物晶體或者原巖顆粒之間一般是由基質(zhì)充填;在結(jié)晶中，其物質(zhì)組成與顆粒相似，但主要是以隱晶或者非晶質(zhì)的物態(tài)呈現(xiàn)出來。在沉積巖中，其充填物主要是泥質(zhì)、硅質(zhì)與鈣質(zhì)，尤以硅質(zhì)最強，泥質(zhì)最軟弱，其中硅質(zhì)與鈣質(zhì)都是堅硬充填物。
因此，巖石在成巖之后其力學(xué)強度便會具有顯著差異，軟弱組分主要是降低巖石的強度，并增大巖石的環(huán)境敏感性，在后期的演化中容易發(fā)生變異。
2.1.2關(guān)于次生演化的相關(guān)分析
在后期的演化過程中，巖石會出現(xiàn)兩種轉(zhuǎn)化情況：①由堅硬組分向軟弱物質(zhì)轉(zhuǎn)化;②由軟弱組分向堅硬物質(zhì)轉(zhuǎn)化，兩者皆屬于原生礦物向次生礦物轉(zhuǎn)化。從巖石工程力學(xué)性能的角度看，重點的考察對象則是巖石軟化。
由上述可知，巖石的物質(zhì)性主要包括礦物的組成與變異。盡管造巖礦物居于主導(dǎo)地位，但從巖石力學(xué)與工程研究的角度看，重點是研究軟弱組分，特別是對粘土化的判定，其中以高嶺石化與蒙脫石化的測定最為重要，而在某些時候，當巖石出現(xiàn)粘土化時，不僅會降低力學(xué)參數(shù)，還會對其均一性造成影響，甚至?xí)淖兞W(xué)的本構(gòu)模型。
2.2巖石結(jié)構(gòu)性的相關(guān)分析
巖石結(jié)構(gòu)性指的是尺度不同的結(jié)構(gòu)體其形態(tài)、排列及相互間的連接特征，是其對巖石力學(xué)特性的影響作出的一種反映[4]。巖石的結(jié)構(gòu)是隨著成巖而形成的，且會在后期的構(gòu)造作用及次生演化中得到強化與確立。巖石的結(jié)構(gòu)一般有原生結(jié)構(gòu)與次生結(jié)構(gòu)之分，而兩種結(jié)構(gòu)的構(gòu)造特點有著較大的區(qū)別，并在后期的演化過程中發(fā)揮著不同的作用。
3關(guān)于巖石力學(xué)本構(gòu)性分析
可以通過兩個不同類型觀點幫助認識巖石本構(gòu)性：其中一個就是不連續(xù)力學(xué)觀點，另外一個是連續(xù)力學(xué)觀點。如果從使用目的方面而言，通常采用斷續(xù)性觀點，因為這一觀點能滿足實際地質(zhì)具有的屬性及本質(zhì)。但是在研究普適性的相關(guān)方法及理論知識方面做得不夠，需要進行深入了解。本文認為從巖石地質(zhì)本質(zhì)性角度進行分析，其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，因此可以選用多元耦合力學(xué)模型幫助表示。在實際中，大部分已有巖石力學(xué)本構(gòu)模型也在不斷嘗試在某一類已有模型前提下將另外一類模型要素添加進來，以便獲得滿足實際需求。 不同巖石，即便是小型的手標本巖石，也會存在差異。對于含有較軟弱的膠結(jié)物，或者是脆性較強的巖質(zhì)顆粒的巖石，在處于風(fēng)化作用或局部蝕變作用下也可含有軟弱性較強的蒙脫石和伊利石等黏土礦物。在應(yīng)變以及應(yīng)力不斷發(fā)展中，該類物質(zhì)結(jié)構(gòu)要素在這一階段中體現(xiàn)出應(yīng)力分布情況不均勻，在出現(xiàn)三個方向的外荷載作用下也會出現(xiàn)拉應(yīng)力以及偏應(yīng)力。若外荷載三個方向不等壓情況時，在巖石中出現(xiàn)拉應(yīng)力、局部偏應(yīng)力強度也會增大。如果外荷載作用達到一定程度時，可以使巖石中一些成分材料出現(xiàn)屈服，導(dǎo)致某部分裂面結(jié)構(gòu)出現(xiàn)滑移、張開情況，此時結(jié)束了全部彈性變形情況。
4 分析巖石物質(zhì)結(jié)構(gòu)情況以及巖石具備的工程力學(xué)性能情況
對巖石形成及演變過程進行綜合分析，并結(jié)合主要形成物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和成分，以及其工程特性，能將工程巖體類型分成3種：層狀巖體類型、節(jié)理狀巖體類型以及碎裂巖體類型[5]。
4.1層狀巖體類型
其是主要表現(xiàn)是層狀沉積巖，組成成分是巖質(zhì)顆粒，因為泥質(zhì)膠結(jié)物質(zhì)含有大量黏土物，所以存在膠結(jié)連接。黏土物質(zhì)分布情況是按照層進行分布，而薄層軟巖則共同組成了軟弱層巖體。其在構(gòu)造作用下會出現(xiàn)褶皺現(xiàn)象，并在已有裂縫情況下繼續(xù)演變，然后出現(xiàn)構(gòu)造斷裂現(xiàn)象，一般為場地的第三和第四級別結(jié)構(gòu)面。很少出現(xiàn)貫穿第一和第二級軟弱結(jié)構(gòu)或是斷裂結(jié)構(gòu)面情況。
4.2節(jié)理狀巖體類型
其主要是結(jié)晶巖類型，組成成分是造巖礦物，存在結(jié)晶連接，具有的軟弱片狀礦物質(zhì)相對比較少，黏土物質(zhì)也比較少。已有裂縫也會在一定基礎(chǔ)情況下繼續(xù)發(fā)展，然后承受一定構(gòu)造作用，并出現(xiàn)小斷層、節(jié)理裂隙情況等，一般為場地的第三、四級結(jié)構(gòu)面，穿過場地的第一、第二級斷裂結(jié)構(gòu)、軟弱面情況比較少，出現(xiàn)淺層演化以及次生演化不強。
4.3碎裂巖體類型
給類型巖體是由層狀巖體、原生塊狀巖體遭受嚴重構(gòu)造作用，或者是遇到嚴重淺層、次生演變情況，從而出現(xiàn)嚴重碎裂情況以及變形現(xiàn)象，使巖石松弛而造成裂隙情況。
5結(jié)論
總之，巖石具備的三大屬性分別是：①物理本屬性;②地質(zhì)本質(zhì)性;③力學(xué)本構(gòu)性。三種屬性類型共同發(fā)揮作用可以幫助更好的深入了解巖石力學(xué)知識，提高工程研究水平。理論上認為巖石力學(xué)學(xué)科屬于一門多種學(xué)科知識相互交叉分布，不僅有合作，還具有分工工作的學(xué)科。因此，地質(zhì)學(xué)者需要重視巖石具有的地質(zhì)本質(zhì)性方面內(nèi)容，另一方面也不能忽視物理本屬性以及力學(xué)本構(gòu)性方面內(nèi)容的研究。如果巖石力學(xué)研究者可以了解及掌握更多巖石地質(zhì)特征知識，并進行綜合分析，能幫組更好建立本構(gòu)模型，以及進行力學(xué)參數(shù)的選擇工作，以便達到符合工程需要的相關(guān)要求。在自然資源開發(fā)工作中以及基礎(chǔ)工程建設(shè)施工中都會應(yīng)用到巖石力學(xué)，所以其需要融匯多種不同學(xué)科知識才能很好的完成整個工作流程。
參考文獻
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