岩石力学性质讲解
工程地质学-第二章 岩石的工程地质性质-2-岩石的力学性质
3.影响单轴抗压强度的主要因素
（1）承压板端部的摩擦力及其刚度（加垫块的依据） （2）试件的形状和尺寸
形状：圆形试件不易产生应力集中，好加工 尺寸：大于矿物颗粒的10倍； φ50的依据 高径比：研究表明；h/d≥(2－3)较合理 （3）加载速度 加载速度越大，表现强度越高(见图2－5) 我国规定加载速度为0.5 －1.0MPa/s （4）环境 含水量：含水量越大强度越低；岩石越软越明 显，对泥岩、粘土等软弱岩体，干燥强度是饱和强度的2 －3倍。 温度度：180℃以下部明显：大于180℃，湿度 越高强度越小。
三、岩石的抗拉强度
1. 定义：岩石试件在受到轴向拉应力后其试件发生破坏时 的单位面积上所受的拉力。
2. 直接拉伸法
抗拉强度
Rt P / A
关键技术
①试件和夹具之间的连接
②加力P与试件同心
四、岩石的抗剪强度
1. 定义
指一定的应力条件下（主要指压应力），所能抵抗
的最大剪应力常用 表示
2. 类型：
a.抗剪断试验
3、水楔作用：当两个矿物颗粒靠得很近，有水分子补 充到矿物表面时，矿物颗粒利用其表面吸引力将水分子 拉到自己周围，在颗粒接触处由于吸引力作用使水分子 向两个矿物颗粒之间的缝隙内挤入，这种现象称为水楔 作用。
根据破坏时的应力类型，岩石的破坏可有拉破坏、剪 破坏和流动破坏三种基本类型。由于受力状态和破坏形式 的不同，岩石的强度又可分为单轴抗压强度、单轴抗拉强 度、抗剪强度和三轴压缩强度等。
一、岩石的变形性质
1.岩石在单轴压缩应力作用下的变形特性 1)普通试验机下 应力－应变曲线形状与 岩性有关。 (1)典型的岩石应力、应 变曲线特征为： Ⅰ.压密阶段 Ⅱ.弹性变形至微破裂稳 定发展阶段 Ⅲ.非稳定破裂发展阶段 （或称累进性破裂阶段） Ⅳ.破坏后阶段
《岩体力学》第六章岩体的力学性质
图6.1 岩体的压力--变形曲线第六章 岩体的力学性质岩体的力学性质包括岩体的变形性质、强度性质、动力学性质和水力学性质等方面。
岩体在外力作用下的力学属性表现出非均质性、非连续、各向异性和非弹性。
岩体的力学性质取决于两个方面： 1）受力条件；2）岩体的地质特征及其赋存环境条件。
其中地质特征包括岩石材料性质、结构面的发育情况及性质（影响岩体的力学性质不同于岩块的本质原因）；赋存环境条件包括天然应力和地下水。
第一节 岩体的变形性质一、 岩体变形试验及其变形参数确定变形参数包括变形模量和弹性模量。
按静力法得到静E ，动力法得到动E 。
⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎧⎩⎨⎧⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧法波地震声波法动力法轴压缩试验法双单水压洞室法钻孔变形法扁千斤顶法狭缝法承压板法静力法按原理和方法分原位岩体变形试验)()()( )(1．承压板法刚性承压板法和柔性承压板法 各级压力P －W （岩体变形值）曲线 按布西涅斯克公式计算岩体的变形模量E m （Mpa ）和弹性模量E me （Mpa ）。
⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧-=-=e m mem m W W PD E W W PD E )1()1(22μμ式中：P —承压板单位面积上的压力（Mpa ）； D —承压板的直径或边长（cm ）；W，W e—为相应P下的总变形和弹性变形；ω—与承压板形状、刚度有关系数，圆形板ω=0.785，方形板ω=0.886。
μm—岩体的泊松比。
★定义：岩体变形模量（E m）：岩体在无侧限受压条件下的应力与总应变之比值。
岩体弹性模量（E me）：岩体在无侧限受压条件下的应力与弹性应变之比值。
图6.2 钻孔变形试验装置示意图②可以在地下水位以下笔图6.3 狭缝法试验装置如图6.3所示。
二、岩体变形参数估算现场原位试验费用昂贵，周期长，一般只在重要的或大型工程中进行，因此，岩体变形参数的很多情况下必须进行估算。
两种方法：① 现场地质调查→建立适当的岩体地质力学模型→室内小试件试验资料→进行估算； ② 岩体质量评价和大量试验资料→建立岩体分类指标与变形参数间的经验关系→进行估算。
岩石力学性质
第一章岩石的力学性质岩石和岩体的力学性质，是矿山岩体力学的大体问题。
岩石的力学性质主要指：在各类载荷作用下，它们的变形特征，出现塑性流动和发生破坏的条件。
表征岩石力学性质的参数如下：变形参数：岩石的变形摸量，弹性摸量，切变摸量，泊松比和流变性等。
强度特性参数：岩石抗拉，抗弯，抗煎，抗压等各类强度极限。
第一节、岩石的成份及结构与其力学性质的关系岩石是多种矿物颗粒的集合体。
岩石一般有下列十余中主要矿物组成，即长石(正长石、斜长石)、石英、云母(黑云母、白云母)、角闪石、辉石、橄榄石、方解石、白云石、高岭土、赤铁矿等。
它们在矿石中的含量按岩石成因此异。
岩层按成因分类为：岩浆岩—系由岩浆在地壳内不同深度冷凝而成；沉积岩—是由已有岩体经风化、崩溃、搬迁、再胶结或化学作用而形成；变质岩—则由已有岩石在高温高压条件下通过改变而形成的。
大体概念(1)、岩石的结构：岩石的矿物颗粒的大小、形状、表面特征、颗粒彼此关系、胶结类型等特征。
(2)、岩石的构造：岩石的组成部份在定向的排列情形。
如层面、断层（几何特征）。
晶体结构是岩浆岩和变质岩的最大特征，也是很多沉积岩的特征。
(3)、矿物的晶体：组成矿物的各类化学元素的原子（离子）在空间必然规律排列，使其具有规则的几何形状的固体称为晶体。
(4)、矿物的晶体的结构类型：等粒结构，不等粒结构，斑状结构。
图1-1是典型晶体结构类型岩浆岩和变质岩的晶体结构与岩石力学性质的关系：晶粒细小，等粒状，岩石强度大。
颗粒大的斑状结构晶体内部或晶粒间含有缺点，岩石强度低。
沉积岩的结构与力学性质的关系沉积岩中的岩石碎屑之间由胶结物将连结在一路。
其力学性质取决于胶结物和胶结类型。
图1-2基质胶结：岩石碎屑被胶结物包围，强度取决于胶结物。
接触胶结：仅颗粒接触处有胶结物，胶结不牢，强度低，透水性强。
孔隙胶结：胶结物完全成部份地充填与颗粒孔隙之间。
胶结牢固，所以岩石强度和透水性主要由胶结物性质及充填程度肯定。
3岩石力学性质及强度解析
一些典型的破坏形态
岩石的变形特性，根据其破坏特征，可以分为弹 性、弹塑性、塑性、粘性等(粘性又可分为粘弹性 和粘塑性)等。
§3-2 岩石的变形特性
弹性：指物体在外力作用下发生变形，当外力撤出后变形
能够恢复的性质。
塑性：指物体在外力作用下发生变形，当外力撤出后变形 不能恢复的性质。 脆性：物体在外力作用下变形很小时就发生破坏的性质。 延性：物体能够承受较大的塑性变形而不丧失其承载能力
瓦威尔西克（Wawer Sik,1968）对岩石开始宏观破坏 后的性态做了仔细研究，所得结果如图所示。
类型1：试件仍有一定的强度。要使试件进一步破坏，试验机必须进 一步作功，这种类型为稳定破坏型。应力－应变曲线的破坏后区斜率 为负。这种类型为稳定破坏型；（孔隙率大的沉积岩和部分结晶岩） 类型2：试件受力达到其极限强度以前储存的弹性变形能就足以使试 件完全破坏，不但不需要试验机进一步作功，还要逐步卸载，才能作 出破坏后区应力－应变曲线。应力－应变曲线的破坏后区斜率为正。 这种类型为非稳定破坏型；（细粒结晶岩）
小 结：
1．无论岩石在什么状态的应力条件下( 压、拉、剪、弯、扭)，其破坏形式基本上只 有两种：拉伸和剪切。 2． 三向等压>三向不等压>双向压>单向 压>剪切(包括扭转)>弯曲>单向拉伸；
3．从试验数量来看，单向压缩试验、 圆盘劈裂试验最多。
岩石的破坏形式
就其破坏本质而言，岩石破坏有以下三种类型： 1、拉破坏 2、剪切破坏 3、塑性流动破坏
1 与 主 应 力 差 ( σ 1-
σ 3) 的关 系 曲 线 表 示 。
围压对岩石变形的影响
图2－6 三轴应力状态下大理岩的应力－应变曲线
围压对岩石刚度的影响
岩石的物理力学性质
nb Vnb 100% V
(3)小开空隙率nl:即岩石试件内小开型空隙的体积（Vnl) 占试件总体积(V)的百分比。
nl Vnl 100% V
(4)总开空隙率（孔隙率）n0: 即岩石试件内开型空隙的 总体积（Vn0)占试件总体积(V)的百分比。
cf ） , 以
此强度下降值与融冻试验前的抗压强度 σ c之比的百
c cf Cf 100% c
可见：抗冻系数Cf 越小，岩石抗冻融破坏的能力越强。
7.岩石的碎胀性
岩石破碎后的体积VP 比原体积 V增大的性能称为岩石
的碎胀性，用碎胀系数ξ 来表示。
VP V
碎胀系数不是一个固定值，是随时间而变化的。 永久碎胀系数（残余碎胀系数）――不能再压密时 的碎胀系数称为永久碎胀系数.
岩石的软化性是指岩石在饱水状态下其强度相对 于干燥状态下降低的性能，可用软化系数η 表示。
软化系数指岩石试样在饱水状态下的抗压强度
σ
cb与在干燥状态下的抗压强度σ c之比，即
cb c c
各类岩石的η c=0.45～0.9之间。 η η
c c
Байду номын сангаас
>0.75,岩石软化性弱、抗水、抗风化能力强； <0.75，岩石的工程地质性质较差。
1 与 主 应 力 差 ( σ 1-
σ 3) 的关 系 曲 线 表 示 。
反复加卸载对岩石变形的影响
围压对岩石变形的影响
三轴应力状态下大理岩的应力－应变曲线
围压对岩石刚度的影响
砂岩：孔隙较多，岩性较软， σ3增大，弹性模量变大。 辉长岩：致密坚硬， σ3增大，弹性模量几乎不变。
岩石力学知识点总结
岩石力学知识点总结一、岩石的力学性质岩石的力学性质是指岩石在外力作用下的响应和变形规律，包括抗压强度、抗拉强度、抗剪强度、弹性模量等。
这些性质对于工程设计和地质灾害的防治非常重要。
岩石的力学性质受到多种因素的影响，包括岩石的成分、结构、孔隙度、水分含量等。
1. 抗压强度抗压强度是指岩石在受到垂直方向外力作用下的抵抗能力。
岩石的抗压强度可以通过实验或者间接方法来进行测定，通常以MPa为单位。
抗压强度受到岩石成分和密度的影响，通常晶体颗粒越大、结晶度越高的岩石其抗压强度越高。
2. 抗拉强度抗拉强度是指岩石在受到拉伸力作用下的抵抗能力。
通常岩石的抗拉强度远远低于其抗压强度，因为岩石在自然界中很少受到拉力的作用。
抗拉强度常常通过实验来进行测定，其数值对于岩石的岩石工程设计和地质灾害防治具有重要意义。
3. 抗剪强度抗剪强度是指岩石在受到切割或者剪切力作用下的抵抗能力。
岩石的抗剪强度与其结构和组成有关，一般来说，岩石中存在着一定的位移面和剪切面，这些面的摩擦和滑移对于岩石的抗剪强度产生了重要的影响。
4. 弹性模量弹性模量是指岩石在受到外力作用下的弹性变形能力。
弹性模量也叫做“模量”，其数值越高，说明岩石在受到外力作用下的变形越小。
弹性模量对于岩石的岩石工程设计和地质灾害防治具有重要的意义。
二、岩石的变形和破坏规律岩石在受到外力作用下会发生变形和破坏，其变形和破坏规律对于地质工程的设计和地质灾害的防治具有重要的意义。
岩石的变形和破坏规律受到多种因素的影响，包括岩石的力学性质、结构、孔隙度、水分含量等。
1. 岩石的变形规律岩石在受到外力作用下会发生变形，其变形规律通常表现为弹性变形、塑性变形和破坏。
弹性变形是指岩石在受到外力作用后能够恢复原状的变形，塑性变形是指岩石在受到外力作用后不能够恢复原状的变形，破坏是指岩石在受到外力作用后达到极限状态，无法继续承受力的作用。
2. 岩石的破坏规律岩石在受到外力作用下会发生破坏，其破坏规律通常表现为压缩破坏、拉伸破坏和剪切破坏。
岩石的岩石的力学性质
岩石的1岩石的力学性质－岩石的变形岩石的强度：岩石抵抗外力作用的能力，岩石破坏时能够承受的最大应力。
岩石的变形：岩石在外力作用下发生形态（形状、体积）变化。
岩石在荷载作用下，首先发生的物理力学现象是变形。
随着荷载的不断增加，或在恒定载荷作用下，随时间的增长，岩石变形逐渐增大，最终导致岩石破坏。
岩石变形过程中表现出弹性、塑性、粘性、脆性和延性等性质。
▪ 1.5岩石变形性质的几个基本概念▪1）弹性(elasticity)：物体在受外力作用的瞬间即产生全部变形，而去除外力(卸载)后又能立即恢复其原有形状和尺寸的性质称为弹性。
▪弹性体按其应力－应变关系又可分为两种类型：▪线弹性体：应力－应变呈直线关系。
▪非线性弹性体：应力—应变呈非直线的关系。
▪2）塑性（plasticity）：物体受力后产生变形，在外力去除（卸载）后变形不能完全恢复的性质，称为塑性。
▪不能恢复的那部分变形称为塑性变形，或称永久变形，残余变形。
▪在外力作用下只发生塑性变形的物体，称为理想塑性体。
▪理想塑性体，当应力低于屈服极限时，材料没有变形，应力达到后，变形不断增大而应力不变，应力－应变曲线呈水平直线.▪3）黏性(viscosity):物体受力后变形不能在瞬时完成，且应变速率随应力增加而增加的性质，称为粘性。
▪应变速率与时间有关，－>黏性与时间有关▪其应力－应变速率关系为过坐标原点的直线的物质称为理想粘性体（如牛顿流体），▪4）脆性(brittle):物体受力后，变形很小时就发生破裂的性质。
▪5）延性(ductile):物体能承受较大塑性变形而不丧失其承载力的性质，称为延性。
▪ 1.7岩石变形指标及其确定▪岩石的变形特性通常用弹性模量、变形模量和泊松比等指标表示。
3）全应力－应变曲线的工程意义▪①揭示岩石试件破裂后，仍具有一定的承载能力。
▪②预测岩爆。
▪若A>B，会产生岩爆▪若B>A，不会产生岩爆▪③预测蠕变破坏。
▪当应力水平在H点以下时保持应力恒定，岩石试件不会发生蠕变。
岩石力学性质讲解
2）塑性变形
? y为屈服应力。 变形特征： 产生永久
变形，当应力消除后
部分复原，大部分保
?y
留变形时的状态。
3）断裂变形
同一岩石的强度，在不同方式的力的 作用下差别很大。
》
常温常压下岩石表现为脆性破裂 高温高压下岩石表现为韧性变形
4）流动变形 变形特征：象牛顿流体
?
（蜂蜜体. ）一样发生流 动变形，应力越大，流
（三）断裂变形：外力达到强度极限时，岩石失去完整形状， 并产生破坏现象的变形。 *强度极限 ——在外力作用下固体物质抵抗破坏的能力 （抗破能力）
（四）脆性变形：在破坏前不出现或很少出现塑性变形的变 形。
（五）韧性变形：在破坏前出现了显著塑性变形的变形。
第一节 岩石力学性质的基本概念
三轴应力条件下的岩石力学实验
松弛：
部分变形成为永久变形，降低了岩石的弹性极限。
第三节 岩石的能干性
? 能干性：用来描述岩石变形行为相对差异。
? 能干的：强的、粘度大的、不易流动的 ? 不能干的：弱的、粘度小的、易流动的
岩石能干性
? 反映岩石变形程度的差异，近似可以用粘度的大小来说明。
岩石能干性差异估测：
前提：在相同的构造变形环境下：
同一岩性的岩石由于 层理或次生面理 的发 育，造成岩石力学性质的各向异性。
? 如：层状岩石受压形成褶皱，块状则不易 形成褶皱。
三、围压对岩石力学性质的影响
?在低围压 下，岩石表现为 脆性，在弹性变形或发生少量的塑性变形后立即破坏； ?在围压超过 20MPa 时，在宏观破裂之前所达到的应变增加的非常明显，岩石表现为 ?随着围压的增高，岩石的屈服极限、强度和韧性也大大提高。
第二章岩石的基本物理力学性质
ms——岩石固体的质量。
试验方法：105~110℃烘24h。
1.岩石的密度
（4）重力密度：单位体积中岩石的重量，简称重度。 由密度乘上重力加速度而得，单位kN/m3。
♪工程中应用最广泛的参数之一，不仅反映了岩石的致 密程度，还可计算岩体的自重应力。
2.岩石的颗粒密度
岩石固体物质的质量与固体的体积之比。(比重瓶)
二、岩石的孔隙性 反映裂隙发育程度的指标
1.孔隙比 e VV / Vs VV——孔隙体积（水银充填法求出）
2.孔隙率
n VV 100% V
V=Vs+VV
e~n关系
e VV Vs
VV / V Vs / V
VV V
V VV V
n 1 n
n 1 d s
三、岩石的水理性质
1.岩石的含水性质
(1)含水率：岩石孔隙中含水量mW与固体质量之比的百分数
具有侧向约束的试件浸入水中，使岩石试件仅产生轴向 膨胀变形而求得的膨胀率。
VHP
H HP H
100%
3、膨胀压力：岩石试件浸水后，使试件保持原有体积所 施加的最大压力。
五、岩石的抗冻性
Kf
Rf Rs
Kf—抗冻性系数； Rf—岩石冻融后的饱和单轴抗压强度； Rs—岩石冻融前的饱和单轴抗压强度。
冻融条件下强度损失原因： 1.各种矿物的膨胀系数有差异； 2.空隙中的水结冰，体积增大。
（3）岩石的膨胀性(含有粘土矿物的岩石)
——评价膨胀性岩体工程的稳定。
1、自由膨胀率 —无约束条件下，浸水后膨胀变形与原尺寸之比。
轴向自由膨胀
VH
H H
100%
（%）H——试件高度
径向自由膨胀
VD
岩石物理力学性质
1 岩石的物理力学性质岩石是由固体相、液体相和气体相组成的多相体系。
理论认为，岩石中固体相的组分和三相之间的比例关系及其相互作用决定了岩石的性质。
在研究和分析岩石受力后的力学表现时，必然要联系到岩石的某些物理性质指标。
岩石物理性质：岩石由于其固体相的组分和三相之间的比例关系及其相互作用所表现出来的性质。
主要包括基本物理性质和水理性质。
岩石在受到外力作用下所表现出来的性质称为岩石的力学性质。
岩石的力学性质主要有变形性质和强度性质，在静荷载和动荷载作用时，岩石的力学性质是有所不同的，表现在性质指标的差异上。
岩石的物理力学性质通常通过岩石物理力学性质测试才能确定。
1.1 岩石的基本物理性质指标反映岩石组分及结构特征的物理量称为岩石的物理性质指标，这里主要是指一些基本属性：密度、比重、孔隙性、水理性等。
反映了岩石的组分和三相之间的比例关系。
为了测定这些指标，一股都采用岩样在室内作试验，，必要时也可以在天然露头上或探洞(井)中进行现场试骀。
在选用岩样时应考虑到它们对所研究地质单元的代表性并尽可能地保持其天然结构。
最好采用同一岩样逐次地测定岩石的各种物理性质指标。
下面分述各种物理性质指标。
1.1.1 岩石的密度和重度(容重)1、定义密度：单位体积岩石(包括岩石内空隙体积在内)所具有的质量。
重度(容重)：单位体积岩石所受的重力。
2、计算式 密度：VM =ρ(g/cm 3，t/m 3) 容重度：VMg V W ==ρ(kN/m 3) 密度与重度的关系：γ=ρg 。
上述各式中，M —岩石质量；W —岩石重量；V —岩石体积(包括空隙在内)；g 为重力加速度，g=9.8m/s 2，工程上一般取10m/s 2。
密度与容重的种类：天然密度ρ、干密度ρd 、饱和密度ρsat 。
天然密度与干密度的关系：ρ=ρd (1+0.01ω)(ω为含水率，以百分数计)。
3、影响因素影响岩石密度大小的因素：矿物成分、孔隙及微裂隙发育程度、含水量。
石油工程岩石力学
石油工程岩石力学石油工程岩石力学是石油工程领域中的一个重要分支，它涉及到岩石在石油开采和开发中的应力变形特性、岩石破坏机理、岩石力学参数等方面的理论和实验研究。
岩石力学研究的最终目标是为石油开采提供可靠的技术支撑。
一、岩石的力学性质在石油工程领域中，岩石是非常重要的一个研究对象。
岩石的力学性质是岩石力学研究的核心，主要包括力学性质、物理性质和工程性质等方面。
1.力学性质岩石的力学性质包括弹性模量、剪切模量、泊松比和强度等。
其中，弹性模量表示了岩石在受力时的弹性变形程度，剪切模量表示了岩石受到剪切应力时的抗剪能力，泊松比表示了岩石在受到应力时体积变化与形变变化的比值，强度则是岩石耐受破坏的极限应力。
2.物理性质岩石的物理性质包括密度、孔隙度、渗透性、热传导性、电导率等方面。
这些性质对于岩石的开采和开发非常重要。
例如，密度和孔隙度可以用来计算岩石的体积和储量，渗透性可以评估岩石中流体的运移特性，热传导性和电导率可以用来预测岩石下的油气储层的温度和电磁性质。
3.工程性质岩石的工程性质包括可塑性、变形能量、破坏模式和采油性能等方面。
这些性质对于岩石的开采和开发技术具有实际意义。
例如，可塑性可以评估岩石的塑性变形特性，变形能量可以评估岩石的变形能力，破坏模式可以指导岩石开采中的破裂预测和控制，采油性能可以指导油气的生产和提高开采效率。
二、岩石力学参数的测定岩石力学参数的测定是岩石力学研究中的关键问题之一，它关系到研究的可靠性和成果的实用性。
岩石力学参数的测定方法包括试验室测定和现场测定两种。
1.试验室测定试验室测定是一种传统的岩石力学参数测定方法，它包括标准试验和特殊试验两种。
标准试验包括压缩试验、引张试验和剪切试验等，通过标准试验可以获得岩石的弹性模量、剪切模量、泊松比和强度等力学参数。
特殊试验包括三轴试验、比较试验、应力波传播试验等，可以获得岩石的动态特性及其耐久性等参数。
2.现场测定现场测定是一种新兴的岩石力学参数测定方法，可以直接获取岩石在地质环境下的实际力学参数。
岩石的物理力学性质讲解
岩石的基本物理力学性质是岩体最基本、 最重要的性质之一，也是岩石力学学科中研究最 早、最完善的内容之一。
一、岩石的物理性质
岩石由固体，水，空气等三相组成。 (一) 密度（ρ ）和重度(γ )： 单位体积的岩石的质量称为岩石的密度。单位体积的岩
石的重力称为岩石的重度。所谓单位体积就是包括孔隙体积 在内的体积。
W （g/cm3），γ ＝ρ g(kN /m3)
V 岩石的密度可分为天然密度、干密度和饱和密度。 相应地，岩石的重度可分为天然重度、干重度和饱和重度 。
1、天然密度（ρ ）和天然重度（γ ）
指岩石在天然状态下的密度和重度。
W
V
g
（g/cm3） (kN /m3)
式中：W――天然状态下岩石试件的质量(g；) V——岩石试件的体积(cm3)； g——重力加速度。
三、岩石的主要力学性质
岩石的变形和强度特性 弹性：指物体在外力作用下发生变形，当外力撤出后变形能 够恢复的性质。 塑性：指物体在外力作用下发生变形，当外力撤出后变形不 能恢复的性质。 脆性：物体在外力作用下变形很小时就发生破坏的性质。 延性：物体能够承受较大的塑性变形而不丧失其承载能力的 性质。 粘性（流变性）：物体受力后变形不能在瞬间完成，且应变 速度（dε /dt）随应力大小而变化的性质。
A
（m3/s）
dh —水头变化率(水力梯度）； dx
qx——沿x方向水的流量；h——水头高度； A——垂直x方向的截面面积；k——渗透系数。
3、岩石的软化性
岩石的软化性是指岩石在饱水状态下其强度相对
于干燥状态下降低的性能，可用软化系数η 表示。
软化系数指岩石试样在饱水状态下的抗压强度
常见岩石及力学性质
常见岩⽯及⼒学性质虽然岩⽯的⾯貌是千变万化的，但是从它们形成的环境，也就是从成因上来划分，可以把岩⽯分为三⼤类：沉积岩、岩浆岩和变质岩。
1、沉积岩 沉积岩是在地表或近地表不太深的地⽅形成的⼀种岩⽯类型。
它是由风化产物、⽕⼭物质、有机物质等碎屑物质在常温常压下经过搬运、沉积和⽯化作⽤，最后形成的岩⽯。
沉积岩的物质来源主要有⼏个渠道，风化作⽤是⼀个主要渠道，它包括机械风化、化学风化和⽣物风化。
机械风化是以崩解的⽅式把已经形成的岩⽯破碎成⼤⼩不同的碎屑；化学风化是由于⽔、氧⽓、⼆氧化碳引起的化学作⽤使岩⽯分解形成碎屑；细菌、真菌、藻类等⽣物风化作⽤也能分解岩⽯。
此外，⽕⼭爆发喷射出⼤量的⽕⼭物质也是沉积物质的来源之⼀；植物和动物有机质在沉积岩中也占有⼀定⽐例。
不论那种⽅式形成的碎屑物质都要经历搬运过程，然后在合适的环境中沉积下来，经过漫长的压实作⽤，⽯化成坚硬的沉积岩。
2、岩浆岩 岩浆岩也叫⽕成岩，是在地壳深处或在上地幔中形成的岩浆，在侵⼊到地壳上部或者喷出到地表冷却固结并经过结晶作⽤⽽形成的岩⽯。
因为它⽣成的条件与沉积岩差别很⼤，因此，它的特点也与沉积岩明显不同。
在野外观察，沉积岩常具有成层构造，层状构造是沉积岩所独有的特征。
⽽在岩浆岩发育的地区则常常见到节理，⽽基本上看不到层理；在矿物组合上，在岩浆岩中出现的矿物，如橄榄⽯、辉⽯、⾓闪⽯等矿物是在⾼温⾼压条件下结晶形成的，在常温常压条件下不容易保存.3、变质岩 在地壳形成和发展过程中，早先形成的岩⽯，包括沉积岩、岩浆岩，由于后来地质环境和物理化学条件的变化，在固态情况下发⽣了矿物组成调整、结构构造改变甚⾄化学成分的变化，⽽形成⼀种新的岩⽯，这种岩⽯被称为变质岩。
变质岩是⼤陆地壳中最主要的岩⽯类型之⼀。
在变质岩的概念中，有两点必须强调，这是变质岩区别于沉①⽕成岩也称岩浆岩。
来⾃地球内部的熔融物质，在不同地质条件下冷凝固结⽽成的岩⽯。
当熔浆由⽕⼭通道喷溢出地表凝固形成的岩⽯，称喷出岩或称⽕⼭岩。
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（四）脆性变形：在破坏前不出现或很少出现塑性变形的变 形。
（五）韧性变形：在破坏前出现了显著塑性变形的变形。
第一节 岩石力学性质的基本概念
三轴应力条件下的岩石力学实验
六、影响岩石力学性质的时间因素
1. 应变速率 1）高速——脆性破坏：陨石碰撞、地震 2）低速——韧性破坏：山脉
2．蠕变：在恒定应力作用下，应变随时间增加而 持续增长的变形。
外力恒定
1）短期作用—不见效果； 滴水穿石
2）长期作用—可见显著影响；
3．松弛：在恒定变形情况下，岩石中的应力随时 间不断减小的现象。
剪裂的发生与岩石中原有随机分布 的微细张性裂隙相关，是初始微细张裂 在扩张过程中逐渐趋于定向排布，并最 终贯通形成剪裂结果。
由实验观察到的花岗岩破坏过程示意图 (A)、(B)初始张裂隙的出现；(C)、(D)在更强的差应力作用下初
始张裂隙发展为强裂的剪切应变带，形成岩石的剪切破裂。 （图的上下方向为最大主压方向）
三轴压力机
常规三轴实验
第一节 岩石力学性质的基本概念
1. 岩石变形强度的图解表示法
应力－应变曲线
2、岩石变形行为
• 弹性变形 • 塑性变形 • 破裂变形 • 流动变形
1）弹性变形：胡克定律
= Ee
其中：E为弹性模量或杨氏模量，e为应变量。
变形特征：象弹簧一样发生变形。当应力 消失后，材料完全复原到未变形状态。
颗粒边界滑动：
T>0.5Tm，扩散速率能够 及时调节由于晶粒相互滑 动产生的空缺或叠复
—— 超塑性流动。
第五节 岩石断裂准则
• 断裂：由于外力作用在物体中产生的介质不 连续面。
• 产生的因素：
① 应力状态，即临界应力状态或极限应力状态； ② 材料力学性质。
• 断裂准则或断裂条件：在极限应力状态下， 各点极限应力分量所应满足的条件。
第四节 岩石变形的微观机制
• 脆性变形机制
微破裂作用、碎裂作用、碎裂流
• 塑性变形机制
晶内滑动、位错滑动、位错蠕变…
一、微破裂作用、碎裂作用、碎裂流
1.微破裂：应力集中
因素： ① 不同热膨胀系数的矿物组成的岩石经历温度的
变化； ② 变化过程中相邻颗粒点接触部位的相互楔入； ③ 矿物包裹体或空隙尖端受应力作用； ④ 颗粒内的位错和双晶运动不足以调节应变；
•大部分岩石的剪裂角在30°左右。
三、抛物线型莫尔包络线理论 （王维襄断裂准则）
方程： 主应力：
剪裂角：
或
三、抛物线型莫尔包络线理论 （王维襄断裂准则）
剪裂角与
及各点的
应力状态有关。
从野外地质调查与室内物 理模拟实验结果来看：王 维襄断裂准则更接近实际 断裂情况。
四、格里菲斯断裂准则 （抛物线型）
一、岩石本身的影响因素
1.成分：
玄武岩、石英岩 ——弹性
灰岩、泥灰岩 ——弹塑性
泥岩、页岩
——塑性
一、岩石本身的影响因素
2.结构： 粗粒——强度小 细粒——强度大
3.构造： 层状——在变形过程中具各向异性变形特点 非层状——在变形过程中具各向同性变形特点
二、各向异性对岩石力学性质的影响
同一岩性的岩石由于层理或次生面理的发 育，造成岩石力学性质的各向异性。
实验岩石学研究表明：
• 当所施加的应力强度等于或超过岩石抗 张强度或抗剪强度极限时，岩石体就发 生断裂变形。
• 破裂方式：一组张性破裂面和两组剪性 破裂面。
• 剪裂角：剪裂面与最大主压应力轴之间 的夹角。
剪 裂 面 与 最 大 主 压 （库伦断裂准则）
• 如：层状岩石受压形成褶皱，块状则不易 形成褶皱。
三、围压对岩石力学性质的影响
•在低围压下，岩石表现为脆性，在弹性变形或发生少量的塑性变形后立即破坏； •在围压超过20MPa时，在宏观破裂之前所达到的应变增加的非常明显，岩石表现为韧性； •随着围压的增高，岩石的屈服极限、强度和韧性也大大提高。
四、温度对岩石力学性质的影响
nn＋2T0 其中：T0为单轴抗张强度。
• 莫尔包络线：材料破坏时的各种极限应力状 态应力圆的公切线。（破坏曲线）
• 判别条件：应力圆与莫尔包络线相切，破裂
特例：水平直线型破坏曲线
剪裂角：θ=45° ，共轭断裂夹角：2θ= 90°
二、斜直线型莫尔包络线理论 （库伦-纳维叶断裂准则）
岩石发生剪裂时：
剪裂角大小取决于 岩石变形时内摩擦 角的大小。
蠕变：
第一期（瞬时蠕变阶段）：延迟 的弹性蠕变。撤出应力t1：不完 全弹性恢复-减速的恢复-t2（弹 性后效现象）
第二期（稳态或假粘性蠕变）： 应变速率接近于常量，塑性流变。 t3撤出应力-瞬时的和延迟的弹性 恢复后t4-永久变形。
第三期（加速蠕变阶段）：应变 速率增加，材料破坏。
松弛：
部分变形成为永久变形，降低了岩石的弹性极限。
第三节 岩石的能干性
• 能干性：用来描述岩石变形行为相对差异。
• 能干的：强的、粘度大的、不易流动的 • 不能干的：弱的、粘度小的、易流动的
岩石能干性
• 反映岩石变形程度的差异，近似可以用粘度的大小来说明。
岩石能干性差异估测：
前提：在相同的构造变形环境下：
• 1.有限应变状态的对比 • 2.劈理折射的对比 • 3.香肠构造的对比 • 4.褶皱形态的对比 • 5.流变计
第五章 岩石力学性质
第一节 岩石力学性质的基本概念 第二节 影响岩石力学性质的因素 第三节 岩石的能干性 第四节 岩石变形的微观机制 第五节 岩石断裂准则
第一节 岩石力学性质的基本概念
（一）弹性变形：外力解除后，岩石能恢复原有形状和大小 的变形
（二）塑性变形：外力解除后，岩石不能恢复原有形状和大 小的变形
蠕变过程无流体参与，也称固态扩散蠕变。
五、溶解蠕变
• 溶解蠕变：也称压溶，有流体参与的塑性变形过程。 • 被溶出物质：同构造脉、须状增生晶体、压力影构
造、迁出体外。 • 在不变质或浅变质岩区显著。
六、颗粒边界滑动
• 颗粒边界滑动：通过颗粒边界之间的 调整来调节岩石总体变形的一 种变形机制。
• 如：装满砂子的橡皮口袋。
动 动越停止大. ，；应但不力能消除复原，到流
未变形时的状态。
牛顿粘性定律(线粘性定律)
=
其中，为粘性系数，
分别为剪应变速率。
— 牛顿流体或线粘性流体或纯粘性流体
第二节 影响岩石力学性质的因素
☆ 物质组成 ☆ 结构、构造 ☆ 各向异性 ☆ 围压 ☆ 温度 ☆ 孔隙应力 ☆ 时间：应变速率、蠕变与松弛
2.位错
三、位错蠕变
• 高温下，当T>0.3Tm（Tm为熔融温度），位错 从一个滑移面攀移到另一个滑移面。
动态重结晶作用：形成细小的新颗粒， 即核幔构造
四、扩散蠕变
• 扩散蠕变是通过晶内和晶界的空位运动和原子运动来改变 晶粒形状的一种塑性变形机制。
• 空位和原子迁移的途径： 沿颗粒内部晶格迁移——体积扩散蠕变（纳巴罗-赫林蠕变） 沿颗粒晶界迁移——晶界扩散蠕变（柯勃尔蠕变）
……
微破裂作用、碎裂作用、碎裂流
2.碎裂作用：
微破裂
应力作用下
宏观破裂
围压条件下
岩石破裂成碎块
压力增大时
岩石碎块进一步破裂和细粒化
3.碎裂流：
高度破碎的岩石碎块、粉晶集合体
差应力足够大，重复破碎
相对摩擦滑动和刚体转动
二、晶内滑动和位错滑动
1. 晶内滑动：晶体沿某一滑移面的一定方向滑移。
• 滑移面：原子或离子的高密度面。 • 滑移方向：滑移面上原子或离子排列最密集的方向。
——胡克固体或线弹性体
2）塑性变形
y为屈服应力。 变形特征：产生永久
变形，当应力消除后
部分复原，大部分保
y
留变形时的状态。
3）断裂变形
同一岩石的强度，在不同方式的力的 作用下差别很大。
》
常温常压下岩石表现为脆性破裂 高温高压下岩石表现为韧性变形
4）流动变形 变形特征：象牛顿流体
（蜂蜜体. ）一样发生流 动变形，应力越大，流
劈理折射
强弱相间的岩层中,强硬层中的劈理和软弱层中的劈理以 不同角度与层理相交，强硬层中为间隔劈理，与层理交 角较大；软弱层中为连续劈理，与层理交角较小。
矩形石香肠
尖-圆褶皱 尖圆褶皱沿软硬岩层界面纵弯作用的不稳定性使强硬物质向软 弱物质偏移，造成具较大波长的圆滑褶皱；而由软弱物质向强 硬物质偏移形成较小波长的尖顶褶皱，楔入强硬岩石中。
增大温度，岩石的韧性增大，屈服极限降低
五、孔隙流体对岩石力学性质的影响
孔隙流体对岩石力学性质的影响表现在2个方面：
1. 岩石中富含流体时，使岩石强度降低；孔隙流体促进矿 物溶解和重结晶，促进岩石塑性变形。
2. 产生孔隙流体压力效应。 对变形起作用的是有效围压（Pe）
Pe=Pc-Pρ 孔隙压力增大→有效围压降低→岩石强度降低。