第3讲-岩石力学-岩石的变形、破坏特征

2、岩石的物理性质
岩石的水理性质
岩石在水溶液作用下表现出来的性质，称为水理性质。主要包括： 吸 水性、软化性、 抗冻性、 膨胀性、 崩解性。
吸水性：岩石在一定的实验条件下吸收水分的能力，称为岩石的吸水性。
吸水率(Wa)：岩石试件在大气压力和室温条件下自由吸入水的质量(mw1)与 岩样干质量(ms)之比，用百分数表示。
v
r

A
r
o
a
空隙闭合应力：单轴压缩状态下使岩石中的空隙闭合的 最下应力。
2.岩石变形特征

v
r
e
A
B
r
o
a
比例弹性极限或弹性极限：应力-应变曲线保持直线 关系的极限应力
2.岩石变形特征
v
r
p
e
A
C B
r
a
屈服应力：单轴压缩状态下岩石出现塑性变形的极限应力
2.岩石变形特征
岩石颗粒密度：岩石固体部分的质量与其体积的比值。它不包含孔隙在内 ，因此其大小仅取决于组成岩石的矿物密度及其含量。 岩石块体密度：是指岩石单位体积内的质量，按岩石的含水状态，又有干 密度（ρd）、饱和密度（ρsat）和天然密度（ρ）之分，在未指明含水状 态时一般指岩石的天然密度。
ms s Vs
QT Ct LtT
3、岩石的各向异性和渗透性
单向裂隙指一组结构面的法线方向上每单位长度(m)内，法线与结构面的交割数目。 平面裂隙率 Ka是指岩石单位面积上诸裂隙所占有的面积总与总面积的比值。
3、岩石的各向异性和渗透性
岩石各向异性 是指天然岩体的物理力学性质随空间方位不同而异的特性，具 体表现在它的强度及变形特性等各方面。 在天然岩体条件下，使岩体具有各向异性的基本原因是由于岩石内普遍存在着 层理、片理、夹层和定向裂隙（断层）系统所致。目前在实际工程中对于成层 岩体往往考虑其平行于层理和垂直于层理方向的差异性。对于不具有层理的岩 体，则把它视为各自同性体。
2.岩石变形特征
变形参数测定的动力法 设岩石为均质、各向同性、弹性体，则弹性波在岩体介 质中传播的纵波速度和横波速度可以用下列公式表示：
纵波速度：
Vp
Ed
1 d 1 d 1 2d
横波速度：
Vs
Ed
1 2 1 d
2.岩石变形特征
根据上述两个式子可以推导得出由纵横波速度表示的动态
3、岩石的各向异性和渗透性
岩石能透过水的能力称为岩石的渗透性。有压水可以透过岩石的 孔隙、裂隙而流动，不同岩石或裂隙性不同的岩石的渗透性不同 ，渗透性的大小用渗透系数K表示。
岩石的渗透系数不仅与岩石的物理性质有关，也与岩石的应力状
态有关。
QL w K PA
岩石渗透仪(轴向渗透) 1-注水管路；2-围压室；3-岩样；4-放水阀
2、岩石的物理性质
岩石的软化性
岩石浸水饱和后强度降低的性质，称为软化性
软化系数 (KR) 为岩石试件的饱和抗压强度 (σcw) 与 干抗压强度(σc)的比值 cw KR c 岩石中含有较多的亲水性和可溶性矿物，大开空隙 较多，岩石的软化性较强，软化系数较小。
KR＞0.75，岩石的软化性弱，工程地质性质较好
2、岩石的物理性质
岩石的热理性：是指岩石温度发生变化时所表现出来的
物理性质。（热胀冷缩）
体胀系数：温度上升1℃所引起的体积增量与初始体积的比值。
vs
Vt V0 V0
线胀系数：温度上升1℃所引起的长度增量与初始长度的比值。
Lt L0 ls L0
岩石的导热率是度量岩石的热传导能力的参数，是指当温度上升1℃时，热量 在单位时间内传递单位距离的损耗值。
1、岩石的组构特征
岩石的结构
岩石的结构：岩石内矿物颗粒的大小、形状、排列方式及 微结构面发育情况与粒间连结方式等反映在岩块构成上的 特征。其中，粒间连结分结晶连结与胶结连结。
颗粒大小 强度：细粒 ＞ 粗粒 颗粒形状 排列形式 强度：粒状、柱状 ＞ 片状 ＞ 鳞状 强度：等粒 ＞ 不等粒
1、岩石的组构特征
岩石的微结构面
微结构面：指存在于矿物颗粒内部或矿物颗粒间的软弱面或 缺陷，包括矿物解理、晶格缺陷、粒间空隙、微裂隙、微层 理及片理面、片麻理面等。
① 降低岩石强度
② 导致岩石力学性质各向异性
1、岩石的组构特征
岩石的主要胶结类型：
基底型：彼此不发生接触的矿物颗粒埋在玻璃体中，这种情况下 胶结程度很高，岩石强度与胶结物有关。
Q w R2 K ln 2 LP R1
岩石的渗透系数数值
提纲
一、岩石的物理性质 二、岩石的变形特征与本构关系 三、岩石的强度特性与强度准则
1.岩石变形的定义
岩石的变形: 是指岩石在任何物理因素作用下形状和大小的变 化。工程最常研究的是由于力的影响所产生的变形。
工程现象：
1.岩石变形的定义
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。
当物体既有弹性变形又有塑性变形，且具有明显的弹性后效时，弹性变形 和塑性变形就难以区别了。
在外力作用下只发生塑性变形，或在一定的应力范围内只发生塑性变形的物
体，称为塑性介质。
1.岩石变形的定义
粘性(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。引起岩石发生一定 变形所需的里取决于岩石的表观粘度，当岩石发生瞬时变形后 ，应力不断衰减。早施加载荷后出现永久变形的粘性材料称为 粘塑性材料。
复合盐岩
定义
岩石的物理性质
物理性质：物质不需要经过化学变化就表现出来的性质。
来自百度文库
颜色、气味、形态、熔点、硬度、导电性等。
岩石的物理性质：指岩石的力学、热学、电学、声学、放 射学等特性参数和物理量。
1、岩石的组构特征
岩石的物质组成
硅酸盐类矿物 粘土矿物 组成岩石的矿物 碳酸盐类矿物 氧化物类矿物 组成岩石的矿物成分及其相对含量在一定程度上决定着岩石的力学性质。
孔隙度与裂隙率含义相同，孔隙度多用于相对松散土、石，裂隙率多用于结晶连
接的坚硬岩石。 一般岩石的孔隙度在10%-35%之间。
孔隙比：岩石中孔隙的体积与固体颗粒体积之比称岩石的孔隙比(多以小数表示)。
孔隙比和孔隙度可以互相换算：
孔隙比
n e 1 n
孔隙度
e n 1 e
岩石的饱和密度为2.65g/cm3，干密度为2.49g/cm3，计算岩石的孔隙比和颗粒密度。
辉 绿 岩
砂 页 岩 岩
2.80～3.11
2.17～2.70 2.06～2.66
片
岩
2.70～2.90
2.75左右 2.72～2.84
大 理 岩 板 岩
2、岩石的物理性质
岩石的孔隙特性
孔隙度：岩石中孔隙体积与岩石总体积之比 (多用百分数表示)。 裂隙率：岩石中各种节理、裂隙的体积与岩石总体积之比称裂隙率。
KR＜0.75，岩石软化性较强，工程地质性质较差
常 见 岩 石 的 软 化 系 数
弹性模量随含水量 的变化情况
泊松比随含水量的变化情 况
粘聚力随含水量的 变化情况
内摩擦角随含水量 的变化情况
2、岩石的物理性质
抗冻性：岩石抵抗冻融破坏的能力。
膨胀性：岩石吸水后体积增大引起岩石结构破坏的 性能称膨胀性。 崩解性：岩石被水浸泡，内部结构遭到完全破坏呈 碎块状崩开散落的性能。具有强烈崩解性的岩石和 土，短时间内即发生崩解。
接触型：仅仅在颗粒的接触点存在胶结物，这种胶结程度低，岩 石强度也不大。
间隙型：矿物颗粒彼此直接接触，而颗粒的孔隙被胶结物充填。
溶蚀型：胶结物不仅充填在矿物颗粒之间，而且进入到矿物颗粒 本身中，胶结强度很高。
2、岩石的物理性质
岩石和土一样，也是由固体、液体和气体组成的多相体系。 物理性质是指岩石由于三相组成的相对比例关系不同所表现的 物理状态。（岩石的密度、岩石的孔隙性、岩石的水理性）
弹性：一定的应力范围内，物体受外力作用产生变形，而去除 外力后能够立即恢复其原有的形状和尺寸大小的性质。
弹性按其应力和应变关系又可分为两种类型 应力和应变呈直线关系—即线弹性（虎克 型弹性、理想弹性） 应力应变呈非直线的非线性弹性
1.岩石变形的定义
塑性：物体受力后产生变形，在外力去除后不能完全恢复 原状的性质。

p
e
A
v
C B
r
a
扩容：压缩应力下岩石体积出现膨胀的现象称为岩石扩容。
2.岩石变形特征

峰前 峰后
v
r
c
D
p
e
a
E
r
a
峰值强度：单轴压缩下岩石所能承受的最大应力称为 峰值强度。
2.岩石变形特征

峰前 峰后
v
r
c
D
p
e
A
C B
a
E
r
o
a
③ 微裂隙稳 ⑤ 破坏后阶

i
i E i
o i L
2.岩石变形特征
岩石的变形特征可以用以下几种模量说明：
① 初始模量：曲线原点处切线斜率

②
d Ei＝ d
0
m
③
② 切线模量：曲线上任一点处切线的斜率
M
Et
①
d d
m
③ 割线模量：曲线上某点与原点连线的斜率
a
0
m
m E s＝ m
岩石的变形、破坏特征
卢运虎
学习目标
• 掌握岩石物理性质、变形、破坏的定义； • 了解不同岩石的本构关系及强度准则； • 孔隙压力变化对岩石应力与破坏的影响。
提纲
一、岩石的物理性质 二、岩石的变形特征与本构关系 三、岩石的强度特性与强度准则
砾岩
致密细砂岩
泥岩
硬脆性泥页岩
纯盐岩
盐岩
盐岩 泥岩
硬石膏 盐岩 盐岩 泥岩 盐岩
岩石的饱和吸水率(Wp)：是指岩石试件在高压(一般压力为15MPa)或真空条
件下吸入水的质量(mw2)与岩样干质量(ms)之比，用百分数表示。 岩石的吸水率(Wa)与饱和吸水率(Wp)之比，称为饱水系数。它反映了岩石中
大、小开空隙的相对比例关系。
Wp
m w2 100 % ms
mw1 Wa 100% ms
ms d V
sat
msat V
m V
2、岩石的物理性质
常见岩石的密度
岩石名称 花 岗 岩 闪 长 岩 辉 长 岩 密度 (g／cm3) 2.52～2.81 2.67～2.96 2.85～3.12 岩石名称 石 灰 岩 白 云 岩 片 麻 岩 密度(g／cm3) 2.37～2.75 2.75～2.80 2.59～3.06
2.岩石变形特征
变形参数的一般确定方法: 实验数据分析
2
2 1 Et 2 1
弹性模量：弹性段的斜率
50
割线模量：极限强度50%所 对应点的斜率
Ei
1 i o
50 50
Ei i i
1 50 2 i L
初始模量：初始段 应力-应变曲线的切 线的斜率
2.岩石变形特征
加载-卸载时的应力应变关系
1）岩石是弹性的或卸荷点（P）的应力低于岩石的弹性极 限(A)表现为弹性恢复。

A P

2.岩石变形特征
2）如果卸荷点(P）的应力

P A
高于弹性极限(A)，则卸荷曲线
弹性模量和泊松比：
V 2 V / Vs2 2
d
2 p
2 p
/ Vs2 1
Ed 2 1 d Vs2
与实验室内测得的静态弹性模量和静态泊松比相比：
Ed E 差值25% 30%
d
2.岩石变形特征
为什么静态模量低于动态模量？石油工程使用哪种模量？

d dt
粘性
1.岩石变形的定义
1.岩石变形的定义
应力是作用于单位面积上的力，属于矢量。
2.岩石变形的定义
u1 轴向应变： 11 x 1 u 3 径向应变： 33 x 3 S 弹性模量： E 11 11 33 泊松比： 11
ij
u 1 ui ( j) 2 x j x i
u 3 x 1
体积应变：
剪切应变： 31
0 11 22 33
体积模量： K
G 剪切模量：
1 S 13 ( ) 2 13
S 00 00
2.岩石变形特征
2.岩石变形特征
典型的岩石应力-应变曲线：
v
r

e
r
o
a
2.岩石变形特征
变形阶段的划分
① 空隙压密阶段(OA) ② 弹性变形阶段(AB) 定发展阶段(BC)④ 微裂隙非稳定发展阶段(CD) 段(DE)
2.岩石变形特征
变形参数
变形模量（modulus of deformation)是指单轴压缩条件下， 轴向压应力与轴向应变之比。应力-应变曲线为直线型，这 时变形模量又称为弹性模量。