岩石的力学性质变形性质
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
岩石的基本物理力学性质-知识归纳整理
知识归纳整理岩石的基本物理力学性质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，也是岩体力学中研究最早、最完善的力学性质。
岩石密度：天然密度、饱和密度、质量指标密度、重力密度岩石颗粒密度孔隙性孔隙比、孔隙率含水率、吸水率水理指标渗透系数抗风化指标软化系数、耐崩解性指数、膨胀率抗冻性抗冻性系数单轴抗压强度单轴抗拉强度抗剪强度三向压缩强度岩石的基本物理力学性质◆岩石的变形特性◆岩石的强度理论试验想法参照标准：《工程岩体试验想法标准》（GB/T50266-99）。
第二章岩石的基本物理力学性质第一节岩石的基本物理性质第二节岩石的强度特性第三节岩石的变形特性求知若饥，虚心若愚。
第四节岩石的强度理论回顾----岩石的基本构成岩石是自然界中各种矿物的集合体，是天然地质作用的产物，普通而言，大部分新鲜岩石质地均坚硬致密，空隙小而少，抗水性强，透水性弱，力学强度高。
岩石是构成岩体的基本组成单元。
相对于岩体而言，岩石可看作是延续的、均质的、各向同性的介质。
岩石的基本构成：由组成岩石的物质成分和结构两慷慨面来决定的。
回顾----岩石的基本构成一、岩石的物质成分●岩石是自然界中各种矿物的集合体。
●岩石中主要的造岩矿物有：正长石、斜长石、石英、黑云母、角闪石、辉石、方解石、白云石、高岭石等。
●岩石中的矿物成分会影响岩石的抗风化能力、物理性质和强度特性。
●岩石中矿物成分的相对稳定性对岩石抗风化能力有显著的影响，各矿物的相对稳定性主要与化学成分、结晶特征及形成条件有关。
回顾----岩石的基本构成二、岩石的结构是指岩石中矿物（及岩屑）颗粒相互之间的关系，包括颗粒的大小、性状、罗列、结构连结特点及岩石中的微结构面（即内部缺陷）。
其中，以结构连结和岩石中的微结构面对岩石工程性质影响最大。
回顾----岩石的基本构成●岩石结构连结结晶连结和胶结连结。
结晶连结：岩石中矿物颗粒经过结晶相互嵌合在一起，如岩浆岩、大部分变质岩及部分沉积岩的结构连结。
岩体力学岩石的变形特性
普通试验机得到峰值应力前的变形特性，多数
岩石在峰值后工作。 注：C点不是破坏的 开始（开始点B）， 也不是破坏的终。 说明：崩溃原因， Salamon1970年提 出了刚性试验机下 的曲线。
刚性机
(1)刚性试验机工作简介
压力机加压（贮存弹性应能） 岩石试件达峰点强度（释放 应变能）导致试件崩溃。 AA′O2O1面积——峰点后， 岩块产生微小位移所需的能。 ACO2O1面积——峰点后， 刚体机释放的能（贮存的能） ABO2O1——峰点后， 普通机释放的能（贮存的能）。
（2）应力、应变全过程曲线形态 在刚性机下，峰值前后的全部应力、应变曲线 分四个阶段：1-3阶段同普通试验机。 4阶段应变软化阶段
特点：
①岩石的原生和新生裂隙贯穿，到达D点，靠碎块间的摩擦 力承载，故 D —称为残余应力。 ②承载力随着应变增加而减少，有明显的软化现象。
（3）全应力——应变曲线的补充性质
线性弹性体。
本构方程：k
应力应变曲线（见右图）：
模型符号：H
o
虎克体的性能：a.瞬变性 b.无弹应性力-后应变 效曲线
c.无应力松弛 d.无蠕变流动
5.1 描述流变性质的三个基本元件
(2)塑性元件
材料性质：物体受应力达到屈服极限0时便开始产生 塑性变形，即使应力不再增加，变形仍不 断增长，其变形符合库仑摩擦定律，称其 为库仑(Coulomb)体。是理想的塑性体。
b.弹性常数与强度的确定
弹性模量国际岩石力学学会（ISRH）建议三种方法
初始模量 割线模量
E0
d d
0
c
E50 / 50
切线模量 d / d 50
极限强度 c
2、反复循环加载曲线
构造地质学05第五章岩石力学性质
τｍａｘ＝ τ０ …（１）
τ０为抗剪强度极限
理论上，破裂面应沿最大剪应力面产生，形成棋 盘格式构造。剪裂角＜ ４５０？
库伦解释是岩石抗剪强度与剪应力和正应力有 关，因此将（１）式改为：
De/dt 常量
撤出应力
t0 t1 t2
t3
时间
永久应变
t4 t5
松弛——保持应变不变，应力随时间而减小。 （相当于降低了岩石的弹性极限） （1）、应力随时间减小，松弛速度急剧下降。 （2）、应力经很长时间后可趋于一极限值
实践证明：在地质上岩石能否在很长时间的极 小差异应力下不断变形，需要一定的温度和压 力条件，因为它一般发生在地壳深层或它具备 有利于蠕变之条件的地方，如某些强变形带中。
剪切 脆性
挠曲
压扁
流动 温度
韧性
熔融 围 压
岩石随P-T条件的变化而呈现 变形习性及相应的主要变形机制
显理 示想 了的 各地 构壳 造一 层段 次剖 构面 造， 样剖 式面
三．岩石变形的时间因素
在地质条件下，岩石变形是长期的，通常要 以百万年为单位，因此评价时间因素对岩石变 形的效应具有关键意义。
σｙ＝０
完全塑性材料。没
有载荷，变形继续
增大。
如果超过屈服点，继 续塑性变形，需施加 更大的应力超过屈服 应力，这个过程称应 变硬化或加工硬化。 经过一段应变硬化的 塑性变形后卸载，应 力－应变曲线回到e２ 表明总的永久变形。
应变硬化
σｙ＞０ σｙ＝０
如果将同样应力继续 加上去，应力－应变 曲线则沿以前路径回 到塑性变形Ｐ位置上 ，好像增大了弹性范 围和增高了屈服应力 （σｙ／）。因此应变 硬化可以看作屈服强 度随递进变形而连续 升高。
岩块的变形与强度性质
岩块的力学属性：1．弹性（elasticity）：在一定的应力范围内，物体受外力产生的全部变形当去除外力后能够立即恢复其原有的形状和大小的性质。
2．塑性（plasticity）：物体受力后产生变形，在外力去除（卸荷）后不能完全恢复原状的性质。
不能恢复的变形叫塑性变形或永久变形、残余变形。
3．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。
应变速率随应力变化的变形叫流动变形。
4．脆性（brittle）：物质受力后，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。
第一节岩块的变形性质一、单轴压缩条件下的岩块变形性质1．连续加载下的变形性质（1）加载方式：单调加载（等加载速率加载和等应变速率加载）循环加载（逐级循环加载和反复循环加载）（2）四个阶段：①Ⅰ：OA段，孔隙裂隙压密阶段；②Ⅱ：AC段，弹性变形至微破裂稳定发展阶段（AB段和BC段）弹性极限→屈服极限③Ⅲ：CD段，非稳定破裂发展阶段（累进破裂阶段）→“扩容”现象发生“扩容”：在岩石的单轴压缩试验中，当压力达到一定程度以后，岩石中的破裂（裂纹）继续发生和扩展，岩石的体积应变增量由压缩转为膨胀的力学过程。
—峰值强度或单轴抗压强度④Ⅳ：D点以后阶段，破坏后阶段（残余强度）以上说明：岩块在外荷作用下变形→破坏的全过程，具有明显的阶段性，总体上可分为两个阶段：1）峰值前阶段（前区）2）峰值后阶段（后区）（3）峰值前岩块的变形特征（Miller，1965）①应力—应变曲线类型米勒（Miller，1965）6类（σ—εL曲线），如图4.3所示：Ⅰ：近似直线型（坚硬、极坚硬岩石）：如玄武岩、石英岩等；Ⅱ：下凹型（较坚硬、少裂隙岩石）：如石灰岩、砂砾岩；Ⅲ：上凹型（坚硬有裂隙发育）：如花岗岩、砂岩；Ⅳ：陡“S”型（坚硬变质岩）：如大理岩、片麻岩；Ⅴ：缓“S”型（压缩性较高的岩石）：如片岩；Ⅵ：下凹型（极软岩）。
2.3 岩石的变形特性
二 岩石在三向压缩应力下的变形特征
σ1 岩石在三向压缩应力作用下的变形特征 (一) 当σ 2
= σ 3 时，岩石的变形特征 = σ3 )的增加，
σ3
σ 1. 随着围压( 2
岩石的屈服应力随之提高； 2. 岩石的弹性模量变化不大，但 有随围压增大而增大的趋势； 3. 随着围压的增加，峰值应力对 应的应变值增大。
ε = Ce
− t
E
η
五 岩石介质的力学模型
当t=t1时，ε=ε1，代入上式得
E
C = ε 1e
则
η
t1
ε = ε 1e
−
E
η
(t −t1 )
五 岩石介质的力学模型
上式表示了卸载后应变随时间的增长而 恢复，即为弹性后效的变形特性，因此 称其为延迟模型。
五 岩石介质的力学模型
Kelvin模型
第九周(4.12~4.16)岩石变形实验 第一组 星期一下午1:30~3:10 第二组 星期一下午3:20~5:00 第三组 星期二下午1:30~3:10 第四组 星期三上午10:00~11:40 第五组 星期三下午3:20~5:00 第六组 星期四下午1:30~3:10 第七组 星期四下午3:10~5:00 第八组 星期五下午3:20~5:00
五 岩石介质的力学模型
在应变不变的条件下，应力随t以指数函 数衰减，因此称其为松弛模型。
σ 当 t = λ 时， = σ0
e
λ称为松弛时间，其物理含义是，在应变 不变的条件下，使初应力衰减到原来的e 分之一倍时所需的时间。
五 岩石介质的力学模型
σ0/e t=λ
Maxell模型
五 岩石介质的力学模型
应力应变全过程曲线及形态在刚性试验上进行试验所获得的包括岩石达到峰值应力之后的应力应变曲线1压密阶段2弹性阶段3塑性阶段4应变软化阶段5摩擦阶段一岩石在单向压缩应力作用下的压缩变形特征曲线特征1岩石达到峰值应力后仍然具有一定的承载能力岩石突然的崩溃是一种假象2在反复加卸载情况下曲线也会形成塑性滞环而且塑性滞环的平均斜率是在逐渐降低表现出应变软化的特征二岩石在三向压缩应力下的变形特征岩石在三向压缩应力作用下的变形特征一当时岩石的变形特征32321
岩石的地质力学特征
岩石的地质力学特征岩石是地球上最常见的物质之一，其地质力学特征对于了解地球内部的构造和地质活动具有重要的意义。
在本文中，我将介绍岩石的地质力学特征，包括岩石的类型、力学性质、破裂与变形等方面。
首先，让我们来了解一下岩石的类型。
岩石可以分为三种主要类型：火成岩、沉积岩和变质岩。
火成岩是由地壳或地幔中的熔融岩浆冷却所形成的，例如花岗岩和玄武岩。
沉积岩是由岩屑、有机物或溶解物质在地表沉积并经过压实而形成的，例如砂岩和石灰岩。
变质岩是由原有岩石在高温和高压下发生变化而形成的，例如片麻岩和云母片岩。
接下来，我们来了解一下岩石的力学性质。
岩石的力学性质可以通过一些实验来测试。
其中，最常用的是强度测试和弹性模量测试。
强度测试可以用来评估岩石的破裂和破坏的能力。
弹性模量测试则可以用来评估岩石的变形和回弹能力。
这些测试结果可以帮助我们对岩石的力学性质有更深入的了解。
岩石在地质过程中会发生各种破裂和变形。
其中，最常见的是岩石的断裂和褶皱。
断裂是指岩石在外力作用下发生断裂并形成断层。
断层可以是平行于地层的走向、顺层倾向或垂直于地层的倾角。
褶皱则是指岩石在外力作用下发生挤压并形成褶皱。
褶皱可以是正褶皱或逆褶皱，取决于褶皱的折叠方向。
除了断裂和褶皱，岩石还可以发生岩浆侵入和岩石变形等现象。
岩浆侵入是指岩浆从地壳或地幔中向上运动并进入岩石中的过程。
岩浆侵入的形式有很多，常见的有岩浆柱、岩浆包裹体和岩浆岩等。
岩石变形是指岩石在外力作用下发生形状和体积的变化。
岩石变形可以是弹性变形或塑性变形，取决于岩石的力学性质和外力的大小。
总结起来，岩石的地质力学特征包括其类型、力学性质、破裂和变形等方面。
了解和掌握这些特征对于地质研究和工程建设具有重要的意义。
我们可以通过实验和观察来深入了解岩石的地质力学特征，并将其应用于实际的工程项目中。
随着科技的不断发展，我们对岩石的了解也会越来越深入，为地球科学的进一步发展提供更多的支持。
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。
岩石的变形
σ
/dt
应力－应变速率关系：
σ=η dε
o
dε /dt
6
4）脆性 (brittle): 物体受力后，变形很小 时就发生破裂的性质。
工程上一般以5％为标准进行划分，总应变 大于5％者为塑性材料，反之为脆性材料。 按以上标准，大部分地表岩石在低围压条 件下都是脆性或半脆性的。 当然岩石的塑性与脆性是相对的，在一定 的条件下可以相互转化，如在高温高压条 件下，脆性岩石可表现很高的塑性。
类型Ⅳ 应力较低时，应力—应变曲线向上弯曲， 当压力增加到一定值后，变形曲线成为直线，最 后，曲线向下弯曲，曲线似S型。 由于这些岩石低应力时表现出塑性，高应力时表 现出弹性，破坏前又表现出塑性，所以被称为 塑—弹—塑性岩石。 例如：大多数为变质岩（大理岩、片麻岩等）。 类型Ⅴ 基本上与类型Ⅳ相同，也呈S型，不过曲 线斜率较平缓。一般发生在压缩性较高的岩石中。 应力垂直于片理的片岩具有这种性质。 类型Ⅵ 应力—应变曲线开始先有很小一段直线 部分，然后有非弹性的曲线部分，并继续不断地 蠕变。 这类材料被称为弹—粘性岩石。 例如：岩盐、某些软弱岩石。 13
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
线弹性体，其应力－应变呈直线关系
8
1.3 岩石的变形特征
岩石应力应变曲线
图1-4
9
1.3 岩石的变形特征
1、岩石在单向受压状态下的变形
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。
岩石性质
力超过其抗剪强度而引起的拉伸破坏或剪切破坏。
二、多向应力条件下岩石的力学性质
在实际的钻井条件下,尤其是深井钻井，井下岩石处
于多向受力状态。井底岩石受到钻头钻压、钻井液液柱
压力、孔隙压力及周围岩石挤压力（简称围压）的作用。
的能力。塑性系数定义为岩石破碎前耗费的总功AF与
岩石破碎前弹性变形功AE的比值，用以定量表征岩石
在压入破碎条件下的塑性及脆性大小。岩石的硬度和塑
性系数是通过岩石硬度试验来测定的。
岩石硬度试验装置如图所示。测定方法是将岩样
置于压模和垫板之间，均匀加载使压模压入岩样，直至破碎，记录并绘制压力—压入深度
别是84.5MPa和30MPa 。
③ 岩石的强度随着围压的增加明显增大。当围压高到一定数值时，有些岩石的强度
便趋于常数。
三、岩石的硬度和塑性系数
在石油钻井过程中，钻头破碎岩石是以“压入破碎”为主要特点的。例如：牙轮钻头
的牙齿在纵向载荷多用下压入岩石，使齿下面的岩石产生体积破碎，形成坑穴；刮刀钻头
基本相等。因此，可以通过简的单轴试验确定复杂应力条件下的弹性常数。
② 随着围压的增大，岩石表现出由脆性到塑性的转变，并且围压越大，岩石破坏前所
呈现的塑性也就越大。在应力应变曲线中，使峰后曲线变得平行或者基本平行于横轴（应
变轴）的围压，称为“脆-塑转化临界围压”。如德国大理岩和茂名泥岩的脆-塑转化围压分
力。岩石的力学性质对研究岩石的破碎方法、井壁稳定问题以及钻头的设计与选择、合理
钻进参数的优选等都具有十分重要的意义。
一、简单应力条件下岩石的力学性质
第五章岩石的力学性质
应变强化：在重复施力作用下，岩石屈服应力增大的过程。也可定义为：在超过 屈服应力的塑性变形中，持续的变形需要不断增大的应力的变形行为，从而使应 力－应变曲线具有一个小的正斜率。 应变弱化：在重复施力作用下，岩石屈服应力减小的过程。也可定义为：在超过 屈服应力的塑性变形中，持续的变形需要越来越小的应力的变形行为，从而使应 力－应变曲线具有一个小的负斜率。
新晶体的形成：亚边界位错集中定向形成新不连续边界，并通过旋转使两侧晶格间 方位角大于10度，从而形成新的晶体边界，形成新的晶体。
重结晶：
晶体生长：小颗粒的新晶体具有高表面能－生长－降低表面能
晶内变形与应力的关系 （古应力测定） 位错密度： σ1-σ3 =A10-3ρ0.5 亚颗粒： σ1-σ3 = B103 d-1 重结晶颗粒： σ1-σ3 = C D-M
Sibson断层双层结构模式
岩石力学性质随地壳深度而变化，同一断层的变形行为在不同深度表现不同，浅部以产 生碎裂岩的脆性变形为主，深部以产生糜棱岩的韧性变形为主。其间的转换带为脆韧性 转换带，石英变形为主的岩石的转换温度为250～350℃ ，深度大约为10～15km。
第 五 节
岩 石 变 形 机 制
汶川地震造成的都江堰国堰宾馆墙上的X型破裂
弹性变形：应力－应变曲线为直线，应力与应变量成正比，除 去应力，岩石立即恢复原状。遵从虎克定律：σ = E e 。 屈服应力：当应力超过某一极限值，应力－应变曲线的斜率明 显减小，除去应力后岩石将不能完全恢复原状，该极限应 力值即为屈服应力。
永久变形：应力超过屈服应力，除去应力后岩石将不能完全恢复 原状，不能恢复的变形称为永久变形。 塑性变形：未失连续性（即不产生破裂）的永久变形，一般是由 物体内部质点化学键重新排列的结果，如动态重结晶、位错 滑动等。 完全塑性变形：在屈服应力作用下，岩石以韧性方式连续变形， 应力－应变曲线斜率等于零。 粘性变形：流体在应力作用下所表现出的一种永久变形。
第3章岩石变形物理学(3)-岩石力学性质
地壳岩石严格讲也是一种粘弹性体，只不过不像蛋 清那样明显，这主要是它的流动需要在长时间载荷 下表现出来。对于固体或流体而言，温度越高，粘 度越低，反映易流动性越大。
地壳及地幔岩石具有非常缓慢的流动性。因而粘度 是衡量地球动力学的一个重要参数。
人们把物体具有的这些力学性质概括为物质的流变 性（rheological properties），并形成一门新兴学科 －流变学（rheology）。流变学是研究固体物质流 动的科学。
岩石力学性质－是指在应力和应变作用下，岩石发 生塑性变形（褶皱）或脆性变形（破裂）的条件；
岩石力学性质是约束岩石变形和构造几何特征的重 要条件。例如，同样的压应力作用在不同岩层的力 学表象明显不同：在柔性岩层中形成褶皱构造；在 相对硬岩层中形成断裂构造；在软硬相间岩层中形 成香肠构造
影响岩石力学性质的因素
X是活化了的化合物。 水弱化作用结果表现： 产生大量扩张应变，诱发裂纹尖端高应力； Si-O共价键被H-O代替，加速岩石塑性变形； H-O键加速热力学的反应； H2O含量增加，降低岩石熔点，加速熔体形成；
时间影响因素(5)
与实验室岩石力学研究不同，地质条件的岩石变形 时间很长，一个造山带变形要经历几百万年才完成。
岩石变形机制通常有三种： （1）碎裂作用（cataclasis） （2）晶内塑性（intracrystalline plasticity） （3）晶内扩散流动（flow by diffusive mass transfer）
脆-韧性转化－从宏观表象上描述 脆-塑性转化－从微观机制上描述 脆-塑(韧)性转换域是一个十分重要的
应力
理想粘性材料的力学行为
应力
σy
理想塑性材料的力学行为
弹塑性变形—指物体同时具有弹性和塑性的性能。 在弹塑性变形中，有一部分是弹性，其余部分为 塑性变形。
1.2岩石的力学性质
（5）硬度 岩石表面抵抗工具侵入的性能，与凿 岩性密切相关。凿岩时，比单向抗压强度 更有意义，指岩石表面被破坏的性能。
（6）磨蚀性
岩石对工具的磨蚀能力，主要与岩石 的成分有关。
视频1 视频2
（7）岩石的风化程度 它是指岩石在地质内力和外力的作用 下发生破坏疏松的程度。一般来说随着风 化程度的增大，岩石的孔隙率和变形性增 大，其强度和弹性性能降低。所以，同一 种岩石常常由于风化程度的不同，其物理 力学性质差异很大。
（7）纵波在自由面的倾斜入射
S(3) S(1) α' α α β β' S(5) S(4) S(2) 1 2
X
Z
纵波的反射和透射 应力波向交界面的倾斜入射的情况非常复杂，无论是纵波或 横波，经过交界面后，都要再度产生纵波和横波。 杨桂通, 张善元. 弹性动力学[M]. 北京: 中国铁道出版社, 1988
岩石种类
大理石 和泉砂岩 多湖砂岩
4500~6000
3700~4300 1800~3500 4100~5700 5300~6000 3700~5900 视频2
90~110
100~140 15~25 200~240 320~350 240~330
120~200
120~200 20~50 350~500 700~800 300~400
视频1
视频2
岩石风化程度划分（GB50218－1994）
名 称 未风化 风化特征 结构构造未变，岩质新鲜
微风化
弱风化
结构构造、矿物色泽未变，部分裂隙面有铁锰 质渲染
视频1 视频2
(3) 应力波的分类 ①波
波是质点振动或扰动在介质中的传播。
振动是指一定位置的指点有规则来回 地运动。
岩石的物理力学性质下岩石力学
0
2 3
Rc
④下降段CD，为破坏阶段，C点的纵坐标
就是单轴抗压强度，D点为残余强度（靠
碎块间的摩擦力承载）。
Mar , 2007
刚性压力机单调加载
3
第2章 岩石的物理力学性质
混凝土棱柱体受压
低碳钢拉伸应力—应变曲线
=PA 弹性 屈服 强化b 颈缩
ey p
s
k
颈缩
Mar , 2007
o
Faculty of Civil Engineering, Chongqing University
• 弹性后效是指在卸载过程中弹性应变滞后于应力的现象。
蠕变与松弛的特征曲线
Mar , 2007
24
第2章 岩石的物理力学性质
2.5.1 岩石的蠕变性质
1939.01
阿尔卑斯山谷反倾岩层中蠕动
Mar , 2007
1940.05
25
第2章 岩石的物理力学性质
1. 蠕变曲线
t 0 1t 2t 3t
石英岩
6~20
6~20
大理岩
1~9
1~9
泊松比
岩石名称 变形模量（×104MPa） 泊松比
初始
弹性
0.2~0.3 0.1~0.25
片麻岩 千枚岩、 片
岩
1~8 0.2~5
1~10 0.22~0.35
1~8
0.2~0.4
0.1~0.3 0.2~0.3 0.12~0.2 0.1~0.3
板岩 页岩 砂岩 砾岩
1. 岩石在单轴压缩状态下的应力—应变曲线
①在OA区段内，曲线稍微向上弯曲，属 于压密阶段，这期间岩石中初始的微裂隙 受压闭合；
②在AB区段内，接近于直线，近似于线弹 性工作阶段；
岩石力学-岩石的力学性质
惯于将单轴抗压强度表示为 c ，其值等于达到破坏时
的最大轴向压力P除以试件的横截面积A，即
c
P A
（1－14）
试件在单轴压缩荷载作用下破坏时，在测件中可产生 三种破坏形式：
• （1）X状共扼斜面剪切破坏
• （2）单斜面剪切破坏
• （3）拉伸破坏
试件形状可以时立方体（50mm× 50mm× 50mm或70mm×
变之间有着惟一的关系，即
f ( ) （1－32）
b、泊松比
岩石的横向应变 x 与纵向应变 y的比值称为泊松比，即
x y
（1－37）
岩石的变形模量和泊松比受岩石矿物组成结构构造风化程度空
隙性含水率微结构面及与荷载方向的关系等多种因素的影响，变化
较大。
除变形模量和泊松比两个最基本的参数外，还有一些
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。
2、单轴压缩条件下岩石变形特征
由全应力－应变曲线可将岩石的变形分为下列 四个阶段：
a、孔隙裂隙压密阶段 b、弹性变形至微弹性裂隙稳定发展阶段 c 、非稳定破裂阶段，或称累进性破裂阶段 d、破裂后阶段
根据峰值前的应力－应变曲线将岩石分成六种类型：
类型Ⅰ 应力与应变关系是一直线或者近似直线，直到试件 发生突然破坏为止。
类型Ⅱ 应力较低时，应力－应变曲线近似于直线，当应力 增加到一定数值后应力－应变曲线向下弯曲，随着应力逐渐增 加而曲线斜率也就越变越小。
类型Ⅲ 在应力较低时，应力－应变曲线略向上弯曲，当应 力增加到一定数值后，应力－应变曲线逐渐变为直线，直至发 生破坏。
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内部结构遭到破坏，但试件基本保持整体状。到本阶段，裂 隙快速发展。此后，岩块变形主要表现为沿宏观断裂面的块 体滑移，试件承载力随变形增大迅速下降，但并不降到零， 说明破裂的岩石仍有一定的承载力。
应力-应变曲线的类型
岩石的应力—应变
曲线随着岩石性质不同
a. 真三轴加载: 六个面均受到加压铁板所引起的摩擦力， 对试验结果影响很大，因而实用意义不大 故极少有人做这样的三轴试验。
应力状态：σ1>σ2> σ3
b.假三轴试验: 轴向压力的加载方式与单轴压缩时相同。 但由于有了侧向压力，其加载上时的端 部效应比单轴加载时要轻微得多。
应力状态： σ1>σ2=σ3
②塑性滞回环：每次加、卸载曲 线都形成一个塑性滞回环。随着 循环次数的增加，塑性滞回环的 面积也有所扩大，卸载曲线的斜 率（它代表着岩石的弹性模量） 也逐次略有增加，表明卸载应力 下的岩石材料弹性有所增强。 ③岩石的记忆性：每次卸载后再加载，在荷载超过上 一次循环的最大荷载以后，变形曲线仍沿着原来的单 调加载曲线上升（图中的OC线），好象不曾受到反复 加载的影响似的，这种现象称为岩石的变形记忆。
直接试验 试验方法
间接试验
间接试验 直接试验
3.岩石的抗剪强度
定义:岩石在剪切荷载作用下达到破坏前所能承受的
最大剪应力称为岩石的抗剪切强度（Shear
strength）。所能抵抗的最大剪应力常用 表示
非限制性剪切强度试验
试验方法
限制性剪切强度试验
非限制性
限制性
4. 三轴抗压强度
定义：岩石在三向压缩荷载作用下，达到破坏时所能承受 的最大压应力称为岩石的三轴抗压强度
真三轴 假三轴
2.3.2 岩石的变形性质
岩石在载荷作用下首先发生的现象是变形,随
着载荷的不断增加，或在恒定的载荷作用下，随着时间的
增长，岩石的变形逐渐增加，最终导致岩石的破坏。岩石 的变形性质对岩石工程有重要影响。岩石的单向、 二向、三向变形特征不同，但研究最充分的是岩 石的单向变形， 岩石的变形(用应变表示) 与载荷(用应力表示)有关， 但有时还与时间有关。当岩 石的变形不仅取决于应力还 取决于时间时，需要考虑岩 石的流变特性。
有各种不同的类型。
弹性体
弹塑性体
类型I:弹性体 类型II:弹塑性体 类型III:塑弹性体 类型IV:塑-弹-塑体 类型V:S型 类型VI:弹-粘性体
塑弹性体
塑-弹-塑性体
S型
弹-粘性体
2.反复加卸载条件下岩石的变形特性
a.线弹性岩石：加载路径与卸载路径重合，沿着同一直线往返. b.完全弹性岩石:加载路径与卸载路径重合，应力-应变曲线是
曲线； c.弹性岩石：加载与卸载曲线不重合，反复加载和卸载时，应
力-应变曲线服从环路规律； d.非弹性岩石：加载路径与卸载路径不重合，形成塑性滞回环；
(d)
1)弹塑性岩石等荷载循环加载变形特征
①等荷载循环加载：如果多次反复加 载与卸载，且每次施加的最大荷载与 第一次施加的最大荷载一样。
②塑性滞回环：则每次加、卸载曲线 都形成一个塑性滞回环。这些塑性滞 回环随着加、卸载的次数增加而愈来 愈狭窄，并且彼此愈来愈近，岩石愈 来愈接近弹性变形，一直到某次循环 没有塑性变形为止，如图中的HH‘环。
粘性
1）弹性(elasticity)：
线弹性体，其应力－应变呈直线关系σ=Eε
非线性弹性体，其应力—应变呈非直线的关系
σ=f(ε)
2）塑性（plasticity） ：
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
特点：①应变率随应力增加而减小； ②塑性变形（变形不可恢复）
原因：微裂隙闭合（压密）
2)弹性变形至微裂纹稳定发展阶段AC：
特点：①AB段为弹性变形阶段
②BC段为微裂纹稳定发展阶段
原因：岩石固体部分变形
1.单轴压缩下岩石的变形特征
应力-应变全过程曲线： 3）非稳定破裂发展阶段CD：
C点是岩石从弹性变为塑性的转折 点，称为屈服点。相应于该点的应 力为屈服极限，其值约为峰值强度 的2/3。进入本阶段后，微破裂的 发展出现了质的变化，破裂不断发 展，直至试件完全破坏。试件由体 积压缩转为扩容，轴向应变和体积 应变速率迅速增大。本阶段的上界 应力称为峰值强度。
其应力－应变Biblioteka 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）， 如图所示。
应力－应变速率关系：
σ=η dε/dt
1.单轴压缩下岩石的变形特征
应力-应变全过程曲线：
1)压密阶段OA：即试件中原有张开性结 构面或微裂隙逐渐闭合，岩石被压密， 形成早期的非线性变形，σ－ε曲线呈 上凹型。在此阶段试件横向膨胀较小， 试件体积随载荷增大而减小。本阶段 变形对裂隙化岩石来说较明显，而对 坚硬少裂隙的岩石则不明显，甚至不 显现。
③临界应力：当循环应力峰值小于某 一数值时，循环次数即使很多，也不 会导致试件破坏；而超过这一数值岩 石将在某次循环中发生破坏（疲劳破 坏），这一数值称为临界应力。当循 环应力超过临界应力时，岩石最终破 坏，给定的应力称为疲劳强度。
2)弹塑性岩石增荷载循环加载变形特征
①增荷载循环加载：如果多次反 复加载、卸载循环，每次施加的 最大荷载比前一次循环的最大荷 载为大。
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.
当σ <σo 时， ε=0
σ σ ε 当 ≥ o 时， ∞
塑性
3）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。
应变速率与时间有关，粘性与时间有关
2.3.2 岩石的变形性质
岩石的变形有弹性变形、塑性变形和粘性变形三种. 弹性：物体在受外力作用的瞬间即产生全部变形，而去除
外力后又能 立即恢复其原有形状和尺寸的性质。
塑性：物体受力后变形，在外力去除后变形不能完全恢复. 粘性：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
弹性
塑性
1. 岩石的单轴抗压强度
定义：岩石在单轴压缩荷载作用下达到破坏前所 能承受的最大压应力称为岩石的单轴抗压强度
σc=P/A P
A 式中：P——无侧限的条件下的轴向破坏荷载
A——试件截面积
P
2. 岩石的抗拉强度 定义：岩石在单轴拉伸荷载作用下达到破
坏时所能承受的最大拉应力称为岩石的 单轴抗拉强度(Tensile strength)。