岩石力学-岩石的变形特征
第3讲-岩石力学-岩石的变形、破坏特征
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。
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
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。
不能恢复的 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。
岩石的物理力学性质
n0
Vn0 V
100%
(5)闭空隙率nc: 即岩石试件内闭型空隙的体积（Vnc)占 试件总体积(V)的百分比。
nc
Vnc V
100%
2 、空隙比(e)
所谓空隙比是指岩石试件内空隙的体积（V V)与 岩石试件内固体矿物颗粒的体积（Vs)之比。
e VV V Vs n
Vs
Vs
1 n
四、岩石的水理性质
c 具有粘性的弹性岩石
由于应变恢复 有滞后现象，即加 载和卸载曲线不重 合，加载曲线弹模 和卸载弹模也不一 样。P点加载弹模 取过P点的加载曲 线的切线斜率，P 点卸载弹模取过P 点的卸载曲线的切 线斜率。
d、弹塑性类岩石
Ee e
2、变形模量
E0 e p
变形
弹性变形 塑性变形
线弹性变形 非线弹性变形
o
理想弹性体
s
o
线性硬化弹塑性体
s
o
理想弹塑性体
o
d
dt
理想粘性体
一、岩石在单轴压缩状态下的力学特性
1、σ～ε曲线的基本形状 美国学者米勒将σ～ε曲线分为6种。
σ～ε曲线的基本形状
致密、坚硬、少裂隙 致密、坚硬、多裂隙
少裂隙、 岩性较软
较多裂隙、 岩性较软
d
Ws V
d d g
（g/cm3） (kN /m3)
式中：Ws——岩石试件烘干后的质量(g)； V——岩石试件的体积(cm3)；
g——重力加速度。
3、饱和密度（ρ ）和饱和重度(γw)
饱和密度就是饱水状态下岩石试件的密度。
w
Ww V
（g/cm3）
w wg
(kN /m3)
式中：WW——饱水状态下岩石试件的质量 (g)； V——岩石试件的体积(cm3)；
岩石力学-岩体的变形特性
2.5 岩体的变形特性
2.5.3 岩体各向异性变形 试件模型：
12mmX12mmX36mm的 块体单元 x＝1表示贯通， x ＝0为完整试 件， x为分离度
①岩体力学性质具有各向异性， 变形、破坏机制、强度特征 不同。
②工程布置要考虑如何扬长避短， 充分发挥岩体自身强度，维 持工程稳定性。
④当卸荷至零并持续一定时间后，
有较大回弹变形，这是弹性后
效的表现。
⑤残余变形模量
E
a b
2.5 岩体的变形特性
2.5.2 岩体剪切变形特征 ①在屈服点前，变形曲线与抗压
变形相似，上凹型。 ②屈服点后，某个结构面或结构
体首先剪坏，随之出现一次应 力下降。峰值前可能发现多次 应力升降。升降程度与结构面 或结构体强度有关，岩体越破 碎，应力降反而不明显。 ③当应力增加到一定应力水平时， 岩体剪切变形已积累到一定程 度，没剪破的部位以瞬间破坏 方式出现，并伴有一次大的应 力降。 ④随后产生稳定滑移
2.5 岩体的变形特性
2.5.1 岩体的单轴和三轴压缩变形 特征
（1）岩体应力－应变全过程曲线 ①在加载过程，结构面压密与闭合，
应力－应变曲线，呈上凹型。 ②中途卸载有弹性后效现象和不可
恢复残余变形。这是结构面闭 合、滑移、错动造成的。 ③完全卸载，再加载形成形式上的 “开环型”曲线，这也是弹性 后效造成的。 ④峰值强度后，岩体开始破坏，应 力下降较缓慢，仍有残余应力， 这是岩体结构效应。
2.5 岩体的变形特性（单轴和三轴压缩变形特征）
（2）卸载时荷载不降至零时的应 力－应变曲线
①卸荷不降至零时的循环加载应力 －应变曲线呈“闭环型”。
②随着外荷加大、循环次数增多， 闭环后效，这是结构面逐级被 压密与啮合，这是结构面逐级 被压密与啮合所致。
第七讲 岩体变形
S波
2. 岩体中弹性波速的测定：
• P波的测定分析方法：见下图所示：关键是测定待测 距离上的走时差Δt。 计算方法如下式： 纵波波速： 横波波速：
t1 触 发 时 间 t2 t t3
•
vmp
vms
D t p D t s
（3-63） （3-64）
t
室内岩石声波速度测试原理图：
下图为国际岩石力学学会推荐的岩石声波测试法，为早 期的声波测试仪器。
静力法：承压板法、狭缝法、倾斜剪切仪法等； 动力法：声波法和工程地震法。
1. 承压板法：
– 测试方法如图3-27、3-28所示：加压过程记录并绘制p－ W曲线； – 求算岩体的变形模量Em和弹性模量Eme，单位MPa； – 分析原理：弹性力学半无限平面上受均布荷载作用时的 计算分析方法：J.Boussinesq解（刚性承压板）：
野外岩体声波测试简图：
– 现代的声波测试仪，由于无线电电子技术、集成技术的发展，老式 的脉冲发生器和时标发生器等都已经集成到示波器上，组成了集成 型的声波仪。 – 在有发射传感器和接收传感器的条件下，现场测试的方法如下图所 示：可测得从发射传感器到接收传感器之间的走时，在已知它们之 间的距离的条件下，即可求得声波传播速度。
画斜一点
3.4.2 岩体变形的现场测定
• 岩体变形的重要性：是评价岩体工程稳定性 的重要指标，是岩体工程设计的重要依据之 一。它类同于工程结构刚度条件。 岩体变形的现场测定方法：
按施加荷载作用方向分为：
法向变形试验：承压板法、狭缝法等； 切向变形试验：倾斜剪切仪法。
•
按施加荷载类型分为
vp E d (1 d ) (1 d )(1 2 d ) （3-61）
岩土所考博复习资料岩石力学(个人总结)第二章 岩石的基本物理力学性质
第二章岩石的基本物理力学性质第一节概述第二节岩石的基本物理性质一岩石的密度指标1 岩石的密度:岩石试件的质量与试件的体积之比，即单位体积内岩石的质量。
（1）天然密度：是指岩石在自然条件下，单位体积的质量，即（2）饱和密度：是指岩石中的孔隙全部被水充填时单位体积的质量，即（3）干密度：是指岩石孔隙中液体全部被蒸发，试件中只有固体和气体的状态下，单位体积的质量，即（4）重力密度：单位体积中岩石的重量，简称重度。
2 岩石的颗粒密度：是指岩石固体物质的质量与固体的体积之比值。
公式二岩石的孔隙性1 岩石的孔隙比：是指岩石的孔隙体积与固体体积之比，公式2 岩石的孔隙率：是指岩石的孔隙体积与试件总体积的比值，以百分率表示，公式孔隙比和孔隙率的关系式：三岩体的水理性质1 岩石的含水性质（1）岩石的含水率：是指岩石孔隙中含水的质量与固体质量之比的百分数，即（2）岩石的吸水率：是指岩石吸入水的质量与试件固体的质量之比。
2 岩石的渗透性：是指岩石在一定的水力梯度作用下，水穿透岩石的能力。
它间接地反映了岩石中裂隙间相互连通的程度。
四岩体的抗风化指标1 软化系数：是指岩石饱和单轴抗压强度与干燥状态下的单轴抗压强度的比值。
它是岩石抗风化能力的一个指标，反映了岩石遇水强度降低的一个参数：2 岩石耐崩解性：岩石与水相互作用时失去粘结性并变成完全丧失强度的松散物质的性能。
岩石耐崩解性指数：是通过对岩石试件进行烘干，浸水循环试验所得的指数。
它直接反映了岩石在浸水和温度变化的环境下抵抗风化作用的能力。
3 岩石的膨胀性：岩石浸水后体积增大的性质。
（1）岩石的自由膨胀率：是指岩石试件在无任何约束的条件下浸水后所产生膨胀变形与试件原尺寸的比值。
（2）岩石的侧向约束膨胀率：是将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膨胀率。
（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。
五岩体的其他特性1 岩石的抗冻性:岩石抵抗冻融破坏的性能。
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。
岩石的变形特性
线性硬化弹塑性体
o
理想弹塑性体
o
d
dt
理想粘性体
§3-2 广义虎克定律
弹性体内任一点的应力一应变关系都可写为 ：
x c11 x c12 y c13 z c14 xy c15 yz c16 zx
y c21 x c22 y c23 z c24 xy c25 yz c26 zx
就是说正应力不仅能引起线应变，还能引起剪应变。
3、本构方程：
x
y
xzy
yz
zx
a11 a 21 a31 a61
a12 a 22 a 32
a 62
a16 a 26 a 36
a 66
x y
xzy
yz
zx
即： A
上式用应力表示应变。
粘性（流变性）(viscosity)：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。
变形
弹性变形 塑性变形
线弹性变形 非线弹性变形
σ
F
o (a)
σ Q
P
εo (b)
σ
σ
P
F
P
Q
εo
N
M
ε o εp
εe
ε
(c)
(d)
几种典型的材料变形形状示意图
s
o
理想弹性体
s
o
2、岩石在三轴压缩条件下的力学特性； 3、岩体强度的各向异性； 4、岩石的流变性。
难点：岩石的流变性。
关键术语:
脆性、塑性、延性、粘性（流变性）；蠕变；松弛；弹 性后效；岩石的变形；全应力－应变曲线；刚性压力机。
要求：
1、须掌握本章重点难点内容； 2、了解影响岩石力学性质的因素； 3、理解岩石流变本构模型。
重大岩石力学第四版-许明土木工程岩石力学课程复复习重点课后习题以及解答
1.1解释岩石与岩体的概念，指出二者的主要区别与联系。
答：岩石是具有一定结构构造的矿物（含结晶和非结晶）的集合体。
岩体是只在地质历史过程中形成的，有岩石单元体（或称眼快）和结构面网络组成的，具有一定的结构并附存在一定的天然的应力状态和地下水等地质环境中的地质体。
岩石与岩体的重要区别就是岩体包含若干不连续面，由于不连续面的存在岩体的强度远远低于岩石强度。
1.2岩体的力学特征是什么？变形特征：有弹性；流变特征：蠕变；强度特征：由岩块岩石强度和结构强度共同表现。
结构完整，结构面不发育，岩石强度可替代岩体强度；岩体沿某一结构面产生整体华东，岩体强度受结构面强度控制。
1.3自然界中的岩石按地质成因分类可分为几大类，各有什么特点？答:按地质成因分类,自然界中岩石可分为岩浆岩、沉积岩和变质岩三大类。
岩浆岩按照岩浆冷凝成岩的地质环境不同又可分为深成岩、浅成岩和喷出岩。
其中深成岩常形成巨大的侵入体,有巨型岩体,大的如岩盘、岩基,其形成环境都处在高温高压之下,形成过程中由于岩浆有充分的分异作用,常常形成基性岩、超基性岩、中性岩及酸性、碱性岩等,其岩性较均一,变化较小,岩体结构呈典型的块状结构,结构多为六面体和八面体,岩体颗粒均匀,多为粗-中粒结构。
沉积岩是地面即成岩石在外力的作用下，经过风华，搬运，沉积固结等沉积而成。
其主要特征是1、层理构造显著。
2、沉积岩中常含古代生物遗迹，经过石化作用即形成化石，有的具有干裂、空隙、结核等。
变质岩岩性紧密，岩石重结晶明显；具有一定结构和构造，即为矿物颗粒定向排列2.1 名词解释：孔隙比、孔隙率、吸水率、渗透性、抗冻性、扩容、蠕变、松弛、弹性后效、长期强度、岩石的三向抗压强度孔隙比：孔隙比是土体中的孔隙体积与其固体颗粒体积之比空隙率：土体中空隙体积与土总体积之比，以百分率表示吸水率：是指岩石在大气压力和室温条件下吸水的质量与岩石固体颗粒质量之比的百分数之比-Wa渗透性：岩石在水压力作用下，岩石的空隙和裂隙通过水的能力。
岩石的力学特性及强度准则
岩石的力学特性及强度准则岩石力学性质主要是指岩石的变形特征及岩石的强度。
由于在石油工程中，并壁稳定、出砂分析、水力压裂、储层物性变化等都与岩石力学性质亲密相关，因此有必要讨论岩石的力学性质及其在物理环境下应力场中的反映。
影响岩石力学性质的因素许多，例如岩石的类型、组构、围压、温度、应变率、含水量、载荷时间以及载荷性质等。
要讨论这些简单因素对岩石力学性质的影响，只能在试验艾博希室内严格掌握某些因素的状况下进行。
岩石的变形特性，最直观的表达方法是通过应力一应变关系曲线及应变随时间变化的曲线来表示。
通常首先讨论在常温、常压（即室温与通常大气压）条件下岩石的力学性质，然后再考虑其他影响因素下岩石的力学性质。
这样才能渐渐弄清在地质条件下，综合因素对岩石力学性质的影响。
岩石在常温、常压下一般产生脆性破坏，但深埋地下的岩石却表现为明显的延性。
，岩石这一性质的变化是由于所处物理环境的转变造成的。
所谓脆性与延性至今尚无非常明确的定义。
一'般所谓脆性破坏是指由弹性变形发生急剧破坏，破坏后塑性变形较小。
延性是指弹性变形之后产生较大的塑性变形而导致破坏，或直接进展为延性流淌。
所谓延性流淌IC现货商是指有大量的永久变形而不至于破坏的性质* 对于岩石而言，破坏前的应变或永久应变在3%以下可作为脆性破坏，5%以上作为延性破坏，3% 一5%为过渡状况。
由于地下的岩体和井壁围岩均处于三向应力状态，所以对岩石力学性态的测定不能靠简单的单轴压缩试验方法，而必需在肯定的围压作用厂（必要时还要考虑温度的作用）进行试验测定。
真三轴试验（岩石上三个主方向的作用力均不等）非常简单，一般均不采纳。
普退采纳的是常规三轴压缩试验方法，一般用圆柱形岩样，在其横向施加液体围压，即在水平的两个主方向上的应力相等且等于围压久，如图1—1所示。
假如上下垫块是带孔可渗透的，亦可通入孔隙流体压力以讨论孔隙压力的影响。
在试验过程中把岩样放在高压室中先对岩样四周用围压油加压至所需的值9c（需要时亦可加孔隙压至所需的夕。
岩体力学获奖课件
岩石越硬，BC段越 短，脆性性质越明显。
脆性：应力超出屈 服应力后，并不体现 出明显旳塑性变形旳 特征，而破坏，即为 脆性破坏。
• b.弹性常数与强度旳拟定
• 弹性模量国际岩石力学学会（ISRH）建议 三种方法
•
•
E0
初始模量
d d
c
0
•
E50 / 50
• 割线模量
•
Et d / d 50
b.实际岩石旳流变性是复杂旳，是三种基本元件旳不同 组合旳性质，不是单一元件旳性质。
c.用粘弹性体：研究应力不不小于屈服应力时旳流变性 ；
用粘弹塑性体：研究应力不小于屈服应力时旳流变性 。
5.2 组合模型及其性质
(1)串联和并联旳性质
串连即两个或多种元件首尾依次相联旳模型。
并联即两个或多种元件首与首、尾与尾相联旳模型。
松驰：应变恒定，岩石中旳应力随时间降低，这种现象称“松 驰”。
（一）经典旳蠕变曲线（分三阶段）
1、初始蠕变阶段（瞬变蠕变阶段）AB。
特点：① 有瞬时应变 0（OA）；② t ，应
变率随时间增长而减小；③卸载后，有瞬时恢复变 形，后弹性后效，弹性后效，变形经过一段时间后 ，逐渐恢复旳现象。
特点：
①岩石旳原生和新生裂隙贯穿，到达D点，靠碎块间旳摩擦 力承载，故 D —称为残余应力。 ②承载力伴随应变增长而降低，有明显旳软化现象。
（3）全应力——应变曲线旳补充性质
①近似对称性 ②B点后卸载有残余应变，反复加载沿另一曲线上 升形成滞环(hysteresis) ，加载曲线但是原卸载 点，但邻近和原曲线光滑衔接。
c.无应力松弛 d.无蠕变流动
5.1 描述流变性质旳三个基本元件
(2)塑性元件
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。
岩石力学知识点总结归纳
岩石力学知识点总结归纳一、岩石力学的基本概念岩石力学是研究岩石在受力作用下的物理性质及其变化规律的一门学科。
岩石在地质作用过程中经历了变形、破裂、流动等多种力学过程，岩石力学的研究内容主要包括以下几个方面：1. 岩石的力学性质：包括岩石的强度、变形特性、破裂特性等。
2. 岩石的应力状态：描述了岩石在外力作用下的应力分布情况，可以通过数学模型和实验方法进行研究。
3. 岩石的变形特征：描述了岩石在受力条件下的变形形态、速率和规律。
4. 岩石的破裂特征：描述了岩石在受力作用下发生破裂的条件、形态和机制。
二、岩石力学的研究方法岩石力学的研究方法主要包括实验方法、数值模拟和野外观测等多种手段。
1. 实验方法：可以通过室内试验和野外试验进行岩石的强度、变形、破裂等力学性质的研究。
室内试验主要包括拉压试验、剪切试验、压缩试验等，野外试验主要包括岩石体应力测试、岩体位移观测等。
2. 数值模拟：通过数学模型和计算机仿真手段，可以对岩石的应力状态、变形特征、破裂机制等进行模拟分析。
数值模拟方法可以有效地预测岩石的力学性质和岩体工程行为。
3. 野外观测：通过野外实际观测手段，可以对岩石的受力状态和破裂特征进行直接观测和记录，为岩石力学研究提供实际数据支持。
三、岩石力学的应用领域岩石力学作为一个重要的地质力学分支学科，在岩石工程、地质灾害防治、地下岩体开采和地质资源勘探等方面有着广泛的应用。
1. 岩石工程：岩石力学的研究成果为岩石工程设计和施工提供了理论指导和技术支持，如岩体边坡稳定分析、地下隧道开挖设计等。
2. 地质灾害防治：岩石力学可以帮助预测和评估地质灾害的危险性，如地质滑坡、岩爆等，为防治工作提供依据。
3. 地下岩体开采：岩石力学研究对于矿山开采、煤矿支护、油田注水等地下工程具有重要的指导意义。
4. 地质资源勘探：岩石力学可以帮助评价和预测地质资源的分布、产量和利用价值，为资源勘探提供依据。
综上所述，岩石力学作为地质力学的一门重要分支学科，对于岩石工程、地质灾害防治、地下岩体开采和地质资源勘探等领域具有重要的理论和实践价值。
岩石力学性质-变形
岩石是矿物的集合体，具有复杂的组成成分和结构，因此其 力学属性也是很复杂的。
这一面受岩石成分与结构的影响；
另一方面还和它的受力条件，如荷载的大小及其组合情况、加载 方式与速率及应力路径等密切相关。
例如，在常温常压下，岩石既不是理想的弹性材料，也不简单的塑 性和粘性材料，而往往表现出弹一塑性、塑一弹性、弹一粘一塑或 粘一弹性等性质。
例如：较弱的石灰岩、泥岩以及凝 灰岩等。
h
15
单轴压缩条件岩石应力－应变曲线6种类型
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。 由于这些岩石低应力时表现出塑性， 高应力时表现出弹性，所以被称为 塑—弹性岩石。 例如：砂岩、花岗岩、片理平行于 压力方向的片岩以及某些辉绿岩等。
2.4.2岩石的力学性质－岩石的变形
上节课内容： 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。 本节课接着讲： 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。
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。
h
7
2.4.2.1岩石变形性质的几个基本概念
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。
想粘性体（如牛顿流体），如图所示。 应力－应变速率关系：
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；
第4章岩石的变形
4.2 岩石变形性质的室内测定
3 岩石现场变形试验：
环形加荷法
3）钻孔膨胀计法
又叫钻孔弹模计法，自六十年代起发展很快，它有下列优点：设备 简单、轻便、可以装拆供多次使用和进行大量试验，特别是可以在岩体 的深部和有水的地方进行(例如可在地下200m或更深的钻孔中进行试验)。 扰动岩体小；不需专门开挖试验洞，因而费用较少；
石灰岩
1～8×104
0.30
粗玄岩
8～11×104 0.25
白云岩
4～8.4×104
0.25
辉长岩
7～11×104 0.25
煤
1～2×104
0.30
玄武岩
6～10×104 0.25
4.2 岩石变形性质的室内测定
3 岩石现场变形试验：
现场变形试验也称原位变形试验，它比实验室变形试验更能反映天 然岩体的性质(例如裂隙、节理等地质缺陷)，所以有条件最好做这种试 验。
4.2 岩石变形性质的室内测定
2 三轴压缩试验：
表4-1
零荷载时岩石的弹性常数
岩石
(MPa)
岩石
(MPa)
花岗岩
2～6×104
0.25
砂岩
0.5～8×104
0.25
细粒花岗岩 3～8×104 0.25
页岩
1～3.5×104
0.30
正长岩
6～8×104
0.25
泥岩
2～5×104
0.35
闪长岩
7～10×104 0.25
4.1 岩石的变形特征
岩石变形的概念：
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不同围压下同种岩石的应力-应变曲线
第四节 岩石的流变性质
岩石的变形和应力受时间因素的影响。在外部条 件不变的情况下，岩石的应力或应变随时间变化 的现象叫流变。
岩石的流变性主要包括以下几个方面：
蠕变：在恒定应力条件下，变形随时间逐渐增长的现象 松弛：应变一定时，应力随时间逐渐减小的现象 流动特征：指时间一定时，应变速率与应力的关系 长期强度：指长期荷载（应变速率小于10-6／s）作用下 岩石的强度
粘性与流变
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。 应变速率随应力变化的变形称为流动变形。 流变(rheology )：材料的应力、应变随时间变化而
变化的现象。
岩石变形的表示方法
• 岩石的变形特性常用弹性模量E和泊松比μ两个常数来表示。 • 如果把岩石当作弹性体，用E、μ来描述岩石的变形特性是足 够的。 • 但实际情况说明，仅仅用这些弹性常数来表征岩石的变形性质 是不够的，因为许多岩石的变形是非弹性的，即荷载卸去后岩 石变形并不能够完全恢复。特别是在现场条件下岩石有裂隙、
p
e
逐级循环加载条件下的变形特性
应力-应变曲线的外包线与连续加载条件下的曲线基本 一致，说明加、卸荷过程并未改变岩块变形的基本习 性，这种现象称为岩石记忆。
每次加荷、卸荷曲线都不 重合，且围成一环形面积 称为回滞环
随循环次数增加，塑性滞回环的 面积有所扩大，卸载曲线的斜率 （代表岩石的弹性模量）逐次略 有增加，这个现象称为强化。
基岩的不均匀变位可以使坝体的剪应力和主拉应力增长，造成开裂
错位等不良后果。如果岩基中岩石的变形性质已知并且在岩基内这 此性质的变化也已确定，那么在坝施工中可以采取必要措施防止不 均匀变形。
1.材料的变形性质
按照岩石的应力-应变-时间关系，可将其力学属性
划分为弹性、塑性和粘性。
d dt
④ 微裂隙非稳定发展阶段(CD) ⑤ 破坏后阶段(DE)
2)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。
i
i E i
o
i
L
2)变形参数: 应力-应变关系不成直线
3.循环加载方式单轴压缩条件下的岩块变形
1. 单轴抗压实验
单轴实验下岩石的变形
2.连续加荷方式单轴压缩条件下的岩块变形
典型的岩石应力-应变曲线：
v
r
e
r
o
a
1)变形阶段的划分—几个概念
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。
1)变形阶段的划分—几个概念
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
1)变形阶段的划分—几个概念
p
e
A B
v
r
C
r
o
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
1)变形阶段的划分—几个概念
p
e
A B
v
r
C
r
o
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.
应力水平对蠕变的影响
盐岩蠕变实验结果表明：偏应力越大，蠕变过程中 的轴向应变越大。
2. 岩石蠕变的影响因素
温度对蠕变的影响
温度越高，总的应变量越小； 温度越高，第二阶段的斜率越小。
湿度对蠕变的影响
饱和试件第二阶段应变速率和总应变量都将大 于干燥状态下的试件结果。
3. 蠕变模型
蠕变与松弛的示意图
t
常数
蠕变：应力不变， 应变随时间发生 变化。
o
t
常数
0
松弛：应变恒定， 应力随时间而减 小。
o
t
岩石的松弛的分类
岩石的松弛特性可以分为四种类型：
1) 立即松弛：应力立即消失 到0。 6 2) 完全松弛：应力逐渐消失 直至为0。 4 5 3) 不完全松弛：应力逐渐减 小，但最终不为0。 2 3
1 Et 2 2 1
弹性模量：弹性段的斜率
2
50 1 i o
50 50
割线模量：极限强度50%所 对应点的斜率
Ei
Ei i i
初始模量：初始段 应力-应变曲线的切 线的斜率
1 50 2
i L
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
ε
σ
ε
类型Ⅲ
类型Ⅳ
σ
ε
σ
ε
3)峰值前的变形机理
ε ε
类型Ⅴ：基本上与Ⅳ相同，也呈 S形。曲线的斜率较平缓。 类型Ⅲ 类型 Ⅳ 一般发生在压缩性较高的岩石中。压力垂直于片理的片岩 具有这种性质。 类型Ⅵ：弹-塑-蠕变性—是盐岩的特征，开始有很小一段 直线部分，然后有非弹性的曲线部分，并继续不断地蠕变。 某些软弱岩石也具有类似特性。 ε ε
常规三轴实验示意图
施加轴向压力
施加围压
围压对变形破坏的影响
• 围压增大，岩石的抗压强度(峰值强度)增大。
• 围压增大，岩石的变形模量(弹性模量)增大。软
岩增大明显，硬岩石增大不明显。
• 围压增大，岩石的塑性增强。
• 围压增大，岩石的破坏方式从脆性劈裂向延性破
坏(塑性流动)过渡。
围压对变形破坏的影响
（一）基本介质模型
岩石性质变化范围大，用多种模型来表述。主要性质： 弹性、塑性、粘性（流变）。
1）弹性模型（胡克体） 2）粘性模型（牛顿体） 3）理想塑性模型（圣维南体）
物体
基本模型 无伸缩刚杆
应力-应变关 系
应力应变方 程
说明
刚性固体 (欧几里德) 弹性固体 (胡克) 粘滞流体 (牛顿) 塑性固体 (圣维南)
类型Ⅰ 类型 Ⅱ
σ
ε
σ
ε
3)峰值前的变形机理
类型Ⅰ 类型 Ⅱ 类型Ⅲ：塑 -弹性—应力较低时，曲线略向上弯，应力增加 到一定数值逐渐变为直线，直至试样破坏。典型岩石：花 岗岩、片理平行于压力方向的片岩以及某些辉绿岩。
σ
类型Ⅳ：塑-弹-塑性—压力较低时，曲线向上弯曲；压力 增加到一定值后，曲线就成为直线；最后，曲线向下弯曲； 曲线似S形。典型岩石：大理岩、片麻岩。
1)变形阶段的划分—几个概念
峰前 峰后
v
r
c
D
p
e
A B
C
a
E
r
o
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。
1)变形阶段的划分—五个阶段
峰前 峰后
v
r
c
D
p
e
A B
C
a
E
r
o
a
① 空隙压密阶段(OA) ② 弹性变形阶段(AB) ③ 微裂隙稳定发展阶段(BC)
塑性变形的概念 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。
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。
岩石的变形特征
主要内容
第一节 概述
第二节 单轴压缩下的岩石变形特征 第三节 三轴压缩下的岩石变形特征 第四节 岩石的流变特性
第一节 概述
岩石变形的概念
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。
岩石变形对工程的影响
坝建在多种岩石组成的岩基上，这些岩石的变形性质不同，则由于
反复加卸载条件下的变形特性
岩块的破坏产生在反复加、卸荷曲线与应力-应变 全过程曲线交点处。这时的循环加、卸荷试验所给 定的应力，称为疲劳强度。它是一个比岩块单轴抗 压强度低且与循环持续时间等因素有关的值。
第三节 三轴压缩条件下的岩块变形
三轴实验分类：
真三轴实验 1>2>3
常规三轴实验
1>2=3 真三轴实验示意图
弹性
塑性
粘性
弹性变形的概念
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。
产生的变形称为弹性变形 具有弹性性质的物体称为弹性介质
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
小值。
典型的蠕变曲线
在初始蠕变阶段中某一点P卸载，应变沿PQR下降至零。卸荷
后应力立即消失，但应变随时间逐渐恢复，二者恢复不同
步—应变恢复总是落后于应力，这种现象称为弹性后效。 BC段-等速蠕变阶段（稳定蠕变阶 段)：曲线呈近似直线，即应变随 时间近似等速增加，直到C点。若 在本阶段内某点T卸载，则应变将 沿TUV线恢复，最后保留一永久应 变ε p。 CD段-加速蠕变阶段：蠕变加速发 展直至岩块破坏(D点)。
2. 岩石蠕变的影响因素
岩石本身性质是影响其蠕变性质的内在因素。
8 页岩 6
ε （10-5）
4 2 2 页岩 花岗岩 4 6 8 10 12
2. 岩石蠕变的影响因素