第二章岩石变形及影响因素
2.5 岩石影响强度的因素
8
三、水对岩石力学性能的影响 岩石中的水 结合水（连结、润滑、水楔作用） 结合水（连结、润滑、水楔作用） 重力水（ 自由水） 孔隙压力、 重力水 （ 自由水 ） （ 孔隙压力 、 溶 蚀及潜蚀作用） 蚀及潜蚀作用）。 水对岩石力学性质的影响与岩石的孔隙性 和 水对岩石力学性质的影响与岩石的 孔隙性和 水理性 孔隙性 （吸水性、软化性、崩解性、膨胀性、抗冻性）有关。 吸水性、软化性、崩解性、膨胀性、抗冻性）有关。 水对岩石力学性质的影响主要体现在5个方面： 水对岩石力学性质的影响主要体现在5个方面： 连结作用、润滑作用、水楔作用、孔隙压力作用、 连结作用、润滑作用、水楔作用、孔隙压力作用、溶 蚀及潜蚀作用。 蚀及潜蚀作用。
10
水楔作用：当两个矿物颗粒靠得很近， 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， 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， 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， 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。 作用。
19
六、 受力状态对岩石力学性能的影响
岩石的脆性和塑性并非 岩石固有的性质， 岩石固有的性质 ， 而与岩石 的受力状态有关， 的受力状态有关 ， 随着受力 状态的变化， 状态的变化 ， 其脆性和塑性 时可以相互转化的。 时可以相互转化的。 例如坚硬的花岗岩在很高 的地应力条件下， 的地应力条件下 ， 表现出明 显的塑性变形。 显的塑性变形 。 这与试验结 果吻合。 果吻合。
16
c. 边坡失稳降雨的诱发因素 2001年该地区出现几十年未遇的特大旱情,由于大旱后 被砂粘土层覆盖的风化壳型边坡, 经过强烈蒸发后, 地下 水位出现不同程度的降低, 形成深厚的非饱和区, 使坡体 内的地下水位对表水进入反应敏感。2002年4 月, 当地 出现连续暴雨, 雨势急猛, 月降雨量高达500~ 600mm, 大量雨水汇集浸入坡体, 边坡剪出口出水量亦随之增大、 混浊。经取样试验(见表1) , 大荒田边坡大旱降雨 后, 内摩擦角平均降低了31.1%, c 值平均降低了 45.0%, 通过计算知, 2001年10月大旱时边坡的稳定系数 为1.07, 而在2002年4月降雨后则剧降至0.89。
普通地质学-第二章-岩石圈
第二章岩石圈第一节岩石圈的表面形态特征地球的表面呈高低起伏不平，有海洋和陆地两大地貌单元组成陆地面积占全球面积的29.2%海洋面积占全球面积的70.8%海洋平均深度为-3728m（-3794、-3908）地球最高点：为我国西部的珠峰、海拔88地球上最低点：为太平洋西部的马利亚纳海沟约为-11034m海陆最大高差近20公里海洋面积占总面积的2/3，多分布在北半球陆地面积占总面积的1/3，多分布在北半球一、陆地地形地球上的陆地并不是一个整体，而是被海洋分割成大大小小的块体，大块的叫大陆或大洲，小的叫岛屿根据陆地表面的海拔高度和起伏形态，陆地分六种基本形态山地：对不同高程山的统称，线状延伸的山称为山岭；由若干条山岭组成的山称山脉，山地海拔高程大于500米，相对高程大于200米。
根据海拔高度山地：低山区（500—1000米）中山区（1000-3500）高山区（3500-5000）极高山区（大于7500）高原：海拔600米以上，顶面平坦，面积大，起伏小的宽阔高地，世界上最高的高原是我国的青藏高原，平均海拔高度超过4000米。
盆地：四周被山地或高原所围，中央低平，如四川盆地丘陵：起伏小，海拔高程小于500米，相对高度小于200米，一般是峰圆坡缓，分布于不同高程平原：海拔高度小于200米，地面高度变化很小，略有波状起伏，表面平坦，如我国的华北平原、长江中下游平原。
洼地：陆地上地势低于海平面以下的地带，如我国西北吐鲁番盆地的艾丁湖，称为克鲁沁洼地。
由以上可知，陆地面积起伏变化十分复杂，有峰峦高耸、地面崎岖的山地、山脉，也有高低不大坡地缓和的丘陵，有海拔较高、面积广大的高原、也有低平宽广、起伏微小的平原、还有周围高、中间低的盆地等。
二海底地形地球表面被海水覆盖的大洋底部也是起伏不平的，根据起伏特征分为1 大陆架是陆地向海的自然延伸部分，构成围绕大陆的浅水平台，水深区在200米以内，平均坡度为-0.3，宽度几十至几百公里。
课件岩石的流变性及影响岩石力学性质的主要因素
05
实际应用与案例分析
工程实例
隧道工程
在隧道施工过程中，岩石的流变性可能导致隧道围岩变形，影响隧道稳定性。 例如，某隧道在施工过程中出现了围岩大变形，分析认为是由于岩石的流变性 引起的。
边坡工程
岩石的流变性对边坡稳定性也有重要影响。例如，某水库大坝的边坡在蓄水过 程中发生了滑坡，分析认为是由于岩石的流变性导致的。
岩石的流变性质与岩石的微观结构、矿物成分和 缺陷等密切相关。通过研究岩石的微观结构和成 分，可以进一步揭示岩石流变性质的机制和规律 。
研究展望
未来研究可以进一步深入探 讨岩石流变性质的影响因素 和机制，如温度、应力和孔 隙压力等对岩石流变性质的 作用方式和相互关系。
针对不同类型和性质的岩石 ，可以开展更加细致和深入 的实验研究和数值模拟，以 揭示其流变性质的规律和特 点。
水和化学物质
水和其他化学物质可以与岩石中的矿物发生化学反应，改变其 结构和性质，从而影响其力学性质。例如，水可以软化某些岩 石，使其强度和硬度降低。
时间因素
时效性
随着时间的推移，岩石的力学性质可 能会发生变化。例如，长期暴露在自 然环境中，岩石可能会发生风化和侵 蚀，导致其强度和硬度降低。
疲劳效应
在循环载荷或交变载荷作用下，岩石 会发生疲劳断裂。随着时间的推移， 这种疲劳效应会导致岩石的强度逐渐 降低。
04
岩石流变性对岩石力学性质的影响
流变性对岩石强度的影响
总结词
流变性对岩石强度的影响是复杂的，它可以通过改变岩石内部的应力分布和裂纹 扩展方式来影响岩石的强度。
详细描述
岩石的流变性主要表现在其内部的微裂纹和孔隙在应力的作用下逐渐扩展和连通 ，这会导致岩石强度的降低。同时，流变性的发展也会改变岩石内部的应力分布 ，使得应力集中区域发生变化，从而影响岩石的强度。
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。
2.4岩石的变形特性
（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5个阶段：1-3阶段
同普通试验机。
CD阶段（应变软化阶段）：
①该阶段试件变形主要表现为沿宏观断裂面的块体滑移；
②试件仍具有一定的承载力，承载力随应变的增大而减小，但
并不降到零，具有明显的软化现象。
D点以后（摩擦阶段）：反映断裂面的摩擦所具有的抵抗外力的能力。
P
C
B
A O
D
峰后曲线特点： ① 第5阶段岩石的原生和新生裂隙贯穿，到达D点后，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
① 曲线呈近似对称性； ② C点后卸载有残余应变， ③ 每次加载与卸载曲线都不重合，且围成一环形面积，称 为塑性滞环， ④ 加载曲线不过原卸载点，但在邻近处和原曲线光滑衔接。
⑤弹性后效特性：
由蠕变方程看出，应力保持一定时，模型应变由弹簧的瞬时应变和粘 壶的蠕变应变组成。如果在某一时刻卸除载荷，弹簧应变将立即恢复，而 粘壶的蠕变应变将残留保持不变，即该模型无弹性后效，存在永久应变。
分3个阶段： （1）原生微裂隙压密阶段（OA级）
特点：① 1 1 曲线 ，曲线斜率↑，应变率随应力增 加而减小；
②变形：塑性，非线性（变形不可恢复） 原因：微裂隙闭合（压密）。裂隙岩石明显，坚 硬少裂隙岩石不明显，甚至不出现本段。
（2）弹性变形阶段（AB段） 特点：① 1 1 曲线是直线； ② 弹性模量E为常数（卸载，变形可恢复） 原因：岩石固体部分变形，B点开始屈服，B点对应的应 力为屈服极限 B 。
岩石刚度：k s
与
k
s
影响岩石变形的因素
岩石结构
颗粒大小
岩石中颗粒的大小会影响其变形特性。一般来说，颗粒较细 的岩石具有较好的塑性和韧性，而颗粒较粗的岩石则更容易 发生脆性断裂。
颗粒形状
颗粒的形状也会影响岩石的变形特性。不规则形状的颗粒可 以更好地传递应力，减少应力集中，从而降低岩石发生脆性 断裂的可能性。
孔隙度和渗透率
孔隙度
孔隙度较高的岩石，其内部存在较多的空隙，这些空隙会在一定程度上影响岩石 的强度和变形特性。孔隙度越高，岩石的强度越低，更容易发生变形。
热膨胀与热收缩
温度升高时，岩石会发生热膨胀， 降低时则发生热收缩，这种变化会 导致岩石内部应力的重新分布，进 而影响其变形。
热液作用
高温条件下，岩石中的水或其他流 体可能形成热液，这些热液在岩石 中流动会对其变形产生重要影响。
压力
高压与低压
围压效应
在高压条件下，岩石的变形行为与低 压条件下显著不同。高压条件下，岩 石的变形通常更加复杂，涉及更多的 物理和化学过程。
土地利用变化
随着城市化进程的加速，土地利用方式发生了巨大变化， 大量自然山体被削平、填方等，导致岩体失去原有的支撑 和保护，容易发生变形和破坏。
土地利用变化还可能引发地面沉降、山体滑坡等地质灾害 ，这些灾害不仅影响城市建设和居民生活，也对周边地区 的生态环境造成威胁。
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渗透率
渗透率较高的岩石，其内部流体流动较为容易。在应力的作用下，流体可能会产 生一定的压力，这会对岩石的变形产生一定的影响。同时，渗透率的差异也会导 致岩石内部应力的分布不均匀，从而影响其变形特性。
02 外部因素
温度
温度变化
随着温度的升高或降低，岩石的 物理性质和化学性质会发生改变，
岩石力学-岩石的变形特征
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。
岩体力学第二章岩石的基本物理力学性质PPT课件
岩石的强度和破坏
强度
岩石抵抗外力破坏的能力， 通常分为抗压、抗拉和抗 剪强度。
破裂准则
描述岩石在不同应力状态 下从弹性到破坏的过渡规 律。
破裂模式
岩石破坏时的形态和方式， 如脆性、延性、剪切等。
04
岩石的物理力学性质与岩体力学应用
岩石的物理力学性质在岩体工程设计中的应用
岩石的物理性质在岩体工程设计中具有重要影响， 如密度、孔隙率、含水率等参数，决定了岩体的承 载能力和稳定性。
岩石的物理力学性质在岩体工程治理中的应用
在岩体工程治理中，需要根据岩石的 物理力学性质制定相应的治理方案。
在治理过程中，还需要根据岩石的变形和 破坏模式，采取相应的监测和预警措施， 以确保工程治理的有效性和安全性。
如对于软弱岩体，可以采用加固、注浆等措 施提高其承载能力和稳定性；对于破碎岩体 ，可以采用锚固、支撑等措施防止其崩塌和 滑移。
弹性波速
表示岩石中弹性波传播速度， 与岩石的密度和弹性模量等有 关。
岩石的塑性和流变
01
02
03
塑性
当应力超过岩石的屈服点 时，岩石会发生塑性变形， 不再完全恢复到原始状态。
流变
在长期应力作用下，岩石 的变形不仅与当前应力状 态有关，还与应力历史有 关。
蠕变
在恒定应力作用下，岩石 变形随时间逐渐增加的现 象。
岩体力学第二章岩石的基本物 理力学性质ppt课件
目
CONTENCT
录
• 引言 • 岩石的物理性质 • 岩石的力学性质 • 岩石的物理力学性质与岩体力学应
用 • 结论
01
引言
岩石的基本物理力学性质在岩体力学中的重要性
岩石的基本物理力学性质是岩体力学研究的基础，对于理解岩体 的变形、破坏和稳定性至关重要。
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。
岩石性质影响因素
例如：虽然黑色矿物的强度较浅色矿物的强
度为低，但新鲜的基性和超基性岩石（黑色 矿物含量高）比酸性岩石的强度高。
黑色矿物——橄榄石、辉石、角闪石、黑云母等 浅色矿物——基性斜长石、酸性斜长石、钾长石、石英等
2.碎屑沉积岩胶结物的成分对其强度的
影响（硅质—铁质—钙质—泥质）
3.粘土矿物的种类和含量对岩石强度， 尤其是对岩体中结构面填充物强度有 极大影响。
结构的影响
颗粒间的牢固联结是岩石的一种重要结构特征。从工程地 质观点，岩石颗粒间的联结特征包括——
联结性质 联结质量——吸引力的大小，主 胶结物成分 要取决于相邻质点的距离和吸引
力的特性
胶结类型 联结程度
联结数量——联结面积的大小， 颗粒大小，形状，胶结类型。例 如细粒岩石的力学性能总是高于 由粗粒组成的风化程度相同的同 类岩石
围压
岩石力 时间 学性质 温度
孔隙 流体
弹性变形 ：岩石在外力作用下发 生变形，当外力解除后，又完全 恢复到变形前的状态，该变形称 为弹性变形 。特点：应力和应变 成正比，符合虎克定律。
σ=Ee
E—弹性模量/杨氏模量
塑性变形：随着外力继续增加， 变形继续增大，当应力超过岩石 的弹性极限后，再将应力撤去， 变形岩石已不能完全恢复原来的 形状，保留一定的永久变形，该 变形称为塑性变形 。
岩石力学性质及影响因素
岩石力学性质主要是指岩石的变形特征及岩石的强度。
影响岩体力学性质的主要因素
岩体的内在特点—— 岩体的
矿物成分和结构
外部条件——水的影响、作用
力的特点、温度、地应力等因素
对任何工程现象来说，只有将某些因素影响下的岩 石力学性质逐一进行研究，才能认识到哪些是主要影响 因素，哪些是次要因素。从而得出某些参数，建立岩石 的本构方程和破坏准则，为进一步研究分析提供一定模 式与依据。
岩石的力学性质及其影响因素
第二十八页
Tutuncn和Sharma在室内对饱和低渗透砂岩进行三轴应力 下的动、静态同步测试得出：Ed大于Es，纯砂岩中Ed与Es差 别大，而泥质砂岩差别较小。粉砂岩和泥岩动静态弹性模量 的转换系数为0.68，白云岩质的粉砂岩为0.73，灰岩和白云 岩为0.79。
第二页
对任何工程现象来说，只有将某些因素影响下的岩石力学 性质逐一进行研究，才能认识到哪些是主要影响因素，哪些是 次要因素。从而得出某些参数，建立岩石的本构方程 (constitutive equation )和破坏准则(failure criterion )，为进一步研究分析提供一定模式与依据。
第四页
图3－1 准备岩心
第五页
样品采集和岩石学审查
钻岩心 几何形状检验
端面切割 端面磨平
环境存放
样品包裹（围压实验）
实验
图3－2 制备岩样的程序
第六页
图3－3 检查岩心的规则程度
第七页
二、实验研究的基本方法
将岩石试件放置在常规压力机（load frame ）或刚性压力机 （ load frame stiffness ）上进行加载，其应变可以通过在试件 上粘贴应变片（strain gauge ），由电阻应变仪测定。
L
L L
E F A L L
第十六页
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
E0
d d
0
割线模量
c
E50 / 50
切线模量
极限强度 Et d / d 50
c
第十七页
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；
高温高压对岩石物性与变形的影响
高温高压对岩石物性与变形的影响引言：地球表面以下深处，孕育着无数巨大而神秘的岩石。
这些岩石在各种极端条件下生存，受到高温和高压的支配，展现出了令人惊叹的物性与变形行为。
本文将探讨高温高压对岩石的影响，揭示其物性演变和造山作用等方面的奥秘。
第一部分：高温对岩石物性与变形的影响在高温条件下，岩石的物性经历了显著的变化。
首先，高温使岩石的内部结构发生了变化。
岩石中的矿物晶体在高温下会发生相变，形成新的晶相。
这种相变会导致岩石的强度和刚性发生变化，进而影响岩石的变形特性。
其次，高温还会引发岩石内部的热胀冷缩效应。
当岩石受热膨胀时，其体积增大，可能导致岩石的裂隙扩大或岩石整体产生变形。
反之，当岩石受冷缩时，体积的收缩可能导致岩石的应力增加，进而引发岩石的断裂和变形。
第二部分：高压对岩石物性与变形的影响高压条件下，岩石的物性和变形行为也存在着独特的特点。
首先，高压可以增加岩石的密度和压实程度。
岩石受到压力的作用，其晶格间距减小，原子之间的相互作用增强。
这种压实效应会影响岩石的强度和硬度，使其具有更好的抗变形能力。
其次，高压还能够改变岩石中的储存矿物的状态。
在高压下，一些矿物会发生相变，形成具有特殊物性的相。
这些相变不仅会改变岩石的物理和化学性质，还会对岩石的变形行为产生重要影响。
此外，高压还可以引发岩石的蠕变变形。
当岩石在高压下长时间受到应力的作用时，岩石内部的晶体结构会发生微观位移和形变，从而导致岩石整体的变形。
第三部分：高温高压对岩石物性与变形的综合影响高温高压同时作用下，岩石的物性与变形行为更加复杂和多样化。
高温高压环境下的岩石通常处于构造运动和造山作用的压力下，发生了大规模的岩石变形和变质过程。
此时，岩石的变形行为不仅受到温度和压力的影响，还受到应力和应变的综合效应。
高温高压环境下的岩石变形往往表现出复杂的层状变形、薄片状变形和褶皱等构造特点。
这种复杂的岩石变形与地壳构造运动及板块碰撞有密切关系，对于认识地壳演化和地球动力学过程具有重要意义。
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（5）相当于岩石离地表更 深，围压大于500Mpa，温 度超过500℃或应变速率小 于10-12/s 情况，岩石呈现出 完全塑性状态，这可能相 当于各种复杂流变褶皱形 成的物理环境，塑性增加 使永久变形大于10%。
据Griggs,1960
4. 应变硬 化和应 变软化
影响应变软化的显微机制： （1）流体和水的作用； （2）变形过程中矿物定向排列； （3）变形过程中矿物粒度细化； （4）变形过程中显微分层构造形成； （5）变形过程中矿物边界的动态迁移； （6）变形过程中的动态重结晶作用； （7）构造变质作用； （8）应变能和摩擦热能的积累；
据Griggs,1960
（2）岩石离地表有一定深度，其 围压与温度较第一种情况稍高，但 应变速率及空隙水压力很低的情况， 岩石表现出少量的塑性，随着塑性 增加破坏前永久应变增加到1~5%， 岩石破坏时边缘出现与最大主应力 σ1方向夹角小于45°的局部剪切 破裂面，而大范围仍沿着最大主应 力方向成张性破裂，其应力—应变 曲线最初呈现近似线性关系，超过 弹性极限则略有向下弯曲的部分， 仍可归纳为脆性破裂范围。
5.蠕变 小的恒定应力长期作用下， 固态岩石变形连续增加。 蠕变过程可以划分为三个 阶段：第一阶段A-B应变 速率不断减小，为过度蠕 变；第二阶段，B-C阶段 应变速率恒定，为稳态蠕 变；第三阶段C-D阶段； 应变速率增加，加速蠕变。
时间地下深处温压升高引起岩石力学性质变化导致构造变形变化和分层，在同一次构 造变形过程中，不同深度的各层中变形机制和构造要素组合特征都不相同，不同深度各层称为 构造层次。
二、影响岩石和矿物变形的因素
• 外部因素（围压、温度、应变速率、流体）； • 内部因素（成分、结构等） • 1.围压 • 围压增高会提高岩石强度，当围压达到一定程度时，岩石变形行为也由脆性转变为韧
性。
Carrara大理岩在不同围压下变形差异 应力-应变曲线
拉伸和挤压实验中脆-韧性过度与温压的关 系
图 1-1-8 岩石应力应变曲线图（拉伸） σπ-比例极限；σy-弹性极限；σγ屈服极限；σB-强度极限
一、岩石矿物变形的基本概念
2.脆性行为与韧性行为； 脆性是指岩石和矿物出现明显破裂， 在破裂之前未出现永久变形； 韧性是指岩石和矿物在没有明显破裂 情况下，其大小和形状发生了显著的 变化。 小于2%的应变量为脆性；在2-8%为 脆韧性；<8%为韧性。
塑性变形
外力继续增加，变形继续增强，当应力超 过岩石的弹性极限，即使外力去掉后，岩石也 不能完全恢复到原来的形状，从而使一部分变 形保留下来，这种变形称塑性变形（即出现剩 余变形或永久变形），岩石的这种性质称为塑 性。 如图1-1-8中B点开始，岩石进入塑性变形阶段， 过B点后，曲线显著弯曲，当达到C点时曲线 很快就变成水平，这就意味着在没有增加载荷 的情况下变形却显著地增加，此时岩石抵抗变 形的能力就很弱了，这种现象称为岩石的屈服， C为屈服点，对应此点的应力值σγ，称为屈 服极限。过C点后应力缓慢增加，一直到D点， 应力值增加到最大值。
据Griggs,1960
（3）相当于岩石处于离地表更深 处（约2~5km），围压、温度较前 更高或围压较大，均可产生这种情 况的破坏。其破坏面属于单一剪切 面，破坏面与最大主应力方向夹角 小于45°，破坏前应变为2%到8%， 为脆性向塑性过渡状态。这种情况 相当于薄的破坏带，断层泥少的逆 断层，正断层、平移断层及X节理 等构造形迹也可以也可能在断层一 侧或两侧有序次的羽裂。剪切破裂 面的角度随着围压而变化，共轭剪 切破裂面角随着围压的增加而增大。
流体决定矿物变形行为主要表现在以下几个方面：
1）均衡传递空隙压，水压越大裂隙末端越易扩张，使岩石强度降低；
2）作为溶剂，促进物资的溶解和运移，改变岩石的成分和结构使得岩石易于变形；
3）润滑作用，降低颗粒之间的粘结力，易于产生滑动。最为典型的实例是逆冲推覆构 造；
据Griggs,1960
（4）相当于离地表10~20km处的 岩石。其围压与温度更高，或应变 速率很低时或岩石本身具有一定塑 性（如碳酸岩类岩石）其破坏前总 应变为5%到10%，前者为脆性转 化塑性的界线，后者已处于塑性状 态。破坏时剪切破裂带较宽且有一 定的相对错动，断层面与最大压应 力方向夹角略小于45°或接近45°， 这相当于较宽的断层泥较多的破碎 带，有时其一侧或两侧伴有牵引褶 皱。
2.温度
温度是影响岩石强度和变形行为的一个重要因素。温度升高降低岩石强度，岩石变形由脆性转变 为韧性。
引起热蠕变，当温度达到500℃岩石蠕变强度变的极低（0.1~1MPa)。热蠕变对解释深部构造层次 变质岩中各种复杂的应变具有特殊的意义。
温度升高使岩石强度明显降低两个实验结果
3.流体
流体决定了地壳中的物资和能量的运动和交换，因而影响和控制地壳内部的成岩作用、 岩浆作用、变质作用、构造作用和成矿作用等地质作用过程，以及地质动力学机制和演 化。
第二章岩石变形及影响因素
第二章 岩石变形及影响因素
•一、岩石矿物变形的基本概念
1.弹性变形与塑性变形 弹性变形岩石在外力作用下发生变形，当外力 取消后，便又恢复到变形前的状态。岩石的这 种力学性质称为弹性，这种变形称弹性变形。 这时应力与应变成正比，符合虎克定律： σ=Eε 式中σ为应力，E为弹性模量（杨氏模量），它 的物理意义是代表拉、压时，材料对弹性变 形 的抵抗能力，ε为应变值。 P点为弹性极限
据Griggs,1960
3、岩石破坏类型
根据岩石破坏前应变的百分数可 以将岩石破坏分成五种类型 （1）岩石处于地表或近地表的 情况，在常温常压环境下或稍有 围压而应力差值σ1-σ3很大时， 岩石破坏前永久应变＜1%，岩 石表现为脆性状态，应力—应变 近于直线关系。在上述前提下， 当应力达到一定值时，岩石垂直 于小主应力方向产生张性破裂， 这是由于围压、温度较低或空隙 水压力及应变速率较大，允许岩 石有一定侧向膨胀的结果。