岩石的强度和变形特性

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方法参照标准：《工程岩体试验方法标准》（GB/T 50266-99）。

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，一般而言，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，岩石可看作是连续的、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大方面来决定的。

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、排列、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：岩石中矿物颗粒通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。

这种连结结晶颗粒之间紧密接触，故岩石强度一般较大，但随结构的不同而有一定的差异。

岩石峰后的变形特征与强度特征一、岩石变形定义、研究方法、研究现状与研究意义石在外力或其他物理因素（如温度、湿度）作用下发生形状或体积的变化。

不仅小的岩块，就是整个地壳岩体在力的作用下也会不断变形，地壳目前的蠕变速率一般为10-16／秒，西藏高原和喜马拉雅山以每年几厘米的速率上升。

地壳变形急剧的地方会产生断层、褶皱等。

工程岩体往往因为变形过大，导致失稳。

因此岩石变形特性是岩石力学研究的重要内容之一。

研究的重点是岩石的应力－应变－时间关系。

中国学者在岩石变形，尤其是岩石流变研究方面起步较早，占有重要地位。

包括单向和三向条件下的变形曲线特性、弹性和塑性变形、流变（应力-应变-时间关系）和扩容。

岩石流变主要包括蠕变和松弛。

在应力不等时岩石的变形随时间不断增长的现象称为蠕变。

在应变不变时岩石中的应力随时间减少的现象称为松弛。

岩石扩容是指在偏应力作用下，当应力达到某一定值时岩石的体积随着偏应力的增大而增大的现象。

研究岩石变形在室内常用单轴或三轴压缩方法、多数试验往往结合强度研究进行。

为了测定岩石应力达到峰值后的应力与应变关系，必须应用伺服控制刚性压力机。

野外试验有承压板法、水压法、钻孔膨胀计法和动力法等。

根据室内外试验可获得应力与应变关系和应力-应变-时间关系以及相应的变形参数，如弹性模量、变形模量、泊松比、弹性抗力系数、流变常数等。

将岩块置于单轴压缩条件下进行试验,以获得它的变形性质。

图1是粉砂岩的试验结果。

用普通压力机,只能得到岩样破坏以前的应力-应变(或变形)关系曲线，用近年研制成的“刚性压力机”还可得到破坏后的资料。

利用这些试验结果,可以研究岩样的应力-应变全过程，阐明破坏机理和变形特性。

天然岩体常处于三向应力状态，因此也常在室内用三轴试验来研究周围压力对岩石变形的影响。

试验表明，在围压较低的情况下，岩石往往呈脆性破坏，变形较小。

围压超过一定程度以后，岩石表现出塑性流动性质，变形较大。

一般岩块由于包含的裂隙少,在同样受力条件下,所得变形远较裂隙岩块的变形小。

常规三轴实验
123
σσσ>= 岩石强度及变形特征与岩石的应力状态密切相关，围压对岩石变形特性的影响很大。

岩石在三向荷载下的变形特性是通过三轴压缩试验方法来测定的。

真三轴实验优点
缺点
成果整理
轴向1σ1
ε绘制成果曲线
11σε~()
321εεε+~径向
3σ2ε3
ε()1
33
112σσσσμ---=
B B ()1
312εμσσ-=
E 3
1
B εε=
与单轴压缩条件下的应力-应变曲线比较：
非线性特征
仍符合线弹性材料的性状
剪胀，
破坏前兆
脆性破坏
由脆性到塑性
扩容
应变硬化
定义
岩石破坏的前兆细微裂隙的形成扩大于平行细观机理
扩容现象
工程应用
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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）。

岩石工程特性主要指标岩石工程特性主要指标是用于描述和评价岩石在工程应用中的特性和性能的一系列指标。

这些指标可以用来评估岩石的强度、变形特性、稳定性以及在岩石工程设计和施工过程中的适用性。

以下是一些常见的岩石工程特性主要指标：1.岩石强度指标岩石的强度指标是衡量岩石抵抗外部荷载作用下破坏的能力。

常见的强度指标包括抗压强度、抗拉强度、抗剪强度等。

抗压强度是岩石最常用的强度指标之一，它表示岩石在垂直于作用方向的外部压力下能承受的最大应力。

抗拉强度是岩石抵抗拉伸作用的能力，常用于评估岩石的断裂性质。

抗剪强度是岩石抵抗剪切作用的能力，常用于评估岩石的稳定性。

2.岩石变形特性指标岩石的变形特性指标描述了岩石在受力作用下的变形行为。

常见的变形特性指标包括弹性模量、泊松比、抗弯刚度和岩石的变形模量。

弹性模量代表岩石在受力后恢复原状的能力。

泊松比表示岩石在受力过程中体积收缩的程度。

抗弯刚度是评估岩石抵抗弯曲变形的能力。

岩石的变形模量是描述岩石在受力作用下的变形程度的指标。

3.岩石稳定性指标岩石的稳定性指标是评估岩石在自重和外部荷载作用下的稳定性的能力。

常见的稳定性指标包括摩擦角、强度准则和岩石的排水能力。

摩擦角是用于描述岩石表面之间摩擦的指标，较大的摩擦角表示岩石结构稳定性更好。

强度准则是用于评估岩石破坏的标准，包括强度准则、稳定性准则和应力准则。

岩石的排水能力是指岩石在受水作用时的渗透性和排水性能。

4.岩石侵蚀特性指标岩石的侵蚀特性指标是用来描述岩石在风化、侵蚀、冻融循环等自然环境作用下的耐久性和稳定性。

常见的侵蚀特性指标包括岩石的吸水性、抗冻性和耐候性。

岩石的吸水性是描述岩石对水的渗透能力，抗冻性是评估岩石在冻融循环作用下的稳定性和耐久性。

岩石的耐候性是指岩石在大气、水分和化学作用下的稳定性和抗侵蚀性能。

综上所述，岩石工程特性主要指标包括岩石的强度指标、变形特性指标、稳定性指标和侵蚀特性指标。

这些指标是评估岩石适用性和在岩石工程设计和施工中的性能表现的重要依据。

（一）掌握岩石的物理力学指标及其试验方法；了解岩石的强度特性、变形特性、强度理论；掌握工程岩体分级标准。

1.物理力学指标（物理性质指标）
岩石的容重：单位体积内岩石(包括孔隙体积)的重量称为岩石的容重，单位（N/m³）。

干容重：就是指不含水分状态下的容重。

一般用于表示土的压实效果，干容重越大表示压实效果越好。

最大干容重：是在实验室中得到的最密实状态下的干容重。

密度：单位体积所具有的质量称为密度，公式ρ=m/V(kg/m3);单位体积所具有的重量称为容重，公式γ=G/V（N/m3)，容重等于密度和重力加速度的乘积，即γ=ρg，单位是牛/立方米（N/m³）。

岩石的比重：岩石的比重就是绝对干燥时岩石固体部分实体积(即不包含孔隙的体积)的重量与同体积水(4℃)的重量之比。

单轴压缩试验试件要求：
端部效应是指试样受压时，两端部受其与试验机承压极间摩擦力的束缚、不能自由侧向膨胀而产生的对强度试验值的影响。

渗透系数
2.物理力学指标（变形性质指标）
弹性模量
变形模量
泊松
弹性模量：单位应变的应力。

3.物理力学指标（强度性质指标）
强度指标：抗压强度、抗剪强度、抗剪断强度、抗切强度、抗拉强度
三轴压缩试验：
岩石的强度特性、变形特性、强度
岩石三轴试验要求尽可能地使岩石处于三轴受力情况下
、。

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。

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。

围岩的力学报告引言围岩力学是岩石力学的一个重要分支，它研究的是围绕地下工程和矿山开采而形成的岩体的力学性质及其对工程稳定性的影响。

本报告旨在介绍围岩力学的基本概念和研究方法，并探讨其在工程设计和施工中的应用。

围岩的力学性质围岩的力学性质是指围绕地下工程或矿山开采形成的岩体在外界作用下的物理表现。

主要包括岩石的强度、变形特性、断裂性质等。

以下是一些常见的围岩力学性质参数：1.强度参数：包括抗压强度、抗拉强度和抗剪强度等。

它们反映了岩体在受力作用下的变形能力。

2.变形参数：包括岩体的弹性模量、泊松比和体积变形模量等。

它们描述了岩体在受力作用下的变形特性。

3.断裂参数：包括岩体的断裂韧性和断裂韧度等。

它们衡量了岩体的断裂能力和抗断裂能力。

围岩力学的研究方法围岩力学的研究方法主要包括实验方法和数值模拟方法。

实验方法通过现场或室内的力学试验对围岩进行力学性质的测试，从而获得真实的岩体参数。

数值模拟方法则是借助计算机模拟技术对围岩进行力学性质的预测和分析。

实验方法实验方法是研究围岩力学性质的重要手段之一。

常用的实验包括：1.压缩试验：通过施加压力来测试岩体的抗压强度和变形特性。

2.拉伸试验：通过施加拉力来测试岩体的抗拉强度和变形特性。

3.剪切试验：通过施加剪切力来测试岩体的抗剪强度和剪切特性。

数值模拟方法数值模拟方法是在计算机上建立围岩力学模型，并通过数值计算方法对围岩力学性质进行分析和预测。

常用的数值模拟方法包括：1.有限元法：将围岩划分为有限个单元，通过求解单元之间的力平衡方程得到岩体的力学行为。

2.边界元法：将围岩划分为无限个边界元，在边界处施加外界力，通过求解边界元的位移和应力变化来推断岩体的力学行为。

3.离散元法：将围岩划分为独立的单个颗粒，通过模拟颗粒之间的相互作用来分析岩体的变形和破坏。

围岩力学在工程中的应用围岩力学在地下工程和矿山开采中起着重要的作用。

它可以用于评估和预测围岩的稳定性，指导工程设计和施工过程中的围岩支护措施。

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。

岩土工程中的岩石力学特性岩土工程中，岩石力学特性是指岩石在受力状态下的物理性质和变形特性。

岩石力学特性对于岩土工程设计和施工至关重要，它们可以直接影响岩土工程的稳定性和安全性。

本文将探讨岩土工程中的岩石力学特性，包括岩石的强度、变形性能以及岩石力学参数的测定方法。

一、岩石的强度特性岩石的强度特性是指岩石在受力作用下破坏的抵抗能力。

岩石强度特性的研究对于工程设计有重要的指导意义。

1. 抗拉强度岩石的抗拉强度是指岩石在拉应力作用下破坏的抵抗能力。

岩石的抗拉强度是岩石力学特性中最基本的参数之一。

测定岩石的抗拉强度可以采用试验方法，如拉伸试验等。

2. 抗压强度岩石的抗压强度是指岩石在压应力作用下破坏的抵抗能力。

岩石的抗压强度也是岩石力学特性中的重要参数。

测定岩石的抗压强度可以采用压缩试验等方法。

3. 剪切强度岩石的剪切强度是指岩石在切应力作用下破坏的抵抗能力。

岩石的剪切强度是岩石力学特性中的重要参数之一。

测定岩石的剪切强度可以采用剪切试验等方法。

二、岩石的变形性能岩石的变形性能是指岩石在受力作用下的变形特性。

岩石的变形性能对工程设计和施工有重要的影响。

1. 弹性模量岩石的弹性模量是指岩石在受力作用下线弹性的变形特性。

弹性模量是岩石力学参数中的重要指标之一，它反映了岩石的刚度和变形能力。

测定岩石的弹性模量可以采用弹性模量试验等方法。

2. 压缩模量岩石的压缩模量是指岩石在受力作用下的压缩变形能力。

压缩模量是岩石力学特性中的重要参数之一，它反映了岩石的抗压性能和变形能力。

3. 剪切模量岩石的剪切模量是指岩石在受力作用下的剪切变形特性。

剪切模量是岩石力学特性中的重要参数之一，它反映了岩石的抗剪切性和刚度。

三、测定岩石力学参数的方法测定岩石力学参数是岩土工程中的重要任务。

准确测定岩石力学参数可以为工程设计和施工提供可靠依据。

1. 实验室试验方法实验室试验是测定岩石力学参数最常用的方法之一。

常用的实验室试验方法包括拉伸试验、压缩试验、剪切试验等。