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第五章 岩石力学性质[精]

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构造地质学-岩石力学性质

构造地质学-岩石力学性质

矿物内部晶格未发生塑性变形： 物质在高压应力区溶解， 通过流体迁移，在低压区沉淀
有流体参与—塑性变形
六、颗粒边界滑移
很高的温度下的超塑性流动
岩石能干性差异的估测 （同构造背景）
1、有限应变状态的对 能干岩石有限应变小 非能干岩石有限应变大
2、劈理折射的对比 能干岩层中的劈理与岩层交角大； 非能干岩层中的劈理与岩层交角小
3、香肠构造的对比 能干岩层形成香肠构造； 非能干岩层为基质
4、褶皱形态的对比
能干岩层形成较大 的初始波长；
非能干岩层形成较小 的初始波长
第四节 岩石变形的微观机制
一、碎裂作用、碎裂流
1、碎裂作用： 沿断裂分布的岩石碎块进一步破裂和细粒化，
形成高度破裂的岩石碎块和粉晶集合体的过程
2、碎裂流： 差应力足够大时，高度破碎的岩石碎块和粉晶
重新破碎，粒径不断减小，相互之间产生相对摩 擦滑动和刚体旋转，该过程称之
二、晶内滑动、位错滑移
1、晶内滑动： 沿晶体一定的滑移系滑动 （某一滑移面的一定方向） 晶体大小保持不变， 滑动面间的距离不变，
未分解完的部分在中间为核，重新结晶的颗 在边缘构成幔，称之
静态重结晶：无应力作用，颗粒呈规则多边形 动态重结晶：有应力作用，颗粒定向排列
四、扩散蠕变（体积扩散蠕变、晶界扩散蠕变）
差应力作用下，物质迁移： 高应力作用边界物质损失， 低应力作用边界物质增加
无流体参与—固态扩散蠕变
五、溶解蠕变（压溶）
在长时期加载的请况下，岩石属于粘弹性体
第二节 影响岩石力学性质的因素
（自学为主）
各向异性对岩石力学性质的影响 围岩对岩石力学性质的影响 温度对岩石力学性质的影响 空隙流体对岩石力学性质的影响 影响岩石力学性质的时间因素
岩石力学

岩石力学

岩石力学岩石的物理性质 一、 岩石的分类火成岩：侵入岩和喷出岩。

沉积岩：砂岩（95%的油气储量）、页岩（待开采，如页岩气、煤层气）、石灰岩。

变质岩：不含油气。

二、 岩石的强度主要取决于：组成其矿物的强度、连接结构形式、岩石的结构和整体构造、胶结物的成分和胶结方式 三、岩石的物理性质孔隙度、渗透率、可压缩性、导电性、传热性的总称。

1、 孔隙度：绝对孔隙度：φ = V 孔/V 岩总 孔隙度越高，岩石的力学性质越差。

有效孔隙度： φ有效 =V 连通/V 孔总。

2、 渗透性：在一定压力作用下，孔隙具有让流体（油、气、水）通过的性质。

其大小用渗透率来描述，反映了流体在岩石孔隙中流动的阻力的大小。

达西定律：A LhK Q ∆=φ...K Φ——反应岩石性质系数 含义：以粘度为1厘泊的流体完全饱和于岩石孔隙中，在1个大气压差的作用下，以层流的方式用过截面积为1cm 2,长度为1cm 的岩样时，其流量为1cm 3/s 。

则渗透率为1达西（D ）。

3、 岩石中的油、气、水饱和度。

…4、 岩石的粒度组成和比表面积：粒度组成的分析方法：筛分析法和沉降法。

通过粒度得孔隙度。

比表面积：单位体积岩石内颗粒的总表面积。

通过粒度组成估算比面。

孔隙度、粒度、比表三者之二求一岩石的力学性质岩石的类型、组成成分、结构构造、围压、温度、应变率、载荷等对其力学性质都有影响 一、 岩石变形性质的基本概念1、 弹性：… 基本弹性参数E 、υ。

2、 塑性3、 黏性：物体受力后，变形不能在瞬时完成，且应变率随应力的增加而增加的性质。

4、 脆性：受力后变形很小就发生破裂的性质。

（ε>5%就发生破裂的称为塑性材料,小于的称脆性材料）5、 延性：发生较大塑性变形，但不丧失其承载能力的性质。

岩石在常温，常压下，并不是理想的弹性或塑性材料，而是几种的复合体，如塑弹性、塑弹塑、弹塑蠕。

其本构关系略。

6、常温常压下岩石的典型应力-应变曲线：（重点）OA---塑性，应力增加快，但应变增加不多。

岩石力学-影响岩石力学性质的主要因素

岩石力学-影响岩石力学性质的主要因素


KW

1 2
（吸水率系数）；
n1 R1 1 为新鲜岩石的孔隙率、抗压强度、吸水率；
n2 R2 2 为风化岩石的孔隙率、抗压强度、吸水率。
利用 K y 分级如下：
K y 0.1 Ky 0.1 ~ 0.35
Ky 0.35 ~ 0.65
Ky 0.65 ~ 0.90
Ky 0.90 ~ 1.00
三、加载速度对岩石力学性质的影响
做单轴压缩试验时施加荷载的速度对岩石的变形性质和 强度指标有明显影响。加载速率愈快，测得的弹性模量愈大； 反之，愈小。
ISRM（国际岩石力学学会）建议的加载速率为0.5～ 1MPa，一般从开始试验直至试件破坏的时间为5～10分钟。
四、围岩对岩石力学性质的影响
侧向压力（围压）对岩石的变形有很大的影响， 由三轴压缩试验可知：岩石的脆性和塑性并非岩石 固有的性质，它与受力状态有关，随着受力状态的 改变，其脆性和塑性是可以相互转化的。
岩石的风化程度可以通过室内岩石物理力学 性质指标评定的方法，也可以用声波及超声波的 方法。
1964年以来，水电部成都勘察设计研究院科 研所提出用岩石风化程度系数（ Ky ）来评定岩石 的风化程度。
Ky

1 3
(
K
n

KR
Байду номын сангаас
KW
)
（1－46）
式中：
Kn

n1 n2
（孔隙率系数）
KR

R1 R2
（强度系数）
剧风化 强风化 弱风化 微风化 新鲜岩石
用上述分级法与地质上肉眼判断等级进 行对比，大多数是吻合的，所以采用以地质 定性评价为基础，再用定量分级加以补充， 可以消除认为的误差。
岩石的变形力学性质[详细]

岩石的变形力学性质[详细]

▪ ② 弹性变形至微弹性裂隙稳定发展 阶段（AC段〕：该阶段的应力—应 变曲线成近似直线型。其中，AB段 为弹性变形阶段，BC段为微破裂稳 定发展阶段。
23
▪ ③非稳定破裂发展阶段，或称累进 性破裂阶段（CD段）：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。
▪ ②弹性模量：直线的斜率,也即应力（ σ ） 与应变（ε）的比率被称为岩石的弹性模 量，记为E。
▪ ③其应力—应变关系：
▪
σ =Eε
▪ ④反复加卸载应力—应变曲线仍为直线。
12
▪ b.完全弹性岩石
▪ ①岩石的应力—应变关系不是直线，而是曲线。
▪ ②对于任一应变ε，都有唯一的应力σ与之对应， 应力是应变的函数关系，即
▪
Et = dσ/dε;
Es = σ/ε
▪ ④反复加卸载当荷载逐渐施加到任何点P，得加
载曲线OP。如果在P点将荷载卸去，则卸载曲线
仍沿原曲线OP路线退到原点O。
13
▪ c.弹性岩石
▪ ①岩石的应力—应变关系不是直线，而是曲线， 且卸载曲线不沿原加载路径返回原点。
▪ ②对于任一应变ε，不是唯一的应力σ与之对应， 应力不是应变的函数关系。
▪ 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。
构造地质学05第五章岩石力学性质

构造地质学05第五章岩石力学性质

一、库伦剪切破裂准则 所谓准则，指的是基本条件是什么，库伦指出， 假定材料的破坏，取决于最大剪切应力，按照 这个理论建立的条件是：
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。
岩体工程地质性质

岩体工程地质性质


散介质的岩体结构，一般是工程清
挖的对象。
三、岩体的工程地质质量分类
作为工程建筑的地基、围岩或是材料的岩体，因为
其岩石质量不同，岩体结构类型不同，岩体结构面类型也
有差异，再加上水的参与，风化作用的影响等等，使岩体
质量的评定因素十分复杂。但为了满足工程建设的实际需
要必须对岩体的工程地质质量进行分类。
1．岩石质量指标（R、Q、D—Rock, quality designation）分类
一、岩体结构面类型
指切割岩石的所有地质界面，如岩层面、断层面、节理面等。 依据结构面成因将其分为三种类型。 1．原生结构面：与岩石同时形成，如层面、片理，收缩裂隙。
2．次生结构面：岩石形成后叠加形成的，节理面，断层面等。
3．软弱结构面：是一类特殊的结构面，特指岩体中具有一定
厚度的结构面。它可以是原生的，也可以是次生的，工程地质 勘察中应予以特别重视。如砂岩中的泥岩夹层，花岗岩中的裂 隙风化带等。
弹塑性变形 --褶皱
弹脆性变形 --断层
（1）微裂隙压密阶段：岩石中微裂隙 在荷重下压密，此阶段δ 变化小而ε 变 化大 （2）弹性变形阶段：裂隙进一步密合， 不产生新裂隙，δ 、ε 近乎同步增加（曲 线外切线近45°），最高点称弹性极限抗
δ
屈服点
ε
压强度，亦称屈服点。
（3）裂隙发展和破坏阶段：新裂隙产生并发展，δ 增加不 多，而ε 快速增加，直至最高点，岩石发生整体破坏，此点的 δ 值称单轴极限抗压强度。 （4）峰值后阶段：岩石大变形，δ 下降至稳定。
（1）整体结构：即完整岩体，强度高、力学性质稳定。 （2）块状结构：整体强度高、
块度均匀，与完整岩体相近。 （3）镶嵌结构：块度具有显著两分性，但整体强度仍较高。
岩石的力学特性-5-6节

岩石的力学特性-5-6节


求系数A
A0
E
t 0
0
E
③卸载方程
e(t1t) 0 1
t=t1时卸载，σ＝0
蠕变曲线
0
E
卸载曲线
本构方程： E
o
0
t1
t
E 0 图3-35 开尔文体蠕变曲线和卸载曲线
E
e(t1t) 1
通解
lnEtC
Et
A1e
A1 eC
E
A1 1et1
E
1 A1et1
初始 t t1
（a）玄武岩
（b）花岗岩
（b）白云岩
图3-44 温度对岩石力学性质的影响(据Griggs)
(围压均为500MPa)
34/35
3．加载速率对岩石力学性质的影响
σ 150 (MPa)源自100低50高 ε 0 0.05 0.10 0.15 0.20 (％)
图3-45 不同应变速率砂岩的应力应变关系
(据比尼奥斯基，1970)
10/35
2) 塑性元件 理想塑性体:力学模型 摩擦片(或滑块，如图3-29a)。 应力到达屈服极限时开场产生塑性变形，应力不增加，
变形仍增长
本构方程:
11/35
（ a） 力 学 模 型
（ b） 应 力 — 应 变 曲 线
图3-29 塑 性 元 件 力 学 模 型 及 其 性 态
当 s时 ，0 当 s时 ，
条件 1
23/35
卸载方程
0
E
0
蠕变曲线
卸载曲线
E
e(t1t) 1
o
t1
t
图3-35 开尔文体蠕变曲线和卸载曲线
说明: 阻尼器在弹簧收缩时，随之恢复变形，当t→∞时，弹
工程岩土学第五章

工程岩土学第五章

（据茂木清夫）
但弹性模量与围压的关系随岩石性质（强度） 不同而不同。
a.强度较高的岩石（如辉长岩，白云岩，苏长岩等）， 弹性模量基本为常数，不随围压变化而改变； b.强度较低的弱岩（如砂岩等），弹性模量随围压的 提高而增大。
辉长岩应力差－轴应变曲线
砂岩应力差－轴应变曲线
2.不等围压三轴状态（真三轴状态）
（σ1＞σ2 ＞ σ3 ）
岩石在真三轴状态下的变形特征资料较少，而且 对一些互相矛盾的现象还没有得到统一的解释
3.等压三轴状态（静水压力状态）
（σ1=σ2 = σ3 ） 静水压力状态可看作常规三轴状态的一 种特殊情况。岩石在各向相等的压力作用下 发生体积压缩变形，一般采用体积模量表征 岩石在静水压力下体积变形的特性。
§5.1
概述
一. 岩体的力学性质——岩体在力的作用下
所表现的性质 ①变形性—— 岩体承受力的作用而发生
包括：
变形的性能
②抗破坏性——岩体抵抗力的作用而保持
其自身完整性的性能
注意：1.岩体的变形和破坏不是两个截
然分开的阶段，而是一个统一的、连续的 过程，破坏是累进性的。 2.岩体的力学性质是由结构体（岩石） 和结构面的力学性质共同决定的，二者在岩 体力学性质中各自所占的地位，与岩体的完 整性有关。但当破坏面部分沿已有裂隙，部 分通过完整岩石时，并不能将岩石力学性质 和结构面力学性质按照它们在破坏面中各自 所占的比例简单地进行加权，用以表征岩体 的力学性质。参考《岩石力学》。
σ
B
C
A
0
εa
50 100 150 200
O 0
岩石典型的全应力－应变曲线
并非所有岩石都有以上明显的变形阶段
250 200 150
岩石力学性质讲解

岩石力学性质讲解

——胡克固体或线弹性体
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。
第五章岩石的力学性质

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。
岩体力学-第五章 岩石边坡.PPT

岩体力学-第五章 岩石边坡.PPT

群(组，段，层 )
地质年代表
代 ERA 新生代 (Kz) Cenozoic
纪 PERIOD 第四纪(Q) Quaternary 第三纪(R) Tertiary
白垩纪(K) Cretaceous
中生代(Mz) Mesozoic 侏罗纪(J) Jurassic
三叠纪(T) Triassic
二叠纪(P) Permian
实体比例投影
结构面COKMB,为B1B2 结构面AOLMD ,为A1A2 坡面为的D1D2
A
D
K MB
Ⅰ
O
ⅡL
K M
Ｚ
Ｋ
H
C
D3
Ⅱ
K1
Ⅲ
M1
O
1
Ⅰ
L1
K2
O2
M2
L2
D4 M3
步骤 1.作三个面的赤平投影, O1K1为结构面B1B2与坡面D1D2的交线投影 O1L1为结构面A1A2与坡面D1D2的交线投影 O1M1为结构面A1A2与结构面B1B2的交线投影
石炭纪(C) Carboniferous
古生代(Pz) Paleozoic
泥盆纪(D) Devonian 志留纪(S) Silurian
奧陶纪(O) Ordovician
寒武纪(∈) Cambrian
元古代(Pt) Proterozoic 震旦纪(Ｚz) Sinian
太古代(Ar) Archaeozoic
边坡工程布置平面图 岩体结构面力学性质(第二章 岩体力学的力学特性中讲的)
编制边坡岩体结构图的方法
１.绘坡底线 ２.绘制开挖线 ３.统计在边坡面上出露的岩组界线和结构面线 ４.绘制赤平极射投影图和实体比例投影图 ５.应用边坡岩体结构图，初步分析评价边坡稳定性，危险结构面检 验

第五章岩石的流变特性


的BC段。蠕变曲线近似一倾斜直线，即蠕变应变率保持常
量，一直持续到C点。 若在这一阶段中进行卸载，则应变沿曲线HIJ逐渐恢 复趋近于一渐近线，最后保留一定永久应变 p 。 (3)加速蠕变阶段
加速蠕变阶段是蠕变过程中的第三阶段：图 5-1 中
的CD 段。 这一阶段中，应变率由C点开始迅速增加，达到 D点，岩石即发生破坏。
1.05 0.66 1.54
19.3
指数n
1.8 3.3 2.0 1.7
0.005 0.007
0.01
0.00001
137.9 29.0
1.9
1.0
辉长岩
9.7
9.7
花岗闪长岩 花岗岩
页 岩
0.0002
1.0 3.0
2.7
0.003
0.003
96.5
9.7
3、Cottell(1953) 经验公式 Cottell(1953)认为蠕变变形是由于分子运动过程引
具有流变性的物体”。
野外所观察的构造形迹是在漫长的地质年代中在长时 期载荷作用下（包括温度、围压等因素），逐渐发展形成
的。遗留的这些痕迹实际上就是地块中流变性的表象。
有些在特定条件下的岩体，如破碎带、软弱夹层、断 层、充填着粘土质的裂隙以及边坡等，在现今构造应力或 自重作用下，随着时间的增长亦会产生显著的蠕变现象。 石油工程中的流变现象：
其中指数n是在1-5之间变化，可由实验确定。
2、Obert及Duvall(1967)提出类似的经验公式：
2 A
.
n
对不同的岩石，指数n可以由表5-1给出。
表5-1
岩石种类
板 岩 花岗岩 雪花石膏 石灰岩
岩 盐
蠕变实验指数( 应力单位：MPa)

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。

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。

岩石力学性质-精选文档


η=σb/ σc≤1
1.2岩石单轴抗拉强度
1）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) ,。 试件在拉伸荷载作用下的破坏通常是沿其 横截面的断裂破坏，岩石的拉伸破坏试验 分直接试验和间接试验两类。
2)直接拉伸试验加载和试件示意图
计算公式：破坏时的最大 轴向拉伸荷载(Pt)除以试件 的横截面积(A)。即：

σt=Pt/A
2)直接拉伸试验加载和试件示意图－（续）
3)间接拉伸试验加载和试件示意图
巴西试验法（Brazilian test），俗称劈裂试验法。 a.试件:为一岩石圆盘，加载方式如图所示。实际 上荷载是沿着一条弧线加上去的，但孤高不能超 过圆盘直径的1/20。
d.计算公式：
σt=σx=-2P/πdt σy=(1/r1+1/r2-1/d)2P/πt
圆盘中心处：
σt=σx=-2P/πdt σy=6P/πdt
1.3抗剪切强度
1)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）。 剪切强度试验分为非限制性剪切强度试验 （Unconfined shear strength test）和限制性剪 切强度试验（Confined shear strength test）二 类。 非限制性剪切试验在剪切面上只有剪应力存在， 没有正应力存在；限制性剪切试验在剪切面上除 了存在剪应力外，还存在正应力。
1.1 岩石单轴抗压强度
1）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(Uniaxial compressive strength)，或称为非限 制性抗压强度(unconfined compressive strength)。如图所示。 2）计算公式：
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（1）改写为

（3） （4）
（1）、（3）式称为线性粘性定律（牛顿粘性定律），服从牛顿粘性定律的 材料称为牛顿流体（或线粘性流体）。具牛顿粘性变形称为粘性流体变形。
理想粘性材料的力学行为
弹塑性变形—指有些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，其余为塑 性变形。
岩石具有非常缓慢的流动性。
粘度是衡量地球动力学的一个重要参数。
近代，人们把物体所有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。因此，从近代地球 科学观念来看，地球物质具有流变性。把研究地球物质 流动性质和规律的科学，称为“地球流变学（Rheology of Earth Materials）”。
σ=Ee
其中E为杨氏弹性模量。
岩石变形的应力－应变曲线
非理想弹性体的变形：受力不立即产生全部弹性 变形，而是随着时间的延长逐渐增大弹性变形到 应有的值；当撤除外力后，也不立即恢复原状， 而是随时间延长逐渐恢复原状。这种现象称为弹 性后效（即滞弹性）。
岩石弹性变形通常表现为滞弹性（anelastic）。 岩石的滞弹性具有重要意义，上地幔的地震波衰 减就被认为与岩石的滞弹性有关。
理想塑性材料的力学行为
σy

岩石变形的应力－应变曲线
韧性和塑性区别
韧性（延性）是用来描述允许大应变，以宏观均质 变形为特征，而不管所包括的微观变形机制如何的 流变性质。
塑性是一种永久变形，它涉及晶内的位错运动的微 观机制，可能还包括扩散。
岩石变形机制通常有三种： （1）碎裂机制（cataclasis）； （2）晶内塑性（intracrystalline plasticity） （3）物质扩散流动（flow by diffusive mass transfer）
岩的挤压强度是页岩挤压强度的8倍； 岩石的结构构造不同（层理引起的力学各
向异性）； 不同岩石剪切破裂角有明显变化。
岩石材料分类
岩石材料在力学上可以分为均匀和非均匀材料。 均匀材料在力学上是各向同性的或各向异性的。 力学性质各向异性是指物体内同一点各个方向上力学性
脆－韧性转化－从宏观上描述 脆－塑性转化－从微观机制上描述 脆－塑性转换域是一个十分重要的问题，
地球上大部分地震都发生在脆－塑性转换 域的深度。
世界上一些地区地震震源深度分布柱状图 （据Maggi et al., 2000a）
岩石力学性质的一些基本概念（三）
流体粘性是流体内部各流层之间相对滑动时，层面间存在一种内摩擦效应。
塑性变形是指物体在外力施加的同时产生变形， 但在外力解除之后，变形永远不会自动恢复的这 种性能，具有这种性能的物体称为塑性体，它的 变形称为塑性变形。
在应力不超过某一临界值σy的条件下，理想塑性 材料可以持续永久变形，在这一临界值之下，材 料不发生变形。
岩岩石石变变形形的的应应力力－－应应变变曲曲线 线
流体沿着x方向流动的n个不同流层。它们的流速ů是y的函数，ů在y轴方向的 变化率称为速度梯度，dů/dy。同一位置上的剪应力（摩擦阻力）与速度梯度 呈正比关系
τ=ηdů/dy η粘度（Pa·s） （1）u d （2）
dydyt dty dt
既具有弹性，又能发生粘性流动的材料，称为粘弹 性，它所表现的力学性质，称为粘弹性。如蛋清就 是一种粘弹性体。
岩石在长期力作用下是一种同时具有弹性和塑性的 物质，这种弹性和塑性是指在弹性范围内显现的弹 性和塑性；当岩层具有高度塑性时还能发生半粘性 流动。
岩石也是一种粘弹性体，它不像蛋清这样明显，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。
脆性变形
天然岩石变形
塑性变形
实验室岩石变形实验
0.1MPa高温流变仪
样品装置示意图
岩石力学性质的一些基本概念（一）
弹性变形：指物体在外力作用下变形，当外力除 去后物体能完全恢复原状。具有这种性能的物体 称为弹性体，它的变形称为弹性变形。弹性分理 想弹性和非理想弹性。
理想弹性体的变形是可逆过程，它的应力与应变 之间有一个确定的单值关系，符合虎克定律：
影响岩石力学性质的因素
应力→应变→岩石力学性质 →影响因素
应力和应变是岩石或地块在外界力影响下的重要响应。应力是物 理方面的反映之一，应变是几何学方面的反映之一；
岩石力学性质－是指在应力和应变作用下，岩石出现塑性变形或 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上，力学表象不同： 在柔性岩层中→褶皱构造 在相对硬岩层中→断裂构造 在软硬相间岩层中→香肠构造
滞弹性（anelastic）
岩石变形的应力－应变曲线
随着变形继续，应力－ 应变曲线斜率变小，这 时如果撤除应力，曲线 并不回到原点，而与e 轴交于e1，说明试样由 于超出其弹性极限而发 生了永久变形。这个极 限点的应力叫屈服应力 σy（yield stress）。
岩石力学性质的一些基本概念（二）
影响岩石力学性质的因素
各向异性对岩石力学性质的影响； 围压对岩石力学性质的影响； 温度对岩石力学性质的影响； 孔隙流体对岩石力学性质的影响； 时间因素对岩石力学性质的影响。 总之，岩石的变形是环境、时间和材料的函数。
岩性和各向异性的影响
岩石组成的成分不同的影响； 不同岩石具有不同的力学强度，例如花岗
第五章 岩石力学性质
岩石力学性质是岩石受力作用下的反映。 岩石力学性质是指岩石变形特征及岩石的
力学强度。 岩石变形与岩石本身力学性质有密切关系。
为什么要研究岩石的力学性质？
脆性变形
韧性变形
岩石力学性质研究的途径
（1）观察天然岩石的力学现象（天然露头等）； （2）实验室内对岩石进行变形实验； （3）在野外对岩体进行实地试验； （4）理论分析和数值模拟。