第三章 岩石的力学性质及其影响因素

1、n第一节第一节 岩石力学实验研究基础岩石力学实验研究基础n第二节第二节 围压对岩石力学性质的影响围压对岩石力学性质的影响n第三节第三节 温度对岩石力学性质的影响温度对岩石力学性质的影响n第四节第四节 孔隙、孔隙压力对岩石力学性孔隙、孔隙压力对岩石力学性质的影响质的影响n第五节第五节 应变率对岩石力学性质的影响应变率对岩石力学性质的影响第三章第三章 岩石的力学性质及其影响因素岩石的力学性质及其影响因素 岩石力学性质主要是指岩石的变形岩石力学性质主要是指岩石的变形(deformation )(deformation )特征及岩石的强度特征及岩石的强度(strength )(strength )。

2、影响岩石力学性质的因素很多，例如岩石的类型、影响岩石力学性质的因素很多，例如岩石的类型、组构、围压组构、围压(confining pressure )(confining pressure )、温度、应变率、温度、应变率、含水量、载荷时间以及载荷性质等等。含水量、载荷时间以及载荷性质等等。第三章第三章 岩石的力学性质及其影响因素岩石的力学性质及其影响因素 对任何工程现象来说，只有将某些因素影响下的岩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，建立岩石因素，哪些

3、是次要因素。从而得出某些参数，建立岩石的本构方程的本构方程(constitutive equation )(constitutive equation )和破坏准则和破坏准则(failure criterion )(failure criterion )，为进一步研究分析提供一定模，为进一步研究分析提供一定模式与依据。式与依据。 要研究这些复杂因素对岩石力学性质的影响，只能要研究这些复杂因素对岩石力学性质的影响，只能在实验室内严格控制某些因素的情况下进行。然后将所在实验室内严格控制某些因素的情况下进行。然后将所得结果应用到实践中去验证，修正，直到与实际相符。得结果应用到实践中去验证，修正，直到

4、与实际相符。 一、岩样的制备（一、岩样的制备（sample preparation sample preparation ） 室内进行岩石力学性质实验，首先应采集研究地层的室内进行岩石力学性质实验，首先应采集研究地层的岩石试件。为了保持岩样（岩石试件。为了保持岩样（rock sample rock sample ）原有物理力学）原有物理力学性质（例如矿物成分、粒度、结构、构造、裂隙、节理发性质（例如矿物成分、粒度、结构、构造、裂隙、节理发育程度等等），最好进行密闭取心（育程度等等），最好进行密闭取心（coring coring ）。然后将）。然后将钻井岩心（钻井岩心（core core ）切割

5、成）切割成(5 X l 0cm )(5 X l 0cm )圆柱体；但有时圆柱体；但有时也可采用也可采用(5(55 510cm)10cm)的长方体。按国际岩石力学学会的长方体。按国际岩石力学学会（International Society for Rock Mechanics International Society for Rock Mechanics ）建议，）建议，试件长度与宽度（或直径）之比为试件长度与宽度（或直径）之比为2.53.02.53.0之间（我国多之间（我国多采用采用2.02. 52.02. 5之间）。之间）。第一节第一节 岩石力学实验研究基础岩石力学实验研究基础图图3 31

6、 1 准备岩心准备岩心 图图3 32 2 制备岩样的程序制备岩样的程序样品采集和岩石学审查样品采集和岩石学审查钻岩心钻岩心端面切割端面切割端面磨平端面磨平几何形状检验几何形状检验环境存放环境存放样品包裹（围压实验）样品包裹（围压实验）实实 验验图图3 33 3 检查岩心的规则程度检查岩心的规则程度 二、实验研究的基本方法二、实验研究的基本方法 将岩石试件放置在常规压力机（将岩石试件放置在常规压力机（load frame load frame ）或刚）或刚性压力机（性压力机（ load frame stiffness load frame stiffness ）上进行加载，其应）上进行加载，其应

7、变可以通过在试件上粘贴应变片（变可以通过在试件上粘贴应变片（strain gauge strain gauge ），由），由电阻应变仪测定。电阻应变仪测定。 当载荷递增时（通过压力机读数能看出），可以得到当载荷递增时（通过压力机读数能看出），可以得到施加在试件上的压应力施加在试件上的压应力=P/A=P/A（其中（其中P P为载荷，为试件为载荷，为试件横截面面积）及对应的应变（横截面面积）及对应的应变（=h/hh/h）。在连续加载中）。在连续加载中（一般试验采用每秒（一般试验采用每秒585810105 5PaPa的速度加载），应力、应的速度加载），应力、应变在直角坐标系中绘制的曲线，称为应力一应

8、变曲线变在直角坐标系中绘制的曲线，称为应力一应变曲线（stress-strain diagram stress-strain diagram ）。）。图图3 34 4 贴应变片贴应变片图图35 贴应变片的操作程序贴应变片的操作程序图图36 应力应变曲线应力应变曲线 三、实验结果分析三、实验结果分析 据据R. P. MillerR. P. Miller对对2828类岩石进行岩石力学性质实验结类岩石进行岩石力学性质实验结果，将单轴压缩下应力一应变曲线概括地划分成如图果，将单轴压缩下应力一应变曲线概括地划分成如图 3-1 3-1 所示的六种类型。所示的六种类型。 第一种类型为弹性变形（第一种类型为弹

9、性变形（elastic deformation elastic deformation ），），由加载直至破坏，应力一应变曲线（由加载直至破坏，应力一应变曲线（ stress-strain stress-strain diagram diagram ）近似线性特征，例如玄武岩、石英岩、辉绿岩、）近似线性特征，例如玄武岩、石英岩、辉绿岩、白云岩和坚硬的石灰岩等。白云岩和坚硬的石灰岩等。 第二种类型为弹一塑性变形，应力一应变曲线在接近第二种类型为弹一塑性变形，应力一应变曲线在接近破坏载荷时出现连续的非弹性变形。例如软弱的石灰岩、破坏载荷时出现连续的非弹性变形。例如软弱的石灰岩、粉砂岩和凝灰岩等。粉

10、砂岩和凝灰岩等。图图3-7 在单轴压缩下岩石的典型应力一应变曲线在单轴压缩下岩石的典型应力一应变曲线(a) 弹性；弹性；(b) 弹一塑性；（弹一塑性；（c）塑一弹性；）塑一弹性；(d) 塑一弹一塑一弹一塑性；塑性；(e) 塑一弹一塑性塑一弹一塑性 (f ) 弹一塑一蠕变弹一塑一蠕变 第三种类型为塑弹性变形，应力一应变曲线在低应力第三种类型为塑弹性变形，应力一应变曲线在低应力下表现出向上弯曲的现象，随后近似线性关系，直至破下表现出向上弯曲的现象，随后近似线性关系，直至破坏例如砂岩、花岗岩等。坏例如砂岩、花岗岩等。 第四种类型及第五种类型为塑一弹一塑性变形，应力第四种类型及第五种类型为塑一弹一塑性

11、变形，应力一应变曲线均呈现一应变曲线均呈现S S形曲线。形曲线。 这两种曲线不同之点：前者近似直线部分较陡，且初这两种曲线不同之点：前者近似直线部分较陡，且初始阶段压缩性较小。例如变质岩中大理石和片麻岩。后者始阶段压缩性较小。例如变质岩中大理石和片麻岩。后者直 线 部 分 较 缓 ， 表 示 同 样 应 力直 线 部 分 较 缓 ， 表 示 同 样 应 力 ( s t r e s s )( s t r e s s ) 下 变 形下 变 形(deformation)(deformation)量较大，且初始阶段具有高度压缩性。量较大，且初始阶段具有高度压缩性。 它们之间的共同特点是在接近破坏时均显

12、示出不同程它们之间的共同特点是在接近破坏时均显示出不同程度的非弹性变形（度的非弹性变形（ elastic deformation elastic deformation ）。）。 第六种类型为弹一塑一蠕变变形，曲线的直线部分很第六种类型为弹一塑一蠕变变形，曲线的直线部分很短，随后产生非弹性变形和连续蠕变短，随后产生非弹性变形和连续蠕变(creep )(creep )，例如盐岩，例如盐岩和软泥岩等。和软泥岩等。 四、岩石的弹性参数四、岩石的弹性参数 任何固体在外力作用下都要发生形变，当外力的作用任何固体在外力作用下都要发生形变，当外力的作用停止时，形变随之消失，这种形变叫弹性形变。岩石的杨停止时

13、，形变随之消失，这种形变叫弹性形变。岩石的杨氏弹性模量（氏弹性模量（E E）、切变（刚性）模量（）、切变（刚性）模量（G G）、体积模量）、体积模量（ ）和泊松比（）和泊松比（ ）等是描述岩石弹性形变、衡量岩石）等是描述岩石弹性形变、衡量岩石抵抗变形能力和程度的主要参数。抵抗变形能力和程度的主要参数。 岩石最基本的弹性参数是弹性模量（岩石最基本的弹性参数是弹性模量（Elastic Elastic modulus modulus ）与泊松比（）与泊松比（Poissons ratio Poissons ratio ）。）。K 1. 1.弹性模量弹性模量 根据岩样在施加载荷条件下的应力一应变关系，可

14、根据岩样在施加载荷条件下的应力一应变关系，可以确定岩石的各弹性模量和泊松比，这样得到的岩石的以确定岩石的各弹性模量和泊松比，这样得到的岩石的各弹性模量和泊松比，称为岩石的静态弹性模量和静态各弹性模量和泊松比，称为岩石的静态弹性模量和静态泊松比。泊松比。 杨氏弹性模量是岩石弹性强弱的标志。设长为杨氏弹性模量是岩石弹性强弱的标志。设长为L L，截面积为截面积为A A的岩石，在纵向上受到力的岩石，在纵向上受到力F F作用时伸长或压作用时伸长或压缩缩 ，则纵向张应力（，则纵向张应力（F/AF/A）与张应变（）与张应变（ ）之比）之比值即为静态杨氏弹性模量（值即为静态杨氏弹性模量（E E），即：），即：

15、 LLLLLAFEb.b.弹性常数与强度的确定弹性常数与强度的确定弹性模量国际岩石力学学会（弹性模量国际岩石力学学会（ISRHISRH）建议三种方法）建议三种方法 初始模量初始模量 割线模量割线模量 切线模量切线模量极限强度极限强度 00ddE5050/E50/ddEtcc2 2、反复循环加载曲线、反复循环加载曲线特点：特点：卸载应力越大，塑性滞卸载应力越大，塑性滞理越大（原因：由裂隙的理越大（原因：由裂隙的扩大，能量的消耗）；扩大，能量的消耗）； 卸载线，相互平行；卸载线，相互平行； 反复加、卸载、曲线、反复加、卸载、曲线、总趋势保持不变（有总趋势保持不变（有“记记忆功忆功 能能”）。）。

16、2. 2.泊松比泊松比 泊松比（泊松比（ ），又称横向压缩系数。静态泊松），又称横向压缩系数。静态泊松比表示为横向相对压缩与纵向相对伸长之比。设长为比表示为横向相对压缩与纵向相对伸长之比。设长为 L L，直径为，直径为 d d 的圆柱形岩石，在受到压缩时，其长度的圆柱形岩石，在受到压缩时，其长度缩短缩短 ，直径增加，直径增加 ，则静态泊松比（，则静态泊松比（ ）表）表示为：示为：LdLLdd 设有一个各向同性材料的方块体或圆柱体在单向受设有一个各向同性材料的方块体或圆柱体在单向受压情况下沿轴向方向缩短，则沿径向方向变长，则其泊压情况下沿轴向方向缩短，则沿径向方向变长，则其泊松系数为：松系数为：

17、 理想的不可压缩材料的泊松系数等于理想的不可压缩材料的泊松系数等于0.50.5，实际材料，实际材料的泊松系数小于的泊松系数小于0.50.5。axialradial 3. 3.体积模量体积模量 一弹性体受到附加的静压力增量一弹性体受到附加的静压力增量P P的作用时会引起的作用时会引起体积应变体积应变Q Q，静压力增量与体积应变的比值为体积模量。，静压力增量与体积应变的比值为体积模量。321PQPK 4. 4.刚性模量刚性模量 各向同性材料的方块体受到简单的剪应变作用时，沿各向同性材料的方块体受到简单的剪应变作用时，沿剪切平面（方向和形状不变的平面）就会产生一定的剪应剪切平面（方向和形状不变的平面

18、）就会产生一定的剪应力。这一平面上的剪应力与剪应变之比力。这一平面上的剪应力与剪应变之比Gn某地层岩样做单轴强度实验，应力应变关系曲线某地层岩样做单轴强度实验，应力应变关系曲线如图所示，岩样的直径为如图所示，岩样的直径为25.4mm，高度为，高度为50mm，试确定此岩心的杨氏模量、体积模量和，试确定此岩心的杨氏模量、体积模量和泊松比？泊松比？ 5.岩石的动态弹性常数岩石的动态弹性常数 弹性模量和泊松比不仅可以根据岩样在施加载荷条件弹性模量和泊松比不仅可以根据岩样在施加载荷条件下的应力一应变关系得到，而且也可以利用弹性波的传播下的应力一应变关系得到，而且也可以利用弹性波的传播关系，由测量的弹性波

19、速度和体积密度计算得到。由此得关系，由测量的弹性波速度和体积密度计算得到。由此得到的岩石的弹性模量和泊松比称为动态弹性模量和动态泊到的岩石的弹性模量和泊松比称为动态弹性模量和动态泊松比，统称动态弹性常数。松比，统称动态弹性常数。 如果有声波纵波和横波传播测井资料，那么联同体积如果有声波纵波和横波传播测井资料，那么联同体积密度测井可以由下列关系式求得地层各动态弹性模量，即：密度测井可以由下列关系式求得地层各动态弹性模量，即： 222222cscstttt2222243cscssbtttttE 利用测井资料计算地层的动态弹性模量时，必须同时利用测井资料计算地层的动态弹性模量时，必须同时具备声波纵波

20、、横波以及密度测井资料。以往由于常常没具备声波纵波、横波以及密度测井资料。以往由于常常没有直接的横波测量结果，因此，通常只能使用横波的估算有直接的横波测量结果，因此，通常只能使用横波的估算结果，这种数据主要由纵波测井资料和地层岩性资料转换结果，这种数据主要由纵波测井资料和地层岩性资料转换得到（有得到（有用于砂岩或泥质砂岩地层条件下横波估算的计算用于砂岩或泥质砂岩地层条件下横波估算的计算公式，公式，但精确度较差）。但精确度较差）。 TutuncnTutuncn和和SharmaSharma在室内对饱和低渗透砂岩进行三轴应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：力下的动、静态同步

21、测试得出：EdEd大于大于EsEs，纯砂岩中，纯砂岩中EdEd与与EsEs差别大，而泥质砂岩差别较小。粉砂岩和泥岩动静态弹差别大，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性模量的转换系数为0.680.68，白云岩质的粉砂岩为，白云岩质的粉砂岩为0.730.73，灰，灰岩和白云岩为岩和白云岩为0.790.79。 TutuncnTutuncn和和SharmaSharma综合各种岩性的实验数据后得到了包综合各种岩性的实验数据后得到了包括各种岩性的岩石的动静态弹性模量转换关系：括各种岩性的岩石的动静态弹性模量转换关系： 此外，国内外许多研究人员在实际应用过程中，也针此外，国内外许多研

22、究人员在实际应用过程中，也针对动静弹性参数开展了大量的研究工作，其总的趋势是动对动静弹性参数开展了大量的研究工作，其总的趋势是动态弹性模量一般都远远高于静态弹性模量，由于泊松比本态弹性模量一般都远远高于静态弹性模量，由于泊松比本身变化范围小，因此，动静泊松比值的差异一般不大。身变化范围小，因此，动静泊松比值的差异一般不大。)10(3112. 081988. 04MpaEEds 五、常温常压下岩石的典型应力一应变曲线五、常温常压下岩石的典型应力一应变曲线 在常规压力机上进行岩石单轴实验时，随着压力逐渐在常规压力机上进行岩石单轴实验时，随着压力逐渐增加，岩石试件会产生一定变形并同时储存着一定的应变

23、增加，岩石试件会产生一定变形并同时储存着一定的应变能。当所加的应力超过岩石的强度极限能。当所加的应力超过岩石的强度极限(strength limit )(strength limit )（如图（如图 3-23-2，应力一应变曲线只能到，应力一应变曲线只能到C C点）后，岩石会突点）后，岩石会突然破坏。然破坏。 在刚性实验机上可得到如图在刚性实验机上可得到如图 3-2 3-2 所示的典型的全应所示的典型的全应力一应变曲线（力一应变曲线（complete stress-strain diagramcomplete stress-strain diagram） 。 （二）刚性试验机下的单向压缩的变形

24、特性（二）刚性试验机下的单向压缩的变形特性 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。峰值后工作。注注：C C点不是破坏的点不是破坏的开始（开始点开始（开始点B B），），也不是破坏的终。也不是破坏的终。说明：崩溃原因，说明：崩溃原因，Salamon1970Salamon1970年提年提出了刚性试验机下出了刚性试验机下的曲线。的曲线。刚刚性性机机（1 1）刚性试验机工作简介）刚性试验机工作简介压力机加压（贮存弹性应能）压力机加压（贮存弹性应能）岩石试件达峰点强度（释放岩石试件达峰点强度（释放应变能）导致试件崩溃。应变能）导致试件崩溃

25、。AAOAAO2 2O O1 1面积面积峰点后，峰点后，岩块产生微小位移所需的能。岩块产生微小位移所需的能。ACO2O1面积面积峰点后，峰点后，刚体机释放的能（贮存的能）。刚体机释放的能（贮存的能）。ABOABO2 2O O1 1峰点后，峰点后，普通机释放的能（贮存的能）普通机释放的能（贮存的能）。（2 2）应力、应变全过程曲线形态）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、应变曲线在刚性机下，峰值前后的全部应力、应变曲线分四个阶段：分四个阶段：1-31-3阶段同普通试验机。阶段同普通试验机。 4 4阶段应变软化阶段阶段应变软化阶段特点特点： 岩石的原生和新生裂隙贯穿，到达岩石的

26、原生和新生裂隙贯穿，到达D D点，靠碎块间的摩擦点，靠碎块间的摩擦 力承载，故力承载，故 称为残余应力。称为残余应力。 承载力随着应变增加而减少，有明显的软化现象承载力随着应变增加而减少，有明显的软化现象。（3 3）全应力）全应力应变曲线的补充性质应变曲线的补充性质近似对称性近似对称性 B B点后卸载有残余应变，重复加载沿另一曲线上点后卸载有残余应变，重复加载沿另一曲线上升形成滞环升形成滞环(hysteresis) (hysteresis) ，加载曲线不过原卸载，加载曲线不过原卸载点，但邻近和原曲线光滑衔接。点，但邻近和原曲线光滑衔接。D C C点后有残余应变，重复加载滞环变大，反复加点后有残

27、余应变，重复加载滞环变大，反复加卸载随着变形的增加，塑性滞环的斜率降低，总卸载随着变形的增加，塑性滞环的斜率降低，总的趋势不变。的趋势不变。C C点后，可能会出现压应力下的体积增大现象，点后，可能会出现压应力下的体积增大现象，称此为扩容称此为扩容(dilatancy)(dilatancy)现象。一般岩的现象。一般岩的 =0.15-0.35=0.15-0.35， 当当 0.50.5时，就是扩容时，就是扩容. .体积应变体积应变 : :2/10)21 (1321e(3)(3)克服岩石试件单向压缩时克服岩石试件单向压缩时生产爆裂的途径生产爆裂的途径提高试验机的刚度提高试验机的刚度改变峰值后的加载方式

28、改变峰值后的加载方式伺服控制试件的位移伺服控制试件的位移普通试验机附加刚性组件的试验装普通试验机附加刚性组件的试验装置（提高试验的刚度）置（提高试验的刚度）1岩石试件；岩石试件；2、6电阻应变片；电阻应变片；3金属圆筒；金属圆筒；4位移计；位移计；5钢垫块钢垫块伺服试验机原理示意图伺服试验机原理示意图1.岩石试件；岩石试件；2.垫块；垫块；3.上压板；上压板；4.下压板；下压板；5.位移传感器。位移传感器。图图 3-8 岩石应力应变全过程曲线岩石应力应变全过程曲线 该曲线可分为四个阶段：该曲线可分为四个阶段： (1)OA(1)OA曲线曲线 载荷由零逐渐增加到载荷由零逐渐增加到A A点，点，曲线

29、呈现微微向上弯曲的形状。曲线呈现微微向上弯曲的形状。这是岩石试件内部存在一定微这是岩石试件内部存在一定微裂隙（裂隙（crack crack ） ，当载荷增加时，试件逐渐被压密所导，当载荷增加时，试件逐渐被压密所导致的结果。致的结果。 该段曲线凹曲程度，取决于岩石中容易被压密的裂隙该段曲线凹曲程度，取决于岩石中容易被压密的裂隙（crack crack ）数量，对致密岩石或在高围压下，这种现象不）数量，对致密岩石或在高围压下，这种现象不太明显。太明显。 (2) AB(2) AB曲线曲线 一般一般ABAB线段呈近似直线，线段呈近似直线，其斜率称为弹性模量其斜率称为弹性模量E E。加载。加载是在点以下

30、是在点以下OBOB区间内时，区间内时，若卸去载荷，则变形完全可恢复，没有永久变形，所以若卸去载荷，则变形完全可恢复，没有永久变形，所以OBOB区间为弹性变形阶段。曲线上区间为弹性变形阶段。曲线上B B点是产生弹性变形的应力极点是产生弹性变形的应力极限值，称为弹性极限限值，称为弹性极限(elastic limit )(elastic limit )。 事实上大多数岩石即使产生很小应变时，当卸完载荷事实上大多数岩石即使产生很小应变时，当卸完载荷后，总会或多或少地保留部分永久应变，这是由于被压密后，总会或多或少地保留部分永久应变，这是由于被压密的微裂隙（的微裂隙（crack crack ）不可能完全

31、恢复所导致的结果。）不可能完全恢复所导致的结果。 (3) BC(3) BC曲线曲线 当载荷继续增加超过当载荷继续增加超过B B点点后，该曲线呈向下弯曲形状，后，该曲线呈向下弯曲形状，这说明应力增加不大，而应这说明应力增加不大，而应变增加很多。变增加很多。 在超过在超过 B B 点的曲线上任一点（例如点的曲线上任一点（例如E E点）卸载，应力一点）卸载，应力一应变曲线将沿应变曲线将沿EO1 EO1 路径下降，直到完全卸载下降到与横坐标路径下降，直到完全卸载下降到与横坐标轴相交点轴相交点O O1 1，这表示岩石试件内应力完全消失，但应变却不，这表示岩石试件内应力完全消失，但应变却不能完全恢复，仍保

32、留的一部分应变能完全恢复，仍保留的一部分应变OOOO1 1称为塑性应变或永久称为塑性应变或永久应变（应变（permanent strain permanent strain ），已恢复的应变称为弹性应变），已恢复的应变称为弹性应变(elastic strain )(elastic strain )。 在岩石力学中将在岩石力学中将B B点点的应力称为屈服应力的应力称为屈服应力(yield stress)(yield stress)。卸。卸载后再重新加载，则沿载后再重新加载，则沿曲线曲线O O1 1R R上升到与原曲线上升到与原曲线BCBC相联结，这样造成了一个滞回相联结，这样造成了一个滞回环，在

33、环，在R R点以后随着载荷继续增加仍沿曲线上升到该点以后随着载荷继续增加仍沿曲线上升到该曲线最高点曲线最高点C C。如果在。如果在R R点以后再卸载又会出现新的塑性应点以后再卸载又会出现新的塑性应变，它似乎把弹性极限从变，它似乎把弹性极限从B B点提高到点提高到R R点，这种现象称为应点，这种现象称为应变硬化（变硬化（strain hardening strain hardening ）。）。 应力应变曲线最高点应力应变曲线最高点C的应力值称为抗压强度的应力值称为抗压强度（compressive strength compressive strength ）它表示岩石在这种条件下所它表示岩石在

34、这种条件下所能承受的最大压应力。能承受的最大压应力。 对一般岩石，抗压强度约为弹性极限的对一般岩石，抗压强度约为弹性极限的1.53倍。倍。 从从B点开始，在点开始，在BC线段范围内，岩石试件不断产线段范围内，岩石试件不断产生微破裂以及在粒内或粒间产生滑移，这就是岩石破生微破裂以及在粒内或粒间产生滑移，这就是岩石破坏前所具有的明显非弹性变形，这种现象称为扩容坏前所具有的明显非弹性变形，这种现象称为扩容（dilationdilation ）。由于达到点时微破裂的数量和扩展）。由于达到点时微破裂的数量和扩展长度集聚增加，岩石具有显著的非弹性体积膨胀，直长度集聚增加，岩石具有显著的非弹性体积膨胀，直到

35、到C点有明显的破裂面形成。点有明显的破裂面形成。（四）岩石的体积应变特性（四）岩石的体积应变特性扩容现象：扩容现象：岩石在压力下，岩石在压力下，发生非线性体积膨胀。发生非线性体积膨胀。321VVV (4) (4) 曲线曲线 岩石试件在刚性压力机岩石试件在刚性压力机作用下，应力应变曲线达到作用下，应力应变曲线达到C C点，已有宏观破裂面形成，点，已有宏观破裂面形成，但尚未完全破裂成几块，岩但尚未完全破裂成几块，岩石内部尚有部分联结，仍能承受一部分载荷，但其承载石内部尚有部分联结，仍能承受一部分载荷，但其承载能力越来越小。能力越来越小。 从从C C点开始曲线逐渐下降。点开始曲线逐渐下降。 若在若在

36、CDCD曲线上任一曲线上任一点点G G 及时卸载，则沿着及时卸载，则沿着GKGK曲线下降，直到完全曲线下降，直到完全卸载，达到点卸载，达到点K K处，表处，表示岩石产生较大的永久应变示岩石产生较大的永久应变OKOK。 若再加载，则曲线又会沿若再加载，则曲线又会沿KHKH线上升，直到点与线上升，直到点与CDCD曲曲线相联结，但线相联结，但H H点的应力低于点的应力低于G G点应力。这与在曲线点应力。这与在曲线BCBC线段线段中卸载后再加载的情况完全不同，前者卸载后再加载应力中卸载后再加载的情况完全不同，前者卸载后再加载应力值上升，后者应力值下降，这说明值上升，后者应力值下降，这说明CDCD线段岩

37、石的强度不断线段岩石的强度不断下降，直到下降，直到CDCD线段上某一点，由于破裂面上内聚力完全丧线段上某一点，由于破裂面上内聚力完全丧失，则岩石试件破裂成几块。失，则岩石试件破裂成几块。 岩石达到应力峰值岩石达到应力峰值（peak stress peak stress ）以后）以后的特征可分为两种类型：的特征可分为两种类型： 一类称为稳定破裂一类称为稳定破裂传播型，特点是：当载传播型，特点是：当载荷超过岩石试件承载能力的峰值后，试件中所储存的应变荷超过岩石试件承载能力的峰值后，试件中所储存的应变能，还不足以使破裂继续扩展能，还不足以使破裂继续扩展 ； 另一类称为非稳定破裂传播型，特点是：当载荷

38、超过另一类称为非稳定破裂传播型，特点是：当载荷超过岩石试件承载能力的峰值后，尽管试验机不再对岩石试件岩石试件承载能力的峰值后，尽管试验机不再对岩石试件做功，而岩石试件中储存的应变能足以使破裂继续扩展，做功，而岩石试件中储存的应变能足以使破裂继续扩展，最后导致试件破坏。最后导致试件破坏。 综上所述，岩石试件在载荷的作用下，试件内部首先综上所述，岩石试件在载荷的作用下，试件内部首先产生微裂隙压密变形，当载荷逐渐增加，达到屈服极限产生微裂隙压密变形，当载荷逐渐增加，达到屈服极限(yield limit )(yield limit )时，就开始产生微破裂（有微破裂面），时，就开始产生微破裂（有微破裂面

39、），随后微破裂逐渐扩展。当达到破坏强度时，宏观破裂面已随后微破裂逐渐扩展。当达到破坏强度时，宏观破裂面已逐渐形成，最后导致试件完全破裂成几块。逐渐形成，最后导致试件完全破裂成几块。 因此，变形、破裂是相互依存的两个不同发展过程，因此，变形、破裂是相互依存的两个不同发展过程，在变形达到一定阶段，既包含着破裂的因素，而破坏阶段在变形达到一定阶段，既包含着破裂的因素，而破坏阶段的到来也是变形不断发展的结果，所以，破坏实质上是破的到来也是变形不断发展的结果，所以，破坏实质上是破裂从量变到质变的一个过程。裂从量变到质变的一个过程。 一、围压一、围压(confining pressure )(confin

40、ing pressure )下的岩石下的岩石 岩石在常温常压下一般产生脆性破坏岩石在常温常压下一般产生脆性破坏(brittle (brittle failure)failure)，但深埋地下的岩石却表现为明显的延性，但深埋地下的岩石却表现为明显的延性(ductility )(ductility )岩石这一性质的变化是由于所处物理环境岩石这一性质的变化是由于所处物理环境的改变造成的。的改变造成的。 所谓脆性与延性至今尚无十分明确的定义，一般所谓所谓脆性与延性至今尚无十分明确的定义，一般所谓脆性破坏脆性破坏(brittle failure)(brittle failure)是指由弹性变形发生急剧破

41、坏，是指由弹性变形发生急剧破坏，破坏后塑性变形破坏后塑性变形(plasticity deformation)(plasticity deformation)较小。较小。 第二节第二节 围压对岩石力学性质的影响围压对岩石力学性质的影响岩石破坏的外观岩石破坏的外观 延性延性(ductility )(ductility )是指弹性变形之后产生较大的塑性是指弹性变形之后产生较大的塑性变形而导致破坏，或直接发展为延性流动。变形而导致破坏，或直接发展为延性流动。 所谓延性流动是指有大量的永久变形而不至于破坏的所谓延性流动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，破坏前永久应变在性质。对于岩石而

42、言，破坏前永久应变在3 3以下可作为以下可作为脆性破坏，脆性破坏，5 5以上作为延性破坏，以上作为延性破坏，3-53-5为过渡情况。为过渡情况。 二、围压下岩石力学性质的实验二、围压下岩石力学性质的实验 岩石在地下一般处于三向应力状态，为了模拟这种状岩石在地下一般处于三向应力状态，为了模拟这种状态下的力学性质，一般在室内进行岩石三轴应力实验态下的力学性质，一般在室内进行岩石三轴应力实验(triaxial test )(triaxial test )。 三轴应力实验可分为常规三轴应力实验（三轴应力实验可分为常规三轴应力实验（1 12 2=3 3）及真）及真三轴应力实验（三轴应力实验（1 12 2

43、3 3) )两种。两种。 目前大多数三轴应力实验实验属于常规三轴应力实验。目前大多数三轴应力实验实验属于常规三轴应力实验。 常规三轴应力实验，通常将一定尺寸圆柱形岩心试件用橡皮常规三轴应力实验，通常将一定尺寸圆柱形岩心试件用橡皮套或金属箔包好，放置在三轴压力机的高压釜内，四周通过液体套或金属箔包好，放置在三轴压力机的高压釜内，四周通过液体或气体加载，由活塞施加轴向载荷进行实验。或气体加载，由活塞施加轴向载荷进行实验。 采用差应力（采用差应力（differential stress differential stress ） 1 1 - - 3 3 为直角坐为直角坐标系的纵轴，以轴向应变（标系的

44、纵轴，以轴向应变（ axial strainaxial strain）为横轴，绘制出为横轴，绘制出应力一应变曲线应力一应变曲线(stress-strain diagram)(stress-strain diagram)。 在围压下岩石力学性质的实验，首先是德国在围压下岩石力学性质的实验，首先是德国V.Karman(1912)V.Karman(1912)完成的。他所采用的常规三轴应力实验方法，当前依然被广泛应完成的。他所采用的常规三轴应力实验方法，当前依然被广泛应用。用。 图图 3-9 3-9 为为CarraraCarrara大理石，图大理石，图 3-10 3-10 为克朗波特石灰为克朗波特石灰

45、岩，图岩，图 3-113-11为白云岩，三种岩石在不同围压下的应力一应为白云岩，三种岩石在不同围压下的应力一应变曲线。变曲线。图图 3-9 3-9 为为CarraraCarrara大理石大理石图图 3-10 3-10 为克朗波特石灰岩为克朗波特石灰岩图图 3-11 （a） 白云岩在围压下应力白云岩在围压下应力应变曲线应变曲线 （b）破坏前永久应变和围压关系）破坏前永久应变和围压关系 1 1、围压下岩石的脆性与延性变化、围压下岩石的脆性与延性变化 实验结果表明：随着围压的增加，岩石逐渐从脆性转化实验结果表明：随着围压的增加，岩石逐渐从脆性转化为延性。为延性。 CarraraCarrara大理岩在

46、围压为零或较低情况下，岩石呈现出大理岩在围压为零或较低情况下，岩石呈现出脆性状态；围压增加到脆性状态；围压增加到50MPa50MPa时，大理石显示出由脆性转化时，大理石显示出由脆性转化为延性的过渡状态；围压增加到为延性的过渡状态；围压增加到68. 5MPa68. 5MPa时，则大理岩呈现时，则大理岩呈现出延性流动。这充分表明围压增大是脆性转化为延性的条件出延性流动。这充分表明围压增大是脆性转化为延性的条件之一。之一。 但随着岩石类型的不同，脆性转化为延性的围压值也各但随着岩石类型的不同，脆性转化为延性的围压值也各不相同。例如不相同。例如CarraraCarrara大理岩达到延性流动围压为大理岩

47、达到延性流动围压为68.5MPa68.5MPa（图（图3-3)3-3)，而白云岩约为，而白云岩约为145MPa145MPa（图（图3-5)3-5)。 2 2、围压下岩石的残余强度、围压下岩石的残余强度(residual strength)(residual strength) 围 压 还 影 响 着 岩 石 的 残 余 强 度围 压 还 影 响 着 岩 石 的 残 余 强 度 ( r e s i d u a l ( r e s i d u a l strength) strength) 。 从图从图3-93-9，3-103-10，3-113-11可以看出：若围压为零或很低可以看出：若围压为零或

48、很低时，应力值达到峰值后，其曲线迅速下降为零，说明岩石时，应力值达到峰值后，其曲线迅速下降为零，说明岩石在这种条件下不存在残余强度。但随着围压加大，岩石的在这种条件下不存在残余强度。但随着围压加大，岩石的残余强度逐渐增加，直到产生延性流动。残余强度逐渐增加，直到产生延性流动。 3 3、围压下的岩石强度、围压下的岩石强度 岩石强度及破坏前应变均随着围压的增加而增加。岩石强度及破坏前应变均随着围压的增加而增加。 例如白云岩，当围压由零增加到例如白云岩，当围压由零增加到145MPa145MPa时（图时（图3-113-11），），其强度（其强度（1 1 - - 3 3）maxmax几乎增加一倍以上，而

49、围压为几乎增加一倍以上，而围压为200MPa200MPa时，其强度进一步增大，但强度增大并不与围压成时，其强度进一步增大，但强度增大并不与围压成正比关系。正比关系。 4、围压下岩石的应变情况、围压下岩石的应变情况 大理岩破坏前应变随着围压的增大而增大，当围压为大理岩破坏前应变随着围压的增大而增大，当围压为零时破坏前应变约为零时破坏前应变约为0.3，围压增大到，围压增大到68. 5MPa时应变时应变约为约为7；当围压增大到；当围压增大到165MPa时破坏前应变达到时破坏前应变达到9% 。 大多数岩石随着围压的增加大多数岩石随着围压的增加其破坏前应变可达其破坏前应变可达1010以上。以上。 白云岩

50、围压与破坏前应变之白云岩围压与破坏前应变之间几乎成直线关系（如图间几乎成直线关系（如图3-3-11b11b）。但并非所有岩石围压与）。但并非所有岩石围压与破坏前应变均成线性关系。破坏前应变均成线性关系。 图图 3-12 3-12 为几种岩石围压与为几种岩石围压与破坏前应变之间的关系曲线。由破坏前应变之间的关系曲线。由图可见随着岩石类型的不同，即图可见随着岩石类型的不同，即使在同一围压下，破坏前应变也使在同一围压下，破坏前应变也有所不同。有所不同。 断裂前应变断裂前应变)10(5kpa围压围压图图 3-12 围压与破坏前应变的关系曲围压与破坏前应变的关系曲线线 一页岩一页岩一砂岩一砂岩一石灰岩一

51、石灰岩一一硬石膏硬石膏一白云岩一白云岩一石英岩一石英岩一一板岩板岩 日本学者茂木清夫将围压下岩石的力学性质分成日本学者茂木清夫将围压下岩石的力学性质分成A A类类岩石（主要指碳酸盐类岩石）及岩石（主要指碳酸盐类岩石）及B B类岩石（主要指硅酸盐类岩石（主要指硅酸盐类岩石）两大类如图类岩石）两大类如图 3-13 3-13 所示。所示。 图图 3-13 A类岩石（类岩石（a ）及）及B类类(b)在围压下在围压下的应力一应变曲线的应力一应变曲线 A A类岩石其围压对屈服应力的影响相对较小，即围压增大类岩石其围压对屈服应力的影响相对较小，即围压增大时屈服应力相对增加不大，但其破坏前的应变随着围压增大时

52、屈服应力相对增加不大，但其破坏前的应变随着围压增大而单调地增加，即在常温下碳酸盐类岩石容易由脆性过渡到而单调地增加，即在常温下碳酸盐类岩石容易由脆性过渡到延性。延性。 B B类岩石其围压对强度影响较大，随着围压增加而增大，类岩石其围压对强度影响较大，随着围压增加而增大，但在常温下，由脆性向延性过渡往往需要增加较高的围压，但在常温下，由脆性向延性过渡往往需要增加较高的围压，除非提高温度。有些硅酸盐类岩石在围压增加到几百除非提高温度。有些硅酸盐类岩石在围压增加到几百MPaMPa时，时，仍处于脆性状态。例如玄武岩、花岗岩在室温下达到仍处于脆性状态。例如玄武岩、花岗岩在室温下达到1000MPa1000

53、MPa左右才能由脆性转化为延性；一般岩石大致在左右才能由脆性转化为延性；一般岩石大致在1200MPa1200MPa左右才左右才能转化为延性；石英岩甚至在能转化为延性；石英岩甚至在2000MPa2000MPa时，仍为脆性。时，仍为脆性。 5 5、围压对岩石弹性参数的影响、围压对岩石弹性参数的影响 围压对岩石的弹性模量的影响一般可分两种情况：围压对岩石的弹性模量的影响一般可分两种情况：对坚硬低孔隙的岩石影响较小，而对软弱高孔隙的岩石对坚硬低孔隙的岩石影响较小，而对软弱高孔隙的岩石影响较大。影响较大。 Hoffmanns (1958 )Hoffmanns (1958 )对砂岩进行实验结果表明：随对砂

54、岩进行实验结果表明：随着围压增加，弹性模量可提高着围压增加，弹性模量可提高2020，接近破坏时则下降，接近破坏时则下降2020-40-40。 总的来说，随着围压增加，岩石的弹性模量及泊松总的来说，随着围压增加，岩石的弹性模量及泊松系数等都有一定程度的提高。系数等都有一定程度的提高。 地壳中随着深度的增加，地下温度逐渐升高。地壳中随着深度的增加，地下温度逐渐升高。 据地下据地下矿产开发和钻探工程的实践表明：地表以下温度梯度随着矿产开发和钻探工程的实践表明：地表以下温度梯度随着地区不同而不同，一般约为地区不同而不同，一般约为20302030KmKm，在亚洲大陆地温，在亚洲大陆地温梯度平均约为梯度平

55、均约为25/Km25/Km，区域变质地区可达，区域变质地区可达40804080KmKm。若按这些数字估计，在地下几千米深处，温度可达若按这些数字估计，在地下几千米深处，温度可达100100以以上，这会使岩石力学性质与常温常压下相比有明显差别。上，这会使岩石力学性质与常温常压下相比有明显差别。 第三节第三节 温度对岩石力学性质的影响温度对岩石力学性质的影响 一、温度对岩石强度的影响一、温度对岩石强度的影响 实验表明：岩石在一定围压下，随着温度的升高，实验表明：岩石在一定围压下，随着温度的升高，无论是拉伸或压缩，其屈服应力与强度均要降低，其影无论是拉伸或压缩，其屈服应力与强度均要降低，其影响程度随

56、着岩石种类及受力状态的不同而各异。响程度随着岩石种类及受力状态的不同而各异。 下图下图( (图图 3-14) 3-14) 为大理岩、花岗岩、辉长岩在围压为大理岩、花岗岩、辉长岩在围压500MPa500MPa条件下，温度变化时，拉伸与压缩的应力一应变条件下，温度变化时，拉伸与压缩的应力一应变曲线。曲线。 从实验结果可以看出，在室温从实验结果可以看出，在室温(25)(25)下，其屈服应下，其屈服应力与强度较高，随着温度升高，屈服应力与强度下降。力与强度较高，随着温度升高，屈服应力与强度下降。 图图 3-14 岩石在围压下温度变化时应力一应变曲线岩石在围压下温度变化时应力一应变曲线 (a）一应变率为

57、）一应变率为0.03；(b)一应变率一应变率0. 02yull大理岩；大理岩； (c)一花岗岩压缩；一花岗岩压缩； (d)一辉长岩压缩一辉长岩压缩 例如花岗岩在围压为例如花岗岩在围压为500MPa 500MPa ，室温为，室温为2525时，强度可达到时，强度可达到2000MPa 2000MPa ；但温度升高到但温度升高到800800时，强度下降为时，强度下降为600MPa600MPa左右，约为室温左右，约为室温(25)(25)下强度下强度的的1/31/3左右。左右。 二、温度对岩石的脆性与延性的影响二、温度对岩石的脆性与延性的影响 在一定围压条件下，随着温度的升高，岩石由脆性向在一定围压条件下

58、，随着温度的升高，岩石由脆性向延性转化。延性转化。 温度升高产生延性的原因是：由于岩石内部分子的热温度升高产生延性的原因是：由于岩石内部分子的热运动增强，削弱了它们之间的内聚力，使晶粒面容易产生运动增强，削弱了它们之间的内聚力，使晶粒面容易产生滑移。滑移。 如图如图 3-143-14所示（上页）：在室温所示（上页）：在室温(25)(25)下，其屈服应下，其屈服应力与强度较高，随着温度升高，屈服应力与强度下降，并力与强度较高，随着温度升高，屈服应力与强度下降，并且逐渐转化为延性。且逐渐转化为延性。 例如花岗岩：在围压为例如花岗岩：在围压为500MPa 500MPa ，室温为，室温为2525时，强

59、度时，强度可达到可达到2000MPa 2000MPa ，且出现脆性破坏；但温度升高到，且出现脆性破坏；但温度升高到800800，强度下降，出现延性流动。因此一定围压下温度是由脆性强度下降，出现延性流动。因此一定围压下温度是由脆性转化为延性的主要因素。转化为延性的主要因素。 图图3-153-15为索伦霍芬石灰岩在围压为为索伦霍芬石灰岩在围压为300MPa300MPa下，温度变下，温度变化时拉伸及压缩的应力一应变曲线。这些结果不仅说明了化时拉伸及压缩的应力一应变曲线。这些结果不仅说明了温度对强度、屈服应力及脆性转化为延性的影响，而且还温度对强度、屈服应力及脆性转化为延性的影响，而且还说明了不同类型

60、的岩石其影响程度不同。即使同一种岩石，说明了不同类型的岩石其影响程度不同。即使同一种岩石，在同一围压下拉伸时脆性转化到延性所需温度远远高于压在同一围压下拉伸时脆性转化到延性所需温度远远高于压缩时，且压缩的强度远远大于拉伸。缩时，且压缩的强度远远大于拉伸。 图图315 围压为围压为300Mpa（a）索伦霍芬灰岩（）索伦霍芬灰岩（b）白云岩）白云岩在拉伸或压缩下随温度变化的应力一应变曲线在拉伸或压缩下随温度变化的应力一应变曲线 （据（据Spencer.1981） 由于拉伸与压缩的加载性质不同，因此，由脆性转化由于拉伸与压缩的加载性质不同，因此，由脆性转化为延性的界限亦各不相同。拉伸时脆性转化为延性