岩石变形行为
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。
岩石单向受拉,单向受压,纯剪,双向受压的莫尔应力圆
岩石单向受拉,单向受压,纯剪,双向受压的莫尔应力圆莫尔应力圆是描述岩石的力学性质的一种常用方法。
它可以通过应变量的测量结果，得出岩石所受的应力状态。
岩石在不同的应力状态下，会产生不同的岩石变形。
莫尔应力圆的概念是根据岩石的内应力，通过三轴试验来理解岩石的力学行为，并将其可视化为一个圆形图。
岩石单向受拉是指岩石只在一个方向上受到拉力作用。
首先，让我们看一个简单的情况，当岩石在一个方向上被拉伸时，岩石会发生变形。
这种变形表现为岩石的长度在被拉伸方向上增加，岩石的横向尺寸在压缩方向上减小。
根据背景知识，我们可以知道，岩石的弹性模量会影响岩石的变形情况。
在岩石单向受拉的情况下，莫尔应力圆可视化为一个椭圆。
岩石单向受压是指岩石在一个方向上受到压缩力的作用。
在这种情况下，岩石的体积会缩小，长度和横向尺寸均会减小。
类似于岩石单向受拉的情况，岩石单向受压的莫尔应力圆也可视化为一个椭圆。
纯剪是指岩石在两个方向上受到相等大小的相反方向的剪切力作用。
在这种情况下，岩石会沿一个平面发生剪切变形，其它方向上不发生任何变形。
纯剪情况下的莫尔应力圆可视化为一个圆。
双向受压是指岩石在两个相对方向上均受到压缩力的作用。
在这种情况下，岩石的体积会进一步缩小，长度和横向尺寸均会减小。
双向受压情况下的莫尔应力圆可视化为一个更加扁平的椭圆。
根据莫尔应力圆的定义，我们可以通过测量应变，来确定岩石所受的应力状态。
在实际应用中，常常通过三轴试验来测量和分析岩石的应力应变关系，从而绘制出莫尔应力圆。
三轴试验一般由四个步骤组成：首先是给定一定大小的轴向压力，然后施加水平方向的轴向应力，接着测量水平和垂直方向上的应变，最后根据应变结果绘制莫尔应力圆。
通过测量和分析莫尔应力圆，我们可以了解岩石在不同的应力状态下的变形规律，并应用于岩石力学的研究和岩土工程设计中。
例如，在地质工程中，了解莫尔应力圆可以帮助预测岩石的破裂和变形情况，从而指导隧道开挖、坝体工程等项目的设计和施工。
岩石蠕变的变形机制及其地质意义
岩石蠕变的变形机制及其地质意义岩石是地壳的主要组成部分，它们在地壳运动中起着重要的作用。
岩石的变形是地质活动的重要表现形式之一，而岩石蠕变则是岩石变形的一种重要机制。
本文将探讨岩石蠕变的变形机制及其在地质研究中的意义。
一、岩石蠕变的概念和表现形式岩石蠕变是指岩石在长期作用下出现持续缓慢变形的现象。
蠕变是一种时间依赖性的现象，其发生需要较长的时间。
岩石蠕变的主要表现形式有蠕变流动、蠕变滑动和蠕变脆性破裂等。
二、岩石蠕变的机制1. 组分改变岩石蠕变过程中，岩石的成分会发生改变。
矿物的晶体结构可能发生变化，新的矿物相形成。
不同的成分改变对蠕变的机制有着重要的影响。
2. 晶体结构变化岩石蠕变过程中晶体结构会发生变化，主要是晶界运动和晶粒内的位错运动。
晶界运动是指晶界的移动和重构，而位错运动是指晶粒内部位错的滑移和传播。
3. 矿物形态变化岩石蠕变过程中，矿物的形态和组织可能会发生变化。
有些矿物会发生晶界迁移和重构，形成新的结构。
这些变化会导致岩石整体的形态和结构发生变化。
三、岩石蠕变的意义岩石蠕变在地质研究中具有重要的意义。
1. 岩石蠕变是地震活动的重要前兆之一岩石蠕变的发生会伴随着能量的积累，当岩石受到足够的应力时，就会引发地震活动。
因此，研究岩石蠕变有助于预测地震的发生，为地震灾害的防范提供科学依据。
2. 岩石蠕变对巨型工程建设有重要影响岩石蠕变的发生会导致岩石的变形和破裂，对于巨型工程建设如水坝、隧道等有着重要的影响。
因此，在工程建设中对岩石蠕变进行充分的研究和评估，对保证工程安全具有重要意义。
3. 岩石蠕变对地质资源的勘查和开发有指导意义岩石蠕变对地质矿产资源的分布和形成有重要影响。
研究岩石蠕变可以了解地壳中不同岩石中矿物形态和组织的变化规律，为地质资源的勘查和开发提供科学依据。
4. 岩石蠕变对地形变的影响岩石蠕变是地壳运动的重要表现形式之一，它对地形变化有重要的影响。
通过研究岩石蠕变，可以了解地壳的变形规律，对地质灾害的预测和防范具有重要意义。
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
岩质边坡的变形和破坏特征
岩质边坡的变形和破坏特征
岩质边坡是指由岩石组成的边坡，具有较高的强度和较低的可变形性。
然而，岩质边坡仍然存在一定的变形和破坏特征，主要包括下面几个方面：
1.层理面滑移：岩石中存在着不同层理面的存在，当边坡上的岩石层
理面滑动时，会导致边坡的变形和破坏。
这种滑移主要是由于接近边坡的
岩层上存在的裂隙和推力等因素所引起的。
2.质体滑移：边坡中的岩石质体在自身重力作用下发生滑动，导致边
坡的变形和破坏。
这种滑移通常发生在岩坡上的一种或多种间隙、裂隙或
层理面中，形成了岩体的滑移面。
3.岩石破碎：当岩石的内部强度低于外力引起的应力时，岩石会发生
破碎，导致边坡的变形和破坏。
这种破碎主要是由于边坡上的应力集中引
起的。
4.应力弛放：边坡上的岩石在外力作用下发生弹性变形，当外力消失时，岩石会恢复原有的形态。
然而，由于边坡上的岩石具有一定的不均匀
性和异质性，可能存在一些弱点和缺陷，这些地方容易产生应力弛放，导
致边坡的变形和破坏。
5.水力作用：当岩石中存在水分时，水分会渗透到岩石裂隙中，引起
边坡的变形和破坏。
这种水分产生的变形和破坏主要是由于水分的质量变
化引起的，例如水分冻胀引起的边坡冻融变形和破坏。
综上所述，岩质边坡的变形和破坏特征主要包括层理面滑移、质体滑移、岩石破碎、应力弛放和水力作用等。
了解和分析这些特征对于科学评
估岩质边坡的稳定性和进行边坡治理具有重要的意义。
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。
岩石的变形
σ
/dt
应力－应变速率关系：
σ=η dε
o
dε /dt
6
4）脆性 (brittle): 物体受力后，变形很小 时就发生破裂的性质。
工程上一般以5％为标准进行划分，总应变 大于5％者为塑性材料，反之为脆性材料。 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。
类型Ⅳ 应力较低时，应力—应变曲线向上弯曲， 当压力增加到一定值后，变形曲线成为直线，最 后，曲线向下弯曲，曲线似S型。 由于这些岩石低应力时表现出塑性，高应力时表 现出弹性，破坏前又表现出塑性，所以被称为 塑—弹—塑性岩石。 例如：大多数为变质岩（大理岩、片麻岩等）。 类型Ⅴ 基本上与类型Ⅳ相同，也呈S型，不过曲 线斜率较平缓。一般发生在压缩性较高的岩石中。 应力垂直于片理的片岩具有这种性质。 类型Ⅵ 应力—应变曲线开始先有很小一段直线 部分，然后有非弹性的曲线部分，并继续不断地 蠕变。 这类材料被称为弹—粘性岩石。 例如：岩盐、某些软弱岩石。 13
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
线弹性体，其应力－应变呈直线关系
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1.3 岩石的变形特征
岩石应力应变曲线
图1-4
9
1.3 岩石的变形特征
1、岩石在单向受压状态下的变形
岩石变形机制与构造变形解析
岩石变形机制与构造变形解析介绍：地球的内部构造复杂多样，地表也存在各种山脉、山峰以及其他地质地貌。
这些地质结构形成的基础是岩石变形和构造变形。
本文旨在探讨岩石的变形机制以及构造变形的原因和解析。
一、岩石的变形机制岩石的变形主要有弹性变形、塑性变形和蠕变。
弹性变形是指在外力作用下，岩石发生形变，但一旦外力消失，岩石会恢复原样。
这种变形机制类似于弹簧的弹性，因此被称为弹性变形。
塑性变形是指岩石在外力作用下发生形变，一旦外力消失，岩石无法恢复原状。
塑性变形是岩石内部原子的排列和结构发生改变导致的，是一种渐进的形变过程。
蠕变是指岩石在长时间外力的作用下产生的缓慢流变，类似于粘塑性物质的变形过程。
在地质学中，岩石的变形通常是由于构造应力引起的。
构造应力是地壳中由于板块运动或其他地质过程产生的应力，它是岩石变形的主要驱动力。
构造应力分为挤压、拉伸和剪切应力。
挤压应力是指来自相对于岩石的两个方向的垂直压力，拉伸应力是指来自相对于岩石的两个方向的拉伸力，剪切应力是指来自相对于岩石的两个方向的切割力。
二、构造变形的原因和解析构造变形是地壳中岩石受到构造应力作用下的形变和位移，构成了地球上的山脉、地震和其他地质现象。
构造变形通常存在于板块边界附近的活动带，如地震带和火山带。
构造变形的原因可以分为两类：内因和外因。
内因是指地壳内部的构造应力引起的变形。
地球内部的构造应力是不均匀的，一部分是来自板块运动和构造活动，一部分是来自地球内部的热对流和岩石圈的变化。
外因是指地壳外部的构造应力引起的变形。
外部构造应力主要来自板块运动、重力和地质过程。
岩石的构造变形解析是地质学的一个重要研究领域。
通过对地壳内部的构造变形进行解析，可以揭示地壳演化的过程和机制。
地壳的构造变形解析可以通过地震学、地质力学和地质构造学等方法进行。
地震学是研究地球的震动和地震波的传播的学科。
地震波的传播路径和速度可以揭示地壳内部的岩石性质和构造变形情况。
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岩石断裂方式有两种：张裂与剪 裂。
张裂：是在外力作用下，当张应力 达到或超过岩石抗张强度时，在垂直 于主张应力轴或平行于主压力轴方向 上产生的断裂。
剪裂：是岩石在剪应力作用下发生 剪切破坏时所产生的断裂。
二、影响岩石力学性质的外界因素
1．围压－影响岩石的极限强度和韧性 使固体物质的质点彼此接近，增强了质点的内聚力，
确定岩石内的有限应变状态及其分布规律的一个方法， 就是测量和统计变形岩石内已知原始形状的标志物在变形 后的形态变化，然后加以对比分析。
根据变形标志物中已知长度或相对长度比的线性标志 物发生的长度变化，可以计算伸缩线应变。
根据两条直线之间原始角度的变化可以计算角剪应变
和剪应变。
原始为圆球或 椭球的标志体
3．格里菲斯剪切破裂准则
岩石中随机分布的 大量微裂隙对岩石的 6T0 破裂强度有显著影响， 这些微裂隙可以近似 2T0 地看作扁平的椭圆形 -T0 0 裂隙。
麦克林托与华西 （1962）又作了修正。
45 60
4T0
修正的格里菲 斯莫尔包络线 格里菲斯 莫尔包络线
8T0
平面格里菲斯莫尔包络线
五、应变测量
从而使晶格不易破坏，因而不易破裂。 围压与深度和构造环境有关。
2．温度－影响岩石的韧性和屈服极限 温度升高时岩石质点的热运动增强，减弱了它们之间
的联系能力，使物质质点更容易位移。 温度与深度和构造环境有关。
3．孔隙流体－影响岩石的强度和质点迁移能力 封闭的孔隙流体可能导致异常压力，对断层的形成有
重要意义。
塑性是岩石受外力作用超过弹性限度，在应力解除后，产生不 失去内聚力的永久变形的性质。
（二）、脆性与韧性 脆性是岩石受力容易发生破裂的性质。 韧性是岩石受力不容易发生破裂的性质。 脆性与韧性互为消长。
（三）、刚性与粘性 刚性是岩石不易变形弯曲的性质，物体的刚度（C）为C＝AE，
其中A为横截面积，E为杨氏模量。 粘性是岩石容易流动变形的性质。粘性与刚性是相反的。
岩石变形的应力－应变曲线
（1）弹性变形
（2）塑性变形
（3）破裂变形
根据材料在破裂 前塑性变形的应变量 可以把材料分为脆性 材料（<5%）、韧性 材料（>10%)、韧－ 脆性材料（5~ 7.5%） 和脆－韧性材料 （7.5~10%)。
弹性变形区
y'
塑性变形区 P
破裂
y
e1 e2
e
岩石变形的一般化应力－应变曲线
4．时间
（1）时间对应变速率的影响 长时间受力时质点有充足的时间固定下来，易于产生
永久变形; 快速受力时质点来不及重新排列就破裂了，表 现出脆性特征。 （2）蠕变与松弛－长时间地缓慢变形会降低弹性极限
在应力不增加的情况下，应变随着时间的增长缓慢增 加的现象就是蠕变，反映了岩石的流动性。
在应变恒定的情况下，所需应力可以随时间增长不断 减小的现象就是松弛。
这三组岩石力学性质分别表征了岩石的弹性变形、塑性变形及 破裂变形等方面的特征。
一、岩石的变形阶段
大理岩在挤压应力作用下的变形实验结果
脆性和韧性岩石的变形一般都经历弹性变形、 塑性变形和破裂变形三个阶段。
由于受到岩石自身的力学性质、边界条件、物 理化学条件、外力的性质等因素的影响，不同岩石 的这三个阶段各不相同。
砾石、砂粒、气孔、鲕粒、 放射虫、还原斑等
应变标志体
已知原始形状的 其它标志物
原始形状规则的标志物： 变形化石和变形晶体等
与变形有关的小型构造标志物： 压力影、生长矿物纤维、石香肠
构造、线理、面理、节理等
思考题
• 岩石变形一般经历哪几个阶段？ • 影响岩石变形特征的外部因素主要有
哪些？它们如何影响岩石的变形？ • 岩石的微观破裂机制有哪些？
四、岩石的破裂准则
破裂准则是用来解释岩石破裂时临界应力状态的理论。
1．库伦破裂准则－水平直线型莫尔包络线理论
当一点应力状态与应力莫尔圆
与莫尔包络线相切时，岩石在 该点处开始破裂。
0
岩石首先沿着与最大主应力轴 呈45º和135º的截面破裂，两组
2 2 2
破裂面应相互垂直。
对于塑性材料或高围压情况比
较合适。
本节主要内容
• 岩石变形的应力-应变曲线 • 影响岩石力学性质的外界因素 • 岩石的微观破裂机制 • 格里菲斯剪切破裂准则的主要内容
岩石的力学性质
岩石的变形与岩石的力学性质密切相关。 （一）、弹性与塑性
弹性是岩石受力发生的暂时变形，在力卸载之后仍能回复原形 的一种性质。弹性变形是一种非永久变形，构造变形中很难直接观 察到。
水平直线型莫尔包络线
2．斜线型莫尔包络线理论
岩石抵抗剪切破 裂的能力不仅与作 用在截面上的剪应 力有关，还与该截 面上的正应力有关。
0
为此引入内摩擦
角（）的概念，岩 石沿着与最大主应 力轴分别呈45º－/2 和135 º－/2夹角的 两个截面破裂。
ห้องสมุดไป่ตู้
库伦剪切破裂
拉破
裂线 D
莫尔包络线
O2 C
1
B
E
剪切破裂时的斜线型莫尔包络线理论
岩石中各种地质构造主要是岩石蠕变的产物。
三、岩石变形的微观机制
1．脆性变形机制－微破裂作用 岩石中固有的微裂隙引起应力集中，从而导致
脆性破裂。 2．塑性变形机制－晶内滑动和位错滑动、位错蠕 变（多边形化作用、动态重结晶作用和核幔构造）、 扩散蠕变、溶解蠕变（压溶作用）、颗粒边界滑动
岩石中矿物晶体特性和缺陷对塑性变形过程具 有重要意义。