第3讲-岩石力学-岩石的变形、破坏特征
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第3章岩石结构面、力学性质岩体力学
nˆ =(sinαsinβ , sinαcosβ , conα )
岩石力学
3.3.1.2 结构面的连续性 结构面的连续性又称为结构面的延展性或贯通性，常用
迹长、线连续性系数和面连续性系数表示。 （1）迹长 结构面与勘测面交线的长度，称为迹长。 国际岩石力学学会(ISRM，1978年) 制订的分级标准(见
3.2.2 岩体结构的类型
在《岩土工程勘察规范（GB 50021-2001）》中，将岩体 结构划分为5大类（见下表）。
岩石力学
岩体结 构
类型 整体状
结构
块状结 构
层状结 构
岩体地质 类型
巨块状 岩浆岩和 变质岩
厚层状 沉积岩， 块状岩浆 岩和变质 岩 多韵律 薄层、中 厚层状沉 积岩，副
结构体 形状
岩石力学
3.1 概述
工程涉及的实际岩体与实验室内测试的岩石试件的力学 性能有着很大的差别，引起这种差别的主要因素有：
（1）岩体的非连续性； （2）岩体的非均质性； （3）岩体的各向异性； （4）岩体的含水性等。 其中最关键的因素是岩体的非连续性。
岩石力学
结构面（亦称弱面）：岩体内存在的各种地质界面，
巨块状
块状 柱状
层状 板状
结构面发育情况
以层面和原生、 构造节理为主， 多呈闭合型，间 距大于1.5m，一 般为1~2组，无 危险结构
有少量贯穿性节 理裂隙，结构面 间距0.7~1.5m， 一般为2~3组， 有少量分离体
有层理、片理、 节理，常有层间 错动
岩土工程特 征
岩体稳定， 可视为均质 弹性各项同 性体
岩石力学
当试件沿结构面发生剪切破坏时，作用在结构面上的应力有：
T A
P cos
岩石力学
3.3.1.2 结构面的连续性 结构面的连续性又称为结构面的延展性或贯通性，常用
迹长、线连续性系数和面连续性系数表示。 （1）迹长 结构面与勘测面交线的长度，称为迹长。 国际岩石力学学会(ISRM，1978年) 制订的分级标准(见
3.2.2 岩体结构的类型
在《岩土工程勘察规范（GB 50021-2001）》中，将岩体 结构划分为5大类（见下表）。
岩石力学
岩体结 构
类型 整体状
结构
块状结 构
层状结 构
岩体地质 类型
巨块状 岩浆岩和 变质岩
厚层状 沉积岩， 块状岩浆 岩和变质 岩 多韵律 薄层、中 厚层状沉 积岩，副
结构体 形状
岩石力学
3.1 概述
工程涉及的实际岩体与实验室内测试的岩石试件的力学 性能有着很大的差别，引起这种差别的主要因素有：
（1）岩体的非连续性； （2）岩体的非均质性； （3）岩体的各向异性； （4）岩体的含水性等。 其中最关键的因素是岩体的非连续性。
岩石力学
结构面（亦称弱面）：岩体内存在的各种地质界面，
巨块状
块状 柱状
层状 板状
结构面发育情况
以层面和原生、 构造节理为主， 多呈闭合型，间 距大于1.5m，一 般为1~2组，无 危险结构
有少量贯穿性节 理裂隙，结构面 间距0.7~1.5m， 一般为2~3组， 有少量分离体
有层理、片理、 节理，常有层间 错动
岩土工程特 征
岩体稳定， 可视为均质 弹性各项同 性体
岩石力学
当试件沿结构面发生剪切破坏时，作用在结构面上的应力有：
T A
P cos
3岩石力学性质及强度解析
一些典型的破坏形态
岩石的变形特性，根据其破坏特征，可以分为弹 性、弹塑性、塑性、粘性等(粘性又可分为粘弹性 和粘塑性)等。
§3-2 岩石的变形特性
弹性：指物体在外力作用下发生变形，当外力撤出后变形
能够恢复的性质。
塑性：指物体在外力作用下发生变形，当外力撤出后变形 不能恢复的性质。 脆性：物体在外力作用下变形很小时就发生破坏的性质。 延性：物体能够承受较大的塑性变形而不丧失其承载能力
瓦威尔西克（Wawer Sik,1968）对岩石开始宏观破坏 后的性态做了仔细研究，所得结果如图所示。
类型1：试件仍有一定的强度。要使试件进一步破坏，试验机必须进 一步作功，这种类型为稳定破坏型。应力－应变曲线的破坏后区斜率 为负。这种类型为稳定破坏型；（孔隙率大的沉积岩和部分结晶岩） 类型2：试件受力达到其极限强度以前储存的弹性变形能就足以使试 件完全破坏，不但不需要试验机进一步作功，还要逐步卸载，才能作 出破坏后区应力－应变曲线。应力－应变曲线的破坏后区斜率为正。 这种类型为非稳定破坏型；（细粒结晶岩）
小 结：
1．无论岩石在什么状态的应力条件下( 压、拉、剪、弯、扭)，其破坏形式基本上只 有两种：拉伸和剪切。 2． 三向等压>三向不等压>双向压>单向 压>剪切(包括扭转)>弯曲>单向拉伸；
3．从试验数量来看，单向压缩试验、 圆盘劈裂试验最多。
岩石的破坏形式
就其破坏本质而言，岩石破坏有以下三种类型： 1、拉破坏 2、剪切破坏 3、塑性流动破坏
1 与 主 应 力 差 ( σ 1-
σ 3) 的关 系 曲 线 表 示 。
围压对岩石变形的影响
图2－6 三轴应力状态下大理岩的应力－应变曲线
围压对岩石刚度的影响
23岩石的变形
少裂隙、 岩性较软
较多裂隙、 岩性较软
15
1.3 岩石的变形特征
4、变形指标及其测定
反映岩石变形特性的指标有弹性模量(变形模量)和泊松比 (侧向变形系数)。
弹下性岩模石量的E应(变力形应模变量关)系的是定非义线为性E 的 ， 因，此由变于形单模向量受不压是情况常 数，常用的变形模量有以下几种
②塑性滞回环：每次加、卸载曲线都 形成一个塑性滞回环。随着循环次数 的增加，塑性滞回环的面积也有所扩 大.
③岩石的记忆性：每次卸载后再加载， 在荷载超过上一次循环的最大荷载以 后，变形曲线仍沿着原来的单调加载 曲线上升（图中的OC线），好象不 曾受到反复加载的影响似的，这种现 象称为岩石的变形记忆。
当围压增大至50MPa时，岩 石显示出由脆性到塑性转化 的过渡状态：
把岩石由脆性转化为塑性的 临界围压称为转化压力。
围压增加到68.5MPa时，呈 现出塑性流动状态；
围压增至165MPa时,试件承 载力则随围压稳定增长，出 现所谓应变硬化现象。
20
围压对岩石变形的影响得 出如下结论：
E
18
b σ ～ε 曲线呈非线性关系
初 始 模 量 : E初＝dd 0
切线模量（直线段）：
E切＝aa22
a1 a1
割线模量： E 割
工程上常用E50 ：
E 50
50 50
19
1.10 三轴压缩条件下的岩石变形特征
如图所示的大理岩，在围压 为零或较低的情况下，岩石 呈脆性状态；
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。
第三章 岩石力学基本知识介绍
抗压试验 抗拉试验-巴西实验
p r0 t
c
P A
t
抗剪试验
抗弯试验
P s A
3Pl b 2bh 2
表 1-4 岩石的抗压、抗拉、抗剪和抗弯强度
岩石 粗粒砂岩 中粒砂岩 细粒砂岩 页 岩 泥 岩 石 膏 含膏石灰岩 安山岩 白云岩 石灰岩 花岗岩 正长岩 辉长岩 石英岩 辉绿岩 抗压强度 σ cMpa 142 151 185 14－61 18 17 42 98.6 162 138 166 215.2 230 305 343 抗拉强度 σ tMpa 5.14 5.2 7.95 1.7－8 3.2 1.9 2.4 5.8 6.9 9.1 12 14.3 13.5 14.4 13.4 抗剪强度 τ sMpa － － － － － － － 98 118 145 198 221 244 316 347 抗弯强度 σ rMpa 10.3 13.1 24.9 36 3.5 6 6.5
d dt
弹性
塑性
粘性
材料的变形性质
弹性：一定的应力范围内，物体受外力作用产生变形，而 去除外力后能够立即恢复其原有的形状和尺寸大小的性质
产生的变形称为弹性变形 具有弹性性质的物体称为弹性介质
弹性按其应力和应变关系又可分为两种类型
应力和应变呈直线关系—即线弹性或虎 克型弹性或理想弹性 应力应变呈非直线的非线性弹性
l
xx
xx l x
xx
o
xx l x
xy
xy x
l
yx
yx y
l
yy
yy y
l
一点应力状态——剪应力互等定理
xy xy 2 2 M oz xy l 2l l xy l 2l l x x yx yx 2 2 yx l 2l l yx l 2l l y y
p r0 t
c
P A
t
抗剪试验
抗弯试验
P s A
3Pl b 2bh 2
表 1-4 岩石的抗压、抗拉、抗剪和抗弯强度
岩石 粗粒砂岩 中粒砂岩 细粒砂岩 页 岩 泥 岩 石 膏 含膏石灰岩 安山岩 白云岩 石灰岩 花岗岩 正长岩 辉长岩 石英岩 辉绿岩 抗压强度 σ cMpa 142 151 185 14－61 18 17 42 98.6 162 138 166 215.2 230 305 343 抗拉强度 σ tMpa 5.14 5.2 7.95 1.7－8 3.2 1.9 2.4 5.8 6.9 9.1 12 14.3 13.5 14.4 13.4 抗剪强度 τ sMpa － － － － － － － 98 118 145 198 221 244 316 347 抗弯强度 σ rMpa 10.3 13.1 24.9 36 3.5 6 6.5
d dt
弹性
塑性
粘性
材料的变形性质
弹性：一定的应力范围内，物体受外力作用产生变形，而 去除外力后能够立即恢复其原有的形状和尺寸大小的性质
产生的变形称为弹性变形 具有弹性性质的物体称为弹性介质
弹性按其应力和应变关系又可分为两种类型
应力和应变呈直线关系—即线弹性或虎 克型弹性或理想弹性 应力应变呈非直线的非线性弹性
l
xx
xx l x
xx
o
xx l x
xy
xy x
l
yx
yx y
l
yy
yy y
l
一点应力状态——剪应力互等定理
xy xy 2 2 M oz xy l 2l l xy l 2l l x x yx yx 2 2 yx l 2l l yx l 2l l y y
岩石力学ppt课件第三章 岩体力学性质
（2）上凹型（塑-弹性岩体）
含软弱夹层的层状岩体及裂隙岩体 （3）上凸型（弹-塑性岩体）
结构面发育且有泥质充填的岩体。
（4）复合型：阶梯或“S”型（塑-弹-塑性岩体)
20结21/8构/17面发育不均或岩性不均匀的岩体。
23
（二）剪切变形特征：
(a)沿软弱结 构面剪切
(b)沿粗糙结构面、 软弱岩体及强风
化岩体剪切
(c)坚硬岩体 受剪切
峰前变形平均斜 率小，破坏位移 大；峰后强度损 失小。
2021/8/17
峰前变形平均斜 率较大，峰值强 度较高；峰后有 明显应力降。
峰前变形斜率大，
峰值强度高，破坏
位移小；峰后残余 强度较低。
24
（三）各向异性变形特征：（P101蔡）
岩石的全部或部分物理、力学特性随方向不同而 表现出差异的现象称为岩石的各向异性。
2021/8/17
2
§3.1 概述
岩体=结构面（弱面）+结构体（岩石块体） 结构面：断层、褶皱、节理……统称
影响岩体力学性质的基本因素：
结构体(岩石)力学性质、结构面力学性质、岩体 结构力学效应和环境因素(特别是水和地应力的作用)
2021/8/17
3
§3.2岩体结构的基本类型 （地质学、复习、了解）
36
孔隙静水压力作用
（三）力学作用：
孔隙动水压力作用
当多孔连续介质岩土体中存在孔隙地下水时， 未充满孔隙的地下水使岩土体的有效应力增加：
p
σα有效应力，σ 总应力，p 孔隙静水水压力
当地下水充满多孔连续介质岩土体时，使有效 应力减小：
p
2021/8/17
σα，σ ，p ： 含义同上
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含软弱夹层的层状岩体及裂隙岩体 （3）上凸型（弹-塑性岩体）
结构面发育且有泥质充填的岩体。
（4）复合型：阶梯或“S”型（塑-弹-塑性岩体)
20结21/8构/17面发育不均或岩性不均匀的岩体。
23
（二）剪切变形特征：
(a)沿软弱结 构面剪切
(b)沿粗糙结构面、 软弱岩体及强风
化岩体剪切
(c)坚硬岩体 受剪切
峰前变形平均斜 率小，破坏位移 大；峰后强度损 失小。
2021/8/17
峰前变形平均斜 率较大，峰值强 度较高；峰后有 明显应力降。
峰前变形斜率大，
峰值强度高，破坏
位移小；峰后残余 强度较低。
24
（三）各向异性变形特征：（P101蔡）
岩石的全部或部分物理、力学特性随方向不同而 表现出差异的现象称为岩石的各向异性。
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2
§3.1 概述
岩体=结构面（弱面）+结构体（岩石块体） 结构面：断层、褶皱、节理……统称
影响岩体力学性质的基本因素：
结构体(岩石)力学性质、结构面力学性质、岩体 结构力学效应和环境因素(特别是水和地应力的作用)
2021/8/17
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§3.2岩体结构的基本类型 （地质学、复习、了解）
36
孔隙静水压力作用
（三）力学作用：
孔隙动水压力作用
当多孔连续介质岩土体中存在孔隙地下水时， 未充满孔隙的地下水使岩土体的有效应力增加：
p
σα有效应力，σ 总应力，p 孔隙静水水压力
当地下水充满多孔连续介质岩土体时，使有效 应力减小：
p
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σα，σ ，p ： 含义同上
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岩体的变形与破坏
岩体的变形与破坏1基本概念及研究意义变形：岩体的宏观连续性无明显变化者。
破坏：岩体的宏观连续性已发生明显变化。
岩体破坏的基本形式：（机制）剪切破坏和拉断（张性）破坏。
一、岩体破坏形式与受力状态的关系岩体破坏形式与围岩大小有明显关系。
注意：岩全破坏机制的转化随围压条件的变化而变化。
破坏机制转化的界限围压称破坏机制转化围压。
一般认为，1/5~1/4[・]不可拉断转化为剪切。
1/3〜2/3 [ ” ]可由剪切转化为塑性破坏。
有人认为（纳达），可用6偏向6的程度来划分应力状态类型。
应力状态类型参数a二2°~2 _ 5 _ 6 : =1,即（）2=（）1：=-l, W 0 2= 0 3）二、岩体破坏形式与岩体结构的关系低围压条件下岩石三轴试验表明。
坚硬的完整岩体主要表现为张性破坏。
含软弱结构面的块状岩体，当结构面与最大主应力夹角合适时，则表现为沿结构面的剪切。
碎裂岩体的破坏方式介于二者之间。
碎块状或散体状岩体主要为塑性破坏。
对第一种情况，某破坏判据已经介绍很多了。
第二种情况，可采用三向应力状态莫尔圆图解简单判断。
三、岩体的强度特征单轴应力状态时，结构与6方向决定了岩体的破坏形式。
复杂应力状态时，含一组结构面的岩体破坏形式与岩体性质、结构面产状, 应力状态关系很大。
2岩体在加荷过程中的变形与破坏2.1拉断破坏机制与过程一、拉应力条件下的拉断破坏当s+3b： SO时，拉应力对岩石破坏起主导作用。
［讣-亠二、压应力条件下的拉断破坏压应力条件下裂缝尖端拉应力集中最强的部位位于与主压应力是0 = 30 ~ 40。
地方向上，并逐渐向与b］平行地方向扩展。
当b］ +3o\ > 0 时，破坏准则为：bq二0时为单轴压拉断。
2.2剪切变形破坏机制与过程一、潜在剪切面剪断机制与过程A.滑移段B.锁固段进入稳定破裂阶段后，岩体内部应力状态变化复杂。
产生一系列破裂。
（1）拉张分支裂隙的形成，原理同前。
（2）不稳定破裂阶段法向压碎带的形成，削弱锁固段岩石。
岩石的地质力学特征
岩石的地质力学特征岩石是地球上最常见的物质之一，其地质力学特征对于了解地球内部的构造和地质活动具有重要的意义。
在本文中，我将介绍岩石的地质力学特征，包括岩石的类型、力学性质、破裂与变形等方面。
首先，让我们来了解一下岩石的类型。
岩石可以分为三种主要类型：火成岩、沉积岩和变质岩。
火成岩是由地壳或地幔中的熔融岩浆冷却所形成的，例如花岗岩和玄武岩。
沉积岩是由岩屑、有机物或溶解物质在地表沉积并经过压实而形成的，例如砂岩和石灰岩。
变质岩是由原有岩石在高温和高压下发生变化而形成的，例如片麻岩和云母片岩。
接下来，我们来了解一下岩石的力学性质。
岩石的力学性质可以通过一些实验来测试。
其中，最常用的是强度测试和弹性模量测试。
强度测试可以用来评估岩石的破裂和破坏的能力。
弹性模量测试则可以用来评估岩石的变形和回弹能力。
这些测试结果可以帮助我们对岩石的力学性质有更深入的了解。
岩石在地质过程中会发生各种破裂和变形。
其中，最常见的是岩石的断裂和褶皱。
断裂是指岩石在外力作用下发生断裂并形成断层。
断层可以是平行于地层的走向、顺层倾向或垂直于地层的倾角。
褶皱则是指岩石在外力作用下发生挤压并形成褶皱。
褶皱可以是正褶皱或逆褶皱，取决于褶皱的折叠方向。
除了断裂和褶皱，岩石还可以发生岩浆侵入和岩石变形等现象。
岩浆侵入是指岩浆从地壳或地幔中向上运动并进入岩石中的过程。
岩浆侵入的形式有很多，常见的有岩浆柱、岩浆包裹体和岩浆岩等。
岩石变形是指岩石在外力作用下发生形状和体积的变化。
岩石变形可以是弹性变形或塑性变形，取决于岩石的力学性质和外力的大小。
总结起来，岩石的地质力学特征包括其类型、力学性质、破裂和变形等方面。
了解和掌握这些特征对于地质研究和工程建设具有重要的意义。
我们可以通过实验和观察来深入了解岩石的地质力学特征，并将其应用于实际的工程项目中。
随着科技的不断发展，我们对岩石的了解也会越来越深入，为地球科学的进一步发展提供更多的支持。
岩石力学3章
结果，所以，破坏实质上是破裂从量变到质变的一个过程。
第二节 围压对岩石力学性质的影响
一、围压(confining pressure )下的岩石 岩石在常温常压下一般产生脆性破坏(brittle failure)，但 深埋地下的岩石却表现为明显的延性(ductility )．岩石这一性 质的变化是由于所处物理环境的改变造成的。 所谓脆性与延性至今尚无十分明确的定义，一般所谓脆性
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(creep )，例如盐岩和软泥岩 等。
四、岩石的弹性参数 岩石最基本的弹性参数是弹性模量（ Elastic modulus ）
与泊松比（Poisson’s ratio ）。
若应力一应变曲线是线性的（如第一类岩石），则其弹性
（crack ）数量，对致密岩石或在高围压下，这种现象不太明
显。
(2) AB曲线
一般AB线段呈近似直线，其斜率称为弹性模量E。加载是
在Ｂ点以下OB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OB区间为弹性变形阶段。曲线上B点是产生 弹性变形的应力极限值，称为弹性极限(elastic limit )。 事实上大多数岩石即使产生很小应变时，当卸完载荷后，
的应力超过岩石的强度极限(strength limit )（如图 3-2，应力 一应变曲线只能到C点）后，岩石会突然破坏。 在刚性实验机上可得到如图 3-2 所示的典型的全应力一应变 曲线（complete stress-strain diagram） 。
图 3-2
岩石应力应变全过程曲线
该曲线可分为四个阶段： (1)OA曲线 载荷由零逐渐增加到A点，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裂隙（crack ） ，当载荷增加时， 试件逐渐被压密所导致的结果。 该段曲线凹曲程度，取决于岩石中容易被压密的裂隙
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岩石的微结构面
微结构面：指存在于矿物颗粒内部或矿物颗粒间的软弱面或 缺陷，包括矿物解理、晶格缺陷、粒间空隙、微裂隙、微层 理及片理面、片麻理面等。
① 降低岩石强度
② 导致岩石力学性质各向异性
1、岩石的组构特征
岩石的主要胶结类型：
基底型：彼此不发生接触的矿物颗粒埋在玻璃体中，这种情况下 胶结程度很高，岩石强度与胶结物有关。
岩石的饱和吸水率(Wp)：是指岩石试件在高压(一般压力为15MPa)或真空条
件下吸入水的质量(mw2)与岩样干质量(ms)之比，用百分数表示。 岩石的吸水率(Wa)与饱和吸水率(Wp)之比，称为饱水系数。它反映了岩石中
大、小开空隙的相对比例关系。
Wp
m w2 100 % ms
mw1 Wa 100% ms
2.岩石变形特征
变形参数的一般确定方法: 实验数据分析
2
2 1 Et 2 1
弹性模量：弹性段的斜率
50
割线模量：极限强度50%所 对应点的斜率
Ei
1 i o
50 50
Ei i i
1 50 2 i L
初始模量：初始段 应力-应变曲线的切 线的斜率
2、岩石的物理性质
岩石的水理性质
岩石在水溶液作用下表现出来的性质，称为水理性质。主要包括： 吸 水性、软化性、 抗冻性、 膨胀性、 崩解性。
吸水性：岩石在一定的实验条件下吸收水分的能力，称为岩石的吸水性。
吸水率(Wa)：岩石试件在大气压力和室温条件下自由吸入水的质量(mw1)与 岩样干质量(ms)之比，用百分数表示。
不能恢复的 当物体既有弹性变形又有塑性变形，且具有明显的弹性后效时，弹性变形 和塑性变形就难以区别了。
在外力作用下只发生塑性变形，或在一定的应力范围内只发生塑性变形的物
体，称为塑性介质。
1.岩石变形的定义
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。引起岩石发生一定 变形所需的里取决于岩石的表观粘度，当岩石发生瞬时变形后 ，应力不断衰减。早施加载荷后出现永久变形的粘性材料称为 粘塑性材料。
QT Ct LtT
3、岩石的各向异性和渗透性
单向裂隙指一组结构面的法线方向上每单位长度(m)内，法线与结构面的交割数目。 平面裂隙率 Ka是指岩石单位面积上诸裂隙所占有的面积总与总面积的比值。
3、岩石的各向异性和渗透性
岩石各向异性 是指天然岩体的物理力学性质随空间方位不同而异的特性，具 体表现在它的强度及变形特性等各方面。 在天然岩体条件下，使岩体具有各向异性的基本原因是由于岩石内普遍存在着 层理、片理、夹层和定向裂隙（断层）系统所致。目前在实际工程中对于成层 岩体往往考虑其平行于层理和垂直于层理方向的差异性。对于不具有层理的岩 体，则把它视为各自同性体。
接触型：仅仅在颗粒的接触点存在胶结物，这种胶结程度低，岩 石强度也不大。
间隙型：矿物颗粒彼此直接接触，而颗粒的孔隙被胶结物充填。
溶蚀型：胶结物不仅充填在矿物颗粒之间，而且进入到矿物颗粒 本身中，胶结强度很高。
2、岩石的物理性质
岩石和土一样，也是由固体、液体和气体组成的多相体系。 物理性质是指岩石由于三相组成的相对比例关系不同所表现的 物理状态。（岩石的密度、岩石的孔隙性、岩石的水理性）
v
r
A
r
o
a
空隙闭合应力：单轴压缩状态下使岩石中的空隙闭合的 最下应力。
2.岩石变形特征
v
r
e
A
B
r
o
a
比例弹性极限或弹性极限：应力-应变曲线保持直线 关系的极限应力
2.岩石变形特征
v
r
p
e
A
C B
r
a
屈服应力：单轴压缩状态下岩石出现塑性变形的极限应力
2.岩石变形特征
i
i E i
o i L
2.岩石变形特征
岩石的变形特征可以用以下几种模量说明：
① 初始模量：曲线原点处切线斜率
②
d Ei＝ d
0
m
③
② 切线模量：曲线上任一点处切线的斜率
M
Et
①
d d
m
③ 割线模量：曲线上某点与原点连线的斜率
a
0
m
m E s＝ m
① 空隙压密阶段(OA) ② 弹性变形阶段(AB) 定发展阶段(BC)④ 微裂隙非稳定发展阶段(CD) 段(DE)
2.岩石变形特征
变形参数
变形模量（modulus of deformation)是指单轴压缩条件下， 轴向压应力与轴向应变之比。应力-应变曲线为直线型，这 时变形模量又称为弹性模量。
KR＜0.75，岩石软化性较强，工程地质性质较差
常 见 岩 石 的 软 化 系 数
弹性模量随含水量 的变化情况
泊松比随含水量的变化情 况
粘聚力随含水量的 变化情况
内摩擦角随含水量 的变化情况
2、岩石的物理性质
抗冻性：岩石抵抗冻融破坏的能力。
膨胀性：岩石吸水后体积增大引起岩石结构破坏的 性能称膨胀性。 崩解性：岩石被水浸泡，内部结构遭到完全破坏呈 碎块状崩开散落的性能。具有强烈崩解性的岩石和 土，短时间内即发生崩解。
岩石的变形、破坏特征
卢运虎
学习目标
• 掌握岩石物理性质、变形、破坏的定义； • 了解不同岩石的本构关系及强度准则； • 孔隙压力变化对岩石应力与破坏的影响。
提纲
一、岩石的物理性质 二、岩石的变形特征与本构关系 三、岩石的强度特性与强度准则
砾岩
致密细砂岩
泥岩
硬脆性泥页岩
纯盐岩
盐岩
盐岩 泥岩
硬石膏 盐岩 盐岩 泥岩 盐岩
弹性：一定的应力范围内，物体受外力作用产生变形，而去除 外力后能够立即恢复其原有的形状和尺寸大小的性质。
弹性按其应力和应变关系又可分为两种类型 应力和应变呈直线关系—即线弹性（虎克 型弹性、理想弹性） 应力应变呈非直线的非线性弹性
1.岩石变形的定义
塑性：物体受力后产生变形，在外力去除后不能完全恢复 原状的性质。
ms d V
sat
msat V
m V
2、岩石的物理性质
常见岩石的密度
岩石名称 花 岗 岩 闪 长 岩 辉 长 岩 密度 (g／cm3) 2.52～2.81 2.67～2.96 2.85～3.12 岩石名称 石 灰 岩 白 云 岩 片 麻 岩 密度(g／cm3) 2.37～2.75 2.75～2.80 2.59～3.06
2.岩石变形特征
变形参数测定的动力法 设岩石为均质、各向同性、弹性体，则弹性波在岩体介 质中传播的纵波速度和横波速度可以用下列公式表示：
纵波速度：
Vp
Ed
1 d 1 d 1 2d
横波速度：
Vs
Ed
1 2 1 d
2.岩石变形特征
根据上述两个式子可以推导得出由纵横波速度表示的动态
1、岩石的组构特征
岩石的结构
岩石的结构：岩石内矿物颗粒的大小、形状、排列方式及 微结构面发育情况与粒间连结方式等反映在岩块构成上的 特征。其中，粒间连结分结晶连结与胶结连结。
颗粒大小 强度：细粒 ＞ 粗粒 颗粒形状 排列形式 强度：粒状、柱状 ＞ 片状 ＞ 鳞状 强度：等粒 ＞ 不等粒
1、岩石的组构特征
Q w R2 K ln 2 LP R1
岩石的渗透系数数值
提纲
一、岩石的物理性质 二、岩石的变形特征与本构关系 三、岩石的强度特性与强度准则
1.岩石变形的定义
岩石的变形: 是指岩石在任何物理因素作用下形状和大小的变 化。工程最常研究的是由于力的影响所产生的变形。
工程现象：
1.岩石变形的定义
2.岩石变形特征
加载-卸载时的应力应变关系
1）岩石是弹性的或卸荷点（P）的应力低于岩石的弹性极 限(A)表现为弹性恢复。
A P
2.岩石变形特征
2）如果卸荷点(P）的应力
P A
高于弹性极限(A)，则卸荷曲线
辉 绿 岩
砂 页 岩 岩
2.80～3.11
2.17～2.70 2.06～2.66
片
岩
2.70～2.90
2.75左右 2.72～2.84
大 理 岩 板 岩
2、岩石的物理性质
岩石的孔隙特性
孔隙度：岩石中孔隙体积与岩石总体积之比 (多用百分数表示)。 裂隙率：岩石中各种节理、裂隙的体积与岩石总体积之比称裂隙率。
d dt
粘性
1.岩石变形的定义
1.岩石变形的定义
应力是作用于单位面积上的力，属于矢量。
2.岩石变形的定义
u1 轴向应变： 11 x 1 u 3 径向应变： 33 x 3 S 弹性模量： E 11 11 33 泊松比： 11
ij
u 1 ui ( j) 2 x j x i
3、岩石的各向异性和渗透性
岩石能透过水的能力称为岩石的渗透性。有压水可以透过岩石的 孔隙、裂隙而流动，不同岩石或裂隙性不同的岩石的渗透性不同 ，渗透性的大小用渗透系数K表示。
岩石的渗透系数不仅与岩石的物理性质有关，也与岩石的应力状
态有关。
QL w K PA
岩石渗透仪(轴向渗透) 1-注水管路；2-围压室；3-岩样；4-放水阀
2、岩石的物理性质
岩石的热理性：是指岩石温度发生变化时所表现出来的
物理性质。（热胀冷缩）
体胀系数：温度上升1℃所引起的体积增量与初始体积的比值。
vs
Vt V0 V0
线胀系数：温度上升1℃所引起的长度增量与初始长度的比值。
微结构面：指存在于矿物颗粒内部或矿物颗粒间的软弱面或 缺陷，包括矿物解理、晶格缺陷、粒间空隙、微裂隙、微层 理及片理面、片麻理面等。
① 降低岩石强度
② 导致岩石力学性质各向异性
1、岩石的组构特征
岩石的主要胶结类型：
基底型：彼此不发生接触的矿物颗粒埋在玻璃体中，这种情况下 胶结程度很高，岩石强度与胶结物有关。
岩石的饱和吸水率(Wp)：是指岩石试件在高压(一般压力为15MPa)或真空条
件下吸入水的质量(mw2)与岩样干质量(ms)之比，用百分数表示。 岩石的吸水率(Wa)与饱和吸水率(Wp)之比，称为饱水系数。它反映了岩石中
大、小开空隙的相对比例关系。
Wp
m w2 100 % ms
mw1 Wa 100% ms
2.岩石变形特征
变形参数的一般确定方法: 实验数据分析
2
2 1 Et 2 1
弹性模量：弹性段的斜率
50
割线模量：极限强度50%所 对应点的斜率
Ei
1 i o
50 50
Ei i i
1 50 2 i L
初始模量：初始段 应力-应变曲线的切 线的斜率
2、岩石的物理性质
岩石的水理性质
岩石在水溶液作用下表现出来的性质，称为水理性质。主要包括： 吸 水性、软化性、 抗冻性、 膨胀性、 崩解性。
吸水性：岩石在一定的实验条件下吸收水分的能力，称为岩石的吸水性。
吸水率(Wa)：岩石试件在大气压力和室温条件下自由吸入水的质量(mw1)与 岩样干质量(ms)之比，用百分数表示。
不能恢复的 当物体既有弹性变形又有塑性变形，且具有明显的弹性后效时，弹性变形 和塑性变形就难以区别了。
在外力作用下只发生塑性变形，或在一定的应力范围内只发生塑性变形的物
体，称为塑性介质。
1.岩石变形的定义
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。引起岩石发生一定 变形所需的里取决于岩石的表观粘度，当岩石发生瞬时变形后 ，应力不断衰减。早施加载荷后出现永久变形的粘性材料称为 粘塑性材料。
QT Ct LtT
3、岩石的各向异性和渗透性
单向裂隙指一组结构面的法线方向上每单位长度(m)内，法线与结构面的交割数目。 平面裂隙率 Ka是指岩石单位面积上诸裂隙所占有的面积总与总面积的比值。
3、岩石的各向异性和渗透性
岩石各向异性 是指天然岩体的物理力学性质随空间方位不同而异的特性，具 体表现在它的强度及变形特性等各方面。 在天然岩体条件下，使岩体具有各向异性的基本原因是由于岩石内普遍存在着 层理、片理、夹层和定向裂隙（断层）系统所致。目前在实际工程中对于成层 岩体往往考虑其平行于层理和垂直于层理方向的差异性。对于不具有层理的岩 体，则把它视为各自同性体。
接触型：仅仅在颗粒的接触点存在胶结物，这种胶结程度低，岩 石强度也不大。
间隙型：矿物颗粒彼此直接接触，而颗粒的孔隙被胶结物充填。
溶蚀型：胶结物不仅充填在矿物颗粒之间，而且进入到矿物颗粒 本身中，胶结强度很高。
2、岩石的物理性质
岩石和土一样，也是由固体、液体和气体组成的多相体系。 物理性质是指岩石由于三相组成的相对比例关系不同所表现的 物理状态。（岩石的密度、岩石的孔隙性、岩石的水理性）
v
r
A
r
o
a
空隙闭合应力：单轴压缩状态下使岩石中的空隙闭合的 最下应力。
2.岩石变形特征
v
r
e
A
B
r
o
a
比例弹性极限或弹性极限：应力-应变曲线保持直线 关系的极限应力
2.岩石变形特征
v
r
p
e
A
C B
r
a
屈服应力：单轴压缩状态下岩石出现塑性变形的极限应力
2.岩石变形特征
i
i E i
o i L
2.岩石变形特征
岩石的变形特征可以用以下几种模量说明：
① 初始模量：曲线原点处切线斜率
②
d Ei＝ d
0
m
③
② 切线模量：曲线上任一点处切线的斜率
M
Et
①
d d
m
③ 割线模量：曲线上某点与原点连线的斜率
a
0
m
m E s＝ m
① 空隙压密阶段(OA) ② 弹性变形阶段(AB) 定发展阶段(BC)④ 微裂隙非稳定发展阶段(CD) 段(DE)
2.岩石变形特征
变形参数
变形模量（modulus of deformation)是指单轴压缩条件下， 轴向压应力与轴向应变之比。应力-应变曲线为直线型，这 时变形模量又称为弹性模量。
KR＜0.75，岩石软化性较强，工程地质性质较差
常 见 岩 石 的 软 化 系 数
弹性模量随含水量 的变化情况
泊松比随含水量的变化情 况
粘聚力随含水量的 变化情况
内摩擦角随含水量 的变化情况
2、岩石的物理性质
抗冻性：岩石抵抗冻融破坏的能力。
膨胀性：岩石吸水后体积增大引起岩石结构破坏的 性能称膨胀性。 崩解性：岩石被水浸泡，内部结构遭到完全破坏呈 碎块状崩开散落的性能。具有强烈崩解性的岩石和 土，短时间内即发生崩解。
岩石的变形、破坏特征
卢运虎
学习目标
• 掌握岩石物理性质、变形、破坏的定义； • 了解不同岩石的本构关系及强度准则； • 孔隙压力变化对岩石应力与破坏的影响。
提纲
一、岩石的物理性质 二、岩石的变形特征与本构关系 三、岩石的强度特性与强度准则
砾岩
致密细砂岩
泥岩
硬脆性泥页岩
纯盐岩
盐岩
盐岩 泥岩
硬石膏 盐岩 盐岩 泥岩 盐岩
弹性：一定的应力范围内，物体受外力作用产生变形，而去除 外力后能够立即恢复其原有的形状和尺寸大小的性质。
弹性按其应力和应变关系又可分为两种类型 应力和应变呈直线关系—即线弹性（虎克 型弹性、理想弹性） 应力应变呈非直线的非线性弹性
1.岩石变形的定义
塑性：物体受力后产生变形，在外力去除后不能完全恢复 原状的性质。
ms d V
sat
msat V
m V
2、岩石的物理性质
常见岩石的密度
岩石名称 花 岗 岩 闪 长 岩 辉 长 岩 密度 (g／cm3) 2.52～2.81 2.67～2.96 2.85～3.12 岩石名称 石 灰 岩 白 云 岩 片 麻 岩 密度(g／cm3) 2.37～2.75 2.75～2.80 2.59～3.06
2.岩石变形特征
变形参数测定的动力法 设岩石为均质、各向同性、弹性体，则弹性波在岩体介 质中传播的纵波速度和横波速度可以用下列公式表示：
纵波速度：
Vp
Ed
1 d 1 d 1 2d
横波速度：
Vs
Ed
1 2 1 d
2.岩石变形特征
根据上述两个式子可以推导得出由纵横波速度表示的动态
1、岩石的组构特征
岩石的结构
岩石的结构：岩石内矿物颗粒的大小、形状、排列方式及 微结构面发育情况与粒间连结方式等反映在岩块构成上的 特征。其中，粒间连结分结晶连结与胶结连结。
颗粒大小 强度：细粒 ＞ 粗粒 颗粒形状 排列形式 强度：粒状、柱状 ＞ 片状 ＞ 鳞状 强度：等粒 ＞ 不等粒
1、岩石的组构特征
Q w R2 K ln 2 LP R1
岩石的渗透系数数值
提纲
一、岩石的物理性质 二、岩石的变形特征与本构关系 三、岩石的强度特性与强度准则
1.岩石变形的定义
岩石的变形: 是指岩石在任何物理因素作用下形状和大小的变 化。工程最常研究的是由于力的影响所产生的变形。
工程现象：
1.岩石变形的定义
2.岩石变形特征
加载-卸载时的应力应变关系
1）岩石是弹性的或卸荷点（P）的应力低于岩石的弹性极 限(A)表现为弹性恢复。
A P
2.岩石变形特征
2）如果卸荷点(P）的应力
P A
高于弹性极限(A)，则卸荷曲线
辉 绿 岩
砂 页 岩 岩
2.80～3.11
2.17～2.70 2.06～2.66
片
岩
2.70～2.90
2.75左右 2.72～2.84
大 理 岩 板 岩
2、岩石的物理性质
岩石的孔隙特性
孔隙度：岩石中孔隙体积与岩石总体积之比 (多用百分数表示)。 裂隙率：岩石中各种节理、裂隙的体积与岩石总体积之比称裂隙率。
d dt
粘性
1.岩石变形的定义
1.岩石变形的定义
应力是作用于单位面积上的力，属于矢量。
2.岩石变形的定义
u1 轴向应变： 11 x 1 u 3 径向应变： 33 x 3 S 弹性模量： E 11 11 33 泊松比： 11
ij
u 1 ui ( j) 2 x j x i
3、岩石的各向异性和渗透性
岩石能透过水的能力称为岩石的渗透性。有压水可以透过岩石的 孔隙、裂隙而流动，不同岩石或裂隙性不同的岩石的渗透性不同 ，渗透性的大小用渗透系数K表示。
岩石的渗透系数不仅与岩石的物理性质有关，也与岩石的应力状
态有关。
QL w K PA
岩石渗透仪(轴向渗透) 1-注水管路；2-围压室；3-岩样；4-放水阀
2、岩石的物理性质
岩石的热理性：是指岩石温度发生变化时所表现出来的
物理性质。（热胀冷缩）
体胀系数：温度上升1℃所引起的体积增量与初始体积的比值。
vs
Vt V0 V0
线胀系数：温度上升1℃所引起的长度增量与初始长度的比值。