岩石力学第三章：岩石的力学特性及强度准则
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岩石的力学特性
到应有数值的现象； ④ 粘性流动 : 蠕变一段时间后卸载，部分应变永久不恢复的 2/35 现象。
岩石流变包括蠕变、松弛、弹性后效和粘性流动。
① 蠕变: 应力保持不变时，应变随时间增加而增长的现象； ② 松弛: 应变保持不变时，应力随时间增加而减小的现象； ③ 弹性后效: 加(卸)载后，经过一段时间应变才增加(或减少)
27/35
图 3-38 伯格斯体力学模型
蠕变曲线
E1 E2
E1
E1
卸载曲线
1
t1
o
t1
t
图 3-39 伯格斯体蠕变曲线和卸载曲线
6) 宾汉(Bingham)体 图3-40 宾汉体=虎克体+理想粘塑性体串联。 图 3-40 宾汉体力学模型 主要反映岩石的弹性—粘塑性特性，适用于粘土及半坚硬岩石。
7/35
1．流变模型基本元件
弹性元件
（a）力学模型
（b）应力—应变曲线
图 3-28 弹性元件力学模型及其性态
塑性元件
（a）力学模型
（b）应力—应变曲线
图 3-29 塑性元件力学模型粘及其性性元态 件
8/35
1) 弹性元件 虎克体理想弹性体(满足虎克定律)。 其力学模型弹簧元件(图3-28a)。
（a）力学模型
• 主要包括岩石本身性质和试验与环境条件。 • 岩石本身性质：矿物组成、结构构造(颗粒大小、连结及
微结构发育特征等)、密度、风化程度及各向异性等等； • 试验与环境条件：主要有水、温度、加载速率、围压的
大小等。
32/35
1．水对岩石力学性质的影响 ①岩石中的水两种赋存方式：
结合水/束缚水 自由水/重力水
②5个主要方面
连接作用
润滑作用 水楔作用 孔隙压力作用 溶蚀-潜蚀作用
岩石流变包括蠕变、松弛、弹性后效和粘性流动。
① 蠕变: 应力保持不变时，应变随时间增加而增长的现象； ② 松弛: 应变保持不变时，应力随时间增加而减小的现象； ③ 弹性后效: 加(卸)载后，经过一段时间应变才增加(或减少)
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图 3-38 伯格斯体力学模型
蠕变曲线
E1 E2
E1
E1
卸载曲线
1
t1
o
t1
t
图 3-39 伯格斯体蠕变曲线和卸载曲线
6) 宾汉(Bingham)体 图3-40 宾汉体=虎克体+理想粘塑性体串联。 图 3-40 宾汉体力学模型 主要反映岩石的弹性—粘塑性特性，适用于粘土及半坚硬岩石。
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1．流变模型基本元件
弹性元件
（a）力学模型
（b）应力—应变曲线
图 3-28 弹性元件力学模型及其性态
塑性元件
（a）力学模型
（b）应力—应变曲线
图 3-29 塑性元件力学模型粘及其性性元态 件
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1) 弹性元件 虎克体理想弹性体(满足虎克定律)。 其力学模型弹簧元件(图3-28a)。
（a）力学模型
• 主要包括岩石本身性质和试验与环境条件。 • 岩石本身性质：矿物组成、结构构造(颗粒大小、连结及
微结构发育特征等)、密度、风化程度及各向异性等等； • 试验与环境条件：主要有水、温度、加载速率、围压的
大小等。
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1．水对岩石力学性质的影响 ①岩石中的水两种赋存方式：
结合水/束缚水 自由水/重力水
②5个主要方面
连接作用
润滑作用 水楔作用 孔隙压力作用 溶蚀-潜蚀作用
岩体的强度特性
沿结构面破坏： （1）、沿结构面破坏：对岩体强度有影响的 节理方位： 节理方位：β1≤β≤ β2
2CJ +2 fJ σ3 σ1m =σ3 + Байду номын сангаас1− fJctgβ) sin2β
12
岩石力学
三、单结构面强度效应
对岩体强度有影响的节理方位角： 对岩体强度有影响的节理方位角： β1≤β≤ β2 可以直接在图上量取， β1、β2可以直接在图上量取，也可以由 正弦定律推求： 正弦定律推求：
2 n c
28
岩石力学
五、岩体强度估算
Hoek曾指出， 与库伦— Hoek曾指出，m与库伦—莫尔判据中的内 曾指出 摩擦角Φ非常类似， 则相当于内聚力C 摩擦角Φ非常类似，而s则相当于内聚力C 值。如果这样，根据Hoek—Brown提供的常 如果这样，根据Hoek—Brown提供的常 Hoek 最大为25 25， 数，m最大为25，显然这时估算的岩体强度 偏低， 偏低，特别是在低围压下及较坚硬完整的 岩体条件下，估算的三轴强度明显偏低。 岩体条件下，估算的三轴强度明显偏低。 但对于受构造扰动及结构面较发育的裂隙 化岩体，Hoek(1987)认为用这一方法估算 化岩体，Hoek(1987)认为用这一方法估算 是合理的。 是合理的。
(σ1 + σ 3 + CJ ctgϕJ )sin ϕJ 1 β1 = + arc sin[ ] σ1 − σ 3 2 2 (σ1 + σ 3 + CJ ctgϕJ )sin ϕJ 1 β2 = + − arc sin[ ] σ1 − σ 3 2 2 2
ϕJ π
ϕJ
13
岩石力学
三、单结构面强度效应 岩石（岩块） （2）、岩石（岩块）破坏：
2CJ +2 fJ σ3 σ1m =σ3 + Байду номын сангаас1− fJctgβ) sin2β
12
岩石力学
三、单结构面强度效应
对岩体强度有影响的节理方位角： 对岩体强度有影响的节理方位角： β1≤β≤ β2 可以直接在图上量取， β1、β2可以直接在图上量取，也可以由 正弦定律推求： 正弦定律推求：
2 n c
28
岩石力学
五、岩体强度估算
Hoek曾指出， 与库伦— Hoek曾指出，m与库伦—莫尔判据中的内 曾指出 摩擦角Φ非常类似， 则相当于内聚力C 摩擦角Φ非常类似，而s则相当于内聚力C 值。如果这样，根据Hoek—Brown提供的常 如果这样，根据Hoek—Brown提供的常 Hoek 最大为25 25， 数，m最大为25，显然这时估算的岩体强度 偏低， 偏低，特别是在低围压下及较坚硬完整的 岩体条件下，估算的三轴强度明显偏低。 岩体条件下，估算的三轴强度明显偏低。 但对于受构造扰动及结构面较发育的裂隙 化岩体，Hoek(1987)认为用这一方法估算 化岩体，Hoek(1987)认为用这一方法估算 是合理的。 是合理的。
(σ1 + σ 3 + CJ ctgϕJ )sin ϕJ 1 β1 = + arc sin[ ] σ1 − σ 3 2 2 (σ1 + σ 3 + CJ ctgϕJ )sin ϕJ 1 β2 = + − arc sin[ ] σ1 − σ 3 2 2 2
ϕJ π
ϕJ
13
岩石力学
三、单结构面强度效应 岩石（岩块） （2）、岩石（岩块）破坏：
第三讲 岩石强度
下图。
2P X Dl
（2-22）
6P y （2-23） Dl
•计算公式：当P值达到峰值破坏荷载Pmax时，在垂直径向的
x方向（水平方向）产生均匀拉应力σxmax即为岩石的拉应力：
2 Pmax Rt Dl
（2-25）
（3）点荷载试验法
–是上世纪发展起来的一种简便的现场试验方法。 –试件：任何形状，尺寸大致50mm，不做任何加工。 –试验：在直接带到现场的点荷载仪上，加载劈裂破坏。
在实验过程中，如何预见岩石的宏观破坏形式呢？ 也就是说在试验过程中，能否通过某种方式预先知道 （预测）它的破坏结果？（声发射技术的应用）
abLeabharlann cdef
– 由上图可知，声发射技术是一门无损监（检）测技 术，被动声发射监测，可以用来监测了解材料的破 坏趋势。
• 室内实验中影响岩石抗压强度的主要因素：
– 岩石试件的形状：圆柱体形、立方块、长方块等不同 的形状影响岩石的抗压强度，立方块和长方块容易在 棱角上产生应力集中，影响岩样的强度。
1. 岩石抗压强度：是指岩石承受最大外荷载的能力。
（1）单轴抗压强度：无围压（无侧限）强度 –岩样：圆柱形（尺寸直径48~54mm、高径比=2~2.5） –计算公式：压力与受载面积的比。
Pc Rc A
（2-14）
非标准试样的抗压强度计算公式：
为非标准岩样的强度，d为岩 样的直径或边长，h为高度。
• 试验方法：直剪仪，垂向压力P作 用下的直接剪切； • 试样：一般为立方块（尺寸：棱 长50mm），有时也用长方块； • 计算方法：
P A
P
岩样
直剪仪剪切盒
（2-15） （2-16）
T A
岩石的力学性质
岩石强度：岩石在载荷作用下变形到一定程度就发生破坏。
破坏前岩石所能承受的最大载荷，单位面积上的最大载荷。
单轴抗压强度:岩石在单周压缩荷载作用下所能承受的最大压应力。
单周抗拉强度：岩石在单周拉伸荷载作用下达到破坏时，所能承受的最大拉应力。
岩石的三轴强度：岩石在三向压缩荷载作用下，达到破坏时所能承受的最大压应力。
抗剪强度:岩石在剪切荷载的作用下，达到剪切破坏前所能承受的最大切应力。
抗切强度:指正切应力为零时，岩石试件沿预定剪切面间断时最大切应力。
摩擦强度：指一定正应力作用下的试件，沿岩石中既有的层面，节理等破坏面再次剪切破坏时的最大切应力。
残余强度：当剪切面发生破坏后，能使破坏面保持滑动所需要的的较小切应力。
稳定蠕变：当岩石在某一固定的荷载持续作用下，其变形量虽然随时间的增长有所增加，蠕变变形的速率则随时间的增长而减少，最后变形趋于一个固定的极限值，这种蠕变称为稳定蠕变。
不稳定蠕变：当上述作用荷载较大时，蠕变不能稳定与某一极限值，而是无限增值直到破坏，这种蠕变称为不稳定蠕变岩石的长期强度：当岩石请打超过某一临界值时，蠕变向不稳定蠕变发展，否则为稳定蠕变相应的临界应力值即为岩石的长期强度。
岩石流变：指岩石的应力—应变关系与时间因素有关的性质。
蠕变：指应力保持不变时，应变随时间的增加而增长的现象。
松弛：指应变保持不变时，应力随时间的增加而减小的现象。
弹性后效：是指在卸载过程中弹性应变滞后于应力的现象。
粘性流动：指蠕变一段时间后卸载，部分应变永久不恢复的现象。
泊松比：在材料的比例极限内，由均匀分的纵向应力所产生的横向应变与纵向应变之比的绝对值。
脆性：材料在外力作用下，仅产生很小的变形就断裂破坏的性质。
延性：只材料的结构，构件或构件的某个截面从屈服开始到达最大承载力或达到以后而承载力还没有明显下降期间的变形能力。
粘性:是施加于物体的应力和由此产生的变形速率以一定的关系联系起来的流体的一种宏观属性.变现为流体的内摩擦.弹性：在外力作用下变形，当外力除去后完全恢复原状的这种性能。
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
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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。
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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。
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（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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§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)
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§3.2岩体结构的基本类型 （地质学、复习、了解）
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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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岩体力学岩石的强度特性
消除试件端部约束旳措施 润滑试件端部（如垫云母片；涂黄油在端部） 加长试件
4.影响单轴抗压强度旳主要原因
(1)承压板端部旳摩擦力及其刚度(加垫块旳根据) (2)试件旳形状和尺寸
形状：圆形试件不易产生应力集中，好加工 尺寸：不小于矿物颗粒旳10倍； φ50旳根据 高径比：研究表白；h/d≥(2－3)较合理
第三节 岩石旳强度特征
工程师对材料提出两个问题
1 最大承载力——许用应力[σ] ？ 2 最大允许变形－－许用应变[ε]？ 本节讨论[σ]问题
强度：材料受力时抵抗破坏旳能力。
强度
单向抗压强度
单向抗拉强度
剪切强度 三轴压缩
真三轴 假三轴
一 岩石旳单轴抗压强度
1.定义：指岩石试件在无侧限旳条件下， 受轴向压力作用破坏时单位面积上承受旳 荷载。
Rc P / A
式中：P——无侧限旳条件下旳轴向破坏荷
载
A——试件界面积
2.试件措施：
（1）试件原则：
圆柱形试件：φ4.8－5.2cm ，高H=（2－2.5)φ 长方体试件：边长L= 4.8－5.2cm , 高H=（2－ 2.5)L
试件两端不平度0.5mm；尺寸误差±0.3mm; 两端面垂直于轴线±0.25o
（2）加载途径对岩石三向压缩强度影响
A、B、C三条虚线是三个不同旳加载途径， 加载途径对岩旳最终三向压缩强度影响不大。
（3）孔隙水压力对岩石三向压缩强度旳影响
孔隙水压力使有效应力（围压）减小 强度降低
有水
无水
3.单向压缩试件旳破坏形态
破坏形态是体现破坏机理旳主要特征； 其主要影响原因：①应力状态 ②试验条件 破坏形态有两类： （1）圆锥形破坏 原因：压板两端存在摩擦力，箍作用（又称端部效应） （2）柱状劈裂破坏 张拉破坏（岩石旳抗拉强度远不大于抗压强度） 是岩石单向压缩破坏旳真实反应（消除了端部效应）
4.影响单轴抗压强度旳主要原因
(1)承压板端部旳摩擦力及其刚度(加垫块旳根据) (2)试件旳形状和尺寸
形状：圆形试件不易产生应力集中，好加工 尺寸：不小于矿物颗粒旳10倍； φ50旳根据 高径比：研究表白；h/d≥(2－3)较合理
第三节 岩石旳强度特征
工程师对材料提出两个问题
1 最大承载力——许用应力[σ] ？ 2 最大允许变形－－许用应变[ε]？ 本节讨论[σ]问题
强度：材料受力时抵抗破坏旳能力。
强度
单向抗压强度
单向抗拉强度
剪切强度 三轴压缩
真三轴 假三轴
一 岩石旳单轴抗压强度
1.定义：指岩石试件在无侧限旳条件下， 受轴向压力作用破坏时单位面积上承受旳 荷载。
Rc P / A
式中：P——无侧限旳条件下旳轴向破坏荷
载
A——试件界面积
2.试件措施：
（1）试件原则：
圆柱形试件：φ4.8－5.2cm ，高H=（2－2.5)φ 长方体试件：边长L= 4.8－5.2cm , 高H=（2－ 2.5)L
试件两端不平度0.5mm；尺寸误差±0.3mm; 两端面垂直于轴线±0.25o
（2）加载途径对岩石三向压缩强度影响
A、B、C三条虚线是三个不同旳加载途径， 加载途径对岩旳最终三向压缩强度影响不大。
（3）孔隙水压力对岩石三向压缩强度旳影响
孔隙水压力使有效应力（围压）减小 强度降低
有水
无水
3.单向压缩试件旳破坏形态
破坏形态是体现破坏机理旳主要特征； 其主要影响原因：①应力状态 ②试验条件 破坏形态有两类： （1）圆锥形破坏 原因：压板两端存在摩擦力，箍作用（又称端部效应） （2）柱状劈裂破坏 张拉破坏（岩石旳抗拉强度远不大于抗压强度） 是岩石单向压缩破坏旳真实反应（消除了端部效应）
3-3 岩石的力学特性
经验公式 ： P t 0.96 2 D 式中：P—破坏时的荷载，N；
D— 试件直径；cm。 试件直径1.27～3.05cm 要求:（由于离散性大），每组15个，取均值 岩石的抗拉强度远远小于其抗压强度，一般情况下，
1 1 t ( ~ ) c 10 50
23
抗拉强度 ：
t
MC I
峰值前应力-应变关系
(1965)
少裂隙、 致密、坚硬、少裂隙 岩性较软
致密、坚硬、多裂隙
较多裂隙、 岩性较软
13
峰值后应力-应变关系
瓦维斯基和法赫斯特根据后区曲线将岩石全过程曲线分为Ⅰ 型和Ⅱ型，Ⅰ型为稳定破裂传播型，峰值后外力做功才能使试件 进一步破坏； Ⅱ型为非稳定破裂传播型。
葛修润院士认为Ⅱ型是人为因素控制，控制轴线应变，峰后 曲线在P点之右。
30
变角板剪切试验缺点是α角不能太大或太小，太大易倾倒而 太小不易剪切破坏，一般在30°~60°间选取。
31
32
§3.4 岩石三轴压缩条件下的力学特性 一、岩石三轴抗压强度
岩石在三向压缩作用下达到破坏时的最大压应力。加
载方式包括真三轴和常规三轴加载两种。
33
一、岩石三轴抗压强度Fra bibliotek围压越大，岩石的三轴极限 强度σ1p (峰值强度)越大。
20.5MPa，25MPa）
44
二、岩石的流变模型
岩石的流变本构模型：用于描述岩石应力－应变关系随时 间变化的规律。它是通过试验－理论－应用证实而得到的。 本构模型分类： 1、经验公式模型：根据不同试验条件及不同岩石种类求得 的数学表达式，这种表达式通常采用幂函数、指数函数、 对数函数的形式表达。 2、积分模型：是在考虑施加的应力不是一个常数时的更一 般的情况下，采用积分的形式表示应力－应变－时间关系 的本构方程。 3、组合模型：将岩石抽象成一系列简单元件（弹簧、阻尼 器、摩擦块），将其组合来模拟岩石的流变特性而建立的 本构方程。 45
D— 试件直径；cm。 试件直径1.27～3.05cm 要求:（由于离散性大），每组15个，取均值 岩石的抗拉强度远远小于其抗压强度，一般情况下，
1 1 t ( ~ ) c 10 50
23
抗拉强度 ：
t
MC I
峰值前应力-应变关系
(1965)
少裂隙、 致密、坚硬、少裂隙 岩性较软
致密、坚硬、多裂隙
较多裂隙、 岩性较软
13
峰值后应力-应变关系
瓦维斯基和法赫斯特根据后区曲线将岩石全过程曲线分为Ⅰ 型和Ⅱ型，Ⅰ型为稳定破裂传播型，峰值后外力做功才能使试件 进一步破坏； Ⅱ型为非稳定破裂传播型。
葛修润院士认为Ⅱ型是人为因素控制，控制轴线应变，峰后 曲线在P点之右。
30
变角板剪切试验缺点是α角不能太大或太小，太大易倾倒而 太小不易剪切破坏，一般在30°~60°间选取。
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§3.4 岩石三轴压缩条件下的力学特性 一、岩石三轴抗压强度
岩石在三向压缩作用下达到破坏时的最大压应力。加
载方式包括真三轴和常规三轴加载两种。
33
一、岩石三轴抗压强度Fra bibliotek围压越大，岩石的三轴极限 强度σ1p (峰值强度)越大。
20.5MPa，25MPa）
44
二、岩石的流变模型
岩石的流变本构模型：用于描述岩石应力－应变关系随时 间变化的规律。它是通过试验－理论－应用证实而得到的。 本构模型分类： 1、经验公式模型：根据不同试验条件及不同岩石种类求得 的数学表达式，这种表达式通常采用幂函数、指数函数、 对数函数的形式表达。 2、积分模型：是在考虑施加的应力不是一个常数时的更一 般的情况下，采用积分的形式表示应力－应变－时间关系 的本构方程。 3、组合模型：将岩石抽象成一系列简单元件（弹簧、阻尼 器、摩擦块），将其组合来模拟岩石的流变特性而建立的 本构方程。 45
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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常 见 岩 石 的 软 化 系 数
岩 石 名 称
花 岗 岩 闪 长 岩 辉 绿 岩 流 纹 岩
软化系数
0.72～0.97 0.60～0.80 0.33～0.90 0.75～0.95
岩石名称
泥 岩
软化系数
0.40～0.60 0.44～0.54 0.70～0.94 0.75～0.97
泥 灰 岩 石 灰 岩 片 麻岩
岩石名称
抗压强度 (MPa)
100～250
抗拉强 度 (MPa)
7～25
岩石名称
抗压强度 (MPa)
5～100
抗拉强度 (MPa)
2～10
常 见 岩 石 的 抗 压 及 抗 拉 强 度
花岗岩
页 岩
流纹岩
160～300
12～30
粘土岩
2～15
0.3～1
闪长岩
120～280
12～30
石灰岩
40～250
7～20
安山岩
140～300
10～20
白云岩
80～250
15～25
辉长岩
160～300
12～35
板 岩
60～200
7～20
辉绿岩
150～350
15～35
片 岩
10～100
1～10
玄武岩 砾岩 砂 岩
150～300 10～150 20～250
10～30 2～15 4～25
片麻岩 石英岩 大理岩
50～200 150～350 100～250
（二）岩石的水理性质
5．可溶性：是指岩石被水溶解的性能。它与岩石 的矿物成分、水中CO2 含量及水的温度等因素有 关。 6．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。
一般含有粘土矿物的岩石具有—定的膨胀性，特别是
含有蒙脱石类矿物的岩石膨胀性最大。
南昆铁路建设中，膨胀岩地段路堑边坡坍滑造成严重
研究生课程：石油工程岩石力学 第三章：岩石的力学特性及强度准则
第一节：岩石的力学性质
岩浆岩、沉积岩和变质岩是岩石的成因
分类，它主要讨论岩石的结构、构造和
矿物成分等地质特性。
对于工程技术人员，更应关注的是直接
用于工程设计的岩石工程性质：岩石的
物理性质、水理性质和力学性质。
一、岩石的工程性质
三向应力作用下的岩石力学特性
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要模拟井下应力状 态。 真三轴试验(岩石上三个主方向的作用力均不 等)十分复杂，一般均不采用，普遍采用的是 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
（二）岩石的水理性质
1.吸水性：在常压条件下，岩石浸人水中充分吸 水，被吸收的水质量与干燥岩石质量之比为吸 水率—岩石的容水性（已介绍） 2.透水性：是指岩石容许水透过的能力，用渗透 系数表示（已介绍）
3.软化性：岩石浸水后强度降低的性能称软化性。 软化性用软化系数表示，它是指岩石饱和状态 下与天然风干状态下单轴抗压强度之比。
白云岩
5～9.4
0.15～0.35
安山岩
5～12
0.2～O.3
板岩
2～8
O.2～0.3
辉长岩
7～15
0.1～0.3
片岩
1～9
O.2～O.4
玄武岩
6～12
01～0.35
片麻岩
1～1O
0.1～0.35
砂 岩
0.5～10
O.2～0.3
石英岩
6～20
0.08～0.25
比
二、岩石的力学特征
岩石的力学特征：岩石的力学性质及其 在不同条件下的变化规律。 岩石力学性质的影响因素：岩石的类型、 组份、结构、围压、温度、含水量、加 载速率以及载荷类型等。 研究方法：要研究这些复杂因素对岩石 力学性质的影响规律，只能在实验室内 严格控制某些因素的情况下进行实验。
σ t=2P/π d L
ｄ为试件直径，L为试件厚度，P为破坏载荷。
岩石的抗拉强度
岩石抗拉强度远远低于抗压强度，一般 前者为后者的1/10—1/20，甚至为1/50。 抗拉强度低的原因主要是由于岩石内部 微裂隙、孔隙较为发育，这种缺陷对抗 拉强度降低尤为敏感，在拉应力作用下 具有削弱岩石强度的效应。 岩石的抗拉强度还受到岩石本身内部组 分的影响，例如矿物成份，颗粒间胶结 物的强度都影响岩石的抗拉强度。
岩石抗压强度最大，其次是抗剪强度和抗弯强度，而 抗拉强度最小。
强度实验方法
单轴抗压强度 三轴抗压强度
实验装置图
标准试样
岩石加载方式：
压应力
岩石应力应变曲线（纵横向）
岩石应力应变曲线
岩石受力变形至破坏可分为 三个阶段：
裂隙压密阶段，曲线斜率随应 力增加而增大； 弹性变形阶段，应力与应变之 间呈线性关系； 塑性变形、裂隙扩展阶段，岩 石变形不再恢复，裂隙扩展， 直至岩石破坏。
物理性质：重量性质和孔隙性质
水理性质：吸水性、透水性、软化性、 抗冻性、可溶性、膨胀性及崩解性 力学性质：抗压强度、抗拉强度、抗剪 强度、点载荷强度、回弹强度、变形模 量及泊松比
（一）岩石的物理性质
1.密度() ：单位体积岩石的质量称岩石的密度 (g／cm3)
天然密度：天然状态下，单位体积岩石中包括固体颗 粒、一定量的孔隙水和孔隙三部分，此时测出的密度 为天然密度。 饱和密度：水把所有孔隙充满时测得的密度 干密度：把岩石中的全部水分烘干所测得的密度
岩石应力应变曲线
根据应力应变曲线可确定抗 压强度、弹性模量及泊松比
（三）岩石的力学性质
岩石的变形性质：弹性模量和泊松比 弹性模量 ：岩石每增加单位应变所需 增加的应力
E /
式中：E－弹性模量；－应力；－应变
泊松比：压缩应力作用下岩石横向应变 与纵向应变之比
横 纵
页
岩
0.24～0.74
石 英 岩
0.94～0.96
（二）岩石的水理性质
4.抗冻性 岩石抵抗水冻结所造成的破坏能力称 抗冻性。 岩石抗冻性的指标：岩石强度损失率和岩石 重量损失率。 强度损失率：饱和岩石在一定负温度(通常为 -25℃)条件下，冻结融解25次以上，冻融前、 后抗压强度差值与冻融前抗压强度之比 重量损失率：冻融前、后岩石重量(干燥岩石 重量)差值与冻融前干燥岩石重量之比 强度损失率大于25％或重量损失率大于2％的 岩石是不抗冻的。
（一）岩石的物理性质
4.孔隙比：岩石中孔隙的体积与固体颗粒体积之比称岩 石的孔隙比(多以小数表示)
孔隙比和孔隙度可以互相换算：
e n 1 n
e n 1 e
式中： e －孔隙比; n－孔隙度(＝饱和密度－干密度)
密度是试验指标，只有通过试验才能得到具体数值,而 孔隙度和孔隙比是计算指标。
安 山 岩
0.81～0.91
石英片岩、角闪片岩
0.44～0.84
玄 武 岩
0.30～0.95
云母片岩、 绿泥石片岩 千 枚 岩 硅质板岩 泥质板岩
0.53～0.69
凝 灰 岩 砾 砂 岩 岩
0.52～0.86 0.50～0.96 0.21～0.75
0.67～0.96 0.75～0.79 0.39～0.52
2.比重：岩石密度与水在4℃时的密度之比称岩石 的比重 (无量纲)，在数值上等于岩石的密度。
常见岩石的密度
岩石名称 密度 (g／cm3) 岩石名称 密度(g／cm3) 花 岗 岩 2.52～2.81 石 灰 岩 2.37～2.75
闪 长 岩
2.67～2.96
白 云 岩
2.75～2.80
辉 长 岩
5～20 10～30 7～20
常 见 岩 石 的 弹 性 模 量 与 泊 松
岩石名称
弹性模量 (104MPa)
泊松比
岩石名 称
弹性模量 泊松比 (104MPa)
花岗岩
5～10
O.1～0.3
页 岩
O.2～8
0.2～O.4
流纹岩
5～10
O.1～ 0.25
石灰岩
5～10
0.2～0.35
闪长岩
7～15
O.1～O.3
巴西实验测定岩石的抗拉强度
巴西实验法(Brazilian test)：将岩石试件切割成 圆柱体，沿圆柱体直径方向施加均布载荷，即将试 件横置于压力机压头上，在试件上下承压板上各放 置一小直径的钢条，然后施加压力至试件沿直径方 向劈裂为止。 若假设材料为均匀、各向同性的弹性体，用弹性理 论即可得出抗压强度为：
的危害。
（二）岩石的水理性质
7．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 的岩石和土，短时间内即发生崩解。
我国西北地区的黄土，在水中浸泡一天左右即 崩解，西南某地风化钙泥质粉砂岩置于水中仅 十多分钟就全部崩解了。
泡水前岩石：完整坚硬
泡水后岩石：水化分散
（三）岩石的力学性质
温度对岩石力学性质的影响
大理岩、花岗岩、辉长岩的应力-应变曲线
随着温度的升高，无论是拉伸或压缩，岩石强度要 降低，加速了由脆性向延性转化，即塑性增大。
第二节 岩石的强度破坏准则
岩石的强度与应力状态有关，若已知岩石的应 力状态，如何判断岩石是否会发生破坏？需要 一个判断准则。 单向拉伸或单向压缩力作用下用抗拉强度准则 或抗压强度准则。 一般三向应力作用下岩石的破坏为剪切破坏， 用摩尔—库仑准则。 还有其它很多准则。