Question

岩石的力学性质有哪几点?怎么分类?

Answer 1

经过材料力学实验证明，岩石与其他固体物质一样，在受力变形过程中，应力σ与应变ε之间存在着一定的关系。若以应力σ为纵坐标，应变ε为横坐标，则可得到应力应变曲线（图3-9）。分析应力 应变曲线的特征，通常将岩石受力变形过程依次划分出弹性变形、塑性变形和断裂变形等三个阶段。岩石的三个变形阶段是依次发生的，不是截然分开，而是彼此过渡的。由于岩石的力学性质不同，不同岩石的各个变形阶段的长短和特点也各不相同。

1.弹性变形

图3-9 塑性材料（低碳钢）做拉伸实验时的应力-应变曲线（据孙超，1990）

物体在外力作用下发生变形，当外力解除后，能完全恢复其原状的变形称为弹性变形。如图3-9，当超过B点时，即使去掉外力，岩石也不会再完全恢复到变形前的状态。所以，B点的应力值σ_b称为弹性极限，OB称为弹性变形阶段。OA呈直线，说明应力σ与应变ε成正比，符合胡克定律。OA的斜率为：

tanθ＝σ/ε＝E

E值称为弹性模量。不同力学性质的岩石，E值是不相同的。AB为一条曲线，应力σ与应变ε不能用胡克定律表示，但是，当外力去掉后，岩石仍然可完全恢复到变形前状态，所以仍为弹性变形阶段。

从微观角度看，岩石变形是由组成它们的质点受力发生位移，而导致岩石的形态或体积改变，同时质点的位移要吸收一定的位能，在短期内，外力解除后，这种位能又发挥作用，使质点部分或全部恢复其原来的位置，即弹性恢复或弹性回跳。地震冲击波的传播就使地壳内的岩石具有弹性变形的表征。

2.塑性变形

随着外力的继续增加，变形相继增大，当应力超过岩石的弹性极限后，即使将应力解除，岩石也不能完全恢复其原来的形状，但是岩石没有失去连续完整性，这种变形称为塑性变形或称永久变形。如图3-9所示，当超过E点时，岩石就会发生破裂，失去连续完整性。所以，E点称为破裂点，其应力值σ_E称为强度极限或破裂极限；BE称为塑性变形阶段。

在BE塑性变形阶段中，曲线呈反S形。其中，当超过C点时，曲线变成水平状态，说明在没有增加外力的情况下变形仍然显著增加，也就说明岩石抵抗变形的能力很弱，这种现象称为屈服或塑性流变。C点为屈服点，其应力值σ_c称为屈服极限。当超过D点后，随应力的增加，曲线弯曲向上，说明岩石在塑性变形的最后阶段DE内会不断地受到强化，因而又重新产生不断增长的抵抗变形的能力.

岩石发生塑性变形的原因：从岩石本身性质来讲，受力岩石在塑性变形阶段内部质点发生位移，在新的位置上达到了新的平衡。当去掉外力作用后，岩石内部质点不再恢复到原来的位置。表现在岩石的外貌虽然变了形，但内部质点仍然存在着结合力而连接在一起，使岩石仍然保持着连续完整性。

岩石内部质点的位移，可以发生在矿物颗粒之间的滑动或矿物颗粒内部的滑动。粒间滑动是指发生在矿物颗粒之间的软弱界面上滑动，矿物颗粒本身的大小和形态未发生改变；粒内滑动是指矿物颗粒内部的质点产生平移滑动或双晶滑动（图3-

G.L.泰勒（Taylor，1934）等人认为塑性变形是由于线状晶格缺陷即位错沿滑移面的运动引起的。晶格中某一点上原子排列周期性的缺陷称为点缺陷；如果，晶格内原子排列周期性的缺陷出现在一条线上时，则形成线缺陷，这种缺陷（图3-11B之CD）与晶体滑动方向垂直者称刃性位错（图3-11B），当晶面ABCD沿晶格两侧发生位移，则形成螺形位错（图3-11C），其位错线（图3-11C之CD）与滑动方向平行。

图3-10 岩石塑性变形时的双晶滑动

A—滑动前的状态；B—沿g₁g₁、g₂g₂……发生滑动的原子排列状态

3.断裂变形

当作用的外力，超过岩石的强度极限时，岩石内部的质点间的结合力就会遭到破坏而产生破裂面，使岩石失去连续完整性，即称为断裂变形或脆性变形。如图3-9所示，当超过E点后曲线急剧下降，说明岩石失去了抵抗变形的能力，达到被破坏的程度。对韧性较强的岩石，当所受的张应力超过强度极限σ_E时，会出现细颈化现象。随着细颈化现象的出现，岩石表现为所受应力迅速减小，变形急剧发展且直到变形曲线上的K点时，才在细颈化处被拉断。EK区间乃为局部塑性变形。

图3-11 理想完好的晶格（A）、刃型位错（B）和螺型位错（C）

岩石的变形与岩石的力学性质有密切的关系，影响岩石变形的力学性质主要表现在岩石的脆性或韧性方面。岩石受力后，若在破裂前只有很小的塑性变形（应变量＜5%），称为岩石的脆性，脆性强的岩石，受力后很快就会发生破裂；岩石受力后，若在破裂前能承受较大的变形（应变量＞10%）而不失去连续完整性时，称为岩石的韧性，韧性强的岩石，不易被拉断、剪断或折断。岩石在地表条件下一般表现为脆性，但随着围压、温度及变形速率等条件的变化可以转化为韧性。