什么是岩石的力学性质?

发布网友 发布时间：2024-10-09 16:38

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热心网友 时间：2024-10-17 23:16

主要的岩石力学性质的刚性、柔性、弹性、塑性、脆性、韧性以及强度等的定义如下。刚性和柔性指的岩石在力的作用下是否出现变形的性质，否则刚性，是则柔性。弹性和塑性指的是岩石在力的作用下是否出现可恢复的变形的性质，否则塑性，是则弹性。脆性和韧性指的岩石在力的作用下是出现破裂的变形还是流动而不破裂的变形的性质，前者是脆性，后者是韧性。强度指岩石在力的作用下出现屈服或破裂时承受的最大应力。岩石处于地下深处，承受着周围岩体对它施加的围压作用、地下热量对其的加热作用、地下流体对其的物理和化学作用以及时间因素的作用等。所有这些因素在很大程度上可改变岩石的力学表现。

1.围压因素

岩石所处深度越大，围压也越大，这种压力，一方面增强了岩石的韧性；另一方面，大大提高了岩石的强度极限，弹性极限也有所增高。

图3-44为石灰岩在常温时从0.1MPa到约400MPa的围压下进行实验而得出的应力-应变曲线。当围压为0.1MPa，施加压应力到280MPa时，石灰岩表现为弹性，超过此值岩石就破裂。当围压增大到100MPa以上，石灰岩受到400MPa左右的压应力时，开始显示塑性变形。围压在200MPa时，石灰岩压缩了30%还未破裂，表明岩石的韧性大大增加了。上述实验还表明，岩石的强度极限是随围压的增加而加大的。当围压为0.1MPa时，即在地表条件下，这种石灰岩的抗压强度也可达到280MPa；围压为100MPa时，其抗压强度将大于390MPa；围压在400MPa时，石灰岩的抗压强度可增高到800MPa以上。此外，岩石种类不同，围压的影响可以有很大的变化。

图3-44 石灰岩在不同围压下的应力-应变曲线

（据E.Robertson）

上述情况表明，在近地表，大多数岩石表现为脆性，断裂相对较发育。当处于地壳深处时，岩石就变为具有高度韧性的物质，甚至呈现出粘性流动特征，因此，褶皱就相对比较发育。

围压对于岩石力学性质影响的原因在于，围压使固体物质的质点彼此接近，增强了岩石的内聚力，从而使晶格不易破坏，因而不易断裂。

2.温度因素

许多岩石在常温常压下是脆性的，随着温度的升高，岩石的强度降低，弹性减弱，韧性显著增强，因而有利于发生形变。图3-45是格里格斯（D.T.Griggs，1951）对大理岩进行实验所作出的应力-应变曲线。在室温和1000MPa围压下，对大理岩施加压力时，大理岩的弹性极限为200MPa左右；温度增高到150℃时，弹性极限降低为100MPa左右。这个实验表明，温度升高对岩石变形和抗压强度的影响。

矿物与岩石一样，温度升高，弹性极限和抗压强度明显降低，易于塑性变形。图3-46是磁黄铁矿在围压100MPa和不同温度下的应力-应变曲线。温度从25℃逐级升高到500℃，弹性极限和抗压强度逐级降低，而且温度升得越高，二者降得越快。

图3-45 温度和溶液状态对大理岩变形的影响

（据D.T.Griggs，1951）

图3-46 在围压100MPa和不同温度作用下，磁黄铁矿的应力-应变曲线

（据R.C.Bruce et al.，1973）

温度增高对岩石力学性质影响的原因是，由于温度增高时，岩石质点的热运动增强，从而减弱它们之间的联系能力，使物质质点更容易位移。因此，当温度升高到适当程度时，较小的应力也能使岩石发生较大的塑性变形。

3.流体因素

在干燥和潮湿状态下，岩石的力学性质是大不相同的。野外观察和室内实验都证实了这一点。当岩石中有溶液或水汽时，通常可降低岩石的弹性极限，增加岩石的塑性，岩石易于变形。

一种机制是在应力作用下，溶液有利于重结晶作用，它可促使某些矿物溶解，也可促使某些新矿物形成，因而有利于岩石的塑性变形。另一种机制是溶液的加入使分子的活动力加强，因此，随着分子活动力的增强，岩石分子之间的凝聚力必然降低，从而降低了岩石和矿物的强度。第三种机制是岩石孔隙内流体通常具有一定的孔隙压力，这种压力可以减小岩石内摩擦力。一般情况下，岩层中孔隙压力增大会使岩石屈服强度降低，因而易于变形。在沉积物堆积时，一些流体封闭在粒间孔隙内，水就是其中常见的一种。沉积物被压实后，其中部分虽被挤出，但大部分仍然留在岩层中，可以产生很大的孔隙压力。

对比图3-45下面两条曲线，湿大理岩比干大理岩更容易发生塑性变形，如果产生10%的变形量所需要的压应力，对于干大理岩是300MPa，而对于湿大理岩只需要200MPa左右。表3-2列举了七种岩石在潮湿条件下抗压强度的降低率，其中页岩抗压强度降低率最大，为60%。

矿物也具有这种性质，如云母片在潮湿的空气里远比在干燥的空气里更易弯曲。图3-47中曲线A、B、C、D表示在干燥条件下，随着温度的不断升高，石英的弹性极限依次降低，而塑性相应增大。在干燥条件下950℃的曲线应在C、D线之间，但在潮湿条件下，950℃的E曲线却下降到曲线D以下，表明其强度大大降低。

如图3-48所示，当孔隙压力增加时，岩石的屈服强度随之降低，即图中由点g降到点a。

表3-2 七种岩石在干燥和潮湿状态下的抗压强度及强度降低率

图3-47 溶液和温度对石英变形的影响

（围压1400MPa）

图3-48 印第安纳石灰岩在近70MPa围压下的压缩变形中，孔隙压力对应力-应变曲线的影响

（据P.Robinson，1959）

实验还表明，同一岩石，因流体介质性质不同，其强度降低程度也不相同。例如：处于围压为1000MPa的大理岩，在煤油介质内的抗压强度为810MPa；但在水中，其抗压强度降低为156MPa，仅为在煤油中的抗压强度的五分之一。

4.时间因素

时间对于岩石的力学性质与变形的影响有以下三个方面：

（1）快速施力与缓慢施力对岩石变形的影响

快速施力，不仅加快岩石的变形速度，而且会使其脆性变形加强。例如，沥青和潮湿粘土是韧性物质，在快速冲击力作用下，会像脆性物质一样被破坏。如缓慢施力，则会使脆性物质发生塑性变形。长时间缓慢持续施力，使物体破坏所需要的应力远比迅速施力使之破坏所需要的应力小得多。当岩石受到缓慢的长时间外力的作用时，质点有充分时间固定下来，于是产生了永久变形。当快速变形时，质点来不及重新排列就破裂了，所以就呈现出脆性变形的特征。

（2）重复受力对岩石变形的影响

使岩石多次重复受力，虽然作用力不大，也能使岩石破裂。图5-49表示一种金属破裂时的应力与发生破裂所需要加力次数之间的关系。从图中可以看出，当应力次数增加时，破裂时的应力值就降低，降低为200MPa时，图上曲线便趋于水平，这时的应力值代表了物体在重复受力情况下发生破裂的最低应力极限，称为疲劳极限或耐力极限。用低于疲劳极限的应力作用于物体次数再多，也不能使物体破裂。

（3）长期作用对岩石变形的影响

流变实验可观察长期作用对岩石变形的影响。通常有等应变率实验和蠕变实验两种，前者对岩石施加一个恒定的很小的应变速率来观察应力变化情况，后者对岩石施加一个恒定的较小的应力来观察应变长期变化情况。基本的结论是：长时间的缓慢变形会降低材料的弹性极限；弹性不断降低，弹性变形逐渐减小，塑性变形不断缓慢增加；脆性降低，韧性增强，并可呈现流变特征。

石灰岩在常温常压下是脆性的，弹性极限为250MPa。但在较长时间的实验中，虽然只受到140MPa的压应力作用，便可以发生塑性变形。第一天缩短了0.006%，10天后缩短了0.011%，再后变形速度减慢（图3-50）。上述的变形包括了弹性变形和塑性变形两部分，当外力取消后弹性变形部分随之消失，但塑性变形部分保留了下来。

图3-49 某种金属的耐力曲线

（据M.P.Bilings，1972）

图3-50 在140MPa的压应力作用下石灰岩的蠕变曲线

（据D.T.Griggs，1939）

根据蠕变的变化特点，可将蠕变过程分为三个阶段（图3-51）：第一阶段可称为过渡蠕变阶段，相当于曲线AB段，在此阶段内应变速率不断减小，达到B点时降为最小值；第二阶段为平稳蠕变阶段，又称定常蠕变，相当于曲线的BC段，在该阶段内蠕变速率保持常量，是蠕变速率最小的一个阶段；第三阶段为加速蠕变阶段，相当于曲线的CD段，在本阶段内随着时间增长，蠕变速率显著加快，到D点后，试件完全破坏。

岩石在恒定外力作用下都会发生蠕变现象，只是不同的岩石其蠕变快慢不同而已。温度对蠕变快慢的影响也很大，温度越高，蠕变越快（图3-52）。蠕变是岩石流动性的一种表象，它与液体的流动相似，所不同的是液体流动的分子运动是各自独立的，而蠕变流动是靠晶体的滑移来实现的。

图3-51 蠕变曲线

a—典型的蠕变曲线；b—低温和低应力下的蠕变曲线；c—高温和高应力下的蠕变曲线

图3-52 蠕变增大曲线

（据A.H.Sully，1949）

恒定应力作用下，蠕应变随温度增高而增大

吉格奈格斯（Gignoux）早在1948年就指出：“只要有足够的时间，任何岩石在任何应力下都能够流动。”在流变的意义下，岩石的变形和应力都受时间因素的影响。应当看到，开展岩石流变学和高温、高压条件下岩石力学实验研究，将会有助于推动成因构造地质学和大地构造学的发展。

最后将围压、温度、流体和时间对岩石力学性质和岩石变形的影响定性地概括于表3-3中。

表3-3 岩石力学性质及其与影响因素的关系

“＋”表示提高、增强，“-”表示降低、减弱。