岩石的力学性质及其影响因素

关于岩石的力学性质及其影响因素

岩石力学性质主要是指岩石的变形(deformation)特征及岩石的强度(strength)。影响岩石力学性质的因素很多，例如岩石的类型、组构、围压(confiningpressure)、温度、应变率、含水量、载荷时间以及载荷性质等等。第三章岩石的力学性质及其影响因素第2页,共91页，2024年2月25日，星期天

对任何工程现象来说，只有将某些因素影响下的岩石力学性质逐一进行研究，才能认识到哪些是主要影响因素，哪些是次要因素。从而得出某些参数，建立岩石的本构方程(constitutiveequation)和破坏准则(failurecriterion)，为进一步研究分析提供一定模式与依据。要研究这些复杂因素对岩石力学性质的影响，只能在实验室内严格控制某些因素的情况下进行。然后将所得结果应用到实践中去验证，修正，直到与实际相符。第3页,共91页，2024年2月25日，星期天

一、岩样的制备（samplepreparation）室内进行岩石力学性质实验，首先应采集研究地层的岩石试件。为了保持岩样（rocksample）原有物理力学性质（例如矿物成分、粒度、结构、构造、裂隙、节理发育程度等等），最好进行密闭取心（coring）。然后将钻井岩心（core）切割成(5Xl0cm)圆柱体；但有时也可采用(5×5×10cm)的长方体。按国际岩石力学学会（InternationalSocietyforRockMechanics）建议，试件长度与宽度（或直径）之比为2.5~3.0之间（我国多采用2.0~2.5之间）。第一节岩石力学实验研究基础第4页,共91页，2024年2月25日，星期天图3－1准备岩心第5页,共91页，2024年2月25日，星期天图3－2制备岩样的程序样品采集和岩石学审查钻岩心端面切割端面磨平几何形状检验环境存放样品包裹（围压实验）实验第6页,共91页，2024年2月25日，星期天图3－3检查岩心的规则程度第7页,共91页，2024年2月25日，星期天

二、实验研究的基本方法将岩石试件放置在常规压力机（loadframe）或刚性压力机（loadframestiffness）上进行加载，其应变可以通过在试件上粘贴应变片（straingauge），由电阻应变仪测定。当载荷递增时（通过压力机读数能看出），可以得到施加在试件上的压应力σ=P/A（其中P为载荷，Ａ为试件横截面面积）及对应的应变（ε=△h/h）。在连续加载中（一般试验采用每秒5~8×105Pa的速度加载），应力、应变在直角坐标系中绘制的曲线，称为应力一应变曲线（stress-straindiagram）。第8页,共91页，2024年2月25日，星期天图3－4贴应变片第9页,共91页，2024年2月25日，星期天图3－5贴应变片的操作程序第10页,共91页，2024年2月25日，星期天图3－6应力应变曲线第11页,共91页，2024年2月25日，星期天

三、实验结果分析

据R.P.Miller对28类岩石进行岩石力学性质实验结果，将单轴压缩下应力一应变曲线概括地划分成如图3-1所示的六种类型。第一种类型为弹性变形（elasticdeformation），由加载直至破坏，应力一应变曲线（stress-straindiagram）近似线性特征，例如玄武岩、石英岩、辉绿岩、白云岩和坚硬的石灰岩等。

第二种类型为弹一塑性变形，应力一应变曲线在接近破坏载荷时出现连续的非弹性变形。例如软弱的石灰岩、粉砂岩和凝灰岩等。第12页,共91页，2024年2月25日，星期天图3-7在单轴压缩下岩石的典型应力一应变曲线(a)弹性；(b)弹一塑性；（c）塑一弹性；(d)塑一弹一塑性；(e)塑一弹一塑性(f)弹一塑一蠕变第13页,共91页，2024年2月25日，星期天

第三种类型为塑弹性变形，应力一应变曲线在低应力下表现出向上弯曲的现象，随后近似线性关系，直至破坏．例如砂岩、花岗岩等。第四种类型及第五种类型为塑一弹一塑性变形，应力一应变曲线均呈现S形曲线。这两种曲线不同之点：前者近似直线部分较陡，且初始阶段压缩性较小。例如变质岩中大理石和片麻岩。后者直线部分较缓，表示同样应力(stress)下变形(deformation)量较大，且初始阶段具有高度压缩性。它们之间的共同特点是在接近破坏时均显示出不同程度的非弹性变形（elasticdeformation）。

第14页,共91页，2024年2月25日，星期天

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、岩石的弹性参数任何固体在外力作用下都要发生形变，当外力的作用停止时，形变随之消失，这种形变叫弹性形变。岩石的杨氏弹性模量（E）、切变（刚性）模量（G）、体积模量（）和泊松比（）等是描述岩石弹性形变、衡量岩石抵抗变形能力和程度的主要参数。岩石最基本的弹性参数是弹性模量（Elasticmodulus）与泊松比（Poisson’sratio）。第15页,共91页，2024年2月25日，星期天1.弹性模量

根据岩样在施加载荷条件下的应力一应变关系，可以确定岩石的各弹性模量和泊松比，这样得到的岩石的各弹性模量和泊松比，称为岩石的静态弹性模量和静态泊松比。杨氏弹性模量是岩石弹性强弱的标志。设长为L，截面积为A的岩石，在纵向上受到力F作用时伸长或压缩，则纵向张应力（F/A）与张应变（）之比值即为静态杨氏弹性模量（E），即：

第16页,共91页，2024年2月25日，星期天b.弹性常数与强度的确定弹性模量国际岩石力学学会（ISRH）建议三种方法

初始模量

割线模量

切线模量

极限强度

第17页,共91页，2024年2月25日，星期天2、反复循环加载曲线特点：①卸载应力越大，塑性滞理越大（原因：由裂隙的扩大，能量的消耗）；②卸载线，相互平行；③反复加、卸载、曲线、总趋势保持不变（有“记忆功 能”）。第18页,共91页，2024年2月25日，星期天2.泊松比

泊松比（），又称横向压缩系数。静态泊松比表示为横向相对压缩与纵向相对伸长之比。设长为L，直径为d的圆柱形岩石，在受到压缩时，其长度缩短，直径增加，则静态泊松比（）表示为：第19页,共91页，2024年2月25日，星期天

设有一个各向同性材料的方块体或圆柱体在单向受压情况下沿轴向方向缩短，则沿径向方向变长，则其泊松系数为：理想的不可压缩材料的泊松系数等于0.5，实际材料的泊松系数小于0.5。第20页,共91页，2024年2月25日，星期天3.体积模量一弹性体受到附加的静压力增量∆P的作用时会引起体积应变Q，静压力增量与体积应变的比值为体积模量。4.刚性模量各向同性材料的方块体受到简单的剪应变作用时，沿剪切平面（方向和形状不变的平面）就会产生一定的剪应力。这一平面上的剪应力与剪应变之比第21页,共91页，2024年2月25日，星期天第22页,共91页，2024年2月25日，星期天某地层岩样做单轴强度实验，应力应变关系曲线如图所示，岩样的直径为25.4mm，高度为50mm，试确定此岩心的杨氏模量、体积模量和泊松比？第23页,共91页，2024年2月25日，星期天

5.岩石的动态弹性常数弹性模量和泊松比不仅可以根据岩样在施加载荷条件下的应力一应变关系得到，而且也可以利用弹性波的传播关系，由测量的弹性波速度和体积密度计算得到。由此得到的岩石的弹性模量和泊松比称为动态弹性模量和动态泊松比，统称动态弹性常数。如果有声波纵波和横波传播测井资料，那么联同体积密度测井可以由下列关系式求得地层各动态弹性模量，即：第24页,共91页，2024年2月25日，星期天第25页,共91页，2024年2月25日，星期天第26页,共91页，2024年2月25日，星期天第27页,共91页，2024年2月25日，星期天

利用测井资料计算地层的动态弹性模量时，必须同时具备声波纵波、横波以及密度测井资料。以往由于常常没有直接的横波测量结果，因此，通常只能使用横波的估算结果，这种数据主要由纵波测井资料和地层岩性资料转换得到（有用于砂岩或泥质砂岩地层条件下横波估算的计算公式，但精确度较差）。第28页,共91页，2024年2月25日，星期天

Tutuncn和Sharma在室内对饱和低渗透砂岩进行三轴应力下的动、静态同步测试得出：Ed大于Es，纯砂岩中Ed与Es差别大，而泥质砂岩差别较小。粉砂岩和泥岩动静态弹性模量的转换系数为0.68，白云岩质的粉砂岩为0.73，灰岩和白云岩为0.79。

Tutuncn和Sharma综合各种岩性的实验数据后得到了包括各种岩性的岩石的动静态弹性模量转换关系：此外，国内外许多研究人员在实际应用过程中，也针对动静弹性参数开展了大量的研究工作，其总的趋势是动态弹性模量一般都远远高于静态弹性模量，由于泊松比本身变化范围小，因此，动静泊松比值的差异一般不大。第29页,共91页，2024年2月25日，星期天

五、常温常压下岩石的典型应力一应变曲线

在常规压力机上进行岩石单轴实验时，随着压力逐渐增加，岩石试件会产生一定变形并同时储存着一定的应变能。当所加的应力超过岩石的强度极限(strengthlimit)（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（completestress-straindiagram）。第30页,共91页，2024年2月25日，星期天（二）刚性试验机下的单向压缩的变形特性普通试验机得到峰值应力前的变形特性，多数岩石在峰值后工作。注：C点不是破坏的开始（开始点B），也不是破坏的终。说明：崩溃原因，Salamon1970年提出了刚性试验机下的曲线。刚性机第31页,共91页，2024年2月25日，星期天（1）刚性试验机工作简介压力机加压（贮存弹性应能）岩石试件达峰点强度（释放应变能）导致试件崩溃。AA′O2O1面积——峰点后，岩块产生微小位移所需的能。ACO2O1面积——峰点后，刚体机释放的能（贮存的能）。ABO2O1——峰点后，普通机释放的能（贮存的能）。第32页,共91页，2024年2月25日，星期天（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、应变曲线分四个阶段：1-3阶段同普通试验机。

4阶段应变软化阶段

第33页,共91页，2024年2月25日，星期天特点：①岩石的原生和新生裂隙贯穿，到达D点，靠碎块间的摩擦力承载，故—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近似对称性②B点后卸载有残余应变，重复加载沿另一曲线上升形成滞环(hysteresis)，加载曲线不过原卸载点，但邻近和原曲线光滑衔接。第34页,共91页，2024年2月25日，星期天③C点后有残余应变，重复加载滞环变大，反复加卸载随着变形的增加，塑性滞环的斜率降低，总的趋势不变。④C点后，可能会出现压应力下的体积增大现象，称此为扩容(dilatancy)现象。一般岩的=0.15-0.35，当>0.5时，就是扩容.体积应变:第35页,共91页，2024年2月25日，星期天(3)克服岩石试件单向压缩时生产爆裂的途径提高试验机的刚度改变峰值后的加载方式伺服控制试件的位移普通试验机附加刚性组件的试验装置（提高试验的刚度）1岩石试件；2、6电阻应变片；3金属圆筒；4位移计；5钢垫块第36页,共91页，2024年2月25日，星期天伺服试验机原理示意图1.岩石试件；2.垫块；3.上压板；4.下压板；5.位移传感器。第37页,共91页，2024年2月25日，星期天图3-8岩石应力应变全过程曲线第38页,共91页，2024年2月25日，星期天

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（crack）数量，对致密岩石或在高围压下，这种现象不太明显。第39页,共91页，2024年2月25日，星期天

(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(elasticlimit)。事实上大多数岩石即使产生很小应变时，当卸完载荷后，总会或多或少地保留部分永久应变，这是由于被压密的微裂隙（crack）不可能完全恢复所导致的结果。第40页,共91页，2024年2月25日，星期天

(3)BC曲线当载荷继续增加超过B点后，该曲线呈向下弯曲形状，这说明应力增加不大，而应变增加很多。在超过B点的曲线上任一点（例如E点）卸载，应力一应变曲线将沿EO1路径下降，直到完全卸载下降到与横坐标轴相交点O1，这表示岩石试件内应力完全消失，但应变却不能完全恢复，仍保留的一部分应变OO1称为塑性应变或永久应变（permanentstrain），已恢复的应变称为弹性应变(elasticstrain)。第41页,共91页，2024年2月25日，星期天

在岩石力学中将B点的应力称为屈服应力(yieldstress)。卸载后再重新加载，则沿曲线O1R上升到与原曲线BC相联结，这样造成了一个滞回环，在R点以后随着载荷继续增加仍沿曲线ＢＣ上升到该曲线最高点C。如果在R点以后再卸载又会出现新的塑性应变，它似乎把弹性极限从B点提高到R点，这种现象称为应变硬化（strainhardening）。第42页,共91页，2024年2月25日，星期天

应力应变曲线最高点C的应力值称为抗压强度（compressivestrength）它表示岩石在这种条件下所能承受的最大压应力。对一般岩石，抗压强度约为弹性极限的1.5~3倍。从B点开始，在BC线段范围内，岩石试件不断产生微破裂以及在粒内或粒间产生滑移，这就是岩石破坏前所具有的明显非弹性变形，这种现象称为扩容（dilation

）。由于达到Ｃ点时微破裂的数量和扩展长度集聚增加，岩石具有显著的非弹性体积膨胀，直到C点有明显的破裂面形成。第43页,共91页，2024年2月25日，星期天

（四）岩石的体积应变特性

扩容现象：岩石在压力下，发生非线性体积膨胀。第44页,共91页，2024年2月25日，星期天

(4)ＣＤ曲线岩石试件在刚性压力机作用下，应力应变曲线达到C点，已有宏观破裂面形成，但尚未完全破裂成几块，岩石内部尚有部分联结，仍能承受一部分载荷，但其承载能力越来越小。从C点开始曲线逐渐下降。第45页,共91页，2024年2月25日，星期天

若在CD曲线上任一点G及时卸载，则沿着GK曲线下降，直到完全卸载，达到点K处，表示岩石产生较大的永久应变OK。若再加载，则曲线又会沿KH线上升，直到Ｈ点与CD曲线相联结，但H点的应力低于G点应力。这与在曲线BC线段中卸载后再加载的情况完全不同，前者卸载后再加载应力值上升，后者应力值下降，这说明CD线段岩石的强度不断下降，直到CD线段上某一点，由于破裂面上内聚力完全丧失，则岩石试件破裂成几块。第46页,共91页，2024年2月25日，星期天

岩石达到应力峰值（peakstress）以后的特征可分为两种类型：一类称为稳定破裂传播型，特点是：当载荷超过岩石试件承载能力的峰值后，试件中所储存的应变能，还不足以使破裂继续扩展；另一类称为非稳定破裂传播型，特点是：当载荷超过岩石试件承载能力的峰值后，尽管试验机不再对岩石试件做功，而岩石试件中储存的应变能足以使破裂继续扩展，最后导致试件破坏。第47页,共91页，2024年2月25日，星期天

综上所述，岩石试件在载荷的作用下，试件内部首先产生微裂隙压密变形，当载荷逐渐增加，达到屈服极限(yieldlimit)时，就开始产生微破裂（有微破裂面），随后微破裂逐渐扩展。当达到破坏强度时，宏观破裂面已逐渐形成，最后导致试件完全破裂成几块。因此，变形、破裂是相互依存的两个不同发展过程，在变形达到一定阶段，既包含着破裂的因素，而破坏阶段的到来也是变形不断发展的结果，所以，破坏实质上是破裂从量变到质变的一个过程。第48页,共91页，2024年2月25日，星期天

一、围压(confiningpressure)下的岩石岩石在常温常压下一般产生脆性破坏(brittlefailure)，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，一般所谓脆性破坏(brittlefailure)是指由弹性变形发生急剧破坏，破坏后塑性变形(plasticitydeformation)较小。

第二节围压对岩石力学性质的影响第49页,共91页，2024年2月25日，星期天岩石破坏的外观

第50页,共91页，2024年2月25日，星期天

延性(ductility)是指弹性变形之后产生较大的塑性变形而导致破坏，或直接发展为延性流动。所谓延性流动是指有大量的永久变形而不至于破坏的性质。对于岩石而言，破坏前永久应变在3％以下可作为脆性破坏，5％以上作为延性破坏，3-5％为过渡情况。

二、围压下岩石力学性质的实验岩石在地下一般处于三向应力状态，为了模拟这种状态下的力学性质，一般在室内进行岩石三轴应力实验(triaxialtest)。第51页,共91页，2024年2月25日，星期天

三轴应力实验可分为常规三轴应力实验（σ1≠σ2=σ3）及真三轴应力实验（σ1≠σ2≠σ3)两种。目前大多数三轴应力实验实验属于常规三轴应力实验。常规三轴应力实验，通常将一定尺寸圆柱形岩心试件用橡皮套或金属箔包好，放置在三轴压力机的高压釜内，四周通过液体或气体加载，由活塞施加轴向载荷进行实验。采用差应力（differentialstress）σ1-

σ3为直角坐标系的纵轴，以轴向应变（axialstrain）ε为横轴，绘制出应力一应变曲线(stress-straindiagram)。在围压下岩石力学性质的实验，首先是德国V.Karman(1912)完成的。他所采用的常规三轴应力实验方法，当前依然被广泛应用。第52页,共91页，2024年2月25日，星期天第53页,共91页，2024年2月25日，星期天第54页,共91页，2024年2月25日，星期天第55页,共91页，2024年2月25日，星期天

图3-9为Carrara大理石，图3-10为克朗波特石灰岩，图3-11为白云岩，三种岩石在不同围压下的应力一应变曲线。图3-9为Carrara大理石图3-10为克朗波特石灰岩第56页,共91页，2024年2月25日，星期天图3-11（a）白云岩在围压下应力—应变曲线（b）破坏前永久应变和围压关系第57页,共91页，2024年2月25日，星期天

1、围压下岩石的脆性与延性变化实验结果表明：随着围压的增加，岩石逐渐从脆性转化为延性。

Carrara大理岩在围压为零或较低情况下，岩石呈现出脆性状态；围压增加到50MPa时，大理石显示出由脆性转化为延性的过渡状态；围压增加到68.5MPa时，则大理岩呈现出延性流动。这充分表明围压增大是脆性转化为延性的条件之一。但随着岩石类型的不同，脆性转化为延性的围压值也各不相同。例如Carrara大理岩达到延性流动围压为68.5MPa（图3-3)，而白云岩约为145MPa（图3-5)。

第58页,共91页，2024年2月25日，星期天

2、围压下岩石的残余强度(residualstrength)

围压还影响着岩石的残余强度(residualstrength)。从图3-9，3-10，3-11可以看出：若围压为零或很低时，应力值达到峰值后，其曲线迅速下降为零，说明岩石在这种条件下不存在残余强度。但随着围压加大，岩石的残余强度逐渐增加，直到产生延性流动。第59页,共91页，2024年2月25日，星期天

3、围压下的岩石强度岩石强度及破坏前应变均随着围压的增加而增加。例如白云岩，当围压由零增加到145MPa时（图3-11），其强度（σ1-

σ3）max几乎增加一倍以上，而围压为200MPa时，其强度进一步增大，但强度增大并不与围压成正比关系。

4、围压下岩石的应变情况大理岩破坏前应变随着围压的增大而增大，当围压为零时破坏前应变约为0.3％，围压增大到68.5MPa时应变约为7％；当围压增大到165MPa时破坏前应变达到9%。

第60页,共91页，2024年2月25日，星期天

大多数岩石随着围压的增加其破坏前应变可达10％以上。白云岩围压与破坏前应变之间几乎成直线关系（如图3-11b）。但并非所有岩石围压与破坏前应变均成线性关系。图3-12为几种岩石围压与破坏前应变之间的关系曲线。由图可见随着岩石类型的不同，即使在同一围压下，破坏前应变也有所不同。

断裂前应变％围压图3-12围压与破坏前应变的关系曲线①一页岩②一砂岩③一石灰岩④一硬石膏⑤一白云岩⑥一石英岩⑦一板岩第61页,共91页，2024年2月25日，星期天第62页,共91页，2024年2月25日，星期天

日本学者茂木清夫将围压下岩石的力学性质分成A类岩石（主要指碳酸盐类岩石）及B类岩石（主要指硅酸盐类岩石）两大类如图3-13所示。

图3-13A类岩石（a）及B类(b)在围压下的应力一应变曲线第63页,共91页，2024年2月25日，星期天

A类岩石其围压对屈服应力的影响相对较小，即围压增大时屈服应力相对增加不大，但其破坏前的应变随着围压增大而单调地增加，即在常温下碳酸盐类岩石容易由脆性过渡到延性。

B类岩石其围压对强度影响较大，随着围压增加而增大，但在常温下，由脆性向延性过渡往往需要增加较高的围压，除非提高温度。有些硅酸盐类岩石在围压增加到几百MPa时，仍处于脆性状态。例如玄武岩、花岗岩在室温下达到1000MPa左右才能由脆性转化为延性；一般岩石大致在1200MPa左右才能转化为延性；石英岩甚至在2000MPa时，仍为脆性。第64页,共91页，2024年2月25日，星期天

5、围压对岩石弹性参数的影响围压对岩石的弹性模量的影响一般可分两种情况：对坚硬低孔隙的岩石影响较小，而对软弱高孔隙的岩石影响较大。

Hoffmann‘s(1958)对砂岩进行实验结果表明：随着围压增加，弹性模量可提高20％，接近破坏时则下降20％-40％。总的来说，随着围压增加，岩石的弹性模量及泊松系数等都有一定程度的提高。第65页,共91页，2024年2月25日，星期天

地壳中随着深度的增加，地下温度逐渐升高。据地下矿产开发和钻探工程的实践表明：地表以下温度梯度随着地区不同而不同，一般约为20~30℃／Km，在亚洲大陆地温梯度平均约为25℃/Km，区域变质地区可达40~80℃／Km。若按这些数字估计，在地下几千米深处，温度可达100℃以上，这会使岩石力学性质与常温常压下相比有明显差别。

第三节温度对岩石力学性质的影响第66页,共91页，2024年2月25日，星期天

一、温度对岩石强度的影响实验表明：岩石在一定围压下，随着温度的升高，无论是拉伸或压缩，其屈服应力与强度均要降低，其影响程度随着岩石种类及受力状态的不同而各异。下图(图3-14)为大理岩、花岗岩、辉长岩在围压500MPa条件下，温度变化时，拉伸与压缩的应力一应变曲线。从实验结果可以看出，在室温(25℃)下，其屈服应力与强度较高，随着温度升高，屈服应力与强度下降。

第67页,共91页，2024年2月25日，星期天

图3-14岩石在围压下温度变化时应力一应变曲线

(a）一应变率为0.03；(b)一应变率0.02yull大理岩；

(c)一花岗岩压缩；(d)一辉长岩压缩

例如花岗岩在围压为500MPa，室温为25℃时，强度可达到2000MPa；但温度升高到800℃时，强度下降为600MPa左右，约为室温(25℃)下强度的1/3左右。第68页,共91页，2024年2月25日，星期天第69页,共91页，2024年2月25日，星期天第70页,共91页，2024年2月25日，星期天

二、温度对岩石的脆性与延性的影响

在一定围压条件下，随着温度的升高，岩石由脆性向延性转化。温度升高产生延性的原因是：由于岩石内部分子的热运动增强，削弱了它们之间的内聚力，使晶粒面容易产生滑移。如图3-14所示（上页）：在室温(25℃)下，其屈服应力与强度较高，随着温度升高，屈服应力与强度下降，并且逐渐转化为延性。

第71页,共91页，2024年2月25日，星期天

例如花岗岩：在围压为500MPa，室温为25℃时，强度可达到2000MPa，且出现脆性破坏；但温度升高到800℃，强度下降，出现延性流动。因此一定围压下温度是由脆性转化为延性的主要因素。图3-15为索伦霍芬石灰岩在围压为300MPa下，温度变化时拉伸及压缩的应力一应变曲线。这些结果不仅说明了温度对强度、屈服应力及脆性转化为延性的影响，而且还说明了不同类型的岩石其影响程度不同。即使同一种岩石，在同一围压下拉伸时脆性转化到延性所需温度远远高于压缩时，且压缩的强度远远大于拉伸。

第72页,共91页，2024年2月25日，星期天图3—15围压为300Mpa（a）索伦霍芬灰岩（b）白云岩在拉伸或压缩下随温度变化的应力一应变曲线（据Spencer.1981）第73页,共91页，2024年2月25日，星期天

由于拉伸与压缩的加载性质不同，因此，由脆性转化为延性的界限亦各不相同。拉伸时脆性转化为延性所需温度与围压远远大于压缩时。

三、温度对岩石的弹性模量的影响温度对岩石的弹性模量的影响程度取决于岩石类型。

Handin和Hager(1958)对Barns砂岩在温度由室温升到300℃的过程中进行实验，结果是：随着温度升高，弹性模量值逐渐减小。从图3--14及图3-15等也可看出这种减少的情况。

第74页,共91页，2024年2月25日，星期天

但随着岩石类型的不同、拉伸或压缩的不同，其影响程度也有所不同。

Hughes和Maurette(1956)对CaplenDorne砂岩在围压约为50MPa，温度由25℃到200℃的过程中进行实验，结果是：弹性模量减少20％左右。第75页,共91页，2024年2月25日，星期天

一、孔隙(pore)

岩石中的孔隙分原生孔隙和次生孔隙两种。

1、原生孔隙是在成岩过程中产生的孔隙。成因：岩浆岩在成岩过程中，由于压力降低，岩浆中挥发性成分呈气态析出，形成气孔，当温度下降后，变成含有溶液的孔隙，分散在岩浆岩中。第四节孔隙、孔隙压力对岩石力学性质的影响第76页,共91页，2024年2月25日，星期天

对于火成岩，其生成深度不同，岩浆凝固条件就不同，所含气体排逸情况不同，岩浆岩中就会具有不同的孔隙体积。对于沉积岩中原生孔隙主要取决于沉积物形状、分选与充填等因素。

2、次生裂隙由内、外动力作用下产生的裂隙。

二、孔隙压力(porepressure)

孔隙中的液体对颗粒产生的压力，这种压力与颗粒表面垂直，称为孔隙压力。正常孔隙压力：岩石沉积速度大于排流速度异常孔隙压力：岩石沉积速度小于排流速度第77页,共91页，2024年2月25日，星期天

自然界中岩石都含有一定量流体（如石油、天然气、水等），在正常压力系统下，孔隙压力随着深度线性增加：

P＝gh其中：为液体密度；

g：重力加速度；

h：岩石埋置深度。三、岩石孔隙中的液体对岩石的影响孔隙中的液体对岩石的影响可分两种：其一是由于孔隙表面对液体的吸附作用，使其内部表面自由能降低，增加了颗粒边界位错的可能性。同时还产生扩散、溶解、润滑等有利于新矿物生长的效应。另一种效应主要表现为孔隙压力对岩石力学性质的影响。第78页,共91页，2024年2月25日，星期天

四、有效应力(effectivestress)的概念

Terzaghi(1933)分析饱和土时首先提出孔隙压力及有效应力的概念。当施加载荷时，土体内的压应力由两部分承担，即颗粒接触点的有效压应力与孔隙中饱和水产生的孔隙压力P(假设孔隙水不能自由排出)。所以饱和土中任一点应力为：

有效应力为：第79页,共91页，2024年2月25日，星期天

五、孔隙压力对岩石应力的影响当岩石受到压力时，岩石试件中的孔隙压力抵消了围压的影响，使岩石内所产生的压应力变小。Handin及Hager等人(1963)对五种（Berea砂岩、Marianna石灰岩、Hosmark白云岩、Reptto粉砂岩和Muddy页岩）岩石进行三轴应力试验，在实验中施加孔隙液压达200MPa。实验结果表明，多孔岩石的强度取决于围压与孔隙液压之差，即有效围压。因此有效应力的概念也就在岩石中广泛应用。第80页,共91页，2024年2月25日，星期天

若考虑孔隙压力，只将,，代替、、，即可得到岩石中任一斜截面上一点的有效应力。通过有关的应力分析，岩石中任一斜截面上某点的有效正应力等于该点正应力减去孔隙压力，而剪应力不受孔隙压力的影响。

SKempton(1961)从实验中得到启示，对Terzaghi有效应力理论进行了修正，即：第81页,共91页，2024年2月25日，星期天

其中a为材料常数，对某些岩石其值近似为零。但对其它类型的岩石，其值可达3-5％。

a=K/Ks，其中K为岩石体积模量(thebuckmodulusofthewhole–rock），Ks为岩石所含矿物的体积模量(thebuckmodulusoftheConstituentminerals）。由此可见，有效应力不仅与围压和孔隙压力有关，而且还与材料的性质有关。第82页,共91页，2024年2月25日，星期天