關于巖石的力學性質及其影響因素第一頁，共九十一頁，2022年，8月28日

巖石力學性質主要是指巖石的變形(deformation)特征及巖石的強度(strength)。影響巖石力學性質的因素很多，例如巖石的類型、組構、圍壓(confiningpressure)、溫度、應變率、含水量、載荷時間以及載荷性質等等。第三章巖石的力學性質及其影響因素第二頁，共九十一頁，2022年，8月28日

對任何工程現象來說，只有將某些因素影響下的巖石力學性質逐一進行研究，才能認識到哪些是主要影響因素，哪些是次要因素。從而得出某些參數，建立巖石的本構方程(constitutiveequation)和破壞準則(failurecriterion)，為進一步研究分析提供一定模式與依據。要研究這些復雜因素對巖石力學性質的影響，只能在實驗室內嚴格控制某些因素的情況下進行。然后將所得結果應用到實踐中去驗證，修正，直到與實際相符。第三頁，共九十一頁，2022年，8月28日

一、巖樣的制備（samplepreparation）室內進行巖石力學性質實驗，首先應采集研究地層的巖石試件。為了保持巖樣（rocksample）原有物理力學性質（例如礦物成分、粒度、結構、構造、裂隙、節(jié)理發(fā)育程度等等），最好進行密閉取心（coring）。然后將鉆井巖心（core）切割成(5Xl0cm)圓柱體；但有時也可采用(5×5×10cm)的長方體。按國際巖石力學學會（InternationalSocietyforRockMechanics）建議，試件長度與寬度（或直徑）之比為2.5~3.0之間（我國多采用2.0~2.5之間）。第一節(jié)巖石力學實驗研究基礎第四頁，共九十一頁，2022年，8月28日圖3－1準備巖心第五頁，共九十一頁，2022年，8月28日圖3－2制備巖樣的程序樣品采集和巖石學審查鉆巖心端面切割端面磨平幾何形狀檢驗環(huán)境存放樣品包裹（圍壓實驗）實驗第六頁，共九十一頁，2022年，8月28日圖3－3檢查巖心的規(guī)則程度第七頁，共九十一頁，2022年，8月28日

二、實驗研究的基本方法將巖石試件放置在常規(guī)壓力機（loadframe）或剛性壓力機（loadframestiffness）上進行加載，其應變可以通過在試件上粘貼應變片（straingauge），由電阻應變儀測定。當載荷遞增時（通過壓力機讀數能看出），可以得到施加在試件上的壓應力σ=P/A（其中P為載荷，Ａ為試件橫截面面積）及對應的應變（ε=△h/h）。在連續(xù)加載中（一般試驗采用每秒5~8×105Pa的速度加載），應力、應變在直角坐標系中繪制的曲線，稱為應力一應變曲線（stress-straindiagram）。第八頁，共九十一頁，2022年，8月28日圖3－4貼應變片第九頁，共九十一頁，2022年，8月28日圖3－5貼應變片的操作程序第十頁，共九十一頁，2022年，8月28日圖3－6應力應變曲線第十一頁，共九十一頁，2022年，8月28日

三、實驗結果分析

據R.P.Miller對28類巖石進行巖石力學性質實驗結果，將單軸壓縮下應力一應變曲線概括地劃分成如圖3-1所示的六種類型。第一種類型為彈性變形（elasticdeformation），由加載直至破壞，應力一應變曲線（stress-straindiagram）近似線性特征，例如玄武巖、石英巖、輝綠巖、白云巖和堅硬的石灰?guī)r等。

第二種類型為彈一塑性變形，應力一應變曲線在接近破壞載荷時出現連續(xù)的非彈性變形。例如軟弱的石灰?guī)r、粉砂巖和凝灰?guī)r等。第十二頁，共九十一頁，2022年，8月28日圖3-7在單軸壓縮下巖石的典型應力一應變曲線(a)彈性；(b)彈一塑性；（c）塑一彈性；(d)塑一彈一塑性；(e)塑一彈一塑性(f)彈一塑一蠕變第十三頁，共九十一頁，2022年，8月28日

第三種類型為塑彈性變形，應力一應變曲線在低應力下表現出向上彎曲的現象，隨后近似線性關系，直至破壞．例如砂巖、花崗巖等。第四種類型及第五種類型為塑一彈一塑性變形，應力一應變曲線均呈現S形曲線。這兩種曲線不同之點：前者近似直線部分較陡，且初始階段壓縮性較小。例如變質巖中大理石和片麻巖。后者直線部分較緩，表示同樣應力(stress)下變形(deformation)量較大，且初始階段具有高度壓縮性。它們之間的共同特點是在接近破壞時均顯示出不同程度的非彈性變形（elasticdeformation）。

第十四頁，共九十一頁，2022年，8月28日

第六種類型為彈一塑一蠕變變形，曲線的直線部分很短，隨后產生非彈性變形和連續(xù)蠕變(creep)，例如鹽巖和軟泥巖等。

四、巖石的彈性參數任何固體在外力作用下都要發(fā)生形變，當外力的作用停止時，形變隨之消失，這種形變叫彈性形變。巖石的楊氏彈性模量（E）、切變（剛性）模量（G）、體積模量（）和泊松比（）等是描述巖石彈性形變、衡量巖石抵抗變形能力和程度的主要參數。巖石最基本的彈性參數是彈性模量（Elasticmodulus）與泊松比（Poisson’sratio）。第十五頁，共九十一頁，2022年，8月28日1.彈性模量

根據巖樣在施加載荷條件下的應力一應變關系，可以確定巖石的各彈性模量和泊松比，這樣得到的巖石的各彈性模量和泊松比，稱為巖石的靜態(tài)彈性模量和靜態(tài)泊松比。楊氏彈性模量是巖石彈性強弱的標志。設長為L，截面積為A的巖石，在縱向上受到力F作用時伸長或壓縮，則縱向張應力（F/A）與張應變（）之比值即為靜態(tài)楊氏彈性模量（E），即：

第十六頁，共九十一頁，2022年，8月28日b.彈性常數與強度的確定彈性模量國際巖石力學學會（ISRH）建議三種方法

初始模量

割線模量

切線模量

極限強度

第十七頁，共九十一頁，2022年，8月28日2、反復循環(huán)加載曲線特點：①卸載應力越大，塑性滯理越大（原因：由裂隙的擴大，能量的消耗）；②卸載線，相互平行；③反復加、卸載、曲線、總趨勢保持不變（有“記憶功 能”）。第十八頁，共九十一頁，2022年，8月28日2.泊松比

泊松比（），又稱橫向壓縮系數。靜態(tài)泊松比表示為橫向相對壓縮與縱向相對伸長之比。設長為L，直徑為d的圓柱形巖石，在受到壓縮時，其長度縮短，直徑增加，則靜態(tài)泊松比（）表示為：第十九頁，共九十一頁，2022年，8月28日

設有一個各向同性材料的方塊體或圓柱體在單向受壓情況下沿軸向方向縮短，則沿徑向方向變長，則其泊松系數為：理想的不可壓縮材料的泊松系數等于0.5，實際材料的泊松系數小于0.5。第二十頁，共九十一頁，2022年，8月28日3.體積模量一彈性體受到附加的靜壓力增量?P的作用時會引起體積應變Q，靜壓力增量與體積應變的比值為體積模量。4.剛性模量各向同性材料的方塊體受到簡單的剪應變作用時，沿剪切平面（方向和形狀不變的平面）就會產生一定的剪應力。這一平面上的剪應力與剪應變之比第二十一頁，共九十一頁，2022年，8月28日第二十二頁，共九十一頁，2022年，8月28日某地層巖樣做單軸強度實驗，應力應變關系曲線如圖所示，巖樣的直徑為25.4mm，高度為50mm，試確定此巖心的楊氏模量、體積模量和泊松比？第二十三頁，共九十一頁，2022年，8月28日

5.巖石的動態(tài)彈性常數彈性模量和泊松比不僅可以根據巖樣在施加載荷條件下的應力一應變關系得到，而且也可以利用彈性波的傳播關系，由測量的彈性波速度和體積密度計算得到。由此得到的巖石的彈性模量和泊松比稱為動態(tài)彈性模量和動態(tài)泊松比，統(tǒng)稱動態(tài)彈性常數。如果有聲波縱波和橫波傳播測井資料，那么聯同體積密度測井可以由下列關系式求得地層各動態(tài)彈性模量，即：第二十四頁，共九十一頁，2022年，8月28日第二十五頁，共九十一頁，2022年，8月28日第二十六頁，共九十一頁，2022年，8月28日第二十七頁，共九十一頁，2022年，8月28日

利用測井資料計算地層的動態(tài)彈性模量時，必須同時具備聲波縱波、橫波以及密度測井資料。以往由于常常沒有直接的橫波測量結果，因此，通常只能使用橫波的估算結果，這種數據主要由縱波測井資料和地層巖性資料轉換得到（有用于砂巖或泥質砂巖地層條件下橫波估算的計算公式，但精確度較差）。第二十八頁，共九十一頁，2022年，8月28日

Tutuncn和Sharma在室內對飽和低滲透砂巖進行三軸應力下的動、靜態(tài)同步測試得出：Ed大于Es，純砂巖中Ed與Es差別大，而泥質砂巖差別較小。粉砂巖和泥巖動靜態(tài)彈性模量的轉換系數為0.68，白云巖質的粉砂巖為0.73，灰?guī)r和白云巖為0.79。

Tutuncn和Sharma綜合各種巖性的實驗數據后得到了包括各種巖性的巖石的動靜態(tài)彈性模量轉換關系：此外，國內外許多研究人員在實際應用過程中，也針對動靜彈性參數開展了大量的研究工作，其總的趨勢是動態(tài)彈性模量一般都遠遠高于靜態(tài)彈性模量，由于泊松比本身變化范圍小，因此，動靜泊松比值的差異一般不大。第二十九頁，共九十一頁，2022年，8月28日

五、常溫常壓下巖石的典型應力一應變曲線

在常規(guī)壓力機上進行巖石單軸實驗時，隨著壓力逐漸增加，巖石試件會產生一定變形并同時儲存著一定的應變能。當所加的應力超過巖石的強度極限(strengthlimit)（如圖3-2，應力一應變曲線只能到C點）后，巖石會突然破壞。在剛性實驗機上可得到如圖3-2所示的典型的全應力一應變曲線（completestress-straindiagram）。第三十頁，共九十一頁，2022年，8月28日（二）剛性試驗機下的單向壓縮的變形特性普通試驗機得到峰值應力前的變形特性，多數巖石在峰值后工作。注：C點不是破壞的開始（開始點B），也不是破壞的終。說明：崩潰原因，Salamon1970年提出了剛性試驗機下的曲線。剛性機第三十一頁，共九十一頁，2022年，8月28日（1）剛性試驗機工作簡介壓力機加壓（貯存彈性應能）巖石試件達峰點強度（釋放應變能）導致試件崩潰。AA′O2O1面積——峰點后，巖塊產生微小位移所需的能。ACO2O1面積——峰點后，剛體機釋放的能（貯存的能）。ABO2O1——峰點后，普通機釋放的能（貯存的能）。第三十二頁，共九十一頁，2022年，8月28日（2）應力、應變全過程曲線形態(tài)

在剛性機下，峰值前后的全部應力、應變曲線分四個階段：1-3階段同普通試驗機。

4階段應變軟化階段

第三十三頁，共九十一頁，2022年，8月28日特點：①巖石的原生和新生裂隙貫穿，到達D點，靠碎塊間的摩擦力承載，故—稱為殘余應力。②承載力隨著應變增加而減少，有明顯的軟化現象。（3）全應力——應變曲線的補充性質

①近似對稱性②B點后卸載有殘余應變，重復加載沿另一曲線上升形成滯環(huán)(hysteresis)，加載曲線不過原卸載點，但鄰近和原曲線光滑銜接。第三十四頁，共九十一頁，2022年，8月28日③C點后有殘余應變，重復加載滯環(huán)變大，反復加卸載隨著變形的增加，塑性滯環(huán)的斜率降低，總的趨勢不變。④C點后，可能會出現壓應力下的體積增大現象，稱此為擴容(dilatancy)現象。一般巖的，當>0.5時，就是擴容.體積應變:第三十五頁，共九十一頁，2022年，8月28日(3)克服巖石試件單向壓縮時生產爆裂的途徑提高試驗機的剛度改變峰值后的加載方式伺服控制試件的位移普通試驗機附加剛性組件的試驗裝置（提高試驗的剛度）1巖石試件；2、6電阻應變片；3金屬圓筒；4位移計；5鋼墊塊第三十六頁，共九十一頁，2022年，8月28日伺服試驗機原理示意圖1.巖石試件；2.墊塊；3.上壓板；4.下壓板；5.位移傳感器。第三十七頁，共九十一頁，2022年，8月28日圖3-8巖石應力應變全過程曲線第三十八頁，共九十一頁，2022年，8月28日

該曲線可分為四個階段：

(1)OA曲線載荷由零逐漸增加到A點，曲線呈現微微向上彎曲的形狀。這是巖石試件內部存在一定微裂隙（crack），當載荷增加時，試件逐漸被壓密所導致的結果。該段曲線凹曲程度，取決于巖石中容易被壓密的裂隙（crack）數量，對致密巖石或在高圍壓下，這種現象不太明顯。第三十九頁，共九十一頁，2022年，8月28日

(2)AB曲線一般AB線段呈近似直線，其斜率稱為彈性模量E。加載是在Ｂ點以下OB區(qū)間內時，若卸去載荷，則變形完全可恢復，沒有永久變形，所以OB區(qū)間為彈性變形階段。曲線上B點是產生彈性變形的應力極限值，稱為彈性極限(elasticlimit)。事實上大多數巖石即使產生很小應變時，當卸完載荷后，總會或多或少地保留部分永久應變，這是由于被壓密的微裂隙（crack）不可能完全恢復所導致的結果。第四十頁，共九十一頁，2022年，8月28日

(3)BC曲線當載荷繼續(xù)增加超過B點后，該曲線呈向下彎曲形狀，這說明應力增加不大，而應變增加很多。在超過B點的曲線上任一點（例如E點）卸載，應力一應變曲線將沿EO1路徑下降，直到完全卸載下降到與橫坐標軸相交點O1，這表示巖石試件內應力完全消失，但應變卻不能完全恢復，仍保留的一部分應變OO1稱為塑性應變或永久應變（permanentstrain），已恢復的應變稱為彈性應變(elasticstrain)。第四十一頁，共九十一頁，2022年，8月28日

在巖石力學中將B點的應力稱為屈服應力(yieldstress)。卸載后再重新加載，則沿曲線O1R上升到與原曲線BC相聯結，這樣造成了一個滯回環(huán)，在R點以后隨著載荷繼續(xù)增加仍沿曲線ＢＣ上升到該曲線最高點C。如果在R點以后再卸載又會出現新的塑性應變，它似乎把彈性極限從B點提高到R點，這種現象稱為應變硬化（strainhardening）。第四十二頁，共九十一頁，2022年，8月28日

應力應變曲線最高點C的應力值稱為抗壓強度（compressivestrength）它表示巖石在這種條件下所能承受的最大壓應力。對一般巖石，抗壓強度約為彈性極限的1.5~3倍。從B點開始，在BC線段范圍內，巖石試件不斷產生微破裂以及在粒內或粒間產生滑移，這就是巖石破壞前所具有的明顯非彈性變形，這種現象稱為擴容（dilation

）。由于達到Ｃ點時微破裂的數量和擴展長度集聚增加，巖石具有顯著的非彈性體積膨脹，直到C點有明顯的破裂面形成。第四十三頁，共九十一頁，2022年，8月28日

（四）巖石的體積應變特性

擴容現象：巖石在壓力下，發(fā)生非線性體積膨脹。第四十四頁，共九十一頁，2022年，8月28日

(4)ＣＤ曲線巖石試件在剛性壓力機作用下，應力應變曲線達到C點，已有宏觀破裂面形成，但尚未完全破裂成幾塊，巖石內部尚有部分聯結，仍能承受一部分載荷，但其承載能力越來越小。從C點開始曲線逐漸下降。第四十五頁，共九十一頁，2022年，8月28日

若在CD曲線上任一點G及時卸載，則沿著GK曲線下降，直到完全卸載，達到點K處，表示巖石產生較大的永久應變OK。若再加載，則曲線又會沿KH線上升，直到Ｈ點與CD曲線相聯結，但H點的應力低于G點應力。這與在曲線BC線段中卸載后再加載的情況完全不同，前者卸載后再加載應力值上升，后者應力值下降，這說明CD線段巖石的強度不斷下降，直到CD線段上某一點，由于破裂面上內聚力完全喪失，則巖石試件破裂成幾塊。第四十六頁，共九十一頁，2022年，8月28日

巖石達到應力峰值（peakstress）以后的特征可分為兩種類型：一類稱為穩(wěn)定破裂傳播型，特點是：當載荷超過巖石試件承載能力的峰值后，試件中所儲存的應變能，還不足以使破裂繼續(xù)擴展；另一類稱為非穩(wěn)定破裂傳播型，特點是：當載荷超過巖石試件承載能力的峰值后，盡管試驗機不再對巖石試件做功，而巖石試件中儲存的應變能足以使破裂繼續(xù)擴展，最后導致試件破壞。第四十七頁，共九十一頁，2022年，8月28日

綜上所述，巖石試件在載荷的作用下，試件內部首先產生微裂隙壓密變形，當載荷逐漸增加，達到屈服極限(yieldlimit)時，就開始產生微破裂（有微破裂面），隨后微破裂逐漸擴展。當達到破壞強度時，宏觀破裂面已逐漸形成，最后導致試件完全破裂成幾塊。因此，變形、破裂是相互依存的兩個不同發(fā)展過程，在變形達到一定階段，既包含著破裂的因素，而破壞階段的到來也是變形不斷發(fā)展的結果，所以，破壞實質上是破裂從量變到質變的一個過程。第四十八頁，共九十一頁，2022年，8月28日

一、圍壓(confiningpressure)下的巖石巖石在常溫常壓下一般產生脆性破壞(brittlefailure)，但深埋地下的巖石卻表現為明顯的延性(ductility)．巖石這一性質的變化是由于所處物理環(huán)境的改變造成的。所謂脆性與延性至今尚無十分明確的定義，一般所謂脆性破壞(brittlefailure)是指由彈性變形發(fā)生急劇破壞，破壞后塑性變形(plasticitydeformation)較小。

第二節(jié)圍壓對巖石力學性質的影響第四十九頁，共九十一頁，2022年，8月28日巖石破壞的外觀

第五十頁，共九十一頁，2022年，8月28日

延性(ductility)是指彈性變形之后產生較大的塑性變形而導致破壞，或直接發(fā)展為延性流動。所謂延性流動是指有大量的永久變形而不至于破壞的性質。對于巖石而言，破壞前永久應變在3％以下可作為脆性破壞，5％以上作為延性破壞，3-5％為過渡情況。

二、圍壓下巖石力學性質的實驗巖石在地下一般處于三向應力狀態(tài)，為了模擬這種狀態(tài)下的力學性質，一般在室內進行巖石三軸應力實驗(triaxialtest)。第五十一頁，共九十一頁，2022年，8月28日

三軸應力實驗可分為常規(guī)三軸應力實驗（σ1≠σ2=σ3）及真三軸應力實驗（σ1≠σ2≠σ3)兩種。目前大多數三軸應力實驗實驗屬于常規(guī)三軸應力實驗。常規(guī)三軸應力實驗，通常將一定尺寸圓柱形巖心試件用橡皮套或金屬箔包好，放置在三軸壓力機的高壓釜內，四周通過液體或氣體加載，由活塞施加軸向載荷進行實驗。采用差應力（differentialstress）σ1-

σ3為直角坐標系的縱軸，以軸向應變（axialstrain）ε為橫軸，繪制出應力一應變曲線(stress-straindiagram)。在圍壓下巖石力學性質的實驗，首先是德國V.Karman(1912)完成的。他所采用的常規(guī)三軸應力實驗方法，當前依然被廣泛應用。第五十二頁，共九十一頁，2022年，8月28日第五十三頁，共九十一頁，2022年，8月28日第五十四頁，共九十一頁，2022年，8月28日第五十五頁，共九十一頁，2022年，8月28日

圖3-9為Carrara大理石，圖3-10為克朗波特石灰?guī)r，圖3-11為白云巖，三種巖石在不同圍壓下的應力一應變曲線。圖3-9為Carrara大理石圖3-10為克朗波特石灰?guī)r第五十六頁，共九十一頁，2022年，8月28日圖3-11（a）白云巖在圍壓下應力—應變曲線（b）破壞前永久應變和圍壓關系第五十七頁，共九十一頁，2022年，8月28日

1、圍壓下巖石的脆性與延性變化實驗結果表明：隨著圍壓的增加，巖石逐漸從脆性轉化為延性。

Carrara大理巖在圍壓為零或較低情況下，巖石呈現出脆性狀態(tài)；圍壓增加到50MPa時，大理石顯示出由脆性轉化為延性的過渡狀態(tài)；圍壓增加到68.5MPa時，則大理巖呈現出延性流動。這充分表明圍壓增大是脆性轉化為延性的條件之一。但隨著巖石類型的不同，脆性轉化為延性的圍壓值也各不相同。例如Carrara大理巖達到延性流動圍壓為68.5MPa（圖3-3)，而白云巖約為145MPa（圖3-5)。

第五十八頁，共九十一頁，2022年，8月28日

2、圍壓下巖石的殘余強度(residualstrength)

圍壓還影響著巖石的殘余強度(residualstrength)。從圖3-9，3-10，3-11可以看出：若圍壓為零或很低時，應力值達到峰值后，其曲線迅速下降為零，說明巖石在這種條件下不存在殘余強度。但隨著圍壓加大，巖石的殘余強度逐漸增加，直到產生延性流動。第五十九頁，共九十一頁，2022年，8月28日

3、圍壓下的巖石強度巖石強度及破壞前應變均隨著圍壓的增加而增加。例如白云巖，當圍壓由零增加到145MPa時（圖3-11），其強度（σ1-

σ3）max幾乎增加一倍以上，而圍壓為200MPa時，其強度進一步增大，但強度增大并不與圍壓成正比關系。

4、圍壓下巖石的應變情況大理巖破壞前應變隨著圍壓的增大而增大，當圍壓為零時破壞前應變約為0.3％，圍壓增大到68.5MPa時應變約為7％；當圍壓增大到165MPa時破壞前應變達到9%。

第六十頁，共九十一頁，2022年，8月28日

大多數巖石隨著圍壓的增加其破壞前應變可達10％以上。白云巖圍壓與破壞前應變之間幾乎成直線關系（如圖3-11b）。但并非所有巖石圍壓與破壞前應變均成線性關系。圖3-12為幾種巖石圍壓與破壞前應變之間的關系曲線。由圖可見隨著巖石類型的不同，即使在同一圍壓下，破壞前應變也有所不同。

斷裂前應變％圍壓圖3-12圍壓與破壞前應變的關系曲線①一頁巖②一砂巖③一石灰?guī)r④一硬石膏⑤一白云巖⑥一石英巖⑦一板巖第六十一頁，共九十一頁，2022年，8月28日第六十二頁，共九十一頁，2022年，8月28日

日本學者茂木清夫將圍壓下巖石的力學性質分成A類巖石（主要指碳酸鹽類巖石）及B類巖石（主要指硅酸鹽類巖石）兩大類如圖3-13所示。

圖3-13A類巖石（a）及B類(b)在圍壓下的應力一應變曲線第六十三頁，共九十一頁，2022年，8月28日

A類巖石其圍壓對屈服應力的影響相對較小，即圍壓增大時屈服應力相對增加不大，但其破壞前的應變隨著圍壓增大而單調地增加，即在常溫下碳酸鹽類巖石容易由脆性過渡到延性。

B類巖石其圍壓對強度影響較大，隨著圍壓增加而增大，但在常溫下，由脆性向延性過渡往往需要增加較高的圍壓，除非提高溫度。有些硅酸鹽類巖石在圍壓增加到幾百MPa時，仍處于脆性狀態(tài)。例如玄武巖、花崗巖在室溫下達到1000MPa左右才能由脆性轉化為延性；一般巖石大致在1200MPa左右才能轉化為延性；石英巖甚至在2000MPa時，仍為脆性。第六十四頁，共九十一頁，2022年，8月28日

5、圍壓對巖石彈性參數的影響圍壓對巖石的彈性模量的影響一般可分兩種情況：對堅硬低孔隙的巖石影響較小，而對軟弱高孔隙的巖石影響較大。

Hoffmann‘s(1958)對砂巖進行實驗結果表明：隨著圍壓增加，彈性模量可提高20％，接近破壞時則下降20％-40％。總的來說，隨著圍壓增加，巖石的彈性模量及泊松系數等都有一定程度的提高。第六十五頁，共九十一頁，2022年，8月28日

地殼中隨著深度的增加，地下溫度逐漸升高。據地下礦產開發(fā)和鉆探工程的實踐表明：地表以下溫度梯度隨著地區(qū)不同而不同，一般約為20~30℃／Km，在亞洲大陸地溫梯度平均約為25℃/Km，區(qū)域變質地區(qū)可達40~80℃／Km。若按這些數字估計，在地下幾千米深處，溫度可達100℃以上，這會使巖石力學性質與常溫常壓下相比有明顯差別。

第三節(jié)溫度對巖石力學性質的影響第六十六頁，共九十一頁，2022年，8月28日

一、溫度對巖石強度的影響實驗表明：巖石在一定圍壓下，隨著溫度的升高，無論是拉伸或壓縮，其屈服應力與強度均要降低，其影響程度隨著巖石種類及受力狀態(tài)的不同而各異。下圖(圖3-14)為大理巖、花崗巖、輝長巖在圍壓500MPa條件下，溫度變化時，拉伸與壓縮的應力一應變曲線。從實驗結果可以看出，在室溫(25℃)下，其屈服應力與強度較高，隨著溫度升高，屈服應力與強度下降。

第六十七頁，共九十一頁，2022年，8月28日

圖3-14巖石在圍壓下溫度變化時應力一應變曲線

(a）一應變率為0.03；(b)一應變率0.02yull大理巖；

(c)一花崗巖壓縮；(d)一輝長巖壓縮

例如花崗巖在圍壓為500MPa，室溫為25℃時，強度可達到2000MPa；但溫度升高到800℃時，強度下降為600MPa左右，約為室溫(25℃)下強度的1/3左右。第六十八頁，共九十一頁，2022年，8月28日第六十九頁，共九十一頁，2022年，8月28日第七十頁，共九十一頁，2022年，8月28日

二、溫度對巖石的脆性與延性的影響

在一定圍壓條件下，隨著溫度的升高，巖石由脆性向延性轉化。溫度升高產生延性的原因是：由于巖石內部分子的熱運動增強，削弱了它們之間的內聚力，使晶粒面容易產生滑移。如圖3-14所示（上頁）：在室溫(25℃)下，其屈服應力與強度較高，隨著溫度升高，屈服應力與強度下降，并且逐漸轉化為延性。

第七十一頁，共九十一頁，2022年，8月28日

例如花崗巖：在圍壓為500MPa，室溫為25℃時，強度可達到2000MPa，且出現脆性破壞；但溫度升高到800℃，強度下降，出現延性流動。因此一定圍壓下溫度是由脆性轉化為延性的主要因素。圖3-15為索倫霍芬石灰?guī)r在圍壓為300MPa下，溫度變化時拉伸及壓縮的應力一應變曲線。這些結果不僅說明了溫度對強度、屈服應力及脆性轉化為延性的影響，而且還說明了不同類型的巖石其影響程度不同。即使同一種巖石，在同一圍壓下拉伸時脆性轉化到延性所需溫度遠遠高于壓縮時，且壓縮的強度遠遠大于拉伸。

第七十二頁，共九十一頁，2022年，8月28日圖3—15圍壓為300Mpa（a）索倫霍芬灰?guī)r（b）白云巖在拉伸或壓縮下隨溫度變化的應力一應變曲線（據Spencer.1981）第七十三頁，共九十一頁，2022年，8月28日

由于拉伸與壓縮的加載性質不同，因此，由脆性轉化為延性的界限亦各不相同。拉伸時脆性轉化為延性所需溫度與圍壓遠遠大于壓縮時。

三、溫度對巖石的彈性模量的影響溫度對巖石的彈性模量的影響程度取決于巖石類型。

Handin和Hager(1958)對Barns砂巖在溫度由室溫升到300℃的過程中進行實驗，結果是：隨著溫度升高，彈性模量值逐漸減小。從圖3--14及圖3-15等也可看出這種減少的情況。

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但隨著巖石類型的不同、拉伸或壓縮的不同，其影響程度也有所不同。

Hughes和Maurette(1956)對CaplenDorne砂巖在圍壓約為50MPa，溫度由25℃到200℃的過程中進行實驗，結果是：彈性模量減少20％左右。第七十五頁，共九十一頁，2022年，8月28日

一、孔隙(pore)

巖石中的孔隙分原生孔隙和次生孔隙兩種。

1、原生孔隙是在成巖過程中產生的孔隙。成因：巖漿巖在成巖過程中，由于壓力降低，巖漿中揮發(fā)性成分呈氣態(tài)析出，形成氣孔，當溫度下降后，變成含有溶液的孔隙，分散在巖漿巖中。第四節(jié)孔隙、孔隙壓力對巖石力學性質的影響第七十六頁，共九十一頁，2022年，8月28日

對于火成巖，其生成深度不同，巖漿凝固條件就不同，所含氣體排逸情況不同，巖漿巖中就會具有不同的孔隙體積。對于沉積巖中原生孔隙主要取決于沉積物形狀、分選與充填等因素。

2、次生裂隙由內、外動力作用下產生的裂隙。

二、孔隙壓力(porepressure)

孔隙中的液體對顆粒產生的壓力，這種壓力與顆粒表面垂直，稱為孔隙壓力。正常孔隙壓力：巖石沉積速度大于排流速度異常孔隙壓力：巖石沉積速度小于排流速度第七十七頁，共九十一頁，2022年，8月28日

自然界中巖石都含有一定量流體（如石油、天然氣、水等），在正常壓力系統(tǒng)下，孔隙壓力隨著深度線性增加：

P＝gh其中：為液體密度；

g：重力加速度；

h：巖石埋置深度。三、巖石孔隙中的液體對巖石的影響孔隙中的液體對巖石的影響可分兩種：其一是由于孔隙表面對液體的吸附作用，使其內部表面自由能降低，增加了顆粒邊界位錯的可能性。同時還產生擴散、溶解、潤滑等有利于新礦物生長的效應。另一種效應主要表現為孔隙壓力對巖石力學性質的影響。第七十八頁，共九十一頁，2022年，8月28日

四、有效應力(effectivestress)的概念

Terzaghi(1933)分析飽和土時首先提出孔隙壓力及有效應力的概念。當施加載荷時，土體內的壓應力由兩部分承擔，即顆粒接觸點的有效壓應力與孔隙中飽和水產生的孔隙壓力P(假設孔隙水不能自由排出)。所以飽和土中任一點應力為：

有效應力為：第七十九頁，共九十一頁，2022年，8月28日

五、孔隙壓力對巖石應力的影響當巖石受到壓力時，巖石試件中的孔隙壓力抵消了圍壓的影響，使巖石內所產生的壓應力變小。Handin及Hager等人(1963)對五種（Berea砂巖、Marianna石灰?guī)r、Hosmark白云巖、Reptto粉砂巖和Muddy頁巖）巖石進行三軸應力試驗，在實驗中施加孔隙液壓達200MPa。實驗結果表明，多孔巖石的強度取決于圍壓與孔隙液壓之差，即有效圍壓。因此有效應力的概念也就在巖石中廣泛應用。第八十頁，共九十一頁，2022年，8月28日

若考慮孔隙壓力，只將,，代替、、，即可得到巖石中任一斜截面上一點的有效應力。通過有關的應力分析，巖石中任一斜截面上某點的有效正應力等于該點正應力減去孔隙壓力，而剪應力不受孔隙壓力的影響。

SKempton(1961)從實驗中得到啟示，對Terzaghi有效應力理論進行了修正，即：第八十一頁，共九十一頁，2022年，8月28日

其中a為材料常數，對某些巖石其值近似為零。但對其它類型的巖石，其值可達3-5％。

a=K/Ks，其中K為巖石體積模量(thebuckmodulusofthewhole–rock），Ks為巖石所含礦物的體積模量(thebuckmodulusoftheConstituentminerals）。由此可見，有效應力不僅與圍壓和孔隙壓力有關，而且還與材料的性質有關。第八十二頁，共九十一頁，2022年，8月28日