岩石的力学性质
岩石在单轴压缩、单轴拉伸、剪切、三轴压缩条仵下的力学特性，岩石的流变特性以及影响岩石力学特性的主要因素。
一、 岩石单轴压缩条件下的力学特性
1.单轴抗压强度
（1）定义
岩石在单轴压缩荷载作用下达到破坏前所能承受的最大压应力称为岩石的单轴抗压强度。
单轴抗压强度也可通过点荷载试验法获得：
（2）试件形状及尺寸
圆柱体试件直径一般为50mm，长度一般为100mm。
（3）试件的破坏方式
试件在单轴压缩荷载作用下破坏时，常见的破坏形式有以下三种。
（4）全应力-应变曲线及其五个阶段的变形特性
图2-4(a）给出了单轴压缩荷载作用下江西红砂岩岩石试件(图上的RS1-1，RS1-2，RS1-3为同一组红砂岩的编号)的轴向应力-应变全过程曲线，一般分为五个阶段：① 孔隙裂隙压密阶段(OA段)；②弹性变形阶段(AB段)；③微弹性裂隙稳定发展阶段(BC段)；④ 非稳定破裂发展阶段(CD段)；⑤破裂后阶段（DE段）
（5）峰值前应力-应变曲线的分类
峰值前的岩石应力-应变曲线可分成六种类型，如图2-5所示
2.岩石单轴拉伸条件下的力学特性
2.1 岩石单轴抗拉强度
（1）定义
单轴拉伸荷载作用下达到破坏时所能承受的最大拉应力称为岩石的单轴抗拉强度。
单轴抗拉强度一般用σt表示，其值等于达到破坏时的最大轴向拉力P除以试件的横截面面积A，即：
（2）试件形状及尺寸
直接拉伸试验一般采用直径为50mm，高度为100mm圆柱体试件；巴西劈裂试验一般采用直径为50mm，高为25~50mm的圆柱体；点荷载试验可采用不规则试件，最好是直径为25~100mm的岩芯。
2.2 岩石单轴抗拉强度的三种测试方法
岩石的拉伸破坏试验主要有直接拉伸试验法、劈裂试验法和 点荷载试验法三种，其中后两种属于间接试验方法。
（1）直接拉伸试验法
（2）劈裂试验法
劈裂试验法(又称巴西试验法)就是其中一种。劈裂试验的试件是一个岩石圆盘，加载方式如图2-8(a)所示。
破坏从直径中心开始，然后向两端发展。
（3）点载荷试验法
点载荷试验法可通过点载荷强度指标的转换来求岩石的单轴抗拉强度或单轴抗压强度。
优点：试件的要求不严格，试验设备简单轻便，可带到现场做试验。
缺点：不适用于砾岩和单轴抗压强度小于等于5MPa的极软岩。
点荷载试验指数：
对于标准圆柱体试件(￠50× 100mm)米说,单轴抗拉强度：
2.3 岩石剪切条件下的力学特性
2.3.1 抗剪强度的定义
岩石在剪切荷载作用下达到破坏前所能承受的最大剪应力称为岩石
的抗剪强度。
2.3.2 抗剪强度的试验方法
剪切强度试验分为非限制性剪切强度试验和限制性剪切强度试验两种。
（1）非限制性剪切试验
典型的非限制性剪切强度试验有四种：单面剪切试验、双面剪切试验、冲击剪切试验和扭转剪切试验。S0表示非限制性剪切强度。
1）单面剪切试验
S0 = Fc / A
式中：
Fc——试件被剪断前达到的最大剪力，N；
A ——试件沿剪切方向截面积，m2。
2）双面剪切试验
3）冲击剪切试验
式中：
a——试件厚度，mm；
r——冲击孔半径，m。
4）扭转剪切试验
式中：
Mc——试件被剪断前达到的最大扭矩，N·m；
D——试件直径，m。
（2）限制性剪切试验
2.4 岩石三轴压缩条件下的力学特性
（1）定义
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称为岩石的三轴抗压强度。
2.4.1 三轴抗压强度
（2）试验方法
三轴压缩试验的加载方式有两种：
一种是真三轴加载，试件为立方体，加载方式如图2-16(a)所示。
一种是常规三轴试验(伪三轴试验)，试件为圆柱体，试件直径为50mm，直径与长度之比为2～3。加载方式如图2-16(b)所示。
2.4.2 岩石在常规三轴实验条件下的变形特征
（1）围压对岩石刚度的影响
对于高强度坚硬致密的岩石，围压σ3影响不明显；
对岩性较弱的砂岩，弹性模量随围压σ3的增大而增大。
（2）围压对破坏方式的影响
脆性破坏——岩石在变形很小时，由弹性变形直接发展为急剧、迅速 的破坏。
塑性破坏——岩石在发生较大的永久变形后导致破坏的情况，且破坏后应力降很小。
延性度：指岩石在达到破坏前的全应变或永久应变（区分以上两种方式）。
当＜3%时，脆性破坏；
当3～5%时，过渡型；
当＞5%时，延性破坏。
（3）围压对岩石强度的影响
随着围压σ3的增大，岩石三轴抗压强度也增大，但其增大的速率则很不同。
2.5岩石的流变特性
2.5.1岩石的流变定义与蠕变曲线
岩石的流变是指岩石的应力-应变关系与时间因素有关的性质。
蠕 变：是当应力不变时变形随时间增加而增长的现象。
松 弛：是当应变不变时，应力随时间增加而减小的现象。
弹性后效：是加(卸)载后，经过一段时间应变才增加(或减少)到应有数值的现象。
黏性流动：即蠕变一段时间后卸载，部分应变永久不恢复的现象。
（1）经验方程
岩石蠕变经验方程的通常形式为：
（2）模型法
把岩石材料抽象成一系列简单的元件（如弹簧、阻尼器等）及
其组合模型来模拟岩石的蠕变特性，建立其本构方程。
1）基本元件
所有的流变模型均可由弹性元件（H）、黏性元件（N）和塑性
元件（Y）组合而成。
① 弹性元件
其力学模型用弹簧原件表示（图2-25），用H代表，本构方程
s = Ee
② 塑性元件
其力学模型用一个摩擦片表示，并以符号Y表示，如图所示。
理想塑性体的本构方程为：
式中，σs为材料的屈服极限。
图2-26 塑性原件力学模型及其性态 (a)力学模型；(b)应力-应变曲线
③ 黏性元件
牛顿流体是一种理想黏性体，牛顿流体的力学模型是用一个带孔活塞组成的阻尼器表示，并用符号N表示，通常称为黏性元件。牛顿流体的应力与应变速率成正比，即：
2）组合模型
并联和串联的基本性质如下：
① 串联
应力——组合体总应力等于串联中任何元件的应力（σ=σ1=σ2）。
应变——组合体总应变等于串联中所有元件应变之和（ε=ε1+ε2）。
② 并联
应力——组合体总应力等于并联中所有元件应力之和（σ=σ1+σ2）。
应变——组合体总应变等于并联中任何元件的应变（ε=ε1=ε2）。
2.5.2典型的岩石流变模型
（1）圣维南体
圣维南体由一个弹簧和一个摩擦片串联组成，代表理想弹塑性体。 其力学模型如图2-28所示。
1）本构方程
圣维南体的本构方程为：
（2）马克斯威尔（Maxwell）体
马克斯威尔体是一种弹黏性体，它由一个弹簧和一个阻尼器串联组成，其力学模型如图2-30所示
图2-30 马克斯威尔体力学模型
2.6 影响岩石力学性质的主要因素
影响岩石力学特性的因索主要有水、温度、风化程度、加荷速率、围压的大小、各向异性等。
2.6.1 水对岩石力学性质的影响
岩石中的水通常以结合水（或称束缚水）和自由水（或称重力水）两种方式赋存，它们对岩石的影响主要有以下方面：
2.6.2 温度对岩石力学性质的影响
温度对岩石力学性质的影响主要分为高温和低温的影响两个方面。
高温的影响：随着温度的增高，岩石的塑性增大，屈服点降低，强度也降低。
低温的影响：单轴抗压强度随温度降低而增大。
2.6.3 加载速率对岩石力学性质的影响
加载速率越快，测得的弹性模量越大；加载速率越慢，弹性模量越小。加载速率越大，获得的强度指标值越高。
2.6.4 围压对岩石力学性质的影响
随着围压的增加，岩石的强度和弹性极限都有显著增大。
2.6.5 风化对岩石力学性质的影响
降低岩体结构面粗糙程度并产生新的裂隙，破坏了岩体完整性。
岩体中原生矿物经风化作用后，逐渐为次生矿物所代替，特别是黏土矿物增加。岩体的物理性质发生改变。一般是：抗水性降低、亲水性增高；力学强度降低，压缩性增大；孔隙性增加，透水性增强。
