岩石变形特性

岩石在物理力学因素作用下形状和大小变化的性能。变化值同原有尺寸之比，称为相对变形或应变。变形有线变形、角变形和体积变形。岩石变形是岩石中点与点间的相对变化和点的位移结果。工程上最常研究的变形是由于力的作用所引起的。岩石变形过大可引起其破坏，造成工程事故，因此必须对岩石的变形特性进行试验研究。凡排除产生岩石变形的原因后（如卸载）即自行消失的变形，称为弹性变形；凡排除产生岩石变形的原因后仍余留的变形，称为塑性变形（或残余变形、永久变形）。在应力和温度不变的情况下，岩石变形随时间不断增长的现象称为岩石蠕变。在应变和温度不变的情况下，岩石应力随时间而减小的现象称为岩石应力松弛。当岩石中偏应力超过一定值时（破坏强度一半左右），岩石体积随着偏应力的增大而增加的现象称为岩石扩容，又称岩石剪胀。岩石扩容是岩石破坏的前兆。

图1 岩石单轴压缩试验结果

（a）鲕状石灰岩的应力—应变全过程曲线；（b）鲕状石灰岩的轴向应变与侧向应变关系曲线

岩石变形特性试验分室内岩块试验和现场岩体试验（参见岩体现场试验）。室内岩块试验最普通的方法是采用长度为直径的2.0～2.5倍的圆柱体试件，进行单轴或三轴压缩试验。在单轴压缩试验中，施加轴向应力（σ）后，测量轴向应变（ε_y）和侧向应变（ε_x），绘制应力—应变全过程曲线，如图1（a）所示；并绘制ε_y与ε_x变化曲线，如图1（b）所示。但在普通压力机上不能得到应力峰值（岩石破坏）后的那些曲线，因为当应力达到峰值时，试验机组件本身在加压过程中因变形而积蓄在内的弹性能量，在试件破坏时会突然释放，引起急骤变形，试件产生突发性破坏，所以，只能获得峰值前的应力—应变曲线。20世纪70年代出现了伺服控制刚性试验机，一方面试验机组件本身刚性大，另一方面可在试验时通过反馈系统控制试件的变形，而求得全过程曲线。室内岩石压缩变形测量常用的方法有电阻应变片法和千分表法2种。

图2 岩石应力—应变全过程曲线

σ—轴向应力；ε—轴向应变；σ₀—屈服强度；C₀—峰值强度

岩石应力—应变全过程曲线是研究岩石本构模型的依据，需要在刚性伺服试验机上进行试验才能获得（图2）。岩石应力—应变全过程曲线分为4个阶段：OA段为压密阶段，微裂隙压密，体积缩小；AB阶段为直线段，岩石基本呈弹性性质，但可能出现细微的开裂，这两个阶段中，残余变形不大，岩石的结构和性质并无大的改变；BC阶段为裂隙产生、张开和扩展阶段，从B点开始出现所谓剪胀现象（即在剪应力作用下出现体积膨胀），属于塑性强化阶段，岩石出现不可逆变形，在连续加载卸载循环过程中，出现较大的残余变形；C点为加载的峰值点，CD阶段为岩体不稳定阶段，亦称应变软化阶段或破裂阶段，承载能力随变形的增大而减小，体积应变不断增大，岩石强度从峰值强度下降至残余强度，此时应力—应变曲线的斜率为负值，卸载时产生较大的永久变形。以上4个阶段基本可以描述岩石的弹塑性力学特性。

室内试验确定岩块变形参数主要根据岩块单轴压缩变形试验。岩块的变形模量是指岩石试件在纵向应力作用下，应力与相对应的纵向应变之比的比值，也称割线模量，一般用E₅₀表示，即指应力—应变曲线原点与抗压强度50%处应变点连线的斜率。岩石的弹性模量是指岩石试件在纵向应力作用下，应力与相对应的纵向弹性应变之比的比值，一般由应力—应变曲线直线段的斜率表示。岩石的泊松比是指岩石试件在纵向应力作用下，所产生的横向应变与相对应的纵向应变的比值。

图3 大理岩在各种围压下的应力—应变曲线

（曲线上的数字是围压值，单位：MPa）σ₁—大主应力；σ₃—小主应力

在三轴压缩试验中，岩石的变形与围压的大小有关，如图3所示的大理岩试验曲线。当围压（σ₃）小时，岩石呈脆性破坏，永久变形极小；当围压超过一定值时，材料可受较大应变（如7%以上）而不丧失强度，表现出韧性性质（或塑性性质）；当围压更高时，在通过屈服点以后，应力稳定地随着应变而增加，这个现象称为工作硬化，这时试样变形成鼓形，主要是沿多个相交剪切面滑动的结果。温度对岩石变形也有影响。增加温度可降低脆性到韧性的过渡压力。在室温下为脆性的岩石，在较高温度下可产生显著的永久变形量，而不丧失承载能力。