常温、常压下岩石的力学性质

人们常用常温、常压下岩石单轴力学试验获得该条件下岩石力学特性。图3-24是常温、常压下花岗岩单轴压缩实验的应力-应变曲线。

图3-24 花岗岩应力-应变全过程曲线

(据陈子光，1986)

曲线中A点以下的OA段呈微向下弯曲状。这是由于岩石中往往存在天然孔隙和裂隙，当初加载荷时孔隙和微裂隙被压紧，应变较大，但压紧后，岩石抵抗外力的能力有所增强的缘故。有围压条件下的岩石力学实验没有出现OA段，致密岩石的力学试验出现的OA段很小或没有。

(一)弹性变形阶段

AB段曲线几乎呈直线状，说明应力与应变之间呈线性关系。直线的斜率为岩石的弹性模量(E)。在B点以前任何一点卸载，变形将消失。因此B点以前是弹性变形阶段。而B点的应力值称为岩石的弹性极限(σ_s)。

弹性变形阶段的应力与应变之间为线性关系，即符合胡克定律：

σ=E·ε (3-33)

式中：σ是应力；ε是应变；E是弹性系数或弹性模量。

岩石是矿物的集合体。矿物是晶体，其内部质点规律排列构成空间格子构造。未受应变的晶体中，相邻质点间的相互作用力(键力)使其处于平衡位置。当施加应力后，质点将会移动一定距离，从而造成晶体体积或(和)形状的改变。弹性变形阶段的应力值小于晶体质点间的结合力。因此，当应力去掉(卸载)后，质点将返回原来的平衡位置(图3-25)。

图3-25 晶体的体积变形(A)和弹性剪切变形(B)

在弹性变形阶段，晶格的大小或形状是发生变化的，但是这种变化是可恢复的。

(二)塑性变形阶段

超过B点以后，曲线呈向下弯曲状，说明应力增加不大的情况下即能产生较大的变形。在BC段内任意一点卸载，当应力为0 时，应变不能完全恢复，即产生了永久变形，称保留部分的应变为塑性应变。因此，BC段代表岩石的塑性变形阶段。

塑性变形是一种不可恢复的变形。对于单一晶体来说，塑性变形已经使晶体的质点移动到一个新的平衡位置(图3-26)。如前所述，晶体的弹性变形包含了晶格的大小或形状的改变。但是，在晶体的塑性变形中，晶格参数不发生任何改变，这是塑性变形机制所决定的。对于单一晶体来说，塑性变形以晶内滑移为主。

图3-26 晶体的塑性变形

晶内滑移：是指晶体沿着某一滑移面的某一方向(总称为滑移系)两侧相互滑动。可以分为平移和双晶滑移：①平移或平移滑动是滑移面两侧的晶体相对滑动距离是晶格距离的整数倍(图3-27B)；②双晶滑移是滑移面两侧的晶体相对滑动距离是晶格距离的非整数倍，造成滑移面两侧的晶体以滑移面为对称面呈镜向对称，形成机械双晶(图3-27C)。机械双晶亦称变形双晶或滑移双晶，是晶体塑性变形的典型特征之一。

图3-27 晶体的平移滑动和双晶滑移

位错：在晶内滑移过程中，位错起到了关键性作用。位错是指晶格内质点排列的周期性破坏成为一条线的情况。位错的基本类型是刃型位错(棱位错)和螺型位错。①刃型位错是在晶体的两层面网之间多一层半原子面，位错出现在半原子面的边缘(图3-28A)；②螺型位错是沿着晶体的某一层结晶面网被撕开，位错出现在撕裂的尖端附近(图3-28B)。

图3-28 位错的基本类型

(据刘瑞珣，1988)

事实上，晶体的滑移是通过位错沿着滑移面的扩展完成的，或者说晶内滑移是由滑移面上的已经滑动区的边界向外扩展而传播的。A.Nicolas和J.P.Poirier(1976)将位错的扩展过程形象地比喻成毛毛虫的爬行。正是这一过程，使晶体的实验弹性极限较理论弹性极限小几个数量级(图3-29)。

图3-29 刃型位错的迁移

(据Nicolas＆Poirier，1976)

在只有一个滑移系的矿物中(如云母)，解理面经常就是唯一的滑移面。当沿着解理面的滑移受到阻碍时，解理面会形成尖棱状弯曲——扭折。与宏观尺度的膝折一样，扭折也经常由长翼和短翼组成。短翼叫做扭折带。扭折带相当于一个新的滑移系，是只有一个滑移系统的矿物和滑移系统较少的矿物产生塑性变形的重要机制。

对于作为矿物集合体的岩石来说，在塑性变形中，除了晶体的晶内滑移外，晶粒边界滑移也具有重要意义。

晶粒边界滑移：是通过相邻颗粒边界之间的调整达到岩石塑性变形的机制。朱志澄(1999)将这一过程形象地比喻为受力砂袋中砂粒之间的调整过程(图3-30)。但是岩石中的矿物颗粒是不能自由转动的，因此晶粒边界滑移也很难发生。晶粒边界滑移经常出现在超塑性变形中。

超塑性变形：也叫超塑性流动，最初是指多相细粒合金在一定温度和应变速率条件下拉伸变形的应变量可达1000%以上而不出现缩颈和断裂的现象。超塑性变形出现在高温(T≥0.5T_m，T_m是熔融温度)，细粒(几微米或几十微米)和低应变速率速率条件下。

图3-30 晶粒边界滑动过程示意图

(三)破裂变形阶段

在塑性变形时，岩石试件内已产生一些微破裂。当曲线非常接近C点时(图3-24)，试件表面开始出现宏观破裂。C点是曲线的最高点，代表岩石所能承受的最大应力值。如果保持试件上的C点应力值不变，试件将突然破坏。因此C点应力值称为破坏强度。

到C点时，岩石已不能承受再大的压力。如果从C点开始逐步卸载，则应力-应变曲线上将出现如图3-24中的CD段。在CD段，岩石强度逐渐下降，当岩石试件中某些破裂面上的内聚力完全丧失时，试件将破裂成几块，岩石发生破坏。

因此，岩石的变形可归结为三个阶段：弹性变形阶段、塑性变形阶段和破裂变形阶段。这三个变形阶段依次发生。但对于不同岩石，这三个阶段发育的程度很不同。有些岩石在破坏前能产生较大的塑性应变(ε＞5%)，称为延性；有些岩石在破坏前只能产生很小的塑性应变(ε＜3%)，称为脆性。但当温度、围压等条件发生变化时，岩石的力学性质将会发生较大变化。