岩石变形

物理学科名词

岩石变形（deformation of rock）岩石在外力或其他物理因素（如温度、湿度）作用下发生形状或体积的变化。不仅小的岩块，就是整个地壳岩体在力的作用下也会不断变形，地壳的蠕变速率一般为10-16/秒，西藏高原和喜马拉雅山以每年几厘米的速率上升。地壳变形急剧的地方会产生断层、褶皱等。工程岩体往往因为变形过大，导致失稳。因此岩石变形特性是岩石力学研究的重要内容之一。研究的重点是岩石的应力－应变－时间关系。中国学者在岩石变形，尤其是岩石流变研究方面起步较早，占有重要地位。

特性

包括单向和三向条件下的变形曲线特性、弹性和塑性变形、流变（应力-应变-时间关系）和扩容。岩石流变主要包括蠕变和松弛。在应力不等时岩石的变形随时间不断增长的现象称为蠕变。在应变不变时岩石中的应力随时间减少的现象称为松弛。岩石扩容是指在偏应力作用下，当应力达到某一定值时岩石的体积随偏应力的增大而增大的现象。研究岩石变形在室内常用单轴或三轴压缩方法、流变试验和动力试验等，多数试验往往结合强度研究进行。为了测定岩石应力达到峰值后的应力与应变关系，必须应用伺服控制刚性压力机。野外试验有承压板法、水压法、钻孔膨胀计法和动力法等。根据室内外试验可获得应力与应变关系和应力-应变-时间关系以及相应的变形参数，如弹性模量、变形模量、泊松比、弹性抗力系数、流变常数等。

流变和扩容

在应力作用下，岩石中的微观和宏观结构的滑移、位错、形变都遵循随时间而变化的规律，因此岩石是一种流变体。岩石流变主要包括两个内容，即蠕变和松弛。在恒定的应力作用下，岩石的变形随时间不断增长的现象称为蠕变。在恒定的应变条件下，岩石中的应力随时间而减少的现象称为松弛。在外力超过一定的强度（即长期强度）以后，岩体会丧失稳定性，因此工程上必须研究建筑物的长期稳定性。目前，国内外很重视对岩石的流变研究。

岩石扩容是指在偏应力作用下，当应力达到某一定值时，岩石的体积不但不缩小反而增大的一种力学现象。例如在地震前，震中附近地壳表面的岩体发生膨胀，就是一种扩容现象。另外,在膨胀岩中开挖地下工程时,围岩向内移动和产生破坏就是由于岩石的吸水膨胀和在偏应力作用下产生扩容的综合作用造成的。近年来，扩容已成为岩石力学研究的主要课题。

弹性和塑性

一般认为，在外力除去以后，岩石恢复到受力前的体积和形状的变形叫岩石的弹性变形，不能恢复的叫塑性变形(又称永久变形或残余变形)。岩石的总变形应视为弹性变形和塑性变形之和。试验表明，大多数岩石在加载过程中,应力-应变呈非线性关系，在卸载（即使是荷重很小的卸载）过程中，也会出现不可逆的塑性变形。

岩块的变形

通常是将岩块置于单轴压缩条件下进行试验,以获得它的变形性质。图1是粉砂岩的试验结果，其中AB和A′B′为20小时内的蠕变曲线。用普通压力机,只能得到岩样破坏以前的应力-应变(或变形)关系曲线，用近年研制成的“刚性压力机”还可得到破坏后的资料。利用这些试验结果,可以研究岩样的应力-应变全过程，阐明破坏机理和变形特性。

天然岩体常处于三向应力状态，因此也常在室内用三轴试验来研究周围压力对岩石变形的影响。试验表明，在围压较低的情况下，岩石往往呈脆性破坏，变形较小。围压超过一定程度以后，岩石表现出塑性流动性质，变形较大。

一般岩块由于包含的裂隙少,在同样受力条件下,所得变形远较裂隙岩块的变形小。对于工程设计，一般应用野外岩体试验所得的变形参量。

岩体的变形

现场岩体的变形主要受岩体中包含的各种地质界面即结构面的控制，另外岩体中的应力也对变形有重要影响。当岩体承载时，变形的大部分表现为结构面的闭合和沿结构面的滑动，坚硬岩块本身的变形仅占次要地位。因此岩体的应力－应变关系曲线也远较岩块复杂。据研究，在现场加载条件下，典型的岩体应力-变形曲线（即σ-W曲线）如图2所示。图中I线为应力和变形呈线性关系;Ⅱ线表明加载的前一阶段为裂隙闭合阶段，后一阶段可视为线性关系；Ⅲ线说明在压力作用下，岩体逐渐屈服；Ⅳ线与Ⅱ线相似；Ⅴ线与Ⅲ线相似；Ⅵ线表示在较小的应力作用下，岩体出现负变形，是其中封闭应力释放的结果。

岩体的卸载变形主要表现在开挖地下洞室时围岩的回弹和松动。在岩体中挖洞时，由于原来岩体的受力状态发生变化，巷道周围的岩体即围岩会产生回弹区（围岩应力释放所涉及的范围）和松动区（围岩松动所涉及的范围）（图3）。当其他条件相同时，地下工程的侧墙往往会形成塑性楔体，首先向内变形或破坏，进而危及整个围岩的稳定性。岩体在卸载作用下的变形规律目前仍研究得不够深透。对于地下工程，常在现场布置仪器观测围岩变形与时间的关系。

影响因素

岩石变形除有时间效应外，湿度、温度等对岩石的变形也有影响。湿度的影响一方面表现在随含水量的增加,强度降低,变形加大，更重要的是某些含亲水性矿物的岩石遇水后会产生膨胀变形和膨胀压力，给工程带来危害。温度的影响主要表现在高温条件下，岩石可产生很大的塑性变形。此外，应力施加速率、载荷性质（如动载荷或静载荷）等也对岩石的变形有影响。

试验研究

可在室内和野外进行试验和监测。室内试验一般用单向压缩或三向压缩的方法进行。往往与岩石强度试验一起进行。野外试验有多种方法，如承压板法、水压法、钻孔膨胀计法等。各种方法的实质都是：在不同条件下,向岩石加载,然后测定相应的变形和变形随时间的变化,即可获得应力-应变关系或应力-应变-时间关系曲线以及相应的变形参量。无论在室内或野外，还可以用动力法，即通过测定地震波或声波在岩石中的传播速度来换算弹性常数。对于各向异性岩体和破碎岩体可用声波法探测其结构。

对于工程岩体，通常在建筑物地基、地下工程围岩以及边坡内埋置各类仪器，对岩石的变形进行长期观测和监控。对于地壳岩体可用遥感和大地测量的方法，研究其变形规律。

参考书目

陈宗基：地下巷道长期稳定性的力学问题，《岩石力学与工程学报》，Vol.1, No.1, 1982。

米勒主编，李世平等译：《岩石力学》，煤炭工业出版社，北京，1981。(L.Müller, ed., Rock Mechanics),Springer-Verlag,Wien,1974.)

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