巖石力學性質及其影響因素

巖石的力學性質指的是巖石在受到力的作用下表現出來的變形反應方面的性質，如剛性、柔性、彈性、朔性、脆性、韌性以及強度等，其主要取決於巖石本身的內在因素，如成分、結構、構造等，同時也受地質環境因素，如圍壓、溫度、溶液、孔隙壓力、時間及巖石變形的應力狀態等條件的影響。

巖石變形特征不僅與受力大小、方向性質有關，而且與巖石本身的力學性質有關。因此，研究各種外界因素對巖石力學性質的影響，對於分析和闡明巖石變形是十分重要的。

巖石力學性質及其影響因素

主要的巖石力學性質的剛性、柔性、彈性、塑性、脆性、韌性以及強度等的定義如下。剛性和柔性指的巖石在力的作用下是否出現變形的性質，否則剛性，是則柔性。彈性和塑性指的是巖石在力的作用下是否出現可恢復的變形的性質，否則塑性，是則彈性。脆性和韌性指的巖石在力的作用下是出現破裂的變形還是流動而不破裂的變形的性質，前者是脆性，後者是韌性。強度指巖石在力的作用下出現屈服或破裂時承受的最大應力。巖石處於地下深處，承受著周圍巖體對它施加的圍壓作用、地下熱量對其的加熱作用、地下流體對其的物理和化學作用以及時間因素的作用等。所有這些因素在很大程度上可改變巖石的力學表現。

一、圍壓因素

巖石所處深度越大，圍壓也越大，這種壓力，一方面增強了巖石的韌性;另一方面大大提高了巖石的強度極限，彈性極限也有所增高。

圖3-44為石灰巖在常溫時從0.1MPa到約400MPa的圍壓下進行實驗而得出的應力一應變曲線。當圍壓為0.1MPa、施加壓應力到280MPa時，石灰巖表現為彈性，超過此值巖石就破裂。當圍壓增大到100MPa以上，石灰巖受到400MPa左右的壓應力時，開始顯示塑性變形。圍壓在200MPa時，石灰巖壓縮了30%還未破裂，表明巖石的韌性大大增加了。上述實驗還表明，巖石的強度極限是隨圍壓的增加而加大的。當圍壓為0.1MPa時，即在地表條件下，這種石灰巖的抗壓力度也可達到280MPa:圍壓為100MPa時，其抗壓力度將大於390MPa:圍壓在400MPa時，石灰巖的抗壓力度可增高到800MPa以上。此外巖石種類不同，圍壓的影響可以有很大的變化。

上述情況表明，在近地表，大多數巖石表現為脆性，斷裂相對較發育。當處於地殼深處時，巖石就變為具有高度韌性的物質，甚至呈現出黏性流動特征，因此，褶皺就相對比較發育。

圍壓對於巖石力學性質影響的原因在於，圍壓使固體物質的質點彼此接近，增強了巖石的內聚力，從而使晶格不易破壞，因而不易斷裂。

二、溫度因素

許多巖石在常溫常壓下是脆性的，隨著溫度的升高，巖石的強度降低，彈性減弱，韌性顯著增強，因而有利於發生形變。圖3-45是格裏格斯(D.T.Griggs，1951)對大理巖進行實驗所作出的應力一應變曲線。在室溫和1000MPa圍壓下，對大理巖施加壓力時，大理巖的彈性極限為200MPa左右:溫度增高到150C時，彈性極限降低為100MPa左右。這個實驗表明，溫度升高對巖石變形和抗壓力度的影響。

礦物與巖石一樣，溫度升高，彈性極限和抗壓力度明顯降低，易於塑性變形。圖3-46是磁黃鐵礦在圍壓100MPa和不同溫度下的應力-應變曲線。溫度從25C逐級升高到500C，彈性極限和抗壓力度逐級降低，而且溫度升得越高，二者降得越快。

溫度增高對巖石力學性質影響的原因是，由於溫度增高時，巖石質點的熱運動增強從而減弱它們之間的聯系能力，使物質質點更容易位移。因此，當溫度升高到適當程度時，較小的應力也能使巖石發生較大的塑性變形。