《工程机械理论与设计》第三章：岩石的弹性、塑性和脆性

（一）岩石弹性、塑性和脆性的概念

在外力作用下，岩石会发生变形，随着载荷不断增加，变形也不断增大，最终导致岩石破坏。岩石的变形有两种情况：一种是外力撤除后岩石的外形和尺寸完全恢复原状，这种变形称为弹性变形；另一种是外力撤除后岩石的外形和尺寸不能完全恢复而产生残留变形，这种情况称为塑性变形。

岩石从变形到破坏可能有 3 种形式：如果破坏前实际上不存在任何弹性变形，则这种破坏称为脆性破坏，呈脆性破坏的岩石称为脆性岩石；如果破坏前发生大量的塑性变形，则这种破坏形式称为塑性破坏，呈塑性破坏的岩石称为塑性岩石；先经历弹性变形，然后塑性变形，最终导致破坏，则岩石的这种破坏形式称为塑脆性破坏，呈塑脆性破坏的岩石称为塑脆性岩石。

岩石大多是非均质各向异性的，其应力和应变之间的关系要比均质物体复杂得多，在一般情况下不符合胡克定律。

衡量岩石弹性的指标主要有弹性模量E 和泊松比μ。弹性模量是指弹性范围内应力增量与应变增量的比值。泊松比则是在弹性变形阶段横向应变与纵向应变的比值，是一个无量纲值。

（二）影响岩石弹性、塑性和脆性的因素

影响岩石变形特性的因素主要有岩石的矿物成分、结构构造、应力状态、载荷性质、受力条件、温度和湿度等。

1.岩石的矿物成分

一般岩浆岩和变质岩的弹性模量大于沉积岩，而塑性系数则相反。对于岩浆岩和变质岩来说，如果组成岩石的矿物具有高的弹性模量，则岩石也有高的弹性模量，但是岩石的弹性模量不会超过造岩矿物的弹性模量。对于沉积岩来说，弹性模量取决于岩石的碎屑和胶结物以及胶结状况。在胶结物和胶结状况相同的情况下，碎屑颗粒的弹性模量大，则岩石的弹性模量也大；在碎屑颗粒成分相同的情况下，胶结物为硅质者，岩石的弹性模量最大，胶结物为钙质者次之，胶结物为泥质者最小。(www.xing528.com)

2.岩石的结构构造

细粒岩石的弹性模量大于粗粒岩石；平行于层理方向的弹性模量大于垂直于层理方向的弹性模量；岩石孔隙度增加，其弹性模量降低，塑性系数增加；岩石越均质致密，弹性模量越大，塑性系数越小；岩石结构缺陷越多，微裂隙越发育，弹性模量越小，塑性系数越大。

3.应力状态

在单向压缩下岩石往往表现为弹性脆性体，破坏前无显著的塑性变形，但是在各向压缩下岩石则表现出不同程度的塑性，破坏前都要产生一定的塑性变形。对于钻进来说，研究岩石从脆性到塑性的转变点（即从脆性变为塑性的围岩压力，又称临界围压）有重要的实际意义。因为脆性破坏和塑性破坏是两种本质不同的破坏，破碎这两种状态的岩石应采用不同的破碎方式、破碎工具和破碎参数。

4.受力条件

岩石受压缩时，颗粒之间距离缩小，颗粒间相互作用力有所增大，故弹性模量提高。而受拉伸时，弹性模量降低。

5.温度和湿度

随着孔深增加，孔底温度也增加。温度升高时，碳酸盐类和硅酸盐类岩石的弹性极限都要降低，弹性模量变小，塑性系数增大，岩石表现为从脆性向塑性转化。