① 岩石力學性質的影響因素分析
6.2.1 岩石成分對岩石力學性質的影響
影響岩石力學性質的因素很多，除受力條件和賦存環境等外在因素外，還有沉積岩石物質成分和結構構造等內在因素，因此，沉積岩的沉積特徵與力學性質對岩石的變形機制和井下支護對策的研究具有重要意義。有關岩石成分和結構對岩石力學性質的影響研究，已取得了有意義的定性認識: 如石英含量越高，強度越大; 細顆粒岩石的強度較高; 抗壓強度隨著孔隙率的增加而減少等。近些年來，利用高倍顯微鏡、掃描電鏡及 CT 技術研究岩土的微觀、宏觀結構，取得了一定成果。國內學者就軟岩工程地質特徵進行了研究，取得了有意義的研究成果。但從目前的研究現狀看，岩石 ( 體) 力學中的沉積特徵研究開展得還不夠深入，沉積岩石學與力學研究和工程應用沒有融為一體，因而沒有真正發揮應有的作用。基於沉積岩石學特徵，應用相關儀器，對不同岩性的岩石試樣進行試驗，建立沉積特徵參數與宏觀力學性質之間的定量關系，取得了有意義的研究成果。岩石中的裂隙，按成因分為原生裂隙與次生裂隙兩大類。裂隙的存在，導致岩體的連續性被破壞，削弱岩體內的連接力，降低岩體的堅固性和穩定性。原生裂隙是指成岩過程中生成的裂隙，也叫成岩裂隙，如沉積岩的層理面、節理面、不整合面以及在成岩過程中因脫水密實而出現的與層理垂直或斜交的有一定分布規律的裂隙面。次生裂隙指岩層生成以後產生的，主要包括構造裂隙和礦壓裂隙。構造裂隙是在岩體形成後，在地殼運動過程中產生的，在岩體內除了一些明顯裂隙外，還有很多閉合的、很難分辨的細微裂隙。由於地質構造作用力的不同，可分為張裂隙和剪裂隙。由於岩體內存在著這些大大小小的裂隙，構成明顯的弱面，所以在開采過程中，常會發生無預兆的冒頂事故。礦壓裂隙是在開采過程中，由岩體內礦山壓力所造成的。天然岩體總是被各種裂隙分割成塊體，這些塊體之間既相互聯系又相互影響。岩石的非均質性、層理性、裂隙性，對岩石的物理力學性質有重大的影響，岩石物理力學性質的連續或不連續、均勻或不均勻、各向同性或各向異性，都取決於這些結構特徵。
6.2.2 水對岩石力學性質的影響
地殼中的岩石，尤其是沉積岩，大部分都含有水分或溶液，有的含有油氣。L.Müller( 1974) 曾指出過，岩體是兩相介質，即由礦物 - 岩石固相物質和含於孔隙和裂隙內水的液相物質組成，它們都會降低岩石的彈性極限，提高韌性和延性，使岩石軟化，易於變形，其變形與強度特徵受到重要影響。
( 1) 兗州煤田
由表6.3 至表6.5 可以看出，隨含水量增加，岩石的單軸抗壓強度和彈性模量均急劇降低，但降低的速率受岩性控制，不完全相同，主要取決於岩石結構狀況、結晶度和是否含有親水性粘土礦物等因素。影響岩石力學性質的主要因素有岩石岩性、構造分布、水的作用等，通過上面的分析得出如下認識:
表6.3 兗州煤田自然含水狀態下力學性質試驗結果
注: 采樣地點東灘煤礦。
不同岩性的岩石具有不同的形變速率和強度特徵，岩石力學性質主要表現為，隨著碎屑顆粒粒度由粗到細，即由砂岩到泥岩變化，碎屑岩的強度與剛度均迅速衰減。隨構造發育程度的不同，區域岩體表現的力學性質存在很大差異，構造發育區，岩體的完整性遭到破壞，岩石被切割或破碎成帶，力學強度降低; 非構造發育區，岩體完整，岩體力學強度高。水對岩石力學性質亦有重要影響，在乾燥或較少含水量情況下，岩石在峰值強度後表現為脆性和剪切破壞，應力 - 應變曲線具有明顯的應變軟化特性; 隨著含水量的增加，岩石單軸抗壓強度和彈性模量均急劇降低，表現為塑性破壞，且應變軟化特性不明顯。另外，砂岩的孔隙度對力學性質影響也很明顯 ( 表6.6，表6.7) ，同是細砂岩，當孔隙率分別為 2.3%、8.0%、11.4% 時，自然狀態下的抗壓強度分別為 796.0MPa、492.0MPa、158.0MPa; 同是中砂岩，當孔隙率分別為 4.4% 、12.7% 、15.7% 、17.8% 時，自然狀態下的抗壓強度分別為 700.0MPa、398.6MPa、539.0MPa、115.0MPa; 說明隨著孔隙度的增高，岩體抗壓強度有迅速減小的趨勢。
表6.4 兗州煤田 3 煤層頂板岩樣測試參數
注: 采樣地點東灘煤礦。
表6.5 兗州煤田岩石物理力學性質 ( 一)
表6.6 兗州煤田岩石物理力學性質(二)
注:采樣地點東灘煤礦。
表6.7 兗州煤田岩石物理力學性質(三)
注:采樣地點東灘煤礦。
( 2) 龍固井田
巨野煤田龍固井田山西組 3 煤層頂底板砂岩含水層，統稱為 3 砂。井田內有 60 孔揭露，砂岩厚 4.80～75.65m，平均 26.7m。以細砂岩為主，局部為中砂岩和粉砂岩，裂隙局部發育，充填有方解石脈。3 砂共發現漏水點 9 層次，漏水孔率為 15.0%，漏水點深711.28～ 905.36m。該層位 L - 2 和 L - 15 孔抽水 2 次，單位涌水量 0.00811～ 0.01509L / s·m，滲透系數 0.00993～ 0.02746m / d，水位標高 34.97～ 35.12m，礦化度 6.88～ 7.79g / L，水質類型為 SO4- K + Na 型，屬弱富水的裂隙承壓含水層。根據抽水試驗，水位恢復緩慢，如 L -2 號孔抽水後 24h 恢復水位尚比靜止水位低 4.74m，表明 3 砂徑流不暢，補給條件差。3 砂是 3 煤層直接充水含水層。根據研究的需要，把龍固井田富水性分區劃分為5 個級別: 極強、強、中等、弱、極弱。通過對研究區鑽探、水文等資料進行分析，對研究區不同級別的富水性進行了圈定 ( 圖6.3) 。由圖6.3 可知: 龍固井田內總體富水性主要呈南北分布、東西分帶的特點，井田大部分區域富水中等，約占井田的 1/2。其中，富水性比較弱的區域主要分布在井田的東南部，靠近邢庄斷層，北部跨過陳廟斷層的區域小面積出現; 井田富水性強的區域主要分布在井田東北部陳廟斷層與田橋斷層交叉區域以及井田北部靠近張樓斷層的小塊區域，總體來說，龍固井田 3 煤頂板富水性中等 - 偏強，影響了煤層頂板岩石力學的強度 ( 表6.8) ，降低了頂板穩定性。
圖6.3 龍固井田 3 煤頂板砂岩富水性分區
表6.8 龍固井田3煤頂板岩石物理力學性質試驗
續表
6.2.3 構造結構面對岩石力學性質的影響
對於不同岩性的岩石，破壞機制存在差異，軟質岩石在單軸壓縮條件下為剪張破壞，在一定側壓條件下為弱面剪切破壞和塑性破壞，並且隨著側壓的增大，岩石應力 - 應變曲線由應變軟化狀態向近似應變硬化狀態過渡，並伴有體積膨脹現象。中硬岩石在單軸壓縮條件下為脆性張裂破壞，隨著側壓的增加，岩石進入剪切破壞; 岩石應力 - 應變曲線表現出一定的應變軟化特性。硬質岩石在側壓范圍內均為脆性張裂破壞和剪切破壞，破壞時發出較大的聲響和振動，岩石應力 - 應變曲線表現出明顯的脆性和應變軟化特性，說明岩性對岩石力學性質具有重要的控製作用。
煤礦開采實踐證明，煤層頂板穩定性存在局部變化，與斷層、褶皺活動相關，斷層的存在可以改變頂板冒落的一般規律，使頂板沿斷層切下，導致工作面突然冒頂和來壓。無論是正斷層還是逆斷層，在斷層下盤靠近斷層面附近最易冒頂，當巷道掘進到斷層區時，一般出現比較大的圍岩變形，支護十分困難。頂板岩體中發育的小褶皺常使頂板條件惡化，由於撓曲滑動作用，褶皺的層理面上擦痕遍布，使頂板穩定性降低。
斷層帶附近煤岩體力學性質的變化特徵與正斷層的形成過程和特點密切相關 ( 圖6.4) 。在斷層的形成過程中斷層面附近為一明顯的應力集中帶，其變形破裂也最明顯，在該帶煤岩層強度大幅度降低，遠離斷層，應力作用減小，變形破裂也變弱，因此平面上越靠近斷層，煤層孔隙和裂隙越發育，煤岩體力學強度也越低 ( 圖6.5) 。正斷層形成的過程中，上盤為主動盤，斷裂面形成後，上盤會因重力作用向下滑動，而產生次生壓力，此外，正斷層使斷塊在不規則斷層面上活動或斷塊內小斷塊之間相互作用產生局部壓力。正斷層的這些特徵勢必導致上盤裂隙發育程度大於下盤，上、下盤相對滑動產生的次生應力不僅會使上盤的破壞程度大於下盤，而且會使伴生的剪裂隙和張裂隙進一步扭轉，轉化為張扭性裂隙。
圖6.4 斷層與煤層裂隙和孔隙率的關系
煤層頂板穩定性的局部變化與斷層、褶皺的活動有關。研究表明 ( 圖6.5) ，斷層帶附近煤岩體破碎，煤岩體中裂隙的發育程度隨著與斷層面距離的變小而增強，煤岩體力學強度越靠近斷層越低。裂隙的力學性質向斷層面方向由張性向張扭、壓扭性再到張性轉化，正斷層附近宏、微觀裂隙發育程度和影響寬度表現為上盤明顯高於下盤，且斷層對煤岩體力學強度影響寬度明顯高於對宏、微觀裂隙影響寬度，一般為落差的 2～4 倍。由於采動影響，破壞了岩體中原岩應力的平衡狀態，引起采場周圍岩體內的應力重分布，形成支承壓力區和卸載區，隨著工作面推進頂板沉積岩層經歷了一個在煤壁前方支承壓力作用下的壓縮 ( 密) 變形和沿層面方向的剪切滑移變形，最後在采空空間沿層面產生拉張離層破壞的過程，最終導致煤層頂板失穩。
圖6.5 斷層附近煤岩體單軸抗壓強度的變化L—距斷層距離; H—斷層落差
6.2.4 沉積結構面對岩石力學性質的影響
沉積結構面與成岩後所形成的構造結構面是有區別的，對岩體力學性質的影響也各不相同。沉積結構面分布廣，延展好，相互間高度貫通，使沉積岩體具有許多特有的力學特徵 ( 圖6.6) 。所以研究沉積結構面對岩體力學性質的影響具有重要意義。
圖6.6 不同結構類型岩體應力應變曲線( 據張倬元等，1994)
沉積結構面是沉積岩體特有的性質，由於沉積結構面的存在使沉積岩體力學性質呈各向異性。根據層理面上的強度特徵將層理進一步分為弱面型與非弱面型。
1) 非弱面型層理是在水動力較強、變化不大，或者說是在持續較強的水動力條件下形成的，並保存在砂岩和粉砂岩中的沉積構造，如交錯層理、水平層理、平行層理等。岩體受力變形過程中一般不會沿這些層理面破壞。
2) 弱面型層理是在水動力強弱交替的條件下形成的，當水動力弱時形成泥質岩、雲母片、植物碎屑和炭質等定向排列而呈現層理，這類層理的細層之間粘結較弱，形成沉積弱面，如交錯層理、砂紋層理、潮汐層理、互層層理和水平層理等，岩體受力變形過程中，岩體易產生垂直於沉積結構面的張性破壞或沿沉積弱面的剪切破壞。
層系或層系組界面、岩層面以及不整合面均為沉積弱面，對岩石 ( 體) 力學性質具有重要影響。如老頂砂岩與直接頂或煤層沖刷形成的接觸面，由於砂岩與泥岩力學性質差異較大，岩性界面黏聚力差，砂體下直接頂泥岩層往往易離層破壞，因此在成岩作用過程中接觸面附近常發育有較多的垂直接觸面的原生裂隙，造成岩體的不連續性，對頂板穩定性影響很大。
沉積岩體中軟弱夾層實質上是具有一定厚度的岩體軟弱結構面，它與圍岩相比，具有顯著低的強度和顯著高的壓縮性，其抗壓、抗剪和抗拉強度均低於圍岩，在采動影響下軟弱夾層易於沿層面脫落。
因沉積結構面受力作用的方式不同，沉積岩體變形破壞機制也不相同。
層理構造是沉積岩最基本的特徵，沉積岩體中的層理面在地質上代表的是一種沉積環境向另一種沉積環境過渡的轉換面，代表一個沉積間斷，其形態具有多樣性，層理面上往往有大量的植物碎屑、雲母片等軟弱成分的定向排列，在力學性質上屬於一種弱結構面。層理越發育，其頂板的穩定性越差。B.A.布克林斯基用衰減函數描述岩體內部移動等值線，當考慮岩體分層性時，計算出的移動等值線不是平滑的而是出現折線形狀，線的轉折發生在兩個岩性不同的接觸面處。由於層理的存在使岩體力學性質呈各向異性，圖6.9 展示了沉積岩體各向異性變形特徵。在室內對層狀岩石試件的實驗結果表明，載入方向不同，岩石表現出不同的力學性質 ( 表6.9; 圖6.7，圖6.8) 。
表6.9 沉積結構面對岩體力學性質影響統計
圖6.7 沉積結構面對陸源碎屑岩彈性模量影響曲線
由以上分析，總結出下面幾點結論:
1) 垂直層理方向載入時的彈性模量比平行層理方向載入時的彈性模量低，這是因為層面間結合力較差，甚至有空隙，因此，垂直層理方向易被壓縮，應變數大所致。
圖6.8 沉積結構面對陸源碎屑岩抗壓 ( A) 、抗拉 ( B) 強度影響曲線
2) 岩石的強度表現為平行層理方向載入時的抗拉強度大於垂直層理方向的抗拉強度，而平行層理方向載入時的抗壓強度與凝聚力小於垂直層理方向的抗壓強度與凝聚力。
3) 縱波速度和動彈性模量亦表現出垂直於層理方向比平行於層理方向低的特徵，且各向異性指數表現為頂板泥岩明顯大於老頂砂岩，這是由於頂板泥岩層面富集植物碎屑和碎片以及水平層理發育所致。
由此可知，由於沉積岩體中層面和層理的存在，導致沉積岩體的力學性質明顯地表現為各向異性或橫觀同性特徵 ( 圖6.9) 。
圖6.9 各向異性變形測試結果( 據郭志，1981)
② 岩石力學的特點
岩石力學的誕生是以解決岩石工程穩定性問題和研究岩石的破碎條件為目的而誕生的。其研究介質不僅非常復雜，而且存在許多力學性質不穩定性或不確定性因素，這就使得本學科獨立的、完善的、系統的基礎理論難以建立、岩石力學的發展始終引用和發展固體力學、土力學、工程地質學等學科的基本理論和研究成果，或者引用這些相關學科的研究成果來解決岩石工程中的問題，因此，偏重不同行業應用的岩石力學往往有不同的定義，迄今岩石力學也沒有統一的定義。
美國地質協會岩石力學委員會於1964年提出的岩石力學定義為：岩石力學是研究岩石力學性狀的一門理論和應用科學，是力學的一個分支，是研究岩石在不同物理環境的力場中產生各種力學效應的學科。該定義概況了岩石破碎和穩定兩方面的主題，也概括了岩石在不同物理環境中各種應力狀態下的變形、破壞規律。這是一個較廣泛、較嚴密並得到廣泛認可的定義。
岩石力學又稱為岩體力學。但隨著科學技術的發展，岩石與岩體已有嚴格的區分，因此有人認為應將岩石力學改為岩體力學更切合本學科的研究主題。但是，岩石力學這一名詞沿用已久且使用普遍，所以岩石力學和岩體力學是同一學科。研究內容岩石力學的內容分為基礎理論和工程應用兩個方面。
基礎理論主要研究：
①岩石應力，包括岩體內應力的來源、初始應力(構造應力、自重應力等)、二次應力、附加應力等。初始應力由現場量測決定，常用鑽孔應力解除法和水壓致裂法，有時也用應力恢復法。二次應力和附加應力的計算常用固體力學經典公式，復雜情況下採用數值方法。
②岩石強度，包括抗壓、抗拉、抗剪（斷）強度及岩石破壞、斷裂的機理和強度准則。室內用壓力機、直剪儀、扭轉儀及三軸儀，現場做直剪試驗和三軸試驗，以確定強度參數（凝聚力和內摩擦角）。強度准則大多採用庫倫－納維准則。這個准則假定對破壞面起作用的正應力會增加岩石的抗剪強度，其增加量與正（壓）應力的大小成正比。其次採用莫爾准則，也可採用格里菲思准則和修正的格里菲思准則。
③岩石變形，包括單向和三向條件下的變形曲線特性、彈性和塑性變形、流變（應力-應變-時間關系）和擴容。岩石流變主要包括蠕變和鬆弛。在應力不等時岩石的變形隨時間不斷增長的現象稱為蠕變。在應變不變時岩石中的應力隨時間減少的現象稱為鬆弛。岩石擴容是指在偏應力作用下，當應力達到某一定值時岩石的體積隨偏應力的增大而增大的現象。研究岩石變形在室內常用單軸或三軸壓縮方法、流變試驗和動力試驗等，多數試驗往往結合強度研究進行。為了測定岩石應力達到峰值後的應力與應變關系，必須應用伺服控制剛性壓力機。野外試驗有承壓板法、水壓法、鑽孔膨脹計法和動力法等。根據室內外試驗可獲得應力與應變關系和應力-應變-時間關系以及相應的變形參數，如彈性模量、變形模量、泊松比、彈性抗力系數、流變常數等。
④岩石滲流，包括滲透性、滲流理論、滲流應力狀態和滲流控制等。對大多數岩石假定岩石中的水流為層流，流速與水力梯度呈線性關系,遵循達西定律。岩石滲透性用滲透系數表示,該系數在室內用滲透儀測定，在野外用壓水和抽水試驗測定。滲流理論借流體力學原理進行研究。穩定滲流滿足拉普拉斯方程。多數岩石內的孔隙（裂隙）水壓力可用K.泰爾扎吉有效應力定律計算。為了減小大壩底面滲透壓力、提高大壩的穩定性，應當採取滲流控制措施，如抽水、排水、設置灌漿帷幕以延長滲流途徑等。
⑤岩石動力性狀，研究爆炸、爆破、地震、沖擊等動力作用下岩石的力學特性、應力波在岩石內的傳播規律、地面振動與損害等。動力特性在室內用動三軸試驗研究，野外用地球物理性、爆炸沖擊波試驗等技術進行研究，波的傳播規律借固體力學的理論進行研究。
③ 岩石力學參數分布特徵
岩石是岩體的組成物質，它的工程地質特性一般不直接決定岩體的穩定性，但它是影響岩體穩定性的重要因素之一。在完整塊狀結構的岩體與松軟岩體中，結構面對岩體變形破壞不起主導作用，岩石的特性與岩體的特性並無本質的區別。岩體的工程地質特性包括物理性質、水理性質與力學性質三大方面，但最重要的是力學性質。表徵岩石的基本力學性質有彈性、塑性、硬化、強度、剛度和韌性等等。岩石種類不同，變形程度不同，所顯現出來的力學性質也不一樣。有的性質是相對而言的，如脆性和韌性。現在一般是以破裂後殘余應變或臨近破裂前總應變數的大小來度量，如按破裂前的最大應變小於 3% 定為脆性，大於 5%為韌性，介於 3%～5%是過渡性的。因此，在進行工程地質和頂板岩體質量及穩定性評價時，要對沉積岩石的變形力學特性進行專門研究。
岩石的力學性質主要指岩石的變形與強度特性。為了研究岩石強度和變形特性及岩石發生破裂的發展過程，利用岩石力學試驗機對圓柱形岩石試件進行單軸或三軸壓縮試驗是基本手段之一。岩石的變形特徵最直觀的表達方法是通過應力 - 應變關系曲線來表示( 圖6.1) 。在剛性實驗機上獲得的岩石應力 - 應變曲線較好地再現了岩石的應變強化和應變軟化特性，對於大多數岩石，當應力超過岩石的抗壓強度時，由於內部微裂紋擴展，岩石表現為漸進破壞，強度逐漸降低 ( 應變軟化) ，同時伴隨著體積膨脹 ( 擴容) ，直至達到一個殘余強度值。因此，由峰值強度至殘余強度這一區段可以看作岩石由完整發展到破碎的過程。
理想岩石的變形過程大體上可分為 3 個階段 ( 圖6.1) : 彈性變形階段、塑性變形階段與破壞階段。彈性階段即應力與應變之間成直線關系，當外力除去後，變形即可完全恢復。塑性階段是隨應力的增大，應變急劇增大，二者之間呈凸形的曲線關系，而且除去外力之後變形也不能完全恢復。當外力增大到一定限度之後，試件將發生破壞。
圖6.1 理想岩石的應力 - 應變曲線
然而，實際的岩石具有不同的礦物成分與結構，甚至還可以具有一定的微小裂隙，其變形過程遠比理想岩石復雜。R.P.米勒對 28 種岩石進行了大量的單軸抗壓試驗之後，歸納出 6 種類型的應力 - 應變關系 ( 圖6.2) 。
第Ⅰ類: 彈性，應力 - 應變曲線具有非常接近直線的變形特點，主要為彈性變形，變形不大時突然破裂，多屬脆性岩石。屬於這一類型的有玄武岩、石英岩、輝綠岩、白雲岩和較硬的石灰岩等。
策Ⅱ類: 彈 - 塑性，應力 - 應變曲線呈簡單函數關系，卸載時顯示出較大的殘余變形。屬於這一類型的有較軟的石灰岩、粉砂岩、凝灰岩等。
圖6.2 在單軸壓縮下岩石直至破壞時典型的應力 - 應變曲線
第Ⅲ類: 塑 - 彈性，應力 - 應變曲線開始凹向上微彎，而後逐漸變成凹向下微彎，不表現屈服，而以脆性斷裂的形式破壞。屬於這一類型的有砂岩、花崗岩、平行於片理方向受力的片岩和一些輝綠岩等。
第Ⅳ類: 塑 - 彈 - 塑性，應力 - 應變曲線開始凹向上彎，中間有一段接近直線段，接著是凹向下彎，從總體上看，曲線呈陡挺的 S 型。屬於這一類型的有變質岩、大理岩和片麻岩等。
第 V 類: 彈 - 塑 - 彈性，應力 - 應變曲線呈舒緩的 S 型。屬於這一類型的有垂直於片理方向受力的片岩等。
第Ⅵ類: 彈 - 塑 - 蠕變，即岩石試件變形到一定階段之後變形隨時間而增大。應力 -應變具有一段不長的初始直線部分，隨後進入塑性變形階段，可以產生較大的塑性變形。屬於這一類型的有岩鹽、鉀礦石和其他蒸發岩類等。
這 6 種類型中，第Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類曲線都是在開始階段有凹向上彎的部分，實驗證明:這是由於實驗岩石具有較大的孔隙率、微裂隙或片理組織，隨著應力作用加大，微孔隙、微裂隙被封閉或壓密，開始階段的應力 - 應變曲線正反映這一過程。
岩石的變形特性可以用一系列變形參數來表達。對於拉伸或壓縮變形來說，最主要的變形參數有變形模量 ( E) 和泊松比 ( μ) 。
兗州煤田山西組主采 3 煤層及其頂板岩層均形成於淺水三角洲沉積，沉積岩性由陸源碎屑岩的砂岩、粉砂岩、粉砂質泥岩、泥質岩及粘土岩和煤層組成。由於頂板岩性及其組合的差異，頂板穩定性不同，生產實踐表明，一般砂岩頂板穩定性高，初次垮落步距大，而泥岩頂板穩定性差，初次垮落步距較小。
表6.1 3 層煤物理力學性質
表6.2 不同岩性的直接頂、老頂、底板物理力學性質
從力學角度出發，沉積岩性對頂板穩定性的影響主要取決於岩石的力學強度。試驗表明 ( 表6.1，表6.2) ，任何一種岩石力學性質的變化范圍都很大，並與其他岩石有較大范圍的交叉，如兗州煤田中砂岩的單軸抗壓強度為 48.7～ 76.8MPa，粉砂岩為 34.0～57.0MPa，泥岩為 29.5～ 40.1MPa，煤層為 11～ 18MPa，其他參數也具有類似的特點，反映出相同類型的岩石，其力學性質差異較大，也說明影響沉積岩石力學性質的因素之多，如沉積岩石的成分、結構、膠結成分、膠結類型和支撐類型都影響著岩石力學性質。盡管同一岩性的岩石力學性質變化較大，但仍可以看出，單軸抗壓強度和抗拉強度以及岩石質量指標以砂岩類最大，粉砂岩次之，泥岩較小，煤層最小。因此岩性類型對岩石強度和岩石質量均有重要的影響。
④ 褶曲構造對岩石的物理力學性質會產生什麼影響
答：水對岩石性質影響，我們從成分、結構、構造等幾方面分別進行闡述。一、岩石中的結合水有對岩石產生三種作用：連結作用、潤滑作用、水楔作用。1、連結作用：將礦物顆粒拉近、接緊，起連結作用。2、潤滑作用：可溶鹽溶解，膠體水解，使原有的連結變成水膠連結，導致礦物顆粒間連結力減弱，摩擦力減低，水起到潤滑劑的作用。3、水楔作用：當兩個礦物顆粒靠得很近，有水分子補充到礦物表面時，礦物顆粒利用其表面吸著力將水分子拉到自己周圍，在兩個顆粒接觸處由於吸著力作用使水分子向兩個礦物顆粒之間的縫隙內擠入。二、岩石中的重力水：對岩石力學性質的影響主要表現在孔隙水壓力作用和溶蝕、潛蝕作用。1、孔隙壓力作用：孔隙壓力，減小了顆粒之間的壓應力，從而降低了岩石的抗剪強度，使岩石的微裂隙端部處於受拉狀態從而破壞岩石的連結。2、溶蝕－潛蝕作用：岩石中滲透水在其流動過程中可將岩石中可溶物質溶解帶走，有時將岩石中小顆粒沖走，使岩石強度大為降低，變形加大。三、水對岩石的膨脹性和崩解性有影響。1、膨脹性：軟岩浸水後體積增大和響應的引起壓力增大的性質，用膨脹應力和膨脹率來表示。（1）膨脹應力：岩石與水進行物理化學反應後，隨時間變化會產生體積增大的現象，這時，使試件體積保持不變所需要的壓力稱膨脹應力。（2）膨脹率：岩石與水進行物理化學反應增大後的體積與原體積的比率。2、崩解性：軟岩浸水後發生解體的性質。用耐崩解指數表示：岩石試件在承受乾燥和濕潤兩個標准循環後，岩樣對軟化和崩解表現出來的抵抗力。水對岩石的軟化作用岩石浸水飽和後強度降低的性質，稱為軟化性，用軟化系數(ηc)表示。ηc定義為岩石試件的飽和抗壓強度(Rcw)與干抗壓強度(Rc)的比值。
⑤ 岩石的力學性質和岩石試樣的室內試驗
為了確定岩石材料的力學性質，通常需要從現場岩體取回岩塊或岩心，將其加工成一定形狀的岩石試樣（rock specimen or sample），簡稱岩樣。利用各種力學試驗機對岩樣進行載入。在此過程中，測量、記錄岩樣所承受的載荷和產生的變形。有時限於試驗條件，僅測量岩樣直至破壞過程中所承受的最大載荷，即通常所說的強度，主要包括軸向壓縮強度、間接拉伸強度和抗剪強度等。
對柱狀岩樣的單向壓縮試驗，通常稱為單軸壓縮試驗（uniaxial compression test），在試驗原理和試驗方法上最為簡單。不過，由於試驗機載入壓頭的摩擦作用，抑制了岩樣端部的側向膨脹，因而岩樣內應力狀態並不是均勻的單向壓應力。此外，由於試樣內傾角大於內摩擦角的裂隙，在無側壓時完全不能承載，更使岩樣單軸壓縮的破壞形式復雜，強度離散。
圖1-8 岩樣橫截面形狀對單軸壓縮強度的影響
（據崛部富男，1952）
岩石材料的特殊性質，使得岩樣的形狀會影響其強度。例如具有相同截面面積的圓形、六邊形、四邊形、三角形試樣的強度差別很大（圖1-8）［55］。隨著岩樣棱數減少，抗壓強度降低，說明邊緣的稜角容易損壞，不能用來作為有效的承載面積。然而如果進行嚴密仔細的試驗，四邊形和圓形柱體岩樣的強度差異也並不明顯［56］。這從另一方面說明，由於岩石材料內部構造的特殊性，岩樣的強度受到加工精度、試驗條件和試樣缺陷的強烈影響，某一具體試驗結果未必就是岩石材料的真實力學性質。
雙面剪和直接剪也是常用的試驗方法，該方法用於確定岩石的剪切強度和摩擦系數（圖1-9）。不過，在雙面剪切試驗中破裂面局部出現拉應力，並非單純的剪切力；直接剪切試驗中，由於水平力位置不同而產生彎矩，需要不均勻分布的正應力來平衡。這就是說，在剪切破裂面上不可能出現均勻的正應力和剪切應力，因而，相關試驗結果與岩石的剪切摩擦特性並不完全一致。此外，由於岩石抗拉強度較低，實際上不可能實現正應力為零的純剪切破壞（第3.1節予以具體說明）。
圖1-9 雙面剪和直接剪試驗方法
a—雙面剪切試驗；b—直接剪切試驗
⑥ 岩石有哪些物理力學性質影響其工程性質的因素有哪些
影響岩石工程地質性質的因素
礦物成分、結構、構造、水、風化作用
1
．礦物成分
岩石是由礦物組成的，岩石的礦物成分對岩石的物理力學性質產生直接的影響。
例如，石英岩的抗壓強度比大理岩的要高得多，這是因為石英的強度比方解石的強度高
的緣故，由此可見，盡管岩類相同，結構和構造也相同，如果礦物成分不同，岩石的物理力
學性質會有明顯的差別。
對岩石的工程地質性質進行分析和評價時
,
更應該注意那些可能降低岩石強度的因素。
例如，
花崗岩中的黑雲母含量過高，
石灰岩、
砂岩中粘土類礦物的含量過高會直接降低岩
石的強度和穩定性。
2
．結構
結晶聯結是由岩漿或溶液結晶或重結晶形成的。礦物的結晶顆粒靠直接接觸產生的力牢
固地聯結在一起，結合力強，空隙度小，比膠結聯結的岩石具有更高的強度和穩定性。
聯結是礦物碎屑由膠結物聯結在一起的，膠結聯結的岩石，其強度和穩定性主要取決於
膠結物的成分和膠結的形式，同時也受碎屑成分的影響，變化很大。
例如：
粗粒花崗岩的抗壓強度一般在
120
～
140Mpa
之間，
而細粒花崗岩則可達
200
～
250Mpa
。
大理岩的抗壓強度一般在
100
～
120MPa
之間，而堅固的石灰岩則可達
250MPa
。
3
．構造
構造對岩石物理力學性質的影響，主要是由礦物成分在岩石中分布的不均勻性和岩石結
構的不連續性所決定的。
某些岩石具有的片狀構造、板狀構造、千枚狀構造、片麻狀構造以及流紋構造等，岩
石的這些構造，
使礦物成分在岩石中的分布極不均勻。一些強度低、易風化的礦物，多沿一
定方向富集，
或成條帶狀分布，
或形成局部聚集體，
從而使岩石的物理力學性質在局部發生
很大變化。
4
．水
實驗證明，
岩石飽水後強度降低。
當岩石受到水的作用時，
水就沿著岩石中可見和不可見的
孔隙、
裂隙侵入，
浸濕岩石自由表面上的礦物顆粒，
並繼續沿著礦物顆粒間的接觸面向深部
侵入，削弱礦物顆粒間的聯結，使岩石的強度受到影響。
如石灰岩和砂岩被水飽和後，其極限抗壓強度會降低
25
％～
45
％左右。
5
．風化
風化作用過程能使岩石的結構、
構造和整體性遭到破壞，
空隙度增大、
容重減小，
吸水性和
透水性顯著增高，
強度和穩定性大為降低。
隨著化學過程的加強，
則會使岩石中的某些礦物
發生次生變化，從根本上改變岩石原有的工程地質性質
希望能幫到你，麻煩給「好評」
⑦ 岩石的力學性質指標主要有哪些各自的含義及特徵如何
岩石的力學抄指標主要有抗壓強度、抗剪強度和彈性模量及變形模量等等。關於強度主要關注抗剪強度，岩石的抗剪強度和變形模量受到很多復雜因素影響，影響的規律也較復雜，一般受岩石的類型、完整性、風化程度及含水條件等諸多因素的控制;軟岩一般破碎、風化程度高，浸水狀態時，強度低，反之，則強度和模量都較大。
⑧ 沉積特徵與岩石力學參數相關性
6.3.1 沉積特徵與岩石力學性質的關系
沉積岩的沉積特徵對其力學性質、岩石變形、井下頂板支護對策的研究均具有重要意義，下面以兗州煤田為例從幾個不同方面進行分析。
1) 兗州煤田主採煤層頂板岩性主要為砂岩、粉砂岩、泥岩和粘土岩，岩性不同，岩石力學性質差異很大 ( 表6.10，表6.11) 。同一岩性層的抗壓強度變化范圍也很大，例如同是細砂岩，由於礦物成分比例、膠結物成分、膠結類型不同，其抗壓強度有很大變化。一般情況下砂岩顆粒由大到小，岩石力學強度表現為由高到低。據不完全統計，泥岩、頁岩為不穩定頂板的占 67%。而砂岩、石灰岩則幾乎都為穩定型頂板。粉砂岩和砂質泥岩類則多為中等穩定頂板。
表6.10 不同岩性的抗壓強度
表6.11 含煤岩系岩石力學強度類型
2) 不同岩性的組合關系也顯示有不同的岩石力學性質。
·煤層 - 老頂砂岩組合，頂板結構為全硬型或為性質相近的堅硬岩層，具有下硬上軟型結構，這種組合的頂板岩石強度高，較穩定，不易垮落，屬穩定型頂板 ( Ⅰ級) 。
·煤層 - 泥岩 - 老頂砂岩組合或煤層 - 粉砂岩 - 老頂砂岩組合，頂板結構為下軟上硬型結構，這種組合的頂板岩石力學強度次之，軟岩層較易垮落，老頂砂岩穩定，屬中等穩定型頂板 ( Ⅱ級) 。
·煤層 - 泥岩 - 粉砂岩 - 老頂砂岩或煤層 - 粉砂岩 - 泥岩 - 老頂砂岩組合，頂板結構為下軟上硬型結構，這種組合的頂板岩石力學強度更低，下部軟岩層極易垮落，直接頂分層厚度較薄，不同岩性層之間形成層理弱面，當頂板懸空時，沿層理面易出現離層而發生頂板冒落。分層越多，其頂板的整體性越差，頂板越不穩定。這種組合的頂板岩石力學性質較弱，屬不穩定型頂板 ( Ⅲ級) 。
3) 對沉積岩而言，岩石碎屑之間憑借膠結結構連接在一起，形成固結岩石，因而其力學性質除與碎屑顆粒的礦物成分有關外，也與膠結作用和膠結類型等因素相關 ( 表6.11) 。膠結作用是碎屑沉積物轉變為碎屑岩的主要成岩作用，膠結物的成分和膠結作用方式對岩石力學性質有極其重要的影響。碎屑岩中常見的膠結物有硅質、鈣質、鐵質和粘土質等，這些物質通過成岩階段的重結晶、膠體的脫水陳化、成岩自生礦物的形成等方式把鬆散的碎屑膠結起來。試驗結果表明，硅質膠結、鐵質膠結的碎屑岩強度最高，抗水性強; 鈣質膠結的碎屑岩，強度高，但易被水溶解; 泥質粘土質膠結的碎屑岩強度最低，抗水性弱，易泥化和軟化。
表6.12 東灘煤礦 4305 -1 運輸順槽頂板岩樣測試結果
續表
從表6.12 中的數據也可以看出，同是細砂岩，抗壓強度有不同數值，最大者67.8MPa，最小者為 44.6MPa，經研究發現，抗壓強度高的砂岩屬於硅質膠結，裂隙不發育，即使有少量節理存在，一般被礦物質充填; 抗壓強度低的砂岩為泥質膠結，存在大量裂隙、各種層理及生物碎屑。
6.3.2 測井曲線特徵與岩石力學性質的關系
測井資料不僅可以定量分析個別點的岩體強度，而且可以確定所測井段的岩層強度，這對於查明較薄的軟弱層是很有意義的。根據測井曲線的突向不同，可以反映岩性在垂向的變化規律，但是所確定的同一岩層，在測井曲線上所表現的並不是一條平直的光滑直線，而是有一定規律彎曲的，說明同一岩層的不同位置具有不同的物理力學性質，曲線的彎曲可以是沉積方面或構造方面作用產生的結果。
利用視電阻率曲線間接獲得岩石抗壓強度的主要原理是: 在沉積岩表面往往吸附離子形成 「電偶層」，外層離子在外電場作用下形成電流，增加了岩石的導電能力，根據一般造岩礦物的溶解度情況，當岩石顆粒變細時，特別是在地層水礦化度較低的情況下，有一部分礦物水解，使溶液中離子數目增加，岩石的電阻率降低，岩石顆粒間的膠結物不同也影響電阻率的高低。例如在其他條件不變的情況下，硅質膠結比泥質膠結的砂岩電阻率高。另外，岩石的孔隙度增大也會使岩石的視電阻率降低。因此，用視電阻率測井曲線可以間接測定岩層的力學性質。
自然伽馬曲線形態特徵可以從下面幾個方面分析。
1) 曲線的幅度是測井曲線形態的重要特性之一，它可以反映出沉積體的粒度、分選性及泥質含量等沉積特徵的變化，再把沉積性質與力學性質相結合。粗粒沉積物是高能環境中的產物，一般具有低自然伽馬值; 細粒沉積物是低能環境中的產物，一般具有高自然伽馬值，根據自然伽馬曲線幅度的變化，可以了解環境能量的變化。
2) 曲線形態，反映沉積過程中物源供應與水動力條件等的沉積特徵。單層砂岩的頂、底部測井曲線形態，一般可分為漸變型和突變型兩大類，反映砂岩沉積初期、末期的物源與水動力條件。
3) 曲線的次級形態如曲線光滑程度與水動力條件對沉積物改造持續時間的長短有關。曲線光滑，說明沉積時水動力作用強、時間長; 若曲線鋸齒多，則說明沉積時水動力作用弱、時間短。一般測井曲線的鋸齒形態有 4 種類型，即箱形、鍾形、漏斗形和菱形( 圖6.10) 。
圖6.10 測井曲線主要形態
6.3.2.1 兗州煤田測井特徵
兗州煤田進行煤田開采時，進行了大量的測井，本次研究重點以兗州煤田為例，對其測井曲線所反映出的岩石力學特徵進行研究。
由圖6.11 可以看到在井深 559.20m 處有一層厚 13.9m 的粗砂岩，視電阻率曲線表現為砂層上部兩個高峰值，砂層下部出現低值段。通過具體分析表明，粗砂岩的上部石英含量高，緻密堅硬，裂隙很少發育，孔隙度亦較低，岩體力學強度高，因此視電阻率值高;砂層下部長石含量增加，裂隙發育，岩體切割，力學性質相對上部減弱，視電阻率亦隨之降低。自然伽馬曲線也能反映上述特點，特別是在砂層低部裂隙的出現，使岩體強度降低，自然伽馬曲線對應出現高峰值。
由圖6.12 可以看到，在孔深 542.65m 處有一層厚 13.6m 的中砂岩，視電阻率曲線表現為多個峰值，說明岩性分布不均一。當視電阻率處於低峰，伽馬曲線表現為高峰值時，對應的中砂岩岩層的沉積環境為低能狀態，水動力條件較弱，沉積的細粒物質較多，泥質含量高，岩層表現為弱力學性質，而且局部發育的裂隙也導致岩體強度降低，使測井曲線峰值不斷變化。
圖6.13 和圖6.14 也可以用類似方法分析頂板各分層的力學性質，利用視電阻率曲線特點，結合伽馬曲線分析、測定岩層的強度特徵。
6.3.2.2 龍固井田
龍固井田為魯西南地區新發現大煤田，本次研究對之進行了分析，有利於煤田勘探的進行與研究。
由圖6.15 可以看出，L -2 號孔 798.60～802.30m 處粉砂岩為緩波狀層理，均一，充填黃鐵礦，抗壓強度較高，為104.4MPa; 至780.05～782.13m 層段粉砂岩呈參差狀斷口，含煤線，單軸抗壓強度較低，為 67.2MPa。圖6.16 中 L -21 號孔 967.87～971.40m 層段細砂岩具沖刷構造，夾粉砂岩包裹體及薄層，以石英為主，次為長石，具裂隙，充填方解石及黃鐵礦。抗壓強度較低，為 42.4MPa; 981.89～955.80m 處細砂岩以石英為主，其次為泥質岩屑，含較多暗色礦物，夾煤線及黃鐵礦薄層，發育高角度裂隙，抗壓強度較高，為 135.2MPa。
圖6.11 鮑 2002 -2 號孔柱狀圖及測井曲線
圖6.12 鮑 2002 -3 號孔柱狀圖及測井曲線
圖6.13 東灘補 33 號孔柱狀圖及測井曲線
圖6.14 興隆庄生 18 號孔柱狀圖及測井曲線
⑨ 力學強度理論問題
當研究岩石破碎問題時，可藉助力學分析任何部位的受力情況。當岩石單向受力內，其強度條容件可以直接通過實驗求得，通常採用單位斷裂面上受力的極限——極限強度，來表示斷裂的條件。但地下的岩石往往處於三向的復雜應力狀態，即σ1、σ2、σ3有許多不同的組合，都可能使岩石破壞。當然不可能把岩石的各種可能的應力組合（有無窮種）統統事先測量一遍，得出相應於各種情況的岩石強度數值來。因此，為了簡化，得找出岩石破壞的共同原因（主要原因），這就是強度理論要討論的問題。
由於對破碎的認識不同和觀察研究的角度不同，目前有多種強度理論。此外，由於岩石千變萬化，大多數理論計算值僅是一個近似解。
大體上分，物體破壞時有兩種不同現象：「滑移」和「斷裂」。對這兩種破壞形式在理論上也就分成兩大類。
塑性材料常呈滑移破壞。滑移線跡和剪應力方向大致吻合。而脆斷面則常常和正應力方向相垂直，破碎時沒有明顯的殘余變形。岩石由於是不均勻質體，其破壞類型就比較復雜，絕不是「滑移」和「脆斷」兩種類型能全面概括的：如在壓頭的下方，炸葯的鄰近，岩石被擠成粉末狀破碎；如岩石和工具的磨蝕等現象，也難以歸入上述兩種破壞類型。
⑩ 影響岩石力學性質的因素
(一)圍壓
設地殼深部一岩塊與地表距離為，上覆岩層密度為ρ，重力加速度為g，則該岩塊受上覆岩層的壓力為σz。在σz的作用下，岩塊有水平方向擴張的趨勢，但由於圍岩的制約，不允許橫向擴張，即ex=ey=0，因此，水平方向的壓應力σx=σy。則有：
構造地質學(第二版)
式中：μ為泊松比。在地殼深處，岩石處於高溫、高壓狀態，延性明顯增加，應力差減小。當μ=0.5時：σx=σy=σz=ρgz，τxy=τxx=τyz=0。此時岩石處於靜水壓力狀態。
帶有圍壓的岩石力學實驗是將圓柱形試件放在密封壓力室內，四周用油或氣體施加圍壓σ2=σ3，由活塞施加軸向載荷σ1。以σ1-σ3為縱坐標，以應變ε為橫坐標，即可繪制出應力-應變曲線。
在不同圍壓下進行的大理岩三軸實驗表明(圖3-31)，隨著圍壓增加，岩石彈性極限增大，延性增強，強度及破壞前的應變增大。但岩石類型不同，所受影響的程度不同。
圖3-31 大理岩在不同圍壓下應力-應變曲線
(據Karman，1912)
對碳酸鹽類岩石及砂岩來說，圍壓對彈性極限的影響較小，對延性影響較大。例如，Carrara大理岩(圖3-31)在圍壓為零時呈現脆性，在應變小於1%時即發生脆性破裂；當圍壓增加到50MPa時出現脆-延性過渡狀態；當圍壓達68.5MPa時則出現明顯的延性流動。
對大部分硅酸鹽類岩石來說，圍壓的加大將使彈性極限有顯著提高，但破裂前的永久變形量提高不大。玄武岩和花崗岩在室溫下脆-延性轉化的圍壓為1000MPa，而石英岩在2000MPa時仍為脆性。
圍壓對岩石力學性質影響的原因在於圍壓增加使固體物質質點彼此靠近從而增加了岩石內聚力。
(二)溫度
在地殼常溫層以下，溫度隨深度的增加而增加。估計地殼底部溫度可高達1100～1300℃。因此，在研究地殼岩石變形時必須考慮溫度因素。
在固定圍壓、不同溫度條件下進行的岩石力學實驗表明，溫度升高可降低岩石的彈性極限和強度，促進岩石的延-脆性轉化。
圖3-32是花崗岩在500MPa圍壓、各種溫度下的應力-應變曲線。在室溫情況下花崗岩是脆性的；在300℃時已產生顯著的永久變形；在800℃時幾乎是完全延性的。
圖3-32 花崗岩在500MPa圍壓各種溫度下應力-應變曲線
(據Griggs et al.)
溫度還可以促進蠕變和鬆弛現象的發生和發展。
溫度升高產生延性的原因是由於在高溫條件下岩石內部分子的熱運動增強，因此削弱了岩石的內聚力，使晶粒容易產生滑移。
(三)孔隙液壓
地殼的岩石中含有各種原生或次生的孔隙或裂隙。對結晶岩石來說，原生孔隙或裂隙往往存在於礦物顆粒接觸面間或礦物內部(如氣、液包裹體)，沉積碎屑岩的孔隙存在於碎屑顆粒之間。人們用孔隙率表示岩石中孔隙的多少：
構造地質學(第二版)
式中：n為孔隙率；Vv為岩石中孔隙的體積；Vs為不含孔隙岩石的體積。一般情況下，砂的孔隙率為40%，Handin et al.(1963)給出Berea砂岩的孔隙率為18.2%，Repetto粉砂岩的孔隙率為5.6%，Hasmark白雲岩的孔隙率為3.5%。
如果岩石的孔隙中含有水，在成岩過程中孔隙縮小將造成孔隙內的液體對礦物顆粒產生一種壓力，這種壓力與礦物表面垂直，稱為孔隙液壓。根據石油、天然氣開發的實際資料，孔隙液壓隨著岩石埋藏深度的增加而增加，但並非呈簡單的線性關系，在一定深度上兩者趨近相等。設λ=孔隙液壓/圍壓，則隨著深度增加，λ→1。
由於孔隙液壓與礦物顆粒表面垂直，所以將直接減緩圍壓的作用。設圍壓為P，孔隙液壓為Ps，則有效圍壓Pe=P-Ps。因此孔隙液壓對岩石力學性質的影響與圍壓相反：它使岩石的延性、強度和彈性極限降低，脆性增加。
圖3-33是印第安納石灰岩在68.950MPa圍壓條件下不同孔隙壓力時的應力-應變曲線。當孔隙壓力為0時(曲線⑦)，在實驗的高圍壓當孔隙壓力為0時(曲線⑦)，在實驗的高圍壓情況下灰岩的彈性極限及強度很高，並出現應變硬化；當孔隙液壓與圍壓相等時(曲線①)，由於孔隙液壓與圍壓抵消，應力-應變曲線與單軸實驗相同；當孔隙液壓小於圍壓時，應力-應變曲線介於曲線①和⑦之間。從圖3-33中可以清楚看出，隨著孔隙液壓增高，石灰岩彈性極限、強度及延性變形迅速減小。
圖3-33 印第安納石灰岩的應力-應變曲線
(據Spencer，1981)
圍壓68.950MPa；孔隙壓力：①68.950MPa，②65.055MPa，③55.160MPa，④41.370MPa，⑤34.475MPa，⑥27.580MPa，⑦0MPa
孔隙中的流體對變形的另一種作用稱為水弱化作用。如不含水石英在500MPa圍壓下500℃時可承受3500MPa應力，當含水量為0.1%時，同等條件下的強度僅為100～200MPa。
(四)時間
時間對岩石力學性質的影響是多方面的。如快速加力岩石可表現脆性變形，緩慢加力脆性物質也能出現塑性變形。又如，當多次、重復加力時，在沒有達到岩石強度極限的情況下可使岩石發生脆性破壞。或者說，多次重復加力可以降低岩石的破壞強度(圖3-34)。當在重復加力情況下破壞應力降低到某一極限值時，如繼續降低應力，無論重復加力多少次也不能引起岩石破裂。該極限值稱為疲勞極限。
圖3-34 某金屬耐力曲線
(據M.P.Billings，1972)
在地質構造的應力-應變解析中，時間對岩石變形的影響主要體現在應變速率、蠕變和鬆弛三個方面。
1.應變速率
應變速率是指單位時間內應變的變化量：
構造地質學(第二版)
式中：
圖3-35 500℃，500MPa條件下Yule大理岩在不同應變速率下的應力-應變曲線
(據Heard，1963)
隨著應變速率降低，岩石強度降低，彈性極限下降，塑性變形增加。圖3-35是500℃，500MPa條件下不同應變速率時Yule大理岩應力-應變曲線。從圖中可以看出，在應變速率為4.0×10-1/s時，182MPa應力才可以產生10%的應變；應變速率為3.3×10-8/s時，小於45MPa的應力即可產生10%的應變。
一般認為，地殼緩慢運動的應變速率
構造地質學(第二版)
式中：E為擴散激活能；R為Bolzman氣體常數；T為絕對溫度；A為具有應變速率量綱的實驗常數；σ為應力差；f(σ，t)是與溫度和應力差有關的常數。
2.蠕變
蠕變是指岩石在恆定載荷作用下應變隨時間緩慢增長的現象。在地殼變形過程中，時間以百萬年計，因此蠕變現象是重要的。盡管實驗室實驗中很難模擬如此長時間內的蠕變變形，但可以充分顯示時間對岩石變形的影響。
圖3-36是索倫霍芬石灰岩蠕變實驗曲線。該石灰岩在室溫常壓下，強度為251.06MPa。在長期實驗中，在恆定137.30MPa壓力作用下即發生變形：第一天縮短0.006%，10天後縮短0.011%，100天後縮短0.016%，400天後的縮短量超過0.019%。
典型蠕變曲線由三部分組成(圖3-37)：①過渡蠕變階段(AB段)，應變速率在該階段隨時間遞減，達到B點時應變速率最小，如果在該階段卸載應變恢復為零；②穩定蠕變階段(BC段)，應變速率保持常量，如果在該階段卸載，將保留一部分永久變形；③加速蠕變階段(CD段)，應變速率隨時間增加，達D點時岩石發生破壞。
圖3-36 索倫霍芬石灰岩在恆定應力下的蠕變曲線
(據Griggs，1939)
圖3-37 典型蠕變曲線
蠕變的應變以下式表示：
εt=εe+εⅠ(t)+εⅡ(t)+εⅢ(t) (3-38)
式中：εe為瞬時彈性應變；εⅠ(t)、εⅡ(t)和εⅢ(t)分別為過渡蠕變、穩定蠕變和加速蠕變。
蠕變受溫度的影響很大，溫度升高使蠕變容易發生並使蠕變速率加大(圖3-38)。
蠕變也受應力控制。圖3-39是在不同載荷下雪花石膏的蠕變曲線。曲線表明：應力越大，穩定蠕變持續時間短，變形迅速進入加速蠕變階段。
圖3-38 不同溫度條件下蠕變曲線
(據A.H.Sully，1949)
圖3-39 不同載荷下雪花石膏的蠕變曲線
(據Griggs，1940)
圍壓不同蠕變數也有很大變化：隨著圍壓增加蠕變變形減小。
3.鬆弛
鬆弛是指應變保持不變時隨著時間應力逐漸減小的現象。
蠕變、鬆弛和應變速率共同說明時間對岩石變形的意義。在以百萬年為時間單位的地質歷史時期中，時間因素對岩石變形的影響是巨大的。
(五)外力作用方式
外力作用方式不同，岩石的力學行為也不同。在張力的作用下岩石容易發生脆性破裂，在同等環境的壓縮條件下，岩石則顯示延性(圖3-40)。
圖3-40 圍壓為300MPa、在不同溫度條件下索倫霍芬石灰岩在拉伸或壓縮下應力-應變曲線
(據Spencer，1981)
索倫霍芬石灰岩的拉伸和壓縮實驗表明：外力作用方式不同，灰岩的脆延性轉化的條件不同，拉伸時脆性轉化為延性所需溫度遠遠大於壓縮時的轉化溫度。在400℃、300MPa圍壓的壓縮條件下，已發生脆延性轉化，在此條件的拉伸情況下灰岩仍為脆性變形。