岩石變形（deformation of rock）岩石在外力或其他物理因素（如溫度、濕度）作用下發生形狀或體積的變化。不僅小的岩塊，就是整個地殼岩體在力的作用下也會不斷變形，地殼目前的蠕變速率一般為10-16/秒，西藏高原和喜馬拉雅山以每年幾厘米的速率上升。地殼變形急劇的地方會產生斷層、褶皺等。工程岩體往往因為變形過大，導致失穩。因此岩石變形特性是岩石力學研究的重要內容之一。研究的重點是岩石的應力－應變－時間關係。中國學者在岩石變形，尤其是岩石流變研究方面起步較早，占有重要地位。
基本介紹
- 中文名：岩石變形
- 外文名：deformation of rock
- 原因：外力或其他物理因素
- 類屬：物理學科
- 地殼蠕變速率：10-16/秒
特性,流變和擴容,彈性和塑性,岩塊的變形,岩體的變形,影響因素,試驗研究,參考書目,
特性
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-時間關係）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係，必須套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係和應力-應變-時間關係以及相應的變形參數，如彈性模量、變形模量、泊松比、彈性抗力係數、流變常數等。
流變和擴容
在應力作用下，岩石中的微觀和巨觀結構的滑移、位錯、形變都遵循隨時間而變化的規律，因此岩石是一種流變體。岩石流變主要包括兩個內容，即蠕變和鬆弛。在恆定的應力作用下，岩石的變形隨時間不斷增長的現象稱為蠕變。在恆定的應變條件下，岩石中的應力隨時間而減少的現象稱為鬆弛。在外力超過一定的強度（即長期強度）以後，岩體會喪失穩定性，因此工程上必須研究建築物的長期穩定性。目前，國內外很重視對岩石的流變研究。
岩石擴容是指在偏應力作用下，當應力達到某一定值時，岩石的體積不但不縮小反而增大的一種力學現象。例如在地震前，震中附近地殼表面的岩體發生膨脹，就是一種擴容現象。另外,在膨脹岩中開挖地下工程時,圍岩向內移動和產生破壞就是由於岩石的吸水膨脹和在偏應力作用下產生擴容的綜合作用造成的。近年來，擴容已成為岩石力學研究的主要課題。
彈性和塑性
一般認為，在外力除去以後，岩石恢復到受力前的體積和形狀的變形叫岩石的彈性變形，不能恢復的叫塑性變形(又稱永久變形或殘餘變形)。岩石的總變形應視為彈性變形和塑性變形之和。試驗表明，大多數岩石在載入過程中,應力-應變呈非線性關係，在卸載（即使是荷重很小的卸載）過程中，也會出現不可逆的塑性變形。
岩塊的變形
通常是將岩塊置於單軸壓縮條件下進行試驗,以獲得它的變形性質。圖1是粉砂岩的試驗結果，其中AB和A′B′為20小時內的蠕變曲線。用普通壓力機,只能得到岩樣破壞以前的應力-應變(或變形)關係曲線，用近年研製成的“剛性壓力機”還可得到破壞後的資料。利用這些試驗結果,可以研究岩樣的應力-應變全過程，闡明破壞機理和變形特性。
圖1 粉砂岩單軸抗壓實驗的應力－變形曲線天然岩體常處於三向應力狀態，因此也常在室內用三軸試驗來研究周圍壓力對岩石變形的影響。試驗表明，在圍壓較低的情況下，岩石往往呈脆性破壞，變形較小。圍壓超過一定程度以後，岩石表現出塑性流動性質，變形較大。
一般岩塊由於包含的裂隙少,在同樣受力條件下,所得變形遠較裂隙岩塊的變形小。對於工程設計，一般套用野外岩體試驗所得的變形參量。
岩體的變形
現場岩體的變形主要受岩體中包含的各種地質界面即結構面的控制，另外岩體中的應力也對變形有重要影響。當岩體承載時，變形的大部分表現為結構面的閉合和沿結構面的滑動，堅硬岩塊本身的變形僅占次要地位。因此岩體的應力－應變關係曲線也遠較岩塊複雜。據研究，在現場載入條件下，典型的岩體應力-變形曲線（即σ-W曲線）如圖2所示。圖中I線為應力和變形呈線性關係;Ⅱ線表明載入的前一階段為裂隙閉合階段，後一階段可視為線性關係；Ⅲ線說明在壓力作用下，岩體逐漸屈服；Ⅳ線與Ⅱ線相似；Ⅴ線與Ⅲ線相似；Ⅵ線表示在較小的應力作用下，岩體出現負變形，是其中封閉應力釋放的結果。
圖2 幾和典型的岩體應力-變形曲線岩體的卸載變形主要表現在開挖地下洞室時圍岩的回彈和鬆動。在岩體中挖洞時，由於原來岩體的受力狀態發生變化，巷道周圍的岩體即圍岩會產生回彈區（圍岩應力釋放所涉及的範圍）和鬆動區（圍岩鬆動所涉及的範圍）（圖3）。當其他條件相同時，地下工程的側牆往往會形成塑性楔體，首先向內變形或破壞，進而危及整個圍岩的穩定性。岩體在卸載作用下的變形規律目前仍研究得不夠深透。對於地下工程，常在現場布置儀器觀測圍岩變形與時間的關係。
圖3 巷道開挖後圍岩的回彈區和鬆動區影響因素
岩石變形除有時間效應外，濕度、溫度等對岩石的變形也有影響。濕度的影響一方面表現在隨含水量的增加,強度降低,變形加大，更重要的是某些含親水性礦物的岩石遇水後會產生膨脹變形和膨脹壓力，給工程帶來危害。溫度的影響主要表現在高溫條件下，岩石可產生很大的塑性變形。此外，應力施加速率、載荷性質（如動載荷或靜載荷）等也對岩石的變形有影響。
試驗研究
可在室內和野外進行試驗和監測。室內試驗一般用單向壓縮或三向壓縮的方法進行。往往與岩石強度試驗一起進行。野外試驗有多種方法，如承壓板法、水壓法、 鑽孔膨脹計法等。 各種方法的實質都是：在不同條件下,向岩石載入,然後測定相應的變形和變形隨時間的變化,即可獲得應力-應變關係或應力-應變-時間關係曲線以及相應的變形參量。無論在室內或野外，還可以用動力法，即通過測定地震波或聲波在岩石中的傳播速度來換算彈性常數。對於各向異性岩體和破碎岩體可用聲波法探測其結構。
對於工程岩體，通常在建築物地基、地下工程圍岩以及邊坡內埋置各類儀器，對岩石的變形進行長期觀測和監控。對於地殼岩體可用遙感和大地測量的方法，研究其變形規律。
參考書目
陳宗基：地下巷道長期穩定性的力學問題，《岩石力學與工程學報》，Vol.1, No.1, 1982。
米勒主編，李世平等譯：《岩石力學》，煤炭工業出版社，北京，1981。(L.Müller, ed., Rock Mechanics),Springer-Verlag,Wien,1974.)
