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1、第五章,岩石力学性质,第一节,岩石力学性质的基本概念,第二节,影响岩石力学性质的因素,第三节,岩石的能干性,第四节,岩石变形的微观机制,第五节,岩石断裂准则,（一）弹性变形：外力解除后，岩石能恢复原有形状和大小,的变形,（二）塑性变形：外力解除后，岩石不能恢复原有形状和大,小的变形,（三）断裂变形：外力达到强度极限时，岩石失去完整形状，,并产生破坏现象的变形。,*,强度极限,在外力作用下固体物质抵抗破坏的能力,（抗破能力）,（四）脆性变形：在破坏前不出现或很少出现塑性变形的变,形。,（五）韧性变形：在破坏前出现了显著塑性变形的变形。,第一节,岩石力学性质的基本概念,三轴应力条件下的岩石力学实验
2、,第一节,岩石力学性质的基本概念,三,轴压,力机,常,规,三,轴实验,1.,岩石变形强度的图解表示法,应力应变曲线,第一节,岩石力学性质的基本概念,2,、岩石变形行为,?,弹性变形,?,塑性变形,?,破裂变形,?,流动变形,1,）弹性变形：胡克定律,?,=Ee,其中：,E,为弹性模量或杨氏模量，,e,为应变量。,变形特征：,象弹簧一样发生变形。当应力,消失后，材料完全复原到未变形状态。,胡克固体或线弹性体,2,）塑性变形,?,y,为屈服应力。,变形特征：,产生永久,变形，当应力消除后,部分复原，大部分保,留变形时的状态。,?,y,3,）断裂变形,同一岩石的强度，在不同方式的力的,作用下差别很大
3、。,常温常压下岩石表现为脆性破裂,高温高压下岩石表现为韧性变形,4,）流动变形,变形特征：,象牛顿流体,（蜂蜜体）一样发生流,动变形，应力越大，流,动越大；应力消除，流,动停止，但不能复原到,未变形时的状态。,牛顿粘性定律,(,线粘性定律,),?,=,?,其中，,?,为粘性系数，,?,分别为剪应变速率。,?,?,?,.,.,牛顿流体或线粘性流体或纯粘性流体,第二节,影响岩石力学性质的因素,物质组成,结构、构造,各向异性,围压,温度,孔隙应力,时间：应变速率、蠕变与松弛,1.,成分：,玄武岩、石英岩,弹性,灰岩、泥灰岩,弹塑性,泥岩、页岩,塑性,一、岩石本身的影响因素,2.,结构：,粗粒,强度,
4、小,细粒,强度,大,3.,构造：,层状,在变形过程中具,各向异性,变形特点,非层状,在变形过程中具,各向同性,变形特点,一、岩石本身的影响因素,二、各向异性对岩石力学性质的影响,同一岩性的岩石由于,层理或次生面理,的发,育，造成岩石力学性质的各向异性。,?,如：层状岩石受压形成褶皱，块状则不易,形成褶皱。,三、围压对岩石力学性质的影响,?,在,低围压,下，岩石表现为,脆性,，在弹性变形或发生少量的塑性变形后立即破坏；,?,在,围压超过,20MPa,时，在宏观破裂之前所达到的应变增加的非常明显，岩石表现为,韧性,；,?,随着围压的增高，岩石的屈服极限、强度和韧性也大大提高。,增大温度，岩石的韧性
5、增大，屈服极限降低,四、温度对岩石力学性质的影响,孔隙流体对岩石力学性质的影响表现在,2,个方面：,1.,岩石中富含流体时，使岩石强度降低；孔隙流体促进矿,物溶解和重结晶，促进岩石塑性变形。,五、孔隙流体对岩石力学性质的影响,对变形起作用的是有效围压（,P,e,）,2.,产生孔隙流体压力效应。,P,e,=P,c,-P,孔隙压力增大有效围压降低岩石强度降低。,1.,应变速率,六、影响岩石力学性质的时间因素,1,）高速,脆性破坏：陨石碰撞、地震,2,）低速,韧性破坏：山脉,2,蠕变：在,恒定应力,作用下，应变随时间增加而,持续增长的变形。,1,）短期作用,不见效果；,外力恒定,滴水穿石,2,）长期
6、作用,可见显著影响；,3,松弛：在,恒定变形,情况下，岩石中的应力随时,间不断减小的现象。,第一期（瞬时蠕变阶段）,：延迟,的弹性蠕变。撤出应力,t,1,：不完,全弹性恢复,-,减速的恢复,-t,2,（弹,性后效现象）,第二期（稳态或假粘性蠕变）,：,应变速率接近于常量，塑性流变。,t,3,撤出应力,-,瞬时的和延迟的弹性,恢复后,t,4,-,永久变形。,第三期（加速蠕变阶段）,：应变,速率增加，材料破坏。,蠕变：,松弛：,部分变形成为永久变形，降低了岩石的弹性极限。,第三节,岩石的能干性,?,能干性：用来描述岩石变形行为相对差异。,?,能干的：强的、粘度大的、不易流动的,?,不能干的：弱的、
7、粘度小的、易流动的,岩石能干性,?,反映岩石变形程度的差异，近似可以用粘度的大小来说明。,岩石能干性差异估测：,前提：在相同的构造变形环境下：,?,1.,有限应变状态的对比,?,2.,劈理折射的对比,?,3.,香肠构造的对比,?,4.,褶皱形态的对比,?,5.,流变计,强弱相间的岩层中,强硬层中的劈理和软弱层中的劈理以,不同角度与层理相交，强硬层中为间隔劈理，与层理交,角较大；软弱层中为连续劈理，与层理交角较小。,劈理折射,矩形石香肠,尖圆褶皱沿软硬岩层界面纵弯作用的不稳定性使,强硬物质,向软,弱物质偏移，造成具较大波长的,圆滑褶皱,；而由,软弱物质,向强,硬物质偏移形成较小波长的,尖顶褶皱,
8、，楔入强硬岩石中。,尖,-,圆褶皱,第四节,岩石变形的,微观,机制,?,脆性变形机制,微破裂作用、碎裂作用、碎裂流,?,塑性变形机制,晶内滑动、位错滑动、位错蠕变,一、微破裂作用、碎裂作用、碎裂流,1.,微破裂：应力集中,因素：,不同热膨胀系数的矿物组成的岩石经历温度的,变化；,变化过程中相邻颗粒点接触部位的相互楔入；,矿物包裹体或空隙尖端受应力作用；,颗粒内的位错和双晶运动不足以调节应变；,相对摩擦滑动和刚体转动,岩石碎块进一步破裂和细粒化,宏观破裂,微破裂,高度破碎的岩石碎块、粉晶集合体,微破裂作用、碎裂作用、碎裂流,2.,碎裂作用：,岩石破裂成碎块,3.,碎裂流：,差应力足够大，重复破碎
9、,应力作用下,围压条件下,压力增大时,二、晶内滑动和位错滑动,1.,晶内滑动：,晶体沿某一滑移面的一定方向滑移。,?,滑移面：原子或离子的高密度面。,?,滑移方向：滑移面上原子或离子排列最密集的方向。,2.,位错,三、位错蠕变,?,高温下，当,T0.3Tm,（,Tm,为熔融温度），位错,从一个滑移面攀移到另一个滑移面。,动态重结晶作用：形成细小的新颗粒，,即核幔构造,四、扩散蠕变,?,扩散蠕变,是通过晶内和晶界的,空位运动,和,原子运动,来改变,晶粒形状的一种塑性变形机制。,?,空位和原子迁移的途径：,沿颗粒内部晶格迁移,体积扩散蠕变,（纳巴罗,-,赫林蠕变）,沿颗粒晶界迁移,晶界扩散蠕变,（
10、柯勃尔蠕变）,蠕变过程无流体参与，也称固态扩散蠕变。,五、溶解蠕变,?,溶解蠕变：也称压溶，有流体参与的塑性变形过程。,?,被溶出物质：同构造脉、须状增生晶体、压力影构,造、迁出体外。,?,在不变质或浅变质岩区显著。,六、颗粒边界滑动,?,颗粒边界滑动：通过颗粒边界之间的,调整来调节岩石总体变形的一,种变形机制。,?,如：装满砂子的橡皮口袋。,颗粒边界滑动：,T0.5T,m,，扩散速率能够,及时调节由于晶粒相互滑,动产生的空缺或叠复,超塑性流动。,第五节,岩石断裂准则,?,断裂：,由于外力作用在物体中产生的介质不,连续面。,?,产生的因素：,应力状态，即临界应力状态或极限应力状态；,材料力学性
11、质。,?,断裂准则或断裂条件：,在极限应力状态下，,各点极限应力分量所应满足的条件。,实验岩石学研究表明：,?,当所施加的应力强度等于或超过岩石抗,张强度或抗剪强度极限时，岩石体就发,生,断裂变形,。,?,破裂方式：一组张性破裂面和两组剪性,破裂面。,?,剪裂角,：剪裂面与最大主压应力轴之间,的夹角。,剪,裂,面,与,最,大,主,压,应,力,轴,之,间,的,关,系,一、水平直线型莫尔包络线理论,（库伦断裂准则,）,?,莫尔包络线：,材料破坏时的各种极限应力状,态应力圆的公切线。（破坏曲线）,?,判别条件：应力圆与莫尔包络线相切，破裂,特例：水平直线型破坏曲线,剪裂角：,=45,，共轭断裂夹角：
12、,2=90,二、斜直线型莫尔包络线理论,（库伦,-,纳维叶断裂准则）,岩石发生剪裂时：,剪裂角大小取决于,岩石变形时内摩擦,角的大小。,?,大部分岩石的剪裂角在,30,左右。,三、抛物线型莫尔包络线理论,（王维襄断裂准则）,方程：,主应力：,剪裂角：,或,三、抛物线型莫尔包络线理论,（王维襄断裂准则）,剪裂角与,及各点的,应力状态有关。,从野外地质调查与室内物,理模拟实验结果来看：王,维襄断裂准则更接近实际,断裂情况。,四、格里菲斯断裂准则,（抛物线型）,剪裂的发生与岩石中原有随机分布,的微细张性裂隙相关，是初始微细张裂,在扩张过程中逐渐趋于定向排布，并最,终贯通形成剪裂结果。,由实验观察到的花岗岩破坏过程示意图,(A),、,(B),初始张裂隙的出现；,(C),、,(D),在更强的差应力作用下初,始张裂隙发展为强裂的剪切应变带，形成岩石的剪切破裂。,（图的上下方向为最大主压方向）,?,n,?,n,2T,0,其中：,T,0,为单轴抗张强度。,
