第四講巖石力學(xué)性質(zhì)基本概念1次

1、第四講第四講 巖石力學(xué)性質(zhì)巖石力學(xué)性質(zhì)基本概念：基本概念：彈性彈性 塑性塑性 脆性脆性 韌性韌性 彈彈塑塑性性 理想理想流體與流體與粘性流體粘性流體 應(yīng)力與應(yīng)變之間的關(guān)系應(yīng)力與應(yīng)變之間的關(guān)系 虎克定律虎克定律 蠕變和蠕變和松弛松弛 位錯(cuò)位錯(cuò) 壓溶壓溶 斷裂準(zhǔn)則斷裂準(zhǔn)則知識(shí)要點(diǎn)：知識(shí)要點(diǎn)：、巖石力學(xué)性質(zhì)的基本特點(diǎn)。巖石力學(xué)性質(zhì)的基本特點(diǎn)。、巖石力學(xué)性質(zhì)的變化條件。、巖石力學(xué)性質(zhì)的變化條件。、控制、控制斷裂的形成與發(fā)展的主要因素（斷裂的形成與發(fā)展的主要因素（內(nèi)外矛盾的雙方內(nèi)外矛盾的雙方）。）。、斷裂發(fā)生的理論值為實(shí)驗(yàn)值存在巨大誤差的基本原因。、斷裂發(fā)生的理論值為實(shí)驗(yàn)值存在巨大誤差的基本原因。、為什

2、么說(shuō)不存在壓性斷裂？、為什么說(shuō)不存在壓性斷裂？、尋求各斷裂準(zhǔn)則之間的內(nèi)在聯(lián)系。、尋求各斷裂準(zhǔn)則之間的內(nèi)在聯(lián)系。要點(diǎn)：要點(diǎn)： 橡皮粘土蜂蜜石鹽同時(shí)下落到水泥地板上同時(shí)下落到水泥地板上,下落時(shí)的表現(xiàn)基本上是相同的下落時(shí)的表現(xiàn)基本上是相同的,它們的差別直到撞擊地板時(shí)才變得明顯它們的差別直到撞擊地板時(shí)才變得明顯.來(lái)回跳動(dòng)后來(lái)回跳動(dòng)后原狀停止原狀停止粘在地板上粘在地板上破碎并撒破碎并撒在地板上在地板上慢慢在地板上慢慢在地板上散布散布彈性彈性塑性塑性脆性脆性粘滯性粘滯性第四講第四講 巖石力學(xué)性質(zhì)巖石力學(xué)性質(zhì)1、基本概念基本概念不同的物體對(duì)應(yīng)力的反應(yīng)是不同的不同的物體對(duì)應(yīng)力的反應(yīng)是不同的,請(qǐng)看以下幾種特例請(qǐng)

3、看以下幾種特例第四講第四講 巖石力學(xué)性質(zhì)巖石力學(xué)性質(zhì)0abcd彈性變形區(qū)間 =e e（虎克定律）（虎克定律） 過(guò)c點(diǎn)后，沿下降段cd變化，但 oa區(qū)間主要表現(xiàn)為壓實(shí)作用。致密巖石沒(méi)有oa區(qū)間或很小。進(jìn)入塑性變形，部分可恢復(fù)，部分永久變形，永久變形，c點(diǎn)對(duì)應(yīng)最大壓應(yīng)力，稱(chēng)為壓縮強(qiáng)度。已發(fā)生顯著塑性變形，滑移明顯但仍保持其整體，至到 d點(diǎn)完全破裂。1 基本概念基本概念一、壓縮實(shí)驗(yàn)條件下的巖石一、壓縮實(shí)驗(yàn)條件下的巖石力學(xué)性質(zhì)力學(xué)性質(zhì)第四講第四講 巖石力學(xué)性質(zhì)巖石力學(xué)性質(zhì)r0rf(r)r0rr0rr0吸引力排斥力f(r) arm1brn1brn 1arm1fr0二、巖石力學(xué)性質(zhì)的基本特點(diǎn)二、巖石力學(xué)性

4、質(zhì)的基本特點(diǎn)1 基本概念基本概念1 基本概念基本概念巖石力學(xué)性質(zhì)巖石力學(xué)性質(zhì)三三、幾個(gè)重要幾個(gè)重要概念概念彈性：在外力作用下變形，當(dāng)外力除去后完全恢復(fù)原狀的這種性能。 具有這種性能的物體稱(chēng)為彈性體。其主要特點(diǎn)：應(yīng)力和應(yīng)變服從其主要特點(diǎn)：應(yīng)力和應(yīng)變服從 虎克定律虎克定律 =ee e：為彈性模量：為彈性模量 或稱(chēng)為或稱(chēng)為 楊氏模量楊氏模量塑性：在外力作用下立即產(chǎn)生全部變形,當(dāng)外力除去后不恢復(fù)原狀的這種 性能。具有這種性能的物體稱(chēng)為塑性塑性體。塑性塑性_韌性韌性(是指所處狀態(tài)是指所處狀態(tài),是隨條件而變化的是隨條件而變化的)彈性彈性_脆性脆性(是指所處狀態(tài)是指所處狀態(tài),是隨條件而變化的是隨條件而變化的

5、)彈塑性：具有彈性和塑性的這種性能。具有這種性能的物體稱(chēng)為彈塑性體。流體流體：分理想流體與粘性流體兩種.理想流體：流體流動(dòng)時(shí),流體內(nèi)任何截面上只出現(xiàn)壓應(yīng)力而不出現(xiàn)剪應(yīng)力。粘性流體：流體流動(dòng)時(shí)其內(nèi)任何截面上除了壓應(yīng)力外還有剪應(yīng)力。2 影響巖石力學(xué)性質(zhì)的主要因素影響巖石力學(xué)性質(zhì)的主要因素1、巖石的各向異性的影響、巖石的各向異性的影響 2、圍壓的影響（增強(qiáng)巖石塑性、提高巖石彈性極限和強(qiáng)度極限）、圍壓的影響（增強(qiáng)巖石塑性、提高巖石彈性極限和強(qiáng)度極限）增大圍壓，巖石的強(qiáng)度和韌性增大增大圍壓，巖石的強(qiáng)度和韌性增大3、溫度的影響、溫度的影響增大溫度，巖石的屈服極限降低，彈性減弱，塑性增大，易于變形。增大溫度

6、，巖石的屈服極限降低，彈性減弱，塑性增大，易于變形。2影響巖石力學(xué)性質(zhì)的主要因素影響巖石力學(xué)性質(zhì)的主要因素拉伸實(shí)驗(yàn)拉伸實(shí)驗(yàn)壓縮實(shí)驗(yàn)壓縮實(shí)驗(yàn)圍圍壓壓溫度溫度8002006000脆性區(qū)脆性區(qū)脆性區(qū)脆性區(qū)韌性區(qū)韌性區(qū)韌性區(qū)韌性區(qū)2影響巖石力學(xué)性質(zhì)的主要因素影響巖石力學(xué)性質(zhì)的主要因素4、孔隙流體的影響、孔隙流體的影響孔隙流體的存在，可以降低巖石強(qiáng)度，促進(jìn)巖石塑性變形孔隙流體的存在，可以降低巖石強(qiáng)度，促進(jìn)巖石塑性變形; 孔隙流體壓力的存在，促進(jìn)巖石發(fā)生脆性破裂（水壓破裂）?？紫读黧w壓力的存在，促進(jìn)巖石發(fā)生脆性破裂（水壓破裂）。張張破破裂裂極極限限 5、時(shí)間的影響、時(shí)間的影響 1）應(yīng)變速率）應(yīng)變速率2 影

7、響巖石力學(xué)性質(zhì)的主要因素影響巖石力學(xué)性質(zhì)的主要因素降低應(yīng)變速率（慢），巖石的屈服極限提高，韌性增大降低應(yīng)變速率（慢），巖石的屈服極限提高，韌性增大 提高應(yīng)變速率（快）提高應(yīng)變速率（快） ，巖石的屈服極限降低，脆性增大，巖石的屈服極限降低，脆性增大/s不同應(yīng)變速率下應(yīng)力應(yīng)變曲線e(應(yīng)變應(yīng)變)2）蠕變和松弛）蠕變和松弛2影響巖石力學(xué)性質(zhì)的主要因素影響巖石力學(xué)性質(zhì)的主要因素5、時(shí)間的影響、時(shí)間的影響 蠕變和松弛蠕變和松弛在低于巖石在低于巖石彈性極限下彈性極限下可導(dǎo)致巖石可導(dǎo)致巖石發(fā)生塑性發(fā)生塑性（永久）變（永久）變形，其共同形，其共同效果都相當(dāng)效果都相當(dāng)于降低巖石于降低巖石的彈性極限，的彈性極限，使

8、塑性增大。使塑性增大。松弛：松弛：是指在應(yīng)變保持不變的情況下，隨著時(shí)間的緩慢增長(zhǎng)，應(yīng)力逐是指在應(yīng)變保持不變的情況下，隨著時(shí)間的緩慢增長(zhǎng)，應(yīng)力逐漸減小的現(xiàn)象。即應(yīng)變恒定漸減小的現(xiàn)象。即應(yīng)變恒定-時(shí)間增長(zhǎng)時(shí)間增長(zhǎng)-應(yīng)力逐漸減小應(yīng)力逐漸減小 隨緩慢增長(zhǎng)隨緩慢增長(zhǎng)逐漸減小逐漸減小 蠕變：蠕變：是指在應(yīng)力不增加的情況下，隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，變形繼續(xù)緩慢是指在應(yīng)力不增加的情況下，隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，變形繼續(xù)緩慢增加的現(xiàn)象。即應(yīng)力恒定增加的現(xiàn)象。即應(yīng)力恒定-時(shí)間增長(zhǎng)時(shí)間增長(zhǎng)-變形緩慢增強(qiáng)變形緩慢增強(qiáng) （）隨緩慢增長(zhǎng)隨緩慢增長(zhǎng) 逐漸增大逐漸增大為馬克斯威為馬克斯威爾爾松馳時(shí)間松馳時(shí)間2影響巖石力學(xué)性質(zhì)的主要因素影響巖

9、石力學(xué)性質(zhì)的主要因素5、時(shí)間的影響、時(shí)間的影響2）蠕變和松弛）蠕變和松弛（參見(jiàn)王仁等編固體力學(xué)基礎(chǔ)第章（參見(jiàn)王仁等編固體力學(xué)基礎(chǔ)第章 p） 3巖石的能干性巖石的能干性能干性：反映巖石變形程度相對(duì)差異的術(shù)語(yǔ)，可以近似的用粘反映巖石變形程度相對(duì)差異的術(shù)語(yǔ)，可以近似的用粘度的大小來(lái)說(shuō)明。度的大小來(lái)說(shuō)明。按巖石的能干性差異，可分為能干性和非能按巖石的能干性差異，可分為能干性和非能干性?xún)煞N類(lèi)型。干性?xún)煞N類(lèi)型。 4 巖石變形的微觀機(jī)制巖石變形的微觀機(jī)制一、脆性變形機(jī)制一、脆性變形機(jī)制微破裂微破裂 碎裂作用碎裂作用 碎裂流碎裂流二、塑性變形機(jī)制二、塑性變形機(jī)制 1晶內(nèi)滑動(dòng)晶內(nèi)滑動(dòng)：低溫變形機(jī)制沿一定滑移面的

10、滑移方向滑移，可形成晶格優(yōu)選方位和形低溫變形機(jī)制沿一定滑移面的滑移方向滑移，可形成晶格優(yōu)選方位和形態(tài)優(yōu)選方位態(tài)優(yōu)選方位晶內(nèi)滑動(dòng)的機(jī)制是晶內(nèi)滑動(dòng)的機(jī)制是位錯(cuò)滑動(dòng)位錯(cuò)滑動(dòng)4 巖石變形的微觀機(jī)制巖石變形的微觀機(jī)制二、塑性變形機(jī)制二、塑性變形機(jī)制晶內(nèi)滑動(dòng)和（低溫）位錯(cuò)滑動(dòng)位錯(cuò)滑動(dòng)的形成一個(gè)人就可移動(dòng)一個(gè)人就可移動(dòng)2位錯(cuò)蠕變高溫位錯(cuò)蠕變高溫變形機(jī)制變形機(jī)制4 巖石變形的微觀機(jī)制巖石變形的微觀機(jī)制二、塑性變形機(jī)制二、塑性變形機(jī)制當(dāng)當(dāng)t0.3tm時(shí)時(shí)恢復(fù)作用開(kāi)始起恢復(fù)作用開(kāi)始起重要作用重要作用位錯(cuò)攀移位錯(cuò)攀移使符號(hào)相反的使符號(hào)相反的位錯(cuò)互相抵消，位錯(cuò)互相抵消，“相同者相同者”重新重新排列成位錯(cuò)壁，排列成位錯(cuò)

11、壁，形成亞晶粒。亞形成亞晶粒。亞晶粒內(nèi)部位錯(cuò)密晶粒內(nèi)部位錯(cuò)密度降低，晶體多度降低，晶體多邊形邊形化。化。二、塑性變形機(jī)制二、塑性變形機(jī)制3擴(kuò)散蠕變：通過(guò)晶內(nèi)和晶界空位運(yùn)動(dòng)和原子運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。擴(kuò)散蠕變：通過(guò)晶內(nèi)和晶界空位運(yùn)動(dòng)和原子運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。體積擴(kuò)散蠕變體積擴(kuò)散蠕變納巴羅赫林蠕變納巴羅赫林蠕變晶界擴(kuò)散蠕變晶界擴(kuò)散蠕變柯勃爾蠕變柯勃爾蠕變4溶解蠕變：溶解蠕變也稱(chēng)壓溶。是一種流體參與的塑性變形過(guò)程。溶解蠕變：溶解蠕變也稱(chēng)壓溶。是一種流體參與的塑性變形過(guò)程。4 巖石變形的微觀機(jī)制巖石變形的微觀機(jī)制4 巖石變形的微觀機(jī)制巖石變形的微觀機(jī)制鐵山壓溶縫合線鐵山壓溶縫合線擴(kuò)散蠕變 壓溶作用壓溶作用使物質(zhì)發(fā)生擴(kuò)散

12、轉(zhuǎn)移，礦物顆粒形態(tài)發(fā)生改變壓溶作用使物質(zhì)發(fā)生擴(kuò)散轉(zhuǎn)移，礦物顆粒形態(tài)發(fā)生改變壓溶作用在有粒間水膜時(shí)更易發(fā)生壓力影、礦物（集合體）的須狀增生和同構(gòu)造（張性）脈都?jí)毫τ?、礦物（集合體）的須狀增生和同構(gòu)造（張性）脈都是壓溶作用的產(chǎn)物是壓溶作用的產(chǎn)物壓溶作用在不變質(zhì)或淺變質(zhì)區(qū)對(duì)于巖石的塑性變形更為重要4 巖石變形的微觀機(jī)制巖石變形的微觀機(jī)制二、塑性變形機(jī)制二、塑性變形機(jī)制5顆粒邊界滑動(dòng)顆粒邊界滑動(dòng)：當(dāng)當(dāng)t0.5tm時(shí)，擴(kuò)散速時(shí)，擴(kuò)散速率大。率大。巖石可以發(fā)生很巖石可以發(fā)生很大變形，但晶粒本身無(wú)大變形，但晶粒本身無(wú)變形，因此無(wú)晶格優(yōu)選變形，因此無(wú)晶格優(yōu)選和形態(tài)優(yōu)選。和形態(tài)優(yōu)選?！懊状状?yīng)應(yīng)”？4 巖

13、石變形的微觀機(jī)制巖石變形的微觀機(jī)制二、塑性變形機(jī)制二、塑性變形機(jī)制6、動(dòng)態(tài)重結(jié)晶作用：形成細(xì)小的新顆粒（細(xì)粒化），細(xì)小的、動(dòng)態(tài)重結(jié)晶作用：形成細(xì)小的新顆粒（細(xì)?；?，細(xì)小的新顆粒圍繞初始的殘存大顆粒周?chē)植迹纬珊酸＝Y(jié)構(gòu)。新顆粒圍繞初始的殘存大顆粒周?chē)植迹纬珊酸＝Y(jié)構(gòu)。1 巖石變形的微觀機(jī)制巖石變形的微觀機(jī)制二、塑性變形機(jī)制二、塑性變形機(jī)制5斷裂準(zhǔn)則斷裂準(zhǔn)則斷裂的形成與發(fā)展主要取決于斷裂的形成與發(fā)展主要取決于由外力引起的由外力引起的應(yīng)力應(yīng)力與自身的與自身的抵抗能力抵抗能力這一矛盾的雙方這一矛盾的雙方從成因上講巖石的脆性斷裂主要有兩種形式：從成因上講巖石的脆性斷裂主要有兩種形式：一是張性斷裂一

14、是張性斷裂另一類(lèi)是剪性斷裂另一類(lèi)是剪性斷裂張性斷裂：是當(dāng)拉應(yīng)力達(dá)到巖石的抗拉強(qiáng)度時(shí)，在垂張性斷裂：是當(dāng)拉應(yīng)力達(dá)到巖石的抗拉強(qiáng)度時(shí)，在垂直于拉應(yīng)力的方向上發(fā)生的拉破裂直于拉應(yīng)力的方向上發(fā)生的拉破裂一、一、張性斷裂張性斷裂5 斷裂準(zhǔn)則斷裂準(zhǔn)則二、剪性斷裂二、剪性斷裂剪性斷裂是在剪應(yīng)力達(dá)到剪性斷裂是在剪應(yīng)力達(dá)到抵抗剪切破壞的能力時(shí)，巖石發(fā)抵抗剪切破壞的能力時(shí)，巖石發(fā)生相互錯(cuò)動(dòng)的現(xiàn)象生相互錯(cuò)動(dòng)的現(xiàn)象抵抗剪切破壞的能力是（隨環(huán)境而）抵抗剪切破壞的能力是（隨環(huán)境而）變化的，因此，不同的情況剪破裂變化的，因此，不同的情況剪破裂準(zhǔn)則不同準(zhǔn)則不同 、庫(kù)侖剪破裂準(zhǔn)則庫(kù)侖剪破裂準(zhǔn)則（最大剪應(yīng)力理論準(zhǔn)則）（最大剪應(yīng)力

15、理論準(zhǔn)則） max=( 1- 3)/2= 0 0可理解為抵抗剪切破壞的能力可理解為抵抗剪切破壞的能力 max為外力引起的應(yīng)力為外力引起的應(yīng)力注意：右下圖紅線所示剪破注意：右下圖紅線所示剪破裂面上沒(méi)有壓應(yīng)力裂面上沒(méi)有壓應(yīng)力02a2a2a2a2abc bt0附錄：包絡(luò)線的繪制附錄：包絡(luò)線的繪制抗張斷裂極限抗張斷裂極限抗壓斷裂極限抗壓斷裂極限多數(shù)韌性固體抗張與多數(shù)韌性固體抗張與抗壓的屈服極限相同，抗壓的屈服極限相同，包絡(luò)線變?yōu)閮蓷l平行包絡(luò)線變?yōu)閮蓷l平行線。線。截距為截距為0 0的直線，的直線，為剪破裂為剪破裂發(fā)生時(shí)的剪應(yīng)力；發(fā)生時(shí)的剪應(yīng)力； 當(dāng)當(dāng)nn時(shí)巖石的抗剪強(qiáng)度（又稱(chēng)巖石時(shí)巖石的抗剪強(qiáng)度（又稱(chēng)巖

16、石內(nèi)聚力即內(nèi)聚力即抵抗剪切破壞的能力抵抗剪切破壞的能力）. .當(dāng)外力引起的應(yīng)力與當(dāng)外力引起的應(yīng)力與剪破裂線相剪破裂線相切時(shí)，即切時(shí)，即右圖右圖d d、e e兩點(diǎn)均對(duì)應(yīng)抵兩點(diǎn)均對(duì)應(yīng)抵抗能力與外力引起的應(yīng)力二者處抗能力與外力引起的應(yīng)力二者處于臨界平衡狀態(tài)，這就是于臨界平衡狀態(tài)，這就是剪破裂剪破裂發(fā)生所需條件：發(fā)生所需條件：n n2adea0 0、庫(kù)侖剪破裂準(zhǔn)則（庫(kù)侖納維葉庫(kù)侖剪破裂準(zhǔn)則（庫(kù)侖納維葉斷裂準(zhǔn)則）斷裂準(zhǔn)則）拉破裂線拉破裂線剪破裂線剪破裂線剪破裂剪破裂線線5 斷裂準(zhǔn)則斷裂準(zhǔn)則二、剪性斷裂二、剪性斷裂nn 或或0 0n ntgtg 3 11 1=3 3cotcot2 2-2-20 0 cot

17、cot(推導(dǎo)見(jiàn)固體力學(xué)基礎(chǔ)推導(dǎo)見(jiàn)固體力學(xué)基礎(chǔ)p71-75)c2adea剪破裂線31 1 3 = 1 = 3思考題：思考題：在純剪切情況下發(fā)生庫(kù)侖剪破裂的條件是什么？在純剪切情況下發(fā)生庫(kù)侖剪破裂的條件是什么？提示：純剪切時(shí)的應(yīng)力圓其剪應(yīng)力小于提示：純剪切時(shí)的應(yīng)力圓其剪應(yīng)力小于0 0，但已達(dá)到但已達(dá)到 庫(kù)侖剪破裂線庫(kù)侖剪破裂線 1 3 3a a abcd5 斷裂準(zhǔn)則斷裂準(zhǔn)則、庫(kù)侖剪破裂準(zhǔn)則基本特點(diǎn)之一庫(kù)侖剪破裂準(zhǔn)則基本特點(diǎn)之一剪破裂面剪破裂面與與 成成 ，若，若破裂面為右旋，則從任意一端右旋破裂面為右旋，則從任意一端右旋 到達(dá)到達(dá) 方向（方向（ a 與與 d ），），若若為左旋，則從任意一端左為左

18、旋，則從任意一端左旋旋 到達(dá)到達(dá) 方向（方向（c與與 b） 5 斷裂準(zhǔn)則斷裂準(zhǔn)則、庫(kù)侖剪破裂準(zhǔn)則基本特點(diǎn)之二庫(kù)侖剪破裂準(zhǔn)則基本特點(diǎn)之二同一成因有以下幾種表現(xiàn)形式，分別稱(chēng)之為逆斷層平移斷層正斷層同一成因有以下幾種表現(xiàn)形式，分別稱(chēng)之為逆斷層平移斷層正斷層i in nn n莫爾包絡(luò)線非線性斷裂準(zhǔn)則莫爾包絡(luò)線非線性斷裂準(zhǔn)則5 斷裂準(zhǔn)則斷裂準(zhǔn)則n n（i i n n）(n,n,n n)3 3（1 13 3）2 2 + + 22（1 1 + +3 3）（4 42 2）重要提示：重要提示：這里應(yīng)力符號(hào)規(guī)則是以拉這里應(yīng)力符號(hào)規(guī)則是以拉為正，壓為負(fù)發(fā)生斷裂為正，壓為負(fù)發(fā)生斷裂所需應(yīng)力狀態(tài)如下式其所需應(yīng)力狀態(tài)如下式其推導(dǎo)見(jiàn)武漢地質(zhì)學(xué)院，推導(dǎo)見(jiàn)武漢地質(zhì)學(xué)院，王維襄