巖石力學(xué)性質(zhì)講解課件

1、第五章 巖石力學(xué)性質(zhì) 第一節(jié) 巖石力學(xué)性質(zhì)的基本概念第二節(jié) 影響巖石力學(xué)性質(zhì)的因素第三節(jié) 巖石的能干性第四節(jié) 巖石變形的微觀機(jī)制第五節(jié) 巖石斷裂準(zhǔn)則（一）彈性變形：外力解除后，巖石能恢復(fù)原有形狀和大小的變形（二）塑性變形：外力解除后，巖石不能恢復(fù)原有形狀和大小的變形（三）斷裂變形：外力達(dá)到強(qiáng)度極限時(shí)，巖石失去完整形狀，并產(chǎn)生破壞現(xiàn)象的變形。 *強(qiáng)度極限在外力作用下固體物質(zhì)抵抗破壞的能力（抗破能力）（四）脆性變形：在破壞前不出現(xiàn)或很少出現(xiàn)塑性變形的變形。（五）韌性變形：在破壞前出現(xiàn)了顯著塑性變形的變形。第一節(jié) 巖石力學(xué)性質(zhì)的基本概念三軸應(yīng)力條件下的巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)第一節(jié) 巖石力學(xué)性質(zhì)的基本概念三軸壓

2、力機(jī)常規(guī)三軸實(shí)驗(yàn)1. 巖石變形強(qiáng)度的圖解表示法 應(yīng)力應(yīng)變曲線第一節(jié) 巖石力學(xué)性質(zhì)的基本概念 2、巖石變形行為彈性變形塑性變形破裂變形流動(dòng)變形 1）彈性變形：胡克定律 = Ee 其中：E為彈性模量或楊氏模量，e為應(yīng)變量。變形特征：象彈簧一樣發(fā)生變形。當(dāng)應(yīng)力消失后，材料完全復(fù)原到未變形狀態(tài)。胡克固體或線彈性體 2）塑性變形 y為屈服應(yīng)力。 變形特征：產(chǎn)生永久變形，當(dāng)應(yīng)力消除后部分復(fù)原，大部分保留變形時(shí)的狀態(tài)。y 3）斷裂變形同一巖石的強(qiáng)度，在不同方式的力的作用下差別很大。常溫常壓下巖石表現(xiàn)為脆性破裂高溫高壓下巖石表現(xiàn)為韌性變形 4）流動(dòng)變形變形特征：象牛頓流體（蜂蜜體）一樣發(fā)生流動(dòng)變形，應(yīng)力越大，

3、流動(dòng)越大；應(yīng)力消除，流動(dòng)停止，但不能復(fù)原到未變形時(shí)的狀態(tài)。牛頓粘性定律(線粘性定律) = 其中，為粘性系數(shù)， 分別為剪應(yīng)變速率。 . 牛頓流體或線粘性流體或純粘性流體第二節(jié) 影響巖石力學(xué)性質(zhì)的因素 物質(zhì)組成 結(jié)構(gòu)、構(gòu)造 各向異性 圍壓 溫度 孔隙應(yīng)力 時(shí)間：應(yīng)變速率、蠕變與松弛 1.成分： 玄武巖、石英巖 彈性 灰?guī)r、泥灰?guī)r 彈塑性 泥巖、頁(yè)巖 塑性一、巖石本身的影響因素 2.結(jié)構(gòu)： 粗粒強(qiáng)度小 細(xì)粒強(qiáng)度大3.構(gòu)造： 層狀在變形過(guò)程中具各向異性變形特點(diǎn) 非層狀在變形過(guò)程中具各向同性變形特點(diǎn)一、巖石本身的影響因素 二、各向異性對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)的影響同一巖性的巖石由于層理或次生面理的發(fā)育，造成巖石力

4、學(xué)性質(zhì)的各向異性。如：層狀巖石受壓形成褶皺，塊狀則不易形成褶皺。三、圍壓對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)的影響在低圍壓下，巖石表現(xiàn)為脆性，在彈性變形或發(fā)生少量的塑性變形后立即破壞；在圍壓超過(guò)20MPa時(shí)，在宏觀破裂之前所達(dá)到的應(yīng)變?cè)黾拥姆浅Ｃ黠@，巖石表現(xiàn)為韌性；隨著圍壓的增高，巖石的屈服極限、強(qiáng)度和韌性也大大提高。增大溫度，巖石的韌性增大，屈服極限降低四、溫度對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)的影響孔隙流體對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)的影響表現(xiàn)在2個(gè)方面：巖石中富含流體時(shí)，使巖石強(qiáng)度降低；孔隙流體促進(jìn)礦物溶解和重結(jié)晶，促進(jìn)巖石塑性變形。五、孔隙流體對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)的影響對(duì)變形起作用的是有效圍壓（Pe）產(chǎn)生孔隙流體壓力效應(yīng)。Pe=Pc-P孔隙壓力增

5、大有效圍壓降低巖石強(qiáng)度降低。 1. 應(yīng)變速率 六、影響巖石力學(xué)性質(zhì)的時(shí)間因素1）高速脆性破壞：隕石碰撞、地震2）低速韌性破壞：山脈2蠕變：在恒定應(yīng)力作用下，應(yīng)變隨時(shí)間增加而 持續(xù)增長(zhǎng)的變形。 1）短期作用不見(jiàn)效果；外力恒定 滴水穿石 2）長(zhǎng)期作用可見(jiàn)顯著影響；3松弛：在恒定變形情況下，巖石中的應(yīng)力隨時(shí) 間不斷減小的現(xiàn)象。 第一期（瞬時(shí)蠕變階段）：延遲的彈性蠕變。撤出應(yīng)力t1：不完全彈性恢復(fù)-減速的恢復(fù)-t2（彈性后效現(xiàn)象）第二期（穩(wěn)態(tài)或假粘性蠕變）：應(yīng)變速率接近于常量，塑性流變。t3撤出應(yīng)力-瞬時(shí)的和延遲的彈性恢復(fù)后t4-永久變形。第三期（加速蠕變階段）：應(yīng)變速率增加，材料破壞。蠕變：松弛：部

6、分變形成為永久變形，降低了巖石的彈性極限。第三節(jié) 巖石的能干性能干性：用來(lái)描述巖石變形行為相對(duì)差異。能干的：強(qiáng)的、粘度大的、不易流動(dòng)的不能干的：弱的、粘度小的、易流動(dòng)的巖石能干性反映巖石變形程度的差異，近似可以用粘度的大小來(lái)說(shuō)明。巖石能干性差異估測(cè)：前提：在相同的構(gòu)造變形環(huán)境下：1.有限應(yīng)變狀態(tài)的對(duì)比2.劈理折射的對(duì)比3.香腸構(gòu)造的對(duì)比4.褶皺形態(tài)的對(duì)比5.流變計(jì) 強(qiáng)弱相間的巖層中,強(qiáng)硬層中的劈理和軟弱層中的劈理以不同角度與層理相交，強(qiáng)硬層中為間隔劈理，與層理交角較大；軟弱層中為連續(xù)劈理，與層理交角較小。 劈理折射矩形石香腸 尖圓褶皺沿軟硬巖層界面縱彎作用的不穩(wěn)定性使強(qiáng)硬物質(zhì)向軟弱物質(zhì)偏移，造

7、成具較大波長(zhǎng)的圓滑褶皺；而由軟弱物質(zhì)向強(qiáng)硬物質(zhì)偏移形成較小波長(zhǎng)的尖頂褶皺，楔入強(qiáng)硬巖石中。 尖-圓褶皺第四節(jié) 巖石變形的微觀機(jī)制脆性變形機(jī)制 微破裂作用、碎裂作用、碎裂流塑性變形機(jī)制 晶內(nèi)滑動(dòng)、位錯(cuò)滑動(dòng)、位錯(cuò)蠕變一、微破裂作用、碎裂作用、碎裂流1.微破裂：應(yīng)力集中 因素：不同熱膨脹系數(shù)的礦物組成的巖石經(jīng)歷溫度的變化；變化過(guò)程中相鄰顆粒點(diǎn)接觸部位的相互楔入；礦物包裹體或空隙尖端受應(yīng)力作用；顆粒內(nèi)的位錯(cuò)和雙晶運(yùn)動(dòng)不足以調(diào)節(jié)應(yīng)變； 相對(duì)摩擦滑動(dòng)和剛體轉(zhuǎn)動(dòng)巖石碎塊進(jìn)一步破裂和細(xì)?；暧^破裂微破裂高度破碎的巖石碎塊、粉晶集合體微破裂作用、碎裂作用、碎裂流2.碎裂作用： 巖石破裂成碎塊3.碎裂流： 差應(yīng)力

8、足夠大，重復(fù)破碎應(yīng)力作用下圍壓條件下壓力增大時(shí)二、晶內(nèi)滑動(dòng)和位錯(cuò)滑動(dòng)晶內(nèi)滑動(dòng)：晶體沿某一滑移面的一定方向滑移?；泼妫涸踊螂x子的高密度面?；品较颍夯泼嫔显踊螂x子排列最密集的方向。位錯(cuò)三、位錯(cuò)蠕變高溫下，當(dāng)T0.3Tm（Tm為熔融溫度），位錯(cuò)從一個(gè)滑移面攀移到另一個(gè)滑移面。動(dòng)態(tài)重結(jié)晶作用：形成細(xì)小的新顆粒，即核幔構(gòu)造四、擴(kuò)散蠕變擴(kuò)散蠕變是通過(guò)晶內(nèi)和晶界的空位運(yùn)動(dòng)和原子運(yùn)動(dòng)來(lái)改變晶粒形狀的一種塑性變形機(jī)制?？瘴缓驮舆w移的途徑： 沿顆粒內(nèi)部晶格遷移體積擴(kuò)散蠕變（納巴羅-赫林蠕變） 沿顆粒晶界遷移晶界擴(kuò)散蠕變（柯勃爾蠕變）蠕變過(guò)程無(wú)流體參與，也稱固態(tài)擴(kuò)散蠕變。五、溶解蠕變?nèi)芙馊渥儯阂卜Q壓溶，

9、有流體參與的塑性變形過(guò)程。被溶出物質(zhì)：同構(gòu)造脈、須狀增生晶體、壓力影構(gòu) 造、遷出體外。在不變質(zhì)或淺變質(zhì)巖區(qū)顯著。六、顆粒邊界滑動(dòng)顆粒邊界滑動(dòng)：通過(guò)顆粒邊界之間的 調(diào)整來(lái)調(diào)節(jié)巖石總體變形的一 種變形機(jī)制。如：裝滿砂子的橡皮口袋。顆粒邊界滑動(dòng)： T0.5Tm，擴(kuò)散速率能夠及時(shí)調(diào)節(jié)由于晶粒相互滑動(dòng)產(chǎn)生的空缺或疊復(fù) 超塑性流動(dòng)。 第五節(jié) 巖石斷裂準(zhǔn)則斷裂：由于外力作用在物體中產(chǎn)生的介質(zhì)不連續(xù)面。產(chǎn)生的因素：應(yīng)力狀態(tài)，即臨界應(yīng)力狀態(tài)或極限應(yīng)力狀態(tài)；材料力學(xué)性質(zhì)。斷裂準(zhǔn)則或斷裂條件：在極限應(yīng)力狀態(tài)下，各點(diǎn)極限應(yīng)力分量所應(yīng)滿足的條件。 實(shí)驗(yàn)巖石學(xué)研究表明：當(dāng)所施加的應(yīng)力強(qiáng)度等于或超過(guò)巖石抗張強(qiáng)度或抗剪強(qiáng)度極

10、限時(shí)，巖石體就發(fā)生斷裂變形。破裂方式：一組張性破裂面和兩組剪性破裂面。剪裂角：剪裂面與最大主壓應(yīng)力軸之間的夾角。剪裂面與最大主壓應(yīng)力軸之間的關(guān)系一、水平直線型莫爾包絡(luò)線理論（庫(kù)倫斷裂準(zhǔn)則）莫爾包絡(luò)線：材料破壞時(shí)的各種極限應(yīng)力狀態(tài)應(yīng)力圓的公切線。（破壞曲線）判別條件：應(yīng)力圓與莫爾包絡(luò)線相切，破裂特例：水平直線型破壞曲線剪裂角：=45 ，共軛斷裂夾角：2= 90二、斜直線型莫爾包絡(luò)線理論（庫(kù)倫-納維葉斷裂準(zhǔn)則）巖石發(fā)生剪裂時(shí)：剪裂角大小取決于巖石變形時(shí)內(nèi)摩擦角的大小。大部分巖石的剪裂角在30左右。三、拋物線型莫爾包絡(luò)線理論（王維襄斷裂準(zhǔn)則）方程：主應(yīng)力：剪裂角：或三、拋物線型莫爾包絡(luò)線理論（王維襄斷裂準(zhǔn)則）剪裂角與 及各點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)。從野外地質(zhì)調(diào)查與室內(nèi)物理模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看：王維襄斷裂準(zhǔn)則更接近實(shí)際斷裂情況。四、格里菲斯斷裂準(zhǔn)則 （拋物線型） 剪裂的發(fā)生與巖石中原有