05巖石力學性質課件

構造地質學

StructralGeology第5章巖石力學性質主講謝洪波河南理工大學資源環(huán)境學院1/1/20231河南理工大學謝洪波構造地質學

StructralGeology第5章巖石巖石力學性質的幾個基本概念影響巖石力學性質的因素巖石變形的微觀機制巖石斷裂準則1/1/20232河南理工大學謝洪波12/26/20222河南理工大學謝洪波1巖石力學性質的幾個基本概念材料的力學性質強度材料抵抗外力(載荷)作用下產生破壞的能力靜力強度材料抵抗由靜載荷產生應力破壞的能力抗壓強度抗拉強度抗剪強度抗彎強度1/1/20233河南理工大學謝洪波1巖石力學性質的幾個基本概念材料的力學性質強度12/26/1巖石力學性質的幾個基本概念材料的力學性質強度靜力強度硬度材料抵抗其它較硬物體的壓入能力1/1/20234河南理工大學謝洪波1巖石力學性質的幾個基本概念材料的力學性質強度12/26/1巖石力學性質的幾個基本概念材料的力學性質強度靜力強度硬度彈性材料在外力的作用下產生變形，外力取消后，能夠完全恢復原來形狀的性質彈性變形彈性材料(胡克固體)1/1/20235河南理工大學謝洪波1巖石力學性質的幾個基本概念材料的力學性質強度彈性變形121巖石力學性質的幾個基本概念材料的力學性質強度靜力強度硬度彈性塑性材料在外力的作用下產生變形，外力取消后，仍保持變形后的形狀和尺寸，但不產生裂紋的性質塑性變形(永久變形)塑性材料彈塑性材料1/1/20236河南理工大學謝洪波1巖石力學性質的幾個基本概念材料的力學性質強度塑性變形彈塑1巖石力學性質的幾個基本概念材料的力學性質強度靜力強度硬度彈性塑性脆性材料在外力的作用下直到破裂前無明顯塑性變形而發(fā)生突然破壞的性質脆性材料特點：抗壓強度>>抗拉強度1/1/20237河南理工大學謝洪波1巖石力學性質的幾個基本概念材料的力學性質強度脆性材料121巖石力學性質的幾個基本概念材料的力學性質強度靜力強度硬度彈性塑性脆性韌性材料在沖擊外力和震動荷載作用下，材料能吸收大量的能量，產生一定變形而不致破壞的性質韌性材料特點：具有較高的抗拉、抗壓強度脆性材料 斷裂發(fā)生前塑性變形<5％脆-韌性材料 斷裂發(fā)生前塑性變形5％～10％

韌性材料 斷裂發(fā)生前塑性變形>10％1/1/20238河南理工大學謝洪波1巖石力學性質的幾個基本概念材料的力學性質強度韌性材料脆性1巖石力學性質的幾個基本概念材料的主要力學性質流體的主要力學性質流體在任何微小剪切力的作用下能產生連續(xù)變形的物質粘性流體所具有的抵抗兩層相對滑動速度(抵抗變形)的性質——粘性系數μ快層慢層內摩擦力↓粘性應力(剪切性質)速度梯度粘性系數μ(動力粘度)速度梯度為1時，單位受力面積上，流體層之間內摩擦力的大小能干性(發(fā)生塑性流變的程度)不易發(fā)生塑性變形的巖層——能干巖層，其能干性較強，或稱強巖層反之，為不能干或弱巖層1/1/20239河南理工大學謝洪波1巖石力學性質的幾個基本概念材料的主要力學性質流體快層慢層1巖石力學性質的幾個基本概念材料的主要力學性質流體的重要力學性質流體粘性牛頓內摩擦(粘性)定律牛頓流體1/1/202310河南理工大學謝洪波1巖石力學性質的幾個基本概念材料的主要力學性質流體牛頓流體1巖石力學性質的幾個基本概念材料的主要力學性質流體的重要力學性質巖石的變形階段彈性區(qū)塑性區(qū)破壞彈性變形階段屈服極限σy比例極限σπ線彈性變形非線彈性變形塑性變形階段強度極限σB應變硬化斷裂變形階段脆性破裂張裂、剪裂張裂剪裂抗壓強度>抗剪強度>抗張強度1/1/202311河南理工大學謝洪波1巖石力學性質的幾個基本概念材料的主要力學性質彈性區(qū)塑性區(qū)2影響巖石力學性質的因素內因外因巖石成份、結構、構造差異各向異性如：層狀巖石受壓可形成褶皺，而塊狀的各向同性巖石一般無法顯示出褶皺變形來1/1/202312河南理工大學謝洪波2影響巖石力學性質的因素內因巖石成份、結構、構造差異各向異2影響巖石力學性質的因素內因外因圍壓溫度孔隙流體時間提高 韌性 強度極限 彈性極限高圍壓使巖石的質點彼此接近，增強了內聚力1/1/202313河南理工大學謝洪波2影響巖石力學性質的因素內因圍壓提高 韌性高圍壓使2影響巖石力學性質的因素內因外因圍壓溫度孔隙流體時間提高 韌性降低 強度極限 彈性極限雌黃鐵礦閃鋅礦溫度增高，使巖石質點的熱運動增強

減弱了質點之間的聯系能力1/1/202314河南理工大學謝洪波2影響巖石力學性質的因素內因圍壓提高 韌性雌黃鐵礦2影響巖石力學性質的因素內因外因圍壓溫度孔隙流體時間溶液彈性極限和強度下降韌性增強流體壓力降低強度溶液分子進入晶格，使礦物分子之間的凝聚力下降溶液有利于重結晶作用的發(fā)生，容易發(fā)生塑性變形 有效正應力下降1/1/202315河南理工大學謝洪波2影響巖石力學性質的因素內因圍壓溶液溶液分子進入晶格，使礦2影響巖石力學性質的因素內因外因圍壓溫度孔隙流體時間應變速率快速：脆性，強度較緩慢：塑性，強度下降重復受力破裂所需的應力降低蠕變保持應力不變，隨時間延長，變形繼續(xù)緩慢增加的現象松弛應變保持不變時，應力隨時間增長逐漸下降的現象耐力極限低于該應力值，無論如何增加受力次數，均無法使巖石破裂1/1/202316河南理工大學謝洪波2影響巖石力學性質的因素內因圍壓應變速率耐力極限12/262影響巖石力學性質的因素內因外因圍壓溫度孔隙流體時間流變學概要流變學研究介質內部質點的變形和流動考慮時間因素把液體和固體統(tǒng)一看待(基本思想)

只要有足夠的時間，任何巖石在任何應力下都能流動

——“萬物皆流”1/1/202317河南理工大學謝洪波2影響巖石力學性質的因素內因圍壓流變學概要12/26/203巖石變形的微觀機制脆性變形機制塑性變形機制巖石成分的微觀差異顆粒楔入晶體錯位……應力集中碎裂作用碎裂旋轉運移碎裂流1/1/202318河南理工大學謝洪波3巖石變形的微觀機制脆性變形機制巖石成分的微觀差異應力集中3巖石變形的微觀機制脆性變形機制塑性變形機制晶內滑動和位錯滑動位錯蠕變多邊形化作用動態(tài)重結晶作用擴散蠕變體積擴散蠕變——納巴羅-赫林蠕變晶界擴散蠕變——柯勃爾蠕變

溶解蠕變顆粒邊界滑動1/1/202319河南理工大學謝洪波3巖石變形的微觀機制脆性變形機制晶內滑動和位錯滑動12/24巖石斷裂準則剪裂角θ

剪裂面與最大主壓應力軸之間的夾角(兩剪裂面之間的夾角為共軛剪切破裂角2θ)理論：45°與實驗及自然界均不一致

？為什么剪切破裂不僅與剪應力有關，而且與正應力有關1/1/202320河南理工大學謝洪波4巖石斷裂準則剪裂角θ理論：45°剪切破裂不僅與剪應力有關4巖石斷裂準則張裂準則剪裂準則張裂面的位置？最大張應力理論最大線應變理論當張應力達到或超過巖石的抗張強度時，將沿垂直于最大張應力(σ3)的截面破裂形成張裂面。適用于圍壓小或淺表環(huán)境單向拉伸的脆性破壞。如對張節(jié)理和部分正斷層的形成的力學解釋。不能解釋沒有張應力作用的巖石破壞巖石的破壞與線應變有關。沿垂直于最大伸長方向(X)的截面破裂，形成張裂面適用于沒有張應力直接作用下單向擠壓或具有一定圍壓條件下張裂形成的解釋1/1/202321河南理工大學謝洪波4巖石斷裂準則張裂準則張裂面的位置？最大張應力理論當張應力4巖石斷裂準則張裂準則剪裂準則發(fā)生剪破裂的剪切應力τn多大?剪裂面與最大主應力的夾角(θ/2)？1/1/202322河南理工大學謝洪波4巖石斷裂準則張裂準則發(fā)生剪破裂的剪切應力τn多大?12/4巖石斷裂準則張裂準則剪裂準則最大剪應力作用面實際破裂面1/1/202323河南理工大學謝洪波4巖石斷裂準則張裂準則最大剪應力作用面實際破裂面12/264巖石斷裂準則張裂準則剪裂準則抗純剪裂極限（巖石的內聚力）1/1/202324河南理工大學謝洪波4巖石斷裂準則張裂準則抗純剪裂極限12/26/2022244巖石斷裂準則庫侖剪破裂準則(實驗)斜直線型摩爾包絡線理論拉破裂線1/1/202325河南理工大學謝洪波4巖石斷裂準則庫侖剪破裂準則(實驗)斜直線型摩爾包絡線理論剪裂角q=45o-f/2nqs1(90o+f)/2q=90o-(90o+f)/21/1/202326河南理工大學謝洪波剪裂角q=45o-f/2nqs1(90o+f)/2q=4巖石斷裂準則庫侖剪破裂準則(實驗)水平直線型摩爾包絡線理論純剪應力狀態(tài)下1/1/202327河南理工大學謝洪波4巖石斷裂準則庫侖剪破裂準則(實驗)水平直線型摩爾包絡線理4巖石斷裂準則庫侖剪破裂準則(實驗)摩爾剪破裂準則(實驗)實驗表明φ(內摩擦角)與圍壓、巖石性質有關，不是一個常量

例如，砂巖：φ〧45°，頁巖：φ〧23°實驗證明，φ隨圍壓增大而減小隨著溫度、圍壓的增加，剪裂角逐漸接近45°，但不會超過45°1/1/202328河南理工大學謝洪波4巖石斷裂準則庫侖剪破裂準則(實驗)實驗表明12/26/24巖石斷裂準則庫侖剪破裂準則(實驗)摩爾剪破裂準則(實驗)格里菲斯準則(數學推導)任何脆性材料都存在大量的微小裂縫，材料的斷裂就是由這些微小的、無定向裂縫由于末端應力集中而擴展的結果。在二維中將微裂隙看作是扁平的橢圓形裂隙，就可推導出平面格里菲斯斷裂準則1/1/202329河南理工大學謝洪波4巖石斷裂準則庫侖剪破裂準則(實驗)任何脆性材料都存在大量4巖石斷裂準則庫侖剪破裂準則(實驗)摩爾剪破裂準則(實驗)格里菲斯準則(數學推導)摩擦滑動準則(拜爾利準則)判斷是否滑動1/1/202330河南理工大學謝洪波4巖石斷裂準則庫侖剪破裂準則(實驗)判斷是否滑動12/26TheEnd1/1/202331河南理工大學謝洪波TheEnd12/26/202231河南理工大學構造地質學

StructralGeology第5章巖石力學性質主講謝洪波河南理工大學資源環(huán)境學院1/1/202332河南理工大學謝洪波構造地質學

StructralGeology第5章巖石巖石力學性質的幾個基本概念影響巖石力學性質的因素巖石變形的微觀機制巖石斷裂準則1/1/202333河南理工大學謝洪波12/26/20222河南理工大學謝洪波1巖石力學性質的幾個基本概念材料的力學性質強度材料抵抗外力(載荷)作用下產生破壞的能力靜力強度材料抵抗由靜載荷產生應力破壞的能力抗壓強度抗拉強度抗剪強度抗彎強度1/1/202334河南理工大學謝洪波1巖石力學性質的幾個基本概念材料的力學性質強度12/26/1巖石力學性質的幾個基本概念材料的力學性質強度靜力強度硬度材料抵抗其它較硬物體的壓入能力1/1/202335河南理工大學謝洪波1巖石力學性質的幾個基本概念材料的力學性質強度12/26/1巖石力學性質的幾個基本概念材料的力學性質強度靜力強度硬度彈性材料在外力的作用下產生變形，外力取消后，能夠完全恢復原來形狀的性質彈性變形彈性材料(胡克固體)1/1/202336河南理工大學謝洪波1巖石力學性質的幾個基本概念材料的力學性質強度彈性變形121巖石力學性質的幾個基本概念材料的力學性質強度靜力強度硬度彈性塑性材料在外力的作用下產生變形，外力取消后，仍保持變形后的形狀和尺寸，但不產生裂紋的性質塑性變形(永久變形)塑性材料彈塑性材料1/1/202337河南理工大學謝洪波1巖石力學性質的幾個基本概念材料的力學性質強度塑性變形彈塑1巖石力學性質的幾個基本概念材料的力學性質強度靜力強度硬度彈性塑性脆性材料在外力的作用下直到破裂前無明顯塑性變形而發(fā)生突然破壞的性質脆性材料特點：抗壓強度>>抗拉強度1/1/202338河南理工大學謝洪波1巖石力學性質的幾個基本概念材料的力學性質強度脆性材料121巖石力學性質的幾個基本概念材料的力學性質強度靜力強度硬度彈性塑性脆性韌性材料在沖擊外力和震動荷載作用下，材料能吸收大量的能量，產生一定變形而不致破壞的性質韌性材料特點：具有較高的抗拉、抗壓強度脆性材料 斷裂發(fā)生前塑性變形<5％脆-韌性材料 斷裂發(fā)生前塑性變形5％～10％

韌性材料 斷裂發(fā)生前塑性變形>10％1/1/202339河南理工大學謝洪波1巖石力學性質的幾個基本概念材料的力學性質強度韌性材料脆性1巖石力學性質的幾個基本概念材料的主要力學性質流體的主要力學性質流體在任何微小剪切力的作用下能產生連續(xù)變形的物質粘性流體所具有的抵抗兩層相對滑動速度(抵抗變形)的性質——粘性系數μ快層慢層內摩擦力↓粘性應力(剪切性質)速度梯度粘性系數μ(動力粘度)速度梯度為1時，單位受力面積上，流體層之間內摩擦力的大小能干性(發(fā)生塑性流變的程度)不易發(fā)生塑性變形的巖層——能干巖層，其能干性較強，或稱強巖層反之，為不能干或弱巖層1/1/202340河南理工大學謝洪波1巖石力學性質的幾個基本概念材料的主要力學性質流體快層慢層1巖石力學性質的幾個基本概念材料的主要力學性質流體的重要力學性質流體粘性牛頓內摩擦(粘性)定律牛頓流體1/1/202341河南理工大學謝洪波1巖石力學性質的幾個基本概念材料的主要力學性質流體牛頓流體1巖石力學性質的幾個基本概念材料的主要力學性質流體的重要力學性質巖石的變形階段彈性區(qū)塑性區(qū)破壞彈性變形階段屈服極限σy比例極限σπ線彈性變形非線彈性變形塑性變形階段強度極限σB應變硬化斷裂變形階段脆性破裂張裂、剪裂張裂剪裂抗壓強度>抗剪強度>抗張強度1/1/202342河南理工大學謝洪波1巖石力學性質的幾個基本概念材料的主要力學性質彈性區(qū)塑性區(qū)2影響巖石力學性質的因素內因外因巖石成份、結構、構造差異各向異性如：層狀巖石受壓可形成褶皺，而塊狀的各向同性巖石一般無法顯示出褶皺變形來1/1/202343河南理工大學謝洪波2影響巖石力學性質的因素內因巖石成份、結構、構造差異各向異2影響巖石力學性質的因素內因外因圍壓溫度孔隙流體時間提高 韌性 強度極限 彈性極限高圍壓使巖石的質點彼此接近，增強了內聚力1/1/202344河南理工大學謝洪波2影響巖石力學性質的因素內因圍壓提高 韌性高圍壓使2影響巖石力學性質的因素內因外因圍壓溫度孔隙流體時間提高 韌性降低 強度極限 彈性極限雌黃鐵礦閃鋅礦溫度增高，使巖石質點的熱運動增強

減弱了質點之間的聯系能力1/1/202345河南理工大學謝洪波2影響巖石力學性質的因素內因圍壓提高 韌性雌黃鐵礦2影響巖石力學性質的因素內因外因圍壓溫度孔隙流體時間溶液彈性極限和強度下降韌性增強流體壓力降低強度溶液分子進入晶格，使礦物分子之間的凝聚力下降溶液有利于重結晶作用的發(fā)生，容易發(fā)生塑性變形 有效正應力下降1/1/202346河南理工大學謝洪波2影響巖石力學性質的因素內因圍壓溶液溶液分子進入晶格，使礦2影響巖石力學性質的因素內因外因圍壓溫度孔隙流體時間應變速率快速：脆性，強度較緩慢：塑性，強度下降重復受力破裂所需的應力降低蠕變保持應力不變，隨時間延長，變形繼續(xù)緩慢增加的現象松弛應變保持不變時，應力隨時間增長逐漸下降的現象耐力極限低于該應力值，無論如何增加受力次數，均無法使巖石破裂1/1/202347河南理工大學謝洪波2影響巖石力學性質的因素內因圍壓應變速率耐力極限12/262影響巖石力學性質的因素內因外因圍壓溫度孔隙流體時間流變學概要流變學研究介質內部質點的變形和流動考慮時間因素把液體和固體統(tǒng)一看待(基本思想)

只要有足夠的時間，任何巖石在任何應力下都能流動

——“萬物皆流”1/1/202348河南理工大學謝洪波2影響巖石力學性質的因素內因圍壓流變學概要12/26/203巖石變形的微觀機制脆性變形機制塑性變形機制巖石成分的微觀差異顆粒楔入晶體錯位……應力集中碎裂作用碎裂旋轉運移碎裂流1/1/202349河南理工大學謝洪波3巖石變形的微觀機制脆性變形機制巖石成分的微觀差異應力集中3巖石變形的微觀機制脆性變形機制塑性變形機制晶內滑動和位錯滑動位錯蠕變多邊形化作用動態(tài)重結晶作用擴散蠕變體積擴散蠕變——納巴羅-赫林蠕變晶界擴散蠕變——柯勃爾蠕變

溶解蠕變顆粒邊界滑動1/1/202350河南理工大學謝洪波3巖石變形的微觀機制脆性變形機制晶內滑動和位錯滑動12/24巖石斷裂準則剪裂角θ

剪裂面與最大主壓應力軸之間的夾角(兩剪裂面之間的夾角為共軛剪切破裂角2θ)理論：45°與實驗及自然界均不一致

？為什么剪切破裂不僅與剪應力有關，而且與正應力有關1/1/202351河南理工大學謝洪波4巖石斷裂準則剪裂角θ理論：45°剪切破裂不僅與剪應力有關4巖石斷裂準則張裂準則剪裂準則張裂面的位置？最大張應力理論最大線應變理論當張應力達到或超過巖石的抗張強度時，將沿垂直于最大張應力(σ3)的截面破裂形成張裂面。適用于圍壓小或淺表環(huán)境單向拉伸的脆性破壞。如對張節(jié)理和部分正斷層的形成的力學解釋。不能解釋沒有張應力作用的巖石破壞巖石的破壞與線應變有關。沿垂直于最大伸長方向(X)的截面破裂，形成張裂面適用于沒有張應力直接作用下單向擠壓或具有一定圍壓條件下張裂形成的解釋1/1/202352河南理工大學謝洪波4巖石斷裂準則張裂準則張裂面的位置？最大張應力理論當張應力4巖石斷裂準則張裂準則剪裂準則發(fā)生剪破裂的剪切應力τn多大?剪裂面與最大主應力的夾角(θ/2)？1/1/202353河南理工大學謝洪波4巖石斷裂準則張裂準則發(fā)生剪破裂的剪切應力τn多大?12/4巖石斷裂準則張裂準則剪裂準則最大剪應力作用面實際破裂面1/1/202354河南理工大學謝洪波4巖石斷裂準則張裂準則最大剪應力作用面實際破裂面12/264巖石斷裂準則張裂準則剪裂準