構(gòu)造地質(zhì)學第五章課件

第五章

巖石力學性質(zhì)第一節(jié)巖石力學性質(zhì)的幾個基本概念差應力σ1-σ3常規(guī)三軸真三軸231σ1>σ2=σ3σ1≠σ2

≠σ3

有關(guān)巖石在應力作用下的變形行為的多數(shù)資料是通過巖石變形實驗得來的,巖石在外力的作用下,一般都會經(jīng)歷彈性變形、塑性變形、斷裂變形三個階段。這三個階段依次發(fā)生,但不是截然分開的,而是彼此過渡的。由于巖石力學性質(zhì)不同,不同巖石的三個變形階段的長短和特點也各不相同。巖石變形的階段1、彈性變形

(1)彈性變形的概念:

巖石在外力作用下變形,當外力解除后,巖石又恢復到變形前的狀態(tài),這種變形行為叫彈性變形

(2)彈性變形的特點:應力和應變呈線性關(guān)系,符合胡克定律:

σ=Ee式中σ為應力,e為應變,E為彈性模量線段OA為彈性變形階段，在巖石變形的初期階段,應力應變圖上為一段斜率較陡的直線0A,說明應力與應變成正比,在A點前撤除應力,巖石可恢復到變形前的形態(tài).(2)塑性變形的概念:物體受力變形,當應力達到或超過屈服點后造成巖石永久應變的變形叫塑性變形

2、塑性變形(3)塑性變形的特點:AB曲線為塑性變形階段。應力與應變呈非線形關(guān)系,當外力解除之后物體也不能恢復原狀。過A點后應力緩慢增加，一直到B點，應力值達到最大值。

(1)屈服應力σy:隨著變形繼續(xù)，應力-應變曲線斜率變小，這是如果撤去應力，曲線并不回到原點，而與e軸交與e1，試樣超過彈性極限而永久變形，這個極限點的應力叫屈服應力。

完全塑性變形：在屈服應力作用下，巖石以韌性方式連續(xù)變形，其應力-應變曲線的斜率為零。應變硬化——同一巖石的強度,在不同性質(zhì)的應力作用下,差別較大。

常溫常壓下一些巖石的強度極限

巖石抗壓強度(MPa)抗張強度(MPa)抗剪強度(MPa)花崗巖148(37－379)3－515－30大理巖102(31－262)3－910－30石灰?guī)r96(6－360)3－612－20砂巖74(11－252)1－35－15玄武巖275(200－350)10頁巖20－802巖石的抗壓強度>抗剪強度>抗張(拉)強度脆性材料韌性材料在斷裂前的塑性變形的應變量小于5%的材料在斷裂前的塑性變形的應變量大于10%的材料牛頓流體流體的粘性流體內(nèi)部各流層之間發(fā)生相對滑動，層面之間存在的一種內(nèi)摩擦效應。牛頓流體線粘性定律對一定的粘性流體而言，流動速度梯度越大，其摩擦阻力就越大，即層面之間的剪應力越大。服從粘性定律的材料粘彈性體既具有彈性，又能發(fā)生粘性流動的材料各向異性由于成分和結(jié)構(gòu)等的不同，造成巖石力學性質(zhì)的各向異性。

在各向異性的巖石中，脆性破裂的發(fā)生將會受到先存薄弱面（各種界面）的影響，其極限強度將隨主應力軸相對于巖石中的各向異性構(gòu)造的方位變化而變化，而且，其剪裂面也可能明顯的偏離斷裂準則所預測的方向。圍壓

圍壓增大，一方面增大了巖石的極限強度，另一方面增大了巖石的韌性。圍壓

增大脆性韌性圍壓對巖石力學性質(zhì)影響的原因在于,圍壓使固體物質(zhì)的質(zhì)點彼此靠近,增強了巖石的內(nèi)聚力,從而使巖石不容易破裂。上述情況表明,在近地表的部位,巖石中的圍壓較小,因此,巖石多表現(xiàn)為脆性,因而容易發(fā)生脆性破裂;而在地殼的深處,巖石處于一種高圍壓的環(huán)境,因而,巖石表現(xiàn)為韌性,甚至出現(xiàn)韌性流動,所以容易形成褶皺和韌性斷層。絕大多數(shù)巖石在近地表的常溫常壓的條件下是脆性的,隨著巖石所處深度的增加,溫度也隨之的升高,溫度的升高導致巖石的強度降低,彈性減弱,韌性顯著增強。玄武巖巖石實驗表明,在500MPa的圍壓下,25℃時玄武巖的強度極限為1500MPa,而在500℃時,玄武巖在100MPa的壓應力下就開始塑性變形,當溫度升至800℃時,則只需200MPa巖石就發(fā)生塑性變形了。礦物與巖石一樣,溫度升高,其彈性極限和抗壓強度明顯降低,容易發(fā)生塑性變形。對磁黃鐵礦在100MPa圍壓下的變形實驗表明,在25℃時,磁黃鐵礦的強度極限為550MPa,當溫度升至200℃時,礦物的彈性極限降至200MPa左右,當溫度升至300℃以上,只需幾十MPa就可使磁黃鐵礦發(fā)生顯著的塑性變形。巖石在地表多為脆性,到了一定深度隨著溫度的升高,巖石會從脆性向韌性過渡,因此,巖石的變形常把溫度和圍壓一起考慮。Heard提出了以發(fā)生破壞時的應變值達到3－5%作為巖石脆性和韌性行為的轉(zhuǎn)變,他對石灰?guī)r作的實驗,若以地殼巖石的平均壓力梯度為27MPa/km,平均地熱增溫梯度為25℃/km,則石灰?guī)r的脆性－韌性過渡在壓縮條件下將出現(xiàn)在地下3.5km處,而在拉伸條件下,將出現(xiàn)在15km處。

溫度增高對巖石力學性質(zhì)影響的原因時由于溫度升高時,巖石中質(zhì)點(分子)的熱運動增強,從而降低了質(zhì)點之間的內(nèi)聚力,使物質(zhì)質(zhì)點更容易位移。這就是為什么當溫度升高使,較小的應力也能使巖石發(fā)生較大的塑性變形的原因。高溫塑性變形形成的腸狀褶皺孔隙流體

一方面，孔隙流體的存在，可以降低巖石強度，促進巖石的塑性變形。

另一方面，孔隙流體產(chǎn)生的孔隙壓力，促使巖石易于發(fā)生脆性破裂并降低強度。巖石名稱抗壓強度(干)抗壓強度(濕)強度降低率%花崗巖193－213162－17016－20閃長巖123.510821.8煌斑巖18314312石灰?guī)r150.2118.521礫巖85.654.836砂巖87.15339頁巖52.220.460巖石在干濕條件下的抗壓強度孔隙流體——孔隙壓力在沉積物沉積時,一些流體被封閉在粒間孔隙內(nèi),沉積物被壓實后,其中部分液體被擠出,但大部分仍留巖石孔隙中和巖層中。這種巖石孔隙內(nèi)的流體的壓力稱為孔隙壓力。在正常情況下,地殼內(nèi)任一深度上孔隙水的流體靜壓力相當于這一深度到地表的水柱的壓力,約等于圍壓(靜巖壓力)的40%。由于快速沉積或構(gòu)造變動使沉積物快速壓實而孔隙水不能及時排出,可使孔隙壓力異常增大。

孔隙壓力Pp的作用在于,它抵消了圍壓Pc的作用,這時對變形起作用的是有效圍壓Pe:Pe=Pc－Pp因此,當巖石中存在有異常的孔隙壓力時,就產(chǎn)生了類似降低圍壓的效果,降低圍壓就等于降低了巖石的強度。Heard在大理巖變形實驗中發(fā)現(xiàn),當孔隙壓力為圍壓的90%時,壓縮條件下的脆性－韌性過渡將由原來的3.5km加深到5.5km。Robinson在對石灰?guī)r的變形實驗中發(fā)現(xiàn),巖石的孔隙壓力增大時,其強度隨之降低,并且降低的程度較明顯,產(chǎn)生應變軟化現(xiàn)象。應變軟化使巖石在屈服應力下變軟,因而巖石變形所需要的應力就減小,即使在較小的應力作用下,也可產(chǎn)生較大的變形。2、蠕變與松弛—概念時間

蠕變和松弛在低于巖石彈性極限下導致巖石發(fā)生塑性變形，相當與降低巖石彈性極限，韌性增大影響巖石力學性質(zhì)的各種因素

影響因素強度韌性圍壓增大增大增大溫度增大減小增大孔隙壓力增大減小減小孔隙流體增多減小增大應變速率減小減小增大第四節(jié)巖石變形的微觀機制一、脆性變形機制微破裂作用、碎裂作用和碎裂流——巖石是礦物的集合體,巖石的塑性變形是由巖石中礦物晶體單個晶體的晶內(nèi)滑動或晶粒間的相對運動所造成的。礦物具有由原子或離子在三度空間周期性的有規(guī)律的排列的結(jié)構(gòu),稱礦物晶格結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)中每個結(jié)點上的原子或離子在外力超過它們之間的內(nèi)聚力時,就會產(chǎn)生位錯滑移變形。礦物晶體的晶內(nèi)滑動是沿著一定的晶體結(jié)晶面和結(jié)晶方向進行的,礦物晶體的滑移面和滑移方向構(gòu)成了礦物晶體的滑移體系,不同的礦物有著不同的滑移體系,同一種礦物在不同的變形條件下,具有不同的滑移體系。礦物晶體的滑移面通常是原子和離子排列密度高的晶面,滑移方向則是滑移面上原子和離子排列最密集的方向。

二、塑性變形機制礦物晶體的晶內(nèi)滑移不僅使晶粒形態(tài)改變而發(fā)生塑性變形,還可使礦物晶體的結(jié)晶軸發(fā)生旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生定向排列。

礦物晶體的晶格位錯的傳播可以很形象地用移動地毯來說明,如果要拉動一張壓著許多家具的地毯,顯然要費很大力氣,同樣道理,沿著晶體內(nèi)的一個面要使大量原子同時發(fā)生滑動,也需要很大的力,以致會產(chǎn)生晶體破裂。如果先將地毯的一邊折成一個背拱,并慢慢使這一褶皺傳遞到相對應的另一邊(必要時把家具稍抬起一下),最終便可使地毯在地板上整體平移一個小段距離。這一過程需要的力不大,只是時間較長。同樣,礦物晶體中的晶格位錯在通過滑移面發(fā)生傳播時是通過額外半面的逐漸移動來完成的。最后,在滑移面一側(cè)的晶體相對于另一側(cè)的晶體發(fā)生了一個晶胞的位移,從而產(chǎn)生晶體的塑性變形。

動態(tài)重結(jié)晶作用：形成細小的新顆粒，即核幔構(gòu)造溶解蠕變：流體參與

擴散蠕變：通過空位運動和原子運動來實現(xiàn)。

體積擴散蠕變——納巴羅－赫林蠕變

晶界擴散蠕變——柯勃爾蠕變

顆粒邊界滑動：

T>0.5Tm，擴散速率大。

巖石可以發(fā)生很大變形，但晶粒本身無變形，因此無晶格優(yōu)選和形態(tài)優(yōu)選。

剪裂角

在巖石變形實驗中發(fā)現(xiàn),巖石受到擠壓力的作用,會在與擠壓力方向成一定交角的位置形成一對剪切破裂,由于這一對剪切破裂是受同一作用力而形成的,構(gòu)造地質(zhì)學中稱這一對剪切破裂為共軛剪切破裂。當巖石發(fā)生共軛剪切破裂時,包含最大主應力s象限的共軛剪切破裂面中間的夾角稱為共軛剪切破裂角（2θ）最大主應力軸s作用方向與剪切破裂面的夾角稱為剪裂角（θ）第五節(jié)巖石斷裂準則

二維應力狀態(tài)的應力分析可知,兩組最大剪應力作用面與最大主應力軸s1或最小主應力軸的夾角均為45°,二剪裂面之間的夾角為90°,二剪裂面的交線是中間應力軸s2的作用方向。但從野外實地觀察和室內(nèi)巖石實驗來看,巖石內(nèi)兩組共軛剪裂面的交角常以銳角指向最大主應力s1方向,即包含s1的共軛剪切破裂角常常小于90°,通常在60°左右,而共軛剪切破裂的剪裂角則小于45°,也就是說,兩組共軛剪裂面并不沿理論分析的最大剪應力作用面的方位發(fā)育,這個現(xiàn)象可用庫倫、莫爾強度理論來解釋。

根據(jù)巖石實驗,庫倫剪切破裂準則認為,巖石抵抗剪切破壞的能力不僅與作用在截面上的剪應力有關(guān),而且還與作用在截面上的正應力有關(guān),設產(chǎn)生剪切破裂的極限剪應力為t,可寫成如下關(guān)系式:

t=t0+msn

式中t0是當sn

=0時巖石的抗剪強度,在巖石力學中又稱內(nèi)聚力,

對于一種巖石而言t0是一常數(shù)。sn是剪切面上的正應力,當sn為壓應力時,sn為正值,t將增大;當sn為張應力時,sn為負值,t將減小;m為內(nèi)摩擦系數(shù),即為上述直線方程中的直線的斜率,如果以直線的斜角f表示,則m=tanf,因此,上式可寫成:

t=t0+sntanft=t0+sntanf

上式為庫倫剪切破裂準則的關(guān)系式,f為巖石的內(nèi)摩擦角。在s、t坐標的平面內(nèi),上式為兩條直線,,稱為剪切破裂線,該線與極限應力圓的切點代表剪切破裂面的方位及其應力狀態(tài)。從圖中可以看出,該切點并不代表最大剪應力作用的截面,而是代表略小于最大剪應力的一個截面。其上的壓應力值介于s1

、s3之間,并接近s3

值。說明該截面上的剪應力值比最大剪應力值略小,其上的壓應力值卻比最大剪應力面上的壓應力要小得多,因此,該截面阻礙剪裂發(fā)生的抵抗力也就小得多,所以,在這個截面上最容易產(chǎn)生剪切破裂。t=t0+sntanf

當巖石發(fā)生剪切破裂時,剪裂面與最大主應力軸s1的夾角(剪裂角)q=45°－f/2,共軛剪裂角為2q=90°－f。由此可見,剪裂角的大小取決于內(nèi)摩擦角(f)的大小,內(nèi)摩擦角小,剪裂角就大,內(nèi)摩擦角大,剪裂角就小。不同巖石的內(nèi)摩擦角是不同的,在變形條件相同的情況下,脆性巖石的內(nèi)摩擦角往往要大于韌性巖石的內(nèi)摩擦角。莫爾剪切破裂準則:

該準則認為,相當多材料的內(nèi)摩擦角f并不是一個固定的常數(shù),其破裂線的方程一般表達式為:tn=f(sn)

該破裂線稱莫爾包絡線,,它表現(xiàn)為曲線,包絡線各點坐標(sn,tn)代表各種應力狀態(tài)下在即將發(fā)生剪切破裂的截面上的極限應力值。由于f角是變化的,因而剪裂角q也是變化的,但仍小于45°。格里菲斯剪切破裂準則:

該準則認為,任何脆性材料,都存在大量的微小裂縫,脆性材料的斷裂就是由這些微小的、無定向裂縫擴展的結(jié)果。當材料受力時,在微裂縫周圍,特別是在裂縫尖端發(fā)生應力集中,使裂縫擴展,最后導致材料完全破壞。為此,格里菲斯提出了雙軸應力狀態(tài)下裂縫開始擴展的判別式:t2=4st

(st

－s)式中t為斷裂面上的剪應力,s為斷裂面上的正應力,