構造地質學-chap5-巖石力學性質課件

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構造地質學核資源工程學院主講教師謝焱石第五章

巖石力學性質基本概念巖石力學三軸實驗壓縮拉伸應力－應變圖解

e巖石變形強度的幾種圖解表示法

應力－應變速率圖解

è

應力（應變）－時間圖解t(e)

應力－深度圖解H巖石的變形行為彈性變形塑性變形胡克定律彈性模量屈服應力脆性變形（破裂）

實驗巖石學研究表明，巖石的材料性質主要有下列四種基本類型：彈性材料粘性材料（牛頓流體或線性粘性流體）塑性材料復合材料巖石的材料性質eE彈性材料

=Ee

或

=2

（1）

其中：E為揚氏模量，e為應變量，為內摩擦系數(shù)，為剪應變。

變形特征：象彈簧一樣發(fā)生變形。當應力消失后，材料完全復原到未變形狀態(tài)。

=2

或

=2

（2）

其中，為粘性系數(shù)，和分別為線應變速率和剪應變速率。變形特征：象牛頓流體（蜂蜜體）一樣發(fā)生流動變形，應力越大，流動越大；應力消除，流動停止，但不能復原到未變形時的狀態(tài)。2粘性材料S

或

K或y

（3）其中，K為屈服應力。變形特征：產(chǎn)生永久變形，當應力消除后部分復原，大部分保留變形時的狀態(tài)。e塑性材料彈塑性體、彈粘性體、粘塑性體等ey復合材料影響巖石變形的因素☆物質組成☆結構構造☆溫度☆壓力☆流體☆

時間☆

應變速率影響巖石變形的因素物質組成影響巖石變形的因素結構構造

——導致巖石的各向異性影響巖石變形的因素壓力——圍壓的影響增大巖石的極限強度增大巖石的韌性影響巖石變形的因素溫度溫度的升高常使材料的韌性增大、屈服極限降低影響巖石變形的因素孔隙流體可使巖石強度降低促進礦物在應力作用下的溶解遷移和重結晶，從而促進了巖石的塑性變形。另一方面，產(chǎn)生孔隙流體壓力的效應。巖石孔隙內流體的壓力稱為孔隙壓力?？紫秹毫Φ窒瞬糠挚倯Γ瑥亩档土擞行д龖?。類似降低了巖石圍壓。貴州烏江電站水力破裂影響巖石變形的因素時間因素應變速率的影響蠕變與松弛影響巖石變形的因素應變速率的影響應變速率的降低，使材料屈服極限降低，變成韌性。影響巖石變形的因素蠕變與松弛在恒定應力作用下，應變隨時間持續(xù)增長的變形稱為蠕變。在恒定變形情況下，巖石中的應力也可以隨時間不斷減小，這一現(xiàn)象稱為松弛。影響巖石力學性質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溶液增多減小增大應變速率減小減小增大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說明。這是指在相同的變形條件下，能干的巖石比不能干的巖石不易發(fā)生粘性流動。能干性差異的判斷方法1．有限應變狀態(tài)的對比若兩種巖石經(jīng)歷了相同的應變史，則能干的巖石比不能干的巖石將發(fā)生較小的有限應變。因而通過巖石有限應變狀態(tài)對比，可獲得不同巖石類型的能干性差異。2．劈理折射的對比劈理在兩種不同的巖性界面上發(fā)生折射，在能干性較低的巖層中劈理與層面的夾角小，相反，在能干性較高的巖層中劈理與層面的夾角大。3．香腸構造的對比香腸構造的出現(xiàn)可以說明構造變形時香腸體是較能干的，而基質的能干性較低。并且在同一種基質中不同能干性香腸體的幾何特征不同，矩形石香腸體巖石比脹縮石香腸體巖石能干性高。4．褶皺形態(tài)的對比能干層褶皺的形態(tài)與褶皺層對基質的能干性差異有關。對同一種基質中同一厚度的不同巖性的能干層來說，能干性高者具有較大的初始波長，能干性低者具有較小的初始波長。兩種不同能干性巖層界面往往形成尖-圓褶皺，尖—圓褶皺的尖指向能干性高的巖層。巖石的能干性排序應用以上方法，可以在一定地區(qū)內，建立起巖石能干性的定性排序表(表5-4)。巖石變形的微觀機制脆性變形機制微破裂作用碎裂作用碎裂流塑性變形機制由于巖石的流變特性及其顯微構造、組成礦物的性質及變形條件等的不同，會有多種不同的變形機制。巖石是一種多晶集合體，其塑性變形絕大多數(shù)是由單個晶粒的晶內滑動或晶粒間的相對運動(晶粒邊界滑動)所造成的。微破裂作用在一定的條件下，巖石內部的某些部位容易造成應力集中而形成微破裂。造成應力集中的因素：具有不同熱膨脹系數(shù)的礦物組成的巖石經(jīng)歷溫度的變化；變形過程中相鄰顆粒點接觸部位的互相楔入；礦物包裹體或孔隙尖端受應力作用；顆粒內的位錯和雙晶運動不足以調節(jié)應變。碎裂作用在應力作用下，微破裂擴展，互相連接。在拉伸條件下，擴展成宏觀破裂、并局部密集成帶，使巖石沿斷裂或斷裂帶破裂成碎塊，形成高度破碎的巖石碎塊和粉晶集合體。這一過程稱為碎裂作用。碎裂流當差應力足夠大時，高度破碎的巖石碎塊和粉晶重復破碎，粒徑不斷減小，相互之間產(chǎn)生相對摩擦滑動和剛體轉動，因而，整體上能承受大的變形和相對運動。這種變形過程稱為碎裂流。碎裂流動過程中，形成很多空隙，經(jīng)常被流體攜帶的硅質和碳酸鹽物質充填，并可能卷入后續(xù)碎裂作用。因而大多數(shù)碎裂巖、角礫巖含有石英脈或碳酸鹽脈的角礫。塑性變形機制——晶內滑動晶內滑動是沿晶體一定的滑移系發(fā)生的，即沿某一滑移面的一定方向滑移。滑移系是由晶體結構決定的，滑移面通常是原子或離子的高密度面，滑移方向則是滑移面上原子或離子排列最密的方向。在超微的原子尺度上，晶體的整個滑移面上并沒有同時發(fā)生滑動，只是在一個小的應力集中區(qū)(晶體缺陷)首先發(fā)生。然后，這個滑移區(qū)沿著滑移面擴張，直到最后與晶粒邊界相交，在那里產(chǎn)生個小階梯為止。滑移區(qū)與未滑移區(qū)之間的界線是位錯線。塑性變形機制——位錯滑動塑性變形機制——位錯蠕變這是高溫下的一種變形機制，當溫度T＞0.3Tm(Tm為熔融溫度)時，位錯可以比較自由地擴展且從一個滑移面攀移到另一個滑移面。從而符號相反的兩個位錯可以通過攀移而互相湮滅；符導相同的位錯可以置新排列成位錯壁，將一個晶粒分隔為亞晶粒。塑性變形機制——動態(tài)重結晶作用在初始變形晶粒邊界或局部的高位錯密度處，儲存了較高的應變能，在溫度足夠高的條件下，形成新的重結晶顆粒，使初始變形的大晶粒分解為許多無位錯的細小的新晶粒。如果大晶粒還沒有分解完，就形成了細小的新顆粒，即核幔構造。塑性變形機制——擴散蠕變擴散蠕變是通過晶內和晶界的空位運動和原子運動來改變晶粒形狀的一種塑性變形機制。2種擴散路徑：晶格內部→體積擴散蠕變晶粒邊界→晶界擴散蠕變空位原子差異應力高壓區(qū)低壓區(qū)固態(tài)擴散蠕變塑性變形機制——溶解蠕變溶解蠕變也稱壓溶，是一種有流體參與的塑性變形過程：物質在高壓應力區(qū)溶解，通過流體遷移，在低壓應力區(qū)沉淀，從而造成塑性變形。溶出物質可以在巖石的張性裂隙中沉淀，形成同構造脈；在被壓溶顆粒的兩端張性空間處沉淀，形成須狀增生晶體；沉淀于強硬礦物的平行于拉伸方向兩端，形成壓力影構造。遷移出體系之外。由于壓溶作用，可以便巖石在壓縮方向縮短，拉伸方向伸長，使總體發(fā)生變形，但礦物內部晶格并沒有發(fā)生塑性變形，晶格方位也不會改變。它是巖石變形中很重要的一種變形機制，在不變質或淺變質巖區(qū)尤其顯著。塑性變形機制——顆粒邊界滑動顆粒邊界滑動是通過顆粒邊界之間的調整來調節(jié)巖石總體變形的一種變形機制。只有在晶粒很細的巖石中(粒度在幾微米到幾十微米范圍內)，在很高的溫度下(T＞0.5Tm)，擴散的速率能夠及時調節(jié)由于晶粒相互滑動而產(chǎn)生的空缺或疊復時，才能實現(xiàn)顆粒邊界滑動。這種變形機制稱為超塑性流動，它可以便巖石總體受到極大的應變(量)但不發(fā)生破壞。巖石破裂準則在巖石斷裂（外力作用使巖石中產(chǎn)生不連續(xù)面）時的極限應力狀態(tài)下，各點極限應力分量所應滿足的條件稱為斷裂條件或斷裂準則。庫侖－莫爾準則格里菲斯準則摩擦滑動準則（拜爾利準則）庫侖－莫爾準則莫爾包絡線：指材料破壞時的各種極限應力狀態(tài)應力圓的公切線。判別條件：當一點的應力狀態(tài)的應力圓與莫爾包絡線相切，這點就開始破裂。所以，有時也將莫爾包絡線稱為破壞曲線。水平直線型莫爾包絡線斜直線型莫爾包絡線拋物線型莫爾包絡線巖石剪裂面與最大主壓應力軸之間的關系水平直線型莫爾包絡線包絡線方程：其中，τ0為抗純剪斷裂極限，也稱巖石的內聚力。上式表明，最大剪應力為常量τ0

。即達到材料的抗剪強度極限時開始斷裂，故亦稱其為最大剪應力理論。這一理論最初是由庫倫提出，所以也稱庫倫斷裂準則。此時，θ=45°。適用于塑性材料或高圍壓情況。斜直線型莫爾包絡線包絡線方程：σn——作用于該剪切面上的正應力，μ——內摩擦系數(shù)，內摩擦角。兩個切點代表了共軛剪裂面的方位和應力狀態(tài)：可見，剪裂角θ大小取決于巖石變形時內摩擦角的大小。該理論適應面較廣，應用也較為簡單。常見巖石的剪裂角如下：不同圍壓下巖石發(fā)生剪切破裂時的莫爾包絡線A—砂巖；B—頁巖斜直線型莫爾包絡線這一理論是納維葉(Navier)修正庫倫準則而得出的剪斷裂條件，故也稱為庫倫—納維葉斷裂準則。利用這一理論，王維襄等(1980)創(chuàng)立了一種根據(jù)扭性(剪切)分支構造判斷主干斷裂運動方向的示向法則，可稱為扭性分支示向法則。該法則可簡述如下：以扭性分支為起始方向，并按其扭動方向轉動一個θ角，所得方向線與主干斷裂所交銳角指示本盤運動方向。拋物線型莫爾包絡線包絡線方程：σI——材料在各向等值拉伸條件下的抗張斷裂極限。按照這一準則，剪裂角可表達成：拋物線型莫爾包絡線拋物線型莫爾包絡線理論又稱王維襄準則。可以看出，剪裂角不僅與物性參數(shù)(τ0，σI)有關，而且與各點極限應力狀態(tài)有關。即使在同一種巖石中，由于各處極限應力狀態(tài)不同，也可以形成不同的剪裂角。從野外地質調查與室內物理模擬實驗結果來看，王維襄準則更接近實際斷裂情況。當2θ＝0時，兩剪斷裂合并成一條張斷裂。從而表明該準則既能反映剪斷裂力學條件，也能反映張斷裂力學條件。包絡線方程（拋物線型莫爾包絡線）:主要是考慮到巖石中與多微裂隙的存在。