第章 影響巖石力學(xué)性質(zhì)及

第三章（三）影響巖石力學(xué)性質(zhì)及巖石變形的因素

巖石的力學(xué)性質(zhì)并不是固定不變的，主要決定于巖石本身的成分、結(jié)構(gòu)和構(gòu)造等，但巖石所處的外界地質(zhì)環(huán)境因素，包括圍壓、溫度、溶液和應(yīng)力作用時間及變形速度等，都對巖石的力學(xué)性質(zhì)以致巖石變形有著明顯的影響。本章主要闡述外界因素的影響。2023/9/51一、圍壓

地殼巖石的圍壓(靜巖壓力)隨埋深的增加而增高，兩者大體呈線性關(guān)系。非均勻的各向壓縮能增強(qiáng)巖石的彈、韌性，并提高巖石的強(qiáng)度。通常在地殼表面顯示脆性較強(qiáng)的巖石，在地下深處圍壓較大的條件下可以呈高度的韌性。巖石在圍壓作用下力學(xué)性質(zhì)的變化，已有不少實(shí)驗(yàn)結(jié)果。這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明隨著圍壓的提高，巖石逐漸從脆性過渡為韌性。在溫度不變的條件下，隨著圍壓的提高，碳酸鹽巖石的永久變形明顯逐漸增大(圖5-2)，且其彈性極限和強(qiáng)度極限的提高很明顯。對于不同的礦物也有類似的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如磁黃鐵礦和閃鋅礦，前者相對脆性·，增大圍壓的影響主要反映在彈性極限和強(qiáng)度極限的提高;后者相對塑性，提高圍壓使得礦物的永久變形明顯增加(圖5-1)。2023/9/52圖5-1不同圍壓下礦物的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖(據(jù)BlUCe，1973)a－磁黃鐵礦;b－閃鋅礦

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圍壓影響巖石力學(xué)性質(zhì)的原因在于高圍壓下使晶體凝聚力增大，質(zhì)點(diǎn)彼此接近，其晶格不易破壞，即不易發(fā)生斷裂，只能滑移，故表現(xiàn)為塑性變形。圖5-2不同圍壓下大理巖壓縮的應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖(據(jù)Paterson，1978)2023/9/54二、溫度

隨著溫度增高，可以使常溫常壓下脆性的巖石，變得強(qiáng)度降低，彈性減弱，塑性增大，韌性增強(qiáng)，易于變形。也就是說，提高溫度，加速了巖石由脆性向韌性的轉(zhuǎn)化。但是，影響的程度隨巖性不同有所差異。2023/9/55礦物同巖石一樣，溫度升高，彈性極限和抗壓強(qiáng)度明顯降低，易于形成塑性變形。圖5-4中的磁黃鐵礦和閃鋅礦在圍壓固定，溫度從25℃、100℃、200℃、300℃、400℃到500℃逐漸升高的情況下，彈性極限等也逐漸降低，并且溫度升的越高，降得越快。

溫度影響巖石力學(xué)特性的原因在于，隨著溫度的升高，晶體質(zhì)點(diǎn)的熱運(yùn)動增強(qiáng)，質(zhì)點(diǎn)間的凝聚力就減弱，質(zhì)點(diǎn)容易位移;從而降低了巖石的彈性極限與強(qiáng)度極限，提高了巖石的塑性和韌性。2023/9/56圖5-4在圍壓100MPa和不同溫度作用下磁黃鐵礦(a)和閃鋅礦(b)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(據(jù)Bruce，1973)2023/9/57三、溶液

溶液和水汽能滲入到巖石的內(nèi)部，引起巖石的力學(xué)性質(zhì)兩個方面的變化:一方面是降低了巖石的彈性極限，提高了巖石的塑性，使巖石軟化。White(1980)認(rèn)為孔隙液體有促成剪切軟化的作用，從而改變了巖石的力學(xué)性質(zhì)，使之韌性提高;另一方面，在構(gòu)造應(yīng)力作用背景下，溶液特別容易促使重結(jié)晶作用的產(chǎn)生，造成礦物溶解和新礦物的形成。2023/9/58

據(jù)Griggs在圍壓為1000MPa及不同的溫度條件下，用大理巖壓縮實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明，在溫度條件相同時(150℃)，濕性比干性的大理巖更容易發(fā)生塑性變形。若使之產(chǎn)生10％始的變形量。所需要的壓應(yīng)力，對于干的大理巖是300MPa，對于濕的大理巖只需要200MPa就夠了(圖5-5)(據(jù)Griggs，1951)。表5-1列舉了巖石在濕性條件下抗壓強(qiáng)度不同的降低率，不難看出，濕性條件對抗壓強(qiáng)度的影響是非常明顯的。2023/9/59石英在1400MPa圍壓下，干性和濕性兩種情況所測得的應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖(圖5-6)中A－D條曲線表示在干性條件下，隨著溫度不斷升高，石英的彈性極限依次降低，塑性相應(yīng)增大。在干性條件下，950C的曲線應(yīng)在C與D之間，但在濕性條件下，950℃曲線E卻降到曲線D之下，說明強(qiáng)度大大降低了。溶液影響巖石力學(xué)性質(zhì)的原因在于，溶液的加入使分子的活動力加強(qiáng)，由于水具有一定的勢能，可以進(jìn)入晶體結(jié)構(gòu)。對石英來說，就可打破Si－O的束縛，使分子間的凝聚力減小，從而降低巖石的強(qiáng)度。2023/9/510圖5-5溶液和溫度對大理巖變形影響的應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖(Griggs，圍壓為1000MPa)2023/9/511圖5別－6渡溶液卵和溫寧度對石英變形漆影響智的應(yīng)沫力-猜應(yīng)變隙曲線男圖(圍理壓為領(lǐng)1400蕉MP戚a)20犬23柜/7參/112四、赴孔隙雹壓力在地咳殼巖牙石中泥，常兆有孔傷隙流掙體存請在?；爝@種擦孔隙也流體筐的壓乳力稱脊為孔歉隙壓貓力或徹孔隙刮液壓靈。存縣在于悟巖石臺中的擴(kuò)流體疤可以蓄促進(jìn)警巖石伙的重虧結(jié)晶更作用薪，并芹影響株巖石腎的變姜形。環(huán)如果栽不透希水層家阻擋含水隙層中嚷的孔男隙流徹體流物出，親巖石龍中的需孔隙歐壓力搖就會違加大謎。孔奴隙壓悠力的灶存在燃抵消故了部疼分圍甚壓的槽影響竹。即溝有效割圍壓肢(Pe)為圍變壓(Pc)與孔遍隙液構(gòu)壓(Pp)之差幕:Pe=番Pc－Pe……耀……葵……外….栗.(斯5-剩1)因此再;孔隙隙壓繼力的響存在引也降低了巖塵石的強(qiáng)度，使銅得巖息石易碑于發(fā)豪生脆誕性破訓(xùn)壞。20秋23鄙/7虛/113五、告時抓間1、宣蠕變?nèi)舯３窒磻?yīng)力盞不變唯，應(yīng)岡變則啊隨時至間的泰增長捏而逐哨漸加顯大，么這種庭現(xiàn)象省稱蠕則變。20標(biāo)23榮/7稈/114典型洽的蠕脆變過乒程可湖以分柄三個厭階段協(xié):第察一階盆段稱過渡額蠕變階段袖(圖旬5-職9中旱的曲鹿線ａ的AB段)放，其應(yīng)變輝速率從不斷姨減小，達(dá)蠢到B點(diǎn)時模為最瓦小值袋;第烏二階購段稱平穩(wěn)跌蠕變階段興，或浪定常英蠕變碑階段當(dāng)，即飛曲線也ａ的BC段，憑其應(yīng)顯變速弓率大膚致保阻持一寺定，護(hù)這也昏是應(yīng)炊變速烏率最謝小的刊一個偶階段修;第定三階漿段為加速逢蠕變階段伯，即客曲線掛ａ的CD段，塊隨完著時沸間的震增長與，其匪應(yīng)變窮速率糞顯著大加快漁，由狼于試北件頸合縮的左緣故俗，到妄達(dá)D點(diǎn)后喊試件音破壞等。20路23雀/7理/1152、捕松弛若保固持變棒形不尊變，藏而應(yīng)鉤力隨型時間畏的增冬長逐矩漸減螞小，酒這種葡現(xiàn)象劣稱為音松弛。從辭典型王的松餅弛曲紐奉線圖麻上(競圖５林-1令0)率可見潛，松避弛過示程分斧兩個隱階段臟，第鄰一階摟段(獅即AB線段沃)的餐應(yīng)力槍迅速貴減小翅，松相馳急優(yōu)劇下掌降;鞋第二猶階段茶(即BC線段悟)的嫩應(yīng)力切減小朝速度夸緩慢亂，松曲弛速甘度逐敘漸下術(shù)降，膨并趨藏于某勻一極屯限值銅。圖5永－9幕蠕變征曲線A－典型菜蠕變撇曲線會ｂ－頃低溫炕低應(yīng)媽力下途的蠕辣變曲避線;C－高遇溫高喂應(yīng)力所下的聾蠕變域曲線圖5旅－1寒0果松弛遺曲線20全23柴/7揀/116(表淚中“詢+”看示提啄高、敏增強(qiáng)柜;“斯－”千示稱降低恨、減度弱，巖石物性影響因素強(qiáng)度彈性塑性韌性增大圍壓＋＋＋＋增高溫度－－＋＋增加溶液－－＋＋長期施力－－＋＋表5撇-2德概括貝列出沈圍壓豬、溫妨度、慈溶液難和時驚間諸艦因素寒對巖石纏物理磁性質(zhì)鳴的影圓響。表5蛙-2籍各種桐因素梳對巖干石物陳理性塊質(zhì)的的影響20需23天/7立/1173、致快速吼施力表、緩系慢施寸力與慣重復(fù)圍施力竹對巖笛石變提形的葉影響(一牛)、凍快速杜施力詢與緩?fù)嘎橇焖贆C(jī)施力可，可邊加快蛛巖石騎變形營速度編，降統(tǒng)低巖摟石的卡塑性升，使炮塑性班變形怖階段拴縮短這，甚哀至完嚇全沒蹤蝶有，搭表現(xiàn)投為脆懶性變籌形。鴿反之姻，緩迎慢施警力，嘩會提鞋高巖躁石的謙塑性沉，則倦脆性殖物質(zhì)疊也能弄表現(xiàn)絲式出顯傾著的攝塑性朵變形榜，抗修剪強(qiáng)知度相燦對降刻低，動易于網(wǎng)剪裂蟲。巖石橋受到盤長時撫間力暢的緩質(zhì)慢作總用，桂質(zhì)點(diǎn)幻玉就會毯有充知分時騙間進(jìn)肚行重索新排伴列，刻而變欄形也香有充叫分時率間固折定下駝來，前于是算產(chǎn)生坦永久際變形溉。當(dāng)尤快速誦變形絹時，花質(zhì)點(diǎn)淡來不扶及重蝴新排佛列，膀就產(chǎn)必生破田裂，允尤其現(xiàn)易于辰產(chǎn)生挎張破課裂。20斯23盜/7淺/118(二數(shù))重歸復(fù)施自力巖石屋重復(fù)假施力認(rèn)，即素使作野用力煉不大陪，也殼能使膏巖石纏破裂錯。圖和5-落12拴表示躁一種器金屬聯(lián)破裂熄時的位應(yīng)力朋與發(fā)煌生破抓裂所站需加掘力次校數(shù)之濃間的念關(guān)系航。由藍(lán)圖上炸可見膠，當(dāng)葬力的兄作用頭次數(shù)抽增加嘗時，器破裂經(jīng)時的乎應(yīng)力秘就降扭低，搬及至桿降低降到圖盲上曲井線呈絹水平恢狀態(tài)軍，這茫時應(yīng)扮力代闊表物民體重樂復(fù)受儀力情茅況下叮發(fā)生物破裂糖的最傘低限曲度，欠稱為幟疲勞泄極限應(yīng)或耐頭力極沙限，絹低于揚(yáng)該極前限的干應(yīng)力奇，即謙使物烤體受向力次爪數(shù)再霞多，抓也不宏能使珠其