講6巖石力學性質(zhì)

第五章巖石力學性質(zhì)巖石力學性質(zhì)是巖石受力作用下的反映。巖石力學性質(zhì)是指巖石變形特征及巖石的力學強度。巖石變形與巖石本身力學性質(zhì)有密切關系。脆性變形韌性變形為什么要研究巖石的力學性質(zhì)？巖石力學性質(zhì)研究的途徑（1）觀察天然巖石的力學現(xiàn)象（天然露頭等）；（2）實驗室內(nèi)對巖石進行變形實驗；（3）在野外對巖體進行實地試驗；（4）理論分析和數(shù)值模擬。塑性變形脆性變形天然巖石變形0.1MPa高溫流變儀樣品裝置示意圖實驗室?guī)r石變形實驗σ1σ2=σ3=圍壓σ1=σ2=圍壓σ1σ3σ3差應力（differentialstress）σ=σ1-σ3在受到外界應力作用時，固體材料的力學響應具有很大變化性。即使對某種特定的材料，它的力學響應也要取決于變形的物理和化學條件。目前，人們將材料的力學響應主要劃分為彈性（elastic）、粘性（viscous）和塑性（plastic）等類型。巖石力學性質(zhì)的一些基本概念（一）彈性變形：指物體在外力作用下變形，當外力除去后物體能完全恢復原狀。具有這種性能的物體稱為彈性體，它的變形稱為彈性變形。彈性分理想彈性和非理想彈性。理想彈性體的變形是可逆過程，它的應力與應變之間有一個確定的單值關系，符合虎克定律：

σ=Ee

其中E為楊氏彈性模量。巖石變形的應力－應變曲線非理想彈性體的變形：受力不立即產(chǎn)生全部彈性變形，而是隨著時間的延長逐漸增大彈性變形到應有的值；當撤除外力后，也不立即恢復原狀，而是隨時間延長逐漸恢復原狀。這種現(xiàn)象稱為彈性后效（即滯彈性）。巖石彈性變形通常表現(xiàn)為滯彈性（anelastic）。巖石的滯彈性具有重要意義，上地幔的地震波衰減就被認為與巖石的滯彈性有關。滯彈性（anelastic）巖石變形的應力－應變曲線隨著變形繼續(xù)，應力－應變曲線斜率變小，這時如果撤除應力，曲線并不回到原點，而與e軸交于e1，說明試樣由于超出其彈性極限而發(fā)生了永久變形。這個極限點的應力叫屈服應力σy（yieldstress）。

塑性變形是指物體在外力施加的同時產(chǎn)生變形，但在外力解除之后，變形永遠不會自動恢復的這種性能，具有這種性能的物體稱為塑性體，它的變形稱為塑性變形。在應力不超過某一臨界值σy的條件下，理想塑性材料可以持續(xù)永久變形，在這一臨界值之下，材料不發(fā)生變形。巖石力學性質(zhì)的一些基本概念（二）巖石變形的應力－應變曲線巖石變形的應力－應變曲線σy理想塑性材料的力學行為巖石變形的應力－應變曲線巖石變形的應力－應變曲線

韌性和塑性區(qū)別韌性（延性）是用來描述允許大應變，以宏觀均質(zhì)變形為特征，而不管所包括的微觀變形機制如何的流變性質(zhì)。塑性是一種永久變形，它涉及晶內(nèi)的位錯運動的微觀機制，可能還包括擴散。巖石變形機制通常有三種：（1）碎裂機制（cataclasis）；（2）晶內(nèi)塑性（intracrystallineplasticity）（3）物質(zhì)擴散流動（flowbydiffusivemasstransfer）脆－韌性轉(zhuǎn)化－從宏觀上描述脆－塑性轉(zhuǎn)化－從微觀機制上描述脆－塑性轉(zhuǎn)換域是一個十分重要的問題，地球上大部分地震都發(fā)生在脆－塑性轉(zhuǎn)換域的深度。世界上一些地區(qū)地震震源深度分布柱狀圖（據(jù)Maggietal.,2000a）巖石力學性質(zhì)的一些基本概念（三）流體粘性是流體內(nèi)部各流層之間相對滑動時，層面間存在一種內(nèi)摩擦效應。流體沿著x方向流動的n個不同流層。它們的流速?是y的函數(shù)，?在y軸方向的變化率稱為速度梯度，d?/dy。同一位置上的剪應力（摩擦阻力）與速度梯度呈正比關系τ=ηd?/dyη粘度（Pa·s）（1）式中可作下列變換（1）改寫為（1）、（3）式稱為線性粘性定律（牛頓粘性定律），服從牛頓粘性定律的材料稱為牛頓流體（或線粘性流體）。具牛頓粘性變形稱為粘性流體變形。（2）（1）（3）（4）理想粘性材料的力學行為彈塑性變形—指有些物體同時具有彈性和塑性的性能。在彈塑性變形中，有一部分是彈性，其余為塑性變形。既具有彈性，又能發(fā)生粘性流動的材料，稱為粘彈性，它所表現(xiàn)的力學性質(zhì)，稱為粘彈性。如蛋清就是一種粘彈性體。巖石在長期力作用下是一種同時具有彈性和塑性的物質(zhì)，這種彈性和塑性是指在彈性范圍內(nèi)顯現(xiàn)的彈性和塑性；當巖層具有高度塑性時還能發(fā)生半粘性流動。巖石也是一種粘彈性體，它不像蛋清這樣明顯，這主要是它的流動需要在長時間載荷下表現(xiàn)出來。對于固體或流體而言，溫度越高，粘度越低，反映易流動性越大。巖石具有非常緩慢的流動性。粘度是衡量地球動力學的一個重要參數(shù)。近代，人們把物體所有這些力學性質(zhì)概括為物質(zhì)的流變性（rheologicalproperties），并形成一門新興學科－流變學（rheology）流變學是研究固體物質(zhì)流動的科學。因此，從近代地球科學觀念來看，地球物質(zhì)具有流變性。把研究地球物質(zhì)流動性質(zhì)和規(guī)律的科學，稱為“地球流變學（RheologyofEarthMaterials）”。影響巖石力學性質(zhì)的因素應力→應變→巖石力學性質(zhì)

→影響因素應力和應變是巖石或地塊在外界力影響下的重要響應。應力是物理方面的反映之一，應變是幾何學方面的反映之一；巖石力學性質(zhì)－是指在應力和應變作用下，巖石出現(xiàn)塑性變形或脆性變形（破裂）的條件；巖石力學性質(zhì)是約束巖石變形和構(gòu)造幾何特征的重要條件。例如同樣的壓應力作用在不同巖層上，力學表象不同： 在柔性巖層中→褶皺構(gòu)造 在相對硬巖層中→斷裂構(gòu)造 在軟硬相間巖層中→香腸構(gòu)造影響巖石力學性質(zhì)的因素各向異性對巖石力學性質(zhì)的影響；圍壓對巖石力學性質(zhì)的影響；溫度對巖石力學性質(zhì)的影響；孔隙流體對巖石力學性質(zhì)的影響；時間因素對巖石力學性質(zhì)的影響?？傊?，巖石的變形是環(huán)境、時間和材料的函數(shù)。巖性和各向異性的影響巖石組成的成分不同的影響；不同巖石具有不同的力學強度，例如花崗巖的擠壓強度是頁巖擠壓強度的8倍；巖石的結(jié)構(gòu)構(gòu)造不同（層理引起的力學各向異性）；不同巖石剪切破裂角有明顯變化。巖石材料分類巖石材料在力學上可以分為均勻和非均勻材料。均勻材料在力學上是各向同性的或各向異性的。力學性質(zhì)各向異性是指物體內(nèi)同一點各個方向上力學性質(zhì)不同。橄欖石單晶體圍壓對巖石力學性質(zhì)的影響增大圍壓的效應有兩方面：增大了巖石極限強度；增大了巖石的韌性。溫度的影響溫度使影響巖石力學性質(zhì)和流變強度的一個重要因素。溫度的升高使巖石的韌性增大，屈服強度降低；溫度升高和圍壓增加，導致巖石從脆性向韌性過渡，孕育著發(fā)震層；溫度對瀝青的變形強度影響是一個很生動的例子（夏天的瀝青和冬天的瀝青強度大不一樣）孔隙流體的影響孔隙流體對巖石力學性質(zhì)影響表現(xiàn)為兩個方面：物理方面影響和化學方面影響。當巖石中流體含量增加時，巖石強度降低。流體促使礦物在應力作用下的溶解和重結(jié)晶，從而促使塑性變形；產(chǎn)生孔隙流體壓力效應：地殼中流體孔隙壓力（靜水壓力）為靜巖壓力的40％。在變形過程中孔隙壓力（Pp）的作用會抵消圍壓（Pc）的作用，對變形實際起作用時有效圍壓（Pe）Pe=Pc-Pp有效壓力（Pe）降低，使巖石易于破裂，強度降低?？紫秹毫π獙r石破裂的影響莫爾圓I－代表孔隙壓力為零時應力狀態(tài)，巖石是穩(wěn)定的，未破裂；莫爾圓II－總正應力（橫坐標）不變，σe正應力減小，σe=σ-σc，巖石發(fā)生破裂。流體的化學反應和水弱化作用硅酸鹽礦物在高壓和高溫條件下的水弱化作用

[Si-O-Si]+H2O→X→2[SiOH](Freiman,1984) X是活化了的化合物。水弱化結(jié)果：產(chǎn)生大量擴張應變，誘發(fā)裂紋尖端高應力；Si-O共價鍵被H-O代替，加速巖石塑性變形；H-O鍵加速熱力學的反應；H2O含量增加，降低巖石熔點，加速熔體弱化。時間影響因素與實驗室?guī)r石力學研究不同，地質(zhì)條件的巖石變形時間很長，一個造山帶變形要經(jīng)歷幾百萬年才完成。應變速率的影響（?=ε/t）?降低，材料強度降低，向韌性方向轉(zhuǎn)變（例如用不同?

沖擊瀝青，變形結(jié)果是不一樣的）隕石的碰撞或地震是快速?阿爾卑斯山變形速率10-12/s-10-14/s左右時間對巖石蠕變和松弛的影響蠕變是在恒定應力作用下，應變隨時間持續(xù)增加的變形。蠕變的結(jié)果在低于巖石彈性極限的情況下使巖石產(chǎn)生永久變形。松弛是在恒定變形情況下，巖石中應力隨時間增長不斷減小。松弛的結(jié)果：使部分彈性變形轉(zhuǎn)化為永久變形，相當于降低了巖石的彈性極限。蠕變和松