第六章 巖石變形習(xí)性教材

第六章巖石變形習(xí)性

第一節(jié)巖石變形習(xí)性一、變形階段：彈性變形階段：

非永久變形,虎克定律塑性變形階段：

永久變形,連續(xù)斷裂變形階段：

永久變形,不連續(xù),破裂y'yP12破裂塑性變形區(qū)彈性變形區(qū)eee巖石變形應(yīng)力－應(yīng)變曲線巖石變形的應(yīng)力－應(yīng)變曲線（1）彈性變形（2）塑性變形（3）破裂變形巖石變形的一般化應(yīng)力－應(yīng)變曲線根據(jù)材料在破裂前塑性變形的應(yīng)變量可以把材料分為脆性材料（<5%）、韌性材料（>10%)、韌－脆性材料（5~7.5%）和脆－韌性材料（7.5~10%)。y'yP12破裂塑性變形區(qū)彈性變形區(qū)eee一、巖石的變形階段

脆性和韌性巖石的變形一般都經(jīng)歷彈性變形、塑性變形和破裂變形三個(gè)階段。由于受到巖石自身的力學(xué)性質(zhì)、邊界條件、物理化學(xué)條件、外力的性質(zhì)等因素的影響，不同巖石的這三個(gè)階段各不相同。大理巖在擠壓應(yīng)力作用下的變形實(shí)驗(yàn)結(jié)果二、巖石的脆性破裂共軛剪裂角——剪裂角—為什么剪裂角小于45

（一）庫(kù)侖-莫爾破裂準(zhǔn)則當(dāng)一點(diǎn)應(yīng)力狀態(tài)的與應(yīng)力莫爾圓與莫爾包絡(luò)線相切時(shí)，巖石在該點(diǎn)處開始破裂。巖石首先沿著與最大主應(yīng)力軸呈45o和135o的截面破裂，兩組破裂面應(yīng)相互垂直。對(duì)于塑性材料或高圍壓情況比較合適。（三）莫爾剪切破裂準(zhǔn)則巖石抵抗剪切破裂的能力不僅與作用在截面上的剪應(yīng)力有關(guān)，還與該截面上的正應(yīng)力有關(guān)。為此引入內(nèi)摩擦角（j）的概念，巖石沿著與最大主應(yīng)力軸分別呈45o－j/2和135o－j/2夾角的兩個(gè)剪面破裂。（四）格里菲斯準(zhǔn)則巖石中隨機(jī)分布的大量微裂隙對(duì)巖石的破裂強(qiáng)度有顯著影響，這些微裂隙可以近似地看作扁平的橢圓形裂隙。麥克林托與華西（1962）又作了修正。平面格里菲斯莫爾包絡(luò)線格里菲斯莫爾包絡(luò)線修正的格里菲斯莫爾包絡(luò)線八、巖石的破裂準(zhǔn)則三、巖石變形的微觀機(jī)制1．脆性變形機(jī)制－－微破裂作用、碎裂作用和碎裂流巖石中固有的微裂隙引起應(yīng)力集中，從而導(dǎo)致脆性破裂。2．塑性變形機(jī)制－－晶內(nèi)滑動(dòng)和位錯(cuò)滑動(dòng)、位錯(cuò)蠕變（邊界形化作用、動(dòng)態(tài)重結(jié)晶作用和核幔構(gòu)造）、擴(kuò)散蠕變、溶解蠕變（壓溶作用）、顆粒邊界滑動(dòng)巖石中礦物晶體特性和缺陷對(duì)塑性變形過(guò)程具有重要意義。（一）晶體缺陷和位錯(cuò)滑移區(qū)與未滑移區(qū)之間的界線是位錯(cuò)。（二）位錯(cuò)滑動(dòng)晶內(nèi)滑移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?；葡凳怯删w結(jié)構(gòu)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。平移滑動(dòng)和雙晶滑移平移滑動(dòng)：是沿一個(gè)不動(dòng)的結(jié)晶面—滑移面發(fā)生晶體格架層的平行位移。位移是離子間的整數(shù)倍。雙晶滑移：位移后雙晶化與未雙晶化的部分呈鏡象對(duì)稱。（三）位錯(cuò)蠕變這是高溫下的一種變形機(jī)制，當(dāng)溫度T0.3Tm(Tm為熔融溫度）時(shí)，恢復(fù)作用顯得重要起來(lái)，位錯(cuò)可以比較自由地?cái)U(kuò)展且從一個(gè)滑移面攀移到另一個(gè)滑移面。從而符號(hào)相反的兩個(gè)位錯(cuò)可以通過(guò)攀移而互相湮滅。（四）動(dòng)態(tài)重結(jié)晶動(dòng)態(tài)重結(jié)晶：在初始變形晶粒邊界或局部的高位錯(cuò)密度處，儲(chǔ)存了較高的應(yīng)變能，在溫度足夠的條件下，形成新的重結(jié)晶顆粒，使初始變形的大顆粒分解為許多無(wú)位錯(cuò)的細(xì)小新晶粒。如果大晶粒還沒(méi)有分解完，就形成核幔構(gòu)造。（五）擴(kuò)散蠕變擴(kuò)散蠕變是指變形過(guò)程中由巖石或礦物中的點(diǎn)缺陷（空位、雜質(zhì)等）和質(zhì)點(diǎn)（離子、原子）的擴(kuò)散和運(yùn)動(dòng)引起應(yīng)變作用過(guò)程?？瘴缓驮舆w移有兩種途徑：一種是沿顆粒內(nèi)部晶格遷移；另一種是沿顆粒凈界遷移。（六）溶解蠕變?nèi)芙馊渥円步袎喝埽且环N有流體參與的塑性變形過(guò)程，物質(zhì)在高溫應(yīng)力區(qū)溶解，通過(guò)流體遷移，在低應(yīng)力區(qū)沉淀，從而形成塑性變形。第二節(jié)、巖石變形影響因素(一)、巖石本身因素：

性質(zhì)（如玄武巖、石英巖與灰?guī)r、泥灰?guī)r）結(jié)構(gòu)（各項(xiàng)異性、層理?？障?、粒度大小、膠結(jié)特征等）。(二)、影響巖石力學(xué)性質(zhì)的外界因素1．圍壓－－影響巖石的極限強(qiáng)度和韌性使固體物質(zhì)的質(zhì)點(diǎn)彼此接近，增強(qiáng)了質(zhì)點(diǎn)的內(nèi)聚力，從而使晶格不易破壞，因而不易破裂。圍壓與深度和構(gòu)造環(huán)境有關(guān)。2．溫度－－影響巖石的韌性和屈服極限溫度升高時(shí)巖石質(zhì)點(diǎn)的熱運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，減弱了它們之間的聯(lián)系能力，使物質(zhì)質(zhì)點(diǎn)更容易位移。溫度與深度和構(gòu)造環(huán)境有關(guān)。3．孔隙流體－－影響巖石的強(qiáng)度和質(zhì)點(diǎn)遷移能力(異?？紫读黧w）（1）圍壓圍壓對(duì)巖石變形行為的影響增大巖石強(qiáng)度增大巖石韌性27MPa44.5MPa大理巖變形20％幾種巖石韌性與圍壓的關(guān)系巖石屈服強(qiáng)度與圍壓的關(guān)系小結(jié)：增大圍壓的效應(yīng)破裂前的差異應(yīng)力增大；破裂前的應(yīng)變量增大。韌性增大，強(qiáng)度增大。（2）溫度溫度對(duì)巖石變形強(qiáng)度的影響溫度對(duì)應(yīng)力-應(yīng)變曲線的影響溫度對(duì)花崗巖應(yīng)力-應(yīng)變曲線的影響溫度對(duì)石英應(yīng)力-應(yīng)變曲線的影響濕小結(jié)：增高溫度對(duì)變形的影響在一定的差異應(yīng)力下，應(yīng)變量增大；破裂前的應(yīng)變量增大。韌性增大，強(qiáng)度降低，易于變形。（3）流體對(duì)巖石變形行為的影響及其機(jī)制溶解—遷移作用

水解弱化作用通過(guò)流體壓力使巖石強(qiáng)度發(fā)生變化濕度對(duì)巖石抗張、抗剪強(qiáng)度的影響（4）孔隙流體對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)影響Pc=Pe-Pp冰川礫石的脆-韌性變形（5）時(shí)間時(shí)間對(duì)應(yīng)變速率的影響長(zhǎng)時(shí)間受力時(shí)質(zhì)點(diǎn)有充足的時(shí)間固定下來(lái)，易于產(chǎn)生永久變形;快速受力時(shí)質(zhì)點(diǎn)來(lái)不及重新排列就破裂了，表現(xiàn)出脆性特征。應(yīng)變速率對(duì)巖石變形的影響蠕變與松弛－－長(zhǎng)時(shí)間地緩慢變形會(huì)降低彈性極限在應(yīng)力不增加的情況下，應(yīng)變隨著時(shí)間的增長(zhǎng)緩慢增加的現(xiàn)象