第4、5章 岩石受力与变形

孔隙流体压力对破裂发育的影响
• 孔隙流体的存在，可以降低岩石强度，促进岩石 孔隙流体的存在，可以降低岩石强度， 塑性变形。 塑性变形。 • 孔隙流体压力的存在，促进岩石发生脆性破裂。 孔隙流体压力的存在，促进岩石发生脆性破裂。
影响岩石力学性质的各种因素
影响因素 围压增大 温度增大 孔隙压力增大 溶液增多 应变速率减小 强度 增大 减小 减小 减小 减小 韧性 增大 增大 减小 增大 增大
），µ 其中： 为剪应力， 为岩石抗剪强度（内聚力）， 其中：τ 为剪应力，τ0 为岩石抗剪强度（内聚力），µ 为内摩擦系数、等于tanϕ（ϕ是内摩擦角），σn 为 是内摩擦角）， ），σ 为内摩擦系数、等于 ϕ 正应力。 正应力。
不同围压下岩石发生剪切破裂时的莫尔包络线 A—砂岩；B—页岩 砂岩； 砂岩 页岩
3、动态重结晶作用：形成细小的新 、动态重结晶作用： 颗粒，即核幔构造。 颗粒，即核幔构造。
4、扩散蠕变：通过空位运动和原子运动来实现。 、扩散蠕变：通过空位运动和原子运动来实现。 体积扩散蠕变——纳巴罗－赫林蠕变 纳巴罗－ 体积扩散蠕变 纳巴罗 晶界扩散蠕变——柯勃尔蠕变 晶界扩散蠕变 柯勃尔蠕变 5、溶解蠕变：即压溶，是一种有流体参与的塑性变形：物 、溶解蠕变：即压溶，是一种有流体参与的塑性变形： 质在高压应力区溶解，通过流体迁移，在低压应力区沉淀， 质在高压应力区溶解，通过流体迁移，在低压应力区沉淀， 从而造成塑性变形。 从而造成塑性变形。
变形前
变形后
2、剪切应变 两条相互垂直的直线在变形后 、 其夹角偏离直角的量称之为角剪切应变ϕ 其夹角偏离直角的量称之为角剪切应变ϕ，其正切 称为剪应变r， 称为剪应变 ， r = tg ϕ
左行剪切为正， 左行剪切为正， 右行剪切为负

三、均匀形变与非均匀形 变
均匀形变 变形前 后各质点的应变 特征相同。 特征相同。 非均匀形变 变形 前后各质点的变 形特征不同。 形特征不同。
共轴递进变形 在递进变形过程中， 在递进变形过程中，如果各增量应变椭 球的主轴始终与有限应变椭球的主轴一致。 球的主轴始终与有限应变椭球的主轴一致。
非共轴递进变形
在递进变形过程 中，如果各增量应 变椭球的主轴与有 限应变椭球的主轴 不一致。 递进的简单剪切是 非共轴递进变形的 典型实例。 典型实例。
碎裂流
（二）、塑性变形机制 ）、塑性变形机制 1．晶内滑动：低温变形机制 ．晶内滑动： 沿一定滑移面的滑移方向滑移， 沿一定滑移面的滑移方向滑移，可形成晶 格优选方位和形态优选方位
晶内滑动的机制是位错滑动： 晶内滑动的机制是位错滑动：
2．位错蠕变：高温变形机制。T>0.3Tm（熔融温度） ．位错蠕变：高温变形机制。 熔融温度） 多边形化作用： 多边形化作用：形成亚晶粒
变形的四种基本方式 1.平移 平移
2.旋转 旋转
3.体变 体变 4.形变 形变
旋转
平移
形变
体变
二、应变的量度 地质体的变形程度是以变形量来表示， 地质体的变形程度是以变形量来表示，即变形前 后形态的改变量。这种改变可用两种方式表示： 后形态的改变量。这种改变可用两种方式表示： 1、线应变 地质体变形前后长度发生变化 、 拉伸或压缩）。线应变e 可用以下参数表示： ）。线应变 （拉伸或压缩）。线应变 可用以下参数表示： e = （L ı — L 0）/ L 0式中 0 、 L ı为变形前后同一 式中L 线段的长度。 线段的长度。 伸长应变为正、缩短应变为负。 伸长应变为正、缩短应变为负。 平方长度比λ（ 平方长度比 （同一线段在变 形前后长度之比的平方： （ 形前后长度之比的平方： λ=（ L ı / L 0 ）² = （1+ e）² ）
（二）外因 围压的增高同样也使得地下深 1、围压与温度 围压的增高同样也使得地下深 处的脆性岩石发生显著的塑性变形 塑性变形， 处的脆性岩石发生显著的塑性变形，如变质岩中常 发生的柔皱变形现象等。温度的增高能使岩石的 能使岩石的塑 发生的柔皱变形现象等。温度的增高能使岩石的塑 性变强。如岩体周围的岩层常发生柔皱变形现象。 性变强。如岩体周围的岩层常发生柔皱变形现象。
三、影响岩石变形的因素
（一）内因 不同岩性的岩石其矿物的成分、 1.岩性 不同岩性的岩石其矿物的成分、组成 不同，从而导致其力学性质不同， 不同，从而导致其力学性质不同，受力后的 变形强度也不同。如石英砂岩多为脆性， 变形强度也不同。如石英砂岩多为脆性，而 粘土岩多为塑性等。 粘土岩多为塑性等。 岩石内部颗粒的形状、大小、 2.岩石的结构 岩石内部颗粒的形状、大小、 颗粒间的胶结方式等同样对岩石的力学性质 产生影响。如紧密胶结的岩石的强度较大， 产生影响。如紧密胶结的岩石的强度较大， 松散胶结的则较小。 松散胶结的则较小。 成层性好的岩石易于变形， 3.岩石的构造 成层性好的岩石易于变形，薄 层岩层较厚层岩石易于变形等。 层岩层较厚层岩石易于变形等。
增大围压， 增大围压，岩石的强度和韧性增大
增大温度，岩石的屈服极限降低， 增大温度，岩石的屈服极限降低，韧性增大
2、时间
（1）应变速率岩石受短暂而强大的冲击力作用时 ）应变速率岩石受短暂而强大的冲击力作用时 常表现为脆性变形。反之， 常表现为脆性变形。反之，当岩石所受作用力即使 小于岩石的弹性极限，但作用力作用时间较长， 小于岩石的弹性极限，但作用力作用时间较长，同 样能使岩石发生永久性变形。 样能使岩石发生永久性变形。
第五章 岩石力学性质
一、岩石变形阶段
在日常生活中， 在日常生活中，我们通常有这样 的体验；将一根筷子撇断， 的体验；将一根筷子撇断，其变形 会经历三个阶段：弹性变形阶段、 会经历三个阶段：弹性变形阶段、 塑性变形阶段和断裂变形阶段 物体受力变形， 1.弹性变形阶段 物体受力变形，当 外力取消后， 外力取消后，物体又恢复到原先形 岩石的变形符合虎克定律。 态。岩石的变形符合虎克定律。 随着外力的增加， 2.塑性变形阶段 随着外力的增加， 变形加剧并超过物质的弹性极限， 变形加剧并超过物质的弹性极限， 此时撤去外力作用， 此时撤去外力作用，物体将不能恢 复原形。例如褶皱等。 复原形。例如褶皱等。 3.断裂变形阶段 当外力达到物质的 强度极限时， 强度极限时，物质变形的连续性将 被破坏，而发生断裂， 被破坏，而发生断裂，例如断层等 σ σy’ σy
四. 连续变形和不连续变形
如果物体内从 一点到另一点的应 变状态是逐渐改变 的 ， 则称为连续变 如褶皱。 形，如褶皱。 如果是突然改变 的 ， 则应变是不连 续的， 续的 ， 称为不连续 变形，如断裂。 变形，如断裂。
五、应变椭球体
设想在变形前岩石中有一个半径为1的单位球体 均匀变形 设想在变形前岩石中有一个半径为 的单位球体,均匀变形 的单位球体 后成为一椭球体,以这个椭球体来表示岩石的应变特点即 以这个椭球体来表示岩石的应变特点即应变 后成为一椭球体 以这个椭球体来表示岩石的应变特点即应变 椭球体。基本要素：三个主轴A、 、 （ 椭球体。基本要素：三个主轴 、B、C（λ1， λ2， λ3，或 X,Y,Z），沿主轴方向只有线应变而没有剪应变 三个主平面 ），沿主轴方向只有线应变而没有剪应变 ），沿主轴方向只有线应变而没有剪应变; AB面，BC面，AC面。 面 面 面
6、颗粒边界滑动： 、颗粒边界滑动： T>0.5Tm，扩散速 率大。 率大。 岩石可以发生很大变 形，但晶粒本身无变 形，因此无晶格优选 和形态优选。 和形态优选。
六、岩石破裂准则
岩石发生破裂变形时所施加应力 需满足的条件： 需满足的条件： 1、 库仑－莫尔准则 、 库仑－ τ = τ0 + µσn τn = f（σn ） （
六. 旋转变形和非旋转变形
1、旋转变形 、
变形过程中平行于应变椭球 体主应变轴方向的物质线方 位发生了改变的变形（ 位发生了改变的变形（应 ），称为旋转变形。 称为旋转变形 变），称为旋转变形。
2、非旋转变形 、
变形过程中平行于应变椭球体主应变 轴方向的物质线方位始终保持不变的变形 应变），称为非旋转变形 ），称为非旋转变形。 （应变），称为非旋转变形。
单剪变形与纯剪变形
旋转变形
非旋转变形
纯剪是一种体变为零的平面 应变，挤压是典型的代表。 应变，挤压是典型的代表。
七. 递进变形
递进变形是许多次 无限小应变逐渐累积 的过程。 的过程。在变形史的 任一阶段， 任一阶段，都可把应 变状态分解为两部分： 变状态分解为两部分： 一部分是已经发生了 有限应变； 的有限应变；另一部 分是正在发生的无限 分是正在发生的无限 小应变或增量应变。 小应变或增量应变。
降低应变速率， 降低应变速率，岩石的屈服极限降 韧性增大。 低，韧性增大。
（2）蠕变：是在恒定应力作用下，应 ）蠕变：是在恒定应力作用下， 变随时间持续增加的变形。 变随时间持续增加的变形。 应变-时间曲线 恒定应力） 时间曲线（ 应变 时间曲线（恒定应力）
（3）松驰：是在恒定变形情况下，岩 ）松驰： 石中应力随时间增长不断减小。 应力－时间图解。 应力－时间图解。
常温常压下一些岩石的强度极限
岩石
当应力超过一定 值时， 值时，岩石就会 以某种方式而破 坏，发生断裂变 发生断裂变 形。这时的应力 值称为岩石的极 值称为岩石的极 限强度或 限强度或强度。
玄武岩 页岩 花岗岩 大理岩 石灰岩 砂岩
抗压强度 (MPa) 148 (37 －379) 102 (31 －262) 96 (6－ － 360)
第四章 变形岩石应变分析基础
一、变形与应变 物体受到应力作用后发生变形的程 物体受到应力作用后发生变形的程 度称为应变， 度称为应变，应变是通过变形反映 出来。变形有四种基本方式： 出来。变形有四种基本方式： 1.平移 地质体变形后其内部质点的 平移 相互位置、方向未发生改变。如平 相互位置、方向未发生改变。 移断层，某些正、逆断层。 移断层，某些正、逆断层。 2.旋转 地质体变形后发生旋转，其 旋转 地质体变形后发生旋转， 内部质点的相互位置未发生改变， 内部质点的相互位置未发生改变， 但方向发生了改变。 但方向发生了改变。 3.体变 变形前后，物体内质点的相 体变 变形前后， 互位置不变，距离改变（ 互位置不变，距离改变（发生膨胀 或缩小）。 或缩小）。 4.形变 变形前后，物体的形状、内 形变 变形前后，物体的形状、 部质点的相互位置、 部质点的相互位置、方向均发生改 变。