岩石力学性质

宏观破裂
围压条件下
岩石破裂成碎块
压力增大时
岩石碎块进一步破裂和细粒化 高度破碎的岩石碎块、粉晶集合体
3.碎裂流：
差应力足够大，重复破碎
相对摩擦滑动和刚体转动
二、晶内滑动和位错滑动
1. 晶内滑动：晶体沿某一滑移面的一定方向滑移。
• • 滑移面：原子或离子的高密度面。 滑移方向：滑移面上原子或离子排列最密集的方向。
4）流动变形 变形特征：象牛顿流体 （蜂蜜体）一样发生流 . 动变形，应力越大，流 动越大；应力消除，流 . 动停止，但不能复原到 未变形时的状态。 牛顿粘性定律(线粘性定律)
=

其中，为粘性系数， 分别为剪应变速率。


— 牛顿流体或线粘性流体或纯粘性流体
第二节 影响岩石力学性质的因素
颗粒边界滑动： T>0.5Tm，扩散速率能够 及时调节由于晶粒相互滑 动产生的空缺或叠复 —— 超塑性流动。
第五节 岩石断裂准则
• 断裂：由于外力作用在物体中产生的介质不 连续面。
• 产生的因素：
① 应力状态，即临界应力状态或极限应力状态；
② 材料力学性质。
• 断裂准则或断裂条件：在极限应力状态下， 各点极限应力分量所应满足的条件。
Pe=Pc-Pρ
孔隙压力增大→有效围压降低→岩石强度降低。
六、影响岩石力学性质的时间因素
1. 应变速率 1）高速——脆性破坏：陨石碰撞、地震 2）低速——韧性破坏：山脉
2．蠕变：在恒定应力作用下Biblioteka Baidu应变随时间增加而 持续增长的变形。
1）短期作用—不见效果；
外力恒定
2）长期作用—可见显著影响；
滴水穿石
第一节 岩石力学性质的基本概念
三轴应力条件下的岩石力学实验
三轴压力机
常规三轴实验
第一节 岩石力学性质的基本概念 1. 岩石变形强度的图解表示法
应力－应变曲线
2、岩石变形行为 • • • • 弹性变形 塑性变形 破裂变形 流动变形
1）弹性变形：胡克定律
= Ee
其中：E为弹性模量或杨氏模量，e为应变量。
剪裂的发生与岩石中原有随机分布 的微细张性裂隙相关，是初始微细张裂 在扩张过程中逐渐趋于定向排布，并最 终贯通形成剪裂结果。
由实验观察到的花岗岩破坏过程示意图 (A)、(B)初始张裂隙的出现；(C)、(D)在更强的差应力作用下初 始张裂隙发展为强裂的剪切应变带，形成岩石的剪切破裂。 （图的上下方向为最大主压方向）
二、各向异性对岩石力学性质的影响
同一岩性的岩石由于层理或次生面理的发 育，造成岩石力学性质的各向异性。
• 如：层状岩石受压形成褶皱，块状则不易 形成褶皱。
三、围压对岩石力学性质的影响
•在低围压下，岩石表现为脆性，在弹性变形或发生少量的塑性变形后立即破坏； •在围压超过20MPa时，在宏观破裂之前所达到的应变增加的非常明显，岩石表现为韧性； •随着围压的增高，岩石的屈服极限、强度和韧性也大大提高。
•大部分岩石的剪裂角在30°左右。
三、抛物线型莫尔包络线理论 （王维襄断裂准则）
方程： 主应力： 剪裂角： 或
三、抛物线型莫尔包络线理论 （王维襄断裂准则）
剪裂角与 及各点的 应力状态有关。 从野外地质调查与室内物 理模拟实验结果来看：王 维襄断裂准则更接近实际 断裂情况。
四、格里菲斯断裂准则 （抛物线型）
矩形石香肠
尖-圆褶皱
尖圆褶皱沿软硬岩层界面纵弯作用的不稳定性使强硬物质向软 弱物质偏移，造成具较大波长的圆滑褶皱；而由软弱物质向强 硬物质偏移形成较小波长的尖顶褶皱，楔入强硬岩石中。
第四节 岩石变形的微观机制
• 脆性变形机制
微破裂作用、碎裂作用、碎裂流
• 塑性变形机制
晶内滑动、位错滑动、位错蠕变…
☆ ☆ ☆ ☆ ☆ ☆ ☆ 物质组成 结构、构造 各向异性 围压 温度 孔隙应力 时间：应变速率、蠕变与松弛
一、岩石本身的影响因素
1.成分： 玄武岩、石英岩 ——弹性 灰岩、泥灰岩 ——弹塑性 泥岩、页岩 ——塑性
一、岩石本身的影响因素
2.结构： 粗粒——强度小 细粒——强度大 3.构造： 层状——在变形过程中具各向异性变形特点 非层状——在变形过程中具各向同性变形特点
实验岩石学研究表明： • 当所施加的应力强度等于或超过岩石抗 张强度或抗剪强度极限时，岩石体就发 生断裂变形。 • 破裂方式：一组张性破裂面和两组剪性 破裂面。 • 剪裂角：剪裂面与最大主压应力轴之间 的夹角。
剪 裂 面 与 最 大 主 压 应 力 轴 之 间 的 关 系
一、水平直线型莫尔包络线理论 （库伦断裂准则）
蠕变过程无流体参与，也称固态扩散蠕变。
五、溶解蠕变
• 溶解蠕变：也称压溶，有流体参与的塑性变形过程。 • 被溶出物质：同构造脉、须状增生晶体、压力影构 造、迁出体外。 • 在不变质或浅变质岩区显著。
六、颗粒边界滑动 • 颗粒边界滑动：通过颗粒边界之间的 调整来调节岩石总体变形的一 种变形机制。 • 如：装满砂子的橡皮口袋。
变形特征：象弹簧一样发生变形。当应力 消失后，材料完全复原到未变形状态。 ——胡克固体或线弹性体
2）塑性变形 y为屈服应力。 变形特征：产生永久 变形，当应力消除后 部分复原，大部分保 留变形时的状态。
y
3）断裂变形
同一岩石的强度，在不同方式的力的 作用下差别很大。
》
常温常压下岩石表现为脆性破裂 高温高压下岩石表现为韧性变形
nn＋2T0 其中：T0为单轴抗张强度。
第三期（加速蠕变阶段）：应变 速率增加，材料破坏。
松弛：
部分变形成为永久变形，降低了岩石的弹性极限。
第三节 岩石的能干性
• 能干性：用来描述岩石变形行为相对差异。
• 能干的：强的、粘度大的、不易流动的
• 不能干的：弱的、粘度小的、易流动的
岩石能干性
• 反映岩石变形程度的差异，近似可以用粘度的大小来说明。
岩石能干性差异估测：
前提：在相同的构造变形环境下：
• • • • • 1.有限应变状态的对比 2.劈理折射的对比 3.香肠构造的对比 4.褶皱形态的对比 5.流变计
劈理折射
强弱相间的岩层中,强硬层中的劈理和软弱层中的劈理以 不同角度与层理相交，强硬层中为间隔劈理，与层理交 角较大；软弱层中为连续劈理，与层理交角较小。
一、微破裂作用、碎裂作用、碎裂流
1.微破裂：应力集中
因素： ① 不同热膨胀系数的矿物组成的岩石经历温度的 变化； ② 变化过程中相邻颗粒点接触部位的相互楔入； ③ 矿物包裹体或空隙尖端受应力作用； ④ 颗粒内的位错和双晶运动不足以调节应变； ……
微破裂作用、碎裂作用、碎裂流
2.碎裂作用：
微破裂
应力作用下
2.位错
三、位错蠕变
• 高温下，当T>0.3Tm（Tm为熔融温度），位错 从一个滑移面攀移到另一个滑移面。
动态重结晶作用：形成细小的新颗粒， 即核幔构造
四、扩散蠕变
• 扩散蠕变是通过晶内和晶界的空位运动和原子运动来改变 晶粒形状的一种塑性变形机制。
• 空位和原子迁移的途径：
沿颗粒内部晶格迁移——体积扩散蠕变（纳巴罗-赫林蠕变） 沿颗粒晶界迁移——晶界扩散蠕变（柯勃尔蠕变）
第五章 岩石力学性质
第一节 岩石力学性质的基本概念
第二节 影响岩石力学性质的因素
第三节 岩石的能干性
第四节 岩石变形的微观机制
第五节 岩石断裂准则
第一节 岩石力学性质的基本概念
（一）弹性变形：外力解除后，岩石能恢复原有形状和大小 的变形 （二）塑性变形：外力解除后，岩石不能恢复原有形状和大 小的变形 （三）断裂变形：外力达到强度极限时，岩石失去完整形状， 并产生破坏现象的变形。 *强度极限——在外力作用下固体物质抵抗破坏的能力 （抗破能力） （四）脆性变形：在破坏前不出现或很少出现塑性变形的变 形。 （五）韧性变形：在破坏前出现了显著塑性变形的变形。
四、温度对岩石力学性质的影响
增大温度，岩石的韧性增大，屈服极限降低
五、孔隙流体对岩石力学性质的影响
孔隙流体对岩石力学性质的影响表现在2个方面：
1. 岩石中富含流体时，使岩石强度降低；孔隙流体促进矿 物溶解和重结晶，促进岩石塑性变形。
2. 产生孔隙流体压力效应。 对变形起作用的是有效围压（Pe）
• 莫尔包络线：材料破坏时的各种极限应力状 态应力圆的公切线。（破坏曲线）
• 判别条件：应力圆与莫尔包络线相切，破裂
特例：水平直线型破坏曲线
剪裂角：θ=45° ，共轭断裂夹角：2θ= 90°
二、斜直线型莫尔包络线理论 （库伦-纳维叶断裂准则）
岩石发生剪裂时：
剪裂角大小取决于 岩石变形时内摩擦 角的大小。
3．松弛：在恒定变形情况下，岩石中的应力随时 间不断减小的现象。
蠕变：
第一期（瞬时蠕变阶段）：延迟 的弹性蠕变。撤出应力t1：不完 全弹性恢复-减速的恢复-t2（弹 性后效现象） 第二期（稳态或假粘性蠕变）： 应变速率接近于常量，塑性流变。 t3撤出应力-瞬时的和延迟的弹性 恢复后t4-永久变形。