岩石力学性质讲解
(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。
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
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,应变随时间增加而 持续增长的变形。
外力恒定
1)短期作用—不见效果; 滴水穿石
2)长期作用—可见显著影响;
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。
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)
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。
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。
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。
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…
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;
•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)
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
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。
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 (库伦断裂准则)
• 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。
四、温度对岩石力学性质的影响
nn+2T0 其中:T0为单轴抗张强度。
• 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。
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。
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
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
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。
动 动越停止大. ,;应但不力能消除复原,到流
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
☆ 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
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)
……
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
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
3.碎裂流:
高度破碎的岩石碎块、粉晶集合体
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。
——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
y
留变形时的状态。
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
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
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。
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。
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)
Pe=Pc-Pρ 孔隙压力增大→有效围压降低→岩石强度降低。