巖石物理學(xué)6(巖石的斷裂)ppt

1、2022-6-7地球物理與石油資源學(xué)院1巖石物理學(xué)巖石物理學(xué)授課人：黃文新地球物理與石油資源學(xué)院長(zhǎng)江大學(xué)聯(lián)系方式： E-mail： tel: 8060418(o) 137072191812022-6-7地球物理與石油資源學(xué)院2巖石物理學(xué)巖石物理學(xué)第第1 1章章 巖石巖石第第2 2章章 巖石孔隙度和滲透率巖石孔隙度和滲透率 第第3 3章章 巖石中波的傳播與衰減巖石中波的傳播與衰減 第第4 4章章 巖石的彈性巖石的彈性第第5 5章章 巖石的變形巖石的變形第第6 6章章 巖石的斷裂巖石的斷裂 第第7 7章章 巖石的強(qiáng)度巖石的強(qiáng)度第第8 8章章 巖石的其它特性巖石的其它特性2022-6-7地球物理與石

2、油資源學(xué)院3巖石物理學(xué)巖石物理學(xué)第第6 6章章 巖石的斷裂巖石的斷裂 6.1 6.1 差應(yīng)力作用下巖石的特性差應(yīng)力作用下巖石的特性6.2 6.2 脆性斷裂（脆性斷裂（brittle fracture)brittle fracture) 6.3 6.3 巖石斷裂力學(xué)巖石斷裂力學(xué)6.4 6.4 流體對(duì)斷裂的影響流體對(duì)斷裂的影響2022-6-7地球物理與石油資源學(xué)院4 我們所見(jiàn)到的巖石我們所見(jiàn)到的巖石, ,都包含有大小不一的裂紋。大的裂紋，如巨大的地質(zhì)斷都包含有大小不一的裂紋。大的裂紋，如巨大的地質(zhì)斷層，長(zhǎng)達(dá)幾千層，長(zhǎng)達(dá)幾千kmkm，小的裂紋，如巖石樣品中礦物內(nèi)部的小裂紋，僅長(zhǎng)幾個(gè)，小的裂紋，如巖石

3、樣品中礦物內(nèi)部的小裂紋，僅長(zhǎng)幾個(gè)mm。這些裂紋都是斷裂的結(jié)果，可以說(shuō)，地球表面巖石中的斷裂無(wú)所不在。這些裂紋都是斷裂的結(jié)果，可以說(shuō)，地球表面巖石中的斷裂無(wú)所不在。第第6 6章章 巖石的斷裂巖石的斷裂 大的斷層：大的斷層：和地球動(dòng)力學(xué)有關(guān)，特別是與地震的發(fā)生有密切關(guān)系。巖和地球動(dòng)力學(xué)有關(guān)，特別是與地震的發(fā)生有密切關(guān)系。巖石斷裂性質(zhì)的研究已然成為研究地震過(guò)程的有力工具。類(lèi)似于滑坡等地石斷裂性質(zhì)的研究已然成為研究地震過(guò)程的有力工具。類(lèi)似于滑坡等地質(zhì)災(zāi)害的研究，斷裂以及沿?cái)嗔衙娴幕瑒?dòng)，是決定發(fā)生失穩(wěn)運(yùn)動(dòng)最重要質(zhì)災(zāi)害的研究，斷裂以及沿?cái)嗔衙娴幕瑒?dòng)，是決定發(fā)生失穩(wěn)運(yùn)動(dòng)最重要的條件。的條件。 中型斷層：中型

4、斷層：如巖石中的節(jié)理、解理等層面，往往是決定巖石或巖體強(qiáng)如巖石中的節(jié)理、解理等層面，往往是決定巖石或巖體強(qiáng)度最主要的因素。決定巖石或巖體強(qiáng)度的因素很多，但在地下高溫高壓度最主要的因素。決定巖石或巖體強(qiáng)度的因素很多，但在地下高溫高壓環(huán)境中，其中最重要的因案是巖石斷裂后產(chǎn)生的斷裂面的力學(xué)性狀，這環(huán)境中，其中最重要的因案是巖石斷裂后產(chǎn)生的斷裂面的力學(xué)性狀，這些斷層對(duì)工程或開(kāi)挖的穩(wěn)定性有重要影響。些斷層對(duì)工程或開(kāi)挖的穩(wěn)定性有重要影響。 小型斷層：小型斷層：包括微型的裂紋，對(duì)于巖石的輸運(yùn)特性有著關(guān)鍵的影響。它們形成包括微型的裂紋，對(duì)于巖石的輸運(yùn)特性有著關(guān)鍵的影響。它們形成的裂紋網(wǎng)絡(luò)是巖石中液體輸運(yùn)的通道

5、。許多礦產(chǎn)的形成，正是各種化學(xué)元素沿的裂紋網(wǎng)絡(luò)是巖石中液體輸運(yùn)的通道。許多礦產(chǎn)的形成，正是各種化學(xué)元素沿這些通道富集的過(guò)程，研究巖石內(nèi)部的斷裂和流體的輸運(yùn)，對(duì)于石油、天然氣、這些通道富集的過(guò)程，研究巖石內(nèi)部的斷裂和流體的輸運(yùn)，對(duì)于石油、天然氣、地?zé)衢_(kāi)采等問(wèn)題都是十分重要的。地?zé)衢_(kāi)采等問(wèn)題都是十分重要的。2022-6-7地球物理與石油資源學(xué)院5第第6 6章章 巖石的斷裂巖石的斷裂 6.1 6.1 差應(yīng)力作用下巖石的特性差應(yīng)力作用下巖石的特性 通常發(fā)現(xiàn)，在差應(yīng)力作用下巖石的應(yīng)力通常發(fā)現(xiàn)，在差應(yīng)力作用下巖石的應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)在宏觀(guān)破壞以前，應(yīng)變曲線(xiàn)在宏觀(guān)破壞以前，明顯地偏離彈性行為，特別是當(dāng)差應(yīng)力較高時(shí)

6、更是如此。有趣的是，明顯地偏離彈性行為，特別是當(dāng)差應(yīng)力較高時(shí)更是如此。有趣的是，在很低的流體靜壓力下，由于裂紋的閉合，巖石偏離線(xiàn)性（在很低的流體靜壓力下，由于裂紋的閉合，巖石偏離線(xiàn)性（OAOA階段階段); ); 當(dāng)應(yīng)力增高時(shí)，巖石接近線(xiàn)性（當(dāng)應(yīng)力增高時(shí)，巖石接近線(xiàn)性（ABAB階段階段) )，差應(yīng)力進(jìn)一步增加時(shí)，巖，差應(yīng)力進(jìn)一步增加時(shí)，巖石又偏離線(xiàn)性石又偏離線(xiàn)性(BC(BC階段階段) )，這種偏離主要是由于巖石宏觀(guān)破壞之前，內(nèi)，這種偏離主要是由于巖石宏觀(guān)破壞之前，內(nèi)部產(chǎn)生許多微裂紋，使巖石中的孔隙增加的緣故。巖石內(nèi)部產(chǎn)生微裂部產(chǎn)生許多微裂紋，使巖石中的孔隙增加的緣故。巖石內(nèi)部產(chǎn)生微裂紋的實(shí)驗(yàn)證據(jù)

7、主要來(lái)自巖石體積應(yīng)變的測(cè)量、聲發(fā)射測(cè)量和巖石中彈紋的實(shí)驗(yàn)證據(jù)主要來(lái)自巖石體積應(yīng)變的測(cè)量、聲發(fā)射測(cè)量和巖石中彈性波速度的測(cè)量。性波速度的測(cè)量。 6.1.1 6.1.1 巖石的膨脹巖石的膨脹(1) (1) 巖石膨脹的定義：巖石膨脹的定義： 在差應(yīng)力作用下，巖石會(huì)發(fā)生變形，其體積的非在差應(yīng)力作用下，巖石會(huì)發(fā)生變形，其體積的非彈性增加就叫做巖石的膨脹。彈性增加就叫做巖石的膨脹。2022-6-7地球物理與石油資源學(xué)院66.1 6.1 差應(yīng)力作用下巖石的特性差應(yīng)力作用下巖石的特性圖圖6-1 6-1 巖石膨脹的定義巖石膨脹的定義 膨脹不是指巖石變形過(guò)程中體積的增膨脹不是指巖石變形過(guò)程中體積的增加，而是指非彈

8、性部分體積的增加。加，而是指非彈性部分體積的增加。 但實(shí)測(cè)曲線(xiàn)表明對(duì)應(yīng)于差應(yīng)力但實(shí)測(cè)曲線(xiàn)表明對(duì)應(yīng)于差應(yīng)力DD的巖石的巖石體積應(yīng)變?yōu)轶w積應(yīng)變?yōu)?偏離彈性的部分偏離彈性的部分c-c-代表了代表了巖石體積的非彈性增加，叫做巖石的體積膨脹，巖石體積的非彈性增加，叫做巖石的體積膨脹，用符號(hào)用符號(hào)A A來(lái)表示，即膨脹來(lái)表示，即膨脹A A c-c-一般來(lái)說(shuō)隨差應(yīng)力增加，巖石的體積是縮小的，一般來(lái)說(shuō)隨差應(yīng)力增加，巖石的體積是縮小的，但差應(yīng)力超過(guò)某但差應(yīng)力超過(guò)某值值BB后后,d,dvv曲線(xiàn)偏離曲線(xiàn)偏離了直線(xiàn)，了直線(xiàn)，圖圖6-1 6-1 典型結(jié)晶巖石的差應(yīng)力典型結(jié)晶巖石的差應(yīng)力體積應(yīng)變曲線(xiàn)體積應(yīng)變曲線(xiàn)如果巖石是完

9、全彈性的如果巖石是完全彈性的ddvv曲線(xiàn)應(yīng)沿圖中曲線(xiàn)應(yīng)沿圖中的的ee直線(xiàn)上升，當(dāng)差應(yīng)力為直線(xiàn)上升，當(dāng)差應(yīng)力為DD時(shí)，巖石的體時(shí)，巖石的體積應(yīng)變?yōu)榉e應(yīng)變?yōu)閏c。6.1.1 6.1.1 巖石的膨脹巖石的膨脹2022-6-7地球物理與石油資源學(xué)院7 為了確定巖石的膨脹為了確定巖石的膨脹A, A, 必須知道在差應(yīng)力必須知道在差應(yīng)力dd作用下巖石的彈性變作用下巖石的彈性變形以這種彈性變形為參考基準(zhǔn)，才能得到膨脹形以這種彈性變形為參考基準(zhǔn)，才能得到膨脹A A。通常是把在低差應(yīng)力。通常是把在低差應(yīng)力下巖石應(yīng)力下巖石應(yīng)力- -應(yīng)變曲線(xiàn)的線(xiàn)性部分外推，得到應(yīng)變曲線(xiàn)的線(xiàn)性部分外推，得到ddvv曲線(xiàn)。但當(dāng)巖石孔曲線(xiàn)

10、。但當(dāng)巖石孔隙度較高，或者巖石巳發(fā)生了微破裂時(shí)，低應(yīng)力下應(yīng)力隙度較高，或者巖石巳發(fā)生了微破裂時(shí)，低應(yīng)力下應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)的線(xiàn)性應(yīng)變曲線(xiàn)的線(xiàn)性不好，難于進(jìn)行外推，這時(shí)可以把膨脹定義為觀(guān)測(cè)到的實(shí)際體應(yīng)變不好，難于進(jìn)行外推，這時(shí)可以把膨脹定義為觀(guān)測(cè)到的實(shí)際體應(yīng)變與在與在同樣平均應(yīng)力同樣平均應(yīng)力 下由流體靜壓力實(shí)驗(yàn)得到的體積應(yīng)變之下由流體靜壓力實(shí)驗(yàn)得到的體積應(yīng)變之差。前一種方法比較簡(jiǎn)單，在處理實(shí)驗(yàn)資料時(shí)緊常采用，后一種方法物理差。前一種方法比較簡(jiǎn)單，在處理實(shí)驗(yàn)資料時(shí)緊常采用，后一種方法物理意義清楚，在理論分析時(shí)經(jīng)常采用。意義清楚，在理論分析時(shí)經(jīng)常采用。 6.1 6.1 差應(yīng)力作用下巖石的特性差應(yīng)力作用下巖

11、石的特性6.1.1 6.1.1 巖石的膨脹巖石的膨脹2022-6-7地球物理與石油資源學(xué)院86.1 6.1 差應(yīng)力作用下巖石的特性差應(yīng)力作用下巖石的特性圖6-2給出了四種巖石的體積膨脹實(shí)驗(yàn)紹果6.1.1 6.1.1 巖石的膨脹巖石的膨脹2022-6-7地球物理與石油資源學(xué)院9（2 2）巖石膨脹的特點(diǎn)）巖石膨脹的特點(diǎn)6.1 6.1 差應(yīng)力作用下巖石的特性差應(yīng)力作用下巖石的特性巖石膨脹的局部化現(xiàn)象：巖石膨脹的局部化現(xiàn)象： 在巖石宏觀(guān)破壞之前，膨脹在巖石內(nèi)部不是在巖石宏觀(guān)破壞之前，膨脹在巖石內(nèi)部不是均勻發(fā)生的，而是集中在局部地區(qū)，這個(gè)特點(diǎn)幾乎是所有巖石膨脹的共均勻發(fā)生的，而是集中在局部地區(qū)，這個(gè)特點(diǎn)

12、幾乎是所有巖石膨脹的共同特征，同特征， 為了說(shuō)明這種局部化現(xiàn)象，以濟(jì)南輝長(zhǎng)巖單軸壓縮時(shí)膨脹的發(fā)展過(guò)程為了說(shuō)明這種局部化現(xiàn)象，以濟(jì)南輝長(zhǎng)巖單軸壓縮時(shí)膨脹的發(fā)展過(guò)程為例。從一塊大巖塊上，取五塊相同的輝長(zhǎng)巖樣品進(jìn)行單軸壓縮將樣為例。從一塊大巖塊上，取五塊相同的輝長(zhǎng)巖樣品進(jìn)行單軸壓縮將樣品分別加載到應(yīng)力品分別加載到應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)的應(yīng)變曲線(xiàn)的A B C D A B C D 和和E E點(diǎn)后卸載（圖點(diǎn)后卸載（圖6 63 3），把加），把加載過(guò)的樣品切開(kāi)，作為巖石光片，觀(guān)測(cè)巖石內(nèi)部微裂紋的發(fā)展情況。載過(guò)的樣品切開(kāi)，作為巖石光片，觀(guān)測(cè)巖石內(nèi)部微裂紋的發(fā)展情況。6.1.1 6.1.1 巖石的膨脹巖石的膨脹2022-

13、6-7地球物理與石油資源學(xué)院10圖圖6 63 3 隨差應(yīng)力增加輝長(zhǎng)巖顏色的變化隨差應(yīng)力增加輝長(zhǎng)巖顏色的變化沒(méi)有受到差應(yīng)力的輝長(zhǎng)巖是黑色的沒(méi)有受到差應(yīng)力的輝長(zhǎng)巖是黑色的(A(A），隨差應(yīng)力的增加，巖石光片的顏），隨差應(yīng)力的增加，巖石光片的顏色由黑變白（色由黑變白（B C D)B C D)，破裂后在樣品的中間部位顏色非常白，破裂后在樣品的中間部位顏色非常白(E)(E)。 6.1 6.1 差應(yīng)力作用下巖石的特性差應(yīng)力作用下巖石的特性6.1.1 6.1.1 巖石的膨脹巖石的膨脹2022-6-7地球物理與石油資源學(xué)院11圖圖6-5 6-5 裂紋密度空間分布隨差應(yīng)力的變化裂紋密度空間分布隨差應(yīng)力的變化圖圖

14、6-4 6-4 測(cè)量反射率的裝置測(cè)量反射率的裝置為了探討輝長(zhǎng)巖顏色變化和膨脹為了探討輝長(zhǎng)巖顏色變化和膨脹( (即微裂紋發(fā)展程度即微裂紋發(fā)展程度) )的關(guān)系，可用圖的關(guān)系，可用圖6-46-4所示的裝置測(cè)定巖石光片的白光漫反射率。顏色越白，反射率就高，所示的裝置測(cè)定巖石光片的白光漫反射率。顏色越白，反射率就高，這樣通過(guò)漫反射率的測(cè)量，給巖石變自程度以定量的描述。這樣通過(guò)漫反射率的測(cè)量，給巖石變自程度以定量的描述。 圖圖6-56-5給出了隨差應(yīng)力的增大，給出了隨差應(yīng)力的增大，5 5塊樣品上微裂紋的發(fā)展過(guò)程。塊樣品上微裂紋的發(fā)展過(guò)程。 6.1 6.1 差應(yīng)力作用下巖石的特性差應(yīng)力作用下巖石的特性6.1

15、.1 6.1.1 巖石的膨脹巖石的膨脹2022-6-7地球物理與石油資源學(xué)院12表表6 61 1 單軸實(shí)驗(yàn)輝長(zhǎng)巖中微裂紋的統(tǒng)計(jì)單軸實(shí)驗(yàn)輝長(zhǎng)巖中微裂紋的統(tǒng)計(jì) 實(shí)驗(yàn)說(shuō)明了巖石膨脹局部化的特點(diǎn)。膨脹局部化幾乎是所有巖石宏觀(guān)脆性實(shí)驗(yàn)說(shuō)明了巖石膨脹局部化的特點(diǎn)。膨脹局部化幾乎是所有巖石宏觀(guān)脆性破壞的前兆。巖石的膨脹會(huì)引起巖石性質(zhì)的變化，所以膨脹局部化必然造成破壞的前兆。巖石的膨脹會(huì)引起巖石性質(zhì)的變化，所以膨脹局部化必然造成變形過(guò)程中巖石性質(zhì)在空間分布上的變化。通常我們測(cè)量的巖石性質(zhì)，是指變形過(guò)程中巖石性質(zhì)在空間分布上的變化。通常我們測(cè)量的巖石性質(zhì)，是指整個(gè)巖石的平均性質(zhì)，當(dāng)差應(yīng)力很小時(shí)，這種平均性質(zhì)實(shí)際

16、上代表了巖石內(nèi)整個(gè)巖石的平均性質(zhì)，當(dāng)差應(yīng)力很小時(shí)，這種平均性質(zhì)實(shí)際上代表了巖石內(nèi)部各點(diǎn)的特性。一旦差應(yīng)力較高，巖石膨脹發(fā)生局部化后，巖石各點(diǎn)變形十部各點(diǎn)的特性。一旦差應(yīng)力較高，巖石膨脹發(fā)生局部化后，巖石各點(diǎn)變形十分不同，而平均方法會(huì)掩蓋許多巖石破壞前兆的信息，因此，研究這種變形分不同，而平均方法會(huì)掩蓋許多巖石破壞前兆的信息，因此，研究這種變形局部化的規(guī)律對(duì)于巖石破壞預(yù)報(bào)是十分重要的。局部化的規(guī)律對(duì)于巖石破壞預(yù)報(bào)是十分重要的。6.1 6.1 差應(yīng)力作用下巖石的特性差應(yīng)力作用下巖石的特性6.1.1 6.1.1 巖石的膨脹巖石的膨脹2022-6-7地球物理與石油資源學(xué)院136.1 6.1 差應(yīng)力作用

17、下巖石的特性差應(yīng)力作用下巖石的特性（3 3） 膨脹強(qiáng)化現(xiàn)象膨脹強(qiáng)化現(xiàn)象考慮在有孔隙流體存在的情況下，由于發(fā)生膨脹引起巖石強(qiáng)度增高的現(xiàn)象。考慮在有孔隙流體存在的情況下，由于發(fā)生膨脹引起巖石強(qiáng)度增高的現(xiàn)象。 根據(jù)有效應(yīng)力定律，巖石強(qiáng)度是由有效應(yīng)力決定的。在圍壓為根據(jù)有效應(yīng)力定律，巖石強(qiáng)度是由有效應(yīng)力決定的。在圍壓為3(3(固定固定值值) )，增加，增加11使巖石發(fā)生脆性破裂的三軸壓縮實(shí)驗(yàn)中，如果巖樣中含有孔隙使巖石發(fā)生脆性破裂的三軸壓縮實(shí)驗(yàn)中，如果巖樣中含有孔隙液體，而且處于不排水條件，巖石的膨脹發(fā)生，造成巖石中原有裂紋的張開(kāi)、液體，而且處于不排水條件，巖石的膨脹發(fā)生，造成巖石中原有裂紋的張開(kāi)、擴(kuò)

18、散，新裂紋的產(chǎn)生，孔隙度增加，孔隙空間增大，使得孔隙壓力降低，造擴(kuò)散，新裂紋的產(chǎn)生，孔隙度增加，孔隙空間增大，使得孔隙壓力降低，造成有效應(yīng)力增加，特別是有效圍壓的增加，最終導(dǎo)致了巖石強(qiáng)度增加，出現(xiàn)成有效應(yīng)力增加，特別是有效圍壓的增加，最終導(dǎo)致了巖石強(qiáng)度增加，出現(xiàn)了了“膨脹硬化膨脹硬化”現(xiàn)象?，F(xiàn)象。6.1.1 6.1.1 巖石的膨脹巖石的膨脹2022-6-7地球物理與石油資源學(xué)院146.1 6.1 差應(yīng)力作用下巖石的特性差應(yīng)力作用下巖石的特性圖圖6-6 6-6 花崗巖的膨脹強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)結(jié)果花崗巖的膨脹強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)結(jié)果 即使當(dāng)巖石不是處于不排水情即使當(dāng)巖石不是處于不排水情況，當(dāng)加載速度足夠高時(shí)，流體況，當(dāng)

19、加載速度足夠高時(shí)，流體來(lái)不及從巖石外部流入，此時(shí)孔來(lái)不及從巖石外部流入，此時(shí)孔隙空間的增大也會(huì)導(dǎo)致孔隙壓力隙空間的增大也會(huì)導(dǎo)致孔隙壓力的下降。因此，當(dāng)應(yīng)變速率高于的下降。因此，當(dāng)應(yīng)變速率高于某個(gè)臨界值時(shí)，巖石強(qiáng)度也會(huì)增某個(gè)臨界值時(shí)，巖石強(qiáng)度也會(huì)增加，從而出現(xiàn)加，從而出現(xiàn)“膨脹硬化膨脹硬化”現(xiàn)象?，F(xiàn)象。這種現(xiàn)象被用來(lái)作為地震孕育發(fā)這種現(xiàn)象被用來(lái)作為地震孕育發(fā)生的一種可能的機(jī)制生的一種可能的機(jī)制( (圖圖6 66)6)。6.1.1 6.1.1 巖石的膨脹巖石的膨脹2022-6-7地球物理與石油資源學(xué)院156.1.2 6.1.2 巖石破裂的膨脹模型巖石破裂的膨脹模型6.1 6.1 差應(yīng)力作用下巖石的

20、特性差應(yīng)力作用下巖石的特性圖圖6 67 7 巖石破裂的膨脹模型巖石破裂的膨脹模型階段階段：巖石中巖石中存在著存在著許多呈許多呈張開(kāi)狀張開(kāi)狀的微裂的微裂紋紋 階段階段：原來(lái)張開(kāi)原來(lái)張開(kāi)的微裂紋的微裂紋發(fā)生閉合，發(fā)生閉合，巖石總的巖石總的體積減體積減小而且小而且這種減小這種減小的的 趨勢(shì)是趨勢(shì)是線(xiàn)性的線(xiàn)性的 階段階段：微裂紋發(fā)生了擴(kuò)：微裂紋發(fā)生了擴(kuò)展。如果巖石是一個(gè)完全展。如果巖石是一個(gè)完全的彈性體，則它的體積應(yīng)的彈性體，則它的體積應(yīng)按圖上虛線(xiàn)那樣進(jìn)一步減按圖上虛線(xiàn)那樣進(jìn)一步減小。但實(shí)際情況不是這樣，小。但實(shí)際情況不是這樣，由于微裂紋的擴(kuò)展，裂紋由于微裂紋的擴(kuò)展，裂紋占據(jù)空間有增大趨勢(shì)。相占據(jù)空間

21、有增大趨勢(shì)。相對(duì)于理想彈性體而言，巖對(duì)于理想彈性體而言，巖石的體積反而增加了，即石的體積反而增加了，即出現(xiàn)了出現(xiàn)了“膨脹膨脹”現(xiàn)象現(xiàn)象 、階段階段：巖石的體積巖石的體積進(jìn)一步膨脹，進(jìn)一步膨脹，直至發(fā)生巖直至發(fā)生巖石整體的破石整體的破裂。膨脹是裂。膨脹是破裂前出現(xiàn)破裂前出現(xiàn)的物理過(guò)程的物理過(guò)程 許多學(xué)者不僅許多學(xué)者不僅研究破裂發(fā)生研究破裂發(fā)生的條件，而且的條件，而且還研究破裂過(guò)還研究破裂過(guò)程中的各種現(xiàn)程中的各種現(xiàn)象變化，借以象變化，借以尋找破裂的前尋找破裂的前兆兆 2022-6-7地球物理與石油資源學(xué)院166.1.3 6.1.3 聲發(fā)射及其他性質(zhì)聲發(fā)射及其他性質(zhì)6.1 6.1 差應(yīng)力作用下巖石的

22、特性差應(yīng)力作用下巖石的特性 1、 高差應(yīng)力下，由于微破裂引起的巖石明顯偏離彈性行為的第二個(gè)實(shí)驗(yàn)證據(jù)，高差應(yīng)力下，由于微破裂引起的巖石明顯偏離彈性行為的第二個(gè)實(shí)驗(yàn)證據(jù)，是來(lái)自巖石變形時(shí)的聲發(fā)射測(cè)量。巖石受力后，內(nèi)部產(chǎn)生的微裂紋可以造成彈性是來(lái)自巖石變形時(shí)的聲發(fā)射測(cè)量。巖石受力后，內(nèi)部產(chǎn)生的微裂紋可以造成彈性波的發(fā)射，這叫做聲發(fā)射。聲發(fā)射對(duì)于探測(cè)巖石內(nèi)部微裂紋的擴(kuò)展、新裂紋的產(chǎn)波的發(fā)射，這叫做聲發(fā)射。聲發(fā)射對(duì)于探測(cè)巖石內(nèi)部微裂紋的擴(kuò)展、新裂紋的產(chǎn)生等是個(gè)有用的工具。生等是個(gè)有用的工具。 2、 在單軸或三軸實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)差應(yīng)力很小時(shí)聲發(fā)射較多，這對(duì)應(yīng)于巖石孔洞的在單軸或三軸實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)差應(yīng)力很小時(shí)聲發(fā)射較

23、多，這對(duì)應(yīng)于巖石孔洞的塌陷和裂紋的閉合。在隨后的彈性變形階段，聲發(fā)射較少。當(dāng)差應(yīng)力達(dá)到巖石強(qiáng)塌陷和裂紋的閉合。在隨后的彈性變形階段，聲發(fā)射較少。當(dāng)差應(yīng)力達(dá)到巖石強(qiáng)度的度的1 13 3至至2 23 3時(shí)，聲發(fā)射急劇增多，變形過(guò)程中聲發(fā)射的這些特點(diǎn)，可以從圖時(shí)，聲發(fā)射急劇增多，變形過(guò)程中聲發(fā)射的這些特點(diǎn)，可以從圖6-86-8中看出來(lái)。中看出來(lái)。 圖圖6-8 6-8 非彈性體積應(yīng)變與聲發(fā)射總數(shù)非彈性體積應(yīng)變與聲發(fā)射總數(shù)N N隨應(yīng)力變化曲線(xiàn)，隨應(yīng)力變化曲線(xiàn)，中細(xì)粒閃長(zhǎng)巖中細(xì)粒閃長(zhǎng)巖紫硅質(zhì)灰?guī)r紫硅質(zhì)灰?guī)r中細(xì)粒輝長(zhǎng)巖中細(xì)粒輝長(zhǎng)巖百大理巖百大理巖2022-6-7地球物理與石油資源學(xué)院176.1.3 6.1.

24、3 聲發(fā)射及其他性質(zhì)聲發(fā)射及其他性質(zhì)6.1 6.1 差應(yīng)力作用下巖石的特性差應(yīng)力作用下巖石的特性 3、巖石內(nèi)部微裂紋的產(chǎn)生，一方面將輻射出彈性波巖石內(nèi)部微裂紋的產(chǎn)生，一方面將輻射出彈性波( (聲發(fā)射聲發(fā)射) )，另一方面形成，另一方面形成了新的裂紋或者擴(kuò)展了原有的裂紋，這將增加巖石的體積，而增加的這部分體積了新的裂紋或者擴(kuò)展了原有的裂紋，這將增加巖石的體積，而增加的這部分體積是屬于非彈性性質(zhì)的。因此，巖石中微裂紋產(chǎn)生的過(guò)程，必將在巖石表面進(jìn)行的是屬于非彈性性質(zhì)的。因此，巖石中微裂紋產(chǎn)生的過(guò)程，必將在巖石表面進(jìn)行的聲發(fā)射測(cè)量和體積應(yīng)變測(cè)量上有所反映?？梢灶A(yù)料，聲發(fā)射和巖石體積膨脹這兩聲發(fā)射測(cè)量和

25、體積應(yīng)變測(cè)量上有所反映?？梢灶A(yù)料，聲發(fā)射和巖石體積膨脹這兩種測(cè)量有著內(nèi)在的聯(lián)系。作為一種粗略估計(jì)，如果暫不考慮各個(gè)聲發(fā)射的大種測(cè)量有著內(nèi)在的聯(lián)系。作為一種粗略估計(jì)，如果暫不考慮各個(gè)聲發(fā)射的大小假定每次聲發(fā)射對(duì)巖石非彈性體積變化都有一分貢獻(xiàn)那么可以得到結(jié)論：小假定每次聲發(fā)射對(duì)巖石非彈性體積變化都有一分貢獻(xiàn)那么可以得到結(jié)論：非彈性體積應(yīng)變與聲發(fā)射累積總數(shù)之間存在著正比的關(guān)系。由圖非彈性體積應(yīng)變與聲發(fā)射累積總數(shù)之間存在著正比的關(guān)系。由圖6 68 8可以看出，可以看出，幾種不同巖石隨著差應(yīng)力的增加，膨脹幾種不同巖石隨著差應(yīng)力的增加，膨脹A A與聲發(fā)射總數(shù)與聲發(fā)射總數(shù)N N是同步增腦的。是同步增腦的。

26、4、巖石在差應(yīng)力作用下內(nèi)部產(chǎn)生微破裂，體積發(fā)生膨脹，改變了孔隙體積，巖石在差應(yīng)力作用下內(nèi)部產(chǎn)生微破裂，體積發(fā)生膨脹，改變了孔隙體積，使得由基質(zhì)和孔隙組成的二相體的巖石的其他一些物理、力學(xué)性質(zhì)均發(fā)生變化。使得由基質(zhì)和孔隙組成的二相體的巖石的其他一些物理、力學(xué)性質(zhì)均發(fā)生變化。圖圖6-96-9給出了差應(yīng)力增加過(guò)程中巖石的膨脹、聲發(fā)射、滲透率和彈性給出了差應(yīng)力增加過(guò)程中巖石的膨脹、聲發(fā)射、滲透率和彈性P P波速度的變波速度的變化情況?；闆r。2022-6-7地球物理與石油資源學(xué)院186.1.3 6.1.3 聲發(fā)射及其他性質(zhì)聲發(fā)射及其他性質(zhì)6.1 6.1 差應(yīng)力作用下巖石的特性差應(yīng)力作用下巖石的特性圖圖

27、6-9 6-9 巖石的膨脹、聲發(fā)射、滲透率和巖石的膨脹、聲發(fā)射、滲透率和VpVp隨差應(yīng)力的變化隨差應(yīng)力的變化2022-6-7地球物理與石油資源學(xué)院196.1.3 6.1.3 聲發(fā)射及其他性質(zhì)聲發(fā)射及其他性質(zhì)6.1 6.1 差應(yīng)力作用下巖石的特性差應(yīng)力作用下巖石的特性5 5、用聲發(fā)射研究巖石的破裂過(guò)程、用聲發(fā)射研究巖石的破裂過(guò)程 巖石變形直至發(fā)生破裂的過(guò)程中，巖石內(nèi)部不斷地產(chǎn)生微破裂，巖石變形直至發(fā)生破裂的過(guò)程中，巖石內(nèi)部不斷地產(chǎn)生微破裂，微破裂產(chǎn)生時(shí)會(huì)有聲波輻射出來(lái)，這就是聲發(fā)射微破裂產(chǎn)生時(shí)會(huì)有聲波輻射出來(lái)，這就是聲發(fā)射(acoustic emission)(acoustic emission

28、)。用儀器測(cè)定每個(gè)聲發(fā)射發(fā)生的地點(diǎn)，就可以知道微破裂產(chǎn)生的地點(diǎn)，用儀器測(cè)定每個(gè)聲發(fā)射發(fā)生的地點(diǎn)，就可以知道微破裂產(chǎn)生的地點(diǎn)，并可以從其輻射圖形并可以從其輻射圖形(radiation pattern)(radiation pattern)定出其破裂機(jī)制定出其破裂機(jī)制(focal (focal mechansimmechansim) )。記錄下巖石變形時(shí)微破裂不斷產(chǎn)生的位置、頻度，這樣。記錄下巖石變形時(shí)微破裂不斷產(chǎn)生的位置、頻度，這樣用聲發(fā)射的方法就可以知道巖石破裂微破裂的發(fā)展演變，以及和巖石用聲發(fā)射的方法就可以知道巖石破裂微破裂的發(fā)展演變，以及和巖石最終破裂的關(guān)系最終破裂的關(guān)系2022-6-7地

29、球物理與石油資源學(xué)院206.1.3 6.1.3 聲發(fā)射及其他性質(zhì)聲發(fā)射及其他性質(zhì)6.1 6.1 差應(yīng)力作用下巖石的特性差應(yīng)力作用下巖石的特性圖圖6-10 6-10 用聲發(fā)射研究巖石的破裂過(guò)程用聲發(fā)射研究巖石的破裂過(guò)程是與最終破裂是與最終破裂面走向平行的面走向平行的方向上聲發(fā)射方向上聲發(fā)射源位置的投影源位置的投影是與最終破裂是與最終破裂面走向垂直方面走向垂直方向的聲發(fā)射源向的聲發(fā)射源位置投影。位置投影。 從聲發(fā)射觀(guān)測(cè)結(jié)果可以看出破裂過(guò)程的早期從聲發(fā)射觀(guān)測(cè)結(jié)果可以看出破裂過(guò)程的早期(a(a、b b、c)c)，聲發(fā)射源在樣品內(nèi)，聲發(fā)射源在樣品內(nèi)部空間分布是雜亂的，近似于均勻分布，破裂過(guò)程晚期（部空間

30、分布是雜亂的，近似于均勻分布，破裂過(guò)程晚期（d d、e e、f),f),聲發(fā)射大聲發(fā)射大量出現(xiàn)，而且叢集在最終破裂面附近的有限空間范圍內(nèi)。量出現(xiàn)，而且叢集在最終破裂面附近的有限空間范圍內(nèi)。2022-6-7地球物理與石油資源學(xué)院216.2 6.2 脆性斷裂脆性斷裂(brittle fracture)(brittle fracture) 按照經(jīng)典的觀(guān)點(diǎn)，破裂按照經(jīng)典的觀(guān)點(diǎn)，破裂(facture)(facture)就是巖石的解體：完整的巖石分離就是巖石的解體：完整的巖石分離成若干部分，脆性破裂是指破裂之前沒(méi)有或很少發(fā)生永久變形。成若干部分，脆性破裂是指破裂之前沒(méi)有或很少發(fā)生永久變形。研究脆性破裂有兩

31、種方法：研究脆性破裂有兩種方法：第一種方法：第一種方法：企圖建立脆性破裂過(guò)程的物理模型，這些模型應(yīng)能代表實(shí)際企圖建立脆性破裂過(guò)程的物理模型，這些模型應(yīng)能代表實(shí)際破裂的物理機(jī)制，基于這些模型而進(jìn)行的理論指導(dǎo)，應(yīng)能有助于理解破裂破裂的物理機(jī)制，基于這些模型而進(jìn)行的理論指導(dǎo)，應(yīng)能有助于理解破裂的物理本質(zhì)，預(yù)言巖石的各種破裂行為，特別是巖石強(qiáng)度。這叫做物理強(qiáng)的物理本質(zhì)，預(yù)言巖石的各種破裂行為，特別是巖石強(qiáng)度。這叫做物理強(qiáng)度理論研究方法，斷裂力學(xué)中的格里菲斯理論就是這種方法的代表。度理論研究方法，斷裂力學(xué)中的格里菲斯理論就是這種方法的代表。第二種方法：第二種方法：通過(guò)一些特定條件下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，找出表達(dá)破

32、裂發(fā)生條件的通過(guò)一些特定條件下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，找出表達(dá)破裂發(fā)生條件的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，然后將這種經(jīng)驗(yàn)關(guān)系推廣到更為復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)。庫(kù)侖和莫爾經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，然后將這種經(jīng)驗(yàn)關(guān)系推廣到更為復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)。庫(kù)侖和莫爾理論即是這種方法的代表。盡管這些理論中也涉及到許多解釋?zhuān)旧侠碚摷词沁@種方法的代表。盡管這些理論中也涉及到許多解釋?zhuān)旧线€是屬于經(jīng)驗(yàn)性現(xiàn)象學(xué)的描述。它們被稱(chēng)為力學(xué)強(qiáng)度理論或古典強(qiáng)度理論。還是屬于經(jīng)驗(yàn)性現(xiàn)象學(xué)的描述。它們被稱(chēng)為力學(xué)強(qiáng)度理論或古典強(qiáng)度理論。2022-6-7地球物理與石油資源學(xué)院226.2 6.2 脆性斷裂脆性斷裂(brittle fracture)(brittle fracture)6

33、.2.1 6.2.1 破裂類(lèi)型和破裂準(zhǔn)則破裂類(lèi)型和破裂準(zhǔn)則 現(xiàn)在討論的中心問(wèn)題是破裂發(fā)生的條件。假定當(dāng)巖石處于（現(xiàn)在討論的中心問(wèn)題是破裂發(fā)生的條件。假定當(dāng)巖石處于（11、22、33）的應(yīng)力狀態(tài)時(shí)發(fā)生了破裂，可以把）的應(yīng)力狀態(tài)時(shí)發(fā)生了破裂，可以把11、22、3 3 之間存之間存在的關(guān)系：在的關(guān)系： 1 1 f(2, 3) (6f(2, 3) (61)1)叫做叫做破裂準(zhǔn)則破裂準(zhǔn)則，即為破裂發(fā)生的條件。而把這時(shí)的，即為破裂發(fā)生的條件。而把這時(shí)的11稱(chēng)為在稱(chēng)為在2 2 ， 33給定條件下巖石的強(qiáng)度。給定條件下巖石的強(qiáng)度。圖圖6 61111巖石破裂的基本類(lèi)型和其對(duì)應(yīng)的應(yīng)力狀態(tài)巖石破裂的基本類(lèi)型和其對(duì)應(yīng)的

34、應(yīng)力狀態(tài)巖石破裂的基本類(lèi)型有兩種（圖巖石破裂的基本類(lèi)型有兩種（圖6-116-11）1 1、張性破裂：、張性破裂：巖石垂直于破裂面而張開(kāi)，巖石垂直于破裂面而張開(kāi)， 破裂面往往與最小主應(yīng)力方向垂直。破裂面往往與最小主應(yīng)力方向垂直。2 2、剪切破裂：、剪切破裂：破裂面兩側(cè)巖石的相對(duì)破裂面兩側(cè)巖石的相對(duì) 位移差與破裂面平行的，相當(dāng)于沿破位移差與破裂面平行的，相當(dāng)于沿破 裂面的剪切滑動(dòng)，一般破裂面與最大裂面的剪切滑動(dòng)，一般破裂面與最大 壓應(yīng)力方向夾角小于壓應(yīng)力方向夾角小于45450 0。2022-6-7地球物理與石油資源學(xué)院236.2 6.2 脆性斷裂脆性斷裂(brittle fracture)(bri

35、ttle fracture)6.2.2 6.2.2 庫(kù)侖庫(kù)侖(Coulomb)(Coulomb)破裂準(zhǔn)則破裂準(zhǔn)則庫(kù)侖假定；若巖石內(nèi)部某面上的正應(yīng)力庫(kù)侖假定；若巖石內(nèi)部某面上的正應(yīng)力和剪切力和剪切力滿(mǎn)足條件：滿(mǎn)足條件： | = S| = S0 0 + + （6 62 2） 該面將發(fā)生破裂，該面將發(fā)生破裂， S S0 0內(nèi)聚力；內(nèi)聚力； 內(nèi)摩擦系數(shù)；內(nèi)摩擦系數(shù)；=tan=tan 內(nèi)摩擦角內(nèi)摩擦角2022-6-7地球物理與石油資源學(xué)院246.2 6.2 脆性斷裂脆性斷裂(brittle fracture)(brittle fracture)6.2.2 6.2.2 庫(kù)侖庫(kù)侖(Coulomb)(Coul

36、omb)破裂準(zhǔn)則破裂準(zhǔn)則圖圖6-12 6-12 平面應(yīng)力狀態(tài)下的破裂平面應(yīng)力狀態(tài)下的破裂1 1、破裂面與最小主應(yīng)力方向（、破裂面與最小主應(yīng)力方向（33方方向）的夾角向）的夾角（圖（圖6-126-12） ABAB平面上的剪應(yīng)力平面上的剪應(yīng)力和正應(yīng)力和正應(yīng)力可以由二可以由二維莫爾圓直觀(guān)地給出：維莫爾圓直觀(guān)地給出：2022-6-7地球物理與石油資源學(xué)院256.2 6.2 脆性斷裂脆性斷裂(brittle fracture)(brittle fracture)6.2.2 6.2.2 庫(kù)侖庫(kù)侖(Coulomb)(Coulomb)破裂準(zhǔn)則破裂準(zhǔn)則 就就ABAB平面而言：平面而言：2022-6-7地球物理與

37、石油資源學(xué)院266.2 6.2 脆性斷裂脆性斷裂(brittle fracture)(brittle fracture)6.2.2 6.2.2 庫(kù)侖庫(kù)侖(Coulomb)(Coulomb)破裂準(zhǔn)則破裂準(zhǔn)則6-22022-6-7地球物理與石油資源學(xué)院276.2 6.2 脆性斷裂脆性斷裂(brittle fracture)(brittle fracture) 6.2.2 6.2.2 庫(kù)侖庫(kù)侖(Coulomb)(Coulomb)破裂準(zhǔn)則破裂準(zhǔn)則實(shí)例：井壁坍塌壓力的計(jì)算實(shí)例：井壁坍塌壓力的計(jì)算 從力學(xué)角度來(lái)看，造成井壁坍塌的原因主要由于井內(nèi)液柱壓力較低，使得井從力學(xué)角度來(lái)看，造成井壁坍塌的原因主要由于

38、井內(nèi)液柱壓力較低，使得井壁周?chē)鷰r層所受壓力，超過(guò)巖石本身的強(qiáng)度而產(chǎn)生的剪切破壞所造成的，此時(shí)壁周?chē)鷰r層所受壓力，超過(guò)巖石本身的強(qiáng)度而產(chǎn)生的剪切破壞所造成的，此時(shí)對(duì)于脆性地層會(huì)產(chǎn)生坍塌掉塊，井徑擴(kuò)大，而對(duì)于塑性地層則向井眼內(nèi)產(chǎn)生塑對(duì)于脆性地層會(huì)產(chǎn)生坍塌掉塊，井徑擴(kuò)大，而對(duì)于塑性地層則向井眼內(nèi)產(chǎn)生塑性變形，造成縮徑、井壁坍塌與否與井壁圍巖的應(yīng)力狀態(tài)，圍巖強(qiáng)度特性、密性變形，造成縮徑、井壁坍塌與否與井壁圍巖的應(yīng)力狀態(tài)，圍巖強(qiáng)度特性、密度有關(guān)。度有關(guān)。1 1巖石的強(qiáng)度計(jì)算巖石的強(qiáng)度計(jì)算 井壁巖石的破壞，對(duì)于軟而塑性的泥巖表現(xiàn)為塑性變形而縮徑。對(duì)井壁巖石的破壞，對(duì)于軟而塑性的泥巖表現(xiàn)為塑性變形而縮徑。對(duì)

39、于硬脆性的泥頁(yè)巖一般表現(xiàn)為剪切破壞與坍塌擴(kuò)徑。剪切面的法向于硬脆性的泥頁(yè)巖一般表現(xiàn)為剪切破壞與坍塌擴(kuò)徑。剪切面的法向和和11的夾角等于的夾角等于，法向正應(yīng)力，法向正應(yīng)力，剪應(yīng)力為，剪應(yīng)力為，根據(jù)庫(kù)侖，根據(jù)庫(kù)侖摩摩爾研究，巖石破壞時(shí)剪切面的剪切應(yīng)力必須克服巖石固有剪切強(qiáng)度爾研究，巖石破壞時(shí)剪切面的剪切應(yīng)力必須克服巖石固有剪切強(qiáng)度C C值加上作用于剪切面上的摩擦阻力值加上作用于剪切面上的摩擦阻力1 C（63）2022-6-7地球物理與石油資源學(xué)院286.2 6.2 脆性斷裂脆性斷裂(brittle fracture)(brittle fracture) 6.2.2 6.2.2 庫(kù)侖庫(kù)侖(Coulo

40、mb)(Coulomb)破裂準(zhǔn)則破裂準(zhǔn)則實(shí)例：井壁坍塌壓力的計(jì)算實(shí)例：井壁坍塌壓力的計(jì)算 圖圖6 613 13 庫(kù)侖庫(kù)侖- -摩爾準(zhǔn)則摩爾準(zhǔn)則 )245(2)245(00231Cctgctg（64）當(dāng)巖石孔隙中有孔隙壓力存在Pp時(shí)，摩爾庫(kù)侖準(zhǔn)則應(yīng)用有效應(yīng)力表示為： )245(2)245()(00231CctgctgaPpaPp(65）2 2、井壁坍塌處的應(yīng)力、井壁坍塌處的應(yīng)力從式（從式（6-46-4）中可以看出，巖石剪切破壞與否主要受巖石所受到的最大最?。┲锌梢钥闯觯瑤r石剪切破壞與否主要受巖石所受到的最大最小應(yīng)力控制，應(yīng)力控制，11的的33差值越大，井壁越易坍塌，從井壁受力狀態(tài)中可以發(fā)現(xiàn)差值越

41、大，井壁越易坍塌，從井壁受力狀態(tài)中可以發(fā)現(xiàn)巖石的最大最小主應(yīng)力分別為其周向應(yīng)力和徑向應(yīng)力，這說(shuō)明導(dǎo)致井眼失穩(wěn)巖石的最大最小主應(yīng)力分別為其周向應(yīng)力和徑向應(yīng)力，這說(shuō)明導(dǎo)致井眼失穩(wěn)的關(guān)鍵原因是井壁巖石所受的周向應(yīng)力和徑向應(yīng)力差值，即大小，的關(guān)鍵原因是井壁巖石所受的周向應(yīng)力和徑向應(yīng)力差值，即大小， 2022-6-7地球物理與石油資源學(xué)院296.2 6.2 脆性斷裂脆性斷裂(brittle fracture)(brittle fracture) 6.2.2 6.2.2 庫(kù)侖庫(kù)侖(Coulomb)(Coulomb)破裂準(zhǔn)則破裂準(zhǔn)則實(shí)例：井壁坍塌壓力的計(jì)算實(shí)例：井壁坍塌壓力的計(jì)算pMyxyxpMrPP*2c

42、os)(2)(*從上式中可以看出：=900 和=2700 時(shí)，cos2=-1,有最大值，此時(shí)-r有最大值，即在=900 和=2700 時(shí)，最易產(chǎn)生失穩(wěn)坍塌現(xiàn)象，將上式代入（65） )245() 1() 1(2)3(022ctgKKKaPCKPPyxm2022-6-7地球物理與石油資源學(xué)院306.2 6.2 脆性斷裂脆性斷裂(brittle fracture)(brittle fracture) 6.2.2 6.2.2 庫(kù)侖庫(kù)侖(Coulomb)(Coulomb)破裂準(zhǔn)則破裂準(zhǔn)則實(shí)例：井壁坍塌壓力的計(jì)算實(shí)例：井壁坍塌壓力的計(jì)算圖圖6-14 6-14 實(shí)例實(shí)例 2022-6-7地球物理與石油資源學(xué)

43、院316.2 6.2 脆性斷裂脆性斷裂(brittle fracture)(brittle fracture) 6.2.2 6.2.2 庫(kù)侖庫(kù)侖(Coulomb)(Coulomb)破裂準(zhǔn)則破裂準(zhǔn)則(2) (2) 庫(kù)侖準(zhǔn)則的圖示庫(kù)侖準(zhǔn)則的圖示圖圖6 615 15 庫(kù)侖準(zhǔn)則的圖示庫(kù)侖準(zhǔn)則的圖示左圖：利用左圖：利用1133應(yīng)力平應(yīng)力平面，在該平面上庫(kù)侖準(zhǔn)則表面，在該平面上庫(kù)侖準(zhǔn)則表示為一直線(xiàn)該直線(xiàn)與示為一直線(xiàn)該直線(xiàn)與11的交點(diǎn)的交點(diǎn)( (即在即在11軸上的截距軸上的截距) )為巖石的單抽抗壓強(qiáng)度為巖石的單抽抗壓強(qiáng)度C0,C0,直線(xiàn)的斜率為直線(xiàn)的斜率為1=C0+q31=C0+q3右圖：是在正應(yīng)力右圖：

44、是在正應(yīng)力和和| | 平面平面上表示，破裂線(xiàn)與上表示，破裂線(xiàn)與|軸截距為軸截距為S0S0，直線(xiàn)斜率為直線(xiàn)斜率為，夾角為，夾角為，2022-6-7地球物理與石油資源學(xué)院326.2 6.2 脆性斷裂脆性斷裂(brittle fracture)(brittle fracture) 6.2.2 6.2.2 庫(kù)侖庫(kù)侖(Coulomb)(Coulomb)破裂準(zhǔn)則破裂準(zhǔn)則(3) (3) 其它破裂準(zhǔn)則其它破裂準(zhǔn)則莫爾于莫爾于19001900年提出，當(dāng)一個(gè)面上的剪應(yīng)力年提出，當(dāng)一個(gè)面上的剪應(yīng)力與正應(yīng)力與正應(yīng)力之間滿(mǎn)足某種之間滿(mǎn)足某種函數(shù)關(guān)系時(shí)，即函數(shù)關(guān)系時(shí)，即 | = f| = f（） （6 66 6）沿該面會(huì)

45、發(fā)生破裂，這就是莫爾破裂準(zhǔn)則。其中函數(shù)沿該面會(huì)發(fā)生破裂，這就是莫爾破裂準(zhǔn)則。其中函數(shù)f f的形式與巖石的的形式與巖石的種類(lèi)有關(guān)。種類(lèi)有關(guān)。 圖圖6 616 16 莫爾破裂準(zhǔn)則莫爾破裂準(zhǔn)則a,a,在各種條件下，進(jìn)行巖石在各種條件下，進(jìn)行巖石破裂實(shí)驗(yàn)驗(yàn)畫(huà)出每次破裂破裂實(shí)驗(yàn)驗(yàn)畫(huà)出每次破裂發(fā)生時(shí)的莫爾圓，許多莫爾發(fā)生時(shí)的莫爾圓，許多莫爾圓的包絡(luò)線(xiàn)圓的包絡(luò)線(xiàn)ABAB。b, b, 巖石典型的莫爾包絡(luò)線(xiàn)巖石典型的莫爾包絡(luò)線(xiàn)2022-6-7地球物理與石油資源學(xué)院33 6.3 6.3 巖石斷裂力學(xué)巖石斷裂力學(xué)6.3.1 6.3.1 斷裂力學(xué)斷裂力學(xué)當(dāng)受力超過(guò)一定限度后，大多數(shù)材料都趨于斷裂，認(rèn)為巖石的（斷當(dāng)受力

46、超過(guò)一定限度后，大多數(shù)材料都趨于斷裂，認(rèn)為巖石的（斷裂）強(qiáng)度是巖石的一種固有性質(zhì)裂）強(qiáng)度是巖石的一種固有性質(zhì) 19201920年格里菲斯年格里菲斯(Griffith(Griffith，1920)1920)的經(jīng)典論文使研究工作出現(xiàn)了突的經(jīng)典論文使研究工作出現(xiàn)了突破，格里菲斯考感到固體中受應(yīng)力作用的一條孤立裂紋，根據(jù)經(jīng)典力破，格里菲斯考感到固體中受應(yīng)力作用的一條孤立裂紋，根據(jù)經(jīng)典力學(xué)和熱力學(xué)的基本能量理論，提出了裂紋擴(kuò)散的準(zhǔn)則。學(xué)和熱力學(xué)的基本能量理論，提出了裂紋擴(kuò)散的準(zhǔn)則。 (1) Griffith(1) Griffith的能量平衡概念的能量平衡概念 格里菲斯根據(jù)可逆的熱力學(xué)過(guò)程提出裂紋系統(tǒng)的一

47、個(gè)模型。該系統(tǒng)格里菲斯根據(jù)可逆的熱力學(xué)過(guò)程提出裂紋系統(tǒng)的一個(gè)模型。該系統(tǒng)的主要部分如圖的主要部分如圖6-176-17所示：彈性體所示：彈性體E E包含一條長(zhǎng)度為包含一條長(zhǎng)度為2C2C內(nèi)部裂紋內(nèi)部裂紋S S。在。在E E的外邊界的外邊界L L上，受到外加載荷的作用。格里菲斯設(shè)想這樣一種簡(jiǎn)單情上，受到外加載荷的作用。格里菲斯設(shè)想這樣一種簡(jiǎn)單情況，系統(tǒng)的總自由能為最小，這時(shí)裂紋處于平衡狀態(tài)，而且是擴(kuò)展的況，系統(tǒng)的總自由能為最小，這時(shí)裂紋處于平衡狀態(tài)，而且是擴(kuò)展的臨界狀態(tài)。臨界狀態(tài)。2022-6-7地球物理與石油資源學(xué)院34 6.3 6.3 巖石斷裂力學(xué)巖石斷裂力學(xué)6.3.1 6.3.1 斷裂力學(xué)斷裂

48、力學(xué)圖圖6-17 6-17 靜態(tài)平面裂紋系統(tǒng)，靜態(tài)平面裂紋系統(tǒng)，E-E-彈性彈性介質(zhì)；介質(zhì)；S-S-裂紋面；裂紋面；L-L-外加載荷外加載荷 對(duì)于一個(gè)靜態(tài)的裂紋系統(tǒng)，總能量是對(duì)于一個(gè)靜態(tài)的裂紋系統(tǒng)，總能量是三項(xiàng)之和：三項(xiàng)之和：U =(-WL + UE ) + US (66） 一般情況下裂紋體的外邊界會(huì)產(chǎn)生某一般情況下裂紋體的外邊界會(huì)產(chǎn)生某些位移因而外加載荷將作功些位移因而外加載荷將作功W WL L( (對(duì)于一對(duì)于一個(gè)真正的可逆系統(tǒng)，可以把個(gè)真正的可逆系統(tǒng)，可以把W WL L的增加與加的增加與加載系統(tǒng)勢(shì)能的減小看做是一樣的載系統(tǒng)勢(shì)能的減小看做是一樣的) )。彈性體中儲(chǔ)存的應(yīng)變勢(shì)能彈性體中儲(chǔ)存的應(yīng)

49、變勢(shì)能U UE E隨系統(tǒng)幾何情隨系統(tǒng)幾何情況的變化而發(fā)生變化。況的變化而發(fā)生變化。隨著裂紋新表面的產(chǎn)生，勢(shì)必出現(xiàn)自隨著裂紋新表面的產(chǎn)生，勢(shì)必出現(xiàn)自由表面能由表面能U US S (1) Griffith(1) Griffith的能量平衡概念的能量平衡概念2022-6-7地球物理與石油資源學(xué)院35 6.3 6.3 巖石斷裂力學(xué)巖石斷裂力學(xué)6.3.1 6.3.1 斷裂力學(xué)斷裂力學(xué) 假想裂紋擴(kuò)展了假想裂紋擴(kuò)展了cc( (圖圖6-17)6-17)，若機(jī)械能項(xiàng)和表面能項(xiàng)相干衡，則系統(tǒng)就達(dá)到，若機(jī)械能項(xiàng)和表面能項(xiàng)相干衡，則系統(tǒng)就達(dá)到熱力學(xué)平衡。不難看出，裂紋擴(kuò)展時(shí)機(jī)械能必然減小，這是因?yàn)樵诹鸭y擴(kuò)展時(shí)，熱力學(xué)

50、平衡。不難看出，裂紋擴(kuò)展時(shí)機(jī)械能必然減小，這是因?yàn)樵诹鸭y擴(kuò)展時(shí)， cc兩側(cè)的約束力突然松弛。一般情況下裂紋壁向外加速分開(kāi)最終進(jìn)入能量較兩側(cè)的約束力突然松弛。一般情況下裂紋壁向外加速分開(kāi)最終進(jìn)入能量較低的新?tīng)顟B(tài)。另一方面；在新的裂紋面產(chǎn)生時(shí)，要克服穿過(guò)低的新?tīng)顟B(tài)。另一方面；在新的裂紋面產(chǎn)生時(shí)，要克服穿過(guò)cc的分子引力。這的分子引力。這樣樣(6-6)(6-6)式括號(hào)中的項(xiàng)有助于裂紋擴(kuò)展，前第二項(xiàng)阻礙裂紋擴(kuò)展，這就是格里菲式括號(hào)中的項(xiàng)有助于裂紋擴(kuò)展，前第二項(xiàng)阻礙裂紋擴(kuò)展，這就是格里菲斯能量平衡概念。斯能量平衡概念。 嚴(yán)格表達(dá)可由標(biāo)準(zhǔn)的平衡方程給出：嚴(yán)格表達(dá)可由標(biāo)準(zhǔn)的平衡方程給出： dUdU/dc =

51、 0 (6/dc = 0 (67 7）對(duì)于單位寬度平板中的裂紋，可以定義裂紋的擴(kuò)展力對(duì)于單位寬度平板中的裂紋，可以定義裂紋的擴(kuò)展力G G G=-d(-W G=-d(-WL L + U+ UE E)/dc (6 )/dc (6 8 8）G G也叫做該裂紋系統(tǒng)的機(jī)械能釋放率，它是裂紋長(zhǎng)度也叫做該裂紋系統(tǒng)的機(jī)械能釋放率，它是裂紋長(zhǎng)度c c的函數(shù)，的函數(shù)， (1) Griffith(1) Griffith的能量平衡概念的能量平衡概念2022-6-7地球物理與石油資源學(xué)院36 6.3 6.3 巖石斷裂力學(xué)巖石斷裂力學(xué)6.3.1 6.3.1 斷裂力學(xué)斷裂力學(xué)裂紋擴(kuò)展阻力裂紋擴(kuò)展阻力R R： R = dUs

52、R = dUs/dc (6/dc (69 9）R R一般材料常數(shù)；裂紋擴(kuò)展條件可以寫(xiě)成：一般材料常數(shù)；裂紋擴(kuò)展條件可以寫(xiě)成： G Gc c = R (6 = R (61010）G Gc c臨界機(jī)械能釋放率。臨界機(jī)械能釋放率。 (6 610)10)式就是預(yù)測(cè)材料斷裂的準(zhǔn)則，它的基礎(chǔ)是能量守恒定律。式就是預(yù)測(cè)材料斷裂的準(zhǔn)則，它的基礎(chǔ)是能量守恒定律。(6(610)10)式表明，當(dāng)系統(tǒng)釋放的機(jī)械能與增加的表面能相干衡時(shí)，式表明，當(dāng)系統(tǒng)釋放的機(jī)械能與增加的表面能相干衡時(shí)，裂紋就具備了擴(kuò)展的條件。裂紋就具備了擴(kuò)展的條件。 (1) Griffith(1) Griffith的能量平衡概念的能量平衡概念2022

53、-6-7地球物理與石油資源學(xué)院37 6.3 6.3 巖石斷裂力學(xué)巖石斷裂力學(xué)6.3.1 6.3.1 斷裂力學(xué)斷裂力學(xué) (2) (2) 線(xiàn)彈性斷裂力學(xué)線(xiàn)彈性斷裂力學(xué)圖圖6-18 6-18 無(wú)裂紋樣品和含裂紋樣品應(yīng)力線(xiàn)無(wú)裂紋樣品和含裂紋樣品應(yīng)力線(xiàn) 線(xiàn)彈性斷裂力學(xué)大約是在線(xiàn)彈性斷裂力學(xué)大約是在19581958年由年由歐文等創(chuàng)立的歐文等創(chuàng)立的(1958)(1958)。 歐文分析了在歐文分析了在張應(yīng)力作用下，無(wú)裂紋樣品和含裂紋張應(yīng)力作用下，無(wú)裂紋樣品和含裂紋樣品的應(yīng)力場(chǎng)樣品的應(yīng)力場(chǎng)( (圖圖6-18)6-18)為簡(jiǎn)便計(jì)，為簡(jiǎn)便計(jì)，用應(yīng)力線(xiàn)的概念來(lái)描述應(yīng)力。規(guī)定每用應(yīng)力線(xiàn)的概念來(lái)描述應(yīng)力。規(guī)定每一點(diǎn)的應(yīng)力

54、等于穿過(guò)該點(diǎn)單位面積應(yīng)一點(diǎn)的應(yīng)力等于穿過(guò)該點(diǎn)單位面積應(yīng)力線(xiàn)的條數(shù)。某一點(diǎn)應(yīng)力線(xiàn)密集，則力線(xiàn)的條數(shù)。某一點(diǎn)應(yīng)力線(xiàn)密集，則該點(diǎn)的應(yīng)力就大。如圖所示，長(zhǎng)為該點(diǎn)的應(yīng)力就大。如圖所示，長(zhǎng)為2c2c的裂紋上的應(yīng)力線(xiàn)全部擠在裂紋尖的裂紋上的應(yīng)力線(xiàn)全部擠在裂紋尖端，在裂紋尖端附近，應(yīng)力比外加平端，在裂紋尖端附近，應(yīng)力比外加平均應(yīng)力要大得多，即存在著應(yīng)力集中。均應(yīng)力要大得多，即存在著應(yīng)力集中。這樣，當(dāng)外加應(yīng)力較小，甚至大大低這樣，當(dāng)外加應(yīng)力較小，甚至大大低于材料的斷裂強(qiáng)度時(shí)，含裂紋樣品裂于材料的斷裂強(qiáng)度時(shí)，含裂紋樣品裂紋尖端區(qū)的應(yīng)力集中就可能使尖端附紋尖端區(qū)的應(yīng)力集中就可能使尖端附近某一范圍內(nèi)的應(yīng)力達(dá)到材科斷裂

55、強(qiáng)近某一范圍內(nèi)的應(yīng)力達(dá)到材科斷裂強(qiáng)度，裂紋的快速擴(kuò)展使樣品發(fā)生脆性度，裂紋的快速擴(kuò)展使樣品發(fā)生脆性斷裂。斷裂。2022-6-7地球物理與石油資源學(xué)院38 6.3 6.3 巖石斷裂力學(xué)巖石斷裂力學(xué)6.3.1 6.3.1 斷裂力學(xué)斷裂力學(xué) (2) (2) 線(xiàn)彈性斷裂力學(xué)線(xiàn)彈性斷裂力學(xué)圖圖6-18 6-18 無(wú)裂紋樣品和含裂紋樣品應(yīng)力線(xiàn)無(wú)裂紋樣品和含裂紋樣品應(yīng)力線(xiàn) 因?yàn)檎麄€(gè)裂紋因?yàn)檎麄€(gè)裂紋2c2c長(zhǎng)度上的應(yīng)力線(xiàn)都擠長(zhǎng)度上的應(yīng)力線(xiàn)都擠在裂紋尖端，所以裂紋越長(zhǎng)，裂紋尖端在裂紋尖端，所以裂紋越長(zhǎng)，裂紋尖端應(yīng)力線(xiàn)越密集，應(yīng)力集中也就越大，樣應(yīng)力線(xiàn)越密集，應(yīng)力集中也就越大，樣品就可以在更低的外應(yīng)力下斷裂。我們

56、品就可以在更低的外應(yīng)力下斷裂。我們知道，對(duì)于不合裂紋的材料，當(dāng)外加應(yīng)知道，對(duì)于不合裂紋的材料，當(dāng)外加應(yīng)力大于材料斷裂強(qiáng)度時(shí)，樣品發(fā)生斷裂，力大于材料斷裂強(qiáng)度時(shí)，樣品發(fā)生斷裂，因此可以把斷裂強(qiáng)度作為材料抵抗拉斷因此可以把斷裂強(qiáng)度作為材料抵抗拉斷裂的能力。對(duì)含有裂紋的樣品來(lái)說(shuō)，用裂的能力。對(duì)含有裂紋的樣品來(lái)說(shuō)，用什么指標(biāo)作為材料抵抗斷裂的能力的度什么指標(biāo)作為材料抵抗斷裂的能力的度量呢量呢? ?大量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，材料中裂紋大量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，材料中裂紋越長(zhǎng)越長(zhǎng)(c(c越大越大) )，則應(yīng)力集中越大，使裂紋，則應(yīng)力集中越大，使裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的外加應(yīng)力失穩(wěn)擴(kuò)展的外加應(yīng)力cc越小，即越小，即 另外，實(shí)驗(yàn)表

57、明斷裂應(yīng)力也和裂紋形狀另外，實(shí)驗(yàn)表明斷裂應(yīng)力也和裂紋形狀和加載方式有關(guān)，和加載方式有關(guān)， 其中其中Y Y是一個(gè)和裂是一個(gè)和裂紋形狀和加裁方式有關(guān)的量對(duì)于每一紋形狀和加裁方式有關(guān)的量對(duì)于每一種材料，種材料， 該常數(shù)與裂紋大小、幾何形狀及加載方該常數(shù)與裂紋大小、幾何形狀及加載方式無(wú)關(guān)，只與材料本身性質(zhì)有關(guān)，是材式無(wú)關(guān)，只與材料本身性質(zhì)有關(guān)，是材料的一種特性。料的一種特性。2022-6-7地球物理與石油資源學(xué)院39 6.3 6.3 巖石斷裂力學(xué)巖石斷裂力學(xué)6.3.1 6.3.1 斷裂力學(xué)斷裂力學(xué) (2) (2) 線(xiàn)彈性斷裂力學(xué)線(xiàn)彈性斷裂力學(xué) Y Y稱(chēng)為斷裂韌性，用稱(chēng)為斷裂韌性，用K KC C表示：表

58、示： （611） 材料的材料的K KC C 愈高；則此材料阻止裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的能力就愈大；它是材愈高；則此材料阻止裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的能力就愈大；它是材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的能力的度量。料抵抗裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的能力的度量。型即張開(kāi)型型即張開(kāi)型 裂紋面上點(diǎn)的裂紋面上點(diǎn)的位移是與裂紋面位移是與裂紋面垂直的垂直的圖圖6 619 19 裂紋的三種類(lèi)型裂紋的三種類(lèi)型型即滑開(kāi)型型即滑開(kāi)型質(zhì)點(diǎn)位移平行于裂質(zhì)點(diǎn)位移平行于裂紋面，但與裂紋前紋面，但與裂紋前緣相垂直。緣相垂直。型即撕開(kāi)型型即撕開(kāi)型質(zhì)點(diǎn)位移平行于裂質(zhì)點(diǎn)位移平行于裂紋面，同時(shí)也與裂紋面，同時(shí)也與裂紋前緣相平行紋前緣相平行2022-6-7地球物理與石油資源學(xué)院40

59、6.3 6.3 巖石斷裂力學(xué)巖石斷裂力學(xué)6.3.1 6.3.1 斷裂力學(xué)斷裂力學(xué)圖6-20 裂紋尖端坐標(biāo)系 在裂紋尖端前端在裂紋尖端前端r r處的應(yīng)力場(chǎng)可處的應(yīng)力場(chǎng)可以由彈性力學(xué)求出，一般表達(dá)式以由彈性力學(xué)求出，一般表達(dá)式求得：求得：其中：其中：（612）式中式中Y Y是與裂紋形狀、加裁方式有關(guān)的量，例如對(duì)無(wú)限體中心貫穿裂紋，是與裂紋形狀、加裁方式有關(guān)的量，例如對(duì)無(wú)限體中心貫穿裂紋， 是是 的方向性函數(shù)，與裂紋類(lèi)型有關(guān)；的方向性函數(shù)，與裂紋類(lèi)型有關(guān)；是外加應(yīng)力，裂紋尖端附近是外加應(yīng)力，裂紋尖端附近的應(yīng)力場(chǎng)完全由的應(yīng)力場(chǎng)完全由(6(612)12)式控制，式控制，K KJ J大，裂紋尖端各點(diǎn)應(yīng)力場(chǎng)

60、就大，大，裂紋尖端各點(diǎn)應(yīng)力場(chǎng)就大，K KJ J是是決定應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度的主要因素，決定應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度的主要因素， K KJ J稱(chēng)為應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子。稱(chēng)為應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子。2022-6-7地球物理與石油資源學(xué)院41 6.3 6.3 巖石斷裂力學(xué)巖石斷裂力學(xué)6.3.1 6.3.1 斷裂力學(xué)斷裂力學(xué) 公式公式(6(61212）表明，隨著外加應(yīng)力）表明，隨著外加應(yīng)力的增大，裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因的增大，裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子子K KJ J不斷增加。當(dāng)不斷增加。當(dāng)K KJ J大到某一臨界值大到某一臨界值K KJCJC時(shí)，能使裂紋尖端某一區(qū)域的時(shí)，能使裂紋尖端某一區(qū)域的應(yīng)力大到足以使材料破壞，從而導(dǎo)致裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展，材料發(fā)生斷