巖石的力學(xué)性質(zhì)（41頁圖文豐富）

1、第五章 巖石力學(xué)性質(zhì)一、基本概念巖石力學(xué)性質(zhì)：應(yīng)力作用下巖石所表現(xiàn)的變形行為特征。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)果汶川地震造成的都江堰國堰賓館墻上的X型破裂彈性變形：應(yīng)力應(yīng)變曲線為直線，應(yīng)力與應(yīng)變量成正比，除 去應(yīng)力，巖石立即恢復(fù)原狀。遵從虎克定律：= E e 。屈服應(yīng)力：當(dāng)應(yīng)力超過某一極限值，應(yīng)力應(yīng)變曲線的斜率明 顯減小，除去應(yīng)力后巖石將不能完全恢復(fù)原狀，該極限應(yīng) 力值即為屈服應(yīng)力。永久變形：應(yīng)力超

2、過屈服應(yīng)力，除去應(yīng)力后巖石將不能完全恢復(fù) 原狀，不能恢復(fù)的變形稱為永久變形。塑性變形：未失連續(xù)性（即不產(chǎn)生破裂）的永久變形，一般是由 物體內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)化學(xué)鍵重新排列的結(jié)果，如動(dòng)態(tài)重結(jié)晶、位錯(cuò) 滑動(dòng)等。完全塑性變形：在屈服應(yīng)力作用下，巖石以韌性方式連續(xù)變形， 應(yīng)力應(yīng)變曲線斜率等于零。粘性變形：流體在應(yīng)力作用下所表現(xiàn)出的一種永久變形。應(yīng)變強(qiáng)化：在重復(fù)施力作用下，巖石屈服應(yīng)力增大的過程。也可定義為：在超過屈服應(yīng)力的塑性變形中，持續(xù)的變形需要不斷增大的應(yīng)力的變形行為，從而使應(yīng)力應(yīng)變曲線具有一個(gè)小的正斜率。應(yīng)變強(qiáng)化：在重復(fù)施力作用下，巖石屈服應(yīng)力增大的過程。也可定義為：在超過屈服應(yīng)力的塑性變形中，持續(xù)的變形

3、需要不斷增大的應(yīng)力的變形行為，從而使應(yīng)力應(yīng)變曲線具有一個(gè)小的正斜率。應(yīng)變?nèi)趸涸谥貜?fù)施力作用下，巖石屈服應(yīng)力減小的過程。也可定義為：在超過屈服應(yīng)力的塑性變形中，持續(xù)的變形需要越來越小的應(yīng)力的變形行為，從而使應(yīng)力應(yīng)變曲線具有一個(gè)小的負(fù)斜率。破裂：應(yīng)力超過某一極限值時(shí)，巖石質(zhì)點(diǎn)間失去結(jié) 合力而產(chǎn)生不連續(xù)面的過程。巖石強(qiáng)度：巖石發(fā)生破裂時(shí)的極限應(yīng)力值。 抗拉抗剪抗壓破裂前的應(yīng)變小于3-5%材料為脆性材料；破裂前的應(yīng)變大于5-10%的材料稱為韌性或延性材料。材料的脆性和韌性并非固定，而是隨著變形環(huán)境而變化。脆性變形：巖石在彈性變形域發(fā)生破裂的變形行為。 脆性變形常與彈性相關(guān)。韌性變形：巖石破裂前是發(fā)生

4、顯著的永久變形的變形 行為。韌性變形與粘性或塑性相關(guān)。脆性變形與韌性變形二、巖石破裂準(zhǔn)則脆性變形，破裂：巖石所受應(yīng)力達(dá)到或超過其強(qiáng)度而產(chǎn)生不連續(xù)面的變形。臨界應(yīng)力摩爾圓：巖石破裂時(shí)瞬間的應(yīng)力摩爾圓稱為臨界摩爾圓摩爾包絡(luò)線（庫侖破裂線）：各臨界摩爾圓的共切線，代表巖石 的破壞條件庫侖準(zhǔn)則：巖石應(yīng)力摩爾圓與摩爾包絡(luò)線相切，巖石發(fā)生破裂。直線型摩爾包絡(luò)線庫侖納維葉準(zhǔn)則、分別為巖石的內(nèi)摩擦系數(shù)和內(nèi)摩擦角，取決于巖石的性質(zhì)及溫壓等環(huán)境條件臨界應(yīng)力摩爾圓與包絡(luò)線有兩個(gè)切點(diǎn)，形成共軛剪裂面，其所夾銳角指向最大主應(yīng)力。格里菲斯破裂準(zhǔn)則202/1(1-)0122拋物線型摩爾包絡(luò)線三、最大有效力矩準(zhǔn)則韌脆性破裂層

5、狀構(gòu)造的脆韌性巖石中，巖石的破裂方向受最大有效力矩控制，其形成的破裂面稱為伸展褶劈理面（C），是伸展構(gòu)造中的一種常見構(gòu)造，其共軛的鈍角指向最大主應(yīng)力方向。第四節(jié) 影響巖石力學(xué)性質(zhì)的因素及構(gòu)造層次 所謂巖石力學(xué)性質(zhì)主要指其屈服應(yīng)力和破壞強(qiáng)度。 主要取決于巖石的成分、結(jié)構(gòu)和構(gòu)造。 但同樣受巖石變形時(shí)所處環(huán)境的很大影響，其中包括圍壓、溫度、流體和應(yīng)變速率等。 例如，同一種巖石在有水的條件下破裂強(qiáng)度會(huì)降低。而在高溫時(shí)其屈服應(yīng)力會(huì)降低，表現(xiàn)為在很小應(yīng)力下的塑性變形。一、圍 壓圍壓：巖石所受的圍限壓力，一般指處于地殼中的巖石 所受上覆巖石產(chǎn)生的靜巖壓力增大巖石的破裂強(qiáng)度；增大巖石的韌性 原因在于高圍壓下使

6、晶體凝聚力增大，質(zhì)點(diǎn)彼此接近，其晶格不易破壞，即不易發(fā)生斷裂，只能滑移，故表現(xiàn)為塑性變形圍壓隨深度增加而增加二、溫 度降低巖石的屈服應(yīng)力，增大巖石的韌性，使其易于塑性變形 溫度增高時(shí)，巖石質(zhì)點(diǎn)(分子)的熱運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，從而減弱它們之間的聯(lián)系能力，使物質(zhì)質(zhì)點(diǎn)更容易位移。因此，當(dāng)溫度升高到適當(dāng)程度時(shí)，較小的應(yīng)力也能使巖石發(fā)生較大的塑性變形地殼中由于地溫梯度的存在，使巖石溫度向深部升高三、時(shí)間（應(yīng)變速率）作用時(shí)間增長（應(yīng)變速率降低），降低巖石的屈服應(yīng)力，增強(qiáng)巖石的韌性。 巖石受緩慢長時(shí)間外力作用時(shí)，質(zhì)點(diǎn)有充分時(shí)間通過移動(dòng)而重新定向，從而產(chǎn)生于永久變形。快速變形時(shí)，質(zhì)點(diǎn)來不及重新排列就發(fā)生破裂，所以呈現(xiàn)脆

7、性變形。蠕變與松弛蠕變：在恒定應(yīng)力作用下，應(yīng)變隨時(shí)間持續(xù)增長的變形松弛：在恒定變形情況下，巖石中應(yīng)力隨時(shí)間的減小四、流 體1.溶液作用：使礦物分子活動(dòng)增強(qiáng)，降低分子間的內(nèi)聚力，降低 巖石的強(qiáng)度。促進(jìn)礦物在應(yīng)力作用的溶解遷移和重 結(jié)晶作用，增強(qiáng)巖石的韌性。2.孔隙流體壓力：巖石孔隙中流體的壓力，降低巖石的破壞強(qiáng)度。 水壓致裂和水庫誘發(fā)地震等。Pe=Pc-Pf五、構(gòu)造層次隨地殼深度增加溫度壓力升高，引起巖石力學(xué)性質(zhì)變化而產(chǎn)生的變形性質(zhì)的垂向分帶性?？傮w上為上部為脆性破裂變形，向下出現(xiàn)彎曲、壓扁和韌性剪切，最深處為塑性流動(dòng)變形表構(gòu)造層次：位于地表，主要表現(xiàn)為斷層、斷塊等脆性變形，由 剪切破裂機(jī)制造

8、成。淺構(gòu)造層次：相當(dāng)于05km的深度范圍，以斷層和縱彎褶 皺為主導(dǎo)變形作用是作用。中構(gòu)造層次：515km，以塑性壓扁和韌性剪切變形為主， 發(fā)育劈理和面理。該層次頂面以板劈理出現(xiàn)為界，即 板劈理前鋒面。深構(gòu)造層次：15km以下，主導(dǎo)變形作用是流變作用和深熔 作用。代表性構(gòu)造是柔流褶皺和韌性剪切帶，深部發(fā) 生混合巖化，甚至形成深熔花崗巖。Sibson斷層雙層結(jié)構(gòu)模式巖石力學(xué)性質(zhì)隨地殼深度而變化，同一斷層的變形行為在不同深度表現(xiàn)不同，淺部以產(chǎn)生碎裂巖的脆性變形為主，深部以產(chǎn)生糜棱巖的韌性變形為主。其間的轉(zhuǎn)換帶為脆韌性轉(zhuǎn)換帶，石英變形為主的巖石的轉(zhuǎn)換溫度為250350 ，深度大約為1015km。第 五

9、 節(jié)巖 石 變 形 機(jī) 制一、 脆性碎裂變形在淺層低溫或高應(yīng)變速率條件下，巖石礦物或礦物間首先根據(jù)庫侖破裂準(zhǔn)則產(chǎn)生微破裂，然后通過微破裂擴(kuò)展、連接而失去內(nèi)聚力，最終形成斷層或裂隙。1.粒間滑動(dòng)應(yīng)力作用下，礦物顆粒間沿顆粒邊界發(fā)生相對運(yùn)動(dòng)二、塑性變形2.晶內(nèi)塑性變形位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)晶格缺陷 點(diǎn)缺陷：由于間隔原子、空位或不同半徑原子使晶格產(chǎn)生的不完整性 位錯(cuò)：線狀排列的晶格缺陷，一般是晶格內(nèi)一個(gè)滑動(dòng)面的邊界。位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)是晶內(nèi)變形的主要方式，所以位錯(cuò)是影響巖石力學(xué)性質(zhì)和變形行為的重要因素。同時(shí)在變形中，應(yīng)力作用是晶體內(nèi)產(chǎn)生位錯(cuò)的一種主要因素，位錯(cuò)是儲(chǔ)存變形能的一種方式。棱（刃）位錯(cuò)：與滑動(dòng)方向即布格向量垂直

10、的位錯(cuò)。 （半原子面）螺位錯(cuò)：與滑動(dòng)方向即布格向量平行的位錯(cuò)。面缺陷：堆垛斷層、位錯(cuò)壁 亞顆粒邊界等1-3 =A10-30.5位錯(cuò)移動(dòng)：應(yīng)力作用下位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)。1 ） 滑移：垂直于棱位錯(cuò)和半原子面的滑動(dòng)?；泼?） 攀移：垂直于棱位錯(cuò)但平行于半原子面的滑動(dòng) 導(dǎo)致半原子面的伸縮3 ）交滑：不同棱位錯(cuò)間產(chǎn)生相連的外加棱位錯(cuò)段 落的過程。該段位錯(cuò)不在滑移面上可在滑移和攀移中形成3.動(dòng)態(tài)重結(jié)晶重結(jié)晶：固態(tài)下，由于溫壓條件變化和應(yīng)力作用使原有晶體通 過晶格調(diào)整、粒內(nèi)變形等過程而形成新晶體的過程，重結(jié) 晶使晶體的形態(tài)、粒度甚至成分發(fā)生變化。動(dòng)態(tài)重結(jié)晶：變形過程中形成的重結(jié)晶作用。變形過程中，應(yīng) 變晶體通過位

11、錯(cuò)移動(dòng)、邊界遷移等形成無位錯(cuò)新晶體的過 程。靜態(tài)重結(jié)晶：應(yīng)力作用結(jié)束后在靜壓力作用下發(fā)生的重結(jié)晶。動(dòng)態(tài)重結(jié)晶一般使顆粒粒度減小細(xì)?；?。動(dòng)態(tài)重結(jié)晶的原因：受應(yīng)力作用而發(fā)生應(yīng)變的晶體內(nèi)部儲(chǔ)存很 高的應(yīng)變能（表現(xiàn)為高的位錯(cuò)密度），高內(nèi)能不是穩(wěn)定狀 態(tài)，所以要通過位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)而消除位錯(cuò)、降低內(nèi)能。恢復(fù)：通過位錯(cuò)遷移、新的無位錯(cuò)顆粒（重結(jié)晶）形成、以及 通過邊界遷移生長而降低應(yīng)變能的過程。初級重結(jié)晶作用：位錯(cuò)移動(dòng) 纏結(jié) 位錯(cuò)壁 亞邊界亞邊界：由密集位錯(cuò)形成的礦物晶體內(nèi)面狀邊界，其兩側(cè)晶格 方位發(fā)生小于10度的變化亞顆粒：由亞邊界圍繞形成的晶格方位小于10度的微顆粒 初級重結(jié)晶：包括亞顆?；蛠嗩w粒旋轉(zhuǎn)形成高角 度顆粒邊界（新晶體形成）。 重結(jié)晶：新晶體生長、初級重結(jié)晶顆粒粒徑小表 面能大，通過邊界遷移生長。重結(jié)晶新晶體的形成：亞邊界位錯(cuò)集中定向形成新不連續(xù)邊界，并通過旋轉(zhuǎn)使兩側(cè)晶格間方位角大于10度，從而形成新的晶體邊界，形成新的晶體。重結(jié)晶：晶體生長：小顆粒的新晶體具有高表面能生長降低表面能 晶內(nèi)變形與應(yīng)力的關(guān)系（古應(yīng)力測定）位錯(cuò)密度： 1-3 =A10-30.5亞顆粒：