第五章巖石力學(xué)性質(zhì)

第五章巖石力學(xué)基礎(chǔ)背景圖片是大理巖在擠壓應(yīng)力作用下的變形實(shí)驗(yàn)結(jié)果本章主要內(nèi)容巖石變形的應(yīng)力-應(yīng)變曲線影響巖石力學(xué)性質(zhì)的外界因素巖石的微觀破裂機(jī)制格里菲斯剪切破裂準(zhǔn)則的主要內(nèi)容一、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)果巖石變形的應(yīng)力－應(yīng)變曲線（1）彈性變形（2）塑性變形（3）破裂變形y'yP12破裂塑性變形區(qū)彈性變形區(qū)巖石變形的一般化應(yīng)力－應(yīng)變曲線根據(jù)材料在破裂前塑性變形的應(yīng)變量可以把材料分為脆性材料（<5%）、韌性材料（>10%)、韌－脆性材料（5~7.5%）和脆－韌性材料（7.5~10%)。eee二、影響巖石力學(xué)性質(zhì)的外界因素1．圍壓－－影響巖石的極限強(qiáng)度和韌性使固體物質(zhì)的質(zhì)點(diǎn)彼此接近，增強(qiáng)了質(zhì)點(diǎn)的內(nèi)聚力，從而使晶格不易破壞，因而不易破裂。圍壓與深度和構(gòu)造環(huán)境有關(guān)。2．溫度－－影響巖石的韌性和屈服極限溫度升高時(shí)巖石質(zhì)點(diǎn)的熱運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，減弱了它們之間的聯(lián)系能力，使物質(zhì)質(zhì)點(diǎn)更容易位移。溫度與深度和構(gòu)造環(huán)境有關(guān)。3．孔隙流體－－影響巖石的強(qiáng)度和質(zhì)點(diǎn)遷移能力封閉的孔隙流體可能導(dǎo)致異常壓力，對(duì)斷層的形成有重要意義。4．時(shí)間（1）時(shí)間對(duì)應(yīng)變速率的影響長(zhǎng)時(shí)間受力時(shí)質(zhì)點(diǎn)有充足的時(shí)間固定下來(lái)，易于產(chǎn)生永久變形;快速受力時(shí)質(zhì)點(diǎn)來(lái)不及重新排列就破裂了，表現(xiàn)出脆性特征。（2）蠕變與松弛－－長(zhǎng)時(shí)間地緩慢變形會(huì)降低彈性極限在應(yīng)力不增加的情況下，應(yīng)變隨著時(shí)間的增長(zhǎng)緩慢增加的現(xiàn)象就是蠕變，反映了巖石的流動(dòng)性。在應(yīng)變恒定的情況下，所需應(yīng)力可以隨時(shí)間增長(zhǎng)不斷減小的現(xiàn)象就是松弛。巖石中各種地質(zhì)構(gòu)造主要是巖石蠕變的產(chǎn)物。三、巖石變形的微觀機(jī)制1．脆性變形機(jī)制－－微破裂作用、碎裂作用和碎裂流巖石中固有的微裂隙引起應(yīng)力集中，從而導(dǎo)致脆性破裂。2．塑性變形機(jī)制－－晶內(nèi)滑動(dòng)和位錯(cuò)滑動(dòng)、位錯(cuò)蠕變（多邊形化作用、動(dòng)態(tài)重結(jié)晶作用和核幔構(gòu)造）、擴(kuò)散蠕變、溶解蠕變（壓溶作用）、顆粒邊界滑動(dòng)巖石中礦物晶體特性和缺陷對(duì)塑性變形過程具有重要意義。四、巖石的破裂準(zhǔn)則1．庫(kù)倫破裂準(zhǔn)則－－水平直線型莫爾包絡(luò)線理論破裂準(zhǔn)則是用來(lái)解釋巖石破裂時(shí)臨界應(yīng)力狀態(tài)的理論。0222水平直線型莫爾包絡(luò)線當(dāng)一點(diǎn)應(yīng)力狀態(tài)的與應(yīng)力莫爾圓與莫爾包絡(luò)線相切時(shí)，巖石在該點(diǎn)處開始破裂。巖石首先沿著與最大主應(yīng)力軸呈45o和135o的截面破裂，兩組破裂面應(yīng)相互垂直。對(duì)于塑性材料或高圍壓情況比較合適。2．斜線型莫爾包絡(luò)線理論

巖石抵抗剪切破裂的能力不僅與作用在截面上的剪應(yīng)力有關(guān)，還與該截面上的正應(yīng)力有關(guān)。為此引入內(nèi)摩擦角（）的概念，巖石沿著與最大主應(yīng)力軸分別呈45o－/2和135o－/2夾角的兩個(gè)截面破裂。剪切破裂時(shí)的斜線型莫爾包絡(luò)線理論3．格里菲斯剪切破裂準(zhǔn)則

巖石中隨機(jī)分布的大量微裂隙對(duì)巖石的破裂強(qiáng)度有顯著影響，這些微裂隙可以近似地看作扁平的橢圓形裂隙。麥克林托與華西（1962）又作了修正。平面格里菲斯莫爾包絡(luò)線格里菲斯莫爾包絡(luò)線修正的格里菲斯莫爾包絡(luò)線五、應(yīng)變測(cè)量概述確定巖石內(nèi)的有限應(yīng)變狀態(tài)及其分布規(guī)律的一個(gè)方法，就是測(cè)量和統(tǒng)計(jì)變形巖石內(nèi)已知原始形狀的標(biāo)志物在變形后的形態(tài)變化，然后加以對(duì)比分析。根據(jù)變形標(biāo)志物中已知長(zhǎng)度或相對(duì)長(zhǎng)度比的線性標(biāo)志物發(fā)生的長(zhǎng)度變化，可以計(jì)算伸縮線應(yīng)變。根據(jù)兩條直線之間原始角度的變化可以計(jì)算角剪應(yīng)變和剪應(yīng)變。礫石、砂粒、氣孔、鮞粒、放射蟲、還原斑等原始形狀規(guī)則的標(biāo)志物：變形化石和變形晶體等與變形有關(guān)的小型構(gòu)造標(biāo)志物：壓力影、生長(zhǎng)礦物纖維、石香腸構(gòu)造、線理、面理、節(jié)理等已知原始形狀的其它標(biāo)志物原始為圓球或橢