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，對斷層的形成有重要意義。4．時(shí)間（1）時(shí)間對應(yīng)變速率的影響長時(shí)間受力時(shí)質(zhì)點(diǎn)有充足的時(shí)間固定下來，易于產(chǎn)生永久變形;快速受力時(shí)質(zhì)點(diǎn)來不及重新排列就破裂了，表現(xiàn)出脆性特征。（2）蠕變與松弛－－長時(shí)間地緩慢變形會降低彈性極限在應(yīng)力不增加的情況下，應(yīng)變隨著時(shí)間的增長緩慢增加的現(xiàn)象就是蠕變，反映了巖石的流動性。在應(yīng)變恒定的情況下，所需應(yīng)力可以隨時(shí)間增長不斷減小的現(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)滑動和位錯(cuò)滑動、位錯(cuò)蠕變（多邊形化作用、動態(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）、顆粒邊界滑動巖石中礦物晶體特性和缺陷對塑性變形過程具有重要意義。四、巖石的破裂準(zhǔn)則1．庫倫破裂準(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，然后加以對比分析。根據(jù)變形標(biāo)志物中已知長度或相對長度比的線性標(biāo)志物發(fā)生的長度變化，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