第五章巖石力學(xué)性質(zhì)

第五章巖石力學(xué)性質(zhì)第一節(jié)巖石力學(xué)性質(zhì)的幾個(gè)基本概念巖石力學(xué)性質(zhì)巖石力學(xué)性質(zhì)是巖石受力作用之后的反映。巖石力學(xué)性質(zhì)主要是指巖石變形特征及巖石的力學(xué)強(qiáng)度。巖石變形與巖石本身力學(xué)性質(zhì)有密切關(guān)系。為什么要研究巖石的力學(xué)性質(zhì)？巖石力學(xué)性質(zhì)研究的途徑（1）觀察天然巖石的力學(xué)現(xiàn)象（天然露頭等）；（2）實(shí)驗(yàn)室內(nèi)對(duì)巖石進(jìn)行變形實(shí)驗(yàn)；（3）在野外對(duì)巖體進(jìn)行實(shí)地試驗(yàn)；（4）理論分析和數(shù)值模擬。

天然巖石變形0.1MPa高溫流變儀樣品裝置示意圖實(shí)驗(yàn)室?guī)r石變形實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)試樣及主應(yīng)力圖示σ1σ2=σ3=

圍壓σ3σ1=σ2=

圍壓差（異）應(yīng)力（differentialstress）σ=σ1-σ3壓縮拉伸巖石變形的應(yīng)力－應(yīng)變曲線 1、彈性變形：巖石在外力作用下發(fā)生變形，當(dāng)外力解除后，又完全恢復(fù)到變形前的狀態(tài)，該變形稱為彈性變形。其主要特點(diǎn)：應(yīng)力和應(yīng)變成正比，符合虎克定律=EeE：為彈性模量或稱為楊氏模量。

2、塑性變形：隨著外力繼續(xù)增加，變形繼續(xù)增大，當(dāng)應(yīng)力超過(guò)巖石的彈性極限后，再將應(yīng)力撤去，變形巖石已不能完全恢復(fù)原來(lái)的形狀，保留一定的永久變形，該變形稱為塑性變形

。巖石變形的應(yīng)力－應(yīng)變曲線巖石變形的應(yīng)力－應(yīng)變曲線隨著變形繼續(xù)，應(yīng)力－應(yīng)變曲線斜率變小，這時(shí)如果撤除應(yīng)力，曲線并不回到原點(diǎn)，而與e軸交于e1，說(shuō)明試樣由于超出其彈性極限而發(fā)生了永久變形。這個(gè)極限點(diǎn)的應(yīng)力叫屈服應(yīng)力σy（yieldstress）。

當(dāng)應(yīng)力超過(guò)一定值時(shí)，巖石就會(huì)以某種方式而破環(huán)，發(fā)生斷裂變形。這時(shí)的應(yīng)力值稱為巖石的極限強(qiáng)度或強(qiáng)度。

巖石變形的應(yīng)力－應(yīng)變曲線巖石抗壓強(qiáng)度(MPa)抗張強(qiáng)度(MPa)抗剪強(qiáng)度(MPa)花崗巖148(37－379)3－515－30大理巖102(31－262)3－910－30石灰?guī)r96(6－360)3－612－20砂巖74(11－252)1－35－15玄武巖275(200－350)10頁(yè)巖20－802巖石的抗壓強(qiáng)度>抗剪強(qiáng)度>抗張強(qiáng)度常溫常壓下一些巖石的強(qiáng)度極限脆性材料：斷裂前的塑性變形量在百分之五以下的材料。

韌性材料：斷裂前的塑性變形量在百分之十以上的材料。脆性：脆性材料在彈性范圍內(nèi)或彈性變形后立即破裂，即在破裂前沒(méi)有或有極小的塑性變形，材料的這種性質(zhì)稱為脆性。脆性破裂：脆性材料的破裂稱為脆性破裂。脆性破裂方式：張破裂和剪破裂。流體的粘性是指流體內(nèi)部各流層之間相對(duì)滑動(dòng)時(shí)，層面之間存在的一種內(nèi)摩擦效應(yīng)。流體沿著x方向流動(dòng)的n個(gè)不同流層。它們的流速u(mài)是y的函數(shù)，u在y軸方向的變化率稱為速度梯度，du/dy。同一位置上的剪應(yīng)力（摩擦阻力）與速度梯度呈正比關(guān)系

τ=ηdu/dyη粘度（Pa·s）（1）式中可作下列變換（1）改寫(xiě)為（1）、（3）式稱為牛頓粘性定律，服從牛頓粘性定律的材料稱為牛頓流體（或線粘性流體）。（2）（1）（3）（4）粘性和粘度xy0u=u(y)......

非線粘性流體：非牛頓流體。其發(fā)生流動(dòng)變形時(shí)，各點(diǎn)剪應(yīng)力與剪應(yīng)變速率成非線性關(guān)系。

粘彈性：既具有彈性，又能發(fā)生粘性流動(dòng)的材料，稱為粘彈性體，它所表現(xiàn)出來(lái)的力學(xué)性質(zhì)，稱為粘彈性。

流體具有流動(dòng)性，具有粘性。巖石也具有流動(dòng)性和粘性。只是其流動(dòng)速度比液體要緩慢得多而不易覺(jué)察出來(lái)，從而說(shuō)明巖石的粘度較大。例如在常溫下，石灰?guī)r的粘度約為冰川冰粘度的1億倍。第二節(jié)影響巖石力學(xué)性質(zhì)的因素應(yīng)力應(yīng)變巖石力學(xué)性質(zhì)應(yīng)力和應(yīng)變是巖石或地塊在外界力影響下的重要響應(yīng)。應(yīng)力是物理方面的反映之一，應(yīng)變是幾何學(xué)方面的反映之一；巖石力學(xué)性質(zhì)－是指在應(yīng)力和應(yīng)變作用下，巖石出現(xiàn)塑性變形或脆性變形（破裂）的條件；巖石力學(xué)性質(zhì)是約束巖石變形和構(gòu)造幾何特征的重要條件。 影響巖石力學(xué)性質(zhì)的因素各向異性圍壓溫度孔隙流體時(shí)間各向異性對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)的影響橄欖石晶體沉積巖的水平層理圍壓對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)的影響增大圍壓的效應(yīng)有兩方面：增大了巖石極限強(qiáng)度；增大了巖石的韌性。溫度的影響溫度是影響巖石力學(xué)性質(zhì)和流變強(qiáng)度的一個(gè)重要因素。溫度的升高使巖石的韌性增大，屈服強(qiáng)度降低；溫度對(duì)瀝青的變形強(qiáng)度影響是一個(gè)很生動(dòng)的例子（夏天的瀝青和冬天的瀝青強(qiáng)度大不一樣）。孔隙流體的影響孔隙流體對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)影響表現(xiàn)為兩個(gè)方面：物理方面影響和化學(xué)方面影響。當(dāng)巖石中流體含量增加時(shí)，巖石強(qiáng)度降低。流體促使礦物在應(yīng)力作用下的溶解和重結(jié)晶，從而促使塑性變形；產(chǎn)生孔隙流體壓力效應(yīng)：在變形過(guò)程中孔隙壓力（Pp）的作用會(huì)抵消圍壓（Pc）的作用，對(duì)變形實(shí)際起作用的是有效圍壓（Pe）

Pe=Pc-Pp

有效壓力（Pe）降低，使巖石易于破裂，強(qiáng)度降低。時(shí)間影響因素與實(shí)驗(yàn)室?guī)r石力學(xué)研究不同，地質(zhì)條件的巖石變形時(shí)間很長(zhǎng)，一個(gè)造山帶變形要經(jīng)歷幾百萬(wàn)年才完成。應(yīng)變速率的影響（?=ε/t）?降低，材料強(qiáng)度降低，向韌性方向轉(zhuǎn)變隕石的碰撞或地震是快速?阿爾卑斯山變形速率10-12/s-10-14/s左右時(shí)間對(duì)巖石蠕變和松弛的影響蠕變是在恒定應(yīng)力作用下，應(yīng)變隨時(shí)間持續(xù)增加的變形。松弛是在恒定變形情況下，巖石中應(yīng)力隨時(shí)間增長(zhǎng)不斷減小。蠕變和松弛現(xiàn)象是巖石變形表現(xiàn)的兩方面，都表現(xiàn)出時(shí)間對(duì)巖石性質(zhì)的影響。第三節(jié)巖石的能干性巖石的能干性巖石能干性是指不同巖石在相同變形環(huán)境中變形行為的相對(duì)差異。巖石按能干性的差異分為能干的（強(qiáng)的）和不能干的（弱的）。第四節(jié)巖石變形的微觀機(jī)制巖石變形的微觀機(jī)制包括脆性變形機(jī)制和塑性變形機(jī)制。脆性變形機(jī)制包括： 微破裂作用 碎裂作用 碎裂流塑性變形機(jī)制有： 位錯(cuò)蠕變 擴(kuò)散蠕變 顆粒邊界滑動(dòng) 超塑性變形位錯(cuò)蠕變晶體缺陷包括：點(diǎn)缺陷、線缺陷（位錯(cuò)）和面缺陷。位錯(cuò)蠕變是通過(guò)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)而使材料變形的一種變形機(jī)制，包括低溫下的位錯(cuò)滑動(dòng)和高溫下的位錯(cuò)攀移兩種機(jī)制。Typicalsubgrainstructureinolivine,Katin,LauningMultiplecross-slipscrewandloops,Mingxi,Fujian,EasternChina.擴(kuò)散蠕變擴(kuò)散蠕變是通過(guò)晶內(nèi)和晶界的空位和原子運(yùn)動(dòng)來(lái)改變晶粒形狀的一種塑性變形機(jī)制，包括晶內(nèi)擴(kuò)散蠕變（Nabarro-Herring蠕變）和晶界擴(kuò)散蠕變（Coble蠕變）。壓溶蠕變實(shí)際上是一種低溫?cái)U(kuò)散蠕變形式。顆粒邊界滑動(dòng)顆粒邊界滑動(dòng)是通過(guò)顆粒邊界之間的滑動(dòng)來(lái)調(diào)節(jié)巖石總體變形的一種變形機(jī)制。顆粒邊界滑動(dòng)跟擴(kuò)散蠕變一樣，都要求顆粒粒度很小以及高溫環(huán)境。超塑性變形是通過(guò)顆粒邊界滑動(dòng)機(jī)制實(shí)現(xiàn)的一種變形結(jié)果，通常樣品變形量在1000倍以上。第五節(jié)巖石斷裂準(zhǔn)則巖石斷裂準(zhǔn)則

斷裂是指由于外力作用在物體中產(chǎn)生的介質(zhì)不連續(xù)面。

斷裂準(zhǔn)則：在極限應(yīng)力狀態(tài)下各點(diǎn)極限應(yīng)力分量所應(yīng)滿足的條件，稱為斷裂條件或者準(zhǔn)則。莫爾包絡(luò)線：就是材料破壞時(shí)的各種極限應(yīng)力狀態(tài)應(yīng)力圓的公切線。

判別條件：當(dāng)一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)的應(yīng)力圓與莫爾包絡(luò)線相切，這點(diǎn)就開(kāi)始破裂。庫(kù)侖準(zhǔn)則

庫(kù)侖準(zhǔn)則，又稱最大剪應(yīng)力準(zhǔn)則，其表達(dá)式為

max=(1-3)/2=0。022

庫(kù)侖－納維葉準(zhǔn)則：將庫(kù)侖公式（＝0＋n）中的內(nèi)摩擦系數(shù)用內(nèi)摩擦角來(lái)表示，將其轉(zhuǎn)換成＝=0+n*tan即為庫(kù)侖－納維葉準(zhǔn)則。由于該理論既有一定的適用性，又比較簡(jiǎn)單，所以應(yīng)用比較廣泛。＝0＋n=0+n*tanσφσ3σ1φ2θτ

格里菲斯準(zhǔn)則：庫(kù)侖準(zhǔn)則是通過(guò)實(shí)驗(yàn)說(shuō)明巖石破裂時(shí)各應(yīng)力之間的關(guān)系，但它們不能對(duì)導(dǎo)致破壞的內(nèi)部機(jī)制作出令人滿意的物理學(xué)方面的