05巖石力學(xué)性質(zhì)課件

構(gòu)造地質(zhì)學(xué)

StructralGeology第5章巖石力學(xué)性質(zhì)主講

謝洪波河南理工大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院6/3/20231河南理工大學(xué)謝洪波巖石力學(xué)性質(zhì)的幾個(gè)基本概念影響巖石力學(xué)性質(zhì)的因素巖石變形的微觀機(jī)制巖石斷裂準(zhǔn)則6/3/20232河南理工大學(xué)謝洪波1巖石力學(xué)性質(zhì)的幾個(gè)基本概念材料的力學(xué)性質(zhì)強(qiáng)度材料抵抗外力(載荷)作用下產(chǎn)生破壞的能力靜力強(qiáng)度材料抵抗由靜載荷產(chǎn)生應(yīng)力破壞的能力抗壓強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度抗剪強(qiáng)度抗彎強(qiáng)度6/3/20233河南理工大學(xué)謝洪波1巖石力學(xué)性質(zhì)的幾個(gè)基本概念材料的力學(xué)性質(zhì)強(qiáng)度靜力強(qiáng)度硬度材料抵抗其它較硬物體的壓入能力6/3/20234河南理工大學(xué)謝洪波1巖石力學(xué)性質(zhì)的幾個(gè)基本概念材料的力學(xué)性質(zhì)強(qiáng)度靜力強(qiáng)度硬度彈性材料在外力的作用下產(chǎn)生變形，外力取消后，能夠完全恢復(fù)原來形狀的性質(zhì)彈性變形彈性材料(胡克固體)6/3/20235河南理工大學(xué)謝洪波1巖石力學(xué)性質(zhì)的幾個(gè)基本概念材料的力學(xué)性質(zhì)強(qiáng)度靜力強(qiáng)度硬度彈性塑性材料在外力的作用下產(chǎn)生變形，外力取消后，仍保持變形后的形狀和尺寸，但不產(chǎn)生裂紋的性質(zhì)塑性變形(永久變形)塑性材料彈塑性材料6/3/20236河南理工大學(xué)謝洪波1巖石力學(xué)性質(zhì)的幾個(gè)基本概念材料的力學(xué)性質(zhì)強(qiáng)度靜力強(qiáng)度硬度彈性塑性脆性材料在外力的作用下直到破裂前無明顯塑性變形而發(fā)生突然破壞的性質(zhì)脆性材料特點(diǎn)：抗壓強(qiáng)度>>抗拉強(qiáng)度6/3/20237河南理工大學(xué)謝洪波1巖石力學(xué)性質(zhì)的幾個(gè)基本概念材料的力學(xué)性質(zhì)強(qiáng)度靜力強(qiáng)度硬度彈性塑性脆性韌性材料在沖擊外力和震動(dòng)荷載作用下，材料能吸收大量的能量，產(chǎn)生一定變形而不致破壞的性質(zhì)韌性材料特點(diǎn)：具有較高的抗拉、抗壓強(qiáng)度脆性材料 斷裂發(fā)生前塑性變形<5％脆-韌性材料 斷裂發(fā)生前塑性變形5％～10％

韌性材料 斷裂發(fā)生前塑性變形>10％6/3/20238河南理工大學(xué)謝洪波1巖石力學(xué)性質(zhì)的幾個(gè)基本概念材料的主要力學(xué)性質(zhì)流體的主要力學(xué)性質(zhì)流體在任何微小剪切力的作用下能產(chǎn)生連續(xù)變形的物質(zhì)粘性流體所具有的抵抗兩層相對(duì)滑動(dòng)速度(抵抗變形)的性質(zhì)——粘性系數(shù)μ快層慢層內(nèi)摩擦力↓粘性應(yīng)力(剪切性質(zhì))速度梯度粘性系數(shù)μ(動(dòng)力粘度)速度梯度為1時(shí)，單位受力面積上，流體層之間內(nèi)摩擦力的大小能干性(發(fā)生塑性流變的程度)不易發(fā)生塑性變形的巖層——能干巖層，其能干性較強(qiáng)，或稱強(qiáng)巖層反之，為不能干或弱巖層6/3/20239河南理工大學(xué)謝洪波1巖石力學(xué)性質(zhì)的幾個(gè)基本概念材料的主要力學(xué)性質(zhì)流體的重要力學(xué)性質(zhì)流體粘性牛頓內(nèi)摩擦(粘性)定律牛頓流體6/3/202310河南理工大學(xué)謝洪波1巖石力學(xué)性質(zhì)的幾個(gè)基本概念材料的主要力學(xué)性質(zhì)流體的重要力學(xué)性質(zhì)巖石的變形階段彈性區(qū)塑性區(qū)破壞彈性變形階段屈服極限σy比例極限σπ線彈性變形非線彈性變形塑性變形階段強(qiáng)度極限σB應(yīng)變硬化斷裂變形階段脆性破裂張裂、剪裂張裂剪裂抗壓強(qiáng)度>抗剪強(qiáng)度>抗張強(qiáng)度6/3/202311河南理工大學(xué)謝洪波2影響巖石力學(xué)性質(zhì)的因素內(nèi)因外因巖石成份、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造差異各向異性如：層狀巖石受壓可形成褶皺，而塊狀的各向同性巖石一般無法顯示出褶皺變形來6/3/202312河南理工大學(xué)謝洪波2影響巖石力學(xué)性質(zhì)的因素內(nèi)因外因圍壓溫度孔隙流體時(shí)間提高 韌性 強(qiáng)度極限 彈性極限高圍壓使巖石的質(zhì)點(diǎn)彼此接近，增強(qiáng)了內(nèi)聚力6/3/202313河南理工大學(xué)謝洪波2影響巖石力學(xué)性質(zhì)的因素內(nèi)因外因圍壓溫度孔隙流體時(shí)間提高 韌性降低 強(qiáng)度極限 彈性極限雌黃鐵礦閃鋅礦溫度增高，使巖石質(zhì)點(diǎn)的熱運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)

減弱了質(zhì)點(diǎn)之間的聯(lián)系能力6/3/202314河南理工大學(xué)謝洪波2影響巖石力學(xué)性質(zhì)的因素內(nèi)因外因圍壓溫度孔隙流體時(shí)間溶液彈性極限和強(qiáng)度下降韌性增強(qiáng)流體壓力降低強(qiáng)度溶液分子進(jìn)入晶格，使礦物分子之間的凝聚力下降溶液有利于重結(jié)晶作用的發(fā)生，容易發(fā)生塑性變形 有效正應(yīng)力下降6/3/202315河南理工大學(xué)謝洪波2影響巖石力學(xué)性質(zhì)的因素內(nèi)因外因圍壓溫度孔隙流體時(shí)間應(yīng)變速率快速：脆性，強(qiáng)度較緩慢：塑性，強(qiáng)度下降重復(fù)受力破裂所需的應(yīng)力降低蠕變保持應(yīng)力不變，隨時(shí)間延長(zhǎng)，變形繼續(xù)緩慢增加的現(xiàn)象松弛應(yīng)變保持不變時(shí)，應(yīng)力隨時(shí)間增長(zhǎng)逐漸下降的現(xiàn)象耐力極限低于該應(yīng)力值，無論如何增加受力次數(shù)，均無法使巖石破裂6/3/202316河南理工大學(xué)謝洪波2影響巖石力學(xué)性質(zhì)的因素內(nèi)因外因圍壓溫度孔隙流體時(shí)間流變學(xué)概要流變學(xué)研究介質(zhì)內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)的變形和流動(dòng)考慮時(shí)間因素把液體和固體統(tǒng)一看待(基本思想)

只要有足夠的時(shí)間，任何巖石在任何應(yīng)力下都能流動(dòng)

——“萬物皆流”6/3/202317河南理工大學(xué)謝洪波3巖石變形的微觀機(jī)制脆性變形機(jī)制塑性變形機(jī)制巖石成分的微觀差異顆粒楔入晶體錯(cuò)位……應(yīng)力集中碎裂作用碎裂旋轉(zhuǎn)運(yùn)移碎裂流6/3/202318河南理工大學(xué)謝洪波3巖石變形的微觀機(jī)制脆性變形機(jī)制塑性變形機(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)晶作用擴(kuò)散蠕變體積擴(kuò)散蠕變——納巴羅-赫林蠕變晶界擴(kuò)散蠕變——柯勃爾蠕變

溶解蠕變顆粒邊界滑動(dòng)6/3/202319河南理工大學(xué)謝洪波4巖石斷裂準(zhǔn)則剪裂角θ

剪裂面與最大主壓應(yīng)力軸之間的夾角(兩剪裂面之間的夾角為共軛剪切破裂角2θ)理論：45°與實(shí)驗(yàn)及自然界均不一致

？為什么剪切破裂不僅與剪應(yīng)力有關(guān)，而且與正應(yīng)力有關(guān)6/3/202320河南理工大學(xué)謝洪波4巖石斷裂準(zhǔn)則張裂準(zhǔn)則剪裂準(zhǔn)則張裂面的位置？最大張應(yīng)力理論最大線應(yīng)變理論當(dāng)張應(yīng)力達(dá)到或超過巖石的抗張強(qiáng)度時(shí)，將沿垂直于最大張應(yīng)力(σ3)的截面破裂形成張裂面。適用于圍壓小或淺表環(huán)境單向拉伸的脆性破壞。如對(duì)張節(jié)理和部分正斷層的形成的力學(xué)解釋。不能解釋沒有張應(yīng)力作用的巖石破壞巖石的破壞與線應(yīng)變有關(guān)。沿垂直于最大伸長(zhǎng)方向(X)的截面破裂，形成張裂面適用于沒有張應(yīng)力直接作用下單向擠壓或具有一定圍壓條件下張裂形成的解釋6/3/202321河南理工大學(xué)謝洪波4巖石斷裂準(zhǔn)則張裂準(zhǔn)則剪裂準(zhǔn)則發(fā)生剪破裂的剪切應(yīng)力τn多大?剪裂面與最大主應(yīng)力的夾角(θ/2)？6/3/202322河南理工大學(xué)謝洪波4巖石斷裂準(zhǔn)則張裂準(zhǔn)則剪裂準(zhǔn)則最大剪應(yīng)力作用面實(shí)際破裂面6/3/202323河南理工大學(xué)謝洪波4巖石斷裂準(zhǔn)則張裂準(zhǔn)則剪裂準(zhǔn)則抗純剪裂極限（巖石的內(nèi)聚力）6/3/202324河南理工大學(xué)謝洪波4巖石斷裂準(zhǔn)則庫侖剪破裂準(zhǔn)則(實(shí)驗(yàn))斜直線型摩爾包絡(luò)線理論拉破裂線6/3/202325河南理工大學(xué)謝洪波剪裂角q=45o-f/2nqs1(90o+f)/2q=90o-(90o+f)/26/3/202326河南理工大學(xué)謝洪波4巖石斷裂準(zhǔn)則庫侖剪破裂準(zhǔn)則(實(shí)驗(yàn))水平直線型摩爾包絡(luò)線理論純剪應(yīng)力狀態(tài)下6/3/202327河南理工大學(xué)謝洪波4巖石斷裂準(zhǔn)則庫侖剪破裂準(zhǔn)則(實(shí)驗(yàn))摩爾剪破裂準(zhǔn)則(實(shí)驗(yàn))實(shí)驗(yàn)表明φ(內(nèi)摩擦角)與圍壓、巖石性質(zhì)有關(guān)，不是一個(gè)常量

例如，砂巖：φ〧45°，頁巖：φ〧23°實(shí)驗(yàn)證明，φ隨圍壓增大而減小隨著溫度、圍壓的增加，剪裂角逐漸接近45°，但不會(huì)超過45°6/3/202328河南理工大學(xué)謝洪波4巖石斷裂準(zhǔn)則庫侖剪破裂準(zhǔn)則(實(shí)驗(yàn))摩爾剪破裂準(zhǔn)則(實(shí)驗(yàn))格里菲斯準(zhǔn)則(數(shù)學(xué)推導(dǎo))任何脆性材料都存在大量的微小裂縫，材料的斷裂就是由這些微小的、無定向裂縫由于末端應(yīng)力集中而擴(kuò)展的結(jié)果。在二維中