力學分析基礎中的巖石變形性質

力學分析基礎中的巖石變形性質力學分析基礎中的巖石變形性質力學分析基礎中的巖石變形性質地質構造分析的力學基礎3.1應力3.2應變3.3巖石變形行為力學分析基礎中的巖石變形性質3.3巖石變形行為一般實驗條件下巖石的變形行為巖石的脆性破壞影響巖石變形的因素巖石的塑性變形機制力學分析基礎中的巖石變形性質

一般實驗條件下的巖石變形行為三軸壓力機實驗溫壓可達到1000MPb,800℃用流體壓力模擬圍壓力學分析基礎中的巖石變形性質3.3.1一般實驗條件下的巖石變形行為

巖石變形階段彈性變形階段彈性極限塑性變形階段強度（極限）斷裂變形階段巖石抗壓強度>>>抗拉強度力學分析基礎中的巖石變形性質3.3.1一般實驗條件下的巖石變形行為

巖石變形階段材料性質

脆性材料：斷裂發(fā)生前應變量<5％

韌性材料：斷裂發(fā)生前應變量>10％材料性質？花崗巖橡膠粉筆饅頭瀝青力學分析基礎中的巖石變形性質

巖石的脆性破壞試驗和自然界宏觀破裂的主要形式張裂——位移方向垂直于破裂面剪裂——位移方向平行于破裂面力學分析基礎中的巖石變形性質

庫侖剪破裂準則問題的提出巖石實驗中破裂面與應力圓中最大剪應力作用面不一致自然界巖石實際共軛剪裂面夾角也不是90°庫侖準則的核心剪破裂不僅與剪應力有關，而且與正應力有關經(jīng)驗公式max力學分析基礎中的巖石變形性質

庫侖剪破裂準則問題的提出巖石實驗中破裂面與應力圓中最大剪應力作用面不一致自然界巖石實際共軛剪裂面夾角也不是90°庫侖準則的核心剪破裂不僅與剪應力有關，而且與正應力有關經(jīng)驗公式力學分析基礎中的巖石變形性質

庫侖剪破裂準則表達式：τ＝τ０＋μσnτ——

剪破裂發(fā)生時的剪應力τ

０——

當σn＝０時巖石的抗剪強度（又稱巖石內聚力）上式可改寫成τ＝τ0＋σn·tgφ截距為τ0的直線方程力學分析基礎中的巖石變形性質3.3.2.1庫侖剪破裂準則

麻煩的“角”φ——內摩擦角

——剪裂角2

——共軛剪裂面之間的夾角

——應力分析中斜截面與主平面之間的夾角，或主應力與截面法線之間的夾角2

＝90°－φ

＝45°－φ/22

＋2

＝180°(

＋＝90°)σnττ0φ22φ力學分析基礎中的巖石變形性質3.3.2.1庫侖剪破裂準則

復習：關于

1，主平面（主平面法線方向）截面法線，//n方向力學分析基礎中的巖石變形性質庫侖剪破裂準則剪裂面與“角”φ——內摩擦角２

——共軛剪裂面之間的夾角

——應力分析中斜截面與主平面之間的夾角，或主應力與截面法線之間的夾角２＝90°－φ

＝45°－φ/22

＋2

＝180°(

＋＝90°)φ/2

最大剪應力作用面主平面45°實際破裂面力學分析基礎中的巖石變形性質庫侖剪破裂準則剪裂面與“角”φ——內摩擦角２

——共軛剪裂面之間的夾角

——應力分析中斜截面與主平面之間的夾角，或主應力與截面法線之間的夾角２＝90°－φ

＝45°－φ/22

＋2

＝180°(

＋＝90°)力學分析基礎中的巖石變形性質3.3.2.2

莫爾剪破裂準則進一步觀察表明，φ（內摩擦角）與圍壓、巖石性質有關，不是一個常量，因此τ＝f(σn)

例如，砂巖：φ〧４５°（圖A），頁巖：φ〧２３°（圖B）此外，實驗證明，φ隨圍壓增大而減?。▓DB）力學分析基礎中的巖石變形性質3.3.2.3

破裂準則評價“準則”初步描述了破裂過程的真實物理模式“準則”與實驗結果仍有較明顯不一致預計的單軸抗壓與抗張強度之比都過低莫爾包絡線與實際的斜率不嚴格一致盡管存在一些不足，“準則”仍然是較為合乎實際的，廣泛用于構造地質和巖石力學分析力學分析基礎中的巖石變形性質

影響巖石變形行為的因素巖石變形行為大小方式組成結構構造圍壓溫度流體/溶液孔隙壓力時間作用力巖石力學性質變形條件力學分析基礎中的巖石變形性質

巖石各向異性對變形的影響面構造對巖石抗壓強度存在很大影響層理、面理、破裂面、先存軟弱面抗壓強度與σ1/先存面理之間夾角的實驗關系曲線，反映當接近30時，巖石的抗壓強度最低力學分析基礎中的巖石變形性質

巖石各向異性對變形的影響σσ1與先存面理的夾角力學分析基礎中的巖石變形性質

圍壓圍壓增大，巖石強度極限得到提高，韌性增強力學分析基礎中的巖石變形性質

溫度溫度升高，使巖石韌性增大，屈服極限降低力學分析基礎中的巖石變形性質

溫度溫壓關系密切巖石圈環(huán)境中，溫度和壓力隨著深度的增加而升高脆性-韌性轉換所需的圍壓與溫度成反比地殼中脆韌性轉換帶深度擠壓環(huán)境中位于公里在拉伸環(huán)境中深達１５公里——與圍壓小有關力學分析基礎中的巖石變形性質

孔隙流體和孔隙流體壓力巖石中的流體有利于物質遷移，促進壓溶、重結晶（塑性變形）作用進行，降低巖石強度當孔隙流體壓力大到幾乎等于圍壓時，可以使巖石產(chǎn)生浮起效應力學分析基礎中的巖石變形性質3.3.3.4

孔隙流體和孔隙流體壓力孔隙流體壓力可抵消一部分圍壓，減小有效圍壓（Ｐe＝ＰＣ－ＰＰ），從而降低巖石強度，易于脆性破壞發(fā)生力學分析基礎中的巖石變形性質3.3.3.5

時間：應變速率應變速率ε應變速率大（快速施力），易于脆性變形應變速率?。ň徛┝Γ?，利于塑性變形。小應變速率降低巖石屈服極限，使脆性材料具有韌性特征。瀝青問題的延續(xù)——變形性狀與時間的關系？蠟燭？力學分析基礎中的巖石變形性質3.3.3.5

時間：蠕變蠕變指應力保持不變，應變隨著時間延續(xù)而增大的變形行為巖石變形具有一臨界應力值或蠕變強度σ蠕。應力小于該強度時，巖石不發(fā)生蠕變力學分析基礎中的巖石變形性質3.3.3.6

巖石的粘性粘性體（牛頓流體）流變與剪應力關系：

τ（剪應力）＝ηe（流變）η——粘度，或粘性系數(shù)，單位為Ｐa·Ｓ（帕斯卡·秒）蠕變巖石可以看作高粘度的固流體（彈粘性體）η可達1016－1022Ｐa·Ｓ地下高溫環(huán)境下，粘度系數(shù)η變小耶魯大理巖Ｔ＝25℃時，η＝1022Ｐa·SＴ＝500℃時，η＝1015Ｐa·S地下高圍壓，使巖石仍具有彈性；快速變形也有利于巖石保持彈性性狀力學分析基礎中的巖石變形性質

巖石的能干性“能干性”——易于發(fā)生塑性流變的程度某種程度上，可以用巖石的粘度比表示巖石能干性的差異“韌性”——巖石破壞前的塑性變形量。巖石的韌性差與能干性差有聯(lián)系，但不完全等同巖石能干性取決于：巖石的礦物組成（例如長英質礦物與云母類礦物的區(qū)別）粒度巖石結構構造（片狀，塊狀）力學分析基礎中的巖石變形性質3.3.4巖石的塑性變形機制巖石的塑性變形機制遠比脆性變形機制復雜絕大部分塑性變形是通過礦物單晶晶內滑動或粒間滑動實現(xiàn)的塑性變形機制有多種，包括晶內滑動和（低溫）位錯滑動，高溫位錯蠕變，動態(tài)重結晶，粒間滑動力學分析基礎中的巖石變形性質

晶內滑動和（低溫）位錯滑動晶內滑動——沿晶體內部一定滑移系發(fā)生，由晶體結構所決定?；泼嫱ǔ楦咴樱x子密度面?；品较蚱叫性樱x子排列最密集的方向石英底面（0001）方解石，底面，e面（機械）雙晶晶內滑移使晶粒形狀改變，結晶軸發(fā)生旋轉,產(chǎn)生晶格優(yōu)選方位力學分析基礎中的巖石變形性質

晶內滑動和（低溫）位錯滑動石英沿著[0001]的滑移，BD為滑動面，滑動面間距不變力學分析基礎中的巖石變形性質晶內滑動和（低溫）位錯滑動

位錯滑動的形成晶內滑移在微觀上，并非同時發(fā)生在整個滑移面上滑移首先發(fā)生在應力集中區(qū)（晶體缺陷處），然后沿滑移面擴張，最終與晶粒邊界相交，產(chǎn)生一個階梯位錯線——滑移區(qū)與未滑移區(qū)的界線力學分析基礎中的巖石變形性質晶內滑動和（低溫）位錯滑動

位錯滑動的形成力學分析基礎中的巖石變形性質晶內滑動和（低溫）位錯滑動

位錯滑動的形成力學分析基礎中的巖石變形性質晶內滑動和（低溫）位錯滑動

位錯滑動的形成力學分析基礎中的巖石變形性質晶內滑動和（低溫）位錯滑動

應變硬化位錯發(fā)育到一定程度，其傳播受阻，形成網(wǎng)絡和纏結，需增大應力才能繼續(xù)傳播——“應變硬化”效應，使晶體變脆位錯受阻的原因：低溫；晶體內部的雜質；不同方向不同滑稱面上的位錯相互制約當應力大到一定量，晶體會發(fā)生破碎，因此單純的位錯滑動，不能形成大的塑性變形量。力學分析基礎中的巖石變形性質

高溫位錯蠕變——恢復作用高溫變形機制

當ＴＴm時，恢復作用開始起重要作用位錯攀移——使符號相反的位錯互相抵消，“相同者”重新排列成位錯壁，形成亞晶粒（Subgrain）。亞晶粒內部位錯密度降低，晶體多邊形化。力學分析基礎中的巖石變形性質

高溫位錯蠕變——恢復作用力學分析基礎中的巖石變形性質

高溫位錯蠕變——恢復作用力學分析基礎中的巖石變形性質高溫位錯蠕變

動態(tài)重結晶高應變能儲存在變形晶粒邊界和局部高位錯密度處，在較高溫度下形成新生顆粒（核幔構造）恢復和動態(tài)重結晶作用導致：位錯密度降低，應變繼續(xù)進行巖石不破裂而有很大塑性變形巖石細粒化動態(tài)重結晶顆粒特征與亞晶粒相比，相鄰顆粒光性差大（>10°-15°），正交鏡下邊界明顯，呈犬牙交錯狀力學分析基礎中的巖石變形性質

擴散蠕變——壓溶作用壓溶作用使物質發(fā)生擴散－轉移，礦物顆粒形態(tài)發(fā)生改變壓溶作用在有粒間水膜時更易發(fā)生壓力影、礦物（集合體）的須狀增生和同構造（張性）脈都是壓溶作用的產(chǎn)物壓溶作用在不變質或淺變質區(qū)對于巖石的塑性變形更為重要力學分析基礎中的巖石變形性質

擴散蠕變——壓溶作用力學分析基礎中的巖石變形性質

超塑性流動——顆粒邊界滑動當巖石處在高溫（ＴＴm）時可能發(fā)生粒間滑動特點：應變量可極大

Helveticnappe，Alps,鈣質糜棱巖的應變量可達到100:1(X/Z)顆粒本身變形微弱或沒有變形無晶格優(yōu)選方位無亞晶構造力學分析基礎中的巖石變形性質塑性變形機制——小結力學分析基礎中的巖石變形性質本節(jié)要點庫侖剪破裂準則論據(jù)，表達式，圖解遞進變形：共軸/非共軸遞進變形巖石變形的三個階段（應力-應變曲線）影響巖石變形的因素（PPTtF）塑性變形機制力學分析基礎中的巖石變形性質思考、討論問題瀝青是脆性材料還是塑性材料？為什么？巖石變形是否一定都經(jīng)歷彈性、塑性和斷裂變形三個階段？為什么？庫侖剪破裂準則的依據(jù)是什么？莫爾準則的依據(jù)又是什么？這二者與格里菲斯準則的區(qū)別在哪里？力學分析基礎中的巖石變形性質附錄力學分析基礎中的巖石變形性質格里菲斯破裂準則問題：庫倫、莫爾準則都為巖石力學試驗的經(jīng)驗公式，未從破裂機制上作出解釋巖石實際破裂與根據(jù)分子結構理論計算的材料粘結強度，差值達三個數(shù)量級格里菲斯破裂準則的解釋：破裂是由材料中隨機分布的