知名大學構造地質學講義第章巖石力學性質

第5章巖石力學性質徐海軍地球科學學院第一節(jié)

巖石力學性質的幾個基本概念巖石力學性質巖石力學性質是巖石受力作用之后的反映，主要指巖石變形特征及巖石的力學強度。巖石變形與巖石本身力學性質有密切關系。巖石力學性質研究的途徑：野外觀察天然巖石力學現(xiàn)象；實驗室內巖石變形實驗；野外對巖體進行實地實驗；理論分析和數值模擬。巖石力學性質是構造分析的基礎巖石是如何變形的？地殼變形過程與受力作用0.1MPa高溫流變儀樣品裝置示意圖實驗室?guī)r石變形實驗實驗試樣及主應力圖示σ1σ2=σ3=

圍壓σ3σ1=σ2=

圍壓差（異）應力（differentialstress）σ=σ1-σ3壓縮拉伸物體的彈性形變_胡克定律巖石變形的應力－應變曲線彈性變形與塑性變形彈性變形：巖石在外力作用下發(fā)生變形，當外力解除后，又完全恢復到變形前的狀態(tài)，該變形稱為彈性變形。特點：應力和應變成正比，符合虎克定律。 σ=Ee E—彈性模量/楊氏模量塑性變形：隨著外力繼續(xù)增加，變形繼續(xù)增大，當應力超過巖石的彈性極限后，再將應力撤去，變形巖石已不能完全恢復原來的形狀，保留一定的永久變形，該變形稱為塑性變形。巖石變形的應力－應變曲線滯彈性（anelastic）非理想彈性體的變形：受力不立即產生全部彈性變形，而是隨著時間的延長逐漸增大彈性變形到應有的值；當撤除外力后，也不立即恢復原狀，而是隨時間延長逐漸恢復原狀。這種現(xiàn)象稱為彈性后效（即滯彈性）。巖石彈性變形通常表現(xiàn)為滯彈性（anelastic）。巖石的滯彈性具有重要意義，上地幔的地震波衰減就被認為與巖石的滯彈性有關。屈服應力σy（yieldstress）隨著變形繼續(xù)，應力－應變曲線斜率變小，這時如果撤除應力，曲線并不回到原點，而與e軸交于e1，說明試樣由于超出其彈性極限而發(fā)生了永久變形。這個極限點的應力叫屈服應力σy（yieldstress）。塑性材料的力學行為塑性變形材料理想塑性材料當應力超過一定值時，巖石就會以某種方式而破環(huán)，發(fā)生斷裂變形。這時的應力值稱為巖石的極限強度或強度。

巖石變形的應力－應變曲線巖石抗壓強度(MPa)抗張強度(MPa)抗剪強度(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頁巖20－802巖石的抗壓強度>抗剪強度>抗張強度常溫常壓下一些巖石的強度極限脆性脆性：脆性材料在彈性范圍內或彈性變形后立即破裂，即在破裂前沒有或有極小的塑性變形，材料的這種性質稱為脆性。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。韌性和塑性區(qū)別韌性（延性）是用來描述允許大應變，以宏觀均質變形為特征，而不管所包括的微觀變形機制如何的流變性質。塑性是一種永久變形，它涉及晶內的位錯運動的微觀機制，可能還包括擴散。巖石變形機制通常有三種：碎裂機制（cataclasis）；晶內塑性（intracrystallineplasticity）物質擴散流動（flowbydiffusivemasstransfer）流體的粘性是指流體內部各流層之間相對滑動時，層面之間存在的一種內摩擦效應。流體沿著x方向流動的n個不同流層。它們的流速u是y的函數，u在y軸方向的變化率稱為速度梯度，du/dy。同一位置上的剪應力（摩擦阻力）與速度梯度呈正比關系

τ=ηdu/dyη粘度（Pa·s）（1）式中可作下列變換（1）改寫為（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)......材料膚的粘江彈性非線粘嫩性流體：非牛碑頓流體資。其發(fā)槐生流動蹄變形時燭，各點末剪應力飯與剪應蒙變速率嚷成非線綠性關系爸。粘彈炸性：既蔽具有啟彈性毅，又州能發(fā)旱生粘役性流舊動的蜘材料園，稱棉為粘隱彈性肝體，虜它所誼表現(xiàn)備出來吃的力吉學性原質，葡稱為酬粘彈壇性。流體具呢有流動駐性，具續(xù)有粘性鴨。巖石溉也具有和流動性盤和粘性刻。只是罵其流動壤速度比悉液體要告緩慢得肆多而不病易覺察疲出來，預從而說埋明巖石賠的粘度妄較大。蜂例如在示常溫下谷，石灰桃?guī)r的粘香度約為調冰川冰分粘度的1億倍頸。第二節(jié)影響眨巖石嘩力學也性質驗的因熔素1.各向異壤性（an弟is囑ot襪ro好py）橄欖襯石晶絡體沉積巖認的水平為層理2.圍壓（pre仇ssu東re）增大圍源壓的效糕應有兩社方面：增大了陣巖石極皮限強度毫；增大了泡巖石的養(yǎng)韌性。3.溫度邊（tem幻玉per稼atu叨re）溫度是殲影響巖酷石力學異性質和片流變強會度的重懇要因素能。溫度的汁升高使縱巖石的滴韌性增擴大，屈續(xù)服強度重降低；溫度胡升高贊和圍蠟壓增按加，迷導致貌巖石絕從脆歐性向遺韌性芹過渡非，孕喬育著讓發(fā)震岸層；溫度俊對瀝吃青的蘆變形怪強度掘影響輛是一膝個很而生動煎的例計子（侮夏天癥的瀝伯青和告冬天腐的瀝丘青強輔度大灑不一腥樣）膠。4.流體稱（fl眼ui嗓d）孔隙流掩體對巖薦石力學訪性質影商響表現(xiàn)谷為兩個講方面：垂物理方傳面影響聚和化學嶄方面影遠響。當巖尊石中而流體刮含量狐增加飾時，踏巖石杰強度每降低網。流務體促刪使礦叔物在饅應力鏡作用柳下的龍溶解席和重夕結晶窯，從收而促件使塑心性變候形；產生孔科隙流體跨壓力效折應：地牢殼中流扛體孔隙鉆壓力（法靜水壓序力）為營靜巖壓支力的40％。在暖變形過拒程中孔浸隙壓力宏（Pp）的作考用會抵備消圍壓擋（Pc）的作億用，對候變形實錯際起作旋用時有暖效圍壓襯（Pe）Pe頃=P眼c-捐Pp有效永壓力超（Pe）降低后，使巖翼石易于需破裂，喇強度降貧低。硅酸鹽準礦物在改高壓和潮高溫條捕件下的筆水弱化周作用[Si撥-O-使Si]鴉+H2O→屈X法→2揭[S懂iO聞H]X是活轉化了蕩的化孕合物羽。水弱化座結果：產生大錘量擴張稀應變，寇誘發(fā)裂瘋紋尖端稻高應力介；Si-模O共價鍵帆被H-秩O代替?zhèn)洌哟賻r劣石塑俊性變所形；H-四O鍵加營速熱蔽力學緒的反掌應；H2縮慧O含量沖增加敘，降董低巖賭石熔濕點，慢加速估熔體要弱化馳?？紫秹阂袅π鲗r石魚破裂的暢影響莫爾圓I－代善表孔榨隙壓父力為捐零時倡應力店狀態(tài)洞，巖列石是長穩(wěn)定肯的，誤未破絞裂；莫爾悉圓II－總正蝦應力（尼橫坐標吧）不變飾，σe正應候力減斗小，σe=σ-σc，巖石泥發(fā)生破特裂。5.時間（ti熊me）與實夫驗室饅巖石當力學叛研究濤不同杠，地秋質條囑件的底巖石臥變形于時間做很長榮，一擺個造葬山帶執(zhí)變形碌要經無歷幾武百萬夸年才陰完成鋸。應變速獄率的影責響（?=ε/t）?降低魂，材碗料強幕度降揪低，眼向韌白性方朽向轉宣變隕石的溜碰撞或盡地震是栗快速?阿爾終卑斯械山變學形速簡率10-1蜂2/s-鐘10-14/s左右應變謠速率康對巖浮石變銷形的夜影響都（Hea西rd,富19憂63）時間沉對巖穴石蠕兇變和苦松弛以的影其響蠕變是在洲恒定夾應力膊作用醒下，溪應變察隨時測間持滑續(xù)增拍加的餡變形打。松弛是在恒林定變形芝情況下嘆，巖石補中應力奴隨時間文增長不義斷減小礎。蠕變和恒松弛現(xiàn)朱象是巖福石變形支表現(xiàn)的碰兩方面跌，都表堂現(xiàn)出時那間對巖憶石性質抬的影響香。實例：貴嫩州烏鴉江電咸站水斥力破碼裂第三節(jié)巖石紀的能枝干性巖石的隔能干性巖石字能干魄性是介指不吃同巖壟石在奧相同辜變形生環(huán)境楚中變它形行流為的牲相對錢差異片。巖石按開能干性諒的差異戀分為能司干的（勢強的）續(xù)和不能屈干的（撥弱的）沫。第四奸節(jié)巖石變孩形的微猶觀機制巖石證和礦窄物的幫主要卻變形監(jiān)機制Dav忙is（199慘6）方斥案巖石變顏形機制智通常有蹤蝶三大類顯微脆破裂給、碎霜裂作杰用和天摩擦妄滑動機械雙雙晶和扭壺折位錯爪蠕變擴散蠕防變溶解蠕功變碎裂裙機制ca飯ta講cl郊as紅is晶內逼塑性in配tr膚ac婚ry劉st仔al腫li軟ne獎p孤la蠻st單ic建it玻y物質煩擴散羊流動fl舊ow繁b動y茅di睜ff旨us初iv盯e碌ma柜ss叔tr基an膝sf嘉er胡玲瘋編著《顯微響構造盆地質向學概幕論》地質訂出版花社，19渡98年第一罵版巖石變怒形的微教觀機制脆性變獻形機制塑性腦變形鉗機制微破斬裂作扯用碎裂凍作用碎裂臂流位錯蠕現(xiàn)變擴散蠕古變顆粒邊家界滑動超塑最性變炸形理想晶瘡體[u畫vw場]墻i塞s耐a捷cr宮ys重ta水l蛙di且re祥ct紗io室n庭<彎uv漫w>日is毀a荒f煌am身il好y掠of慶d挖ir極ec薄ti司on糠s(h俱kl別)望i斬s唱a與cr襪ys宏ta仙l梅pl些an廈e{hk甘l}廢is席af甚ami脊ly迅of呢pla菌nes晶格對澇稱晶系干，勞雖厄群御，空們間群晶體的耳形成始于筐單位樹晶胞遵循振一定東原則重復逮到無肝限位錯蠕抵變晶體儲缺陷唇包括希：點貢缺陷海、線日缺陷餅（位嶄錯）匆和面研缺陷婆。位錯蠕漿變是通村過位錯絨運動而竊使材料喇變形的截一種變瓦形機制犁，包括童低溫下經的位錯添滑動和躍高溫下縣的位錯招攀移兩夏種機制食。點位錯被（po畢in鄭t顧de盜fe述ct主s）空位前移動乓（Mi減gr忌at事io魔n遷of楊a透V年ac劈燕an背cy）刃位錯戰(zhàn)和螺位器錯（Ed多ge蘋a怒nd岸S鋸cr幅ew扎D俘is腔lo全ca絲式ti昏on幼s）Typ悅ica哀ls晉ubg控rai止ns業(yè)tru滅ctu碰re盛in僅oli守vin演e,切Kat扭in,冊La回uni羨ngMu乞lt跟ip閣le辰c門ro淘ss快-s露li耍p標sc福re伙w格an烤d罪lo旅op裙s,死M仇in閱gx喚i,觸F典uj撫ia溉n,相E掉as呆te咽rn迎C壘hi著na促.Ki磁nk燒b路an辣dsin艦oli供vin拔ec狐orr鄰esp煩ond遍ed遣to妨(10臘0)湊low擊an燃gle想di輕slo陽cat飽ion遠bo啞und攏ari肌es,餡in義ol前ivi映ne.慰Mi今ngx怠i,價Fuj輪ian勁,C允hin撿a(10場0)Low柳an循gle洗di蕉slo墨cat摩ion必bo學und京ari俯esco盟rr援es耐po酸nd蝦ed旬t漂o孫ki臉nk旺b點an客ds仰i稿n色ol脈iv婦in肌e宏an叛d俊(1尊10毒)涂sl籠ip屯b羞an抓ds蔬s待up肯er油po邁se若d圍on糊(蟲10歉0)仿d供is德lo沃ca閣ti嘗on肯w稍al解ls紗,蒸ga厭rn議et融-s竭pi鍛ne法l竭pe熱ri盜do蠶ti個te翁s,欺M束in險gx謝i,鄰F侄uj督ia珍n,劇E預as維te哀rn逝C重hi攤na秘.擴散壯蠕變擴散蠕穴變是通蘆過晶內怎和晶界生的空位丙和原子磚運動來杯改變晶貸粒形狀惕的一種氏塑性變籠形機制番，包括景晶內擴昆散蠕變嬸（Nab親arr晝o-H寨err宋ing蠕變）辰和晶界革擴散蠕口變（Cob昆le蠕變柳）。壓溶騰蠕變湊實際柔上是損一種辯低溫勞擴散跪蠕變畫形式栽。Pre繡ssu飯re爺sol炭uti組on/膛Dis更olu唇tio深nc蠶ree確pCo鞭nc尖ep禁tu姨al耐m塔ec毫ha鉤ni苦sm羊o蔽f懷di約ff宗us釋io刃n隊cr置ee膝pNa料ba勁rr除o-釀He惹rr咸in僚g護(V何ol海um測e供Di既ff蟻us炸io石n)劍C向re搬ep顆粒邊翻界滑動顆粒余邊界曠滑動仗是通彼過顆添粒邊猜界之獲間的犬滑動形來調菊節(jié)巖節(jié)石總快體變抹形的欲一種植變形希機制盡。顆粒邊盤界滑動其跟擴散高蠕變一辛樣，都悉要求顆貍粒粒度抽很小以詳及高溫傅環(huán)境。超塑性須變形是蓄通過顆陶粒邊界濫滑動機辱制實現(xiàn)稀的一種舊變形結淋果，通桑常樣品店變形量刊在100譜0倍以餓上。De礙fo象rm館at際io需n門me煌ch戀an磨is納m姓ma糾pDep所thDif扯fer沃ent界ial享St碰res體sTh蟻e瘋do駁mi鑰na欲nt刪d英ef父or當ma莊ti引on桌m(xù)亭ec類ha初ni吼sm脂i薄s獅di刻sl組oc移at廁io陶n啄cr畫ee主p裹in怠t該he河u腿pp隙er授m音an半tl拆e.De水fo攏rm兄at渡io堪n店Me蠟ch懇an任is找m設Ma劫ps臟:協(xié)Q亂ua痛rt貿zi是te坡,哲Ma斥rb碰le濱,姑an苦d引Ol劃iv直in題e第五節(jié)巖石斷洋裂準則巖石斷得裂準則斷裂悼是指寫由于灶外力才作用破在物捷體中脊產生究的介良質不霜連續(xù)嘉面?？刂埔蛎@素：臨榆界應力夕狀態(tài)/極限應覆力狀態(tài)；材料力理學性質。斷裂準活則：在嚷極限應沸力狀態(tài)擱下各點釘極限應枕力分量態(tài)所應滿怕足的條狀件，稱價為斷裂漢條件或糖者準則保。莫爾啟包絡途線：就籮是材收料破絡壞時吊的各朵種極斷限應奧力狀波態(tài)應敲力圓參的公鉛切線宅。=寨f(轟)判別條訓件：當一點畝的應力拖狀態(tài)的冷應力圓別與莫爾賣包絡線位相切，這恰點就魯開始克破裂斃。庫侖準產則庫侖準揚則，又析稱最大醒剪應飯力準雕則，其表版達式為τma兆x=(第1-3)/頌2=截00：抗純剪徑斷裂極收限，也援稱巖石貢的內聚找力。按照距該理茶論，涉剪裂獄面與腿最大販主應虹力的柄夾角浮（剪裂角南）θ＝45°，共軛前斷裂夾茂角（共炭軛角）遵為2θ＝90程°。該理論急適用于塑性毅材料。022庫侖－匹納維葉久準則將庫毛侖公伯式（＝舒0＋n）中的疤內摩擦斧系數用內若摩擦拔角來餡表示揮，將粒其轉獄換成＝0+nta深n即為庫鏈侖－納猾維葉準前則。由于該喜理論既效有一定負的適用柏性，又炮比較簡枯單，所需以應用憂比較廣勵泛。剪裂角權大小取旱決于巖鹿石變形蘆時候內俗摩擦角訴的