破裂理論與節(jié)理

破裂理論與節(jié)理第1頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月材料破裂是有規(guī)律的，對此的研究而產生種種理論。一、最大張應力理論當外力足夠大時，材料沿著最大張應力面破裂。

當張應力達到或超過巖石的抗張強度時，巖石將沿著最大張應力作用的截面，即垂直于最大張應力軸的截面發(fā)生破裂，形成張裂面。（同一巖石抗張強度最小，）。第2頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月常溫常壓下各類巖石的強度極限（單位MPa）

巖石

抗壓強度

抗剪強度

抗張強度

花崗巖

150（37--379） 20（15--30） 5--7 砂巖

75（11--252） 10（5--15） 1--3 石灰?guī)r

96（6--360） 17（10--20） 3--6 大理巖

100（31--262） 8（5--20） 3--9 玄武巖

250（150--350） 15（10--20） -- 頁巖

50（20--80） 2（1.7--3.3） -- 第3頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月條件：最大張應力（σ3）≥材料強度極限（σ0），[則必須σ3≥σ0]。即σ1=σ2=0，σ3為張應力，符合此理論， 這個理論適宜圍壓小或淺表環(huán)境下的單向拉伸的脆性破壞，如對張節(jié)理和部分正斷層的形成的力學解釋，但不能解釋沒有張應力作用下的材料破壞。第4頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月二、最大線應變理論當外力足夠大時，材料沿垂直于最大線應變（ε3）方向破裂。

條件：若最大伸長線應變（ε3）≥材料線應變極限（ε0）[即ε3≥ε0]

當σ2=σ3=0，σ1為壓應力（或有一定固壓條件下），符合此理論。第5頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月最大線應變理論——材料的破壞與線應變有關，即沿垂直于最大伸長應變方向的截面上發(fā)生張破裂。

不論在何種應力狀態(tài)下，只要材料內一點的最大伸長應變達到了材料承受伸長應變的極限值就會出現(xiàn)張破裂。這個理論是對在沒有張應力直接作用的情況下單向擠壓或具有一定圍壓的受力條件下張裂形成的解釋；如香腸構造。第6頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月三、庫倫-莫爾理論當外力達到材料的強度極限時，材料沿著最大剪應力面發(fā)生剪切破裂。據此，剪切破裂僅與剪切面上的最大剪應力有關，而與其上的正應力無關。因此，一對剪面夾角為90°，但實際情況是作用在剪切面上的正應力仍對剪切滑動起一定的作用，從而使一對剪面的夾角并非90°，一般小于90°；第7頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月第8頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月

剪裂角=兩組剪面的夾角（含σ1之象限）。巖石1/2剪裂角花崗閃長巖15°～20°砂巖20°～30°灰?guī)r28°～33°黃土34°～40°第9頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月內摩擦力—物體在剪破裂時所需克服的剪面上的正應力。不同巖石內摩擦角不同：脆性巖石—內摩擦角大；韌性巖石—內摩擦角小。第10頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月

剪切破裂，不僅與剪面上的剪應力大小有關，還與正應力有關；

剪應力：巖石剪破裂時需克服內摩擦力，因此剪破裂時的剪應力大于材料的抗剪強度，應力狀態(tài)為：（此為一直線方程，μ為斜率）τ0為（正應力σn=0時）材料的抗剪能力，μ為內摩擦系數(shù)。第11頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月

圖中P點表示剪面上剪應力和正應力之大小。過P點上切線延長后必與σn相交，交角為φ。

μ=tgφ，因此，上式可寫成：，φ為內磨擦角。σn此即庫倫剪切破裂準則關系式第12頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月上圖可知，1、P點剪應力值不是最大，即不是(σ1-σ3)/2，而是小于(σ1-σ3)/2，；第13頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月2、當φ值不變時剪裂角都相同。其包絡線為直線，在坐標平面內所顯示的直線為兩條，這就是庫倫破裂準則；第14頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月3、因μ隨σn的增大而減小，故包絡線呈曲線，這就是莫爾破裂準則；第15頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月4、與應力圓和包絡線相切點對應的面均處于臨界狀態(tài)，即在包絡線上和線外的點的應力條件下物體就產生破裂，在線內的點就不產生破裂。第16頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月圍壓影響：砂巖隨圍壓增大，形成破裂所需剪應力迅速增大，

φ值和剪裂角基本保持不變（如a圖）。第17頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月 頁巖隨圍壓增大，形成破裂所需剪應力增加很小，φ值逐漸減小，形成一弧形曲線，剪裂角加大（如b圖）。第18頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月四、格里菲斯理論材料的實際破裂強度遠遠小于理論計算值。只需要由原子和原子結合力計算出來的理想的材料強度100分之一~1000分之一的力，材料就可以破壞。其原因是因為材料組分的不均勻。第19頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月無論是金屬材料也好玻璃也好，其中都有眼睛看不見的原先存在許多微裂隙，這些微裂隙作為新的自由表面，猶如液體一樣，具有表面張力，同時，微裂隙釋放出來的應變能的一部分又可轉化為表面張力。因此，微裂隙末端應力集中，很快達到該點的抗張強度而使裂隙發(fā)生擴展、延長，最后導致材料的破壞。第20頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月第六章

影響巖石力學性質及巖石變形的因素第21頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月

巖石變形不僅與受力大小、方向、性質有關，而且與巖石本身力學性質有關。而巖石的力學性質主要取決于巖石的成份、結構、構造等內在因素，同時外界因素也影響巖石的力學性質，如圍壓、溫度、溶液、孔隙壓力、時間及巖石變形的應力狀態(tài)等。第22頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月一、圍壓巖石處于地下深處，承受著周圍巖體對它的圍壓。深度越大，圍壓越大，結果：巖石韌性增強、強度極限增大、 彈性極限增大；第23頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月羅伯遜（E.Roberson）對石灰?guī)r所做實驗表明：

地表條件下，圍壓1kg/cm2，當壓應力為0～2800kg/cm2，灰?guī)r為彈性，超過則破裂。

圍壓300～700kg/cm2時，亦為彈性和很短的塑性階段，當壓應力在3500～3800kg/cm2時，則破裂。

當圍壓增到1000kg/cm2以上，壓應力4000kg/cm2時，塑性變形。

圍壓2000kg/cm2，灰?guī)r壓縮30％還未破裂，塑性加強。第24頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月上述表明，強度極限隨圍壓增大而增大，對石灰?guī)r的實驗結果：圍壓為一個大氣壓，抗壓強度2800kg/cm2。圍壓1000個大氣壓，抗壓強度3900kg/cm2，圍壓4000個大氣壓，抗壓強度8000kg/cm2。普通大氣壓，花崗巖為脆性，235個大氣壓時，花崗巖為韌性。因此，脆性斷裂相對發(fā)育于地表，而越往深部巖石韌性增強，褶皺形成。第25頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月第26頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月第27頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月二、溫度常溫常壓下，許多巖石脆性，隨溫度升高，抗壓強度降低，彈性減弱，韌性增大，易于變形。隨著溫度的增高，晶體質點的熱運動增強，質點間的凝聚力減弱，質點容易產生位移，從而降低了巖石的彈性極限和強度極限，提高了巖石的塑性和韌性。第28頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月格里格斯（D.T.Griggs,1951）對大理巖所做實驗。圍壓10000個大氣壓，室溫條件下，彈性極限為2000kg/cm2。

當溫度增高150℃時，彈性極限降低為1000kg/cm2，表明：隨著溫度增高，巖石易變形，且抗壓強度低。第29頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月第30頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月三、溶液干燥和潮濕狀態(tài)下，巖石力學性質不同。當巖石中有溶液和水汽時，巖石彈性極限降低，塑性增加。在10000個大氣壓，溫度150℃相同條件下，濕大理巖比干大理巖更容易發(fā)生塑性變形；如產生10％的變形量，干大理巖需要3000kg/cm2，而濕大理巖卻只需要2000kg/cm2。第31頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月

同一巖石，因溶液介質不同，其強度降低率也不同。例如，大理巖，在圍壓10000個大氣壓，煤油介質內抗壓強度為8100kg/cm2，水中抗壓強度為1560kg/cm2。第32頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月大理巖第33頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月石英第34頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月濕度條件對巖石抗壓強度的影響巖石名稱

干性狀態(tài)抗壓強度濕度條件抗壓強度強度降低率（MPa）（MPa）(%)花崗巖193-213162-17016-20閃長巖123.510821.8煌斑巖18314112石灰?guī)r150.2118.4821礫巖85.654.836砂巖87.154.0739頁巖52.2120.3960第35頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月第36頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月四、孔隙壓力即巖石孔隙內液體的壓力。孔隙壓力對斷層和某些沉積巖層構造的形成起著重要作用。孔隙壓力增大，會使巖石屈服，強度降低，易于變形。

孔隙壓力也可促進巖石破裂。第37頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月五、時間時間對于巖石的的力學性質與變形的影響有三個方面：1、快速施力與緩慢施力

快速施力能加快巖石變形速度，使巖石表現(xiàn)為脆性。

緩慢施力能使脆性物質發(fā)生塑性變形。長時間持續(xù)緩慢施力，將使物體破壞所需應力較之快速施力小很多。第38頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月2、重復受力對巖石變形的影響巖石重復受力，力不大也可破裂。當受力次數(shù)增加，使受力物體達疲勞極限（耐力極限）即破裂，但用低于疲勞極限的應力作用于物體次數(shù)再多，也不能使物體破裂。第39頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月3、蠕變與松馳對巖石變形的影響

蠕變—應力不增加，隨時間的增加變形持續(xù)的現(xiàn)象，是不可恢復的永久應變；

松馳—應變保持不變，隨時間的增長應力減小的現(xiàn)象。

兩種都與時間有關，說明長時間緩慢變形會降低材料的彈性極限，同時也降低了粘度。第40頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月不同應力作用下的蠕變曲線不同。第41頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月蠕變分三個階段過渡蠕變階段—AB段平穩(wěn)蠕變階段—BC段加速蠕變階段—CD段第42頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月松弛分二個階段：1、AB段—應力迅速減小，松弛劇降；2、BC段—應力減小較慢，松弛速度降慢并趨于某一極限值第43頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月

蠕變和松弛，對于溫度的反映都比較明顯：溫度越高，蠕變越快，松弛作用也越快。

蠕變和松弛現(xiàn)象是物質在長時間較小應力的作用下，彈性不斷降低，彈性變形逐漸減小，永久變形不斷增加的過程的反映。第44頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月

巖石變形通常是在漫長的地質歷史中發(fā)生的。當變形發(fā)展到一定階段后，應力又逐漸降低，出現(xiàn)松弛現(xiàn)象，從而使變形固定下來，這種蠕變與松弛現(xiàn)象的反復發(fā)生，使巖石中的微小的永久變形不斷積累后形成大規(guī)模的變形，因此，巖石中的變形構造常常是蠕變的產物。第45頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月第46頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月第七章節(jié)理的成因分析第47頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)張節(jié)理與剪節(jié)理第48頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月

材料在受力后遭到破壞，以張裂和剪裂兩種方式表現(xiàn)，而節(jié)理據其形成時所受力的性質和其兩側巖塊相對微小趨勢位移，可分張節(jié)理和剪節(jié)理兩類。第49頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月一、張節(jié)理垂直于主張應力，平行于主壓應力，在三軸應力狀態(tài)中，張節(jié)理面與σ1-σ2面平行，與應變橢球BC面平行。第50頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月（一）張節(jié)理形成條件

主張應力超過巖石抗張強度，沿與主張應力垂直的面裂開而形成張節(jié)理；巖石沿一個方向受壓應力作用，按泊松效應在與其垂直的方向上伸長，當伸長超過極限時，按最大線應變理論，巖石裂開而形成張節(jié)理。第51頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月巖石受剪切，在與剪切方向大致呈45℃的方向上即受到拉伸。當拉伸超過極限時，在與拉伸垂直的方向上產生張節(jié)理。第52頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月（二）張節(jié)理形成深度

巖石所受靜巖壓力隨深度增加而增大，而靜巖壓力愈大，張節(jié)理就愈難產生。地下水、石油、天然氣、含礦流體均與張節(jié)理密切相關，因此，張節(jié)理的極限深度的研究具有實際意義。

第53頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月張節(jié)理的極限深度？兩種情況：

1、某一巖石有一定的抗張強度和一定的破壞應力圓包絡線。第54頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月

設σ1為上覆巖體重力所致，巖石產生張節(jié)理之前的應力狀態(tài)必是圖中穩(wěn)定區(qū)內的應力圓，通過圖中A點可作的與包絡線相切的最大應力圓的σ1（80MPa）就是形成張節(jié)理最大深度的上覆巖體的重力，上圖示干燥的輝綠巖，其張節(jié)理的最大形成深度是2.7km。（1帕斯卡=1牛頓/米2）第55頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月2、在σ3為壓應力時，若應力差（σ1-σ3）數(shù)值適當，一定的孔隙壓力同樣會使巖石產生張節(jié)理，其深度似乎不受限制。下圖Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ代表不同應力狀態(tài)，具有不同的（σ1-σ3）值，Ⅰ′、Ⅱ′、Ⅲ′代表一定孔隙壓力，由Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ轉化而來。第56頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月

原應力圓與包絡線不接觸，受孔隙壓力后有效應力圓與包絡線相切，產生剪裂。圖7-3中，圓Ⅰ孔隙壓力P=0.80σ1，變?yōu)閳AⅠ′與包絡線相切于A點，產生張裂。圓Ⅱ孔隙壓力P=1.0σ1，變?yōu)棰颉浜笕耘c包絡線不接觸，故無破裂。圓Ⅲ無需很大孔隙壓力即可與包絡線相切于AB之間一點，因此無張裂，只有剪裂。第57頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月在孔隙壓力影響下，原應力圓圓周上每一點正應力都減小一個P值，就等于把原應力圓向左平移一個P值，成為有效應力圓，與包絡線相切，產生剪裂。第58頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月二、剪節(jié)理

由剪應力作用而形成，兩側巖塊有微小位移，位移方向垂直于σ2。第59頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月（一）當外力超過抗剪強度即發(fā)生剪節(jié)理

由共軛剪切（呂德氏線）發(fā)展而成，其與σ1之夾角小于45°(φ-內摩擦角)第60頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月（二）剪切動向的確定節(jié)理旁的羽列、節(jié)理的互相切割、巖脈的沿節(jié)理侵入、礦物顆粒的微小錯動等判斷其動向。

第61頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月剪切帶內次級破裂面分析1、剪裂面方位受內摩擦角制約；2、R面與Y面夾角為內摩擦角φ/2；3、T面與Y面夾角45°；4、R′面與Y面夾角為90°-φ/2；5、P面與R面相對Y面對稱，同旋向；6、在剪節(jié)理附近主要發(fā)育R面，T面和R′面；第62頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月

1、R面、R′面和T面是主剪面Y面相對滑動時派生的次級剪裂面和張裂面；

2、P面與X面是主剪面Y面急劇反向運動造成的。

3、剪切帶附近主要發(fā)育R面、R′面和T面。第63頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)

節(jié)理力學性質的復合第64頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月一、節(jié)理力學性質的復合現(xiàn)象同一節(jié)理拉伸與剪切性質兼而有之。纖維方解石的生長方向與節(jié)理面斜交，顯示節(jié)理有剪切活動，而能夠有纖維狀礦物生長，其本身就顯示了張性。第65頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月二、節(jié)理力學性質復合的成因（一）一對共軛剪面，當其中一組占優(yōu)勢時，另一組則發(fā)生力學性質復合現(xiàn)象。第66頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月（二）剪切變形中所產生的一組同旋向剪節(jié)理，由于遞進變形，其位置逐步接近局部應力場σ1方向，因而由剪切變?yōu)榧娑袕埩训男再|。第67頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)

節(jié)理的組與系第68頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月一、節(jié)理組、系的劃分

同時、同一應力作用下產生的同一性質的、產狀大致相同的節(jié)理群，叫節(jié)理組。非旋轉變形所產生的節(jié)理一般呈平行型的，也可雁列。沿節(jié)理向前，另一條出現(xiàn)在此條之右則稱右列，反之為左列。第69頁，課件共82頁，創(chuàng)作于2023年2月