岩石力学性质讲解课件

第五章岩石力学性质第五章岩石力学性质1第一节岩石力学性质的基本概念第二节影响岩石力学性质的因素第三节岩石的能干性第四节岩石变形的微观机制第五节岩石断裂准则第一节岩石力学性质的基本概念2（一）弹性变形：外力解除后，岩石能恢复原有形状和大小的变形（二）塑性变形：外力解除后，岩石不能恢复原有形状和大小的变形（三）断裂变形：外力达到强度极限时，岩石失去完整形状，并产生破坏现象的变形。

*强度极限——在外力作用下固体物质抵抗破坏的能力（抗破能力）（四）脆性变形：在破坏前不出现或很少出现塑性变形的变形。（五）韧性变形：在破坏前出现了显著塑性变形的变形。第一节岩石力学性质的基本概念（一）弹性变形：外力解除后，岩石能恢复原有形状和大小的变形第3三轴应力条件下的岩石力学实验第一节岩石力学性质的基本概念三轴压力机常规三轴实验三轴应力条件下的岩石力学实验第一节岩石力学性质的基本概念三41.岩石变形强度的图解表示法应力－应变曲线第一节岩石力学性质的基本概念1.岩石变形强度的图解表示法第一节岩石力学性质的基本概念52、岩石变形行为弹性变形塑性变形破裂变形流动变形2、岩石变形行为61）弹性变形：胡克定律

=Ee

其中：E为弹性模量或杨氏模量，e为应变量。

变形特征：象弹簧一样发生变形。当应力消失后，材料完全复原到未变形状态。

——胡克固体或线弹性体1）弹性变形：胡克定律

=72）塑性变形

y为屈服应力。

变形特征：产生永久变形，当应力消除后部分复原，大部分保留变形时的状态。y2）塑性变形y83）断裂变形同一岩石的强度，在不同方式的力的作用下差别很大。》3）断裂变形同一岩石的强度，在不同方式的力的作用下差别很大9常温常压下岩石表现为脆性破裂高温高压下岩石表现为韧性变形常温常压下岩石表现为脆性破裂10

4）流动变形变形特征：象牛顿流体（蜂蜜体）一样发生流动变形，应力越大，流动越大；应力消除，流动停止，但不能复原到未变形时的状态。牛顿粘性定律(线粘性定律)

=

其中，为粘性系数，分别为剪应变速率。..

—

牛顿流体或线粘性流体或纯粘性流体4）流动变形..—牛顿流体或11第二节影响岩石力学性质的因素☆

物质组成☆结构、构造☆各向异性☆围压☆温度☆孔隙应力☆时间：应变速率、蠕变与松弛第二节影响岩石力学性质的因素☆物质组成12

1.成分：

玄武岩、石英岩——弹性

灰岩、泥灰岩——弹塑性

泥岩、页岩——塑性

一、岩石本身的影响因素1.成分：一、岩石本身的影响因素13

2.结构：

粗粒——强度小

细粒——强度大

3.构造：

层状——在变形过程中具各向异性变形特点

非层状——在变形过程中具各向同性变形特点一、岩石本身的影响因素2.结构：一、岩石本身的影响因素14二、各向异性对岩石力学性质的影响同一岩性的岩石由于层理或次生面理的发育，造成岩石力学性质的各向异性。如：层状岩石受压形成褶皱，块状则不易形成褶皱。二、各向异性对岩石力学性质的影响同一岩性的岩石由于层理或次生15三、围压对岩石力学性质的影响在低围压下，岩石表现为脆性，在弹性变形或发生少量的塑性变形后立即破坏；在围压超过20MPa时，在宏观破裂之前所达到的应变增加的非常明显，岩石表现为韧性；随着围压的增高，岩石的屈服极限、强度和韧性也大大提高。三、围压对岩石力学性质的影响在低围压下，岩石表现为脆性，在弹16增大温度，岩石的韧性增大，屈服极限降低四、温度对岩石力学性质的影响增大温度，岩石的韧性增大，屈服极限降低四、温度对岩石力学性质17孔隙流体对岩石力学性质的影响表现在2个方面：岩石中富含流体时，使岩石强度降低；孔隙流体促进矿物溶解和重结晶，促进岩石塑性变形。五、孔隙流体对岩石力学性质的影响孔隙流体对岩石力学性质的影响表现在2个方面：五、孔隙流体对岩18对变形起作用的是有效围压（Pe）产生孔隙流体压力效应。Pe=Pc-Pρ孔隙压力增大→有效围压降低→岩石强度降低。对变形起作用的是有效围压（Pe）产生孔隙流体压力效应。孔隙压191.应变速率

六、影响岩石力学性质的时间因素1）高速——脆性破坏：陨石碰撞、地震2）低速——韧性破坏：山脉1.应变速率六、影响岩石力学性质的时间因素1）高速——脆202．蠕变：在恒定应力作用下，应变随时间增加而持续增长的变形。

1）短期作用—不见效果；

外力恒定滴水穿石

2）长期作用—可见显著影响；3．松弛：在恒定变形情况下，岩石中的应力随时间不断减小的现象。

2．蠕变：在恒定应力作用下，应变随时间增加而21第一期（瞬时蠕变阶段）：延迟的弹性蠕变。撤出应力t1：不完全弹性恢复-减速的恢复-t2（弹性后效现象）

第二期（稳态或假粘性蠕变）：应变速率接近于常量，塑性流变。t3撤出应力-瞬时的和延迟的弹性恢复后t4-永久变形。

第三期（加速蠕变阶段）：应变速率增加，材料破坏。蠕变：第一期（瞬时蠕变阶段）：延迟的弹性蠕变。撤出应力t1：不完全22松弛：部分变形成为永久变形，降低了岩石的弹性极限。松弛：部分变形成为永久变形，降低了岩石的弹性极限。23第三节岩石的能干性能干性：用来描述岩石变形行为相对差异。能干的：强的、粘度大的、不易流动的不能干的：弱的、粘度小的、易流动的第三节岩石的能干性能干性：用来描述岩石变形行为相对差异。24岩石能干性反映岩石变形程度的差异，近似可以用粘度的大小来说明。岩石能干性反映岩石变形程度的差异，近似可以用粘度的大小来说明25岩石能干性差异估测：前提：在相同的构造变形环境下：1.有限应变状态的对比2.劈理折射的对比3.香肠构造的对比4.褶皱形态的对比5.流变计岩石能干性差异估测：前提：在相同的构造变形环境下：26强弱相间的岩层中,强硬层中的劈理和软弱层中的劈理以不同角度与层理相交，强硬层中为间隔劈理，与层理交角较大；软弱层中为连续劈理，与层理交角较小。

劈理折射强弱相间的岩层中,强硬层中的劈理和软弱层中的劈理以不27矩形石香肠矩形石香肠28尖圆褶皱沿软硬岩层界面纵弯作用的不稳定性使强硬物质向软弱物质偏移，造成具较大波长的圆滑褶皱；而由软弱物质向强硬物质偏移形成较小波长的尖顶褶皱，楔入强硬岩石中。尖-圆褶皱尖圆褶皱沿软硬岩层界面纵弯作用的不稳定性使强硬物质向软弱29岩石力学性质讲解课件30第四节岩石变形的微观机制脆性变形机制

微破裂作用、碎裂作用、碎裂流塑性变形机制

晶内滑动、位错滑动、位错蠕变…第四节岩石变形的微观机制脆性变形机制31一、微破裂作用、碎裂作用、碎裂流1.微破裂：应力集中因素：不同热膨胀系数的矿物组成的岩石经历温度的变化；变化过程中相邻颗粒点接触部位的相互楔入；矿物包裹体或空隙尖端受应力作用；颗粒内的位错和双晶运动不足以调节应变；……一、微破裂作用、碎裂作用、碎裂流1.微破裂：应力集中32相对摩擦滑动和刚体转动岩石碎块进一步破裂和细粒化宏观破裂微破裂高度破碎的岩石碎块、粉晶集合体微破裂作用、碎裂作用、碎裂流2.碎裂作用：岩石破裂成碎块3.碎裂流：差应力足够大，重复破碎应力作用下围压条件下压力增大时相对摩擦滑动和刚体转动岩石碎块进一步破裂和细粒化宏观破裂微破33二、晶内滑动和位错滑动晶内滑动：晶体沿某一滑移面的一定方向滑移。滑移面：原子或离子的高密度面。滑移方向：滑移面上原子或离子排列最密集的方向。二、晶内滑动和位错滑动晶内滑动：晶体沿某一滑移面的一定方向滑34位错位错35岩石力学性质讲解课件36岩石力学性质讲解课件37三、位错蠕变高温下，当T>0.3Tm（Tm为熔融温度），位错从一个滑移面攀移到另一个滑移面。三、位错蠕变高温下，当T>0.3Tm（Tm为熔融温度），位错38岩石力学性质讲解课件39动态重结晶作用：形成细小的新颗粒，即核幔构造动态重结晶作用：形成细小的新颗粒，即核幔构造40四、扩散蠕变扩散蠕变是通过晶内和晶界的空位运动和原子运动来改变晶粒形状的一种塑性变形机制。空位和原子迁移的途径：沿颗粒内部晶格迁移——体积扩散蠕变（纳巴罗-赫林蠕变）沿颗粒晶界迁移——晶界扩散蠕变（柯勃尔蠕变）蠕变过程无流体参与，也称固态扩散蠕变。四、扩散蠕变扩散蠕变是通过晶内和晶界的空位运动和原子运动来改41五、溶解蠕变溶解蠕变：也称压溶，有流体参与的塑性变形过程。被溶出物质：同构造脉、须状增生晶体、压力影构造、迁出体外。在不变质或浅变质岩区显著。五、溶解蠕变溶解蠕变：也称压溶，有流体参与的塑性变形过程。42六、颗粒边界滑动颗粒边界滑动：通过颗粒边界之间的调整来调节岩石总体变形的一种变形机制。如：装满砂子的橡皮口袋。六、颗粒边界滑动颗粒边界滑动：通过颗粒边界之间的43颗粒边界滑动：

T>0.5Tm，扩散速率能够及时调节由于晶粒相互滑动产生的空缺或叠复

——超塑性流动。颗粒边界滑动：

T>0.5Tm，扩散速率能够及时调节由44第五节岩石断裂准则断裂：由于外力作用在物体中产生的介质不连续面。产生的因素：应力状态，即临界应力状态或极限应力状态；材料力学性质。断裂准则或断裂条件：在极限应力状态下，各点极限应力分量所应满足的条件。第五节岩石断裂准则断裂：由于外力作用在物体中产生的介质不连45实验岩石学研究表明：当所施加的应力强度等于或超过岩石抗张强度或抗剪强度极限时，岩石体就发生断裂变形。破裂方式：一组张性破裂面和两组剪性破裂面。剪裂角：剪裂面与最大主压应力轴之间的夹角。岩石力学性质讲解课件46剪裂面与最大主压应力轴之间的关系剪裂面与最大主压应力轴之间的关系47一、水平直线型莫尔包络线理论（库伦断裂准则）莫尔包络线：材料破坏时的各种极限应力状态应力圆的公切线。（破坏曲线）判别条件：应力圆与莫尔包络线相切，破裂一、水平直线型莫尔包络线理论（库伦断裂准则）莫尔包络线：材料48特例：水平直线型破坏曲线剪裂角：θ=45°，共轭断裂夹角：2θ=90°特例：水平直线型破坏曲线剪裂角：θ=45°，共轭断裂夹角：49二、斜直线型莫尔包络线理论（库伦-纳维叶断裂准则）岩石发生剪裂时：剪裂角大小取决于岩石变形时内摩擦角的大小。二、斜直线型莫尔包络线理论（库伦-纳维叶断裂准则）岩石发生剪50大部分岩石的剪裂角在30°左右。大部分岩石的剪裂角在30°左右。51三、抛物线型莫尔包络线理论（王维襄断裂准则）方程：主应力：剪裂角：或三、抛物线型莫尔包络线理论（王维襄断裂准则）方程：主应力：剪52三、抛物线型莫尔包络线理论（王维襄断裂准则）剪裂角与及各点的应力状态有关。从野外地质调查与室内物理模拟实验结果来看：王维襄断裂准则更接近实际断裂情况。三、抛物线型莫尔包络线理论（王维襄断裂准则）剪裂角与53四、格里菲斯断裂准则（抛物线型）

剪裂的发生与岩石中原有随机分布的微细张性裂隙相关，是初始微细张裂在扩张过程中逐渐趋于定向排布，并最终贯通形成剪裂结果。

四、格里菲斯断裂准则54由实验观察到的花岗岩破坏过程示意图(A)、(B)初始张裂隙的出现；(C)、(D)在更强的差应力作用下初始张裂隙发展为强裂的剪切应变带，形成岩石的剪切破裂。（图的上下方向为最大主压方向）由实验观察到的花岗岩破坏过程示意图55

nn＋2T0

其中：T0为单轴抗张强度。岩石力学性质讲解课件56第五章岩石力学性质第五章岩石力学性质57第一节岩石力学性质的基本概念第二节影响岩石力学性质的因素第三节岩石的能干性第四节岩石变形的微观机制第五节岩石断裂准则第一节岩石力学性质的基本概念58（一）弹性变形：外力解除后，岩石能恢复原有形状和大小的变形（二）塑性变形：外力解除后，岩石不能恢复原有形状和大小的变形（三）断裂变形：外力达到强度极限时，岩石失去完整形状，并产生破坏现象的变形。

*强度极限——在外力作用下固体物质抵抗破坏的能力（抗破能力）（四）脆性变形：在破坏前不出现或很少出现塑性变形的变形。（五）韧性变形：在破坏前出现了显著塑性变形的变形。第一节岩石力学性质的基本概念（一）弹性变形：外力解除后，岩石能恢复原有形状和大小的变形第59三轴应力条件下的岩石力学实验第一节岩石力学性质的基本概念三轴压力机常规三轴实验三轴应力条件下的岩石力学实验第一节岩石力学性质的基本概念三601.岩石变形强度的图解表示法应力－应变曲线第一节岩石力学性质的基本概念1.岩石变形强度的图解表示法第一节岩石力学性质的基本概念612、岩石变形行为弹性变形塑性变形破裂变形流动变形2、岩石变形行为621）弹性变形：胡克定律

=Ee

其中：E为弹性模量或杨氏模量，e为应变量。

变形特征：象弹簧一样发生变形。当应力消失后，材料完全复原到未变形状态。

——胡克固体或线弹性体1）弹性变形：胡克定律

=632）塑性变形

y为屈服应力。

变形特征：产生永久变形，当应力消除后部分复原，大部分保留变形时的状态。y2）塑性变形y643）断裂变形同一岩石的强度，在不同方式的力的作用下差别很大。》3）断裂变形同一岩石的强度，在不同方式的力的作用下差别很大65常温常压下岩石表现为脆性破裂高温高压下岩石表现为韧性变形常温常压下岩石表现为脆性破裂66

4）流动变形变形特征：象牛顿流体（蜂蜜体）一样发生流动变形，应力越大，流动越大；应力消除，流动停止，但不能复原到未变形时的状态。牛顿粘性定律(线粘性定律)

=

其中，为粘性系数，分别为剪应变速率。..

—

牛顿流体或线粘性流体或纯粘性流体4）流动变形..—牛顿流体或67第二节影响岩石力学性质的因素☆

物质组成☆结构、构造☆各向异性☆围压☆温度☆孔隙应力☆时间：应变速率、蠕变与松弛第二节影响岩石力学性质的因素☆物质组成68

1.成分：

玄武岩、石英岩——弹性

灰岩、泥灰岩——弹塑性

泥岩、页岩——塑性

一、岩石本身的影响因素1.成分：一、岩石本身的影响因素69

2.结构：

粗粒——强度小

细粒——强度大

3.构造：

层状——在变形过程中具各向异性变形特点

非层状——在变形过程中具各向同性变形特点一、岩石本身的影响因素2.结构：一、岩石本身的影响因素70二、各向异性对岩石力学性质的影响同一岩性的岩石由于层理或次生面理的发育，造成岩石力学性质的各向异性。如：层状岩石受压形成褶皱，块状则不易形成褶皱。二、各向异性对岩石力学性质的影响同一岩性的岩石由于层理或次生71三、围压对岩石力学性质的影响在低围压下，岩石表现为脆性，在弹性变形或发生少量的塑性变形后立即破坏；在围压超过20MPa时，在宏观破裂之前所达到的应变增加的非常明显，岩石表现为韧性；随着围压的增高，岩石的屈服极限、强度和韧性也大大提高。三、围压对岩石力学性质的影响在低围压下，岩石表现为脆性，在弹72增大温度，岩石的韧性增大，屈服极限降低四、温度对岩石力学性质的影响增大温度，岩石的韧性增大，屈服极限降低四、温度对岩石力学性质73孔隙流体对岩石力学性质的影响表现在2个方面：岩石中富含流体时，使岩石强度降低；孔隙流体促进矿物溶解和重结晶，促进岩石塑性变形。五、孔隙流体对岩石力学性质的影响孔隙流体对岩石力学性质的影响表现在2个方面：五、孔隙流体对岩74对变形起作用的是有效围压（Pe）产生孔隙流体压力效应。Pe=Pc-Pρ孔隙压力增大→有效围压降低→岩石强度降低。对变形起作用的是有效围压（Pe）产生孔隙流体压力效应。孔隙压751.应变速率

六、影响岩石力学性质的时间因素1）高速——脆性破坏：陨石碰撞、地震2）低速——韧性破坏：山脉1.应变速率六、影响岩石力学性质的时间因素1）高速——脆762．蠕变：在恒定应力作用下，应变随时间增加而持续增长的变形。

1）短期作用—不见效果；

外力恒定滴水穿石

2）长期作用—可见显著影响；3．松弛：在恒定变形情况下，岩石中的应力随时间不断减小的现象。

2．蠕变：在恒定应力作用下，应变随时间增加而77第一期（瞬时蠕变阶段）：延迟的弹性蠕变。撤出应力t1：不完全弹性恢复-减速的恢复-t2（弹性后效现象）

第二期（稳态或假粘性蠕变）：应变速率接近于常量，塑性流变。t3撤出应力-瞬时的和延迟的弹性恢复后t4-永久变形。

第三期（加速蠕变阶段）：应变速率增加，材料破坏。蠕变：第一期（瞬时蠕变阶段）：延迟的弹性蠕变。撤出应力t1：不完全78松弛：部分变形成为永久变形，降低了岩石的弹性极限。松弛：部分变形成为永久变形，降低了岩石的弹性极限。79第三节岩石的能干性能干性：用来描述岩石变形行为相对差异。能干的：强的、粘度大的、不易流动的不能干的：弱的、粘度小的、易流动的第三节岩石的能干性能干性：用来描述岩石变形行为相对差异。80岩石能干性反映岩石变形程度的差异，近似可以用粘度的大小来说明。岩石能干性反映岩石变形程度的差异，近似可以用粘度的大小来说明81岩石能干性差异估测：前提：在相同的构造变形环境下：1.有限应变状态的对比2.劈理折射的对比3.香肠构造的对比4.褶皱形态的对比5.流变计岩石能干性差异估测：前提：在相同的构造变形环境下：82强弱相间的岩层中,强硬层中的劈理和软弱层中的劈理以不同角度与层理相交，强硬层中为间隔劈理，与层理交角较大；软弱层中为连续劈理，与层理交角较小。

劈理折射强弱相间的岩层中,强硬层中的劈理和软弱层中的劈理以不83矩形石香肠矩形石香肠84尖圆褶皱沿软硬岩层界面纵弯作用的不稳定性使强硬物质向软弱物质偏移，造成具较大波长的圆滑褶皱；而由软弱物质向强硬物质偏移形成较小波长的尖顶褶皱，楔入强硬岩石中。尖-圆褶皱尖圆褶皱沿软硬岩层界面纵弯作用的不稳定性使强硬物质向软弱85岩石力学性质讲解课件86第四节岩石变形的微观机制脆性变形机制

微破裂作用、碎裂作用、碎裂流塑性变形机制

晶内滑动、位错滑动、位错蠕变…第四节岩石变形的微观机制脆性变形机制87一、微破裂作用、碎裂作用、碎裂流1.微破裂：应力集中因素：不同热膨胀系数的矿物组成的岩石经历温度的变化；变化过程中相邻颗粒点接触部位的相互楔入；矿物包裹体或空隙尖端受应力作用；颗粒内的位错和双晶运动不足以调节应变；……一、微破裂作用、碎裂作用、碎裂流1.微破裂：应力集中88相对摩擦滑动和刚体转动岩石碎块进一步破裂和细粒化宏观破裂微破裂高度破碎的岩石碎块、粉晶集合体微破裂作用、碎裂作用、碎裂流2.碎裂作用：岩石破裂成碎块3.碎裂流：差应力足够大，重复破碎应力作用下围压条件下压力增大时相对摩擦滑动和刚体转动岩石碎块进一步破裂和细粒化宏观破裂微破89二、晶内滑动和位错滑动晶内滑动：晶体沿某一滑移面的一定方向滑移。滑移面：原子或离子的高密度面。滑移方向：滑移面上原子或离子排列最密集的方向。二、晶内滑动和位错滑动晶内滑动：晶体沿某一滑移面的一定方向滑90位错位错91岩石力学性质讲解课件92岩石力学性质讲解课件93三、位错蠕变高温下，当T>0.3Tm（Tm为熔融温度），位错从一个滑移面攀移到另一个滑移面。三、位错蠕变高温下，当T>0.3Tm（Tm为熔融温度），位错94岩石力学性质讲解课件95动态重结晶作用：形成细小的新颗粒，即核幔构造动态重结晶作用：形成细小的新颗粒，即核幔构造96四、扩散蠕变扩散蠕变是通过晶内和晶界的空位运动和原子运动来改变晶粒形状的一种塑性变形机制。空位和原子迁移的途径：沿颗粒内部晶格迁移——体积扩散蠕变（纳巴罗-赫林蠕变）沿颗粒晶界迁移——晶界扩散蠕变（柯勃尔蠕变）蠕变过程无流体参与，也称固态扩散蠕变。四、扩散蠕变扩散蠕变是通过晶内和晶界的空位运动和原子运动来改97五、溶解蠕变溶解蠕变：也称压溶，有流体参与的塑性变形过程。被溶出物质：同构造脉、须状增生晶体、压力影构造、迁出体外。在不变质或浅变质岩区显著。五、溶解蠕变溶解蠕变：也称压溶，有流体参与的塑性变形过程。98六、颗粒边界滑动颗粒边界滑动：通过颗粒边界之间的调整来调节岩石总体变形的一种变形机制。如：装满砂子的橡皮口袋。六、颗粒边界滑动颗粒边界滑动：通过颗粒边界之间的99颗粒边界滑动：

T>0.5Tm，扩散速率能够及时调节由于晶粒相互滑动产生的空缺或叠复

——超塑性流动。颗粒边界滑动：

T>0.5Tm，扩散速率能够及时调节由100第五节岩石断裂准则断裂：由于外力作用