第五章岩石力学性质

第五章岩石力学性质一、 岩石变形的应力一应变曲线弹性变形：在变形的初始阶段，应力一应变图上为一段斜率较陡的直线，说明应力与应变呈正比。这时如果撤除应力，岩石就可恢复到变形前的状态，这种变形就是弹性变形。在弹性变形的情况下，应变与应变之间遵循胡克定律：b=Ee，式中E为弹性模量或杨氏模量。服从胡克定律的材料称为胡克固体，也称为线弹性体；应力与应变不满足线性关系的弹性材料称非线性体。塑性变形：随着变形的持续进行，应力一应变曲线的斜率变小，这时如果撤去应力，曲线并不回到原点，试样由于超过弹性极限而永久变形，这个极限点的应力叫屈服应力（。）。当应力达到或超过屈服点后造成岩石永及应变的变形叫塑性变形。断裂变形：当应力超过岩石的极限强度时岩石发生的破裂。强度：岩石抵抗破裂的能力。脆性材料：在断裂前塑性变形的应变量小于5%的材料。韧性材料：在断裂前塑性变形的应变量超过10%的材料。韧一脆性材料：5%〜7.5%脆一韧性材料：7.5%〜10%二、 影响岩石力学性质的因素各向异性对力学性质的影响各向异性导致岩石中应力集中和各部分或不同方向上的强度不同，从而造成岩石在不同的方向上力学性质不同。围压围压增加一方面增大了岩石的极限强度，另一方面增大了岩石的韧性。原因：使固体物质的质点彼此接近，增强了岩石的内聚力，从而使晶格不易破坏，因而不易断裂。在近地表，大多数岩石表现为脆性，断裂相对较发育。当处于地壳深处时，岩石就变为具有高度韧性的物质，甚至出现粘性流动特征。因此，褶皱就比较发育。温度温度升高，材料的韧性增大，屈服极限降低。多数岩石在地表表现为脆性，向地下随着温度和围压的增加，到一定深度就会从脆性向韧性过渡。因此，岩石力学实验中常把围压和温度一起考虑。原因：温度升高时岩石质点（分子）的热运动增强，从而减弱了它们之间的联系能力，使物质质点更容易位移。因此，当温度升高到适当的程度时，即使较小的应力也能使岩石发生较大的塑性变形。4.孔隙流体一方面使岩石强度降低；另一方面可以促进矿物在应力作用下的溶解迁移和重结晶，从而促进了岩石的塑性变形。封闭的孔隙流体对断层和某些沉积岩层构造的形成起着重要的作用。如逆断层、异常压力（对油气勘探、钻井等非常重要）；流体在变质作用、地壳与地幔的物质交换等方面的作用是目前地学界关注的重要问题之一。5.时间时间对岩石力学性质的影响表现在以下三个方面：（1）应变速率的影响应变速率越快，岩石的脆性特征越明显；反之，应变速率越小，岩石的韧性特征越明显。原因：岩石受到缓慢的长时间外力作用时，质点有充足的时间固定下来，易于产生永久变形；当应变速率较大时，质点来不及重新排列时就破裂了，所以表现出脆性的特征。蠕变与松弛长时间的缓慢变形会降低岩石的弹性极限。蠕变：在应力不增加的情况下，应变随着时间的增长继续缓慢增加的现象。“滴水穿石”蠕变是岩石流动性的一种反映，它与流体的流动相似，所不同的是液体流动时其分子是各自独立的，而蠕变流动是靠晶体的滑移来实现的。松弛：在应变恒定的情况下，所需应力可以随时间不断减小的现象。自然界的岩石变形往往是在漫长的地质历史时期以蠕变的方式发生的，当变形发展到一定阶段后，应力又逐渐降低，出现松弛现象，从而使岩石中微小的永及变形不断积累，以致最后形成巨大规模的变形。因此，岩石中各种地质构造常是蠕变的产物。三、岩石变形的微观机制分为脆性变形机制和塑性变形机制。1.脆性变形机制一一微破裂作用、碎裂作用和碎裂流微破裂作用：岩石内部的某些不连续部位的应力集中形成破裂的过程。事实上，无论多么致密的材料，其内部存在着显微裂隙，这一点在20世纪20年代由格里菲斯预言，后来被电子显微镜所证实。碎裂作用：在应力作用下，无数微破裂扩展、连接、局部密集成带，使岩石沿断裂或断裂带破裂成碎块，并进一步形成高度碎裂的岩石碎块和粉晶集合体，这一过程就是碎裂作用。碎裂流：高度碎裂的岩石碎块和粉晶重复破碎，粒不断减小，相互之间产生相对摩擦滑动和刚体转动，因而整体上能承受大的变形和相对运动，这种变形过程就是碎裂流。塑性变形机制大多数岩石的塑性变形是由单个矿物晶粒的晶内滑动或晶粒间的相对运动(晶粒边界滑动)造成的。晶内滑动和位错滑动晶内滑动：晶体内部沿某一滑移系的一定方向发生的滑移。滑移系是由晶体结构决定的，通常是原子或离子的高密度面，滑移方向则是滑移面上或离子排列最密的方向。位错滑动：矿物晶体内部的缺陷在应力作用下向晶体表面的传播。位错蠕变多边形化作用：位错在晶体内传播时符号相反的位错可以互相湮灭，符号相同的位错可以重新排列成位错壁位错壁把晶体分割成为亚颗粒，这种现象称晶体的多边形化作用。动态重结晶作用：在初始多边形化作用晶粒边界或局部的高位错密度处储存了较高的应变能，在温度足够高的情况下，形成新的重结晶颗粒，使初始变形的大晶粒分解为许多无位错的细小新晶粒，这种现象就是动态重结晶。核幔构造：在动态重结晶作用的过程中，如果大晶粒还没有分解完，就形成许多小的重结晶颗粒包裹残余颗的现象，这种现象就是核幔构造。扩散蠕变扩散蠕变；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。溶解蠕变溶解蠕变：也称压溶，是一种有流体参与的塑性变形过程，物质在高压应力区溶解，通过流体迁移，在低压区沉淀，从而造成塑性变形。这是岩石中一种很重要的变形机制，在不变质或浅变质岩区尤其显著。（5）颗粒边界滑动颗粒边界滑动：通过颗边界之间的调整来调节岩石总体变形的一种变形机制，只有在晶粒很细的岩石中（粒度在几微米到几十微米范围内），在很高的温度下（T>0.5Tm，Tm是岩石的熔融温度），扩散的速率能够及时调节由于晶粒相互滑动而产生的空缺或重复时，才能实现颗边界滑动。这种变形机制也称超塑性流动。四、岩石断裂准则断裂准则是用来解释岩石破裂时的临界状态应力的理论。按照应力分析，1.库伦断裂准则一一水平直线型莫尔包络线理论岩石沿着与最大主应力（气）呈45。和135。夹角的两个剪裂面破裂。斜线型莫尔包络线理论与抛物线型莫尔包络线理论岩石抵抗剪切破裂的能力不仅同作用在截面上的剪应力有关，而且还与该截面上的正应力有关。为此引入了一个内摩擦角S"fai”）的概念。岩石沿着与最大主应力（气）呈45°-9/2和135°-9/2夹角的两个剪裂面破裂。格里菲斯断裂准则上述两种准则都是通过实验说明岩石破裂时各应力之间的关系，但不能对导致破裂的内部机制作出令人满意的物理学方面的解释。在这种情况下，格里菲斯（Griffith，1920）发现材料的实际破裂强度远远小于根据分子结构理论计算出的材料粘结强度（达三个数量级）。为此，他提出了另外一种