讲6+岩石力学性质.ppt

1、第五章岩石力学性质，是岩石在应力作用下的反映。岩石力学性质是指岩石变形特征和岩石力学强度。岩石变形与岩石本身的力学性质密切相关。脆性变形，韧性变形，为什么要研究岩石的力学性质？研究岩石力学性质的方法，(1)观察天然岩石(天然露头等)的力学现象。)；(2)在实验室进行岩石变形实验；(3)现场岩体现场试验；(4)理论分析和数值模拟。塑性变形、脆性变形、天然岩石变形、0.1兆帕高温流变仪、样品装置示意图、实验室岩石变形实验、1，2=3=围压，1=2=围压，1，3，3，微分应力=1-3，3即使对于特定材料，其机械响应也取决于变形的物理和化学条件。目前，人们将材料的力学响应分为弹性、粘性和塑性三种类型。

2、岩石力学性质的一些基本概念(1)、弹性变形：指物体在外力作用下的变形，当外力消除后，物体可以完全恢复到原来的状态。具有这种特性的物体称为弹性体，其变形称为弹性变形。弹性分为理想弹性和非理想弹性。理想弹性体的变形是一个可逆过程，应力和应变之间有一个确定的单值关系，这符合胡克定律：=Ee，其中e是杨氏弹性模量。岩石变形的应力-应变曲线，非理想弹性体的变形：应力并不立即产生全部弹性变形，而是随着时间的延长，弹性变形逐渐增加到其应有的值；当外力消除后，它不会立即恢复到原来的状态，而是随着时间的延长逐渐恢复到原来的状态。这种现象被称为弹性后效。岩石的弹性变形通常是滞弹性的。岩石的非弹性具有重要意义，上地

3、幔地震波的衰减被认为与岩石的滞弹性有关。随着变形的继续，应力-应变曲线的斜率减小。如果消除应力，曲线不会回到原点，而是在e1处与E轴相交，这表明试样因超过滞弹性极限而经历了永久变形。这个极限点的应力称为y(屈服应力。塑性变形是指物体在外力作用下变形，但外力释放后变形不会自动恢复的特性。具有这种性质的物体称为塑性体，其变形称为塑性变形。在应力不超过某一临界值Y的情况下，理想的塑性材料可以永久变形，在该临界值下，材料不会变形。岩石力学性质的一些基本概念(2)，岩石变形的应力-应变曲线，岩石变形的应力-应变曲线，y，理想塑性材料的力学行为，岩石变形的应力-应变曲线，岩石变形的应力-应变曲线，韧性和塑

4、性之间的差异，韧性(延展性)被用来描述允许的大应变，其特征是宏观均匀变形，不考虑微观变形。塑性是一种永久变形，它与晶体中位错运动的微观机制有关，也可能包括扩散。岩石变形通常有三种机制：(1)碎裂；(2)晶内塑性；(3)扩散传质流动。从宏观角度描述脆塑性转变，从微观机理描述脆塑性转变域是一个非常重要的问题。地球上的大多数地震都发生在脆塑性过渡带的深度。根据世界部分地区地震震源深度分布直方图(Maggi等，2000a)，岩石力学性质的一些基本概念(3)流体粘度是流体中各层相对滑动时层间的内摩擦效应。流体沿X方向流动的不同流动层。它们的速度是y的函数，y轴方向的变化率称为速度梯度d/dy。同一位置的

5、剪切应力(摩擦阻力)与速度梯度=d/dy粘度(PAS)成正比。(1)可改为：(1)可改写为(1)，(3)称为线性粘度定律(牛顿粘度定律)，而服从牛顿粘度定律的物质称为牛顿流体(或线性粘度流体)。牛顿粘性变形称为粘性流体变形。理想粘性材料的力学行为，弹塑性变形意味着某些物体既有弹性又有塑性。在弹塑性变形中，一部分是弹性的，其余部分是塑性变形。具有弹性和粘性流动的物质称为粘弹性，其力学性质称为粘弹性。例如，蛋清是一种粘弹性体。岩石是一种在长期力作用下具有弹性和塑性的材料，是指在弹性范围内的弹性和塑性；当岩石层高度塑性时，也可能发生半粘性流动。岩石也是一种粘弹性体，不像蛋清那样明显，主要是因为它的流

6、动需要在长时间的载荷下表现出来。对于固体或流体，温度越高，粘度越低，流动性越大。岩石流动性很慢。粘度是测量地球动力学的一个重要参数。在现代，人们把物体的所有这些力学性质概括为物质的流变性质，并形成了一门新的学科流变学，即研究固体物质流动的科学。因此，从现代地球科学的观点来看，地球的物质是流变的。研究地球物质流动的性质和规律的科学被称为“地球物质流变学”。影响岩石力学性质、应力-应变岩石力学性质、应力和应变的因素是岩石或块体在外力影响下的重要响应。应力是物理学的反映之一，应变是几何学的反映之一。岩石的力学性质是指在应力和应变的作用下发生塑性变形或脆性变形(断裂)的条件。岩石的力学性质是制约岩石变

7、形和结构几何特征的重要条件。例如，相同的压应力作用在不同的岩石层上，其力学表现是不同的：柔性岩石层中的褶皱结构、相对硬的岩石层中的断裂结构、软硬岩石层中的香肠结构、影响岩石力学性质的因素、各向异性对岩石力学性质的影响；围压对岩石力学性质的影响：温度对岩石力学性质的影响：孔隙流体对岩石力学性质的影响：时间因素对岩石力学性质的影响。总之，岩石的变形是环境、时间和物质的函数。岩性和各向异性的影响，以及岩石成分不同成分的影响；不同的岩石具有不同的力学强度，例如花岗岩的抗压强度是页岩的8倍；岩石结构不同(层理引起的力学各向异性)；不同岩石的剪切破裂角有明显变化。岩石材料的分类，岩石材料在力学上可分为均质

8、和非均质材料。均匀材料在力学上是各向同性或各向异性的。力学性能的各向异性是指物体在同一点上各个方向上的不同力学性能。橄榄石单晶，围压对岩石力学性质的影响，增加围压的效果有两个方面：增加岩石的极限强度；岩石的韧性增加了。温度是影响岩石力学性质和流变强度的重要因素。随着温度的升高，岩石的韧性增加，屈服强度降低；温度和围压的升高导致脆性向韧性转变，孕育了孕震层；温度对沥青变形强度的影响就是一个生动的例子(沥青的强度在夏季与冬季有很大的不同)。孔隙流体的影响和孔隙流体对岩石力学性质的影响表现在两个方面：物理影响和化学影响。当岩石中的流体含量增加时，岩石的强度降低。流体在应力下促进矿物的溶解和再结晶，从

9、而促进塑性变形；产生孔隙流体压力效应：地壳中流体的孔隙压力(流体静压)是岩石静压的40倍。孔隙压力(Pp)的影响将抵消变形过程中围压(Pc)的影响。当有效围压(Pe)Pe=Pc-Pp时，有效围压(Pe)降低，岩石容易开裂，强度降低。孔隙压力效应对岩石破裂的影响莫尔圆代表孔隙压力为零且岩石稳定完整时的应力状态；莫尔圆的总正应力(横坐标)不变，但E的正应力减小，e=-c，岩石破裂。流体和水的化学反应弱化、硅酸盐矿物在高压和高温下的水弱化。硅氧烷是一种活性化合物。水弱化结果：产生大量膨胀应变，导致裂纹尖端产生高应力；硅氧共价键被氢氧取代，加速了岩石的塑性变形。氢键加速了热力学反应；随着H2O含量的增加，岩石的熔点降低，熔融体软化加快。与实验室岩石力学研究不同，地质条件下的岩石变形需要很长时间，而造山带的变形需要数百万年才能完成。应变率的影响(=/t)降低，材料强度降低，变形结果不同(例如，使用不同的冲击沥青)。陨石的撞击或地震是时间对岩石蠕变和松弛的影响。蠕变是恒定应力和随时间增加的应变的变形。由于蠕变，岩石永久变形到低于其弹性极限。松弛是指在恒定变形条件下，岩石中的应