05岩石力学性质.ppt

构造地质学StructralGeology,第5章岩石力学性质,主讲谢洪波,河南理工大学资源环境学院,岩石力学性质的几个基本概念影响岩石力学性质的因素岩石变形的微观机制岩石断裂准则,材料的力学性质,,强度材料抵抗外力载荷作用下产生破坏的能力静力强度材料抵抗由静载荷产生应力破坏的能力抗压强度抗拉强度抗剪强度抗弯强度,材料的力学性质,,强度静力强度硬度材料抵抗其它较硬物体的压入能力,材料的力学性质,,强度静力强度硬度弹性材料在外力的作用下产生变形，外力取消后，能够完全恢复原来形状的性质,弹性变形弹性材料胡克固体,,材料的力学性质,,强度静力强度硬度弹性塑性材料在外力的作用下产生变形，外力取消后，仍保持变形后的形状和尺寸，但不产生裂纹的性质,塑性变形永久变形塑性材料,弹塑性材料,,,,,,,,材料的力学性质,,强度静力强度硬度弹性塑性脆性材料在外力的作用下直到破裂前无明显塑性变形而发生突然破坏的性质,,脆性材料特点抗压强度抗拉强度,材料的力学性质,,强度静力强度硬度弹性塑性脆性韧性材料在冲击外力和震动荷载作用下，材料能吸收大量的能量，产生一定变形而不致破坏的性质,韧性材料特点具有较高的抗拉、抗压强度,脆性材料断裂发生前塑性变形10％,材料的主要力学性质流体的主要力学性质,,流体在任何微小剪切力的作用下能产生连续变形的物质粘性流体所具有的抵抗两层相对滑动速度抵抗变形的性质粘性系数μ,,,,,,,,,,,内摩擦力↓粘性应力剪切性质,速度梯度,粘性系数μ动力粘度速度梯度为1时，单位受力面积上，流体层之间内摩擦力的大小,能干性发生塑性流变的程度不易发生塑性变形的岩层能干岩层，其能干性较强，或称强岩层反之，为不能干或弱岩层,材料的主要力学性质流体的重要力学性质,,流体粘性牛顿内摩擦粘性定律,,,,,,,,,,牛顿流体,材料的主要力学性质流体的重要力学性质岩石的变形阶段,,,,,,,,,,,弹性变形阶段屈服极限σy比例极限σπ线弹性变形非线弹性变形塑性变形阶段强度极限σB应变硬化断裂变形阶段脆性破裂张裂、剪裂,,张裂,剪裂,抗压强度抗剪强度抗张强度,内因外因,岩石成份、结构、构造差异,,各向异性,如层状岩石受压可形成褶皱，而块状的各向同性岩石一般无法显示出褶皱变形来,内因外因,围压温度孔隙流体时间,提高韧性强度极限弹性极限,高围压使岩石的质点彼此接近，增强了内聚力,内因外因,围压温度孔隙流体时间,提高韧性降低强度极限弹性极限,温度增高，使岩石质点的热运动增强减弱了质点之间的联系能力,内因外因,围压温度孔隙流体时间,溶液弹性极限和强度下降韧性增强流体压力降低强度,溶液分子进入晶格，使矿物分子之间的凝聚力下降溶液有利于重结晶作用的发生，容易发生塑性变形,有效正应力下降,内因外因,围压温度孔隙流体时间,应变速率快速脆性，强度较缓慢塑性，强度下降重复受力破裂所需的应力降低蠕变保持应力不变，随时间延长，变形继续缓慢增加的现象松弛应变保持不变时，应力随时间增长逐渐下降的现象,耐力极限低于该应力值，无论如何增加受力次数，均无法使岩石破裂,内因外因,围压温度孔隙流体时间,流变学概要流变学研究介质内部质点的变形和流动考虑时间因素把液体和固体统一看待基本思想只要有足够的时间，任何岩石在任何应力下都能流动“万物皆流”,脆性变形机制塑性变形机制,岩石成分的微观差异颗粒楔入晶体错位,应力集中,,碎裂作用,碎裂,旋转运移,碎裂流,脆性变形机制塑性变形机制,晶内滑动和位错滑动位错蠕变多边形化作用动态重结晶作用扩散蠕变体积扩散蠕变纳巴罗-赫林蠕变晶界扩散蠕变柯勃尔蠕变溶解蠕变颗粒边界滑动,,,,,,,,,,,,剪裂角θ剪裂面与最大主压应力轴之间的夹角两剪裂面之间的夹角为共轭剪切破裂角2θ,理论45与实验及自然界均不一致为什么,剪切破裂不仅与剪应力有关，而且与正应力有关,,,,,,,,,,,张裂准则剪裂准则,张裂面的位置,最大张应力理论最大线应变理论,当张应力达到或超过岩石的抗张强度时，将沿垂直于最大张应力σ3的截面破裂形成张裂面。适用于围压小或浅表环境单向拉伸的脆性破坏。如对张节理和部分正断层的形成的力学解释。不能解释没有张应力作用的岩石破坏,岩石的破坏与线应变有关。沿垂直于最大伸长方向X的截面破裂，形成张裂面适用于没有张应力直接作用下单向挤压或具有一定围压条件下张裂形成的解释,张裂准则剪裂准则,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,发生剪破裂的剪切应力τn多大剪裂面与最大主应力的夹角θ/2,张裂准则剪裂准则,,,张裂准则剪裂准则,,,,,,,,,,,,,抗纯剪裂极限（岩石的内聚力）,库仑剪破裂准则实验,斜直线型摩尔包络线理论,,拉破裂线,剪裂角q45o-f/2,n,,,,,q,s1,90of/2,q90o-90of/2,,库仑剪破裂准则实验,水平直线型摩尔包络线理论,纯剪应力状态下,库仑剪破裂准则实验摩尔剪破裂准则实验,实验表明φ内摩擦角与围压、岩石性质有关，不是一个常量例如，砂岩φ〧45，页岩φ〧23实验证明，φ随围压增大而减小随着温度、围压的增加，剪裂角逐渐接近45，但不会超过45,库仑剪破裂准则实验摩尔剪破裂准则实验格里菲斯准则数学推导,任何脆性材料都存在大量的微小裂缝，材料的断裂就是由这些微小的、无定向裂缝由于末端应力集中而扩展的结果。在二维中将微裂隙看作是扁平的椭圆形裂隙，就可推导出平面格里菲斯断裂准则,库仑剪破裂准则实验摩尔剪破裂准则实验格里菲斯准则数学推导摩擦滑动准则拜尔利准则,判断是否滑动,TheEnd,