第四讲第四讲 岩石力学性质岩石力学性质基本概念：基本概念：弹性弹性 塑性塑性 脆性脆性 韧性韧性 弹弹塑塑性性 理想理想流体与流体与粘性流体粘性流体 应力与应变之间的关系应力与应变之间的关系 虎克定律虎克定律 蠕变和蠕变和松弛松弛 位错位错 压溶压溶 断裂准则断裂准则知识要点：知识要点：、岩石力学性质的基本特点。岩石力学性质的基本特点。、岩石力学性质的变化条件。、岩石力学性质的变化条件。、控制、控制断裂的形成与发展的主要因素（断裂的形成与发展的主要因素（内外矛盾的双方内外矛盾的双方）。）。、断裂发生的理论值为实验值存在巨大误差的基本原因。、断裂发生的理论值为实验值存在巨大误差的基本原因。、为什么说不存在压性断裂？、为什么说不存在压性断裂？、寻求各断裂准则之间的内在联系。、寻求各断裂准则之间的内在联系。要点：要点： 橡皮粘土蜂蜜石盐同时下落到水泥地板上同时下落到水泥地板上,下落时的表现基本上是相同的下落时的表现基本上是相同的,它们的差别直到撞击地板时才变得明显它们的差别直到撞击地板时才变得明显.来回跳动后来回跳动后原状停止原状停止粘在地板上粘在地板上破碎并撒破碎并撒在地板上在地板上慢慢在地板上慢慢在地板上散布散布弹性弹性塑性塑性脆性脆性粘滞性粘滞性第四讲第四讲 岩石力学性质岩石力学性质1、基本概念基本概念不同的物体对应力的反应是不同的不同的物体对应力的反应是不同的,请看以下几种特例请看以下几种特例第四讲第四讲 岩石力学性质岩石力学性质0ABCD弹性变形区间 =E e（虎克定律）（虎克定律） 过C点后，沿下降段CD变化，但 OA区间主要表现为压实作用。致密岩石没有OA区间或很小。进入塑性变形，部分可恢复，部分永久变形，永久变形，C点对应最大压应力，称为压缩强度。已发生显著塑性变形，滑移明显但仍保持其整体，至到 D点完全破裂。1 基本概念基本概念一、压缩实验条件下的岩石一、压缩实验条件下的岩石力学性质力学性质第四讲第四讲 岩石力学性质岩石力学性质r0rF(r)r0rr0rr0吸引力排斥力F(r) arm1brn1brn 1arm1FR0二、岩石力学性质的基本特点二、岩石力学性质的基本特点1 基本概念基本概念1 基本概念基本概念岩石力学性质岩石力学性质三三、几个重要几个重要概念概念弹性：在外力作用下变形，当外力除去后完全恢复原状的这种性能。 具有这种性能的物体称为弹性体。其主要特点：应力和应变服从其主要特点：应力和应变服从 虎克定律虎克定律 =Ee E：为弹性模量：为弹性模量 或称为或称为 杨氏模量杨氏模量塑性：在外力作用下立即产生全部变形,当外力除去后不恢复原状的这种 性能。具有这种性能的物体称为塑性塑性体。塑性塑性_韧性韧性(是指所处状态是指所处状态,是随条件而变化的是随条件而变化的)弹性弹性_脆性脆性(是指所处状态是指所处状态,是随条件而变化的是随条件而变化的)弹塑性：具有弹性和塑性的这种性能。具有这种性能的物体称为弹塑性体。流体流体：分理想流体与粘性流体两种.理想流体：流体流动时,流体内任何截面上只出现压应力而不出现剪应力。粘性流体：流体流动时其内任何截面上除了压应力外还有剪应力。2 影响岩石力学性质的主要因素影响岩石力学性质的主要因素1、岩石的各向异性的影响、岩石的各向异性的影响 2、围压的影响（增强岩石塑性、提高岩石弹性极限和强度极限）、围压的影响（增强岩石塑性、提高岩石弹性极限和强度极限）增大围压，岩石的强度和韧性增大增大围压，岩石的强度和韧性增大3、温度的影响、温度的影响增大温度，岩石的屈服极限降低，弹性减弱，塑性增大，易于变形。增大温度，岩石的屈服极限降低，弹性减弱，塑性增大，易于变形。2影响岩石力学性质的主要因素影响岩石力学性质的主要因素拉伸实验拉伸实验压缩实验压缩实验围围压压温度温度8002006000脆性区脆性区脆性区脆性区韧性区韧性区韧性区韧性区2影响岩石力学性质的主要因素影响岩石力学性质的主要因素4、孔隙流体的影响、孔隙流体的影响孔隙流体的存在，可以降低岩石强度，促进岩石塑性变形孔隙流体的存在，可以降低岩石强度，促进岩石塑性变形; 孔隙流体压力的存在，促进岩石发生脆性破裂（水压破裂）。孔隙流体压力的存在，促进岩石发生脆性破裂（水压破裂）。张张破破裂裂极极限限 5、时间的影响、时间的影响 1）应变速率）应变速率2 影响岩石力学性质的主要因素影响岩石力学性质的主要因素降低应变速率（慢），岩石的屈服极限提高，韧性增大降低应变速率（慢），岩石的屈服极限提高，韧性增大 提高应变速率（快）提高应变速率（快） ，岩石的屈服极限降低，脆性增大，岩石的屈服极限降低，脆性增大/s不同应变速率下应力应变曲线e(应变应变)2）蠕变和松弛）蠕变和松弛2影响岩石力学性质的主要因素影响岩石力学性质的主要因素5、时间的影响、时间的影响 蠕变和松弛蠕变和松弛在低于岩石在低于岩石弹性极限下弹性极限下可导致岩石可导致岩石发生塑性发生塑性（永久）变（永久）变形，其共同形，其共同效果都相当效果都相当于降低岩石于降低岩石的弹性极限，的弹性极限，使塑性增大。使塑性增大。松弛：松弛：是指在应变保持不变的情况下，随着时间的缓慢增长，应力逐渐是指在应变保持不变的情况下，随着时间的缓慢增长，应力逐渐减小的现象。即应变恒定减小的现象。即应变恒定-时间增长时间增长-应力逐渐减小应力逐渐减小 随缓慢增长随缓慢增长 逐渐减小逐渐减小 蠕变：蠕变：是指在应力不增加的情况下，随着时间的增长，变形继续缓慢增是指在应力不增加的情况下，随着时间的增长，变形继续缓慢增加的现象。即应力恒定加的现象。即应力恒定-时间增长时间增长-变形缓慢增强变形缓慢增强 （）随缓慢增长随缓慢增长 逐渐增大逐渐增大为马克斯威为马克斯威尔尔松驰时间松驰时间2影响岩石力学性质的主要因素影响岩石力学性质的主要因素5、时间的影响、时间的影响2）蠕变和松弛）蠕变和松弛（参见王仁等编固体力学基础第章（参见王仁等编固体力学基础第章 p） 3岩石的能干性岩石的能干性能干性：反映岩石变形程度相对差异的术语，可以近似的用粘反映岩石变形程度相对差异的术语，可以近似的用粘度的大小来说明。度的大小来说明。按岩石的能干性差异，可分为能干性和非能按岩石的能干性差异，可分为能干性和非能干性两种类型。干性两种类型。 4 岩石变形的微观机制岩石变形的微观机制一、脆性变形机制一、脆性变形机制微破裂微破裂 碎裂作用碎裂作用 碎裂流碎裂流二、塑性变形机制二、塑性变形机制 1晶内滑动晶内滑动：低温变形机制沿一定滑移面的滑移方向滑移，可形成晶格优选方位和形低温变形机制沿一定滑移面的滑移方向滑移，可形成晶格优选方位和形态优选方位态优选方位晶内滑动的机制是晶内滑动的机制是位错滑动位错滑动4 岩石变形的微观机制岩石变形的微观机制二、塑性变形机制二、塑性变形机制晶内滑动和（低温）位错滑动位错滑动的形成一个人就可移动一个人就可移动2位错蠕变高温位错蠕变高温变形机制变形机制4 岩石变形的微观机制岩石变形的微观机制二、塑性变形机制二、塑性变形机制当当T0.3Tm时时恢复作用开始起恢复作用开始起重要作用重要作用位错攀移位错攀移使符号相反的使符号相反的位错互相抵消，位错互相抵消，“相同者相同者”重新重新排列成位错壁，排列成位错壁，形成亚晶粒形成亚晶粒。亚亚晶粒内部位错密晶粒内部位错密度降低，晶体多度降低，晶体多边形边形化。化。二、塑性变形机制二、塑性变形机制3扩散蠕变：通过晶内和晶界空位运动和原子运动来实现。扩散蠕变：通过晶内和晶界空位运动和原子运动来实现。体积扩散蠕变体积扩散蠕变纳巴罗赫林蠕变纳巴罗赫林蠕变晶界扩散蠕变晶界扩散蠕变柯勃尔蠕变柯勃尔蠕变4溶解蠕变：溶解蠕变也称压溶。是一种流体参与的塑性变形过程。溶解蠕变：溶解蠕变也称压溶。是一种流体参与的塑性变形过程。4 岩石变形的微观机制岩石变形的微观机制4 岩石变形的微观机制岩石变形的微观机制铁山压溶缝合线铁山压溶缝合线扩散蠕变 压溶作用压溶作用使物质发生扩散转移，矿物颗粒形态发生改变压溶作用使物质发生扩散转移，矿物颗粒形态发生改变压溶作用在有粒间水膜时更易发生压力影、矿物（集合体）的须状增生和同构造（张性）脉都压力影、矿物（集合体）的须状增生和同构造（张性）脉都是压溶作用的产物是压溶作用的产物压溶作用在不变质或浅变质区对于岩石的塑性变形更为重要4 岩石变形的微观机制岩石变形的微观机制二、塑性变形机制二、塑性变形机制5颗粒边界滑动颗粒边界滑动：当当T0.5Tm时，扩散速时，扩散速率大。率大。岩石可以发生很岩石可以发生很大变形，但晶粒本身无大变形，但晶粒本身无变形，因此无晶格优选变形，因此无晶格优选和形态优选。和形态优选。“米袋效米袋效应应”？4 岩石变形的微观机制岩石变形的微观机制二、塑性变形机制二、塑性变形机制6、动态重结晶作用：形成细小的新颗粒（细粒化），细小的、动态重结晶作用：形成细小的新颗粒（细粒化），细小的新颗粒围绕初始的残存大颗粒周围分布，形成核幔结构。新颗粒围绕初始的残存大颗粒周围分布，形成核幔结构。1 岩石变形的微观机制岩石变形的微观机制二、塑性变形机制二、塑性变形机制5断裂准则断裂准则断裂的形成与发展主要取决于断裂的形成与发展主要取决于由外力引起的由外力引起的应力应力与自身的与自身的抵抗能力抵抗能力这一矛盾的双方这一矛盾的双方从成因上讲岩石的脆性断裂主要有两种形式：从成因上讲岩石的脆性断裂主要有两种形式：一是张性断裂一是张性断裂另一类是剪性断裂另一类是剪性断裂张性断裂：是当拉应力达到岩石的抗拉强度时，在垂张性断裂：是当拉应力达到岩石的抗拉强度时，在垂直于拉应力的方向上发生的拉破裂直于拉应力的方向上发生的拉破裂一、一、张性断裂张性断裂5 断裂准则断裂准则二、剪性断裂二、剪性断裂剪性断裂是在剪应力达到剪性断裂是在剪应力达到抵抗剪切破坏的能力时，岩石发抵抗剪切破坏的能力时，岩石发生相互错动的现象生相互错动的现象抵抗剪切破坏的能力是（随环境而）抵抗剪切破坏的能力是（随环境而）变化的，因此，不同的情况剪破裂变化的，因此，不同的情况剪破裂准则不同准则不同 、库仑剪破裂准则库仑剪破裂准则（最大剪应力理论准则）（最大剪应力理论准则） max=( 1- 3)/2= 0 0可理解为抵抗剪切破坏的能力可理解为抵抗剪切破坏的能力 max为外力引起的应力为外力引起的应力注意：右下图红线所示剪破注意：右下图红线所示剪破裂面上没有压应力裂面上没有压应力02a2a2a2a2abc bt0附录：包络线的绘制附录：包络线的绘制抗张断裂极限抗张断裂极限抗压断裂极限抗压断裂极限多数韧性固体抗张与多数韧性固体抗张与抗压的屈服极限相同，抗压的屈服极限相同，包络线变为两条平行包络线变为两条平行线。线。截距为截距为0 0的直线，的直线，为剪破裂为剪破裂发生时的剪应力；发生时的剪应力； 当当nn时岩石的抗剪强度（又称岩石时岩石的抗剪强度（又称岩石内聚力即内聚力即抵抗剪切破坏的能力抵抗剪切破坏的能力）. .当外力引起的应力与当外力引起的应力与剪破裂线相剪破裂线相切时，即切时，即右图右图D D、E E两点均对应抵两点均对应抵抗能力与外力引起的应力二者处抗能力与外力引起的应力二者处于临界平衡状态，这就是于临界平衡状态，这就是剪破裂剪破裂发生所需条件：发生所需条件：n n2aDEA0 0、库仑剪破裂准则（库仑纳维叶库仑剪破裂准则（库仑纳维叶断裂准则）断裂准则）拉破裂线拉破裂线剪破裂线剪破裂线剪破裂剪破裂线线5 断裂准则断裂准则二、剪性断裂二、剪性断裂nn 或或0 0n ntgtg 3 11 1=3 3cotcot2 2-2-20 0 cotcot(推导见固体力学基础推导见固体力学基础p71-75)C 1 3 = 1 = 3思考题：思考题：在纯剪切情况下发生库仑剪破裂的条件是什么？在纯剪切情况下发生库仑剪破裂的条件是什么？提示：纯剪切时的应力圆其剪应力小于提示：纯剪切时的应力圆其剪应力小于0 0，但已但已达到达到 库仑剪破裂线库仑剪破裂线 1 3 3a a abcd5 断裂准则断裂准则、库仑剪破裂准则基本特点之一库仑剪破裂准则基本特点之一剪破裂面剪破裂面与与 成成 ，若，若破裂面为右旋，则从任意一端右旋破裂面为右旋，则从任意一端右旋 到达到达 方向（方向（ a 与与 d ），），若若为左旋，则从任意一端左旋为左旋，则从任意一端左旋 到达到达 方向（方向（c与与 b） 5 断裂准则断裂准则、库仑剪破裂准则基本特点之二库仑剪破裂准则基本特点之二同一成因有以下几种表现形式，分别称之为逆断层平移断层正断层同一成因有以下几种表现形式，分别称之为逆断层平移断层正断层I In nn n莫尔包络线非线性断裂准则莫尔包络线非线性断裂准则5 断裂准则断裂准则n n（I I n n）(n,n,n n)3 3（1 13 3）2 2 + + 22（1 1 + +3 3）（4 42 2）重要提示：重要提示：这里应力符号规则是以拉这里应力符号规则是以拉为正，压为负发生断裂为正，压为负发生断裂所需应力状态如下式其所需应力状态如下式其推导见武汉地质学院，推导见武汉地质学院，王维襄编固体，王维襄编固体力学力学p359-367p359-367格里菲斯断裂准则格里菲斯断裂准则5 断裂准则断裂准则T0T0T0T0T0当当 1-3 3 n2=4T0(T0+ n) 1 1 = (+a/b) 1 1ab实际上是应力集中问题，下图椭圆孔在均匀实际上是应力集中问题，下图椭圆孔在均匀 1作用下，应力分布为：作用下，应力分布为： = (+a/b) 1推导见王仁等编固体力学基础推导见王仁等编固体力学基础p181-191当当a=b时，其应力扩大时，其应力扩大3倍，垂直方向出现拉应力，其绝对值与倍，垂直方向出现拉应力，其绝对值与 1相等。相等。断裂准则分两大类断裂准则分两大类张性断裂发生的条件拉应力达到并超过抗拉强度极限张性断裂发生的条件拉应力达到并超过抗拉强度极限剪破裂其断裂准则主要有剪破裂其断裂准则主要有库仑剪破裂准则最大剪应力理论准则库仑剪破裂准则最大剪应力理论准则库仑剪破裂准则线性断裂准则库仑剪破裂准则线性断裂准则莫尔包络线非线性断裂准则莫尔包络线非线性断裂准则格里菲斯断裂准则（断裂扩展）格里菲斯断裂准则（断裂扩展）前两类可以看成是非线性断裂准则的特例，前两类可以看成是非线性断裂准则的特例，格里菲斯断裂准格里菲斯断裂准则实质上是一种断裂扩展则实质上是一种断裂扩展准则的复杂性表现在抵抗能力是准则的复杂性表现在抵抗能力是随环境条件而变化的随环境条件而变化的5 断裂准则小结断裂准则小结