05 第五章 岩石力学性质.ppt

第1页：第五章 岩石力学基础

第五章 岩石力学基础

第2页：第五章本章主要内容

本章主要内容

• 岩石变形的应力-应变曲线
• 影响岩石力学性质的外界因素
• 岩石的微观破裂机制
• 格里菲斯剪切破裂准则的主要内容

第3页：岩石变形的三个阶段

一、岩石的变形阶段：脆性和韧性岩石的变形一般都经历弹性变形、塑性变形和破裂变形三个阶段。由于受到岩石自身的力学性质、边界条件、物理化学条件、外力的性质等因素的影响，不同岩石的这三个阶段各不相同。

图示：大理岩在挤压应力作用下的变形实验结果。

第4页：岩石的应力应变曲线

岩石变形的应力－应变曲线：分为（1）弹性变形、（2）塑性变形、（3）破裂变形三个阶段。

根据材料在破裂前塑性变形的应变量可以把材料分为：脆性材料（<5%）、韧性材料（>10%）、韧－脆性材料（5~7.5%）和脆－韧性材料（7.5~10%）。

第5页：围压温度与孔隙流体的影响

二、影响岩石力学性质的外界因素

• 1.围压——影响岩石的极限强度和韧性：使固体物质的质点彼此接近，增强了质点的内聚力，从而使晶格不易破坏，因而不易破裂；围压与深度和构造环境有关
• 2.温度——影响岩石的韧性和屈服极限：温度升高时岩石质点的热运动增强，减弱了它们之间的联系能力，使物质质点更容易位移；温度与深度和构造环境有关
• 3.孔隙流体——影响岩石的强度和质点迁移能力：封闭的孔隙流体可能导致异常压力，对断层的形成有重要意义

第6页：时间、蠕变与松弛

4.时间

• （1）时间对应变速率的影响：长时间受力时质点有充足的时间固定下来，易于产生永久变形；快速受力时质点来不及重新排列就破裂了，表现出脆性特征
• （2）蠕变与松弛——长时间地缓慢变形会降低弹性极限：在应力不增加的情况下，应变随着时间的增长缓慢增加的现象就是蠕变，反映了岩石的流动性；在应变恒定的情况下，所需应力可以随时间增长不断减小的现象就是松弛

岩石中各种地质构造主要是岩石蠕变的产物。

第7页：脆性与塑性变形微观机制

三、岩石变形的微观机制

• 1.脆性变形机制——微破裂作用、碎裂作用和碎裂流：岩石中固有的微裂隙引起应力集中，从而导致脆性破裂
• 2.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、动态重结晶作用和核幔构造）、扩散蠕变、溶解蠕变（压溶作用）、颗粒边界滑动：岩石中矿物晶体特性和缺陷对塑性变形过程具有重要意义

第8页：库伦破裂准则

四、岩石的破裂准则：理论破裂准则是用来解释岩石破裂时临界应力状态的理论。

1.库伦破裂准则——水平直线型莫尔包络线：当一点应力状态的应力莫尔圆与莫尔包络线相切时，岩石在该点处开始破裂；岩石首先沿着与最大主应力轴呈45°和135°的截面破裂，两组破裂面应相互垂直。该准则对于塑性材料或高围压情况比较合适。

第9页：斜线型莫尔包络线理论

2.斜线型莫尔包络线理论：岩石抵抗剪切破裂的能力不仅与作用在截面上的剪应力有关，还与该截面上的正应力有关。为此引入内摩擦角（φ）的概念，岩石沿着与最大主应力轴分别呈45°－φ/2和135°－φ/2夹角的两个截面破裂。

第10页：格里菲斯剪切破裂准则

3.格里菲斯剪切破裂准则：岩石中随机分布的大量微裂隙对岩石的破裂强度有显著影响，这些微裂隙可以近似地看作扁平的椭圆形裂隙。麦克林托与华西（1962）又作了修正。

图示：平面格里菲斯莫尔包络线、格里菲斯莫尔包络线与修正的格里菲斯莫尔包络线。

第11页：应变测量与应变标志体

五、应变测量概述：确定岩石内的有限应变状态及其分布规律的一个方法，就是测量和统计变形岩石内已知原始形状的标志物在变形后的形态变化，然后加以对比分析。

• 根据变形标志物中已知长度或相对长度比的线性标志物发生的长度变化，可以计算伸缩线应变
• 根据两条直线之间原始角度的变化可以计算角剪应变和剪应变
• 原始形状规则的标志物（原始为圆球或椭球的标志体）：砾石、砂粒、气孔、鲕粒、放射虫、还原斑等
• 与变形有关的小型构造标志物：压力影、生长矿物纤维、石香肠构造、线理、面理、节理等

第12页：第五章思考题

思考题

• 岩石变形一般经历哪几个阶段？
• 影响岩石变形特征的外部因素主要有哪些？它们如何影响岩石的变形？
• 格里菲斯剪切破裂准则的主要内容是什么？
• 岩石的微观破裂机制有哪些？