第三节 岩石变形行为

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2 2 2

水平直线型莫尔包络线
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（）的概念，岩 石沿着与最大主应 力轴分别呈45º －/2 和135 º －/2夹角的 两个截面破裂。
库伦剪切破裂
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。
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
第三章 地质构造分析的力学基础
第三节 岩石变形行为
背景图片是大理岩在挤压应力作用下的变形实验结果
本节主要内容
• 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
岩石的力学性质
岩石的变形与岩石的力学性质密切相关。 （一）、弹性与塑性 弹性是岩石受力发生的暂时变形，在力卸载之后仍能回复原形 的一种性质。弹性变形是一种非永久变形，构造变形中很难直接观 察到。 塑性是岩石受外力作用超过弹性限度，在应力解除后，产生不 失去内聚力的永久变形的性质。 （二）、脆性与韧性 脆性是岩石受力容易发生破裂的性质。 韧性是岩石受力不容易发生破裂的性质。 脆性与韧性互为消长。 （三）、刚性与粘性 刚性是岩石不易变形弯曲的性质，物体的刚度（C）为C＝AE， 其中A为横截面积，E为杨氏模量。 粘性是岩石容易流动变形的性质。粘性与刚性是相反的。 这三组岩石力学性质分别表征了岩石的弹性变形、塑性变形及 破裂变形等方面的特征。
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。
拉破 裂线
莫尔包络线
D 2 E C
1
0
O
B
剪切破裂时的斜线型莫尔包络线理论
3．格里菲斯剪切破裂准则
岩石中随机分布的 6T 大量微裂隙对岩石的 破裂强度有显著影响， 2T 这些微裂隙可以近似 地看作扁平的椭圆形 - T 0 裂隙。 麦克林托与华西 （1962）又作了修正。
0 0 0
修正的格里菲 斯莫尔包络线
一、岩石的变形阶段
大理岩在挤压应力作用下的变形实验结果
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。
岩石变形的应力－应变曲线
（1）弹性变形 （2）塑性变形 （3）破裂变形
四、岩石的破裂准则
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理论
当一点应力状态与应力莫尔圆 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45º 和135º 的截面破裂，两组 破裂面应相互垂直。 对于塑性材料或高围压情况比 较合适。
格里菲斯 莫尔包络线
45 60
4 T0
8T0
平面格里菲斯莫尔包络线
五、应变测量
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%)。
塑性变形区
y'
P
破裂
Baidu Nhomakorabea
y
弹性变形区
e1
e2
e
岩石变形的一般化应力－应变曲线
岩石断裂方式有两种：张裂与剪 裂。
张裂：是在外力作用下，当张应力 达到或超过岩石抗张强度时，在垂直 于主张应力轴或平行于主压力轴方向 上产生的断裂。 剪裂：是岩石在剪应力作用下发生 剪切破坏时所产生的断裂。
• 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？
• 岩石的微观破裂机制有哪些？
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。
三、岩石变形的微观机制
1．脆性变形机制－微破裂作用 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。
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。
原始为圆球或 椭球的标志体 应变标志体 已知原始形状的 其它标志物 砾石、砂粒、气孔、鲕粒、 放射虫、还原斑等 原始形状规则的标志物： 变形化石和变形晶体等
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
思考题