构造地质学05第五章岩石力学性质

第一期瞬时蠕变阶段：初
期应变速率大，而后变小。 应 代表延后的弹性蠕变变形， 变
第二期
因为应力撤出(t1),直到 第一期
(t2)完成,弹性后效现象。
该期变形阶段之后，接着 就是应变速率De/dt 近于
De/dt 常量
破坏 第三期
常量，称为第二期稳态蠕
撤出应力
变。岩石应变速率最小，
呈塑性变形。应力撤出
。。。 二．摩尔包络线理论
摩尔发现：围压（正应力）的大小是影响剪裂 角大小的根本原因（围压大—θ大；围压小 —θ小）。因此，破裂线常为曲线（摩尔包 络线），其表达式：
n f（n ）
该式是曲线方程式， σn，τn代表各种应 力状态下，在即将发 生剪破裂的截面上的 极限应力值。
不同围压下的大理岩破裂夹角的大小
De/dt 常量
撤出应力
t0 t1 t2
t3
时间
永久应变
t4 t5
松弛——保持应变不变，应力随时间而减小。 （相当于降低了岩石的弹性极限） （1）、应力随时间减小，松弛速度急剧下降。 （2）、应力经很长时间后可趋于一极限值
实践证明：在地质上岩石能否在很长时间的极 小差异应力下不断变形，需要一定的温度和压 力条件，因为它一般发生在地壳深层或它具备 有利于蠕变之条件的地方，如某些强变形带中。
第五章 岩石的力学性质和变形习性
重点内容：弹性、塑性、断裂、脆 性、韧性变形概念；岩石变形的影 响因素；库仑-莫尔理论。
概述：
岩石在应力作用下变形时，同一变形条件下， 不同岩石的变形习性（行为）是不一样的。如
玄武岩、石英岩——弹性 灰岩、泥灰岩——弹塑性 泥岩、页岩——塑性等
但是岩石变形行为不仅取决于物体本身的性 质，而且还取决于压力P、温度T、时间t等物 理环境” 即变形控制因素。
θ
最大，应该沿此发生
破裂
拉
σ3
σ2
σ3
共轭剪裂面
α ＝４５０ σ1 α
拉 σ3
σ3
2α
2θ
修正后
σ1
共轭剪裂角2 θ＝９００－ 剪裂角θ ＝４５０－/2
共轭剪裂角 σ1
实际上剪切破裂面与 主应力夹角小于４５０
0 n tan …（３）
若已测定了0 和，抗剪强度可以用此式求得。所以，
该线代表岩石受剪切时的破裂线。圆和切线D代表剪切
时间因素对岩石的力学性质与变形的影响有 三个方面。
1、应变速率的影响 施力快慢直接影响到岩石的变形行为。如沥 青、麦芽糖等韧性物质
快→脆性变形；慢→塑性变形 原因：在快速施力下，物质内质点无调整的机 会，在慢速下，质点可以重新调整而稳定。
2、 重复施力 多次施力、压，即是很小力，亦可引起材料的 破坏。(折断铁丝) 原因：多次施力，可使物体疲劳。
变形控制因素
岩性控制因素
矿物、岩性、孔 隙度、岩体不均 匀程度 、流体 成分等
物理环境控制因素
P.T.t.ē.－应力、 温度、时间、应 变速率、流体压 力（Pf)、差异应 力（σ1－σ3）等
§1、一般实验条件下岩石变形行为 实验表明岩石变形一般经过三个阶段 弹性变形 塑性变形 脆性变形（破裂变形)
应变硬化
σｙ＞０ σｙ＝０
在地质上主要研究塑性变形（如褶皱）和断裂变形， 如张裂和剪裂
应力莫尔圆 τ
复
a=45，(1-3) / 2
习
σ1
σ3
S2
α S1
τα
σ1
σ3 物理意义
D (σa τa)
τmax
τa
a
2a
0 σ3
B
C
σα
-τa 复习
D/
σ1
Aσ
1）当=0时， =1，= 0
2）当=90时，=3，= 0；
σ1与面理 呈30°时,破裂所需差 异应力36×105 pa,
σ1与面理呈 90°（垂直）, 破 裂所需差异应力为1000×105 pa 可以看出,岩石的各项异性对 岩石破裂时所需差异应力是不 同的。
岩石的能干性
用来描述岩石变形相对强度的差异。根据能干性的 差异分成能干的（强的）和不能干的（弱的）。意指在 相同变形条件下，能干的岩石比不能干的岩石不易发生 粘性流动。注意！能干性是相对的。
剪裂角大小与岩石所处温度、应力条件有关。 如页岩随围岩的增加， φ值逐渐减小，其包 络线成为一条弧形曲线。
摩尔包络线 D
D／ 摩尔包络线
θ
不同围压下岩石发生剪切 破裂时的莫尔包络线 A—砂岩；B—页岩
摩尔包络线给我们启示是：
1、 可以确定岩石在不同的σ1和σ3值下出现的稳定区 和非稳定区
2、 σ1和破裂面夹角θ随应力增加而增大，因而围压 增大（深度越大） θ越趋于450.越接近地表，则角 度越小
剪节理照片举例
９００
菱形结环式构造 共轭剪裂角小于900
棋盘格式构造
砂 岩 中 的 共 轭 剪 节 理
▲
火
▲内蒙古九神庙
山 岩
板岩中的共轭节理
中
的
？σ1在什么位置
剪 节
理
长江之源格拉丹东主 冰川前缘冰舌---共扼剪裂
图片可见，在野外经常看到的不是棋盘格式构 造，而是剪裂角常常小于４５０，这个现象有不 同解释，提出了许多剪裂理论。
3）当=45或135时，= 最大 为 (1-3) / 2,即主应力差一半； （4）当1=3，= 0时,均压无剪应力 在 三维状态中，当1= 2 = 3 时，为静水压力。
莫尔圆周上的任一点D的坐标代表其法 线与1轴成角的截面上的正应力和剪 应力值，它们取决于两个主应力的大 小以及截面与1轴的夹角大小有关。 应用： 已知两个相互垂直的应力， 就可以做出莫尔园，从而确定该点应 力状态；同样，已知一点的两个方向 主应力的大小和方位，也能将该点的 应力状态确定。
σｙ＝０
完全塑性材料。没
有载荷，变形继续
增大。
如果超过屈服点，继 续塑性变形，需施加 更大的应力超过屈服 应力，这个过程称应 变硬化或加工硬化。 经过一段应变硬化的 塑性变形后卸载，应 力－应变曲线回到e２ 表明总的永久变形。
应变硬化
σｙ＞０ σｙ＝０
如果将同样应力继续 加上去，应力－应变 曲线则沿以前路径回 到塑性变形Ｐ位置上 ，好像增大了弹性范 围和增高了屈服应力 （σｙ／）。因此应变 硬化可以看作屈服强 度随递进变形而连续 升高。
0 n …（２）
：断裂极限剪应力；0： n ０时的抗剪强度
（即岩石内聚力）； n剪切面上正应力，为摩擦系 数，即直线方程的斜率；因= tan （２）可改写为 ：
0 n tan … （３）
该式为库伦剪切破裂准则关系式，为内摩擦角。
实际的破裂面 理论上破裂面
／２
σ1
／２
理论上４５０剪应力
一、库伦剪切破裂准则 所谓准则，指的是基本条件是什么，库伦指出， 假定材料的破坏，取决于最大剪切应力，按照 这个理论建立的条件是：
τｍａｘ＝ τ０ …（１）
τ０为抗剪强度极限
理论上，破裂面应沿最大剪应力面产生，形成棋 盘格式构造。剪裂角＜ ４５０？
库伦解释是岩石抗剪强度与剪应力和正应力有 关，因此将（１）式改为：
剪切 脆性
挠曲
压扁
流动 温度
韧性
熔融 围 压
岩石随P-T条件的变化而呈现 变形习性及相应的主要变形机制
显理 示想 了的 各地 构壳 造一 层段 次剖 构面 造， 样剖 式面
三．岩石变形的时间因素
在地质条件下，岩石变形是长期的，通常要 以百万年为单位，因此评价时间因素对岩石变 形的效应具有关键意义。
韧性：它的确定不依赖于岩石的强度，指在岩石破裂 前有更高的应变，或是岩石没有显示脆性状态之前能够 承受较大应变的能力。有人认为应变量要大于10％的材 料，叫韧性。
如何确定哪些岩层能干，哪些是不能干的呢？可以 根据构造特征的观察来确定，并排出能干性的大小顺序 。
确定能干性差异常见的几种方法：
①有限应变状态的对比。在同一条 件下，能干岩石比不能干的岩石 发生的有限应变小些。（通过应 变测量得出）
§２、岩石的脆性破坏
从力学分析来看，断裂分为张裂和剪裂。前者 垂直拉伸方向，后者是呈450斜交挤压方向。
张裂面平行最大应力轴（σ1） σ1与剪切面夹角４５０，剪应力τ
垂直最小应力轴（σ３）
最大，理论上应该沿此面剪切破裂
共轭剪裂面
剪裂角α ＝４５０
σ1
σ1
α
σ3 拉
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
σ3
σ3
拉
σ3
张裂面
σ1
2α σ1 共轭剪裂角（包含σ1的象限，夹角９００）
3．蠕变：在应力长期的时间作用下，岩石 也会发生缓慢的永久变形，这种与时间相关的 变形称为蠕变。
弹性蠕变——可以恢复变形 永久蠕变——不能恢复变形
玻璃在常温常压下为脆性，但英国古老教堂的窗户玻 璃，因经受几百年的重力作用，造成上薄下厚，表明 发生了塑性变形。
蠕变实验： 应力开始作用(t0),岩石经历了短暂弹性应变阶段。
应变硬化 P′
如果在撤去应力后过了一段时间再增加应力，则 新的屈服点一般低于以前的塑性曲线（红色曲线）
３破坏阶段：
当应力超过一定值时， 岩石再继续变形，就会 以某种方式发生破坏— 破裂，此时的应力值称 为岩石的极限强度（或 强度）。 岩石在破裂前塑性变形 在5%以下，称为脆性， 若塑性变形超过5%，则 称为韧性。
方位和应力状态，
破裂线
破裂线外是破裂区。
破裂区 D
稳定区
破裂线内是稳定区，
σ1与剪切面夹角 θ取决于内摩擦角
θθ
σ3
σ1
的大小。即越大，
θ越小，
D／
破裂线
实验得出不同的岩石内摩擦角是不同的，脆性 岩石的内摩擦角大于韧性岩石的内摩擦角。