15变形影响因素

2、莫尔剪切破裂准则
莫尔剪切破裂准则的一般表达式为
τn＝ f(σn)
该方程代表的是一条试验获得的曲线，
它包络了同一种岩石在不同围压下破裂时 的极限应力圆，这一曲线叫做莫尔包络线
彭南特砂岩莫尔圆包络线
S. E. Hill, 1972
一般情况下，岩石内摩擦角随着围
压的增大而减小。
围压的增大意味着岩石韧性的增加
3、格里菲斯破裂准则
材料的实际破裂强度，远远小于根据分子
结构理论计算出的材料粘结强度。因此， 格里菲斯认为在材料中存在随机分布的微 裂隙。 当材料受力时，在有利于破裂的微裂隙的 末端附近应力强烈集中，当拉张应力达到 或者超过其拉张强度时，微裂隙开始发生 扩展、联结，最后导致材料的破坏。
劈理折射
大连金石滩灰岩与页岩互层中的劈理折射
灰岩
页岩
京西大灰厂灰岩和白云岩中的劈理折射
白云岩
灰岩
房山：白云岩 和钙质千枚岩 中的褶皱和劈 理折射 白云岩
大连金石滩褶皱与劈理型式
3 香肠构造
石香肠断面的形态与岩石的能干
性差异 同一构造条件下发育石香肠的岩 石能干性较大 矩形石香肠>胀缩石香肠
当σ1 < － 3σ3时 ， σ3 ＝ － T0 T0为单轴抗张强度。 当σ1 > － 3σ3时 ， (σ1 － σ3)2 － 8T0(σ1 ＋ σ3) ＝ 0 或τ n 2＝4 T0 （T0 ＋ σn ）
(σ1 － σ3)2 － 8T0(σ1 ＋ σ3) ＝ 0 单轴压缩时： σ1 ＝抗压强度
Competent 能干的, competence能干性 Incompetent不能干的 岩石的相对易流变性，与岩石变形时的粘
度有关。 强硬材料比软弱材料的刚性强，粘度大， 不易流动或容易破碎。
（一）确定能干性差异的地质办法
1 有限应变状态的对比——经历相同应变
历史的的岩石，能干的岩石比不能干岩石 应变较小
同构造部位不同岩石的变形量的对比 复成分砾岩中不同砾石的对比 同一薄片中不同矿物变形行为的对比
周口店鲕状灰岩中的鲕
2 劈理的折射——能干岩层劈理与层 面交角较大，不能干岩层交角较小
劈理平行于XY面，在变形岩层
中劈理方向的变化反映岩石的能 干性。 劈理的发育强度与X/Z成正比。 劈理的密度：条/cm
能干层不易发生塑性流变，受到不断加强的平行层 的拉伸，使其在某些初始的微小缺陷处产生应力
集中，最终发生断裂，进一步伸展使断块分离，
形成断面形态各异、三维上通常呈长而平行的柱
状体，貌似平行排列的香肠，故称为石香肠
boudins（Lohest等，1909）。
香肠构造
北京西山奥陶纪灰岩夹白云岩中的 矩形石香肠
破裂前的应变量增大。
韧性增大，强度降低，易于变形。
四、孔隙压力对变形的影响
孔隙压力：孔隙中流体的压力pore pressure 如果不透水层阻挡含水层中的孔隙流体从岩
层中自由流走，孔隙压力可以变得很大。
干岩石强度随深度（温度-围压）的变化
饱水岩石变形与深度的关系
湿度对岩石抗张、抗剪强度的影响
样品：圆柱状
材料变形的典型应力－应变曲线
弹性变形(Elastic deformation)
σ＝Ee（胡克定律、弹性模量 塑性变形(Plastic deformation)
应力超过屈服点后造成的岩石永久性应变
完全 塑性 屈服 应力 强度
应变硬化：继续变形需加大 应力 强度(strength)极限(表5-1) 断裂 (rupture)（破坏） ( fracture)（断裂）
内摩擦角与剪应力/正应力比值
库仑剪切破裂应力莫尔圆图解
τ＝ τ0 ＋µ σn
剪裂角（θ）
最大主应力与剪切
破裂面之间的夹角
2θ ＝90°-φ θ ＝45°-φ /2
稳定、临界与非稳定应力状态
主应力与破裂面方位之间的关系
根据库伦准则的方程表达式可知，一种
岩石材料的内摩擦角是一个常数，因此， 破裂莫尔圆包洛线是一条斜率等于内摩 擦角正切值（剪切破裂时剪应力与正应 力的比值）的直线 但是，莫尔通过岩石力学试验发现，岩 石材料的内摩擦角随着围压在发生着变 化，据此他提出了修正的库伦剪切破裂 准则，也被后人称为莫尔剪切破裂准则
溶解—迁移作用 通过流体压力使岩
石强度降低发生变 化
五、应变速率对岩石变形的影响
应变速率：岩石受作用力的时间长度
岩石变形－长时间 青藏高原现今地壳运动
地质过程作用漫长，岩石表现韧性
12-11-ma 22-12ma
44-0ma:
•12(11)-0ma.
5.0cm/y
•22-12-ma,
4.6cm/y;
第四章 岩石力学性质 及其影响因素
一、岩石力学性质的几个基本概念 二、影响岩石变形时力学性质的因素 内部因素 物性特征、各向异性（结构构造）；岩石
强度 外部因素 温度，围压，孔隙流体压力，时间等 三、岩石断裂准则
岩石力学性质实验
岩石力学性质的获得方法： 实验装置：可控温度和压 力的三轴压力机
常温常压下多数岩石表现为脆性
实验表明，抗压强度>抗剪强度>抗张强度
不同变形行为的应力-应变曲线
应力-应变-变形综合图解
脆性(brittle)：在断裂前的
塑性变形的应变量＜5％的
材料称为脆性材料，其变形 行为称为脆性变形。 韧性(ductile)：在断裂前的 塑性变形的应变量＞10％
的材料称为韧性材料，变形
冰川砾石的脆-韧性变形
温度与应变速率 对大理岩应力-应变曲线影响
松弛：岩石中应力随时间不断减小的现象
松弛两种类型： 1）应力随时间减小趋于稳定；
2）应力随时间趋于零
•松弛存在两阶段(快速阶段和缓慢阶段) •松弛能使部分弹性变形变为永久变形 σ
σ
t 松弛和蠕变都降低了岩石的弹性极限
t
第三节
岩石能干性差异与相关的构造
•44-22ma,
5.5-5.8cm/y;
60-44ma,
9--11cm/y
69-60-ma, 17cm/y
应变速率降低屈服力降低、韧性增加
时间：蠕变
蠕变：在应力长期作用下，即使应力在常温常 压的条件下，岩石也会发生缓慢的永久变形。
蠕变曲线
冰川砾石的韧性变形
•蠕变能在低于弹性极限情况 下使得岩石产生永久变形
沉积岩：
白云岩 长石砂岩 石英砂岩 硬砂岩 粗粒灰岩
结晶岩：
变基性岩 粗粒花岗岩和花岗片麻岩
细粒花岗岩和花岗片麻岩
石英岩 大理岩
细粒灰岩
粉砂岩 泥灰岩
云母片岩
页岩
石膏、硬石膏
5 矿物变形行为的对比
橄榄石、辉石、角闪石、斜长石、钾长石、
三、温度对材料变形行为的影响
屈服极限降低 韧性增大
温度对岩石变形强度的影响
•屈服极限降低 •韧性增加
温度对白云岩应力-应变曲线的影响
屈服极限降低 拉伸 与压缩
温度对花岗岩应力-应变曲线的影响
温度对石英晶体应力-应变曲线的影响
增高温度对变形的影响
在一定的差异应力下，应变量增大。
行为称为韧性变形
粘性(viscosity)：流体内部各流层之间发生相对滑
动时，层间的内摩擦的效应。
粘度（η）： 单位 Pa· s 速度梯度：du/dy
U为在Y轴方向的变化率
y U=u(y)
牛顿粘性定律（剪应力）
τ＝ η du/dy
•剪应力与速度梯度成正比 •一定的流体流速梯度越大，摩擦 力越大，层面间剪切力越大
x
τ＝η dγ/dt
（ dγ/dt 剪应变速率）
剪应力与剪应变速率成正比 常见材料的粘度：表5-2
第二节 影响岩石力学性质的因素
各向异性 围压
温度
孔隙流体 时间
一、岩石各向异性对其力学性质的影响
沉积岩与侵入 岩变形的差异
不同的围压下， 板岩强度最小 值出现在σ1与 劈理夹角30度 方向
剪裂角：θ ＝45°
斜直线线型摩尔包络线理论
岩石抵抗剪切破坏的能力不仅与作用在截
面上的剪应力有关，还同作用在该截面上 的正应力（ σn ）有关（纳维叶）。 τ＝ τ0 ＋µσn τ：发生剪裂的临界剪应力 τ0 ：为σn＝0时的岩石抗剪强度（内聚力）
µ 内摩擦系数（＝tanφ ) (φ 为内摩擦角） ：
σ3 ＝0
抗压强度为抗张强度的8倍
抗压强度与抗张强度的关系
格里菲斯准则预计的抗压强度为抗
张强度的8倍
常温常压岩石材料实际试验结果则
显示，抗压强度往往是抗张强度的 10－15倍 这意味着什么？
岩石破裂理论
库仑剪切破裂准则
莫尔剪切破裂准则 格里菲斯破裂准则
二、围压对岩石变形行为的影响 增大岩石强度、增大岩石韧性
270MPa
445MPa
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
几种岩石韧性与围压的关系
韧性随围压增 大而增大，但 不同岩石程度 不同
岩石屈服强度与围压的关系
围 压 增 大 屈 服 强 度 增 大
增大围压的效应
破裂前的差异应力增大； 破裂前的应变量增大。
韧性增大，强度增大。
云蒙山眼球状片麻岩中
伟晶岩的菱形石香肠
灰岩夹白云岩的褶皱和香肠
恒山片麻岩中角闪岩的香肠构造
大别长英质片麻岩中辉长岩的石香肠
•4 褶皱形态对比
•同基质、同厚度岩层能干性较大的岩层具有较大的初始波长
•不同能干性岩层界面尖－圆褶皱的尖端指向高能干性岩层
尖圆褶皱的形态与韧性差
（二）一个地区岩石的能干性差异表
孔隙压
力增大， 岩石的强 度降低， 更易于破 坏。
孔 隙 压 力 增 大 强 度 降 低
有效围压：Pe＝Pc－Pρ（降低围压）
因此
饱水岩石的强度明显地小于无水
(干)岩石的强度,亦即孔隙液压 的存在使岩石的强度显著下降.
•石油地质油压、井喷流体压力的表现
•采流工程水驱油
流体对岩石变形行为的影响及其机制
白云石、石英、方解石、云母、绢云母
金红石、长石、石英的不同变形行为
第五节
岩石破裂理论简介
极限应力状态下，各点极限应力分量所满
足的条件，称断裂准则或断裂条件。
1、库仑剪切破裂准则
2、莫尔剪切破裂准则
3、格里菲斯破裂准则
1、库仑剪切破裂准则
水平直线型摩尔包络线理论
τ＝ τ0 共轭剪裂角： 2θ ＝90°