05第五章岩石力学性质——【构造地质学】

σ1
2α
σ1 共轭剪裂角（包含σ1的象限，夹角９０
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。
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)
破裂线
破裂线外是破裂区。 破裂线内是稳定区， σ1与剪切面夹角 θ取决于内摩擦角
的大小。即 越 大， θ越小，
破裂区 D
稳定区
wenku.baidu.com
θθ
σ3
σ1
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。
常温常压下某些岩石的剪破裂角
可见，内摩擦角在300左右，这就解释了为什么共轭剪裂 角小于900，常见为600；而剪裂角小于450的原因所在， 从而解释了共轭剪节理呈菱形结环产出的原因
１、弹性变形阶段：
图解上为一陡倾斜 的直线，说明：应力 与应变成线性关系 ，应力卸载，岩石变 形恢复原状，这种变 性行为称弹性变形。 符合胡克定律-应力 和应变呈正比。
σ＝Ee E-（弹性模量）
岩石变形的一般化应力--应变关系
如果在弹性范围内，有些岩石可能破坏，这种效 应称为脆性破坏
２.塑性变形阶段
σｙ＝０
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。
最大，应该沿此发生
破裂
拉
σ3
σ2
σ3
共轭剪裂面
α ＝４５０
σ1
2θ
α
σ3
拉
2α
σ3
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４５
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 方位和应力状态，
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 ：
该式为库伦0剪切破n 裂ta准n则…关系（式３，） 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
θ
应力状态确定。
§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
σ3 拉
σ3
σ3
拉
α σ3
张裂面
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。
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：
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：
3）当 =45 或135 时， = 最大 大小以及截面与 1轴的夹角大小有关。
为 ( 1- 3) / 2,即主应力差一半；
应用： 已知两个相互垂直的应力，
（4）当 1= 3， = 0时,均压无剪应力就可以做出莫尔园，从而确定该点应
在 三维状态中，当 1= 2 = 3 时，为静水压力。
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：
应变硬化
当应力超过一定 值时，岩石再继续 变形，就会以某种
σｙ＞０ σｙ＝０
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）。
岩在石地质在上破主裂要研前究塑塑性性变形（如褶皱）和断裂变形， 变如形张裂在和5剪%以裂下，称
继续变形，应力——应变曲线的斜 率变小，这时撤去应力，曲线并不 回到原点，超出了弹性极限而发生 永久变形，这个极限点称为屈服点 ，该点的应力叫屈服应力（σy）。
屈服应力 屈服点
当应力超过屈服点的永久变
形叫塑性变形。若在屈服应力下 ，岩石以韧性方式连续变形，σｙ ＝０（斜率=0），这种岩石称为 完全塑性材料。没有载荷，变形 继续增大。
为脆性，若塑性变
应力莫尔圆
复
τ
a=45，( 1- 3) / 2
习
σ 1
σ3
S2
α S1
σ τα 1
σ 3 物理意义
D (σa τa)
τmax
τa
a
0 σ3 B
2a C
σα
-τa 复习
D/
σ1
Aσ
1）当 =0 时， 2）当 =90 时，
= 1， = 3，
= 0 莫尔圆周上的任一点D的坐标代表其法 = 0；线 剪应与力值1轴，成它们角取的决截于面两上个的主正应应力力的和