影响岩石力学性质和岩石变形的因素(附图).doc

影响岩石力学性质和岩石变形的因素岩石的力学性质和岩石变形的因素:岩石内部因素如成分、结构和构造岩石所处外部环境 温度、围压、溶液、孔隙压力、应力作用方式和作用时间的影响岩石的力学性质和岩石变形的因素不仅受岩石内部因素如成分、结构和构造的控制，而且受岩石所处外部环境如温度、围压、溶液、孔隙压力、应力作用方式和作用时间的影响。 一、岩石的成分、结构和构造 不同成分的岩石，其抗压、抗张、抗剪强度相差很悬殊。一般说来，含硬度大的颗粒矿物越多的岩石，强度越大，往往呈脆性变形，如石英砂岩、花岗岩等；含硬度小的片状矿物，尤其含具有滑感的鳞片状矿物越多的岩石，强度越小，往往呈韧性变形，如粘土岩、片岩等。岩石中的化学性质不稳定的矿物和易溶于水的盐类（如黄铁矿、岩盐、石膏等）如果含量很高，也会降低岩石的强度。 碎屑岩中，颗粒细、棱角不明显、呈基底式胶结的岩石，往往强度较高；反之，并呈接触式胶结的岩石，强度就比较低。具有层理，尤其是薄层状的沉积岩层，在侧向压力作用下，容易沿层理面滑动，形成褶皱构造；不具层理或呈巨厚层，容易产生断层。孔隙或裂缝发育的岩层，强度往往会明显降低。二、围压 岩石的围压是指周围岩体对它施加的压力。在地下深处岩石的围压，主要是由上覆岩石的重量所致，故常称为静岩压力。 （3-62） 式中为静岩压力，为覆盖层的平均密度，为重力加速度，为岩石的埋深。若以地壳中硅铝层岩石的平均比重为2.7计算，在地下10km深处的静岩压力可达2700kgf/cm2。而在地表即使十分坚硬的花岗岩，其抗压强度也只有1480kgf/cm2，则在10km深处的岩石早该压的粉碎，但事实上并非如此，从地表普遍分布的褶皱构造来看，无疑是在地下发生的塑性变形，这足以说明地下深处围压对岩石变形的影响是十分明显的。 围压一方面增强了岩石的韧性；另一方面大大提高了岩石的强度极限，而弹性极限也有所增高。王仁等于1981年对白云岩所作的压缩试验表明，在温度不变的情况下，白云岩的塑性变形随着围压的增加而明显增加（图3-39）。围压小于125MPa时，各应力应变到达曲线终点时，白云岩就会破裂；而围压为 125MPa及其以上的各条实验曲线，却不表明各自的应力应变达到曲线终点时白云岩也发生破裂，它是由于实验没有继续进行。 图1围压对岩石力学性质和变形的影响在于，围压使固体物质的质点彼此接近，增强了岩石的内聚力，从而使晶格不易破坏，不易断裂。 三、温度 许多岩石在常温常压下是脆性的，随着温的升高，岩石的强度就会降低，弹性就有所减弱，韧性则大为增加，易于变形。图3-40是格里格斯（DTGriggs，1951）对大理岩进行实验所作出的应力应变曲线。围压在1000atm下，对标本施加压力时，室温条件下，大理岩的弹性极限为2000kgfcm2左右；温度增高到时，弹性极限降低为1000kgfcm2左右。这条曲线表明，随着温度增高，岩石易于变形，且抗压强度低。所以岩石在温度增高时易于形成剪裂。 图2温度增高对岩石力学性质和变形影响的原因是：当温度增高时，岩石质点的热运动增强，从而减弱了它们之间的联系能力，使物质质点更容易位移。因此，在升高温度的条件下，较小的应力也能使岩石发生较大的塑性变形。 四、溶液 地壳中的岩石，大部分都或多或少地含有溶液或水分，有的含有油、气。它们都会降低岩石的弹性极限，提高韧性，使岩石软化，易于变形；在构造应力作用的配合下，溶液还会促使矿物的溶解和新矿物的形成，从而有利于岩石的塑性变形。 对比图340下面两条曲线，可以看出溶液对大理岩变形的影响。在围压和温度相同的条件下，湿大理岩比干大理岩更容易发生塑性变形，如产生10的变形量所需要的压力应力，对于大理岩是3000kgfcm2，而对于湿大理岩却只需要2000kgfcm2左右。 实验还表明，同一岩石，在溶液介质性质不同，其强度降低程度也不相同。例如处于围压为1000atm的大理岩，在煤油介质内的抗压强度为8l00kgfcm2；但在水中，其抗压强度却降低为1560kgfcm2，仅为在煤油中的抗压强度的五分之一。 溶液影响岩石力学性质和变形的原因，是由于溶液的加入使分子活动能力加强，分子间的内聚力减弱，岩石发生软化，强度降低。五、孔隙压力 岩石孔隙内流体的压力称为孔隙压力。在沉积物堆积时，一些流体封闭在粒间孔隙内，水就是其中常见的一种，常以胶体形式吸附在粘土之中。在沉积物被压实后，其中部分虽被挤出，但大部分仍然存留在岩体中，或作为孔隙溶液存留在孔隙中，或者作为包裹体存留在结晶岩中。这些存留于岩体中的流体可以促进岩石重结晶作用，并影响岩石的变形。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的情况下，岩石中的孔隙压力就会很大，甚至接近围压。孔隙压力对断层和某些沉积岩层构造的形成起着重要的作用。 因为岩层中孔隙压力增大，就会使岩石屈服强度降低，从而易于变形。例如，对印第安纳灰岩孔隙压力实验的应力应变曲线（图3-41）结果表明，当孔隙压力增加时，岩石的屈服强度就随之降低，因此在较小的外力作用下，岩石就能发生巨大的变形。图3孔隙压力也可促进岩石破裂，这可以用莫尔圆图解来说明。图3-42中水平轴代表有效正应力，圆代表岩体孔隙压力为零时的应力状态，此时有效正应力就是总正应力，在这些条件下岩石是稳定的。假定孔隙压力逐渐增大到值，而总正应力仍保持不变，这时岩体所有截面上的有效正应力降低数量，但剪应力值却不变，结果应力圆大小不变，却向左移动，从原来的处移到处，从而与莫尔包络线相交切，于是使岩石发生破裂。 岩石孔隙流体的高压所产生的浮力作用能较好地解释推覆构造和重力滑动构造的形成机制。 六、时间 时间对岩石力学性质和变形的影响，主要表现在施力速度、重复受力和蠕变与松弛。 图4（一）施力速度 快速施力，能加快岩石变形速度，使岩石表现为脆性变形。缓慢施力，则会使脆性物质发生塑性变形。 ZTBieniawski于1970年在不同施力速度条件下对砂岩进行了一系列单轴压缩实验。 实验结果表明，砂岩在不同应变速度下，每条应力应变曲线都有一个应力峰值，它是随着应变速度的增加而增加，反映抗压强度随着施力和应变速度的减慢而降低（图3-43）。图5施力速度影响岩石力学性质和变形的原因，是在缓慢的外力作用下，岩石质点有充分时间固定下来，于是表现为塑性变形。在快速施力的条件下，岩石质点来不及重新排列就破裂了，故呈现出脆性变形的特征。（二）重复受力 使岩石多次重复受力，虽然作用力不大，也能使岩石破裂。图3-44表示一种金属破裂时的应力与发生破裂所需要加力次数之间的关系。从图上可以看出， 当力的作用次数增加时，破裂时的应力值就降低，乃至降低为 30000bfin2时，图上曲线便趋于水平，这时的应力值代表了物体在重复受力情况下发生破裂的最低应力极限，称为疲劳极限或耐力极，用低于疲劳极限的应力作用于物体次数再多，也不能便物体破裂。 图6对疲劳现象产生的原因，有人作这样的解释，即：当重复作用的应力低于岩石的弹性极限，在应力作用间歇期间变形恢复原状，重复作用的次数再多也只是被限制在作用应力范围以内发生弹性变形，所以岩石不会发生破裂；如果重复作用的应力，介于岩石的弹性极限与疲劳极限之间，在应力作用间歇期间，变形就不完全恢复原状，而出现一些塑性应变，每次出现的塑性应变就都会累积在一起。但是随着应力重复作用次数的增加，而逐次累积起来的塑性应变的增量将成对数地减少，直至为零，所以塑性应变累积到一定程度时就不再增加，岩石仍然不会发生破裂；若重复作用的应力，达到或超过岩石的疲劳极限，逐次累积的塑性应变一直在增加，并且增量不再减小。当塑性应变累积到能使岩石破坏的应变量时，岩石就会发生疲劳破坏。重复作用的应力的上限与完全应力应变曲线尾部的交点，即是疲劳破坏点（图3-45）。它反映了重复作用的应力与疲劳破坏时积累的塑性应变之间的关系。重复作用的应力越大，疲劳破坏时累积的塑性应变越小；应力达到或超过岩石强度极限时，就无需重复作用，岩石便会破坏。 图7（三）蠕变与松驰 1蠕变 岩石在受力变形过程中，若保持应力不变，应变则随时间的增长而逐渐加大，这种现象称蠕变。不同应力作用下的蠕变曲线是不同的（图3-46）。不同温度条件下的蠕变曲线也不一致（图3-47）。 图8 图9蠕变是不可恢复的永久应变。从材料的典型蠕变曲线（图3-47a）可以看出，总应变由两部分组成：一部分为弹性应变；另一部分为塑性应变。典型的蠕变过程可以分三个阶段：第一阶段称过渡蠕变阶段，图3-47中的曲线（a）的AB段，其应变速率不断减小，达到B点时为最小值；第二阶段称稳态蠕变阶段，或定常蠕变阶段，即曲线（a）的BC段，其应变速率大致保持一定，这也是应变速率最小的一个阶段；第三阶段为加速蠕变阶段，即曲线（a）的CD段，随着时间的增长，其应变速率显著加快，由于试件颈缩的缘故，到达D点后试件破坏。 2松驰 若保持变形不变，而应力随时间的增长逐渐减小，种现象称为松驰。从典型的松驰曲线图上（图3-48）可见，松驰过程分两个阶段，第一阶段（即