破裂理论与节理.ppt

第六节破裂理论概述及其对岩石变形的意义 材料破裂是有规律的 对此的研究而产生种种理论 一 最大张应力理论当外力足够大时 材料沿着最大张应力面破裂 当张应力达到或超过岩石的抗张强度时 岩石将沿着最大张应力作用的截面 即垂直于最大张应力轴的截面发生破裂 形成张裂面 同一岩石抗张强度最小 常温常压下各类岩石的强度极限 单位MPa 岩石抗压强度抗剪强度抗张强度花岗岩150 37 379 20 15 30 5 7砂岩75 11 252 10 5 15 1 3石灰岩96 6 360 17 10 20 3 6大理岩100 31 262 8 5 20 3 9玄武岩250 150 350 15 10 20 页岩50 20 80 2 1 7 3 3 条件 最大张应力 3 材料强度极限 0 则必须 3 0 即 1 2 0 3为张应力 符合此理论 这个理论适宜围压小或浅表环境下的单向拉伸的脆性破坏 如对张节理和部分正断层的形成的力学解释 但不能解释没有张应力作用下的材料破坏 二 最大线应变理论当外力足够大时 材料沿垂直于最大线应变 3 方向破裂 条件 若最大伸长线应变 3 材料线应变极限 0 即 3 0 当 2 3 0 1为压应力 或有一定固压条件下 符合此理论 最大线应变理论 材料的破坏与线应变有关 即沿垂直于最大伸长应变方向的截面上发生张破裂 不论在何种应力状态下 只要材料内一点的最大伸长应变达到了材料承受伸长应变的极限值就会出现张破裂 这个理论是对在没有张应力直接作用的情况下单向挤压或具有一定围压的受力条件下张裂形成的解释 如香肠构造 三 库伦 莫尔理论当外力达到材料的强度极限时 材料沿着最大剪应力面发生剪切破裂 据此 剪切破裂仅与剪切面上的最大剪应力有关 而与其上的正应力无关 因此 一对剪面夹角为90 但实际情况是作用在剪切面上的正应力仍对剪切滑动起一定的作用 从而使一对剪面的夹角并非90 一般小于90 剪裂角 两组剪面的夹角 含 1之象限 岩石1 2剪裂角花岗闪长岩15 20 砂岩20 30 灰岩28 33 黄土34 40 内摩擦力 物体在剪破裂时所需克服的剪面上的正应力 不同岩石内摩擦角不同 脆性岩石 内摩擦角大 韧性岩石 内摩擦角小 剪切破裂 不仅与剪面上的剪应力大小有关 还与正应力有关 剪应力 岩石剪破裂时需克服内摩擦力 因此剪破裂时的剪应力大于材料的抗剪强度 应力状态为 此为一直线方程 为斜率 0为 正应力 n 0时 材料的抗剪能力 为内摩擦系数 图中P点表示剪面上剪应力和正应力之大小 过P点上切线延长后必与 n相交 交角为 tg 因此 上式可写成 为内磨擦角 n 此即库伦剪切破裂准则关系式 上图可知 1 P点剪应力值不是最大 即不是 1 3 2 而是小于 1 3 2 2 当 值不变时剪裂角都相同 其包络线为直线 在坐标平面内所显示的直线为两条 这就是库伦破裂准则 3 因 随 n的增大而减小 故包络线呈曲线 这就是莫尔破裂准则 4 与应力圆和包络线相切点对应的面均处于临界状态 即在包络线上和线外的点的应力条件下物体就产生破裂 在线内的点就不产生破裂 围压影响 砂岩随围压增大 形成破裂所需剪应力迅速增大 值和剪裂角基本保持不变 如a图 页岩随围压增大 形成破裂所需剪应力增加很小 值逐渐减小 形成一弧形曲线 剪裂角加大 如b图 四 格里菲斯理论材料的实际破裂强度远远小于理论计算值 只需要由原子和原子结合力计算出来的理想的材料强度100分之一 1000分之一的力 材料就可以破坏 其原因是因为材料组分的不均匀 无论是金属材料也好玻璃也好 其中都有眼睛看不见的原先存在许多微裂隙 这些微裂隙作为新的自由表面 犹如液体一样 具有表面张力 同时 微裂隙释放出来的应变能的一部分又可转化为表面张力 因此 微裂隙末端应力集中 很快达到该点的抗张强度而使裂隙发生扩展 延长 最后导致材料的破坏 第六章影响岩石力学性质及岩石变形的因素 岩石变形不仅与受力大小 方向 性质有关 而且与岩石本身力学性质有关 而岩石的力学性质主要取决于岩石的成份 结构 构造等内在因素 同时外界因素也影响岩石的力学性质 如围压 温度 溶液 孔隙压力 时间及岩石变形的应力状态等 一 围压岩石处于地下深处 承受着周围岩体对它的围压 深度越大 围压越大 结果 岩石韧性增强 强度极限增大 弹性极限增大 罗伯逊 E Roberson 对石灰岩所做实验表明 地表条件下 围压1kg cm2 当压应力为0 2800kg cm2 灰岩为弹性 超过则破裂 围压300 700kg cm2时 亦为弹性和很短的塑性阶段 当压应力在3500 3800kg cm2时 则破裂 当围压增到1000kg cm2以上 压应力4000kg cm2时 塑性变形 围压2000kg cm2 灰岩压缩30 还未破裂 塑性加强 上述表明 强度极限随围压增大而增大 对石灰岩的实验结果 围压为一个大气压 抗压强度2800kg cm2 围压1000个大气压 抗压强度3900kg cm2 围压4000个大气压 抗压强度8000kg cm2 普通大气压 花岗岩为脆性 235个大气压时 花岗岩为韧性 因此 脆性断裂相对发育于地表 而越往深部岩石韧性增强 褶皱形成 二 温度常温常压下 许多岩石脆性 随温度升高 抗压强度降低 弹性减弱 韧性增大 易于变形 随着温度的增高 晶体质点的热运动增强 质点间的凝聚力减弱 质点容易产生位移 从而降低了岩石的弹性极限和强度极限 提高了岩石的塑性和韧性 格里格斯 D T Griggs 1951 对大理岩所做实验 围压10000个大气压 室温条件下 弹性极限为2000kg cm2 当温度增高150 时 弹性极限降低为1000kg cm2 表明 随着温度增高 岩石易变形 且抗压强度低 三 溶液干燥和潮湿状态下 岩石力学性质不同 当岩石中有溶液和水汽时 岩石弹性极限降低 塑性增加 在10000个大气压 温度150 相同条件下 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 干大理岩需要3000kg cm2 而湿大理岩却只需要2000kg cm2 同一岩石 因溶液介质不同 其强度降低率也不同 例如 大理岩 在围压10000个大气压 煤油介质内抗压强度为8100kg cm2 水中抗压强度为1560kg cm2 大理岩 石英 湿度条件对岩石抗压强度的影响岩石名称干性状态抗压强度湿度条件抗压强度强度降低率 MPa MPa 花岗岩193 213162 17016 20闪长岩123 510821 8煌斑岩18314112石灰岩150 2118 4821砾岩85 654 836砂岩87 154 0739页岩52 2120 3960 四 孔隙压力即岩石孔隙内液体的压力 孔隙压力对断层和某些沉积岩层构造的形成起着重要作用 孔隙压力增大 会使岩石屈服 强度降低 易于变形 孔隙压力也可促进岩石破裂 五 时间时间对于岩石的的力学性质与变形的影响有三个方面 1 快速施力与缓慢施力快速施力能加快岩石变形速度 使岩石表现为脆性 缓慢施力能使脆性物质发生塑性变形 长时间持续缓慢施力 将使物体破坏所需应力较之快速施力小很多 2 重复受力对岩石变形的影响岩石重复受力 力不大也可破裂 当受力次数增加 使受力物体达疲劳极限 耐力极限 即破裂 但用低于疲劳极限的应力作用于物体次数再多 也不能使物体破裂 3 蠕变与松驰对岩石变形的影响蠕变 应力不增加 随时间的增加变形持续的现象 是不可恢复的永久应变 松驰 应变保持不变 随时间的增长应力减小的现象 两种都与时间有关 说明长时间缓慢变形会降低材料的弹性极限 同时也降低了粘度 不同应力作用下的蠕变曲线不同 蠕变分三个阶段过渡蠕变阶段 AB段平稳蠕变阶段 BC段加速蠕变阶段 CD段 松弛分二个阶段 1 AB段 应力迅速减小 松弛剧降 2 BC段 应力减小较慢 松弛速度降慢并趋于某一极限值 蠕变和松弛 对于温度的反映都比较明显 温度越高 蠕变越快 松弛作用也越快 蠕变和松弛现象是物质在长时间较小应力的作用下 弹性不断降低 弹性变形逐渐减小 永久变形不断增加的过程的反映 岩石变形通常是在漫长的地质历史中发生的 当变形发展到一定阶段后 应力又逐渐降低 出现松弛现象 从而使变形固定下来 这种蠕变与松弛现象的反复发生 使岩石中的微小的永久变形不断积累后形成大规模的变形 因此 岩石中的变形构造常常是蠕变的产物 第七章节理的成因分析 第一节张节理与剪节理 材料在受力后遭到破坏 以张裂和剪裂两种方式表现 而节理据其形成时所受力的性质和其两侧岩块相对微小趋势位移 可分张节理和剪节理两类 一 张节理垂直于主张应力 平行于主压应力 在三轴应力状态中 张节理面与 1 2面平行 与应变椭球BC面平行 一 张节理形成条件主张应力超过岩石抗张强度 沿与主张应力垂直的面裂开而形成张节理 岩石沿一个方向受压应力作用 按泊松效应在与其垂直的方向上伸长 当伸长超过极限时 按最大线应变理论 岩石裂开而形成张节理 岩石受剪切 在与剪切方向大致呈45 的方向上即受到拉伸 当拉伸超过极限时 在与拉伸垂直的方向上产生张节理 二 张节理形成深度岩石所受静岩压力随深度增加而增大 而静岩压力愈大 张节理就愈难产生 地下水 石油 天然气 含矿流体均与张节理密切相关 因此 张节理的极限深度的研究具有实际意义 张节理的极限深度 两种情况 1 某一岩石有一定的抗张强度和一定的破坏应力圆包络线 设 1为上覆岩体重力所致 岩石产生张节理之前的应力状态必是图中稳定区内的应力圆 通过图中A点可作的与包络线相切的最大应力圆的 1 80MPa 就是形成张节理最大深度的上覆岩体的重力 上图示干燥的辉绿岩 其张节理的最大形成深度是2 7km 1帕斯卡 1牛顿 米2 2 在 3为压应力时 若应力差 1 3 数值适当 一定的孔隙压力同样会使岩石产生张节理 其深度似乎不受限制 下图 代表不同应力状态 具有不同的 1 3 值 代表一定孔隙压力 由 转化而来 原应力圆与包络线不接触 受孔隙压力后有效应力圆与包络线相切 产生剪裂 图7 3中 圆 孔隙压力P 0 80 1 变为圆 与包络线相切于A点 产生张裂 圆 孔隙压力P 1 0 1 变为 后仍与包络线不接触 故无破裂 圆 无需很大孔隙压力即可与包络线相切于AB之间一点 因此无张裂 只有剪裂 在孔隙压力影响下 原应力圆圆周上每一点正应力都减小一个P值 就等于把原应力圆向左平移一个P值 成为有效应力圆 与包络线相切 产生剪裂 二 剪节理由剪应力作用而形成 两侧岩块有微小位移 位移方向垂直于 2 一 当外力超过抗剪强度即发生剪节理由共轭剪切 吕德氏线 发展而成 其与 1之夹角小于45 内摩擦角 二 剪切动向的确定节理旁的羽列 节理的互相切割 岩脉的沿节理侵入 矿物颗粒的微小错动等判断其动向 剪切带内次级破裂面分析1 剪裂面方位受内摩擦角制约 2 R面与Y面夹角为内摩擦角 2 3 T面与Y面夹角45 4 R 面与Y面夹角为90 2 5 P面与R面相对Y面对称 同旋向 6 在剪节理附近主要发育R面 T面和R 面 1 R面 R 面和T面是主剪面Y面相对滑动时派生的次级剪裂面和张裂面 2 P面与X面是主剪面Y面急剧反向运动造成的 3 剪切带附近主要发育R面 R 面和T面 第二节节理力学性质的复合 一 节理力学性质的复合现象同一节理拉伸与剪切性质兼而有之 纤维方解石的生长方向与节理面斜交 显示节理有剪切活动 而能够有纤维状矿物生长 其本身就显示了张性 二 节理力学性质复合的成因 一 一对共轭剪面 当其中一组占优势时 另一组则发生力学性质复合现象 二 剪切变形中所产生的一组同旋向剪节理 由于递进变形 其位置逐步接近局部应力场 1方向 因而由剪切变为兼而有张裂的性质 第三节节理的组与系 一 节理组 系的划分同时 同一应力作用下产生的同一性质的 产状大致相同的节理群 叫节理组 非旋转变形所产生的节理一般呈平行型的 也可雁列 沿节理向前 另一条出现在此条之右则称右列 反之为左列 同时 同一应力作用下产生的性质相同 产状不同珠两个或两个以上节理组 称节理系 如共轭节理系 环状节理系 放射状节理系等 环状 放射状常与火山口 柱状侵入体有关 一般为张性 二 共轭节理系及其鉴别共轭节理系是同一时期 同一应力作用下形成两组剪节理 其动向协调 相反 一 其与主应力的关系a 两组剪节理的交线平行于 2 平行于应变椭球体的B轴 中间轴 B轴 A轴 C轴 b 两组剪节理的交角分别被 1 3平分 被应变椭球的A轴和C轴平分 因此 共轭剪面是以 1 2和 2 3为对称面的一对