岩石物理学7(岩石的强度)ppt

1、2021-12-24地球物理与石油资源学院1岩石物理学岩石物理学授课人：黄文新地球物理与石油资源学院长江大学联系方式： E-mail： tel: 8060418(o) 137072191812021-12-24地球物理与石油资源学院2岩石物理学岩石物理学第第1 1章章 岩石岩石第第2 2章章 岩石孔隙度和渗透率岩石孔隙度和渗透率 第第3 3章章 岩石中波的传播与衰减岩石中波的传播与衰减 第第4 4章章 岩石的弹性岩石的弹性第第5 5章章 岩石的变形岩石的变形第第6 6章章 岩石的断裂岩石的断裂 第第7 7章章 岩石的强度岩石的强度2021-12-24地球物理与石油资源学院3第第7 7章章 岩石

2、的强度岩石的强度7.1 7.1 完整岩石的强度完整岩石的强度7.2 7.2 含裂隙、节理和断层的岩体强度含裂隙、节理和断层的岩体强度7.3 7.3 地壳中的（偏）应力状态地壳中的（偏）应力状态7.4 7.4 由岩体强度推断地壳应力状态的范围由岩体强度推断地壳应力状态的范围岩石物理学岩石物理学2021-12-24地球物理与石油资源学院4第第7 7章章 岩石的强度岩石的强度7.1 7.1 完整岩石的强度完整岩石的强度 材料的强度是材料的一种重要特性。在材料科学中，材料的强度定义为材料材料的强度是材料的一种重要特性。在材料科学中，材料的强度定义为材料所能承受的最大应力。因此，强度的单位也就是应力的单

3、位所能承受的最大应力。因此，强度的单位也就是应力的单位 材料受力后发生变形一旦应力达到材料的强度，材料就会发生破坏。材料材料受力后发生变形一旦应力达到材料的强度，材料就会发生破坏。材料科学中的破坏指材料丧失了整体性或者丧失了弹性，发生永久不可恢复的变科学中的破坏指材料丧失了整体性或者丧失了弹性，发生永久不可恢复的变形等。形等。 工程科学中的破坏指材料所承担的工程功能的丧失工程科学中的破坏指材料所承担的工程功能的丧失( (如地下贮气罐的泄露，如地下贮气罐的泄露，工程建筑倒塌等工程建筑倒塌等) )。至于岩石强度的概念，采用材料科学中关于强度的基本定义，至于岩石强度的概念，采用材料科学中关于强度的基

4、本定义，岩石的强度是岩石的强度是岩石在一定条件下能够承受的最大应力岩石在一定条件下能够承受的最大应力( (或称权限应力或称权限应力) )岩石强度问题涉及两个方面。岩石强度问题涉及两个方面。 第一是岩石的固有性质，第一是岩石的固有性质， 第二是地球内部的应力场。第二是地球内部的应力场。2021-12-24地球物理与石油资源学院57.1 7.1 完整岩石的强度完整岩石的强度7.1.1 岩石强度实验岩石强度实验 岩石强度的测定多在实验室里通过实验进行。首先，在完整的岩体上取出岩岩石强度的测定多在实验室里通过实验进行。首先，在完整的岩体上取出岩石样品，通常，为了保证实验结果的可靠性和代表性，要对许多块

5、样品进行强石样品，通常，为了保证实验结果的可靠性和代表性，要对许多块样品进行强度测量，然后用统计方法对结果进行分析。度测量，然后用统计方法对结果进行分析。图图7-1 7-1 最常见的三种岩石强度实验最常见的三种岩石强度实验(a)(a)单轴压缩实验，单轴压缩实验，(b)(b)三轴压缩实验三轴压缩实验(c)(c)劈开实验劈开实验2021-12-24地球物理与石油资源学院67.1 7.1 完整岩石的强度完整岩石的强度7.1.1 岩石强度实验岩石强度实验从表从表7 71 1中可以清楚地看出，岩石的抗压强度远比抗拉强度大，少则大中可以清楚地看出，岩石的抗压强度远比抗拉强度大，少则大十几倍，多则大一百多倍

6、不同类别岩石的强度相差很多，而且即使是十几倍，多则大一百多倍不同类别岩石的强度相差很多，而且即使是同一类岩石，例如石灰岩在不同地方其强度也会差同一类岩石，例如石灰岩在不同地方其强度也会差1010倍之多。因此，在倍之多。因此，在研究岩石强度问题时，对具体的某类岩石进行强度的实验室测定是十分研究岩石强度问题时，对具体的某类岩石进行强度的实验室测定是十分置要的。置要的。2021-12-24地球物理与石油资源学院77.1 7.1 完整岩石的强度完整岩石的强度7.1.1 岩石强度实验岩石强度实验 岩石固有强度包括：抗压强度，抗拉强度和抗张强度，因此人们对岩石固有岩石固有强度包括：抗压强度，抗拉强度和抗张

7、强度，因此人们对岩石固有强度做了大量研究。强度做了大量研究。CoatesCoates和和DencoDenco（19801980）在）在DeereDeere和和MillerMiller（19631963）实验基）实验基础上拟合出了有关岩石抗压强度的关系式，具体表示如下：础上拟合出了有关岩石抗压强度的关系式，具体表示如下： EVVcclcl008.0)1 (0026.001212GcuRGCURGTRclVminmaxminGRGRGRGRGR(7-1)(7-1)EYoungs modulus2021-12-24地球物理与石油资源学院87.1 7.1 完整岩石的强度完整岩石的强度7.1.1 岩石强

8、度实验岩石强度实验GriffthGriffth破裂准则：破裂准则：)(24)()()(0222rrrT式中：式中：T T0 0抗拉强度。抗拉强度。 GriffthGriffth破裂准则的数字意义是：如果三个应力中有两个为零，在这个临界破裂准则的数字意义是：如果三个应力中有两个为零，在这个临界条件下，第三个应力一定等于单轴抗压强度条件下，第三个应力一定等于单轴抗压强度C0C0。并且：并且： C0=12T0 2021-12-24地球物理与石油资源学院97.1 7.1 完整岩石的强度完整岩石的强度7.1.2 7.1.2 强度与围压的关系强度与围压的关系 对于完整岩石来说，破裂是其发生破坏的主要形式。

9、一旦岩石承受的压力对于完整岩石来说，破裂是其发生破坏的主要形式。一旦岩石承受的压力1 1超过其强度岩石就发生破裂。超过其强度岩石就发生破裂。 图图7-2 7-2 岩石破裂准则岩石破裂准则 图图7-27-2表示了岩石破裂准则的两个表示了岩石破裂准则的两个表述，库仑准则：表述，库仑准则：（1 1） 正应力、剪切应力坐标系正应力、剪切应力坐标系 | | = S| | = S0 0 + + （7 72 2） S S0 0- -内聚力，内聚力，-内摩擦系数内摩擦系数（2 2） 主应力坐标系主应力坐标系 1 1=C=C0 0 + q+ q3 3 (7 (73 3）C C0 0 单轴抗压强度，单轴抗压强度，

10、q-q-围压对岩石强度的影响系数围压对岩石强度的影响系数 （3 3）参数间的关系）参数间的关系 C C0 0 =2S=2S0 0(2 2+1)+1)1/21/2+ (7+ (74 4） q =(q =(2 2+1)+1)1/21/2+2 2 (7 (75 5） 0.6-0.80.6-0.8；q=3-5,q=3-5,因此，围压因此，围压3 3的增加大大提高了破裂强度的增加大大提高了破裂强度 1 12021-12-24地球物理与石油资源学院107.1 7.1 完整岩石的强度完整岩石的强度7.1.3 7.1.3 强度与温度的关系强度与温度的关系图图7-3 500MPa7-3 500MPa围压下岩石强

11、度随温度围压下岩石强度随温度 的变化的变化 图图7-37-3给出了岩石强度与温度的关系，岩石给出了岩石强度与温度的关系，岩石强度随温度升高而下降，多数岩石当温度升高强度随温度升高而下降，多数岩石当温度升高至至400400度，强度下降越度，强度下降越1 1倍，同时，强度倍，同时，强度- -温度关温度关系强烈地依赖与岩石的种类。系强烈地依赖与岩石的种类。（1 1）岩石强度随温度升高而下降的主要原因是：）岩石强度随温度升高而下降的主要原因是： 在较高温度下，岩石在存在围压情况下容易在较高温度下，岩石在存在围压情况下容易发生发生 脆性脆性- -延性转变，例如，在小于延性转变，例如，在小于1GPa1GP

12、a的围的围压下，随温度升高，大多数岩石，包括火成岩、压下，随温度升高，大多数岩石，包括火成岩、变质岩和部分沉积岩等都会出现脆性变质岩和部分沉积岩等都会出现脆性- -延性转变，延性转变，从而导致岩石强度的下降。从而导致岩石强度的下降。 在常压下，情况就不尽如此了，随温度升高，在常压下，情况就不尽如此了，随温度升高，岩石很少会发生脆性岩石很少会发生脆性- -延性转变，因此强度的变延性转变，因此强度的变化也不太显著，但这方面的实验数据很少，考化也不太显著，但这方面的实验数据很少，考虑到地下岩石都处在一定的压力条件下，所以虑到地下岩石都处在一定的压力条件下，所以常压下岩石强度与温度关系的研究也不是十分

13、常压下岩石强度与温度关系的研究也不是十分重要。重要。2021-12-24地球物理与石油资源学院117.1 7.1 完整岩石的强度完整岩石的强度7.1.4 7.1.4 强度与应变率和样品大小的关系强度与应变率和样品大小的关系图图7-4 7-4 岩石强度随应变率的变化岩石强度随应变率的变化 图图7-47-4给出了花岗岩、大理岩、砂岩和页给出了花岗岩、大理岩、砂岩和页岩单轴压缩强度与应变率的关系，总的来说，岩单轴压缩强度与应变率的关系，总的来说，随应变率的增加，岩石强度亦增加，增加的随应变率的增加，岩石强度亦增加，增加的并不十分显著。花岗岩有些不同，应变率变并不十分显著。花岗岩有些不同，应变率变化达

14、化达3 3各数量级时，强度增加了越各数量级时，强度增加了越30%30%。图图7-57-5岩石强度随样品大小的变化岩石强度随样品大小的变化 图图7-57-5给出了给出了7 7种岩石强度与样品大小种岩石强度与样品大小关系的试验结果，随样品尺寸的增大，关系的试验结果，随样品尺寸的增大，其强度随之下降。当样品尺寸增加其强度随之下降。当样品尺寸增加1010100100倍时，玄武岩的强度可下降倍时，玄武岩的强度可下降1010倍，因倍，因此，在岩石实验中，选择固定尺寸的样此，在岩石实验中，选择固定尺寸的样品，可以增加实验结果的可对比性。品，可以增加实验结果的可对比性。2021-12-24地球物理与石油资源学

15、院127.2 7.2 含裂隙、节理和断层的岩体强度含裂隙、节理和断层的岩体强度第第7 7章章 岩石的强度岩石的强度 观察野外的岩石露头、岩心和矿井工作面，就会发现岩石中总是包括许多不连观察野外的岩石露头、岩心和矿井工作面，就会发现岩石中总是包括许多不连续的间断面，按尺度从小到大来说，有裂隙、节理和断层等等续的间断面，按尺度从小到大来说，有裂隙、节理和断层等等。假定这些间断。假定这些间断面在地壳深部也同样存在，则除了完整岩石部分的破裂之外，岩体还可能沿着这面在地壳深部也同样存在，则除了完整岩石部分的破裂之外，岩体还可能沿着这些间断面发生滑动。这时，包含有间断面在内的岩体所能承受的最大应力，多数些

16、间断面发生滑动。这时，包含有间断面在内的岩体所能承受的最大应力，多数情况下将由这些间断面上的摩擦力决定。情况下将由这些间断面上的摩擦力决定。7.2.1 7.2.1 拜尔利拜尔利(DyerIee)(DyerIee)摩擦滑动条件摩擦滑动条件 拜尔利分析了大量岩石摩擦滑动的实验资料，提出了在地球深部环境下，拜尔利分析了大量岩石摩擦滑动的实验资料，提出了在地球深部环境下，岩石沿某一滑动面发生摩擦的条件是：岩石沿某一滑动面发生摩擦的条件是： = 0.85 = 0.85 （200MPa200MPa） =50MPa + 0.6(200MPa) (7=50MPa + 0.6(200MPa) (76 6） 20

17、21-12-24地球物理与石油资源学院137.2 7.2 含裂隙、节理和断层的岩体强度含裂隙、节理和断层的岩体强度7.2.1 7.2.1 拜尔利拜尔利(DyerIee)(DyerIee)摩擦滑动条件摩擦滑动条件例题：将拜尔利定律用主应力例题：将拜尔利定律用主应力1 1 ， 3 3 的函数关系的函数关系给出，并给出摩擦滑动面法线与给出，并给出摩擦滑动面法线与1 1方向的夹角方向的夹角，如图。如图。图图7-6 7-6 平面应力状态平面应力状态解：假定岩石中存在着随机方位分布的许多断层，则解：假定岩石中存在着随机方位分布的许多断层，则某一法线与某一法线与1 1方向成方向成角的断层面上：角的断层面上：

18、（77）2021-12-24地球物理与石油资源学院147.2 7.2 含裂隙、节理和断层的岩体强度含裂隙、节理和断层的岩体强度7.2.1 7.2.1 拜尔利拜尔利(DyerIee)(DyerIee)摩擦滑动条件摩擦滑动条件（78） （79）2021-12-24地球物理与石油资源学院157.2 7.2 含裂隙、节理和断层的岩体强度含裂隙、节理和断层的岩体强度7.2.2 7.2.2 拜尔利定律和库仑准则的比较拜尔利定律和库仑准则的比较岩石的破坏包括破裂和摩擦滑动两种情况。岩石的破坏包括破裂和摩擦滑动两种情况。完整岩石：破裂是完整岩石中发生破坏的惟一机制，破裂条件可以由库仑准完整岩石：破裂是完整岩石

19、中发生破坏的惟一机制，破裂条件可以由库仑准则给出。则给出。 非完整岩石（存在断层）：假如岩石中预先就存在着软弱面，比如断层，非完整岩石（存在断层）：假如岩石中预先就存在着软弱面，比如断层，情况就变了。这是岩石发生破坏的机制可能是沿断层面的摩擦滑动，也可能情况就变了。这是岩石发生破坏的机制可能是沿断层面的摩擦滑动，也可能是穿过断层面的破裂，究竟发生哪一种类型的破坏，要视岩石内部是首先满是穿过断层面的破裂，究竟发生哪一种类型的破坏，要视岩石内部是首先满足库仑准则还是首先满足拜尔利定律而定。足库仑准则还是首先满足拜尔利定律而定。2021-12-24地球物理与石油资源学院167.2 7.2 含裂隙、节

20、理和断层的岩体强度含裂隙、节理和断层的岩体强度7.2.2 7.2.2 拜尔利定律和库仑准则的比较拜尔利定律和库仑准则的比较 图图7-7 7-7 含软弱面岩石的强度随软弱面含软弱面岩石的强度随软弱面 方位的变化方位的变化图图7-77-7（a)a)所示，岩石中预先存在一个软所示，岩石中预先存在一个软弱面，其法线与最大主应力方向成弱面，其法线与最大主应力方向成角，角，这是岩石强度（这是岩石强度（1 1- - 3 3）随）随角的变角的变化如图化如图7-77-7（b).b).小于小于1 1 或者大于或者大于 2 2：发生穿过软弱发生穿过软弱面面P P的破裂，而不发生沿的破裂，而不发生沿P P面的摩擦滑动

21、，面的摩擦滑动，此时，尽管存在软弱面，岩石强度与完此时，尽管存在软弱面，岩石强度与完整的不含有软弱面岩石的强度一样。整的不含有软弱面岩石的强度一样。位于位于1 1 和和 2 2之间：之间： 岩石只发生沿软岩石只发生沿软弱面弱面P P的摩擦滑动，强度小于完整岩石的的摩擦滑动，强度小于完整岩石的强度，且随强度，且随角发生变化。角发生变化。2021-12-24地球物理与石油资源学院177.2 7.2 含裂隙、节理和断层的岩体强度含裂隙、节理和断层的岩体强度7.2.2 7.2.2 拜尔利定律和库仑准则的比较拜尔利定律和库仑准则的比较图图7-8 7-8 实际岩石的破裂强度和实际岩石的破裂强度和 摩擦滑动

22、强度摩擦滑动强度 库仑准则和拜尔利定律的区别库仑准则和拜尔利定律的区别1 1）图）图7-87-8中，库仑准则和拜尔利定律都可用直线中，库仑准则和拜尔利定律都可用直线来表示破坏发生的条件，分别称为来表示破坏发生的条件，分别称为C C和和B B直线，一直线，一般地，般地，C C线比线比B B线要高，表示在通常情况下，岩石线要高，表示在通常情况下，岩石的破裂强度壁摩擦滑动强度要高。在高的正应力的破裂强度壁摩擦滑动强度要高。在高的正应力下（下（1.5GPa,1.5GPa,，相当于地壳底部的正应力数值），相当于地壳底部的正应力数值），B B线和线和C C线相交，表明当正应力足够高时，岩石的线相交，表明当

23、正应力足够高时，岩石的摩擦滑动条件与破裂强度趋于一致。也就是说，摩擦滑动条件与破裂强度趋于一致。也就是说，在地壳深部，断层或其他间断面的存在在力学上在地壳深部，断层或其他间断面的存在在力学上已经没有意义。断裂的岩石与完整的岩石在高压已经没有意义。断裂的岩石与完整的岩石在高压下的力学行为是一样的。下的力学行为是一样的。2021-12-24地球物理与石油资源学院187.2 7.2 含裂隙、节理和断层的岩体强度含裂隙、节理和断层的岩体强度7.2.2 7.2.2 拜尔利定律和库仑准则的比较拜尔利定律和库仑准则的比较图图7-9 7-9 库仑准则的图示库仑准则的图示 库仑准则和拜尔利定律的区别库仑准则和拜

24、尔利定律的区别2 2）岩石中一点的应力状态也可以用）岩石中一点的应力状态也可以用-平面平面上的莫尔圆来表示。岩石内某点的莫尔圆与上的莫尔圆来表示。岩石内某点的莫尔圆与C C相切，这点必然要发生破裂，也就是说，莫尔相切，这点必然要发生破裂，也就是说，莫尔圆与圆与C C线相切，是破裂发生的充分必要条件，线相切，是破裂发生的充分必要条件，由切点的位置可以求出破裂面的方位（图由切点的位置可以求出破裂面的方位（图7-97-9） 与此不同的是，当讨论预先给定的软弱面问与此不同的是，当讨论预先给定的软弱面问题时，莫尔圆与题时，莫尔圆与B B线相切或相交是摩擦滑动的必线相切或相交是摩擦滑动的必要条件，但究竟是

25、否会发生滑动要条件，但究竟是否会发生滑动，要视所研究，要视所研究面上的面上的，是否满足拜尔利定律而定，也就是否满足拜尔利定律而定，也就是说，莫尔圆与是说，莫尔圆与B B线相交，是发生摩擦滑动的必线相交，是发生摩擦滑动的必要但非充分条件要但非充分条件 对于含有软软弱面的岩石，对于含有软软弱面的岩石，B B线以下是稳定区，线以下是稳定区，B B线及线及B B线以线以上，上，C C线以下的区域为可能发生线以下的区域为可能发生摩擦滑动的应力状态区摩擦滑动的应力状态区2021-12-24地球物理与石油资源学院197.2 7.2 含裂隙、节理和断层的岩体强度含裂隙、节理和断层的岩体强度7.2.3 7.2.3 安德森断层安德森断层 1）正断层 断层面倾角大于45度，断层上盘向下运动（图7-10a） 垂直向应力是最大主应力1，断层走向即为中等主应力2的方向（图7-10b) 图图7-10 7-10 正断层及应力方向正断层及应力方向2021-12-24地球物理与石油资源学院207.2 7.2 含裂隙、节理和断层的岩体强度含裂隙、节理和断层的岩