第5章岩石力学性质

1、第五章第五章 岩石力学性质岩石力学性质 一、岩石变形阶段一、岩石变形阶段 二、影响岩石变形的因素二、影响岩石变形的因素 三、岩石的能干性三、岩石的能干性 四、岩石变形的微观机制四、岩石变形的微观机制一、岩石变形阶段一、岩石变形阶段在日常生活中，我们通常有这样在日常生活中，我们通常有这样的体验；将一根筷子撇断，其的体验；将一根筷子撇断，其变形会经历三个阶段：弹性变变形会经历三个阶段：弹性变形阶段、塑性变形阶段和断裂形阶段、塑性变形阶段和断裂变形阶段变形阶段1.弹性变形阶段弹性变形阶段 物体受力变形，物体受力变形，当外力取消后，物体又恢复到当外力取消后，物体又恢复到原先形态。变形初始阶段，是原先形

2、态。变形初始阶段，是斜率较陡的直线，随应力增大斜率较陡的直线，随应力增大而应变也在加大，应力与应变而应变也在加大，应力与应变成正比，此时，若撤除应力，成正比，此时，若撤除应力，岩石可恢复原状，岩石可恢复原状，符合胡符合胡克定律。克定律。 Ee E-（弹性模量）（弹性模量）yy2.塑性变形阶段塑性变形阶段随着外力的增加，变形随着外力的增加，变形加剧并超过物质的弹性加剧并超过物质的弹性极限，此时撤去外力作极限，此时撤去外力作用，物体将不能恢复原用，物体将不能恢复原形，而发生永久变形。形，而发生永久变形。应力应力应变曲线的斜率应变曲线的斜率变小，极限点的应力叫变小，极限点的应力叫屈服应力屈服应力yy

3、。如褶皱。如褶皱。yy在屈服应力作用下，岩石以韧性方式连续地变形，应在屈服应力作用下，岩石以韧性方式连续地变形，应力力应变曲线的斜率为零。在中低温条件下，岩石应应变曲线的斜率为零。在中低温条件下，岩石应力力有一小的斜率，若继续塑性变形，需施加更大的有一小的斜率，若继续塑性变形，需施加更大的应力，这个过程称应变硬化。（如折断铁丝）应力，这个过程称应变硬化。（如折断铁丝）3.断裂变形阶段断裂变形阶段 当外力达到物质的强度当外力达到物质的强度极限时，物质变形的连极限时，物质变形的连续性将被破坏，而发生续性将被破坏，而发生断裂，例如断层等。断裂，例如断层等。 破裂，此时的应力值称破裂，此时的应力值称岩

4、石的极限强度（或岩石的极限强度（或强度）。强度）。yy岩石岩石抗压强度抗压强度 (MPa)抗张强度抗张强度 (MPa)抗剪强度抗剪强度 (MPa)花岗岩花岗岩148 (37379)351530大理岩大理岩102 (31262)391030石灰岩石灰岩96 (6360)361220砂岩砂岩74 (11252) 13515玄武岩玄武岩275 (200350) 10页岩页岩20802岩石的抗压强度岩石的抗压强度 抗剪强度抗剪强度 抗张强度抗张强度常温常压下一些岩石的强度极限常温常压下一些岩石的强度极限二、影响岩石变形的因素二、影响岩石变形的因素（一）内因（一）内因1.岩性岩性 不同岩性的岩石其矿物的

5、成分、组成不同岩性的岩石其矿物的成分、组成不同，从而导致其力学性质不同，受力后的不同，从而导致其力学性质不同，受力后的变形强度也不同。如石英砂岩多为脆性，而变形强度也不同。如石英砂岩多为脆性，而粘土岩多为塑性等。粘土岩多为塑性等。2.岩石的结构岩石的结构 岩石内部颗粒的形状、大小、岩石内部颗粒的形状、大小、颗粒间的胶结方式等同样对岩石的力学性质颗粒间的胶结方式等同样对岩石的力学性质产生影响。如紧密胶结的岩石的强度较大，产生影响。如紧密胶结的岩石的强度较大，松散胶结的则较小。松散胶结的则较小。3.岩石的构造岩石的构造 成层性好的岩石易于变形，薄成层性好的岩石易于变形，薄层岩层较厚层岩石易于变形等

6、。层岩层较厚层岩石易于变形等。（二）外因（二）外因 1、围压与温度、围压与温度 围压围压的的增高增高同样也使得地下深同样也使得地下深处的脆性岩石发生显著的处的脆性岩石发生显著的塑性变形塑性变形，如变质岩中常，如变质岩中常发生的柔皱变形现象等。发生的柔皱变形现象等。温度温度的的增高增高能使岩石的能使岩石的塑塑性变强性变强。如岩体周围的岩层常发生柔皱变形现象。如岩体周围的岩层常发生柔皱变形现象。 增大围压，岩石的强度和韧性增大增大围压，岩石的强度和韧性增大 增大温度，岩石的屈服极限降低，韧性增大增大温度，岩石的屈服极限降低，韧性增大 2、时间、时间（1）应变速率）应变速率岩石受短暂而强大的冲击力作

7、用时岩石受短暂而强大的冲击力作用时常表现为脆性变形。反之，当岩石所受作用力即使常表现为脆性变形。反之，当岩石所受作用力即使小于岩石的弹性极限，但作用力作用时间较长，同小于岩石的弹性极限，但作用力作用时间较长，同样能使岩石发生永久性变形。样能使岩石发生永久性变形。降低应变速率，岩石降低应变速率，岩石的屈服极限降低，韧性增大。的屈服极限降低，韧性增大。（2）蠕变：）蠕变：是在恒定应力作用下，应是在恒定应力作用下，应变随时间持续增加的变形。变随时间持续增加的变形。 应变应变-时间曲线（恒定应力）时间曲线（恒定应力） （3）松驰：）松驰：是在恒定变形情况下，岩石中应力随时间增长不断减小。应力时间图解。

8、应力时间图解。 t 趋于大于零的定值趋于大于零的定值 3、孔隙流体、孔隙流体 孔隙流体的存在，可以降低岩石强度，促进岩石孔隙流体的存在，可以降低岩石强度，促进岩石塑性变形。塑性变形。 孔隙流体压力的存在，促进岩石发生脆性破裂。孔隙流体压力的存在，促进岩石发生脆性破裂。 变形控制因素变形控制因素岩性控制因素岩性控制因素 矿物、岩性（矿物、岩性（粘粘度）度） 孔隙度、岩体不均孔隙度、岩体不均匀程度匀程度 、流体成、流体成分等分等物理环境控制因素物理环境控制因素P.T.t.应力、温应力、温度、时间、应变速度、时间、应变速率、流体压力率、流体压力（Pf)、差异应力差异应力 （13）等）等影响岩石力学性

9、质外部因素影响岩石力学性质外部因素影响因素影响因素强度强度韧性韧性围压增大围压增大增大增大增大增大温度增大温度增大减小减小增大增大孔隙压力增大孔隙压力增大减小减小减小减小溶液增多溶液增多减小减小增大增大应变速率减小应变速率减小减小减小增大增大四、岩石的能干性四、岩石的能干性 反映岩石变形程度的差异，近似可以用反映岩石变形程度的差异，近似可以用粘度的大小来说明。粘度的大小来说明。 指在相同的变形条件下，能干的岩石比指在相同的变形条件下，能干的岩石比不能干的岩石不易发生粘性流动。不能干的岩石不易发生粘性流动。 能干岩石（层）形成较大的波长。能干岩石（层）形成较大的波长。五、岩石变形的微观机制五、岩

10、石变形的微观机制(一一)、脆性变形机制、脆性变形机制 微破裂微破裂 碎裂作用碎裂作用 碎裂流碎裂流（二）、塑性变形机制（二）、塑性变形机制 1晶内滑动晶内滑动：低温变形机制：低温变形机制 沿一定滑移面的滑移方向滑移，可形成晶沿一定滑移面的滑移方向滑移，可形成晶格优选方位和形态优选方位格优选方位和形态优选方位 晶内滑动的机制是位错滑动：晶内滑动的机制是位错滑动： 2位错蠕变：位错蠕变：高温变形机制。高温变形机制。T0.3Tm（熔融温度）（熔融温度）多边形化作用：形成亚晶粒多边形化作用：形成亚晶粒3、动态重结晶作用：、动态重结晶作用：形成细小的新形成细小的新颗粒，即核幔构造。颗粒，即核幔构造。6、颗粒边界滑动、颗粒边界滑动：T0.5Tm，扩散速，扩散速率大。率大。岩石可以发生很大变岩石可以发生很大变形，但晶粒本身无变形，但晶粒本身无变形，因此无晶格优选形，因此无晶格优选和形态优选。和形态优选。4、扩散蠕变：、扩散蠕变：通过空位运动和原子运动来实现。通过空位运动和原子运动来实现。 体积扩散蠕