06岩石力学性质.ppt

1、第六讲 岩石力学性质,一、三轴应力条件下的岩石变形实验 1.1 岩石变形强度的几种图解表示法 应力应变图解,e,应力应变速率图解,应力（应变）时间图解,t,(e),应力深度图解,H,1.2 岩石的材料性质 实验岩石学研究表明，岩石的材料性质主要有下列四种基本类型： 弹性材料 粘性材料（牛顿流体或线性粘性流体） 塑性材料 复合材料,1.2.1 弹性材料 = Ee 或 = 2 （1）其中：E为扬氏模量，e为应变量，为内摩擦系数，为剪应变。变形特征：象弹簧一样发生变形。当应力消失后，材料完全复原到未变形状态。,1.2.2 粘性材料 = 2 或 = 2 （2） 其中，为粘性系数， 和 分别为线应变速率

2、和剪应变速率。 变形特征：象牛顿流体（蜂蜜体）一样发生流动变形，应力越大，流动越大；应力消除，流动停止，但不能复原到未变形时的状态。,2,1.2.3 塑性材料 S 或 K或y （3） 其中，K为屈服应力。 变形特征：产生永久变形，当应力消除后部分复原，大部分保留变形时的状态。,e,1.2.4 复合材料 弹塑性体、弹粘性体、粘塑性体等,1.3 岩石变形行为 弹性变形 塑性变形 破裂变形（脆性变形),e,岩石变形的一般化应力-应变关系,y,y,1.4 影响岩石变形的因素, 物质组成, 结构构造, 温度, 压力 应变速率, 流体, 时间,温度,增大温度，岩石的屈服极限降低，韧性增大,压力,应变速率,

3、孔隙流体的存在，可以降低岩石强度，促进岩石塑性变形 孔隙流体压力的存在，促进岩石发生脆性破裂。,孔隙流体,时间,降低应变速率，岩石的屈服极限降低，韧性增大,时间应变速率,降低应变速率，岩石的屈服极限降低，韧性增大,蠕变和松弛,蠕变和松弛在低于岩石弹性极限下导致岩石发生塑性变形，相当与降低岩石弹性极限，韧性增大,概念,破裂变形 实验岩石学研究表明： 当所施加的应力强度等于或超过岩石抗张强度或抗剪强度极限时，岩石体就发生破裂变形。 破裂方式：一组张性破裂面和两组剪性破裂面。 剪裂角：剪裂面与最大主压应力轴之间的夹角。,剪裂面与最大主压应力轴之间的关系,岩石发生剪切破裂变形时的莫尔圆图解,二、 岩石

4、破裂准则,岩石发生破裂变形时所施加应力需满足的条件： 2.1 库仑莫尔准则 0 n （4） n f（n ） （5）,其中： 为剪应力，0 为岩石抗剪强度（内聚力），为内摩擦系数、等于tan（是内摩擦角），n 为正应力。,岩石发生剪切破裂时的莫尔包络线,不同围压下岩石发生剪切破裂时的莫尔包络线 A砂岩；B页岩,2.2 格里菲斯准则 （抛物线型莫尔包络线） nn2T0 （6） 其中：T0为单轴抗张强度。,格里菲斯准则莫尔包络线,2.3 摩擦滑动准则（拜尔利准则） f = n （7） 其中：f为摩擦剪切强度， 为静摩擦系数。一旦滑动开始，则动摩擦强度为： fk = kn （8） 其中，k为动摩擦系数

5、。用主应力来表示滑动条件为： 1 R3 或（1 - 3 ） （R - 1）3 （9） 其中：R = （1+2）1 / 2- ）1 / 2是引起滑动的R（应力因子R= 1 / 3 ）的最小值。,2.4 流体作用 ef = nPf= gz ( 1 ) (10) 其中： = Pf / gz 称为流体因子， ef 是有效应力，n 为正应力，Pf 是孔隙流体压力，是岩石密度，g为重力加速度，z为埋藏深度。,孔隙流体压力对破裂发育的影响,贵州乌江电站水力破裂,在下图中，由于地层中（茅口组和栖霞组）局部被封闭流体的压力（Pf）逐步增高,使得岩石的有效应力降低（ab阶段），莫尔圆向左移动。在低差异应力（1-3）4T的条件下，当Pf =3+T时，即当有效应力莫尔圆在最大T处，接触完整地层的破裂包络线时，地层将发生水力张性破裂（图67，c阶段），形成前述的水力破裂角砾岩。随后因岩石破裂导致流体压力突然减少，使得莫尔圆重新移到破裂包络线的右边稳定区域（图，d阶段）。,随破裂产生流体压力Pf 的变化线图,影响岩石力学性质的各种因素,扩散蠕变：通过空位运动和原子运动来实现。 体积扩散蠕变纳巴罗赫林蠕变 晶界扩散蠕变柯勃尔蠕变溶解蠕变：流体参与,颗粒边界滑动： T0.5Tm，扩散速率大。