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1、第五章巖石力學(xué)性質(zhì)巖石力學(xué)性質(zhì)是巖石受力作用下的反映。巖石力學(xué)性質(zhì)是指巖石變形特征及巖石的力學(xué)強(qiáng)度。巖石變形與巖石本身力學(xué)性質(zhì)有密切關(guān)系。脆性變形韌性變形為什么要研究巖石的力學(xué)性質(zhì)?巖石力學(xué)性質(zhì)研究的途徑(1)觀察天然巖石的力學(xué)現(xiàn)象(天然露頭等);(2)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)對巖石進(jìn)行變形實(shí)驗(yàn);(3)在野外對巖體進(jìn)行實(shí)地試驗(yàn);(4)理論分析和數(shù)值模擬。塑性變形脆性變形天然巖石變形0.1MPa高溫流變儀樣品裝置示意圖實(shí)驗(yàn)室?guī)r石變形實(shí)驗(yàn)σ1σ2=σ3=圍壓σ1=σ2=圍壓σ1σ3σ3差應(yīng)力(differentialstre
2、ss)σ=σ1-σ3在受到外界應(yīng)力作用時,固體材料的力學(xué)響應(yīng)具有很大變化性。即使對某種特定的材料,它的力學(xué)響應(yīng)也要取決于變形的物理和化學(xué)條件。目前,人們將材料的力學(xué)響應(yīng)主要劃分為彈性(elastic)、粘性(viscous)和塑性(plastic)等類型。巖石力學(xué)性質(zhì)的一些基本概念(一)彈性變形:指物體在外力作用下變形,當(dāng)外力除去后物體能完全恢復(fù)原狀。具有這種性能的物體稱為彈性體,它的變形稱為彈性變形。彈性分理想彈性和非理想彈性。理想彈性體的變形是可逆過程,它的應(yīng)力與應(yīng)變之間有一個確定的單值關(guān)系,符合虎克
3、定律:σ=Ee其中E為楊氏彈性模量。巖石變形的應(yīng)力-應(yīng)變曲線非理想彈性體的變形:受力不立即產(chǎn)生全部彈性變形,而是隨著時間的延長逐漸增大彈性變形到應(yīng)有的值;當(dāng)撤除外力后,也不立即恢復(fù)原狀,而是隨時間延長逐漸恢復(fù)原狀。這種現(xiàn)象稱為彈性后效(即滯彈性)。巖石彈性變形通常表現(xiàn)為滯彈性(anelastic)。巖石的滯彈性具有重要意義,上地幔的地震波衰減就被認(rèn)為與巖石的滯彈性有關(guān)。滯彈性(anelastic)巖石變形的應(yīng)力-應(yīng)變曲線隨著變形繼續(xù),應(yīng)力-應(yīng)變曲線斜率變小,這時如果撤除應(yīng)力,曲線并不回到原點(diǎn),而與e軸交于
4、e1,說明試樣由于超出其彈性極限而發(fā)生了永久變形。這個極限點(diǎn)的應(yīng)力叫屈服應(yīng)力σy(yieldstress)。?塑性變形是指物體在外力施加的同時產(chǎn)生變形,但在外力解除之后,變形永遠(yuǎn)不會自動恢復(fù)的這種性能,具有這種性能的物體稱為塑性體,它的變形稱為塑性變形。在應(yīng)力不超過某一臨界值σy的條件下,理想塑性材料可以持續(xù)永久變形,在這一臨界值之下,材料不發(fā)生變形。巖石力學(xué)性質(zhì)的一些基本概念(二)巖石變形的應(yīng)力-應(yīng)變曲線巖石變形的應(yīng)力-應(yīng)變曲線σy理想塑性材料的力學(xué)行為巖石變形的應(yīng)力-應(yīng)變曲線巖石變形的應(yīng)力-應(yīng)變曲線?
5、韌性和塑性區(qū)別韌性(延性)是用來描述允許大應(yīng)變,以宏觀均質(zhì)變形為特征,而不管所包括的微觀變形機(jī)制如何的流變性質(zhì)。塑性是一種永久變形,它涉及晶內(nèi)的位錯運(yùn)動的微觀機(jī)制,可能還包括擴(kuò)散。巖石變形機(jī)制通常有三種:(1)碎裂機(jī)制(cataclasis);(2)晶內(nèi)塑性(intracrystallineplasticity)(3)物質(zhì)擴(kuò)散流動(flowbydiffusivemasstransfer)脆-韌性轉(zhuǎn)化-從宏觀上描述脆-塑性轉(zhuǎn)化-從微觀機(jī)制上描述脆-塑性轉(zhuǎn)換域是一個十分重要的問題,地球上大部分地震都發(fā)生在脆-
6、塑性轉(zhuǎn)換域的深度。世界上一些地區(qū)地震震源深度分布柱狀圖(據(jù)Maggietal.,2000a)巖石力學(xué)性質(zhì)的一些基本概念(三)流體粘性是流體內(nèi)部各流層之間相對滑動時,層面間存在一種內(nèi)摩擦效應(yīng)。流體沿著x方向流動的n個不同流層。它們的流速?是y的函數(shù),?在y軸方向的變化率稱為速度梯度,d?/dy。同一位置上的剪應(yīng)力(摩擦阻力)與速度梯度呈正比關(guān)系τ=ηd?/dyη粘度(Pa·s)(1)式中可作下列變換(1)改寫為(1)、(3)式稱為線性粘性定律(牛頓粘性定律),服從牛頓粘性定律的材料稱為牛頓流體(或線粘性流體
7、)。具牛頓粘性變形稱為粘性流體變形。(2)(1)(3)(4)理想粘性材料的力學(xué)行為彈塑性變形—指有些物體同時具有彈性和塑性的性能。在彈塑性變形中,有一部分是彈性,其余為塑性變形。既具有彈性,又能發(fā)生粘性流動的材料,稱為粘彈性,它所表現(xiàn)的力學(xué)性質(zhì),稱為粘彈性。如蛋清就是一種粘彈性體。巖石在長期力作用下是一種同時具有彈性和塑性的物質(zhì),這種彈性和塑性是指在彈性范圍內(nèi)顯現(xiàn)的彈性和塑性;當(dāng)巖層具有高度塑性時還能發(fā)生半粘性流動。巖石也是一種粘彈性體,它不像蛋清這樣明顯,這主要是它的流動需要在長時間載荷下表現(xiàn)出來。對于
8、固體或流體而言,溫度越高,粘度越低,反映易流動性越大。巖石具有非常緩慢的流動性。粘度是衡量地球動力學(xué)的一個重要參數(shù)。近代,人們把物體所有這些力學(xué)性質(zhì)概括為物質(zhì)的流變性(rheologicalproperties),并形成一門新興學(xué)科-流變學(xué)(rheology)流變學(xué)是研究固體物質(zhì)流動的科學(xué)。因此,從近代地球科學(xué)觀念來看,地球物質(zhì)具有流變性。把研究地球物質(zhì)流動性質(zhì)和規(guī)律的科學(xué),稱為“地球流變學(xué)(RheologyofEarthMa