《巖石力學(xué)性質(zhì)》PPT課件

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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(duì)巖石進(jìn)行變形實(shí)驗(yàn)；（3）在野外對(duì)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(shí)，固體材料的力學(xué)響應(yīng)具有很大變化性。即使對(duì)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?jiǎng)澐譃閺椥裕╡lastic）、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(guò)程，它的應(yīng)力與應(yīng)變之間有一個(gè)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(shí)間的延長(zhǎng)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(shí)間延長(zhǎng)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(shí)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(shuō)明試樣由于超出其彈性極限而發(fā)生了永久變形。這個(gè)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(shí)產(chǎn)生變形，但在外力解除之后，變形永遠(yuǎn)不會(huì)自動(dòng)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(guò)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(lái)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(cuò)運(yùn)動(dòng)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(dòng)（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(gè)十分重要的問(wèn)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(duì)滑動(dòng)時(shí)，層面間存在一種內(nèi)摩擦效應(yīng)。流體沿著x方向流動(dòng)的n個(gè)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(xiě)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(shí)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(dòng)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(zhǎng)期力作用下是一種同時(shí)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(shí)還能發(fā)生半粘性流動(dòng)。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(dòng)需要在長(zhǎng)時(shí)間載荷下表現(xiàn)出來(lái)。對(duì)于

8、固體或流體而言，溫度越高，粘度越低，反映易流動(dòng)性越大。巖石具有非常緩慢的流動(dòng)性。粘度是衡量地球動(dòng)力學(xué)的一個(gè)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(dòng)的科學(xué)。因此，從近代地球科學(xué)觀念來(lái)看，地球物質(zhì)具有流變性。把研究地球物質(zhì)流動(dòng)性質(zhì)和規(guī)律的科學(xué)，稱為“地球流變學(xué)（RheologyofEarthMa