吉林大学地球科学学院—刘志宏 上一讲思考讨论题 双轴应力状态的概念 双轴莫尔圆及其物理意义 线应变、剪应变、体积应变、应变椭球体、 应变主轴（应变主方向）、应变主平面、应 变椭圆、平面应变、非旋转应变、 纯剪与单 纯剪与单 剪应变、均匀应变和非均匀应变、有限应变、 剪应变、均匀应变和非均匀应变、有限应变、 无限小应变、递进变形的概念。 无限小应变、递进变形的概念。 应变椭球体中的主应变面（XY，YZ, XZ）面 与主应力有什么关系？ 地质构造分析的力学基础 应力 应变 岩石的力学性质与岩石的破裂 主讲人：刘志宏 吉林大学地球科学学院 吉林大学地球科学学院—刘志宏 内容提要 岩石变形的阶段 岩石变形的阶段 影响岩石力学行为的主要因素 岩石的破裂 吉林大学地球科学学院—刘志宏 第四节岩石的力学性质与岩石的破裂 吉林大学地球科学学院—刘志宏 一、岩石变形的阶段 一、岩石变形的阶段 1）弹性变 形阶段 虎克定律：σ=Eε E: 弹性模量或杨 氏模量 1）弹性变 ）弹性变 形阶段 形阶段 一、岩石变形的阶段 一、岩石变形的阶段 吉林大学地球科学学院—刘志宏 2）塑性变 形阶段 一、岩石变形的阶段 一、岩石变形的阶段 吉林大学地球科学学院—刘志宏 2）塑性变 形阶段与屈 服极限 一、岩石变形的阶段 一、岩石变形的阶段 吉林大学地球科学学院—刘志宏 吉林大学地球科学学院—刘志宏 一、岩石变形的阶段 一、岩石变形的阶段 塑性应变 弹性应变 3）应变硬化 阶段 应力超过屈服应力 极限继续升高，出 现应变硬化。应力 达到强度极限，应 变硬化随之消除。 吉林大学地球科学学院—刘志宏 一、岩石变形的阶段 一、岩石变形的阶段 4）强度极限与 破裂变形阶段 抗压强度、抗张强度 和抗剪强度 宏观破裂形成、发展阶 段，应力超过强度极限 之后，应力下降但应变 增加，出现应变软化， 剪切强度逐渐减小，直 到岩石里最终可见的宏 观破裂。 吉林大学地球科学学院—刘志宏 一、岩石变形的阶段 抗压强度、抗张强度和抗剪强度 各类岩石在常温常压下的强度极限 50～7 1～3 3～6 3～9 — — 20（15～30） 10（5～15） 17（10～20） 8（5～20） 15（10～20） 7（1.7～3.3 ） 150（37～379） 75（11～252） 96（6～360） 100（31～262） 250（150～350） 50（20～80） 花岗岩 砂岩 灰岩 大理岩 玄武岩 页岩 抗张强度(Mpa)抗剪强度(Mpa)抗压强度(Mpa)岩石 吉林大学地球科学学院—刘志宏 一、岩石变形的阶段 一、岩石变形的阶段 5）常见岩石类型的强度极限 ）常见岩石类型的强度极限 第四节岩石的力学性质与岩石的破裂 吉林大学地球科学学院—刘志宏 二、影响岩石力学行为的主要因素 二、影响岩石力学行为的主要因素 1）围压 大理岩 吉林大学地球科学学院—刘志宏 二、影响岩石力学行为的主要因素 2）温度 ——玄武岩 吉林大学地球科学学院—刘志宏 二、影响岩石力学行为的主要因素 3）孔隙流体压力 z孔隙压力：孔隙压力是由于岩 石中的孔隙内，含有一定量的 流体，受压后产生一种与外界 压力方向相反的反向应力。 z有效围压：由于孔隙压力的存 在，抵消了围压的作用。 P e =P c -P f 吉林大学地球科学学院—刘志宏 二、影响岩石力学行为的主要因素 3）孔隙流体压力 z孔隙压力与有效围压问题 P e =P c -P f 吉林大学地球科学学院—刘志宏 二、影响岩石力学行为的主要因素 3）孔隙流体压力 P e =P c -P f 吉林大学地球科学学院—刘志宏 二、影响岩石力学行为的主要因素 4）时间： z应变速率 Yule 大理岩，围压 50MPa, 温度500°C 吉林大学地球科学学院—刘志宏 二、影响岩石力学行为的主要因素 4）时间 蠕变：在恒定应力作用 下，应变随着时间的 持续而增加的变形行 为。 吉林大学地球科学学院—刘志宏 二、影响岩石力学行为的主要因素 4）时间 松弛：在应变保持不变的情况 下，随着时间的变化，应力 逐渐减小的现象。 吉林大学地球科学学院—刘志宏 二、影响岩石力学行为的主要因素 5）外力作用方式：拉伸与压缩 6）快速施力与缓慢施力 7）重复施力 各类岩石在常温常压下的强度极限 50～7 1～3 3～6 3～9 — — 20（15～30） 10（5～15） 17（10～20） 8（5～20） 15（10～20） 7（1.7～3.3 ） 150（37～379） 75（11～252） 96（6～360） 100（31～262） 250（150～350） 50（20～80） 花岗岩 砂岩 灰岩 大理岩 玄武岩 页岩 抗张强度(Mpa)抗剪强度(Mpa)抗压强度(Mpa)岩石 吉林大学地球科学学院—刘志宏 第四节岩石的力学性质与岩石的破裂 三、岩石的破裂 吉林大学地球科学学院—刘志宏 三、岩石的破裂 1）岩石破裂的两种主要方式 ——张裂和剪裂 吉林大学地球科学学院—刘志宏 三、岩石的破裂 2）岩石破裂理论： 按照应力分析，在与挤压或拉伸方向 呈45°交角的截面上剪应力最大。称 为最大剪切面。因此，剪切破裂面 应该发生在这个方向上，成对出现， 称为共轭剪切破裂面。 剪切破裂面与最大主应力之间的夹角， 称为剪裂角（α)。 共轭剪切破裂面之间的锐夹角，称为 共轭剪裂角（2α)。 2α 2α=90° 吉林大学地球科学学院—刘志宏 三、岩石的破裂 2）岩石破裂理论：库仑-纳维叶破坏准则 吉林大学地球科学学院—刘志宏 三、岩石的破裂 2）岩石破裂理论：库仑-纳维叶破坏准则 ?以σ为横坐标，τ为纵坐标，则式| τ |= τ 0 +f·σ为两条直线 的方程，称为库仑剪切破裂线。 ?令直线与坐标横轴夹角为φ，则：f=tg φ。其中φ称为内 摩擦角。有：τ = τ 0 +σ n tg φ 吉林大学地球科学学院—刘志宏 三、岩石的破裂 下图是单轴压缩时岩石破裂的莫尔圆。其中D和D’点 上的正应力和剪应力代表剪切破裂时破裂面上的 正应力和剪应力。 当岩石发生剪切破裂时，剪裂面与最大主应力轴的 夹角：α=45°??/2；共轭剪裂角2 α=90°?? 吉林大学地球科学学院—刘志宏 三、岩石的破裂 吉林大学地球科学学院—刘志宏 三、岩石的破裂 2）岩石破裂理论：库仑剪切破裂线在低围压时 基本上为直线；说明?和τ 0 基本上不变。 库仑-纳维叶破坏准则 吉林大学地球科学学院—刘志宏 三、岩石的破裂 2）岩石破裂理论：莫尔包络线——高围压 莫尔破坏准则 吉林大学地球科学学院—刘志宏 本讲要点 岩石变形的阶段； 岩石变形的阶段； 影响岩石力学行为的主要因素； 影响岩石力学行为的主要因素； 岩石的破裂与岩石破裂理论。 本讲思考、讨论题 1.岩石变形的阶段与影响岩石力学行为的 岩石变形的阶段与影响岩石力学行为的 主要因素。 主要因素。 2.张裂和剪裂。 3.库仑-纳维叶破坏准则。 吉林大学地球科学学院—刘志宏