《岩石力学性质》PPT课件.ppt
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1、第五章 岩石力学性质,岩石力学性质是岩石受力作用下的反映。 岩石力学性质是指岩石变形特征及岩石的 力学强度。 岩石变形与岩石本身力学性质有密切关系。,脆性变形,韧性变形,为什么要研究岩石的力学性质?,岩石力学性质研究的途径,(1)观察天然岩石的力学现象(天然露头等); (2)实验室内对岩石进行变形实验; (3)在野外对岩体进行实地试验; (4)理论分析和数值模拟。,塑性变形,脆性变形,天然岩石变形,0.1MPa高温流变仪,样品装置示意图,实验室岩石变形实验,1,2=3 =围压,1=2 =围压,1,3,3,差应力(differential stress)=1-3,在受到外界应力作用时,固体材料的
2、力学响应具有很大变化性。即使对某种特定的材料,它的力学响应也要取决于变形的物理和化学条件。 目前,人们将材料的力学响应主要划分为弹性(elastic)、粘性(viscous)和塑性(plastic)等类型。,岩石力学性质的一些基本概念(一),弹性变形:指物体在外力作用下变形,当外力除去后物体能完全恢复原状。具有这种性能的物体称为弹性体,它的变形称为弹性变形。弹性分理想弹性和非理想弹性。 理想弹性体的变形是可逆过程,它的应力与应变之间有一个确定的单值关系,符合虎克定律: =Ee 其中E为杨氏弹性模量。,岩石变形的应力应变曲线,非理想弹性体的变形:受力不立即产生全部弹性变形,而是随着时间的延长逐渐
3、增大弹性变形到应有的值;当撤除外力后,也不立即恢复原状,而是随时间延长逐渐恢复原状。这种现象称为弹性后效(即滞弹性)。 岩石弹性变形通常表现为滞弹性(anelastic)。岩石的滞弹性具有重要意义,上地幔的地震波衰减就被认为与岩石的滞弹性有关。,滞弹性(anelastic),岩石变形的应力应变曲线,随着变形继续,应力应变曲线斜率变小,这时如果撤除应力,曲线并不回到原点,而与e轴交于e1,说明试样由于超出其弹性极限而发生了永久变形。这个极限点的应力叫屈服应力y(yield stress)。,塑性变形是指物体在外力施加的同时产生变形,但在外力解除之后,变形永远不会自动恢复的这种性能,具有这种性能的
4、物体称为塑性体,它的变形称为塑性变形。 在应力不超过某一临界值y的条件下,理想塑性材料可以持续永久变形,在这一临界值之下,材料不发生变形。,岩石力学性质的一些基本概念(二),岩石变形的应力应变曲线,岩石变形的应力应变曲线,y,理想塑性材料的力学行为,岩石变形的应力应变曲线,岩石变形的应力应变曲线,韧性和塑性区别,韧性(延性)是用来描述允许大应变,以宏观均质变形为特征,而不管所包括的微观变形机制如何的流变性质。 塑性是一种永久变形,它涉及晶内的位错运动的微观机制,可能还包括扩散。 岩石变形机制通常有三种: (1)碎裂机制(cataclasis); (2)晶内塑性(intracrystalline
5、 plasticity) (3)物质扩散流动(flow by diffusive mass transfer),脆韧性转化从宏观上描述 脆塑性转化从微观机制上描述 脆塑性转换域是一个十分重要的问题,地球上大部分地震都发生在脆塑性转换域的深度。,世界上一些地区地震震源深度分布柱状图 (据Maggi et al., 2000a),岩石力学性质的一些基本概念(三) 流体粘性是流体内部各流层之间相对滑动时,层面间存在一种内摩擦效应。 流体沿着x方向流动的n个不同流层。它们的流速是y的函数,在y轴方向的变化率称为速度梯度,d/dy。同一位置上的剪应力(摩擦阻力)与速度梯度呈正比关系 =d/dy 粘度(P
6、as) (1)式中可作下列变换 (1)改写为 (1)、(3)式称为线性粘性定律(牛顿粘性定律),服从牛顿粘性定律的材料称为牛顿流体(或线粘性流体)。具牛顿粘性变形称为粘性流体变形。,(2),(1),(3),(4),理想粘性材料的力学行为,弹塑性变形指有些物体同时具有弹性和塑性的性能。在弹塑性变形中,有一部分是弹性,其余为塑性变形。 既具有弹性,又能发生粘性流动的材料,称为粘弹性,它所表现的力学性质,称为粘弹性。如蛋清就是一种粘弹性体。 岩石在长期力作用下是一种同时具有弹性和塑性的物质,这种弹性和塑性是指在弹性范围内显现的弹性和塑性;当岩层具有高度塑性时还能发生半粘性流动。,岩石也是一种粘弹性体
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