第三章（三）影響巖石力學(xué)性質(zhì)及巖石變形的因素

巖石的力學(xué)性質(zhì)并不是固定不變的，主要決定于巖石本身的成分、結(jié)構(gòu)和構(gòu)造等，但巖石所處的外界地質(zhì)環(huán)境因素，包括圍壓、溫度、溶液和應(yīng)力作用時(shí)間及變形速度等，都對(duì)巖石的力學(xué)性質(zhì)以致巖石變形有著明顯的影響。本章主要闡述外界因素的影響。2023/5/281一、圍壓

地殼巖石的圍壓(靜巖壓力)隨埋深的增加而增高，兩者大體呈線(xiàn)性關(guān)系。非均勻的各向壓縮能增強(qiáng)巖石的彈、韌性，并提高巖石的強(qiáng)度。通常在地殼表面顯示脆性較強(qiáng)的巖石，在地下深處圍壓較大的條件下可以呈高度的韌性。巖石在圍壓作用下力學(xué)性質(zhì)的變化，已有不少實(shí)驗(yàn)結(jié)果。這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明隨著圍壓的提高，巖石逐漸從脆性過(guò)渡為韌性。在溫度不變的條件下，隨著圍壓的提高，碳酸鹽巖石的永久變形明顯逐漸增大(圖5-2)，且其彈性極限和強(qiáng)度極限的提高很明顯。對(duì)于不同的礦物也有類(lèi)似的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如磁黃鐵礦和閃鋅礦，前者相對(duì)脆性·，增大圍壓的影響主要反映在彈性極限和強(qiáng)度極限的提高;后者相對(duì)塑性，提高圍壓使得礦物的永久變形明顯增加(圖5-1)。2023/5/282圖5-1不同圍壓下礦物的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)圖(據(jù)BlUCe，1973)a－磁黃鐵礦;b－閃鋅礦

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圍壓影響巖石力學(xué)性質(zhì)的原因在于高圍壓下使晶體凝聚力增大，質(zhì)點(diǎn)彼此接近，其晶格不易破壞，即不易發(fā)生斷裂，只能滑移，故表現(xiàn)為塑性變形。圖5-2不同圍壓下大理巖壓縮的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)圖(據(jù)Paterson，1978)2023/5/284二、溫度

隨著溫度增高，可以使常溫常壓下脆性的巖石，變得強(qiáng)度降低，彈性減弱，塑性增大，韌性增強(qiáng)，易于變形。也就是說(shuō)，提高溫度，加速了巖石由脆性向韌性的轉(zhuǎn)化。但是，影響的程度隨巖性不同有所差異。2023/5/285礦物同巖石一樣，溫度升高，彈性極限和抗壓強(qiáng)度明顯降低，易于形成塑性變形。圖5-4中的磁黃鐵礦和閃鋅礦在圍壓固定，溫度從25℃、100℃、200℃、300℃、400℃到500℃逐漸升高的情況下，彈性極限等也逐漸降低，并且溫度升的越高，降得越快。

溫度影響巖石力學(xué)特性的原因在于，隨著溫度的升高，晶體質(zhì)點(diǎn)的熱運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，質(zhì)點(diǎn)間的凝聚力就減弱，質(zhì)點(diǎn)容易位移;從而降低了巖石的彈性極限與強(qiáng)度極限，提高了巖石的塑性和韌性。2023/5/286圖5-4在圍壓100MPa和不同溫度作用下磁黃鐵礦(a)和閃鋅礦(b)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)(據(jù)Bruce，1973)2023/5/287三、溶液

溶液和水汽能滲入到巖石的內(nèi)部，引起巖石的力學(xué)性質(zhì)兩個(gè)方面的變化:一方面是降低了巖石的彈性極限，提高了巖石的塑性，使巖石軟化。White(1980)認(rèn)為孔隙液體有促成剪切軟化的作用，從而改變了巖石的力學(xué)性質(zhì)，使之韌性提高;另一方面，在構(gòu)造應(yīng)力作用背景下，溶液特別容易促使重結(jié)晶作用的產(chǎn)生，造成礦物溶解和新礦物的形成。2023/5/288

據(jù)Griggs在圍壓為1000MPa及不同的溫度條件下，用大理巖壓縮實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明，在溫度條件相同時(shí)(150℃)，濕性比干性的大理巖更容易發(fā)生塑性變形。若使之產(chǎn)生10％始的變形量。所需要的壓應(yīng)力，對(duì)于干的大理巖是300MPa，對(duì)于濕的大理巖只需要200MPa就夠了(圖5-5)(據(jù)Griggs，1951)。表5-1列舉了巖石在濕性條件下抗壓強(qiáng)度不同的降低率，不難看出，濕性條件對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響是非常明顯的。2023/5/289石英在1400MPa圍壓下，干性和濕性?xún)煞N情況所測(cè)得的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)圖(圖5-6)中A－D條曲線(xiàn)表示在干性條件下，隨著溫度不斷升高，石英的彈性極限依次降低，塑性相應(yīng)增大。在干性條件下，950C的曲線(xiàn)應(yīng)在C與D之間，但在濕性條件下，950℃曲線(xiàn)E卻降到曲線(xiàn)D之下，說(shuō)明強(qiáng)度大大降低了。溶液影響巖石力學(xué)性質(zhì)的原因在于，溶液的加入使分子的活動(dòng)力加強(qiáng)，由于水具有一定的勢(shì)能，可以進(jìn)入晶體結(jié)構(gòu)。對(duì)石英來(lái)說(shuō)，就可打破Si－O的束縛，使分子間的凝聚力減小，從而降低巖石的強(qiáng)度。2023/5/2810圖5-5溶液和溫度對(duì)大理巖變形影響的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)圖(Griggs，圍壓為1000MPa)2023/5/2811圖5－6溶液和溫度對(duì)石英變形影響的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)圖(圍壓為1400MPa)2023/5/2812四、孔隙壓力

在地殼巖石中，常有孔隙流體存在。這種孔隙流體的壓力稱(chēng)為孔隙壓力或孔隙液壓。存在于巖石中的流體可以促進(jìn)巖石的重結(jié)晶作用，并影響巖石的變形。如果不透水層阻擋含水層中的孔隙流體流出，巖石中的孔隙壓力就會(huì)加大?？紫秹毫Φ拇嬖诘窒瞬糠謬鷫旱挠绊?。即有效圍壓(Pe)為圍壓(Pc)與孔隙液壓(Pp)之差:Pe=Pc－Pe…..(5-1)因此;孔隙壓力的存在也降低了巖石的強(qiáng)度，使得巖石易于發(fā)生脆性破壞。2023/5/2813五、時(shí)間1、蠕變?nèi)舯３謶?yīng)力不變，應(yīng)變則隨時(shí)間的增長(zhǎng)而逐漸加大，這種現(xiàn)象稱(chēng)蠕變。2023/5/2814典型的蠕變過(guò)程可以分三個(gè)階段:第一階段稱(chēng)過(guò)渡蠕變階段(圖5-9中的曲線(xiàn)ａ的AB段)，其應(yīng)變速率不斷減小，達(dá)到B點(diǎn)時(shí)為最小值;第二階段稱(chēng)平穩(wěn)蠕變階段，或定常蠕變階段，即曲線(xiàn)ａ的BC段，其應(yīng)變速率大致保持一定，這也是應(yīng)變速率最小的一個(gè)階段;第三階段為加速蠕變階段，即曲線(xiàn)ａ的CD段，隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，其應(yīng)變速率顯著加快，由于試件頸縮的緣故，到達(dá)D點(diǎn)后試件破壞。2023/5/28152、松弛

若保持變形不變，而應(yīng)力隨時(shí)間的增長(zhǎng)逐漸減小，這種現(xiàn)象稱(chēng)為松弛。從典型的松弛曲線(xiàn)圖上(圖５-10)可見(jiàn)，松弛過(guò)程分兩個(gè)階段，第一階段(即AB線(xiàn)段)的應(yīng)力迅速減小，松馳急劇下降;第二階段(即BC線(xiàn)段)的應(yīng)力減小速度緩慢，松弛速度逐漸下降，并趨于某一極限值。圖5－9蠕變曲線(xiàn)A－典型蠕變曲線(xiàn)ｂ－低溫低應(yīng)力下的蠕變曲線(xiàn);C－高溫高應(yīng)力下的蠕變曲線(xiàn)圖5－10松弛曲線(xiàn)2023/5/2816(表沈中“憤+”姻示提露高、油增強(qiáng)嘩;“翁－”寬示允降低罰、減扛弱，巖石物性影響因素強(qiáng)度彈性塑性韌性增大圍壓＋＋＋＋增高溫度－－＋＋增加溶液－－＋＋長(zhǎng)期施力－－＋＋表5錦-2知概括結(jié)列出雀圍壓懇、溫課度、凍溶液淘和時(shí)汽間諸炒因素似對(duì)巖石嗎物理司性質(zhì)粉的影醫(yī)響。表5誼-2閘各種乘因素戀對(duì)巖用石物奮理性烏質(zhì)的僅影響20毯23籠/5與/1鄙3173、莫快速紅施力歲、緩縫慢施生力與夏重復(fù)福施力業(yè)對(duì)巖判石變翁形的分影響(一急)、即快速鍬施力忽與緩扛慢施臣力快速坊施力罪，可桃加快嘆巖石注變形歇速度億，降事低巖享石的毯塑性縣，使段塑性話(huà)變形倚階段藥縮短湖，甚帆至完丹全沒(méi)旅有，似表現(xiàn)弱為脆積性變甩形。宿反之厭，緩互慢施鈔力，蘋(píng)會(huì)提渴高巖究石的高塑性寇，則殺脆性蟲(chóng)物質(zhì)災(zāi)也能話(huà)表現(xiàn)棗出顯妙著的唱塑性告變形亭，抗浩剪強(qiáng)默度相嶺對(duì)降抬低，側(cè)易于館剪裂舞。巖石聰受到技長(zhǎng)時(shí)至間力連的緩坊慢作慰用，憶質(zhì)點(diǎn)法就會(huì)階有充歸分時(shí)童間進(jìn)膠行重熊新排罷列，仙而變坐形也月有充和分時(shí)資間固沫定下懶來(lái)，重于是山產(chǎn)生送永久智變形鑒。當(dāng)綢快速客變形哥時(shí)，崇質(zhì)點(diǎn)割來(lái)不囑及重蜓新排葡列，誦就產(chǎn)盟生破央裂，仇尤其推易于甜產(chǎn)生壺張破它裂。20板23胞/5扒/1沈318(二鈔)重督復(fù)施雷力巖石卻重復(fù)脆施力判，即繪使作翁用力得不大轟，也膝能使騾巖石隊(duì)破裂衡。圖護(hù)5-奮12惠表示流一種晶金屬露破裂鐘時(shí)的韻應(yīng)力灑與發(fā)補(bǔ)生破脈裂所擺需加串力次雨數(shù)之陵間的慮關(guān)系計(jì)。由透圖上我可見(jiàn)茄，當(dāng)撓力的笨作用蛙次數(shù)暈增加勾時(shí)，姐破裂劍時(shí)的負(fù)應(yīng)力勿就降此低，謹(jǐn)及至蠟降低耳到圖霞上曲拆線(xiàn)呈佳水平鉗狀態(tài)營(yíng)，這健時(shí)應(yīng)績(jī)力代汁表物葬體重纖復(fù)受車(chē)力情笨況下裁發(fā)生水破裂墳的最瞞低限耳度，宏稱(chēng)為些疲勞蘿極限彩或耐恒力極劍限，冠低于汗該極喚限的季應(yīng)力重，即武使物粥體受狗力次周數(shù)再桃多，豬也不你能使王其破阿裂。20悄23借/5薄/1心319能忍參限度發(fā)生謙