破裂理论与节理课件.ppt

第六节 破裂理论概述 及其对岩石变形的意义 材料破裂是有规律的，对此的研究而产生种种理论。 一、最大张应力理论 当外力足够大时，材料沿着最大张应力面破裂。 当张应力达到或超过岩石的抗张强度时，岩石将沿着最大张应力作用的截面，即垂直于最大张应力轴的截面发生破裂，形成张裂面。 （同一岩石抗张强度最小，）。 常温常压下各类岩石的强度极限（单位MPa） 岩 石 抗压强度 抗剪强度 抗张强度 花岗岩 150（37--379） 20（15--30） 5--7 砂 岩 75（11--252） 10（5--15） 1--3 石灰岩 96（6--360） 17（10--20） 3--6 大理岩 100（31--262） 8（5--20） 3--9 玄武岩 250（150--350） 15（10--20） -- 页 岩 50（20--80） 2（1.7--3.3） -- 条件：最大张应力（σ3）≥材料强度极限（σ0），[则必须σ3≥σ0]。 即σ1=σ2=0，σ3为张应力，符合此理论， 这个理论适宜围压小或浅表环境下的单向拉伸的脆性破坏，如对张节理和部分正断层的形成的力学解释，但不能解释没有张应力作用下的材料破坏。 二、最大线应变理论 当外力足够大时，材料沿垂直于最大线应变（ε3）方向破裂。 条件：若最大伸长线应变（ε3）≥材料线应变极限（ε0）[即ε3≥ε0] 当σ2=σ3=0，σ1为压应力（或有一定固压条件下），符合此理论。 最大线应变理论——材料的破坏与线应变有关，即沿垂直于最大伸长应变方向的截面上发生张破裂。 不论在何种应力状态下，只要材料内一点的最大伸长应变达到了材料承受伸长应变的极限值就会出现张破裂。这个理论是对在没有张应力直接作用的情况下单向挤压或具有一定围压的受力条件下张裂形成的解释；如香肠构造。 三、库伦-莫尔理论 当外力达到材料的强度极限时，材料沿着最大剪应力面发生剪切破裂。 据此，剪切破裂仅与剪切面上的最大剪应力有关，而与其上的正应力无关。因此，一对剪面夹角为90°，但实际情况是作用在剪切面上的正应力仍对剪切滑动起一定的作用，从而使一对剪面的夹角并非90°，一般小于90°； 剪裂角=两组剪面的夹角（含σ1之象限）。 岩 石 1/2剪裂角 花岗闪长岩 15°～20° 砂 岩 20°～30° 灰 岩 28°～33° 黄 土 34°～40° 内摩擦力—物体在剪破裂时所需克服的剪面上的正应力。不同岩石内摩擦角不同： 脆性岩石—内摩擦角大；韧性岩石—内摩擦角小。 剪切破裂，不仅与剪面上的剪应力大小有关，还与正应力有关； 剪应力： 岩石剪破裂时需克服内摩擦力，因此剪破裂时的剪应力大于材料的抗剪强度，应力状态为： （此为一直线方程，μ为斜率） τ0为（正应力σn=0时）材料的抗剪能力，μ为内摩擦系数。 图中P点表示剪面上剪应力和正应力之大小。过P点上切线延长后必与σn相交，交角为φ。 上图可知， 1、P点剪应力值不是最大，即不是(σ1 -σ3)/2，而是小于(σ1 -σ3)/2，； 2、当φ值不变时剪裂角都相同。其包络线为直线，在坐标平面内所显示的直线为两条，这就是库伦破裂准则； 3、因μ随σn的增大而减小，故包络线呈曲线，这就是莫尔破裂准则； 4、与应力圆和包络线相切点对应的面均处于临界状态，即在包络线上和线外的点的应力条件下物体就产生破裂，在线内的点就不产生破裂。 围压影响： 砂岩随围压增大，形成破裂所需剪应力迅速增大， φ值和剪裂角基本保持不变（如a图）。 页岩随围压增大，形成破裂所需剪应力增加很小， φ值逐渐减小，形成一弧形曲线，剪裂角加大（如b图）。 四、格里菲斯理论 材料的实际破裂强度远远小于理论计算值。只需要由原子和原子结合力计算出来的理想的材料强度100分之一~1000分之一的力，材料就可以破坏。其原因是因为材料组分的不均匀。 无论是金属材料也好玻璃也好，其中都有眼睛看不见的原先存在许多微裂隙，这些微裂隙