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3、样品中矿物内部的小裂纹，仅长几个mm。这些裂纹都是断裂的结果，可以说，地球表面岩石中的断裂无所不在。这些裂纹都是断裂的结果，可以说，地球表面岩石中的断裂无所不在。第第6 6章章 岩石的断裂岩石的断裂 大的断层：大的断层：和地球动力学有关，特别是与地震的发生有密切关系。岩和地球动力学有关，特别是与地震的发生有密切关系。岩石断裂性质的研究已然成为研究地震过程的有力工具。类似于滑坡等地石断裂性质的研究已然成为研究地震过程的有力工具。类似于滑坡等地质灾害的研究，断裂以及沿断裂面的滑动，是决定发生失稳运动最重要质灾害的研究，断裂以及沿断裂面的滑动，是决定发生失稳运动最重要的条件。的条件。 中型断层：中型
4、断层：如岩石中的节理、解理等层面，往往是决定岩石或岩体强如岩石中的节理、解理等层面，往往是决定岩石或岩体强度最主要的因素。决定岩石或岩体强度的因素很多，但在地下高温高压度最主要的因素。决定岩石或岩体强度的因素很多，但在地下高温高压环境中，其中最重要的因案是岩石断裂后产生的断裂面的力学性状，这环境中，其中最重要的因案是岩石断裂后产生的断裂面的力学性状，这些断层对工程或开挖的稳定性有重要影响。些断层对工程或开挖的稳定性有重要影响。 小型断层：小型断层：包括微型的裂纹，对于岩石的输运特性有着关键的影响。它们形成包括微型的裂纹，对于岩石的输运特性有着关键的影响。它们形成的裂纹网络是岩石中液体输运的通道
6、更是如此。有趣的是，明显地偏离弹性行为，特别是当差应力较高时更是如此。有趣的是，在很低的流体静压力下，由于裂纹的闭合，岩石偏离线性（在很低的流体静压力下，由于裂纹的闭合，岩石偏离线性（OAOA阶段阶段); ); 当应力增高时，岩石接近线性（当应力增高时，岩石接近线性（ABAB阶段阶段) )，差应力进一步增加时，岩，差应力进一步增加时，岩石又偏离线性石又偏离线性(BC(BC阶段阶段) )，这种偏离主要是由于岩石宏观破坏之前，内，这种偏离主要是由于岩石宏观破坏之前，内部产生许多微裂纹，使岩石中的孔隙增加的缘故。岩石内部产生微裂部产生许多微裂纹，使岩石中的孔隙增加的缘故。岩石内部产生微裂纹的实验证据
8、性部分体积的增加。加，而是指非弹性部分体积的增加。 但实测曲线表明对应于差应力但实测曲线表明对应于差应力DD的岩石的岩石体积应变为体积应变为,偏离弹性的部分偏离弹性的部分c-c-代表了代表了岩石体积的非弹性增加，叫做岩石的体积膨胀，岩石体积的非弹性增加，叫做岩石的体积膨胀，用符号用符号A A来表示，即膨胀来表示，即膨胀A A c-c-一般来说随差应力增加，岩石的体积是缩小的，一般来说随差应力增加，岩石的体积是缩小的，但差应力超过某但差应力超过某值值BB后后,dv,dv曲线偏离曲线偏离了直线，了直线，图图6-1 6-1 典型结晶岩石的差应力典型结晶岩石的差应力体积应变曲线体积应变曲线如果岩石是完
10、当岩石孔隙度较高，或者岩石巳发生了微破裂时，低应力下应力孔隙度较高，或者岩石巳发生了微破裂时，低应力下应力应变曲线的线应变曲线的线性不好，难于进行外推，这时可以把膨胀定义为观测到的实际体应变性不好，难于进行外推，这时可以把膨胀定义为观测到的实际体应变与与在同样平均应力在同样平均应力 下由流体静压力实验得到的体积应变下由流体静压力实验得到的体积应变之差。前一种方法比较简单，在处理实验资料时紧常采用，后一种方法物之差。前一种方法比较简单，在处理实验资料时紧常采用，后一种方法物理意义清楚，在理论分析时经常采用。理意义清楚，在理论分析时经常采用。 6.1 6.1 差应力作用下岩石的特性差应力作用下岩石
14、6-4 测量反射率的装置测量反射率的装置为了探讨辉长岩颜色变化和膨胀为了探讨辉长岩颜色变化和膨胀( (即微裂纹发展程度即微裂纹发展程度) )的关系，可用图的关系，可用图6-46-4所示的装置测定岩石光片的白光漫反射率。颜色越白，反射率就高，所示的装置测定岩石光片的白光漫反射率。颜色越白，反射率就高，这样通过漫反射率的测量，给岩石变自程度以定量的描述。这样通过漫反射率的测量，给岩石变自程度以定量的描述。 图图6-56-5给出了随差应力的增大，给出了随差应力的增大，5 5块样品上微裂纹的发展过程。块样品上微裂纹的发展过程。 6.1 6.1 差应力作用下岩石的特性差应力作用下岩石的特性6.1.1 6
17、性差应力作用下岩石的特性（3 3） 膨胀强化现象膨胀强化现象考虑在有孔隙流体存在的情况下，由于发生膨胀引起岩石强度增高的现象。考虑在有孔隙流体存在的情况下，由于发生膨胀引起岩石强度增高的现象。 根据有效应力定律，岩石强度是由有效应力决定的。在围压为根据有效应力定律，岩石强度是由有效应力决定的。在围压为3(3(固定固定值值) )，增加，增加11使岩石发生脆性破裂的三轴压缩实验中，如果岩样中含有孔隙使岩石发生脆性破裂的三轴压缩实验中，如果岩样中含有孔隙液体，而且处于不排水条件，岩石的膨胀发生，造成岩石中原有裂纹的张开、液体，而且处于不排水条件，岩石的膨胀发生，造成岩石中原有裂纹的张开、扩散，新裂纹
20、用下岩石的特性图图67 67 岩石破裂的膨胀模型岩石破裂的膨胀模型阶段阶段：岩石中岩石中存在着存在着许多呈许多呈张开状张开状的微裂的微裂纹纹 阶段阶段：原来张开原来张开的微裂纹的微裂纹发生闭合，发生闭合，岩石总的岩石总的体积减体积减小而且小而且这种减小这种减小的的 趋势是趋势是线性的线性的 阶段阶段：微裂纹发生了扩：微裂纹发生了扩展。如果岩石是一个完全展。如果岩石是一个完全的弹性体，则它的体积应的弹性体，则它的体积应按图上虚线那样进一步减按图上虚线那样进一步减小。但实际情况不是这样，小。但实际情况不是这样，由于微裂纹的扩展，裂纹由于微裂纹的扩展，裂纹占据空间有增大趋势。相占据空间有增大趋势。相
22、下岩石的特性 1、 高差应力下，由于微破裂引起的岩石明显偏离弹性行为的第二个实验证据，高差应力下，由于微破裂引起的岩石明显偏离弹性行为的第二个实验证据，是来自岩石变形时的声发射测量。岩石受力后，内部产生的微裂纹可以造成弹性是来自岩石变形时的声发射测量。岩石受力后，内部产生的微裂纹可以造成弹性波的发射，这叫做声发射。声发射对于探测岩石内部微裂纹的扩展、新裂纹的产波的发射，这叫做声发射。声发射对于探测岩石内部微裂纹的扩展、新裂纹的产生等是个有用的工具。生等是个有用的工具。 2、 在单轴或三轴实验中，当差应力很小时声发射较多，这对应于岩石孔洞的在单轴或三轴实验中，当差应力很小时声发射较多，这对应于岩
24、他性质声发射及其他性质6.1 6.1 差应力作用下岩石的特性差应力作用下岩石的特性 3、岩石内部微裂纹的产生，一方面将辐射出弹性波岩石内部微裂纹的产生，一方面将辐射出弹性波( (声发射声发射) )，另一方面形成，另一方面形成了新的裂纹或者扩展了原有的裂纹，这将增加岩石的体积，而增加的这部分体积了新的裂纹或者扩展了原有的裂纹，这将增加岩石的体积，而增加的这部分体积是属于非弹性性质的。因此，岩石中微裂纹产生的过程，必将在岩石表面进行的是属于非弹性性质的。因此，岩石中微裂纹产生的过程，必将在岩石表面进行的声发射测量和体积应变测量上有所反映。可以预料，声发射和岩石体积膨胀这两声发射测量和体积应变测量上
25、有所反映。可以预料，声发射和岩石体积膨胀这两种测量有着内在的联系。作为一种粗略估计，如果暂不考虑各个声发射的大种测量有着内在的联系。作为一种粗略估计，如果暂不考虑各个声发射的大小假定每次声发射对岩石非弹性体积变化都有一分贡献那么可以得到结论：小假定每次声发射对岩石非弹性体积变化都有一分贡献那么可以得到结论：非弹性体积应变与声发射累积总数之间存在着正比的关系。由图非弹性体积应变与声发射累积总数之间存在着正比的关系。由图6868可以看出，可以看出，几种不同岩石随着差应力的增加，膨胀几种不同岩石随着差应力的增加，膨胀A A与声发射总数与声发射总数N N是同步增脑的。是同步增脑的。 4、岩石在差应力作
29、206.1.3 6.1.3 声发射及其他性质声发射及其他性质6.1 6.1 差应力作用下岩石的特性差应力作用下岩石的特性图图6-10 6-10 用声发射研究岩石的破裂过程用声发射研究岩石的破裂过程是与最终破裂是与最终破裂面走向平行的面走向平行的方向上声发射方向上声发射源位置的投影源位置的投影是与最终破裂是与最终破裂面走向垂直方面走向垂直方向的声发射源向的声发射源位置投影。位置投影。 从声发射观测结果可以看出破裂过程的早期从声发射观测结果可以看出破裂过程的早期(a(a、b b、c)c)，声发射源在样品内，声发射源在样品内部空间分布是杂乱的，近似于均匀分布，破裂过程晚期（部空间分布是杂乱的，近似于
31、有两种方法：第一种方法：第一种方法：企图建立脆性破裂过程的物理模型，这些模型应能代表实际企图建立脆性破裂过程的物理模型，这些模型应能代表实际破裂的物理机制，基于这些模型而进行的理论指导，应能有助于理解破裂破裂的物理机制，基于这些模型而进行的理论指导，应能有助于理解破裂的物理本质，预言岩石的各种破裂行为，特别是岩石强度。这叫做物理强的物理本质，预言岩石的各种破裂行为，特别是岩石强度。这叫做物理强度理论研究方法，断裂力学中的格里菲斯理论就是这种方法的代表。度理论研究方法，断裂力学中的格里菲斯理论就是这种方法的代表。第二种方法：第二种方法：通过一些特定条件下的实验结果，找出表达破裂发生条件的通过一些
33、 破裂类型和破裂准则破裂类型和破裂准则 现在讨论的中心问题是破裂发生的条件。假定当岩石处于（现在讨论的中心问题是破裂发生的条件。假定当岩石处于（11、22、33）的应力状态时发生了破裂，可以把）的应力状态时发生了破裂，可以把11、22、3 3 之间存之间存在的关系：在的关系： 1 1 f(2, 3) (61)f(2, 3) (61)叫做叫做破裂准则破裂准则，即为破裂发生的条件。而把这时的，即为破裂发生的条件。而把这时的11称为在称为在2 2 ， 33给定条件下岩石的强度。给定条件下岩石的强度。图图611611岩石破裂的基本类型和其对应的应力状态岩石破裂的基本类型和其对应的应力状态岩石破裂的基本
38、周围岩层所受压力，超过岩石本身的强度而产生的剪切破坏所造成的，此时壁周围岩层所受压力，超过岩石本身的强度而产生的剪切破坏所造成的，此时对于脆性地层会产生坍塌掉块，井径扩大，而对于塑性地层则向井眼内产生塑对于脆性地层会产生坍塌掉块，井径扩大，而对于塑性地层则向井眼内产生塑性变形，造成缩径、井壁坍塌与否与井壁围岩的应力状态，围岩强度特性、密性变形，造成缩径、井壁坍塌与否与井壁围岩的应力状态，围岩强度特性、密度有关。度有关。1 1岩石的强度计算岩石的强度计算 井壁岩石的破坏，对于软而塑性的泥岩表现为塑性变形而缩径。对井壁岩石的破坏，对于软而塑性的泥岩表现为塑性变形而缩径。对于硬脆性的泥页岩一般表现为
40、裂准则破裂准则实例：井壁坍塌压力的计算实例：井壁坍塌压力的计算 图图613 613 库仑库仑- -摩尔准则摩尔准则 )245(2)245(00231Cctgctg（64）当岩石孔隙中有孔隙压力存在Pp时，摩尔库仑准则应用有效应力表示为： )245(2)245()(00231CctgctgaPpaPp(65）2 2、井壁坍塌处的应力、井壁坍塌处的应力从式（从式（6-46-4）中可以看出，岩石剪切破坏与否主要受岩石所受到的最大最小）中可以看出，岩石剪切破坏与否主要受岩石所受到的最大最小应力控制，应力控制，11的的33差值越大，井壁越易坍塌，从井壁受力状态中可以发现差值越大，井壁越易坍塌，从井壁受力
43、裂脆性断裂(brittle fracture)(brittle fracture) 6.2.2 6.2.2 库仑库仑(Coulomb)(Coulomb)破裂准则破裂准则(2) (2) 库仑准则的图示库仑准则的图示图图615 615 库仑准则的图示库仑准则的图示左图：利用左图：利用1313应力平应力平面，在该平面上库仑准则表面，在该平面上库仑准则表示为一直线该直线与示为一直线该直线与11的交点的交点( (即在即在11轴上的截距轴上的截距) )为岩石的单抽抗压强度为岩石的单抽抗压强度C0,C0,直线的斜率为直线的斜率为1=C0+q31=C0+q3右图：是在正应力右图：是在正应力和和| | 平面平面
46、，认为岩石的（断裂）强度是岩石的一种固有性质裂）强度是岩石的一种固有性质 19201920年格里菲斯年格里菲斯(Griffith(Griffith，1920)1920)的经典论文使研究工作出现了突的经典论文使研究工作出现了突破，格里菲斯考感到固体中受应力作用的一条孤立裂纹，根据经典力破，格里菲斯考感到固体中受应力作用的一条孤立裂纹，根据经典力学和热力学的基本能量理论，提出了裂纹扩散的准则。学和热力学的基本能量理论，提出了裂纹扩散的准则。 (1) Griffith(1) Griffith的能量平衡概念的能量平衡概念 格里菲斯根据可逆的热力学过程提出裂纹系统的一个模型。该系统格里菲斯根据可逆的热力
48、裂纹系统，静态平面裂纹系统，E-E-弹性弹性介质；介质；S-S-裂纹面；裂纹面；L-L-外加载荷外加载荷 对于一个静态的裂纹系统，总能量是对于一个静态的裂纹系统，总能量是三项之和：三项之和：U =(-WL + UE ) + US (66） 一般情况下裂纹体的外边界会产生某一般情况下裂纹体的外边界会产生某些位移因而外加载荷将作功些位移因而外加载荷将作功W WL L( (对于一对于一个真正的可逆系统，可以把个真正的可逆系统，可以把W WL L的增加与加的增加与加载系统势能的减小看做是一样的载系统势能的减小看做是一样的) )。弹性体中储存的应变势能弹性体中储存的应变势能U UE E随系统几何情随系统
50、小，这是因为在裂纹扩展时， cc两侧的约束力突然松弛。一般情况下裂纹壁向外加速分开最终进入能量较两侧的约束力突然松弛。一般情况下裂纹壁向外加速分开最终进入能量较低的新状态。另一方面；在新的裂纹面产生时，要克服穿过低的新状态。另一方面；在新的裂纹面产生时，要克服穿过cc的分子引力。这的分子引力。这样样(6-6)(6-6)式括号中的项有助于裂纹扩展，前第二项阻碍裂纹扩展，这就是格里菲式括号中的项有助于裂纹扩展，前第二项阻碍裂纹扩展，这就是格里菲斯能量平衡概念。斯能量平衡概念。 严格表达可由标准的平衡方程给出：严格表达可由标准的平衡方程给出： dU/dc = 0 (67dU/dc = 0 (67）对
53、3 岩石断裂力学岩石断裂力学6.3.1 6.3.1 断裂力学断裂力学 (2) (2) 线弹性断裂力学线弹性断裂力学图图6-18 6-18 无裂纹样品和含裂纹样品应力线无裂纹样品和含裂纹样品应力线 线弹性断裂力学大约是在线弹性断裂力学大约是在19581958年由年由欧文等创立的欧文等创立的(1958)(1958)。 欧文分析了在欧文分析了在张应力作用下，无裂纹样品和含裂纹张应力作用下，无裂纹样品和含裂纹样品的应力场样品的应力场( (图图6-18)6-18)为简便计，为简便计，用应力线的概念来描述应力。规定每用应力线的概念来描述应力。规定每一点的应力等于穿过该点单位面积应一点的应力等于穿过该点单位
54、面积应力线的条数。某一点应力线密集，则力线的条数。某一点应力线密集，则该点的应力就大。如图所示，长为该点的应力就大。如图所示，长为2c2c的裂纹上的应力线全部挤在裂纹尖的裂纹上的应力线全部挤在裂纹尖端，在裂纹尖端附近，应力比外加平端，在裂纹尖端附近，应力比外加平均应力要大得多，即存在着应力集中。均应力要大得多，即存在着应力集中。这样，当外加应力较小，甚至大大低这样，当外加应力较小，甚至大大低于材料的断裂强度时，含裂纹样品裂于材料的断裂强度时，含裂纹样品裂纹尖端区的应力集中就可能使尖端附纹尖端区的应力集中就可能使尖端附近某一范围内的应力达到材科断裂强近某一范围内的应力达到材科断裂强度，裂纹的快速
56、裂纹的材料，当外加应知道，对于不合裂纹的材料，当外加应力大于材料断裂强度时，样品发生断裂，力大于材料断裂强度时，样品发生断裂，因此可以把断裂强度作为材料抵抗拉断因此可以把断裂强度作为材料抵抗拉断裂的能力。对含有裂纹的样品来说，用裂的能力。对含有裂纹的样品来说，用什么指标作为材料抵抗断裂的能力的度什么指标作为材料抵抗断裂的能力的度量呢量呢? ?大量的实验结果表明，材料中裂纹大量的实验结果表明，材料中裂纹越长越长(c(c越大越大) )，则应力集中越大，使裂纹，则应力集中越大，使裂纹失稳扩展的外加应力失稳扩展的外加应力cc越小，即越小，即 另外，实验表明断裂应力也和裂纹形状另外，实验表明断裂应力也和
59、 6.3.1 断裂力学断裂力学图6-20 裂纹尖端坐标系 在裂纹尖端前端在裂纹尖端前端r r处的应力场可处的应力场可以由弹性力学求出，一般表达式以由弹性力学求出，一般表达式求得：求得：其中：其中：（612）式中式中Y Y是与裂纹形状、加裁方式有关的量，例如对无限体中心贯穿裂纹，是与裂纹形状、加裁方式有关的量，例如对无限体中心贯穿裂纹， 是是 的方向性函数，与裂纹类型有关；的方向性函数，与裂纹类型有关；是外加应力，裂纹尖端附近是外加应力，裂纹尖端附近的应力场完全由的应力场完全由(612)(612)式控制，式控制，K KJ J大，裂纹尖端各点应力场就大，大，裂纹尖端各点应力场就大，K KJ J是是
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