第03章地质构造的力学基础a

1、2022-4-30第3章 地质构造分析的力学基础1构造地质学第3章 地质构造分析的力学基础周建勋中国石油大学（北京）地球科学系2022-4-30第3章 地质构造分析的力学基础2主要内容1. 应力分析 2. 变形分析3. 影响岩石力学性质与岩石变形的因素2022-4-30第3章 地质构造分析的力学基础3要 点1. 摩尔圆的作用和意义，二维应力摩尔圆2. 构造应力场的表示法 3. 库仑剪破裂准则4. 均匀与非均匀变形 5. 共轴递进变形与非共轴递进变形 6. 温度、压力和孔隙流体压力对岩石力学性质的影响2022-4-30第3章 地质构造分析的力学基础4主要内容1. 应力分析 2. 变形分析3. 影

2、响岩石力学性质与岩石变形的因素2022-4-30第3章 地质构造分析的力学基础5(一) 外力、内力和应力1. 外力另一物体所施加的力p1) 面力.p2) 体力：重力、磁力.2. 内力：物体内部质点之间的相互作用力p1) 固有内力.p2) 附加内力.2022-4-30第3章 地质构造分析的力学基础63. 应力：PA (or dPdA)uP附加内力, A截面积p1) 正应力：dNdA (压为“+”，拉为“”)p2) 剪应力：dTdA (逆时针为“+”，顺时针为“”)dPMdAdNdTdTdT-+(一) 外力、内力和应力2022-4-30第3章 地质构造分析的力学基础7(二) 应力状态和应力椭球1.

3、 弹性力学证明：任何受力物体内部总是能够找到三个相互垂直的面，其上只有正应力而无剪应力.2022-4-30第3章 地质构造分析的力学基础8p1) 主平面：S1, S2, S3p2) 主应力：u1(最大)，2 (中间) ，3 (最小).2131232022-4-30第3章 地质构造分析的力学基础92. 应力椭球：以s1， s2 ，s3为主轴的椭球体，用以直观表达应力状态.p应力椭球的三个主切面应力椭圆.(二) 应力状态和应力椭球2022-4-30第3章 地质构造分析的力学基础103.常见的几种应力状态：p1) 单轴u压缩：1230u拉伸：1203p2) 双轴u压缩：1230u平面: 1203p3

4、) 三轴：123 u1230：静水压力(只引起物体体积变化) (二) 应力状态和应力椭球2022-4-30第3章 地质构造分析的力学基础114. 应力差（差异应力）：1-3，决定形态变化.5. 平均应力：(1+2+3)/3. 决定体积的变化.6. 偏应力:p11p22 p33(二) 应力状态和应力椭球2022-4-30第3章 地质构造分析的力学基础127. 地壳一般应力状态：p1) 浅部：231 =1/3.uV=0.25（岩石）p2) 深部：123gh，接近于静岩应力状态. V V1-1-V V(二) 应力状态和应力椭球2022-4-30第3章 地质构造分析的力学基础13(三) 二维应力分析摩

5、尔圆图解法1. 单轴应力状态的二维应力分析 P1P1=s s1A0A1A0a ana a2022-4-30第3章 地质构造分析的力学基础14P1N1A1P1 T1A02022-4-30第3章 地质构造分析的力学基础15O2=0D(1/2, 0)(1, 0)摩尔圆摩尔圆2022-4-30第3章 地质构造分析的力学基础16O2=0DD(1/2, 0)2 (, )(1, 0)P1P1=s s1A0A1A0na aa a2022-4-30第3章 地质构造分析的力学基础17p1) a=0, t=0, s最大.p2) a=450, | t |=Max.p3) 任意两个相互垂直面上剪应力t大小相等，符号相反

6、. P1P1=s s1A0A1A0na aa aO2=0DD(1/2, 0)2 (, )(1, 0)2022-4-30第3章 地质构造分析的力学基础18v例：已知：物体的120 MPa, 求作：u该受力物体的应力摩尔圆.u求出法线与1成30交角的斜面上的正应力和剪应力的值.u求出与1成20夹角斜面上的正应力和剪应力的值. R=s1/260oP1P1=s s1A0A1A0na aa a2022-4-30第3章 地质构造分析的力学基础192. 双轴应力状态的二维应力分析 2DD21推导自行练习推导自行练习(三) 二维应力分析摩尔圆图解法2022-4-30第3章 地质构造分析的力学基础20v思考题：

7、测得一受力正方形物体对角线方向的斜面上正应力（s）和剪应力（t）分别为10MPa和20MPa，在另一与该斜面斜交的面上测得s和t分别为30MPa和10MPau求: 该受力物体的平面应力摩尔圆、主应力的大小和方向。 s s1?2022-4-30第3章 地质构造分析的力学基础213. 八种应力状态的二维应力摩尔圆特征 1)静水拉伸静水拉伸2)2)一般拉伸一般拉伸6)6)单轴压缩单轴压缩7)7)一般压缩一般压缩8)8)静水压缩静水压缩3)3)单轴拉伸单轴拉伸4)4)拉伸压缩拉伸压缩5)5)纯剪应力纯剪应力(三) 二维应力分析摩尔圆图解法2022-4-30第3章 地质构造分析的力学基础22(四) 三维

8、应力分析1. 三维应力2022-4-30第3章 地质构造分析的力学基础232. 三维应力莫尔圆(四) 三维应力分析2022-4-30第3章 地质构造分析的力学基础24(五) 构造应力场与应力集中1. 应力场：受力物体内部各点瞬时应力状态的组合.p1) 均匀应力场：各点应力状态相同（可以按点应力方法处理）.p2) 非均匀应力场.2022-4-30第3章 地质构造分析的力学基础25(五) 构造应力场与应力集中2. 构造应力场：地壳内一定范围内某一瞬时构造应力状态的组合.p1) 按规模分为：局部、区域、全球.p2) 按时间分为：现代、古代.2022-4-30第3章 地质构造分析的力学基础263. 构

9、造应力场的表示方法：p1) 方向应力轨迹图.p2) 大小应力等值线图.u通常：最大主应力和剪应力.(五) 构造应力场与应力集中2022-4-30第3章 地质构造分析的力学基础27(五) 构造应力场与应力集中4. 应力集中： p在岩石先期断裂的端点、拐点、分支点、错列点和待交汇点容易出现应力集中，其结果是最先遭到破坏. 2022-4-30第3章 地质构造分析的力学基础28主要内容1. 应力分析 2. 变形分析3. 影响岩石力学性质与岩石变形的因素2022-4-30第3章 地质构造分析的力学基础29(一) 变形和应变的概念1. 变形：物体受力后内部质点之间相互位置发生变化（形态、体积改变）p五种方

10、式：拉伸、挤压、剪切、弯曲、扭转.2022-4-30第3章 地质构造分析的力学基础302. 均匀变形：各部分的变形性质、方向、大小均相同：p1) 变形前的平面、直线变形后仍保持平面和直线.p2) 变形前相互平行的平面和直线变形后仍保持平行.(一) 变形和应变的概念2022-4-30第3章 地质构造分析的力学基础313. 非均匀变形：物体内部各部分变形的方向、大小和性质不一致.p非均匀连续变形可以分解成若干部分，按均匀变形的方法加以研究.2022-4-30第3章 地质构造分析的力学基础322022-4-30第3章 地质构造分析的力学基础334. 应变度量：p1) 线应变.p2) 剪应变：gtan

11、f.f faabcdd(一) 变形和应变的概念2022-4-30第3章 地质构造分析的力学基础345. 主应变和应变主方向p在均匀变形条件下，变形物体内部总是可以截取这样一个立方体，其三个相互垂直的截面上只有线应变而无剪应变，这三个线应变称为主应变，这三个主平面称为主应变面.ua) 最大应变主方向(1)或最大主应变轴(X or A)：最大伸长方向.ub) 最小应变主方向(3)或最小主应变轴(Z or C)：最大压缩方向.uc) 中间应变主方向(2)或中间主应变轴(Y or B). (一) 变形和应变的概念2022-4-30第3章 地质构造分析的力学基础35(二) 岩石变形的阶段1. 弹性极限s

12、y：受力超过这一数值后，岩石发生永久变形.s sB2022-4-30第3章 地质构造分析的力学基础362. 比例极限sp：受力在这一数值以下，变形遵循胡克定律: sEe. p E-弹性模量s sB(二) 岩石变形的阶段2022-4-30第3章 地质构造分析的力学基础373. 强度极限sB：受力超过这一数值后，岩石发生破裂.s sB(二) 岩石变形的阶段2022-4-30第3章 地质构造分析的力学基础384. 应变硬化：已受变形的岩石，再次加载，其弹性极限有所增高的现象. s sB(二) 岩石变形的阶段2022-4-30第3章 地质构造分析的力学基础395. 断裂变形. 张裂(二) 岩石变形的阶

13、段2022-4-30第3章 地质构造分析的力学基础40剪裂2022-4-30第3章 地质构造分析的力学基础416. 剪切破裂的主要参数：p1) 共轭剪破裂角：2q.p2) 剪裂角：q.(二) 岩石变形的阶段2022-4-30第3章 地质构造分析的力学基础42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)(单位MPa) 抗压强度

14、抗剪强度抗张强度 7. 常温常压下各类岩石的强度极限(二) 岩石变形的阶段2022-4-30第3章 地质构造分析的力学基础438. 材料力学性质分类p1) 脆性材料：破坏前塑性变形5的材料.p2) 韧性材料：破坏前塑性变形10的材料.p3) 脆韧性过渡材料：以上两者之间.(二) 岩石变形的阶段2022-4-30第3章 地质构造分析的力学基础449. 岩石主要韧性变形机制p1) 粒间滑动：如砂子的塑性变形.p2) 粒内滑动：平移滑动双晶滑动(二) 岩石变形的阶段2022-4-30第3章 地质构造分析的力学基础45p3) 压溶重结晶作用：2022-4-30第3章 地质构造分析的力学基础461. 库

15、仑剪破裂准则：t =to+sm= to+ stgf p to 内聚力 m内磨擦系数(tgf ) f 内磨擦角 适用条件：脆性岩石，围压较小 (三) 剪裂角分析2022-4-30第3章 地质构造分析的力学基础47u剪裂角q q =45=45o o- -f f/2 /2nq qs1(90o+ f f)/2)/2q q =90=90o o-(90-(90o o+ +f f)/2)/22022-4-30第3章 地质构造分析的力学基础482. 莫尔剪破裂准则：Tn=f(sn) 适用条件：塑性岩石，围压较大 v随着温度、围压的增加，剪裂角逐渐接近于45，但不会超过45(剪裂角45情况一般与递进变形有关).

16、(三) 剪裂角分析2022-4-30第3章 地质构造分析的力学基础493. 格里菲斯准则(自习)p特点：来自数学推导.(三) 剪裂角分析2022-4-30第3章 地质构造分析的力学基础501. 椭球方程(四) 应变椭球体2022-4-30第3章 地质构造分析的力学基础512. 特征要素：p1) 不变歪面和均变歪面：三轴应变椭球过l2的两个圆截面.p2) AB面：C轴.p3) BC面：张裂面.p4) A轴.(四) 应变椭球体2022-4-30第3章 地质构造分析的力学基础52(五) 递进变形1. 概念：应变状态发生连续变化的变形过程.2022-4-30第3章 地质构造分析的力学基础532. 全量

17、应变和增量应变(五) 递进变形2022-4-30第3章 地质构造分析的力学基础543. 共轴递进变形和非共轴递进变形p1) 共轴递进变形：增量应变椭球的主轴方向与全量应变椭球主轴方向始终保持一致. (五) 递进变形2022-4-30第3章 地质构造分析的力学基础55p2) 非共轴递进变形：增量应变椭球的主轴方向与全量应变椭球主轴方向不一致.2022-4-30第3章 地质构造分析的力学基础56u递进变形过程中，变形物体内部不同方向的物质线可以有不同的拉伸和压缩变形历史（不属两期变形的产物）.递进变形过程中不同方向物质线的变形2022-4-30第3章 地质构造分析的力学基础57(六) 变形岩石的应

18、变测量1. 原理：根据标志物求取有限应变椭球体.2022-4-30第3章 地质构造分析的力学基础582. 主要标志物类型p1) 原始为圆球或椭球的标志物（如鲕粒、砾石）.(六) 变形岩石的应变测量2022-4-30第3章 地质构造分析的力学基础59p2) 已知原始形状的其它标志物（砾石、化石、晶体）.u具体方法参照Ramsay现代构造地质学方法u郑亚东岩石有限应变测量和显微构造2022-4-30第3章 地质构造分析的力学基础60主要内容1. 应力分析 2. 变形分析3. 影响岩石力学性质与岩石变形的因素2022-4-30第3章 地质构造分析的力学基础61(一) 主要因素1. 内因：p1) 岩石

19、成份.p2) 结构.p3) 构造.2022-4-30第3章 地质构造分析的力学基础622. 外因：p1) 围压.p2) 温度.p3) 溶液.p4) 孔隙压力.p5) 时间.p6) 应力状态. (一) 主要因素2022-4-30第3章 地质构造分析的力学基础63(二) 外因1.围压（静岩压力）p1) 作用：增加岩石的韧性，提高岩石的强度极限和弹性极限.2022-4-30第3章 地质构造分析的力学基础64p2) 原理：高围压使岩石的质点彼此接近，增强了聚力.磁黄铁矿闪锌矿2022-4-30第3章 地质构造分析的力学基础652. 温度p1) 作用：强度降低，弹性减弱，韧性增强.围压100MPa和不同

20、温度作用下磁黄铁矿(a)和闪锌矿(b)的应力-应变曲线(二) 外因2022-4-30第3章 地质构造分析的力学基础66p2) 原理：增高温度，使岩石质点的热运动增强，减弱了质点之间的联系能力. 2022-4-30第3章 地质构造分析的力学基础673. 溶液p1) 作用：弹性极限和强度下降，韧性增强.v溶液和温度对大理岩变形影响的应力溶液和温度对大理岩变形影响的应力- -应变曲线图应变曲线图. . ( (围压为围压为141400MPa)00MPa)(二) 外因2022-4-30第3章 地质构造分析的力学基础68p2) 原理：ua) 溶液分子进入晶格，使矿物分子之间的凝聚力下降 “水致弱化”现象.

21、ub) 溶液有利于重结晶作用的发生，容易发生塑性变形.2022-4-30第3章 地质构造分析的力学基础694. 孔隙流体压力p1) 作用：使得岩石容易发生破裂，强度下降.(二) 外因2022-4-30第3章 地质构造分析的力学基础70p2) 原理：使有效正应力下降utt o+m(sp).up -孔隙流体压力.l有效正应力有效正应力(s sp).2022-4-30第3章 地质构造分析的力学基础715. 时间p1) 快速施力与缓慢施力对岩石变形的影响.ua) 快速施力作用：脆性，强度较高.ub) 缓慢施力作用：塑性，强度下降. (二) 外因2022-4-30第3章 地质构造分析的力学基础72p2) 蠕变：保持应力不变，随时间延长，变