新第三章_岩石变形分析的基础知识稿

1、第一节 应力分析基础第二节 变形分析第三节 岩石变形阶段第四节 影响岩石力学性质和岩石变形的因素第五节 构造应力场第一节第一节 应力分析基础应力分析基础一、有关概念一、有关概念（二）（二）内力内力 由外力引起的物体内部的相互作用力。1.1.固有内力：固有内力：物体内部各个质点之间原来存在的自然结合力2.2.附加内力：附加内力：物体受外力作用时 ( (一一) )外力外力1.1.面力面力：通过传递的力，也称作表面力2.2.体力体力：作用于物体内部所有质点的力，如重力、吸引力的方向与的方向一致方向一致 在面力或体力作用下，物体内部的面上单位面积上的。是作用在该面上的。二、应力二、应力（一）概念（一）

2、概念第一节第一节 应力分析基础应力分析基础2.2.应力分布不均匀时应力分布不均匀时( (二二) )应力的大小：应力的大小：1.1.内力分布均匀时内力分布均匀时第一节第一节 应力分析基础应力分析基础对对概念其它方式的理解：概念其它方式的理解：力的强度力的强度类似的表达：压强压强第一节第一节 应力分析基础应力分析基础正应力（1）和剪应力（）三、应力分解三、应力分解第一节第一节 应力分析基础应力分析基础1.正应力（ 1 ）2.剪应力（）1若这六个应力分量已知， 应力分量示意图应力分量示意图就可以求出通过这点的任一截面上的应力，所以把这六个应力分量称为一点的应力分量。( (一一) )一点的应力分量一点

3、的应力分量一点：微小六面体四、一点的应力、主应力四、一点的应力、主应力6个独立的应力分量：x、y、z、xy、xz、yz 第一节第一节 应力分析基础应力分析基础三个正交平面上只有只有正应正应力力，没有，没有剪应力剪应力，此时的称为该点的主应力。321123用1、2、3表示且12 3（二）主应力（二）主应力两个为零时，为单轴应力，一个为零时，为双轴应力，三个都不为零时，为三轴应力第一节第一节 应力分析基础应力分析基础主应力示意图主应力示意图分解平面主应力状态可以理解为两个单轴主应力状态的叠加。一、单轴横向拉伸一、单轴横向拉伸 =P /Amn =P / (Amn/cos) =1cos1= cos=1

4、cos21= sin=1cossin角度取 逆时针为正逆时针为正 = (90) =P/Amn =P/(Amn/cos)=2cos2= cos=2cos2 2 = sin=2cossin二、单轴纵向拉伸二、单轴纵向拉伸三、平面主应力状态三、平面主应力状态N = 1+ 2=1cos2+2cos2 cos2 =(1+cos2 )/2 = -90 =1+2 = 1cossin+2cossin三、平面主应力状态三、平面主应力状态上式为平面主应力状态下求任意截面上的应力公式第二节第二节 变形分析变形分析 （一）（一）变形变形 物体受到应力作用后，其内部各点间的相对位置发生改变。变形包括（形状的改变）和（体

5、积的改变）。一、变形和应变一、变形和应变（二）应变（二）应变 线应变 变形程度（大小）的度量，分为： 剪应变一、变形和应变一、变形和应变第二节第二节 变形分析变形分析线变形示意图线变形示意图P外力；外力；L 0变形前的纵向长度；变形前的纵向长度；L变形后的纵向长度；变形后的纵向长度；H0变形前的横向宽度；变形前的横向宽度；H变形后的横向宽度变形后的横向宽度 1.1.线应变（线应变（）第二节第二节 变形分析变形分析线应变变形示意图线应变变形示意图P外力；外力；L 0变形前的纵向长度；变形前的纵向长度；L变形后的纵向长度；变形后的纵向长度；H0变形前的横向宽度；变形前的横向宽度；H变形后的横向宽度

6、变形后的横向宽度 一、变形和应变一、变形和应变1.1.线应变（线应变（）泊泊松松比比（变形后偏离直角的量）第二节第二节 变形分析变形分析剪应变变形示意图一、变形和应变一、变形和应变2.2.剪应变剪应变（ ）=二、应变椭球体二、应变椭球体 在变形前的连续介质中任意划定一个圆球体，当介质发生均匀变形时，圆球体变成了椭球体，这种椭球体称为应变椭球体应变椭球体。 第二节第二节 变形分析变形分析 1（X,A）为最大应变轴（1）半轴长1设物体内部单位圆球半径L0 =1，规定规定： 2（Y,B）为中间应变轴（或或） 3（Z,C）为最小应变轴（抗剪强度抗拉强度第三节第三节 岩石变形阶段岩石变形阶段四、岩石断裂

7、方式四、岩石断裂方式不同变形方式所产生的张裂面(a)压缩压缩，(b)拉伸拉伸，(c)剪切剪切第三节第三节 岩石变形阶段岩石变形阶段四、岩石断裂方式四、岩石断裂方式不同变形方式所产生的剪裂面(a)压缩压缩，(b)拉伸拉伸，(c)剪切剪切第三节第三节 岩石变形阶段岩石变形阶段岩石变形行为作用力变形条件岩石力学性质大小方式组成结构构造围压围压温度温度流体流体/ /溶液溶液孔隙压力孔隙压力时间时间第四节第四节 影响岩石力学性质和岩石变形的因素影响岩石力学性质和岩石变形的因素第四节第四节 影响岩石力学性质和岩石变形的因素影响岩石力学性质和岩石变形的因素一、围压一、围压在不同围压下对白云岩进行压缩实验的在

8、不同围压下对白云岩进行压缩实验的应力应力应变曲线（据王仁等，应变曲线（据王仁等，1981）围压增大，岩石强度极限得到提高，韧性增强二、温度二、温度温度升高，使岩石韧性增大韧性增大，屈屈服极限降低服极限降低第四节第四节 影响岩石力学性质和岩石变形的因素影响岩石力学性质和岩石变形的因素温度对应变的影响示意图温度对应变的影响示意图三、孔隙流体和孔隙流体压力三、孔隙流体和孔隙流体压力 岩石中的流体有利于物质迁移，促进压溶、重结晶（塑性变形）作用进行，降低岩石强度； 当孔隙流体压力大到几乎等于围压时，可以使岩石产生浮起效应；第四节第四节 影响岩石力学性质和岩石变形的因素影响岩石力学性质和岩石变形的因素印

9、第安纳灰岩在印第安纳灰岩在1.45MPa围压下的压缩变围压下的压缩变形中孔隙压力对应力形中孔隙压力对应力应变曲线的影响应变曲线的影响（据（据P. Robinson，1959） 孔隙流体压力可抵消一部分围压，减小有效围压（e=c-p），从而降低岩石强度，易于脆性破坏发生。第四节第四节 影响岩石力学性质和岩石变形的因素影响岩石力学性质和岩石变形的因素孔隙压力的效应示意图孔隙压力的效应示意图（据（据B.E. Hobbs，1976）三、孔隙流体和孔隙流体压力三、孔隙流体和孔隙流体压力四、时间四、时间（一）（一）施力速度施力速度快速施力岩石质点来不及重新排列，岩石变形速度加快脆性变形缓慢施力岩石质点有充

10、分时间固定塑性变形在不同施力和应变速度下砂岩的应力应变曲线在不同施力和应变速度下砂岩的应力应变曲线第四节第四节 影响岩石力学性质和岩石变形的因素影响岩石力学性质和岩石变形的因素 岩石重复受力，作用力不大，也能使岩石破裂。力的作用次数增加，破裂的应力值就降低，并趋于水平。水平应力值代表物体在重复受力下发生破裂的最低应力极限。某种金属耐力曲线（据某种金属耐力曲线（据M.P.Billings）第四节第四节 影响岩石力学性质和岩石变形的因素影响岩石力学性质和岩石变形的因素四、时间四、时间（二）重复受力（二）重复受力1.松弛松弛：岩石受力变形过程中，应变不变，应力随时间的增长而缓慢减小。松弛曲线松弛曲线

11、第四节第四节 影响岩石力学性质和岩石变形的因素影响岩石力学性质和岩石变形的因素四、时间四、时间（三）松弛与蠕变（三）松弛与蠕变蠕变曲线蠕变曲线 a典型蠕变曲线；典型蠕变曲线；低温低应力；低温低应力；高温高应力高温高应力2.蠕变蠕变：岩石受力变形过程中，应力不变，应变随时间的增长而逐渐加大。第四节第四节 影响岩石力学性质和岩石变形的因素影响岩石力学性质和岩石变形的因素四、时间四、时间（三）松弛与蠕变（三）松弛与蠕变一、构造应力场的概念一、构造应力场的概念( (一一) )相关概念相关概念1.场：场：点的集合 2.应力场：应力场：点应力状态的集合 3.构造应力场：构造应力场： 构造作用形成 的应力场

12、4.应力场的简洁表示：应力场的简洁表示： 应力迹线网络 地表以下一定深度范围内地表以下一定深度范围内由重力引起的应力场由重力引起的应力场（据（据Means, 1976）第五节第五节 构造应力场构造应力场GPS观测到的中国大陆现今构造背景场的观测到的中国大陆现今构造背景场的水平分量（据水平分量（据张培震张培震, 2002）（二）研究对象规模（二）研究对象规模1.局部构造应力场2.区域构造应力场3.全球构造应力场1.古构造应力场2.现今构造应力场（三）时间（三）时间第五节第五节 构造应力场构造应力场一、构造应力场的概念一、构造应力场的概念第五节第五节 构造应力场构造应力场二、构造应力场的表示二、构

13、造应力场的表示即定时定时、定向定向、定量定量。1.定时定时：确定构造应力场存在的时期。 2.定向定向：确定构造应力的空间方位，通常确定主应力轴和最大剪应力的方向。（1）应力迹线：应力场中某种应力方向的变化线。（2）应力网络：几组应力迹线分布的几何图像。3.定量定量：确定应力值的大小。 地表以下一定深度范围地表以下一定深度范围内由重力引起的应力场内由重力引起的应力场（据（据Means, 1976）三、古构造应力场的研究三、古构造应力场的研究主应力轴空间方位的测定（一）利用褶皱和断层进行测定（一）利用褶皱和断层进行测定（二）利用共轭剪节理进行测定（二）利用共轭剪节理进行测定（三）利用构造缝合线进行

14、测定（三）利用构造缝合线进行测定第五节第五节 构造应力场构造应力场（一）利用褶皱和断层来测定（一）利用褶皱和断层来测定断层与主应力断层与主应力褶皱与主应力褶皱与主应力123第五节第五节 构造应力场构造应力场枢纽枢纽（二）利用共轭剪节理进行测定（二）利用共轭剪节理进行测定11共轭剪节理与主应力的关系共轭剪节理与主应力的关系第五节第五节 构造应力场构造应力场一般而言，共轭剪节一般而言，共轭剪节理的锐角平分线理的锐角平分线1（三）利用构造缝合线进行测定（三）利用构造缝合线进行测定不纯碳酸盐岩中常发育，是一种缝合面，压溶作用的产物。岩石中原始边界形状不平整，压应力在一些点集中形成缝合面,其锥轴的方向就

15、是1的方向。缝合线示意图缝合线示意图第五节第五节 构造应力场构造应力场第三节第三节 应力莫尔圆应力莫尔圆一、主应力莫尔圆一、主应力莫尔圆平面主应力状态的应力莫尔圆平面主应力状态的应力莫尔圆如图所示，图（如图所示，图（a）是一个受力物体，受到水平）是一个受力物体，受到水平100kgf/cm2的压应力。图（的压应力。图（b）（c）为物体内截面）为物体内截面mnmn的应力分析图示。截面法线与应力的应力分析图示。截面法线与应力1的作用方向夹角为的作用方向夹角为60。用公式可以求的。用公式可以求的 =25kgf/cm2，= 43.3kgf/cm2，也可以用莫尔圆法求，也可以用莫尔圆法求得，如图（得，如图（d）中圆周上的点）中圆周上的点C与与截面截面mn的受力状态对应。的受力状态对应。第三节第三节 应力莫尔圆应力莫尔圆（a）（b）（c c）（d d）二、平面应力莫尔圆的基本类型二、平面应力莫尔圆的基本类型静水拉伸静水拉伸一般拉伸一般拉伸单轴拉伸单轴拉伸拉伸压缩拉伸压缩纯剪应力纯剪应力单轴压缩单轴压缩一般压缩一般压缩静水压缩静水压缩第三节第三节 应力莫尔圆应力莫尔