构造地质第三章

1、构造地质第三章第1页，共44页，2022年，5月20日，4点50分，星期四第2页，共44页，2022年，5月20日，4点50分，星期四应力 应力是在面力或体力的作用下引起的，作用在物体内或表面单位面积上的一对大小相等方向相反的力，应力的方向与力的方向一致。内力：同一岩石内部各质点之间相互作用的力，可分为固有内力和附加内力。固有内力是指岩石内部各个质点之间原来存在的自然结合力。附加内力是指当岩石受到外力作用时，引起内部固有内力的改变量。第3页，共44页，2022年，5月20日，4点50分，星期四1、合应力：在外力作用下，于岩石内部任一截面上所产生的与外力作用方向平行的应力，即称为作用在该截面上的

2、合应力。2、正应力和剪应力：合力可以运用平行四边形法则分解为两种应力。 正应力（或直应力）：与截面垂直的应力 剪应力：作用于截面上并与其平行的应力第4页，共44页，2022年，5月20日，4点50分，星期四、主应力：在外力作用下，于岩石内部，与外力作用方向垂直的截面上，只产生正应力，不产生剪应力，这种与外力作用方向平行的正应力，称为主应力。与主应力垂直的截面称为主应力面或主平面，其上只有主应力而无剪应力；主应力面的法线称为主应力轴，它代表主应力的作用方向。4、基本计算公式第5页，共44页，2022年，5月20日，4点50分，星期四任意截面（N）上的合应力（合）、外力（P）、主应力面（A），N与

3、A的夹角（n）、主应力（a）等之间的关系为： （上式）第6页，共44页，2022年，5月20日，4点50分，星期四第二节 应力状态分析应力状态的概念在外力作用下，于岩石内部任一点的无数个方向不同的截面上所产生的应力情况，称为岩石内部该点的应力状态。一点的应力状态第7页，共44页，2022年，5月20日，4点50分，星期四一点的应力状态 可以用三个主应力的大小和方向来表示，分别用1、2、3表示最大、中间和最小主应力，123。常见的应力状态有：1、单轴应力状态：一个主应力不等于零，另外两个主应力等于零。2、双轴应力状态：一个主应力为零，另外两个主应力不等于零。3、三轴应力状态：三个主应力都不等于零

4、，为一般的应力状态，123。第8页，共44页，2022年，5月20日，4点50分，星期四二维应力分析1、任一斜截面上的应力分析第9页，共44页，2022年，5月20日，4点50分，星期四表示二维应力状态的莫尔圆 第10页，共44页，2022年，5月20日，4点50分，星期四三维应力分析 三维应力分析是在二维应力分析的基础上进行的，只不过数字表达式更为复杂。第11页，共44页，2022年，5月20日，4点50分，星期四三维应力莫尔圆： 第12页，共44页，2022年，5月20日，4点50分，星期四第13页，共44页，2022年，5月20日，4点50分，星期四第三节 应力场、应力轨迹、应力集中应力

5、场和应力轨迹 物体内各点在某一瞬间的应力状态组成了一个应力场。地壳的一定空间内某一瞬间的应力状态称为构造应力场。表示那一瞬间的应力状态及其变化情况，通常用各点的主应力方向连成的轨迹来表示，称应力轨迹，也称应力迹线，它表示了主应力方向的连续变化。 应力场的研究方法主要有：节理统计、岩组分析、光弹模拟、数学地质模拟等。 第14页，共44页，2022年，5月20日，4点50分，星期四第15页，共44页，2022年，5月20日，4点50分，星期四应力集中 根据材料实验，物质内部的缺陷（如孔洞、缺口、微裂隙等）所在，会引起局部的应力集中，大大超过应力的正常值，使岩石沿着这些应力集中部位首先遭到断裂破坏。

6、第16页，共44页，2022年，5月20日，4点50分，星期四自然界中的岩石并非完整无缺，因此应力集中现象在地壳中也必然存在。 第17页，共44页，2022年，5月20日，4点50分，星期四第四节 变形岩石应变分析基础基本概念1、变形、位移和应变 当地壳中岩体受到应力作用后，其内部各质点经受了一系列的位移，从而使岩体的初始形态、方位和位置发生了改变，通常称为变形。物体的位移是通过其内部各质点的初始位置和终止位置的变化来表达的。质点的初始位置和终止位置的连线叫做位移矢量。位移的基本方式可以分为平移、旋转、体变和形变四种。平移和旋转是指刚体的平移和旋转，是物体相对于外部坐标作整体的平移或旋转。体变

7、和形变分别指体积的变化和形状的变化，体变和形变使物体内部各质点的相对位置发生了改变，从而改变了物体的大小和形状，即引起了物体的应变。 第18页，共44页，2022年，5月20日，4点50分，星期四第19页，共44页，2022年，5月20日，4点50分，星期四 因此，应变是物体在应力作用下的形状和大小的改变量，但有时也包含有旋转的含义。 第20页，共44页，2022年，5月20日，4点50分，星期四2、应变的测量 应变是指与初始状态比较的物体变形后的状态，变形的结果引起物体内质点之间的线段长度的变化或两条线段之间的角度的变化，前者为线应变，后者为剪应变。 （1）线应变第21页，共44页，2022

8、年，5月20日，4点50分，星期四（2）剪应变 第22页，共44页，2022年，5月20日，4点50分，星期四3、主应变、主应变面和主应变轴 在三向应力状态下，于岩石内部任意点上，即在这个单元体中的三个相互垂直的面上，只有线应变而无剪应变，岩石表现为单纯的拉伸或压缩，这个线应变称为主应变；该三个相互垂直的面，称为主应变面；三个相互垂直的主应变方向，称为主应变轴。4、均匀应变和非均匀应变 （1）均匀变形物体各点的应变相同的变形称为均匀变形。其特征是：变形前的直线变形后仍是直线；变形前的平行线变形后仍是平行线。因此，其中任一个小单元体的应变性质（大小和方向）就可以代表整个物体的变形特征。 第23页

9、，共44页，2022年，5月20日，4点50分，星期四第24页，共44页，2022年，5月20日，4点50分，星期四第25页，共44页，2022年，5月20日，4点50分，星期四（2）非均匀变形 物体内各点的应变特征发生变化的变形称为非均匀变形。直线经变形后不再成为直线，而成了曲线或折线，平行线变形后不再保持平行，圆变形后亦不再成为椭圆。 第26页，共44页，2022年，5月20日，4点50分，星期四如果物体内从一点到另一点的应变状态是逐渐改变的，则称为连续变形；如果是突然改变的，则应变是不连续的，称为不连续变形。 第27页，共44页，2022年，5月20日，4点50分，星期四应变椭球体和递进

10、变形1、应变椭球体第28页，共44页，2022年，5月20日，4点50分，星期四设想在变形前岩石内有一个半径为1的单位球体，均匀变形后成为一个椭球以这个椭球的形态和方位来表示岩石的应变状态，这个椭球便称为应变椭球体。 第29页，共44页，2022年，5月20日，4点50分，星期四第30页，共44页，2022年，5月20日，4点50分，星期四2、递进变形 物体变形的最终状态与初始状态对比发生的变化，称为有限应变或总应变或全量应变。实际上，在变形过程中，物体从初始状态变化到最终状态的过程是一个由许许多多微量应变的逐次叠加过程，这种变形的发展过程称为递进变形。 其中，变形期中某一瞬间正在发生的小应变

11、，叫增量应变如果所取瞬间非常微小，其间发生的微量应变可称为无限小应变。 （1）共轴递进变形 在递进变形过程中，如果各增量应变椭球的主轴始终与有限应变椭球的主轴一致，这种变形就叫共轴递进变形。否则就叫非共轴递进变形。递进纯剪变形是共轴递进变形的典型实例。第31页，共44页，2022年，5月20日，4点50分，星期四（2）非共轴递进变形 递进简单剪切是非共轴递进变形的典型实例。第32页，共44页，2022年，5月20日，4点50分，星期四第五节 岩石变形行为及影响因素岩石的力学性质 影响岩石变形的岩石力学性质主要有：1、岩石的弹性和塑性 岩石在外力作用下发生变形，当外力取消后，又恢复到变形前的状态

12、，岩石的这种力学性质称为弹性，这种变形称为弹性变形。 当应力超过岩石的弹性极限，即使外力去掉后，岩石也不能完全恢复到原来的形状，从而使一部分变形保留下来，这种变形称为塑性变形，岩石的这种性质称为塑性。第33页，共44页，2022年，5月20日，4点50分，星期四第34页，共44页，2022年，5月20日，4点50分，星期四2、岩石的脆性和韧性 岩石受力后，若在破裂前，只能承受很小的变形时，称为岩石的脆性。脆性强的岩石，受力变形后很快就会发生破裂。 岩石受力后，若在破裂前，能够承受较大的变形而不失去连续完整性时，称为岩石的韧性。韧性强的岩石不易被拉断、剪断或折断。第35页，共44页，2022年，

13、5月20日，4点50分，星期四3、岩石的刚性 岩石不易发生变形的性质，称为刚性。理想的刚体，在任何应力作用下都不会发生任何变形。岩石不是理想的刚体，且不同岩石的刚性相对地有强有弱。4、岩石的粘性 岩石容易发生流动变形的性质称为粘性。理想的粘性体称为牛顿流体，它是能经受很大程度变形的材料，在长时间的极其微小的应力作用下，就能表现出持续、缓慢的塑性变形，实际上这是在固体条件下的流动变形。第36页，共44页，2022年，5月20日，4点50分，星期四岩石的脆性破坏1、岩石的强度 当岩石所受的应力达到或超过岩石的强度极限时，就会发生断裂。岩石的这种抵抗破坏的能力，称为岩石的强度。2、岩石的脆性破坏方式

14、 岩石的破裂有两种类型：张裂与剪裂。张裂的位移方向垂直于破裂面，张裂面一般垂直于主应力方向。剪裂相对位移平行于破裂面，破裂面一般与最大主压应力方向的夹角小于45度。第37页，共44页，2022年，5月20日，4点50分，星期四第38页，共44页，2022年，5月20日，4点50分，星期四3、库伦剪切破裂准则第39页，共44页，2022年，5月20日，4点50分，星期四库伦认为岩石抗剪切破坏的能力不仅同作用在截面上的剪应力有关，而且还与作用于该截面上的正应力有关。设发生剪裂的临界剪应力为，则： =0+n n作用于该剪切面上的正应力，0-n=0时的岩石抗剪强度，也称为岩石的内聚力，内聚力对于一种岩

15、石而言是一个常数； 内摩擦系数，即为直线的斜率，如以直线的斜角表示，则=tg，则上式为： =0+ntg 岩石的内摩擦角，则上式称为库伦剪切破裂准则。第40页，共44页，2022年，5月20日，4点50分，星期四4、莫尔剪切破裂准则 莫尔根据岩石力学实验的结果，对库伦准则提出了修正。他认为材料的内摩擦角不是常数，而是随围压的变化而变化，其破裂线的方程一般表示为： n=f(n) 这是一条由一系列实验得出的曲线，它包络了同一种岩石在不同围压下破裂时的极限应力圆，这一曲线称为莫尔包络线。第41页，共44页，2022年，5月20日，4点50分，星期四影响岩石变形行为的因素1、岩石的各向异性 2、围压第42页，共44页，2022年，5月20