地质构造分析的力学基础.ppt
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1、第三章第三章地质构造分析的力学基础地质构造分析的力学基础 岩层和岩体,发生变形和相对位移,形岩层和岩体,发生变形和相对位移,形成各式各样的地质构造,这是地壳运动所引成各式各样的地质构造,这是地壳运动所引起的起的地应力地应力作用的结果,所以,要研究地质作用的结果,所以,要研究地质构造的发生、发展和组合规律,就必须研究构造的发生、发展和组合规律,就必须研究应力活动的规律与岩层的变形特征应力活动的规律与岩层的变形特征。本章将重点介绍应力分析、变形分析的本章将重点介绍应力分析、变形分析的基本概念基本概念及影响岩石力学性质与岩石变形的及影响岩石力学性质与岩石变形的因素。因素。第一节第一节 应力分析应力分
2、析 第二节第二节 变形分析变形分析第三节第三节 地壳岩石圈岩石力地壳岩石圈岩石力学性质学性质 第一节第一节 应力分析应力分析 一、外力、内力和应力一、外力、内力和应力二、应力状态二、应力状态三、二维应力分析三、二维应力分析四、三维应力分析(不讲)四、三维应力分析(不讲)五、应力场、构造应力场、应五、应力场、构造应力场、应 力轨迹和应力集中力轨迹和应力集中 本节主要内容本节主要内容应力、正应力、剪应力应力、正应力、剪应力的概念。的概念。主应力、主方向主应力、主方向和主平面的概念和应力状和主平面的概念和应力状态。态。应力莫尔园的概念和特点应力莫尔园的概念和特点。应力场、应力轨迹应力场、应力轨迹 第
3、一节第一节 应力分析应力分析 一、外力、内力和应力一、外力、内力和应力 1 1、外力、外力:对于一个物体来说,另一个:对于一个物体来说,另一个物体施加于这个物体上的力称之为外力。物体施加于这个物体上的力称之为外力。分两种:分两种:面力面力:通过接触面传递的力,叫面力。:通过接触面传递的力,叫面力。体力体力:相隔一定距离相互作用的力,叫:相隔一定距离相互作用的力,叫体力。如吸引力、重力等都是体力。体力。如吸引力、重力等都是体力。2 2、内力:、内力:是同一物体内部各部分之间的相是同一物体内部各部分之间的相互作用力。互作用力。物体在未受外力作用时物体在未受外力作用时,其内部各质点处于,其内部各质点
4、处于相对平衡稳定状态,从而使其保持一定形状。相对平衡稳定状态,从而使其保持一定形状。当物体受到外力作用时当物体受到外力作用时,其内部各质点相对,其内部各质点相对位置发生变化,它们的相互作用力也会发生改变,位置发生变化,它们的相互作用力也会发生改变,致使达到一个新的平衡。在外力作用下内力的改致使达到一个新的平衡。在外力作用下内力的改变量称为变量称为附加内力,或简称内力附加内力,或简称内力。这些附加内力。这些附加内力反映了外力的效果,它阻止物体继续变形并力图反映了外力的效果,它阻止物体继续变形并力图恢复其原来形状,这种附加内力才是与地层发生恢复其原来形状,这种附加内力才是与地层发生变形有关的力。变
5、形有关的力。3 3、应力(、应力():):单位面积上的内力。单位面积上的内力。当外力当外力P P作用于物体时,物体内部便产作用于物体时,物体内部便产生了与外力作用相抗衡的内力生了与外力作用相抗衡的内力p p。用截面法研究:用截面法研究:假定将这个物体沿剖面假定将这个物体沿剖面切开,取出其中一部分切开,取出其中一部分而保留它对截面而保留它对截面A A的内的内力力p p不变,这时截面不变,这时截面A A上上的内力的内力p p与外力与外力P P大小相大小相等,方向相反。等,方向相反。(1 1)在截面在截面外力,外力,内力均匀分布情况下,内力均匀分布情况下,其应力值为:其应力值为:=p/A=p/A 代
6、表应力,即表示作用于物体内代表应力,即表示作用于物体内A A截面截面单位面积上的附加内力单位面积上的附加内力,它表示内力的大小,它表示内力的大小,应力单位为帕斯卡应力单位为帕斯卡(Pa)(Pa)。(2 2)在截面不)在截面不外力方外力方向,且内力不均布时:(可向,且内力不均布时:(可取极限,令取极限,令F F0 0)首先将作用于首先将作用于dFdF上的附上的附加内力加内力dPdP分解为垂直于分解为垂直于dFdF的的dNdN与平行与平行dFdF的的dTdT。作用于作用于dFdF截面上的应力为:截面上的应力为:合应力合应力:f f=dp/dFdp/dF 正应力正应力:=dN/dFdN/dF 垂直于
7、截面垂直于截面dFdF上的应力叫正应力。正应力可上的应力叫正应力。正应力可以是压应力,也可以是张(拉)应力。以是压应力,也可以是张(拉)应力。剪应力:剪应力:=dT/dFdT/dF 平行于截面平行于截面dFdF上的应上的应力叫剪应力(切应力)。力叫剪应力(切应力)。正应力(正应力():):可以是挤压力,可以是挤压力,也可以是拉张力。地质上习惯以也可以是拉张力。地质上习惯以压应压应力为正,张应力为负力为正,张应力为负。(注:材料力。(注:材料力学中张应力为正,压应力为负)学中张应力为正,压应力为负)剪应力(剪应力():):其作用是使质点其作用是使质点沿截面发生相对剪切滑移。使物体有沿截面发生相对
8、剪切滑移。使物体有逆时针转动逆时针转动趋势的剪应力趋势的剪应力为正为正,使物,使物体有体有顺时针转动顺时针转动趋势的剪应力趋势的剪应力为负为负。符号规定符号规定+_ _+_ _(一)点应力状态(一)点应力状态 物体受外力作用后,其内部各点的应力物体受外力作用后,其内部各点的应力分布是不相同的。为了研究物体内部应力分分布是不相同的。为了研究物体内部应力分布规律,常从点应力状态研究入手。布规律,常从点应力状态研究入手。点应力状态点应力状态:是指受力物体内一点,通:是指受力物体内一点,通过该点各个方向截面上的应力分布情况之和。过该点各个方向截面上的应力分布情况之和。二、应力状态二、应力状态21211
9、2fO O O点处合应力点处合应力f f大小大小一定。一定。当截面为当截面为1 1时时,正应力及,正应力及剪应力为剪应力为1 1、1 1。当截面为当截面为2 2时时,正应力及,正应力及剪应力为剪应力为2 2、2 2。过一点的一切截面的应过一点的一切截面的应力分布情况,称为该点的力分布情况,称为该点的应力状态。应力状态。Of2 怎样描述一点的应力呢?怎样描述一点的应力呢?受力物体内任意点的应力分布可截取包含受力物体内任意点的应力分布可截取包含该点在内的小单元体该点在内的小单元体正六面体来研究。正六面体来研究。作用于单元体作用于单元体的有的有三个主应力:三个主应力:1 1、2 2、3 3单元体内有
10、单元体内有三个主平面:三个主平面:S S1 1、S S2 2、S S3 3 主平面:主平面:当物体受力处于平衡状态时,通过物当物体受力处于平衡状态时,通过物体内部任意点,总可以截取这样一个微小的立体内部任意点,总可以截取这样一个微小的立方体,使其三对相互垂直的六个面上只有正应方体,使其三对相互垂直的六个面上只有正应力作用,而无剪应力作用,该六个面称为主平力作用,而无剪应力作用,该六个面称为主平面。面。主应力主应力:一般情况下,这六个面上三对主应力值一般情况下,这六个面上三对主应力值是不等的,分别称为最大主应力(是不等的,分别称为最大主应力(1 1)、中间)、中间主应力(主应力(2 2)和最小主
11、应力()和最小主应力(3 3)。主应力轴:主应力轴:每对主应力作用的方向线称为主应力每对主应力作用的方向线称为主应力轴。轴。主平面、主应主平面、主应力及主应力轴力及主应力轴123说说 明明当这三对应力值都相等时,物体只会发生当这三对应力值都相等时,物体只会发生体积变化,而形状不变。体积变化,而形状不变。当三对主应力大小不等时,物体就会发生当三对主应力大小不等时,物体就会发生形状变化。形状变化。最大主应力(最大主应力(1 1)与最小主应力()与最小主应力(3 3)之)之差称为差称为应力差应力差。其它条件相同时,应力差。其它条件相同时,应力差愈大,其所引起的形状变化也愈明显。愈大,其所引起的形状变
12、化也愈明显。(二)应力椭球体(二)应力椭球体(stress ellipsoidstress ellipsoid)应力椭球体:应力椭球体:当主应当主应力力1 12 23 3且符号相且符号相同时,可以根据一点的主同时,可以根据一点的主应力矢量应力矢量1 1、2 2、3 3为为半径作出一个椭球体,代半径作出一个椭球体,代表作用于该点的全应力状表作用于该点的全应力状态,该椭球体称为应力椭态,该椭球体称为应力椭球体。球体。平行于主平面的二维平行于主平面的二维截面中的应力矢量构成一截面中的应力矢量构成一应力椭圆应力椭圆。(三)点应力状态分类(三)点应力状态分类 物体中一点的应力状态有三种基本类型:物体中一
13、点的应力状态有三种基本类型:1 1、三轴应力状态、三轴应力状态:指三个主应力:指三个主应力1 1 、2 2和和3 3值均不等于零的应力状态。这是自然值均不等于零的应力状态。这是自然界中最为普遍的一种应力状态。界中最为普遍的一种应力状态。2 2、双轴应力状态、双轴应力状态:指两个主应力值不等:指两个主应力值不等于零,而另一个主应力值为零的应力状态。于零,而另一个主应力值为零的应力状态。3 3、单轴应力状态、单轴应力状态:指三个主应力中只有:指三个主应力中只有一个主应力值不为零,另外两个主应力值均一个主应力值不为零,另外两个主应力值均等于零的应力状态。等于零的应力状态。只研究某二向应力的作用,不考
14、虑只研究某二向应力的作用,不考虑第三向应力的作用。当然单、双、三轴第三向应力的作用。当然单、双、三轴应力状态均可进行二维应力分析。应力状态均可进行二维应力分析。(一)单轴应力状态的二维应力分析(一)单轴应力状态的二维应力分析 是讨论:在单轴应力状态下,包含是讨论:在单轴应力状态下,包含2 2的的任意截面上主应力任意截面上主应力1 1与与、的的关系。关系。分析方法分析方法:计算法、图解法两种:计算法、图解法两种三、二维应力分析三、二维应力分析计算公式:计算公式:=1 1/2 2(1+cos(1+cos2 2)=1 1/2 2sinsin2 2 1 1、计算法:、计算法:设作用于物体的外力为设作用
15、于物体的外力为P P1 1,内力为,内力为p p1 1,求在斜截面求在斜截面MN(Aa)MN(Aa)上的正应力上的正应力和剪应力和剪应力。垂直于内力垂直于内力p p1 1的截面的截面MOMO的单位面积的单位面积A A0 0上的应上的应力力1 1为为:1 1=p=p1 1/A/Ao o 与内力与内力p p1 1斜交的任意截面斜交的任意截面MNMN的面积的面积A Aa a上的合上的合应力应力A A为:为:A A=p=p1 1/A/Aa a 设斜截面设斜截面MNMN与垂直截面与垂直截面MOMO的交角为的交角为,此角,此角亦等于斜截面亦等于斜截面MNMN的法线与合应力的法线与合应力A A的交角。斜截的
16、交角。斜截面面MNMN的面积的面积A Aa a与垂直截面与垂直截面MOMO的面积的面积A Ao o关系为:关系为:A Aa a=A Ao o/cos/cos(coscos=A Ao o/A/Aa a)在斜截面在斜截面AaAa上的正应力上的正应力和剪应力和剪应力分别为:分别为:=A Acoscos=(p p1 1/A/Aa a)coscos =(p =(p1 1/A/Ao o)coscos2 2=1 1coscos2 2 =1 1/2/2 (1+cos21+cos2)(1+cos2=2cos1+cos2=2cos2 2)二倍角公式二倍角公式 =A Asinsin=(p p1 1/A/Aa a)s
17、insin =(p =(p1 1/A/Ao o)coscos sinsin=1 1coscos sinsin =1 1/2/2 sin2sin2 (sin2=2cossinsin2=2cossin)1 1=p=p1 1/A/Ao o A A=p=p1 1/A/Aa a A Aa a=A Ao o/cos/cos当当=0=0 时,时,=1 1;=0 =0 张、压应张、压应力截面,力截面,maxmax当当=45=45时,时,=1 1/2/2;=1 1/2 /2 说明在与挤压方向成说明在与挤压方向成4545交角的截面上交角的截面上剪应力值最大,该截面称为剪应力值最大,该截面称为最大剪应力最大剪应力作
18、用面作用面。当当=90=90时,时,=0=0;=0=0 说明平行说明平行于作用力的截面上无于作用力的截面上无、。上述公式特点上述公式特点=1 1/2(1+cos2)/2(1+cos2)=1 1/2sin2/2sin2cosinesine4502 2、图解法:单轴应力状态莫尔圆、图解法:单轴应力状态莫尔圆 运用应力莫尔圆可以较好地反映受力物运用应力莫尔圆可以较好地反映受力物体内含体内含2 2的任意截面上的应力值。的任意截面上的应力值。(1 1)概念:)概念:将将=1 1/2/2(1+cos2)(1+cos2);=1 1/2/2sin2sin2二式两边平方后相加得:二式两边平方后相加得:(-1 1
19、/2/2)2 2+2 2=(1 1/2/2)2 2 上式是一个圆方程,在以上式是一个圆方程,在以为纵坐标,为纵坐标,为横坐标的直角坐标系中,圆心座标为为横坐标的直角坐标系中,圆心座标为(1 1/2/2;0 0),半径为,半径为1 1/2/2。此圆称为莫。此圆称为莫尔应力圆,简称莫尔圆。尔应力圆,简称莫尔圆。规定:规定:轴轴自自0 0点向右为正,代表压应点向右为正,代表压应力,向左为负,代表张应力。力,向左为负,代表张应力。轴轴自自0 0点向上为正,代表逆时针扭动,点向上为正,代表逆时针扭动,向下为负,代表顺时针扭动。向下为负,代表顺时针扭动。CO+1 莫尔圆的圆莫尔圆的圆周是无数个点的周是无数
20、个点的轨迹,轨迹,这些点代这些点代表表取任意值的那取任意值的那些截面上的应力些截面上的应力值。值。(2 2)应用莫尔圆求)应用莫尔圆求、莫尔圆上的任意点莫尔圆上的任意点都代表一个截面,如都代表一个截面,如nnnn截面,其法线截面,其法线N N与与1 1的的夹角为夹角为,从,从A A逆时针方逆时针方向取一圆心角向取一圆心角22ACDACD。圆上的。圆上的D D点就代点就代表表nnnn截面,截面,D D点的坐标点的坐标OEOE和和EDED分别等于截面上的分别等于截面上的正应力(正应力()和剪应力)和剪应力()。)。证明证明:OE=OC+CE=OE=OC+CE=1 1/2+/2+1 1/2cos2/
21、2cos2 =1 1/2/2(1+cos21+cos2)=ED=CDED=CDsin2=sin2=1 1/2/2sin2=sin2=由此证明,莫尔由此证明,莫尔圆上的一个点,代表圆上的一个点,代表单元体内一个面,点单元体内一个面,点的坐标就代表该面上的坐标就代表该面上的的和和。顺口溜顺口溜圆上的点,体上的面,二倍圆上的点,体上的面,二倍角,同向转。角,同向转。在莫尔圆在莫尔圆上上可以看到下可以看到下列列特点特点:1 1、=0=0时,则时,则=1 1;=0=0,正应力,正应力值最大。值最大。2 2、=90=90时,则时,则 =0=0;=0=0,即主应,即主应1 1平行截面。平行截面。3 3、=4
22、5=45时,时,=1 1/2/2;=1 1/2/2,剪,剪应力最大。应力最大。(3 3)任意相互垂直截)任意相互垂直截面上应力的关系:面上应力的关系:设设mmmm截面截面nnnn截面,截面,mmmm截面上法线截面上法线N N与与1 1方向线方向线交角为交角为=9090o o+,在莫尔,在莫尔圆上对应圆上对应mmmm截面的点是截面的点是D D D D点的坐标点的坐标OFOF和和FD FD 分别等于分别等于、,DDDD是莫尔圆的直径。故在是莫尔圆的直径。故在nnnn和和mmmm截面上,截面上,和和1 1有如有如下关系:下关系:在在CDFCDF和和CDECDE中:中:CF=CECF=CE,OC=AC
23、 OC=AC OF=AE OF=AE 故:故:+=1 1说明:说明:两个互相两个互相的截面的截面上,正应力之和等于主应上,正应力之和等于主应力值,与截面方向无关。力值,与截面方向无关。在在CDFCDF和和CDECDE中:中:DF=DE DF=DE =DE=DF=-=DE=DF=-说明:说明:两个互相两个互相的截面上,剪应力大小相的截面上,剪应力大小相等,符号相反,称剪应力互等定律,它们成等,符号相反,称剪应力互等定律,它们成对出现。对出现。(二)双轴应力状态的二维应力分析(二)双轴应力状态的二维应力分析双轴应力状态分析双轴应力状态分析P2P2P2P2P22 22P P1 1PP2 2 是讨论:
24、在双轴应力状态下,物体内任一是讨论:在双轴应力状态下,物体内任一点含点含3 3(2 2)的任意截面上的任意截面上1 1、2 2(3 3)与与、的关系。的关系。设物体受到互相垂直不为零的设物体受到互相垂直不为零的压力压力P P1 1,P P2 2的作用,且的作用,且P P1 1P P2 2。可用。可用单轴应力状态的公式分别求出在单轴应力状态的公式分别求出在P P1 1和和P P2 2单独作用下,截面(单独作用下,截面(MNMN)上的)上的正应力正应力、和剪应力和剪应力、,进行代数相加即得出双轴应力进行代数相加即得出双轴应力状态下正应力和剪应力的公式:状态下正应力和剪应力的公式:设物体只受设物体只
25、受P P1 1作用,作用,MNMN截面上:截面上:=1 1/2(1+cos2)/2(1+cos2)=1 1/2sin2/2sin2设物体只受设物体只受P P2 2作用,作用,MNMN截面上:截面上:=2 2/2(1+cos2)/2(1+cos2)=2 2/21+cos/21+cos(180180O O+2+2)=2 2/2(1-cos2)/2(1-cos2)=2 2/2sin2/2sin2 =2 2/2sin/2sin(180180O O+2)+2)=-2 2/2sin2/2sin2 1 1、计算法:、计算法:P2P22 22 在在1 1和和2 2的共同作用下:的共同作用下:=+=1 1+2
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