构造地质第三章精选文档.ppt

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1、构造地质第三章本讲稿第一页，共四十四页本讲稿第二页，共四十四页应力应力 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。本讲稿第三页，共四十四页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

2、力剪应力：作用于截面上并与其平行的应力本讲稿第四页，共四十四页、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、基本计算公式本讲稿第五页，共四十四页任意截面（N）上的合应力（合）、外力（P）、主应力面（A），N与A的夹角（n）、主应力（a）等之间的关系为：（上式）本讲稿第六页，共四十四页第二节第二节应力状态分析应力状态分析应力状态的概念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

3、向不在外力作用下，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。点的应力状态。一一点点的的应应力力状状态态本讲稿第七页，共四十四页一点的应力状态一点的应力状态 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，为一般的应力状态，123。本讲稿第八页，共四十四页二维应力分析二维应力分析1、任一斜截面上的应

4、力分析本讲稿第九页，共四十四页表示二维应力状态的莫尔圆表示二维应力状态的莫尔圆本讲稿第十页，共四十四页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。本讲稿第十一页，共四十四页三三维维应应力力莫莫尔尔圆圆：本讲稿第十二页，共四十四页本讲稿第十三页，共四十四页第三节第三节应力场、应力轨迹、应力应力场、应力轨迹、应力集中集中应力场和应力轨迹应力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

5、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。本讲稿第十四页，共四十四页本讲稿第十五页，共四十四页应力集中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。本讲稿第十六页，共四十四页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。本讲稿第十七页，共四十四页第四节第四节变形岩石应变分析基础变形岩石应变分析基础基本概念基本概念1、变形变形、位移位移和和应变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当地壳中岩体受到应力作用后，

6、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，列的位移，从而使岩体的初始形态、方位和位置发生了改变，通常称为通常称为变形变形。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变四种。平移和旋转是指刚体的平移平移和和旋转旋转，是物体相对，是物体相对于外部坐标作整体的平移或旋转。于外部坐标作整

7、体的平移或旋转。体变体变和和形变形变分别指体积的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。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。本讲稿第十八页，共四十四页本讲稿第十九页，共四十四页 因此因此，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。本讲稿第二十页，共四十四页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

8、变。（1）线应变本讲稿第二十一页，共四十四页（2）剪应变本讲稿第二十二页，共四十四页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。本讲稿第二十三页，共四十四页本讲稿第二十

9、四页，共四十四页本讲稿第二十五页，共四十四页（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，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平行线变形后不再保持平行，圆变形后亦不再成为椭圆。圆。本讲稿第二十六页，共四十四页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，则称为连续变形连续变形；如果是突然改变的，则应变是不连续的，称为；如果是突然改变的，则应变是不连续的，称为不连续不连续变形

10、变形。本讲稿第二十七页，共四十四页应变椭球体和递进变形应变椭球体和递进变形1、应变椭球体本讲稿第二十八页，共四十四页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。本讲稿第二十九页，共四十四页本讲稿第三十页，共四十四页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，叫增量应变如果所取瞬间非常微小，其间发

11、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。本讲稿第三十一页，共四十四页（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。本讲稿第三十二页，共四十四页第五节第五节岩石变形行为及影响因岩石变形行为及影响因素素岩石的力学性质岩石的力学性质影响岩石变形的岩石力学性质主要有：影响岩石变形的岩石力学性质主要有：1、岩石的、岩石的弹性和塑性弹性和塑性岩石在外力作用下发生变形，当外力取消岩石在外力作用下发生变形，当外力取消后，又恢复到变

12、形前的状态，岩石的这种力后，又恢复到变形前的状态，岩石的这种力学性质称为弹性，这种变形称为弹性变形。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，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。塑性变形，岩石的这种性质称为塑性。本讲稿第三十三页，共四十四页本讲稿第三十四页，共四十四页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

13、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。本讲稿第三十五页，共四十四页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。本讲稿第三十六页，共四十四页岩石的脆性破坏岩石的脆性破坏1、岩石的强度当岩石所受的应力达到或超

14、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。本讲稿第三十七页，共四十四页本讲稿第三十八页，共四十四页3、库伦剪切破裂准则本讲稿第三十九页，共四十四页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+nn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，内聚力对于一种岩石而言是一

15、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。本讲稿第四十页，共四十四页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。本讲稿第四十一页，共四十四页影响岩石变形行为的因素影响岩石变形行为的因素1、岩石的各向异性2、围压本讲稿第四十二页，共四十四页3、温度本讲稿第四十三页，共四十四页4、孔隙流体对变形的影响5、时间（1）应变速率（2）蠕变与松弛当作用于岩石的应力保持长期不变时，岩石的应变会随应力作用时间的延长而逐渐加大，称为岩石的蠕变。在岩石受力变形的过程中，若待应力和应变达到一定值以后就维持应变量不变，则所需继续作用的应力值会随时间的延长而逐渐减小，称为岩石的松弛。（3）施力重复次数本讲稿第四十四页，共四十四页