构造地质学讲应力分析精选文档.ppt
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1、构造地质学讲应力分析本讲稿第一页,共三十八页构造地质学研究途径的两大进展构造地质学研究途径的两大进展过去二十多年来,构造地质学的运动学分析和动力学分析沿着两个不同方向的研究取得了重要进展:连续介质力学方法在褶皱、有限应变理论、实验和几何分析中的应用;建立在冶金物理学基础上发展起来的岩石和矿物的流变学实验研究。本讲稿第二页,共三十八页连续介质是什么?连续介质是什么?n连续介质是指整个介质的几何空间中充满着致密而无空隙的物质。这种介质内应力状态和应变状这种介质内应力状态和应变状态从一点过渡到另一点时是连续变化的,态从一点过渡到另一点时是连续变化的,也就是说随着坐标无限小变化时,应力和应变分量也相应
2、地产生变化。因此,可以采用坐标的连续函数来表示其变化规律。n简单地说,连续介质(continuous medium 或continuum)就是“理想介质质点”的连续集合体。本讲稿第三页,共三十八页连续介质力学在构造地质中的应用连续介质力学在构造地质中的应用应用前提:应用前提:通常把特定范围地质体的物质成分和性质变化看成是均匀的、连续的。应用范围应用范围:(1)可以近似地应用于不连续介质材料,例如,把大量变形量小的圆形标志物(如海百合茎、析离体、眼球状变斑晶体)当作椭圆状变形处理;(2)在数学上连续介质处理方法比不连续介质理论简单得多。自然界物质都是近似连续的,大多数变形都具有非常局部化特征(l
3、ocalization)。本讲稿第四页,共三十八页面力和体力面力和体力力是物体相互间的机械作用,它趋向于引起物体形态、大小或运动状态的改变。力分为两大类:体力(体力(body force)又称非接触力,它是弥漫在地壳物质的作用力,如重力、惯性力。面力(面力(surface force)又称接触力,它是作用于介质表面并使介质相邻部分相互作用的力。本讲稿第五页,共三十八页外力和内力外力和内力l物质内部物质内部研究对象本身的所含物质称为“内部”;l物质外界物质外界研究对象以外的物体称为“外界”;l物质边界物质边界研究对象本身与外界直接的接触面称为“边界”;l边界条件边界条件指外界给研究对象的边界施加
4、的某些限制,如体力确定之后,面理的分布和物体的几何形态决定物体内的应力分布;l外力外力研究对象外的物体对被研究物体施加的作用力称为外力 (如体力和面力);l内力内力当物体受到外力作用(即受到载荷作用)时,引起物体内 部质点相互作用力的改变,称为内力(力的改变量),又 称(附加内力由载荷作用引起岩石内部内力改变量)。本讲稿第六页,共三十八页应应 力力l地质体的平移、旋转和变形都是岩石对力和应力的响应。传统上定义力为一种改变或趋向于改变物体的静止状态或运动状态的作用。l应力作用于单位面积上的内力(附加内力),或称为应力是应力作用于单位面积上的内力(附加内力),或称为应力是内力在面积上分布集度(内力
5、集度)。内力在面积上分布集度(内力集度)。l应力理解为一种趋向于使某一种物体发生变形的作用(Jaeger and Cook,1976)。在固体力学中,必须用面力的分布强度来描述这种作用的分布情况。本讲稿第七页,共三十八页本讲稿第八页,共三十八页截面上一点的应力a-c 用截面法求内力示意图用截面法求内力示意图截面上一点的应力截面上一点的应力本讲稿第九页,共三十八页截面上一点的应力为了研究截面某点(m点)附近的内力强度,可以围绕该点取一很小面积F,设其面积上作用力为P,则有:P为n截面上m点的应力,或称为全应力,为垂直于截面上的应力(正应力)为与截面相切(或平行)的应力(剪切应力)本讲稿第十页,共
6、三十八页通常规定,正应力为正,为压性;张应力为负,为张性(Jaeger and Cook,1976)。压应力能阻滞沿平面的滑动,张应力有助于岩石沿平面分离,剪应力能促使沿平面滑动。断裂作用往往沿着剪应力和平行最大正应力、正应力大小具有最佳比的平面上优先发生。本讲稿第十一页,共三十八页应力的单位应力的单位n应力的国际单位为帕斯卡(Pascal),简称帕(Pa),即N/m2(或10达因/cm2)。nPascal是法国科学家,提出流体静力学原理。n应力与压强单位相同。旧计算单位用巴(bar)和千巴(kb)l1Pa105巴(bar)0.9869105(大气压)l1kb1000巴(bar)新计量单位一律
7、用帕斯卡PaMPaGPal1kb100MPal1MPa10 barl1GPa1000MPa10kb本讲稿第十二页,共三十八页身体接触的橄榄球运动员的应力分析甲的体重122kg P/S(cm2)应力的启示:应力的大小(应力的启示:应力的大小()不仅取)不仅取决于引起它的力(决于引起它的力(F F)的大小,也与)的大小,也与力所作用的面积有关。力所作用的面积有关。高应力集中接触高应力集中接触大面积接触导致低应力大面积接触导致低应力本讲稿第十三页,共三十八页一点的应力状态一点的应力状态 一点的应力状态,在直角坐标系中可以近似地看成是一个无限微小的正六面体单元体。主主 应应 力力 弹性力学可以证明:对
8、于给定的一个单元体,总能找到这样的取向:单元体表面上的剪应力分量都为零,即三个正交截面上没有剪应力作用而只有正应力作用,这种情况下正应力称为该点的主应力,分别以1、2、3表示。本讲稿第十四页,共三十八页且约定:1 2 3,其中:1、2、3分别代表最大、中间和最小主应力。本讲稿第十五页,共三十八页三轴不等的应力状态时固体受力后的产生应力的普遍情况,使用三轴应力椭球来进行表示。应应力力椭椭圆圆与与应应力力椭椭球球应力主方向:主应力作用的方向主平面:三个分别包含其中两个主应力的正交截面。本讲稿第十六页,共三十八页应力状态类型岩石中一点应力根据该点应力椭球的形态分类,通常有以下6种类型:(1)单轴应力
9、状态:只有一个主应力不为零;(2)双轴应力状态:两个主应力不为零;(3)三轴应力状态:三个主应力不为零;纯剪应力:1-30,20,这是双轴应力的一个例子;本讲稿第十七页,共三十八页 不同应力状态的示意图(A)为三轴压应力状态、(B)为静水(或静岩)应力状态(C)为平面应力状态、(D)为双轴压应力状态(E)为纯剪应力状态、(F)单轴压缩应力状态本讲稿第十八页,共三十八页应力分量n地块内部各点相应的应力构成一个应力状态。为了从数值上描述某一点的应力状态,将其中某点取出六面体的单元体应力矢量的集合,称为单元体的应力状态,又称为应力应力分量分量。nS称为应力矢量,它是二阶张量,或用ij表示。当i,j=
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