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1、构造地质学,第3章 地质构造分析的力学基础,周建勋中国石油大学（北京）地质学系,主要内容,1.应力分析 2.变形分析3.影响岩石力学性质与岩石变形的因素,要 点,1.摩尔圆的作用和意义，二维应力摩尔圆2.构造应力场的表示法 3.库仑剪破裂准则4.均匀与非均匀变形 5.共轴递进变形与非共轴递进变形 6.温度、压力和孔隙流体压力对岩石力学性质的影响,主要内容,1.应力分析 2.变形分析3.影响岩石力学性质与岩石变形的因素,(一)外力、内力和应力,1.外力另一物体所施加的力1)面力.2)体力：重力、磁力.2.内力：物体内部质点之间的相互作用力1)固有内力.2)附加内力.,3.应力：PA(or dPd
2、A)P附加内力,A截面积1)正应力：dNdA(压为“+”，拉为“”)2)剪应力：dTdA(逆时针为“+”，顺时针为“”),(一)外力、内力和应力,(二)应力状态和应力椭球,1.弹性力学证明：任何受力物体内部总是能够找到三个相互垂直的面，其上只有正应力而无剪应力.,1)主平面：S1,S2,S32)主应力：1(最大)，2(中间)，3(最小).,2.应力椭球：以s1，s2，s3为主轴的椭球体，用以直观表达应力状态.应力椭球的三个主切面应力椭圆.,(二)应力状态和应力椭球,3.常见的几种应力状态：1)单轴压缩：1230拉伸：12032)双轴压缩：1230平面:12033)三轴：123 1230：静水压
3、力(只引起物体体积变化),(二)应力状态和应力椭球,4.应力差（差异应力）：1-3，决定形态变化.5.平均应力：(1+2+3)/3.决定体积的变化.6.偏应力:1122 33,(二)应力状态和应力椭球,7.地壳一般应力状态：1)浅部：231=1/3.V=0.25（岩石）2)深部：123gh，接近于静岩应力状态.,(二)应力状态和应力椭球,(三)二维应力分析摩尔圆图解法,1.单轴应力状态的二维应力分析,摩尔圆,1)a=0,t=0,s最大.2)a=450,|t|=Max.3)任意两个相互垂直面上剪应力t大小相等，符号相反.,例：已知：物体的120 MPa,求作：该受力物体的应力摩尔圆.求出法线与1
4、成30交角的斜面上的正应力和剪应力的值.求出与1成20夹角斜面上的正应力和剪应力的值.,2.双轴应力状态的二维应力分析,2,D,D,2,1,推导自行练习,(三)二维应力分析摩尔圆图解法,思考题：测得一受力正方形物体对角线方向的斜面上正应力（s）和剪应力（t）分别为10MPa和20MPa，在另一与该斜面斜交的面上测得s和t分别为30MPa和10MPa求:该受力物体的平面应力摩尔圆、主应力的大小和方向。,3.八种应力状态的二维应力摩尔圆特征,(三)二维应力分析摩尔圆图解法,(四)三维应力分析,1.三维应力,2.三维应力莫尔圆,(四)三维应力分析,(五)构造应力场与应力集中,1.应力场：受力物体内部
5、各点瞬时应力状态的组合.1)均匀应力场：各点应力状态相同（可以按点应力方法处理）.2)非均匀应力场.,(五)构造应力场与应力集中,2.构造应力场：地壳内一定范围内某一瞬时构造应力状态的组合.1)按规模分为：局部、区域、全球.2)按时间分为：现代、古代.,3.构造应力场的表示方法：1)方向应力轨迹图.2)大小应力等值线图.通常：最大主应力和剪应力.,(五)构造应力场与应力集中,(五)构造应力场与应力集中,4.应力集中：在岩石先期断裂的端点、拐点、分支点、错列点和待交汇点容易出现应力集中，其结果是最先遭到破坏.,主要内容,1.应力分析 2.变形分析3.影响岩石力学性质与岩石变形的因素,(一)变形和
6、应变的概念,1.变形：物体受力后内部质点之间相互位置发生变化（形态、体积改变）五种方式：拉伸、挤压、剪切、弯曲、扭转.,2.均匀变形：各部分的变形性质、方向、大小均相同：1)变形前的平面、直线变形后仍保持平面和直线.2)变形前相互平行的平面和直线变形后仍保持平行.,(一)变形和应变的概念,3.非均匀变形：物体内部各部分变形的方向、大小和性质不一致.非均匀连续变形可以分解成若干部分，按均匀变形的方法加以研究.,4.应变度量：1)线应变.2)剪应变：gtanf.,(一)变形和应变的概念,5.主应变和应变主方向在均匀变形条件下，变形物体内部总是可以截取这样一个立方体，其三个相互垂直的截面上只有线应变
7、而无剪应变，这三个线应变称为主应变，这三个主平面称为主应变面.a)最大应变主方向(1)或最大主应变轴(X or A)：最大伸长方向.b)最小应变主方向(3)或最小主应变轴(Z or C)：最大压缩方向.c)中间应变主方向(2)或中间主应变轴(Y or B).,(一)变形和应变的概念,(二)岩石变形的阶段,1.弹性极限sy：受力超过这一数值后，岩石发生永久变形.,2.比例极限sp：受力在这一数值以下，变形遵循胡克定律:sEe.E-弹性模量,(二)岩石变形的阶段,3.强度极限sB：受力超过这一数值后，岩石发生破裂.,(二)岩石变形的阶段,4.应变硬化：已受变形的岩石，再次加载，其弹性极限有所增高的
8、现象.,(二)岩石变形的阶段,5.断裂变形.,张裂,(二)岩石变形的阶段,剪裂,6.剪切破裂的主要参数：1)共轭剪破裂角：2q.2)剪裂角：q.,(二)岩石变形的阶段,(单位MPa),抗压强度抗剪强度抗张强度,7.常温常压下各类岩石的强度极限,(二)岩石变形的阶段,8.材料力学性质分类1)脆性材料：破坏前塑性变形5的材料.2)韧性材料：破坏前塑性变形10的材料.3)脆韧性过渡材料：以上两者之间.,(二)岩石变形的阶段,9.岩石主要韧性变形机制1)粒间滑动：如砂子的塑性变形.2)粒内滑动：,平移滑动,双晶滑动,(二)岩石变形的阶段,3)压溶重结晶作用：,1.库仑剪破裂准则：t=to+sm=to+
9、stgf to 内聚力 m内磨擦系数(tgf)f 内磨擦角,适用条件：脆性岩石，围压较小,(三)剪裂角分析,剪裂角q=45o-f/2,n,2.莫尔剪破裂准则：Tn=f(sn),适用条件：塑性岩石，围压较大,随着温度、围压的增加，剪裂角逐渐接近于45，但不会超过45(剪裂角45情况一般与递进变形有关).,(三)剪裂角分析,3.格里菲斯准则(自习)特点：来自数学推导.,(三)剪裂角分析,1.椭球方程,(四)应变椭球体,2.特征要素：1)不变歪面和均变歪面：三轴应变椭球过l2的两个圆截面.2)AB面：C轴.3)BC面：张裂面.4)A轴.,(四)应变椭球体,(五)递进变形,1.概念：应变状态发生连续变
10、化的变形过程.,2.全量应变和增量应变,(五)递进变形,3.共轴递进变形和非共轴递进变形1)共轴递进变形：增量应变椭球的主轴方向与全量应变椭球主轴方向始终保持一致.,(五)递进变形,2)非共轴递进变形：增量应变椭球的主轴方向与全量应变椭球主轴方向不一致.,递进变形过程中，变形物体内部不同方向的物质线可以有不同的拉伸和压缩变形历史（不属两期变形的产物）.,递进变形过程中不同方向物质线的变形,(六)变形岩石的应变测量,1.原理：根据标志物求取有限应变椭球体.,2.主要标志物类型1)原始为圆球或椭球的标志物（如鲕粒、砾石）.,(六)变形岩石的应变测量,2)已知原始形状的其它标志物（砾石、化石、晶体）
11、.具体方法参照Ramsay现代构造地质学方法郑亚东岩石有限应变测量和显微构造,主要内容,1.应力分析 2.变形分析3.影响岩石力学性质与岩石变形的因素,(一)主要因素,1.内因：1)岩石成份.2)结构.3)构造.,2.外因：1)围压.2)温度.3)溶液.4)孔隙压力.5)时间.6)应力状态.,(一)主要因素,(二)外因,1.围压（静岩压力）1)作用：增加岩石的韧性，提高岩石的强度极限和弹性极限.,2)原理：高围压使岩石的质点彼此接近，增强了聚力.,2.温度1)作用：强度降低，弹性减弱，韧性增强.,围压100MPa和不同温度作用下磁黄铁矿(a)和闪锌矿(b)的应力-应变曲线,(二)外因,2)原理
12、：增高温度，使岩石质点的热运动增强，减弱了质点之间的联系能力.,3.溶液1)作用：弹性极限和强度下降，韧性增强.,溶液和温度对大理岩变形影响的应力-应变曲线图.(围压为1400MPa),(二)外因,2)原理：a)溶液分子进入晶格，使矿物分子之间的凝聚力下降“水致弱化”现象.b)溶液有利于重结晶作用的发生，容易发生塑性变形.,4.孔隙流体压力1)作用：使得岩石容易发生破裂，强度下降.,(二)外因,2)原理：使有效正应力下降tt o+m(sp).p-孔隙流体压力.有效正应力(sp).,5.时间1)快速施力与缓慢施力对岩石变形的影响.a)快速施力作用：脆性，强度较高.b)缓慢施力作用：塑性，强度下降
13、.,(二)外因,2)蠕变：保持应力不变，随时间延长，变形继续缓慢增加的现象.第一期：过渡蠕变，撤除应力，回零.第二期：平稳蠕变，撤除应力，保留部分永久变形.第三期：加速蠕变，直至破裂.温度促进蠕变.,3)松驰：应变保持不变时，应力随时间增长逐渐下降的现象.A-B：应力迅速减小.B-C：应力缓慢减小，至某一极限.温度促进松驰.,6.流变学概要（补充）1)流变学研究介质内部质点的变形和流动.2)考虑时间因素.3)把液体和固体统一看待（基本思想）.只要有足够的时间，任何岩石在任何应力下都能流动“万物皆流”.,(二)外因,7.岩石的粘度和能干性的概念1)粘度：theh粘度系数,岩石：10181023泊,湿粘土：104106泊.2)能干性：描述岩石变形行为相对差异的术语.a)能干岩层：不易发生塑性变形的岩层，其能干性较强，或称强岩层.b)不能干岩层：或弱岩层.,(二)外因,主要内容,1.应力分析 2.变形分析3.影响岩石力学性质与岩石变形的因素,要 点,1.摩尔圆的作用和意义，二维应力摩尔圆2.构造应力场的表示法 3.库仑剪破裂准则4.均匀与非均匀变形 5.共轴递进变形与非共轴递进变形 6.温度、压力和孔隙流体压力对岩石力学性质的影响,The End!,
