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1、学习必备欢迎下载构造地质学教案第三章地质构造分析的力学基础（本章课序 No.3-5，共 6 学时）一、课堂安排讨论主要内容介绍本章思考讨论题二、本章主要内容、要点1、主要内容应力：概念 /应力分析（二维应力分析 /三维应力分析） /应力场，应力轨迹和应力集中应变：应变椭球体、形态类型及其几何表示法递进变形：共轴 /非共轴递进变形岩石有限应变测量岩石变形行为： 一般实验条件下的岩石变形行为/岩石变形阶段（弹性、塑性、断裂变形）；库伦剪破裂准则：剪破裂的实验，经验公式，剪裂角，内磨擦角摩尔剪破裂准则 /格里菲斯破裂准则塑性变形及变形机制影响岩石变形的因素精品p d f 资料 - - - 欢迎下载
2、- - - - - - - - - - - - - - -欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 1 页，共 26 页 - - - - - - - - - - 学习必备欢迎下载2、本章要点应力的概念；应力与（矢量）力的区别，与作用面的关系应力分析的思路和方法，重点为二维分析；应力圆的性质；应力状态的应力圆表示应力集中：概念及其地质-物理意义应变与变形的区别；应变椭球体：主应变轴，主应变面，圆切面（圆截面，无应变面），线伸长 /线缩短区域（共轴和非共轴）递进变形：概念及其对变形现象的解释。应变测量：方法及其设计思路库伦剪破裂准则影响岩石变形的因素各类变形实验曲线（应力-应变
3、、应变 -时间曲线等）的含义精品p d f 资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - -欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 2 页，共 26 页 - - - - - - - - - - 学习必备欢迎下载三、授课内容（一）力学基础1、应力的概念面力与体力力外力面力体力内力固有内力自然状态粒结合力附加内力由外力（面、体力）作用引起的作用于物体内部（设想的面）或表面（实质的面）应力作用于物体内部或表面单位位积上的一对大小相等方向相反的力)()()(均匀受力时面积作用力AP)(不均匀受力时的表达dAdP应力的分解正应力 、剪应力（切应
4、力）normal stress, shear stress 应力符号，挤压为正，张应力为负，逆时针为正，顺时针为负应力单位一点的应力状态平衡力系，无限小立方体（单元体）力系合成为作用于立方体（中心）的一对力，立方体置于空间座标系，则每个面上的应力可分解为共个分量。脚标表示的含义精品p d f 资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - -欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 3 页，共 26 页 - - - - - - - - - - 学习必备欢迎下载xy应力方向面法线方向应力性质xx，yy，zzn（两脚标相同）xy，yz， （两
5、脚标不同）xx xy xz yy yz yx zz zx zy (又可写成 ) x xy xz y yz yx z zx zy 在平衡力系中yxxy zxxz zyyz 因此x y yx z zy zx 六个应力分量决定了一点的应力状态。主应力面弹性力学证明（主平面）主应力最大正应力（位于主平面上的正应力），主（应力轴）方向应力状态单轴单轴压缩 单轴拉伸 精品p d f 资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - -欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 4 页，共 26 页 - - - - - - - - - - 学习必备欢迎下载
6、双轴双轴压缩 平面应力状态 三轴（一般）静水压力、均压流体静压力若静水静岩双轴压缩 平面应力 纯剪 ，三轴拉伸三轴挤压二轴挤压，一轴拉伸一轴挤压，二轴拉伸精品p d f 资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - -欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 7 页，共 26 页 - - - - - - - - - - 学习必备欢迎下载3、应力场、应力轨迹、应力集中应力场：各点的集合、 各点的状态及其变化主应力方向轨迹应力（轨）迹线、主应力等值线用二维表示光弹计算机模拟e.g. 图图图应力集中物体内部结构引起应力状态的改变圆孔表面的切线
7、应力为：（ Cos ）无穷远处主应力（平均主应力）切点处半径线与的夹角点，13,2P（）点， 椭圆孔，当长轴平行于时（ a/b ）说明椭圆孔周边方向，椭圆率越大，则应力越为集中岩石中的微裂隙可近似看作椭圆形孔洞，易于发生应力集中，导致破裂材料中要计算应力集中的量值，使之小于切料强度。否则易于破坏。精品p d f 资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - -欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 8 页，共 26 页 - - - - - - - - - - 学习必备欢迎下载（二）应变分析基础第一节岩石应变分析的基本概念1、变形与位移
8、变形内部质点位移，使初始形状、方位、位置发生改变质点初始位置与变形后位置的比较位移的基本方式：刚体运动旋转平移，内部各点无相对变化形变体变各点相对位置变化，引起应变物体在应力作用下形状和大小的改变量， 有时包含旋转的含意变形强度2、应变、应变的度量(1)线应变（ e）1)(001伸长时取正值LLLe10（长度比）平方长度比2201)1()(eLL(2)剪应变tg偏离右角的量右行剪切为正卡片模拟（图）据物体内部应变状态是否变化分为：均匀，非均匀变形3、均匀变形和非均匀变形均匀变形各点应变特征相同，特征为：精品p d f 资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - -
9、- - -欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 9 页，共 26 页 - - - - - - - - - - 学习必备欢迎下载变形前直线仍为直线变形前平行线仍平行单位圆椭圆可以一点代表全体非均匀各点不相同直线非直线平行线非平行圆非椭圆不连续变形（非渐变的应变状态，图3）把非均匀变形用各单元体来表示褶皱4、应变椭球体形象化设单位圆球半径（，）最大应变主轴：只有线应变，无剪应变半轴长1011LL（，）（或或 (1+e3) （2）1K0 扁型椭球体（压扁型）（e1） (1+e2) 1 (1+e3) （3）平面应变椭球体（e1）(1+e)(1+e)；e2=0 或(1+e1)=1
10、/(1+e3) （4）1长型椭球体（收缩型）（e1） 1 (1+e2) (1+e3) （5）（ e1） (1+e2)(1+e3)单轴旋转是球体、棒状、雪茄状精品p d f 资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - -欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 11 页，共 26 页 - - - - - - - - - - 学习必备欢迎下载二向伸长烧饼铁饼饼状010KK其中，一向（轴）无变化，一向伸长，一向缩短二向缩短一向伸长面棍雪茄棒状,1KK在体积有变化时，体变（）当时（体积减小）图解中 e2=0（平面应变线）向横座标（b）偏移证明
11、：（）3434),(3430rVzyxV（r-1 ）34/ 34)(34zyx=（xyz）1 或 xyz（ e1）(e2)( e3) 当体积不变（），时，（ e1）(e2)( e3)即： （e1）(e2)( e)( e3) 若e，则e2，则( e)（e3）此时中间轴不变，变形只发生在面上当时，若为平面应变（e），则（ e1）(e2)( e3)（ e1）(e) )1)(11 (113221eeee精品p d f 资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - -欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 12 页，共 26 页 - - - -
12、 - - - - - - 学习必备欢迎下载2223)11(11eeea ab ab(1 )（体积变化时的平面应变）体积变化需用其它方法帮助求出。6、旋转和非旋转变形主轴物质线方向改变与否非旋转旋转纯剪变形非旋转的特例（并非所有的非旋转变形都是纯剪变形，只有无体变，且e2=0 时的非旋转变形才称为纯剪变形）无体变e2=0（中间轴无变化） y=1 非旋转纯剪变形e2=0(y=1) 单剪（效应）纯剪刚体旋转7、递进变形有限应变总应变无限小应变增量应变递进变形初始状态至最终状态增量应变的叠加过程。（图）（一） 共轴递进变形增量应变椭球主轴始终与有限应变椭球主轴保持一致e.g. 递进纯剪变形（图）（二）
13、 非共轴递进变形e.g. 简单剪切（前图）tg 2剪应变应变椭球长轴与剪切方向夹角精品p d f 资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - -欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 13 页，共 26 页 - - - - - - - - - - 学习必备欢迎下载当很小时， ，即增量应变主轴总与剪切方向成夹角。在单剪中，不能据有限应变椭球主轴方向来判断主应力的方向（除了 y 与对应外）在纯剪中， x、y、z 与分别对应。E.g.图构造分析中，不能简单根据构造空间展布方位推断应力作用方式，必须从发生、发展的过程来分析。系统研究不同强度
14、的构造特征，以了解构造发展全过程。第二节岩石有限应变测量了解区域应变分布状况，推究变形时的应力状态。区域应变场构造应力场中小型构造也可用来估算地壳伸展或缩短量及方位。本章：利用岩石中的应变标志确定有限应变状态1、应变主轴方位的确立利用特征性构造e.g. 板劈理、层理 xy 面（压扁面），拉伸线理应变量，较大者直接测量（退色斑、杏仁），较小者需要采集定向标本（鲕粒、石英），切片平行主平面2、原始为圆球形个体的应变测量基质与球形个体韧性差异小者为优，e.g.退色斑（还原斑）、灰岩鲕粒灰岩中的泥球、鲕粒，单晶方解石颗粒或硅质结核，虽然与基质有一定韧性差，但可参考使用不规则性，若为随机的，可通过大量测
15、量取平均值来消除测量方法精品p d f 资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - -欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 14 页，共 26 页 - - - - - - - - - - 学习必备欢迎下载露头直接进行显微镜放大的照片参考线，走向，在面上测 xy 或等测长轴与参考线头角数量：（还原斑）计算方法种类算术平均平均轴比R和方向调和平均值h当各个体轴率变化较大时，hn/niiR11（椭球轴比）图解（长短轴法）个别偏离点不考虑，与手工作等密图相同（斜率）长轴短轴结果表示：测量面产状长轴方向（以侧伏角表示）平均轴率R。3、原始为
16、椭球形个体的应变测量（f/）砾石、捕虏体、石英颗粒及集合体最终状态（最终椭圆的轴比f和方位 ）取决于：（应变椭圆轴比）i（初始椭圆轴比）（初始椭圆长轴与应变椭圆长轴的夹角）即：ff （，i，）f （，i，）精品p d f 资料 - - - 欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - -欢迎下载 名师归纳 - - - - - - - - - -第 15 页，共 26 页 - - - - - - - - - - 学习必备欢迎下载上述变量的函数关系式为（Ramsay,1967 ） ：tog2 =2) 1)(1()1)(1(2)1(222222CosRRRRSinRRSiSiiSRf = )1 ()()()1( 222222222222tgRRtgtgRRtgRtgRtgiiSiSi据此可推出，一定的值下，不同I、变形后的f及值，作出f/ 曲线图曲线形态：对称单峰（当I时，此时 ）（I）（）（f）若I（初始轴比）是变化的，则在f图上为一组点群，可与一系列理论曲线对应，找合适的值的曲线要求：四个象限（纵坐标和资料线分开）中的点数大致相等，此时表明初始椭圆方位是随机的，受到了
