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1、第3章 地质构造分析的力学根底陈书平中国石油大学北京地球科学系主要内容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要素要 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.库仑剪破裂准那么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.旋转变形与非旋转变形7.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要素(一) 外力、内力和应力1.外力另一物体所施加的力1)面力.2)膂力：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(ordPdA)P附加内力,A
2、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“)dPMdAdNdTdTdT-+(一) 外力、内力和应力(二) 应力形状和应力椭球1.弹性力学证明：任何受力物体内部总是可以找到三个相互垂直的面，其上只需正应力而无剪应力.213123p1)主平面：S1,S2,S3p2)主应力：p1(最大)，2(中间)，3(最小).p3)主应力轴：1，2，3的方向线.2131232.应力椭球：以s1，s2，s3符号一样为主轴的椭球体，直观表达物体受力情况.应力椭圆：应力椭球的三个主切面.(二) 应力形状和应力椭球3.常见的几种应力形状：1)单轴紧缩：1230拉伸：120
3、32)双轴紧缩：1230平面:12033)三轴：1231230：静水压力(只引起物体体积变化)(二) 应力形状和应力椭球4.应力差差别应力概念：1-3，能引起物体形状变化.5.平均应力概念：(1+2+3)/3.6.偏应力概念:112233(二) 应力形状和应力椭球7.地壳普通应力形状：1)浅部：231=1/3.V=0.25岩石2)深部：123gh，接近于静岩应力形状.V V1-V1-V(二) 应力形状和应力椭球(三) 二维应力分析摩尔圆图解法1.单轴应力形状的二维应力分析P1P1=s1A0A1A0a ana aP1N1A1P1 T1A0O2=0D(1/2, 0)(1, 0)摩尔圆摩尔圆O2=0
4、DD(1/2, 0)2 (, )(1, 0)P1P1=s1A0A1A0na aa ap1)a=0,t=0,s最大.p2)a=45,|t|=Max.p3)恣意两个相互垂直面上剪应力t大小相等，符号相反.P1P1=s1A0A1A0na aa aO2=0DD(1/2, 0)2 (, )(1, 0)v例：知：物体的120MPa,求作：v该受力物体的应力摩尔圆.v求出法线与1成30交角的斜面上的正应力和剪应力的值.R=s1/260oP1P1=s1A0A1A0na aa a2.双轴应力形状的二维应力分析2DD21推导自行练习推导自行练习(三) 二维应力分析摩尔圆图解法v思索题：测得一受力正方形物体对角线方
5、向的斜面上正应力s和剪应力t分别为40MPa和20MPa，在另一与该斜面斜交的面上测得s和t分别为20MPa和60MPav求:该受力物体的平面应力摩尔圆、主应力的大小和方向。s1?s1?3.八种应力形状的二维应力摩尔圆特征1)静水拉伸2)2)普通拉伸普通拉伸6)6)单轴紧缩单轴紧缩7)7)普通紧缩普通紧缩8)8)静水紧缩静水紧缩3)3)单轴拉伸单轴拉伸4)4)拉伸紧缩拉伸紧缩5)5)纯剪应力纯剪应力(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) 应力场、构造应力场、应力轨迹和应力集中1.应力场：受力物体内部各点瞬时应力形状的组合1)
6、均匀应力场：各点应力形状一样可以按点应力方法处置.2)非均匀应力场.2.构造应力场：地壳内一定范围内某一瞬时构造应力形状的组合.1)按规模分为：部分、区域、全球.2)按时间分为：现代、古代.(五) 应力场、构造应力场、应力轨迹和应力集中3.构造应力场的表示方法：1)方向主应力和剪应力方向轨迹图.2)大小应力等值线图.通常：最大主应力和剪应力.(五) 应力场、构造应力场、应力轨迹和应力集中4.应力集中问题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.(五) 应力场、构造应力场、应力轨迹和应力集中主要内容1.应力分析2.变形分析3.影响岩石力学性质与岩
7、石变形的要素(一) 变形和应变的概念1.变形：物体受力后内部质点之间相互位置发生变化形状、体积改动五种方式：拉伸、挤压、剪切、弯曲、改动.2.应变：变形程度的度量1)小变形应变:13.2)大变形有限变形:应变13.(一) 变形和应变的概念3.均匀变形和非均匀变形1)均匀变形：各部分的变形性质、方向、大小均一样,特征：a)变形前的平面、直线变形后仍坚持平面和直线.b)变形前相互平行的平面和直线变形后仍坚持平行.(一) 变形和应变的概念p2)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.p非均匀延续变形可以分解成假设干部分，按均匀变形的方法加以研讨.4.线应变和剪应变1)线应变.2)剪应
8、变：gtanf.f faabcdd(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需线应变而无剪应变，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(XorA)：最大伸长方向.b)最小应变主方向(3)或最小主应变轴(ZorC)：最大紧缩方向.c)中间应变主方向(2)或中间主应变轴(YorB).(一) 变形和应变的概念(二) 岩石变形的阶段1.弹性极限sy：受力超越这一数值后，岩石发生永久变形.sBsB2.比例极限sp：受力在这一数值以下，变形遵照胡克定律:sEe.E-弹性模
9、量(二) 岩石变形的阶段sBsB3.强度极限sB：受力超越这一数值后，岩石发生破裂.sBsB(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景象.sBsB(二) 岩石变形的阶段(二) 岩石变形的阶段5.屈服极限(二) 岩石变形的阶段5、塑性变形sBsB6.断裂变形.张裂(二) 岩石变形的阶段剪裂7.剪切断裂的主要参数：1)共轭剪破裂角：2q.2)剪裂角：q.(二) 岩石变形的阶段2(1.7-3.3)50(20-80)页岩15(10-20)250(150-350)玄武岩3-98(5-20)100(31-262)大理岩3-617(10-20)96(6-360)石灰
10、岩1-310(5-15)75(11-252)砂岩5-720(15-30)150(37-379)花岗岩抗张强度抗剪强度抗压强度岩石(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.资料力学性质分类1)脆性资料：破坏前塑性变形5的资料.2)韧性资料：破坏前塑性变形10的资料.3)脆韧性过渡资料：以上两者之间.(二) 岩石变形的阶段9.岩石韧性变形的机制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G.I.Taylor以为塑性形变为线状晶格缺陷(位错)沿滑移面运动引起的理想完好的晶格(A)、刃型位错B螺型位错Cp
11、3)压溶重结晶作用：1.库仑剪破裂准那么：t=to+sm=to+stgfto内聚力m内摩擦系数(tgf)f内摩擦角适用条件：脆性岩石，围压较小 (三) 剪裂角分析u剪裂角q=45o-f/2nq qs1(90o+ f)/2q =90o-(90o+f)/2q =90o-(90o+f)/22.莫尔剪破裂准那么：Tn=f(sn)适用条件：塑性岩石，围压较大 v随着温度、围压的添加，剪裂角逐渐接近于45，但不会超越45(剪裂角45情况普通与递进变形有关).(三) 剪裂角分析3.格里菲斯准那么(自习)特点：来自数学推导.(三) 剪裂角分析1.椭球方程(四) 应变椭球体应变是根据椭球体的外形和大小与变形前的
12、原始圆球体的外形和大小的比值确定的。2. 特征要素：特征要素：1) 不不变歪面和均歪面和均变歪面：三歪面：三轴应变椭球球过l2的两个的两个圆截面截面.2) AB面：面：C轴。褶。褶皱轴面、面、轴面劈理、面劈理、轴面片理等与面片理等与C轴垂直。垂直。3) BC面：面：张裂面裂面.4) A轴。拉伸。拉伸线理平行于理平行于A轴。(四) 应变椭球体3.旋转变形和非旋转变形应变椭球主轴方向发生旋转应变椭球主轴方向无旋转(四) 应变椭球体(五) 递进变形1.概念：应变形状发生延续变化的变形过程.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
13、全量应变椭球主轴方向一直坚持一致.(五) 递进变形p2)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.u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紧缩变形历史不属两期变形的产物.(六) 变形岩石的应变丈量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) 变形岩石的应变丈量p2)知原始外形的其它标志物砾石、化石、晶体.p详细方法参照Ramsayp郑亚东主要内容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要素(一) 主要要素1.内因：1)岩石成份.2)构造.3)构造.2.外因：1)围压.
14、2)温度.3)溶液.4)孔隙压力.5)时间.6)应力形状.(一) 主要要素(二) 外因1.围压静岩压力1)作用：添加岩石的韧性，提高岩石的强度极限和弹性极限.p2)原理：高围压使岩石的质点彼此接近，加强了内聚力.磁黄铁矿闪锌矿2.温度1)作用：强度降低，弹性减弱，韧性加强.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p2)原理：增高温度，使岩石质点的热运动加强，减弱了质点之间的联络才干.3.溶液1)作用：弹性极限和强度下降，韧性加强.v溶液和温度对大理岩变形影响的应力溶液和温度对大理岩变形影响的应力- -应变曲线图应变曲线图. . ( (围压为围压为
15、1400MPa)1400MPa)(二) 外因p2)原理：pa)溶液分子进入晶格，使矿物分子之间的凝聚力下降“水致弱化景象.pb)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p2)原理：使有效正应力下降，降低岩石屈服强度ptto+m(sp).pp-孔隙流体压力.p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.(二) 外因p2)反复受力对岩石变形的影响.p强度极限降低.耐力极限：低于该应力值，无论如何添加受力次数，均无法使岩石破裂.p3)
16、蠕变：坚持应力不变，随时间延伸，变形继续缓慢添加的景象.p第一期：过渡蠕变，撤除应力，回零.p第二期：平稳蠕变，撤除应力，保管部分永久变形.p第三期：加速蠕变，直至破裂.p温度促进蠕变.p4)松驰：应变坚持不变时，应力随时间增长逐渐下降的景象.pA-B：应力迅速减小.pB-C：应力缓慢减小，至某一极限.p温度促进松驰.6.流变学概要1)流变学研讨介质内部质点的变形和流动.2)思索时间要素.3)把液体和固体一致对待根本思想.只需有足够的时间，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：描画岩石变形行为相对差别的术语.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要素要 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.库仑剪破裂准那么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.旋转变形与非旋转变形7.温度、压力和孔隙流体压力对岩石力学性质的影响TheEnd!
