構(gòu)造地質(zhì)第三章

1、構(gòu)造地質(zhì)第三章第1頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)50分，星期四第2頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)50分，星期四應(yīng)力 應(yīng)力是在面力或體力的作用下引起的，作用在物體內(nèi)或表面單位面積上的一對(duì)大小相等方向相反的力，應(yīng)力的方向與力的方向一致。內(nèi)力：同一巖石內(nèi)部各質(zhì)點(diǎn)之間相互作用的力，可分為固有內(nèi)力和附加內(nèi)力。固有內(nèi)力是指巖石內(nèi)部各個(gè)質(zhì)點(diǎn)之間原來(lái)存在的自然結(jié)合力。附加內(nèi)力是指當(dāng)巖石受到外力作用時(shí)，引起內(nèi)部固有內(nèi)力的改變量。第3頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)50分，星期四1、合應(yīng)力：在外力作用下，于巖石內(nèi)部任一截面上所產(chǎn)生的與外力作用方向平行的應(yīng)力，即稱(chēng)為作用在該截面上的

2、合應(yīng)力。2、正應(yīng)力和剪應(yīng)力：合力可以運(yùn)用平行四邊形法則分解為兩種應(yīng)力。 正應(yīng)力（或直應(yīng)力）：與截面垂直的應(yīng)力 剪應(yīng)力：作用于截面上并與其平行的應(yīng)力第4頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)50分，星期四、主應(yīng)力：在外力作用下，于巖石內(nèi)部，與外力作用方向垂直的截面上，只產(chǎn)生正應(yīng)力，不產(chǎn)生剪應(yīng)力，這種與外力作用方向平行的正應(yīng)力，稱(chēng)為主應(yīng)力。與主應(yīng)力垂直的截面稱(chēng)為主應(yīng)力面或主平面，其上只有主應(yīng)力而無(wú)剪應(yīng)力；主應(yīng)力面的法線稱(chēng)為主應(yīng)力軸，它代表主應(yīng)力的作用方向。4、基本計(jì)算公式第5頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)50分，星期四任意截面（N）上的合應(yīng)力（合）、外力（P）、主應(yīng)力面（A），N與

3、A的夾角（n）、主應(yīng)力（a）等之間的關(guān)系為： （上式）第6頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)50分，星期四第二節(jié) 應(yīng)力狀態(tài)分析應(yīng)力狀態(tài)的概念在外力作用下，于巖石內(nèi)部任一點(diǎn)的無(wú)數(shù)個(gè)方向不同的截面上所產(chǎn)生的應(yīng)力情況，稱(chēng)為巖石內(nèi)部該點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)。一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)第7頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)50分，星期四一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài) 可以用三個(gè)主應(yīng)力的大小和方向來(lái)表示，分別用1、2、3表示最大、中間和最小主應(yīng)力，123。常見(jiàn)的應(yīng)力狀態(tài)有：1、單軸應(yīng)力狀態(tài)：一個(gè)主應(yīng)力不等于零，另外兩個(gè)主應(yīng)力等于零。2、雙軸應(yīng)力狀態(tài)：一個(gè)主應(yīng)力為零，另外兩個(gè)主應(yīng)力不等于零。3、三軸應(yīng)力狀態(tài)：三個(gè)主應(yīng)力都不等于零

4、，為一般的應(yīng)力狀態(tài)，123。第8頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)50分，星期四二維應(yīng)力分析1、任一斜截面上的應(yīng)力分析第9頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)50分，星期四表示二維應(yīng)力狀態(tài)的莫爾圓 第10頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)50分，星期四三維應(yīng)力分析 三維應(yīng)力分析是在二維應(yīng)力分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，只不過(guò)數(shù)字表達(dá)式更為復(fù)雜。第11頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)50分，星期四三維應(yīng)力莫爾圓： 第12頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)50分，星期四第13頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)50分，星期四第三節(jié) 應(yīng)力場(chǎng)、應(yīng)力軌跡、應(yīng)力集中應(yīng)力

5、場(chǎng)和應(yīng)力軌跡 物體內(nèi)各點(diǎn)在某一瞬間的應(yīng)力狀態(tài)組成了一個(gè)應(yīng)力場(chǎng)。地殼的一定空間內(nèi)某一瞬間的應(yīng)力狀態(tài)稱(chēng)為構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)。表示那一瞬間的應(yīng)力狀態(tài)及其變化情況，通常用各點(diǎn)的主應(yīng)力方向連成的軌跡來(lái)表示，稱(chēng)應(yīng)力軌跡，也稱(chēng)應(yīng)力跡線，它表示了主應(yīng)力方向的連續(xù)變化。 應(yīng)力場(chǎng)的研究方法主要有：節(jié)理統(tǒng)計(jì)、巖組分析、光彈模擬、數(shù)學(xué)地質(zhì)模擬等。 第14頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)50分，星期四第15頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)50分，星期四應(yīng)力集中 根據(jù)材料實(shí)驗(yàn)，物質(zhì)內(nèi)部的缺陷（如孔洞、缺口、微裂隙等）所在，會(huì)引起局部的應(yīng)力集中，大大超過(guò)應(yīng)力的正常值，使巖石沿著這些應(yīng)力集中部位首先遭到斷裂破壞。

6、第16頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)50分，星期四自然界中的巖石并非完整無(wú)缺，因此應(yīng)力集中現(xiàn)象在地殼中也必然存在。 第17頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)50分，星期四第四節(jié) 變形巖石應(yīng)變分析基礎(chǔ)基本概念1、變形、位移和應(yīng)變 當(dāng)?shù)貧ぶ袔r體受到應(yīng)力作用后，其內(nèi)部各質(zhì)點(diǎn)經(jīng)受了一系列的位移，從而使巖體的初始形態(tài)、方位和位置發(fā)生了改變，通常稱(chēng)為變形。物體的位移是通過(guò)其內(nèi)部各質(zhì)點(diǎn)的初始位置和終止位置的變化來(lái)表達(dá)的。質(zhì)點(diǎn)的初始位置和終止位置的連線叫做位移矢量。位移的基本方式可以分為平移、旋轉(zhuǎn)、體變和形變四種。平移和旋轉(zhuǎn)是指剛體的平移和旋轉(zhuǎn)，是物體相對(duì)于外部坐標(biāo)作整體的平移或旋轉(zhuǎn)。體變

7、和形變分別指體積的變化和形狀的變化，體變和形變使物體內(nèi)部各質(zhì)點(diǎn)的相對(duì)位置發(fā)生了改變，從而改變了物體的大小和形狀，即引起了物體的應(yīng)變。 第18頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)50分，星期四第19頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)50分，星期四 因此，應(yīng)變是物體在應(yīng)力作用下的形狀和大小的改變量，但有時(shí)也包含有旋轉(zhuǎn)的含義。 第20頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)50分，星期四2、應(yīng)變的測(cè)量 應(yīng)變是指與初始狀態(tài)比較的物體變形后的狀態(tài)，變形的結(jié)果引起物體內(nèi)質(zhì)點(diǎn)之間的線段長(zhǎng)度的變化或兩條線段之間的角度的變化，前者為線應(yīng)變，后者為剪應(yīng)變。 （1）線應(yīng)變第21頁(yè)，共44頁(yè)，2022

8、年，5月20日，4點(diǎn)50分，星期四（2）剪應(yīng)變 第22頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)50分，星期四3、主應(yīng)變、主應(yīng)變面和主應(yīng)變軸 在三向應(yīng)力狀態(tài)下，于巖石內(nèi)部任意點(diǎn)上，即在這個(gè)單元體中的三個(gè)相互垂直的面上，只有線應(yīng)變而無(wú)剪應(yīng)變，巖石表現(xiàn)為單純的拉伸或壓縮，這個(gè)線應(yīng)變稱(chēng)為主應(yīng)變；該三個(gè)相互垂直的面，稱(chēng)為主應(yīng)變面；三個(gè)相互垂直的主應(yīng)變方向，稱(chēng)為主應(yīng)變軸。4、均勻應(yīng)變和非均勻應(yīng)變 （1）均勻變形物體各點(diǎn)的應(yīng)變相同的變形稱(chēng)為均勻變形。其特征是：變形前的直線變形后仍是直線；變形前的平行線變形后仍是平行線。因此，其中任一個(gè)小單元體的應(yīng)變性質(zhì)（大小和方向）就可以代表整個(gè)物體的變形特征。 第23頁(yè)

9、，共44頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)50分，星期四第24頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)50分，星期四第25頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)50分，星期四（2）非均勻變形 物體內(nèi)各點(diǎn)的應(yīng)變特征發(fā)生變化的變形稱(chēng)為非均勻變形。直線經(jīng)變形后不再成為直線，而成了曲線或折線，平行線變形后不再保持平行，圓變形后亦不再成為橢圓。 第26頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)50分，星期四如果物體內(nèi)從一點(diǎn)到另一點(diǎn)的應(yīng)變狀態(tài)是逐漸改變的，則稱(chēng)為連續(xù)變形；如果是突然改變的，則應(yīng)變是不連續(xù)的，稱(chēng)為不連續(xù)變形。 第27頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)50分，星期四應(yīng)變橢球體和遞進(jìn)

10、變形1、應(yīng)變橢球體第28頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)50分，星期四設(shè)想在變形前巖石內(nèi)有一個(gè)半徑為1的單位球體，均勻變形后成為一個(gè)橢球以這個(gè)橢球的形態(tài)和方位來(lái)表示巖石的應(yīng)變狀態(tài)，這個(gè)橢球便稱(chēng)為應(yīng)變橢球體。 第29頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)50分，星期四第30頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)50分，星期四2、遞進(jìn)變形 物體變形的最終狀態(tài)與初始狀態(tài)對(duì)比發(fā)生的變化，稱(chēng)為有限應(yīng)變或總應(yīng)變或全量應(yīng)變。實(shí)際上，在變形過(guò)程中，物體從初始狀態(tài)變化到最終狀態(tài)的過(guò)程是一個(gè)由許許多多微量應(yīng)變的逐次疊加過(guò)程，這種變形的發(fā)展過(guò)程稱(chēng)為遞進(jìn)變形。 其中，變形期中某一瞬間正在發(fā)生的小應(yīng)變

11、，叫增量應(yīng)變?nèi)绻∷查g非常微小，其間發(fā)生的微量應(yīng)變可稱(chēng)為無(wú)限小應(yīng)變。 （1）共軸遞進(jìn)變形 在遞進(jìn)變形過(guò)程中，如果各增量應(yīng)變橢球的主軸始終與有限應(yīng)變橢球的主軸一致，這種變形就叫共軸遞進(jìn)變形。否則就叫非共軸遞進(jìn)變形。遞進(jìn)純剪變形是共軸遞進(jìn)變形的典型實(shí)例。第31頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)50分，星期四（2）非共軸遞進(jìn)變形 遞進(jìn)簡(jiǎn)單剪切是非共軸遞進(jìn)變形的典型實(shí)例。第32頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)50分，星期四第五節(jié) 巖石變形行為及影響因素巖石的力學(xué)性質(zhì) 影響巖石變形的巖石力學(xué)性質(zhì)主要有：1、巖石的彈性和塑性 巖石在外力作用下發(fā)生變形，當(dāng)外力取消后，又恢復(fù)到變形前的狀態(tài)

12、，巖石的這種力學(xué)性質(zhì)稱(chēng)為彈性，這種變形稱(chēng)為彈性變形。 當(dāng)應(yīng)力超過(guò)巖石的彈性極限，即使外力去掉后，巖石也不能完全恢復(fù)到原來(lái)的形狀，從而使一部分變形保留下來(lái)，這種變形稱(chēng)為塑性變形，巖石的這種性質(zhì)稱(chēng)為塑性。第33頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)50分，星期四第34頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)50分，星期四2、巖石的脆性和韌性 巖石受力后，若在破裂前，只能承受很小的變形時(shí)，稱(chēng)為巖石的脆性。脆性強(qiáng)的巖石，受力變形后很快就會(huì)發(fā)生破裂。 巖石受力后，若在破裂前，能夠承受較大的變形而不失去連續(xù)完整性時(shí)，稱(chēng)為巖石的韌性。韌性強(qiáng)的巖石不易被拉斷、剪斷或折斷。第35頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，

13、5月20日，4點(diǎn)50分，星期四3、巖石的剛性 巖石不易發(fā)生變形的性質(zhì)，稱(chēng)為剛性。理想的剛體，在任何應(yīng)力作用下都不會(huì)發(fā)生任何變形。巖石不是理想的剛體，且不同巖石的剛性相對(duì)地有強(qiáng)有弱。4、巖石的粘性 巖石容易發(fā)生流動(dòng)變形的性質(zhì)稱(chēng)為粘性。理想的粘性體稱(chēng)為牛頓流體，它是能經(jīng)受很大程度變形的材料，在長(zhǎng)時(shí)間的極其微小的應(yīng)力作用下，就能表現(xiàn)出持續(xù)、緩慢的塑性變形，實(shí)際上這是在固體條件下的流動(dòng)變形。第36頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)50分，星期四巖石的脆性破壞1、巖石的強(qiáng)度 當(dāng)巖石所受的應(yīng)力達(dá)到或超過(guò)巖石的強(qiáng)度極限時(shí)，就會(huì)發(fā)生斷裂。巖石的這種抵抗破壞的能力，稱(chēng)為巖石的強(qiáng)度。2、巖石的脆性破壞方式

14、 巖石的破裂有兩種類(lèi)型：張裂與剪裂。張裂的位移方向垂直于破裂面，張裂面一般垂直于主應(yīng)力方向。剪裂相對(duì)位移平行于破裂面，破裂面一般與最大主壓應(yīng)力方向的夾角小于45度。第37頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)50分，星期四第38頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)50分，星期四3、庫(kù)倫剪切破裂準(zhǔn)則第39頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)50分，星期四庫(kù)倫認(rèn)為巖石抗剪切破壞的能力不僅同作用在截面上的剪應(yīng)力有關(guān)，而且還與作用于該截面上的正應(yīng)力有關(guān)。設(shè)發(fā)生剪裂的臨界剪應(yīng)力為，則： =0+n n作用于該剪切面上的正應(yīng)力，0-n=0時(shí)的巖石抗剪強(qiáng)度，也稱(chēng)為巖石的內(nèi)聚力，內(nèi)聚力對(duì)于一種巖

15、石而言是一個(gè)常數(shù)； 內(nèi)摩擦系數(shù)，即為直線的斜率，如以直線的斜角表示，則=tg，則上式為： =0+ntg 巖石的內(nèi)摩擦角，則上式稱(chēng)為庫(kù)倫剪切破裂準(zhǔn)則。第40頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)50分，星期四4、莫爾剪切破裂準(zhǔn)則 莫爾根據(jù)巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，對(duì)庫(kù)倫準(zhǔn)則提出了修正。他認(rèn)為材料的內(nèi)摩擦角不是常數(shù)，而是隨圍壓的變化而變化，其破裂線的方程一般表示為： n=f(n) 這是一條由一系列實(shí)驗(yàn)得出的曲線，它包絡(luò)了同一種巖石在不同圍壓下破裂時(shí)的極限應(yīng)力圓，這一曲線稱(chēng)為莫爾包絡(luò)線。第41頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20日，4點(diǎn)50分，星期四影響巖石變形行為的因素1、巖石的各向異性 2、圍壓第42頁(yè)，共44頁(yè)，2022年，5月20