地质构造分析的力学基础课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第三章 地质构造分析的力学 基础,应力,应变,岩石的力学性质与岩石的破裂,1,应 变,变形与应变,变形：地壳内岩石受到应力作用，内部各个质点经受了位移，从而使岩石的初始形状、方位或位置发生改变，这种改变通常称为变形。,变形的基本方式包括：拉伸、挤压、剪切、弯曲和扭转。,变形是由应变度量的。应变可以是长度变化（线应变）、角度变化（角应变）或体积变化（体应变）。,2,第三节 有关应变的几个基本概念,1,、线应变：变形前后物体中线段的相对伸长或缩短称为线应变。下列几个量描述线应变,1,）伸长度（线应变）：变形前后单位线段长度的改变量。,L,0,L,1,e=(L,1,-,L,0,)/L,0,e,伸长为正；缩短为负,3,在拉伸或压缩情况下，变形物体不仅会在拉伸或压缩方向上（纵向上）产生变形，而且在与之垂直的方向上（横向上）产生应变（,e,0,）。,e,0,=,b/b,0,，,b=b-b,0,e=(L,1,-,L,0,)/L,0,e,伸长为正；缩短为负,L,0,L,1,b,1,b,0,4,在弹性应变范围内，横向线应变与纵向线应变之比的绝对值为一个常数。称为,泊松比,。属于物质的一种物理常数，与外力无关。,=,|,e,0,/e,|,e=(L,1,-,L,0,)/L,0,e,伸长为正；缩短为负,L,0,L,1,b,1,b,0,5,2,）长度比：变形后线段长度与变形前线段长度之比。,s,=L/L,0,=,（,L,0,+,L,）,/L,0,=1+e,3),平方长度比（,）：,=,s,2,=,（,1+e,）,2,第三节 有关应变的几个基本概念,6,线应变实例,7,2,、剪应变,：变形前相互垂直的两条直线，变形后其夹角偏离直角的量（,）为角剪应变，其正切为剪应变。,=tan,顺时针为正，逆时针为负。,第三节 有关应变的几个基本概念,8,3,、体积应变：变形前后体积的变化量。,=,（,V-V,0,）,/V,0,第三节 有关应变的几个基本概念,9,4,、应变椭球体：变形物体内一点上变形前的一个单位圆球体在变形后变成一个椭球体,应变椭球,应变椭球体内有三个互相垂直的主轴，沿主轴方向只有线应变而没有剪应变，称之为应变主轴（应变主方向）。分别以,1,，,2,，,3,（或,X,Y,Z,）表示。椭球体的三个主轴的半径分别为,1,，,2,，,3,。,包含应变椭球体的任意两个主轴的平面叫做应变主平面。,第三节 有关应变的 几个基本概念,10,如果取椭球的几何中心为坐标圆点，取,x,，,y,，,z,轴分别平行于,1,，,2,，,3,方向，则应变椭球体方程为：,第三节 有关应变的 几个基本概念,11,通过椭球中心包含任意两个 应变主轴的应变主平面与椭球相交为椭圆，称为应变椭圆。,第三节 有关应变的 几个基本概念,12,如果中间应变轴长度不发生变化，变形只发生在,XZ,面上，称为平面应变。,第三节 有关应变的 几个基本概念,13,第三节 有关应变的几个基本概念,应变椭球的意义,1,代表最大延伸方向（物质运动方向），平行于构造岩中的拉伸线理方向；擦痕方向。,14,第三节 有关应变的几个基本概念,应变椭球的意义,与,1,垂直的面为一个张性面（,YZ,面），是张节理发育的方向。,15,第三节 有关应变的几个基本概念,应变椭球的意义,与,3,垂直的面（,XY,面,),是一个挤压面，包括褶皱面。,XY,面,16,第三节 有关应变的几个基本概念,均匀应变,：,物体内各点的应变特征相同的变形。其特征是：变形前的直线，变形后仍是直线，变形前的平行直线，变形后仍然平行。物体内各点的应变性质相同（大小和方向相同），否则为,非均匀应变,。,二者是相对的，与变形方式无关,5,、均匀应变和非均匀应变,17,第三节 有关应变的几个基本概念,纯剪,单剪,假设是均匀变形的情况下，根据物体内质点的位移方式和形态变化讨论其变形（应变）方式时划分的,6,、纯剪切、简单剪切,18,7,、共轴应变与非共轴应变,共轴应变（非旋转应变）：,物体内变形前与应变主轴平行的直线，在变形后方向不变，只是长度发生变化。如挤压和拉伸,非共轴应变（,旋转应变）：,物体内变形前与应变主轴平行的直线，在变形后方向和长度都发生变化。简单剪切变形或一般变形。,主要是根据物质线的变化衡量的,第三节 有关应变的几个基本概念,19,第三节 有关应变的几个基本概念,8,、无限小应变：当畸变很小，伸长度或剪应变无限地接近,0,时，称为无限小应变；,无限小应变中，剪应变,值等于角剪切,9,、有限应变：在地质应用中，实际应变都很大，在,e,或,不超过,0.01,时称为无限小应变，否则称为有限应变。,20,第三节 有关应变的几个基本概念,10,、全量应变：以初始形态为基准度量的应变称为全量应变；,11,、以前一阶段的应变为参照度量的应变称为增量应变。,a,b,21,12,、递进变形,变形初始状态至最终状态之间，增量应变的叠加过程。用于理解和描述变形过程（演化）。,第三节 有关应变的几个基本概念,22,皮肌炎是一种引起皮肤、肌肉、心、肺、肾等多脏器严重损害的，全身性疾病，而且不少患者同时伴有恶性肿瘤。它的1症状表现如下：,1、早期皮肌炎患者，还往往伴有全身不适症状，如-全身肌肉酸痛，软弱无力，上楼梯时感觉两腿费力；举手梳理头发时，举高手臂很吃力；抬头转头缓慢而费力。,皮肌炎图片,皮肌炎的症状表现,第四节 岩石的力学性质与岩石的破裂,24,1,）弹性变形阶段,一、岩石变形的阶段,虎克定律：,=Ee,E:,弹性模量或杨氏模量,25,2,）塑性变形阶段,一、岩石变形的阶段,26,2,）塑性变形阶段与屈服极限,一、岩石变形的阶段,27,3,）应变硬化阶段,一、岩石变形的阶段,28,4,）强度极限与破裂变形阶段,抗压强度、抗张强度和抗剪强度,一、岩石变形的阶段,29,5,）常见岩石类型的强度极限,一、岩石变形的阶段,30,1,）,围压,大理岩,二、影响岩石力学行为的主要因素,第四节 岩石的力学性质与岩石的破裂,增加岩石的强度，增加岩石的韧性,31,二、影响岩石力学行为的主要因素,2,）,温度,玄武岩,温度升高，降低岩石的,强度；增加岩石的韧性,32,3,）,孔隙流体压力,孔隙压力：孔隙压力是由于岩石中的孔隙内，含有一定量的流体，受压后产生一种与外界压力方向相反的反向应力。,有效围压：由于孔隙压力的存在，抵消了围压的作用。,P,e,=P,c,-P,f,二、影响岩石力学行为的主要因素,33,3,）孔隙流体压力,P,e,=P,c,-P,f,二、影响岩石力学行为的主要因素,降低岩石的强度，增加岩石的脆性,34,4,）时间：,应变速率,Yule,大理岩，围压,50MPa,温度,500C,二、影响岩石力学行为的主要因素,应变速率降低，岩石的强度降低，韧性增加，易发生韧性变形,35,4,）时间,蠕变,：在恒定应力作用下，应变随着时间的持续而增加的变形行为。,二、影响岩石力学行为的主要因素,36,4,）时间,松弛：,在应变保持不变的情况下，随着时间的变化，应力逐渐减小的现象。,二、影响岩石力学行为的主要因素,37,5,）,外力作用方式：拉伸与压缩,6,）快速施力与缓慢施力,7,）重复施力,二、影响岩石力学行为的主要因素,38,1,）岩石破裂的两种主要方式,张裂和剪裂,三、岩石的破裂,39,2,）岩石破裂理论：,按照应力分析，在与挤压或拉伸方向呈,45,交角的截面上剪应力最大。称为,最大剪切面,。因此，剪切破裂面应该发生在这个方向上，成对出现，称为,共轭剪切破裂面,。,剪切破裂面与最大主应力之间的夹角，称为,剪裂角,（,),。,共轭剪切破裂面之间的锐夹角，称为,共轭剪裂角,（,2),。,三、岩石的破裂,2,=90,2a,40,2,）,岩石破裂理论：库仑,-,纳维叶破坏准则,三、岩石的破裂,A,n,A,0,=90-,41,三、岩石的破裂,2,）岩石破裂理论：库仑,-,纳维叶破坏准则,以,为横坐标，为纵坐标，则式,|,|,=,0,+,f,为两条直线的方程，称为库仑剪切破裂线。,令直线与坐标横轴夹角为,，则：,f,=,tg,。其中,称为内摩擦角。有：,=,0,+,n,tg,42,2,）岩石破裂理论：库仑剪切破裂线在低围压时基本上为直线；说明,和,0,基本上不变。,三、岩石的破裂,库仑,-,纳维叶破坏准则,43,2,）岩石破裂理论：莫尔包络线,高围压,三、岩石的破裂,莫尔破坏准则,围压降低时，,角变大,和,0,变小；围压升高时，角变小,和,0,变大。,44,本讲要点,有关应变的一些基本概念；,应变椭球体及其地质意义；,岩石变形的阶段；,影响岩石力学行为的主要因素；,岩石的破裂与岩石破裂理论。,45,应变与岩石破裂,问题,线应变、剪应变、体积应变、应变椭球体、应变主轴（应变主方向）、应变主平面、应变椭圆、平面应变、非旋转应变,、,纯剪与单剪应变、均匀应变和非均匀应变、有限应变、无限小应变、递进变形的概念。,应变椭球体中的主应变面（,XY,，,YZ,XZ,）面与主应力有什么关系？,岩石变形的阶段与影响岩石力学行为的主要因素。,张裂和剪裂。,库仑,-,纳维叶破坏准则与莫尔破坏准则。,46,