地质构造力学基础ppt课件

1、1 1 力学基础力学基础11 1 力学基础力学基础21.1 力和应力力和应力1 1 力学基础力学基础31.1 力和应力力和应力正剪力正剪力逆时针逆时针1 1 力学基础力学基础41.1 力和应力力和应力1 1 力学基础力学基础51.1 力和应力力和应力1 1 力学基础力学基础61.1 力和应力力和应力1 1 力学基础力学基础71.1 力和应力力和应力外力外力内力内力外力外力1 1 力学基础力学基础81.1 力和应力力和应力1 1 力学基础力学基础91.1 力和应力力和应力0limApA 1 1 力学基础力学基础101.1 力和应力力和应力应力分类应力分类正应力：不垂直外力，正应力：不垂直外力，但

2、垂直截面的应力但垂直截面的应力剪应力剪应力()：不垂直外力，：不垂直外力，但平行截面之力但平行截面之力压应力：压力压应力：压力0张应力：拉伸力张应力：拉伸力0顺时针：负值顺时针：负值( 0 )逆时针：正值逆时针：正值( 0 )1 1 力学基础力学基础111.1 力和应力力和应力主应力、主方向、主平面主应力、主方向、主平面 主应力：某一截面上只需正应力，没有剪主应力：某一截面上只需正应力，没有剪应力时的正应力应力时的正应力 主方向：主应力的方向主方向：主应力的方向 主平面：垂直于主应力的平面主平面：垂直于主应力的平面1 1 力学基础力学基础121.2 应力形状分析应力形状分析定义：物体遭到外力作

3、用时，内部任一点各定义：物体遭到外力作用时，内部任一点各个截面上的应力分布情况。个截面上的应力分布情况。1 1 力学基础力学基础131.2 应力形状分析应力形状分析1 1 力学基础力学基础141.2 应力形状分析应力形状分析主方向主方向(A)主平面主平面(B)1 1 力学基础力学基础151.2 应力形状分析应力形状分析一点的三个主应力决议了该点的应力形状。一点的三个主应力决议了该点的应力形状。单轴应力形状单轴应力形状一个主应力不为零，其他一个主应力不为零，其他两个均为零。两个均为零。双轴应力形状或平面应力形状双轴应力形状或平面应力形状一个主应一个主应力为零，其他两个均不为零。力为零，其他两个均

4、不为零。三轴应力形状三轴应力形状三个主应力均不为零，且三个主应力均不为零，且123 。1 1 力学基础力学基础161.2 应力形状分析应力形状分析应力集中又称应力扰动，是由于岩块或地块应力集中又称应力扰动，是由于岩块或地块内部的部分不均匀性和不延续性，在岩体内部呵内部的部分不均匀性和不延续性，在岩体内部呵斥应力场部分变化的景象。应力集中会影响构造斥应力场部分变化的景象。应力集中会影响构造应力场中的应力分布形状应力场中的应力分布形状.当受力岩石内部存在孔洞、缺口、微小裂隙当受力岩石内部存在孔洞、缺口、微小裂隙等缺陷时易构成应力集中。等缺陷时易构成应力集中。1 1 力学基础力学基础171.2 应力

5、形状分析应力形状分析1 1 力学基础力学基础181.2 应力形状分析应力形状分析地球的演化阅历了漫长的历史地球的演化阅历了漫长的历史, 一个地域发生过多期次的构造一个地域发生过多期次的构造运动和构造变形运动和构造变形, 在早期构造变形的部位在早期构造变形的部位, 尤其是在断裂的端点尤其是在断裂的端点, 拐拐折点折点, 分枝点以及两条或两条以上的断裂的交汇处分枝点以及两条或两条以上的断裂的交汇处, 都是后期构造应都是后期构造应力场的应力集中部位。力场的应力集中部位。有破裂存在的岩石再次受力后有破裂存在的岩石再次受力后, 其应力集中与受力条件有亲密其应力集中与受力条件有亲密关系关系, 例如例如,

6、张应力作用方向与先存破裂面垂直张应力作用方向与先存破裂面垂直, 那么在破裂面两端那么在破裂面两端产生应力集中区产生应力集中区; 当压应力作用方向与先存破裂面垂直时当压应力作用方向与先存破裂面垂直时, 那么不出那么不出现应力集中区。现应力集中区。 此外此外, 应力集中还与岩石的力学性质有关应力集中还与岩石的力学性质有关, 当岩石呈韧性时当岩石呈韧性时, 虽然岩石中有断裂存在虽然岩石中有断裂存在, 后期构造应力场不会产生应力集中后期构造应力场不会产生应力集中; 而岩石而岩石呈脆性形状时呈脆性形状时, 后期构造应力场那么在断裂处容易产生应力集中。后期构造应力场那么在断裂处容易产生应力集中。1 1 力

7、学基础力学基础191.2 应力形状分析应力形状分析应应力力集集中中景景象象在断裂带中容易产生应在断裂带中容易产生应力集中的部位表示图力集中的部位表示图1 1 力学基础力学基础201.2 应力形状分析应力形状分析构造应力场的概念构造应力场的概念应力场应力场某个地质体物体内部各点的某个地质体物体内部各点的瞬时应力形状所组成的空间瞬时应力形状所组成的空间(在三维空间上的组成的在三维空间上的组成的总体总体)，称为应力场。，称为应力场。均匀应力场、非均匀应力场均匀应力场、非均匀应力场地壳中的应力场，是由地壳运动产生的，是构地壳中的应力场，是由地壳运动产生的，是构成地质构造的主要要素。成地质构造的主要要素

8、。构造应力场构造应力场指地壳内一定范围内某一瞬指地壳内一定范围内某一瞬时的应力形状。时的应力形状。 1 1 力学基础力学基础211.2 应力形状分析应力形状分析1 1 力学基础力学基础221.2 应力形状分析应力形状分析a.按对象规模分部分构造应力场区域构造应力场全球构造应力场b.按时间分按时间分古构造应力场古构造应力场分析推断得出分析推断得出现代构造应力场现代构造应力场仪器测出仪器测出1 1 力学基础力学基础231.2 应力形状分析应力形状分析1 1 力学基础力学基础241.2 应力形状分析应力形状分析1 1 力学基础力学基础251.2 应力形状分析应力形状分析单向紧缩的应力网络单向紧缩的应

9、力网络最大应力最大应力迹线迹线最大剪应最大剪应力迹线力迹线最大剪应最大剪应力迹线力迹线1 1 力学基础力学基础261.2 应力形状分析应力形状分析单向拉伸的应力网络单向拉伸的应力网络最大应力最大应力迹线迹线最大前应最大前应力迹线力迹线最大剪应最大剪应力迹线力迹线1 1 力学基础力学基础271.2 应力形状分析应力形状分析纯剪切的应力网络纯剪切的应力网络最大应力最大应力迹线迹线最小应力最小应力迹线迹线最大剪应最大剪应力迹线力迹线1 1 力学基础力学基础281.2 应力形状分析应力形状分析直扭剪切附加侧向紧缩的直扭剪切附加侧向紧缩的应力网络应力网络1 1 力学基础力学基础291.2 应力形状分析应

10、力形状分析直扭剪切附加侧向拉伸的直扭剪切附加侧向拉伸的应力网络应力网络1 1 力学基础力学基础301.2 应力形状分析应力形状分析旋扭剪切的应力网络旋扭剪切的应力网络1 1 力学基础力学基础31 例如, 一矩形物体在单向拉伸条件下, 仅有主张应力s3的轨迹和最大剪应力tmax轨迹线; 而在单向挤压的条件下, 仅有主压应力s1和最大剪应力tmax的轨迹线。1.2 应力形状分析应力形状分析1 1 力学基础力学基础321.2 应力形状分析应力形状分析应力等值线图应力等值线图主应力或剪应力的应力等值线图能定量地表主应力或剪应力的应力等值线图能定量地表示某个地质体物体内各点的应力分布及其变示某个地质体物

11、体内各点的应力分布及其变化特点。因此，这两种图件是常用的有效的应力化特点。因此，这两种图件是常用的有效的应力形状表示方法之一。形状表示方法之一。1 1 力学基础力学基础331.2 应力形状分析应力形状分析现代构造应力场现代构造应力场在地质分析的根底上用仪器进展实地测定。在地质分析的根底上用仪器进展实地测定。1 1 力学基础力学基础341.3 岩石变形分析岩石变形分析变形可分为 体积的改动外形的改动外形的改动体积、外形均有改动体积、外形均有改动1 1 力学基础力学基础351.3 岩石变形分析岩石变形分析1 1 力学基础力学基础361.3 岩石变形分析岩石变形分析1 1 力学基础力学基础371.3

12、 岩石变形分析岩石变形分析1 1 力学基础力学基础381.3 岩石变形分析岩石变形分析岩石的应变岩石的应变线应变线应变变形前后线段长度的变化变形前后线段长度的变化 应变量计算：应变量计算： A. 单位长度比：单位长度比： 式中：式中：线应变量；线应变量； L 0、L变形前、后变形前、后同一线段的长度比伸长为正；缩短为负同一线段的长度比伸长为正；缩短为负 B. 平方长度比：平方长度比：式中：式中：变形后、前同一线段的长度比的平变形后、前同一线段的长度比的平方方00LLL220L/L11 1 力学基础力学基础391.3 岩石变形分析岩石变形分析L0L1 1 力学基础力学基础401.3 岩石变形分析

13、岩石变形分析 剪应变岩石在剪应力或扭应力作用下，使岩石内部原来垂直的两条微小线段所夹直角的改动量。 1定义： 角应变：变形前相互垂直的两条直线， 变形后其夹角偏离直角的量 剪应变：角应变的正切 2应变量计算：= tg 右偏为正；左偏为负1 1 力学基础力学基础411.3 岩石变形分析岩石变形分析主应变、主应变面和主应变轴主应变、主应变面和主应变轴主应变：三个相互垂直的截面上的线应变。主应变：三个相互垂直的截面上的线应变。主应变面：只需线应变的三个相互垂直的截主应变面：只需线应变的三个相互垂直的截面。面。应变主方向：三个主应变方向。也称主应应变主方向：三个主应变方向。也称主应变轴变轴应变方向应变

14、方向平行最大伸长方向，平行最大伸长方向，为最大主应变方向为最大主应变方向1最大主应变轴最大主应变轴A或或X介于二者之间：为中间应变方向2中间主应变轴B或Y平行最大紧缩方向，平行最大紧缩方向，为最小主应变方向为最小主应变方向3最大主应变轴最大主应变轴C或或Z1 1 力学基础力学基础421.3 岩石变形分析岩石变形分析1 1 力学基础力学基础431.3 岩石变形分析岩石变形分析 1. 均匀应变： 1定义： 物体内各质点的应变特点一样的变形(变形性质、方向和大小都一样) 2特点：变形前变形前 变形变形 变形后变形后直线直线 直线直线平行直线平行直线 平行平行直线直线平面平面 平面平面平行平面平行平面

15、 平行平行平面平面 1 1 力学基础力学基础441.3 岩石变形分析岩石变形分析 2. 非均匀应变： 1定义： 物体内各质点的应变特点发生变化的变形 (变形性质、方向和大小发生变化的变形) 例如, 弯曲和改动就是非均匀变形, 构造地质学主要研讨的多是这类变形, 但在详细研讨时, 多把整体的非均匀变形分解成部分的均匀变形来讨论分析, 即把非均匀变形视为假设干延续的部分均匀变形的总和。 2特点： 变形前变形前 变形变形 变形后变形后直线直线 曲线曲线平行直线平行直线 非平行直线非平行直线平面平面 曲面曲面平行平面平行平面 非平行平面非平行平面 1 1 力学基础力学基础451.3 岩石变形分析岩石变

16、形分析 3. 延续变形：物体内从一点到另一点的应变形状是逐渐变化的如弯曲。4. 不延续变形：物体内从一点到另一点的应变形状是忽然变化如断开。 褶皱是一种非均匀延续变形1 1 力学基础力学基础461.3 岩石变形分析岩石变形分析非均匀变形非均匀变形A.A.变形前；变形前；B.B.变形后；变形后；C.C.不延续变形不延续变形弯曲变形弯曲变形1 1 力学基础力学基础471.3 岩石变形分析岩石变形分析1 1 力学基础力学基础481.3 岩石变形分析岩石变形分析 线段线段0B弹性变形阶段。弹性变形阶段。在岩石变形的初期阶段在岩石变形的初期阶段, 应力应变图上为一段斜率应力应变图上为一段斜率较陡的直线较

17、陡的直线0A, 阐明应力阐明应力与应变成正比与应变成正比, 与与A点对应点对应的应力值的应力值为比例极限为比例极限; 线段线段AB为曲线为曲线, 这时应这时应力与应变不成比例力与应变不成比例, 与与B点点对应的应力值对应的应力值y为弹性极为弹性极限限. 在在B点前撤除应力点前撤除应力, 岩石岩石可恢复到变形前的形状可恢复到变形前的形状.直线的斜率直线的斜率tan/E称弹性模量称弹性模量1 1 力学基础力学基础491.3 岩石变形分析岩石变形分析2.塑性变形塑性变形物体受力变形物体受力变形, 当作用力当作用力超越物体的弹性极限超越物体的弹性极限, 在物体中产生永久性不在物体中产生永久性不可恢复的

18、变形叫塑性变形。可恢复的变形叫塑性变形。特点：外形变化，但内部结合力尚未破特点：外形变化，但内部结合力尚未破坏，任坚持其延续性。坏，任坚持其延续性。褶皱构培育是岩石塑性变形与弹性变形褶皱构培育是岩石塑性变形与弹性变形结合的详细表现。其本质就是质点的滑动位结合的详细表现。其本质就是质点的滑动位移。此外，岩石在强大的应力下产生的压溶移。此外，岩石在强大的应力下产生的压溶和重结晶作用，也能促使岩石的变形。和重结晶作用，也能促使岩石的变形。岩石塑变性质分类岩石塑变性质分类脆性岩石：塑性应变脆性岩石：塑性应变幅度幅度3%脆性韧性：塑性应脆性韧性：塑性应变幅度变幅度%韧性岩石：塑性应韧性岩石：塑性应变幅度

19、变幅度1 1 力学基础力学基础501.3 岩石变形分析岩石变形分析塑性变形的特点塑性变形的特点: : BD BD 曲线为塑性变形阶段。应力曲线为塑性变形阶段。应力与应变呈非线形关系与应变呈非线形关系, , 当外力解除当外力解除之后物体也不能恢复原状。在应力之后物体也不能恢复原状。在应力应变图上应变图上, , 从从B B点开场点开场, , 受力物受力物体进入塑性变形阶段体进入塑性变形阶段, , 过过B B点后点后, , 曲线显著弯曲曲线显著弯曲, , 当到达当到达C C点后点后, , 曲曲线变成近程度形状线变成近程度形状, , 这意味着即使这意味着即使载荷添加很少载荷添加很少, , 甚至没有添加

20、载荷甚至没有添加载荷的情况下的情况下, , 变形也会显著添加变形也会显著添加, , 此此时岩石抵抗变形的才干很弱时岩石抵抗变形的才干很弱, , 这种这种景象称为屈服或塑性流变景象称为屈服或塑性流变, C, C点为点为屈服点屈服点, , 对应该点的应力值对应该点的应力值sgsg称屈称屈服极限。过服极限。过C C点后应力缓慢添加点后应力缓慢添加, , 不断到不断到D D点点, , 应力值添加到最大值。应力值添加到最大值。 1 1 力学基础力学基础511.3 岩石变形分析岩石变形分析1 1 力学基础力学基础521.3 岩石变形分析岩石变形分析1 1 力学基础力学基础531.3 岩石变形分析岩石变形分

21、析1 1 力学基础力学基础541.3 岩石变形分析岩石变形分析1 1 力学基础力学基础551.3 岩石变形分析岩石变形分析断裂变形：断裂变形： 教材教材29页定义页定义定义：当应力到达或超越岩石的强度极定义：当应力到达或超越岩石的强度极限时，岩石的内部结合力遭到破坏，就会产限时，岩石的内部结合力遭到破坏，就会产生破裂面，岩石失去延续完好性，这时就发生破裂面，岩石失去延续完好性，这时就发生了断裂变形。生了断裂变形。几个概念：几个概念：强度极限：是指在常温常压下使固体物强度极限：是指在常温常压下使固体物质开场破坏时的应力值。质开场破坏时的应力值。强度：岩石抵抗外力作用的才干。强度：岩石抵抗外力作用

22、的才干。普通岩石的抗压强度要远大于岩石的抗普通岩石的抗压强度要远大于岩石的抗剪、抗张强度。抗压强度约为抗张强度的剪、抗张强度。抗压强度约为抗张强度的30倍倍1 1 力学基础力学基础561.3 岩石变形分析岩石变形分析断裂变形的特点断裂变形的特点: 应力与应变呈非线性应力与应变呈非线性关系关系, 受力物体失去延续受力物体失去延续性。性。 在应力应变图上在应力应变图上, D点即为岩石的强度极限点即为岩石的强度极限点点, 对应该点的应力值对应该点的应力值sD为强度极限为强度极限, 过过D点后点后, 应应力下降较快力下降较快, 岩石产生破岩石产生破裂裂, 失去延续完好性。失去延续完好性。1 1 力学基

23、础力学基础571.3 岩石变形分析岩石变形分析岩石的变形与岩石的力学性质亲密相关。岩石的变形与岩石的力学性质亲密相关。 岩石的弹性与塑性岩石的弹性与塑性岩石具有弹性变形的性质，称为弹性。岩石具有弹性变形的性质，称为弹性。地震波的传播，对研讨地质构造无直接意义。地震波的传播，对研讨地质构造无直接意义。岩石具有塑性变形的性质，称为塑性。岩石具有塑性变形的性质，称为塑性。 褶皱构造褶皱构造 岩石是既具弹性，又具塑性的弹塑性资料，不存在消岩石是既具弹性，又具塑性的弹塑性资料，不存在消长关系。长关系。岩石的脆性与韧性岩石的脆性与韧性 脆性脆性: 岩石在弹性变形阶段后至断裂前岩石在弹性变形阶段后至断裂前,

24、 没有或只需极没有或只需极小的塑性变形小的塑性变形(抗剪强度抗剪强度抗张强度抗张强度1 1 力学基础力学基础621.3 岩石变形分析岩石变形分析岩石的断裂方式岩石的断裂方式岩石受力发生断裂的方式有张裂和剪裂两种，岩石受力发生断裂的方式有张裂和剪裂两种，张裂是在张力作用下产生的，当张应力到达张裂是在张力作用下产生的，当张应力到达或超越岩石的抗张强度时就会发生张裂。或超越岩石的抗张强度时就会发生张裂。剪裂是在剪应力作用下产生的。当剪应力到剪裂是在剪应力作用下产生的。当剪应力到达或超越岩石的抗剪强度时就会发生剪裂。达或超越岩石的抗剪强度时就会发生剪裂。受力类型受力类型张裂张裂剪裂剪裂挤压作用挤压作用

25、拉伸作用拉伸作用剪切作用剪切作用1 1 力学基础力学基础631.3 岩石变形分析岩石变形分析岩石剪裂角和库仑剪切破裂线的概念岩石剪裂角和库仑剪切破裂线的概念在岩石变形实验中发现在岩石变形实验中发现, 岩石遭到挤压力的作岩石遭到挤压力的作用用, 会在与挤压力方向成一定交角的位置构成一对会在与挤压力方向成一定交角的位置构成一对剪切破裂剪切破裂, 由于这一对剪切破裂是受同一作用力而由于这一对剪切破裂是受同一作用力而构成的构成的, 构造地质学中称这一对剪切破裂为共轭剪构造地质学中称这一对剪切破裂为共轭剪切破裂。切破裂。 当岩石发生共轭剪切破裂时当岩石发生共轭剪切破裂时, 包含包含s1象限的共象限的共轭

26、剪切破裂面中间的夹角称为共轭剪切破裂角轭剪切破裂面中间的夹角称为共轭剪切破裂角2s1作用方向与剪切破裂面的夹角称为剪裂角作用方向与剪切破裂面的夹角称为剪裂角1 1 力学基础力学基础641.3 岩石变形分析岩石变形分析 二维应力形状的应力分析可知二维应力形状的应力分析可知, 两组最大剪应两组最大剪应力作用面与力作用面与s1或最小主应力轴的夹角均为或最小主应力轴的夹角均为45, 二剪二剪裂面之间的夹角为裂面之间的夹角为90, 二剪裂面的交线是中间应力二剪裂面的交线是中间应力轴轴s2的作用方向。的作用方向。 但从野外实地察看和室内岩石实验来看但从野外实地察看和室内岩石实验来看, 包含包含s1的共轭剪

27、切破裂角经常的共轭剪切破裂角经常90, 通常在通常在60左右左右, 而而共轭剪切破裂的剪裂角那么共轭剪切破裂的剪裂角那么45, 也就是说也就是说, 两组两组共轭剪裂面并不沿实际分析的最大剪应力作用面共轭剪裂面并不沿实际分析的最大剪应力作用面的方位发育的方位发育, 这个景象可用库伦、莫尔强度实际来这个景象可用库伦、莫尔强度实际来解释。解释。 1 1 力学基础力学基础651.3 岩石变形分析岩石变形分析据岩石实验据岩石实验, 库伦剪切破裂准那么以为库伦剪切破裂准那么以为, 岩石抵抗剪切岩石抵抗剪切破坏的才干不仅与作用在截面上的剪应力有关破坏的才干不仅与作用在截面上的剪应力有关, 而且还与而且还与作

28、用在截面上的正应力有关作用在截面上的正应力有关, 设产生剪切破裂的极限剪应设产生剪切破裂的极限剪应力为力为t, 可写成如下关系式可写成如下关系式: t=t0+msn 式中式中t0 是当是当sn =0时岩石的抗剪强度时岩石的抗剪强度, 在岩石力学中在岩石力学中又称内聚力又称内聚力, 对于一种岩石而言对于一种岩石而言t0是一常数。是一常数。sn是剪切面是剪切面上的正应力上的正应力, 当当sn为压应力时为压应力时, sn为正值为正值, t将增大将增大;当当sn为张为张应力时应力时, sn为负值为负值, t将减小将减小; m为内摩擦系数为内摩擦系数, 即为上述直即为上述直线方程中的直线的斜率线方程中的

29、直线的斜率, 假设以直线的斜角假设以直线的斜角f表示表示, 那么那么m=tanf, 因此因此, 上式可写成上式可写成: t=t0+sn tan f1 1 力学基础力学基础661.3 岩石变形分析岩石变形分析tt0n tan ftt0n tan f 上式为库伦剪切破裂准那么的上式为库伦剪切破裂准那么的关系式关系式, f, f为岩石的内摩擦角。为岩石的内摩擦角。在在 、 t t坐标的平面内坐标的平面内, , 上式为上式为两直线两直线, , , , 称剪切破裂线称剪切破裂线, , 该线与该线与极限应力圆的切点代表剪切破极限应力圆的切点代表剪切破裂面的方位及其应力形状。图裂面的方位及其应力形状。图中可

30、以看出中可以看出, , 该切点并不代表最该切点并不代表最大剪应力作用的截面大剪应力作用的截面, ,而是代表而是代表略小于最大剪应力的一个截面。略小于最大剪应力的一个截面。其上的压应力值介于其上的压应力值介于1 1 、33之之间间, , 并接近并接近3 3 值。剪切破裂线值。剪切破裂线总是向着总是向着 轴的负方向倾斜轴的负方向倾斜, , 阐阐明该截面上的剪应力值比最大明该截面上的剪应力值比最大剪应力值略小剪应力值略小, , 其上的压应力值其上的压应力值却比最大剪应力面上的压应力却比最大剪应力面上的压应力要小得多要小得多, , 因此因此, , 该截面妨碍剪该截面妨碍剪裂发生的抵抗力也就小得多裂发生

31、的抵抗力也就小得多, , 所所以以, , 在这个截面上最容易产生剪在这个截面上最容易产生剪切破裂。切破裂。1 1 力学基础力学基础671.3 岩石变形分析岩石变形分析tt0n tan ftt0n tan f当岩石发生剪切破裂当岩石发生剪切破裂时时, , 剪裂面与最大主应力剪裂面与最大主应力轴轴11的夹角的夹角 剪裂剪裂角角q45f/2, q45f/2, 共轭剪裂角共轭剪裂角为为2q902q90f f。由此可见。由此可见, , 剪裂角的大小取决于内剪裂角的大小取决于内摩擦角摩擦角ff的大小的大小, , 内摩擦内摩擦角小角小, , 剪裂角就大剪裂角就大, , 内摩内摩擦角大擦角大, , 剪裂角就小

32、。剪裂角就小。 不同岩石的内摩擦角不同岩石的内摩擦角是不同的是不同的, , 在变形条件一在变形条件一样的情况下样的情况下, , 脆性岩石的脆性岩石的内摩擦角往往要大于韧内摩擦角往往要大于韧性岩石的内摩擦角。性岩石的内摩擦角。岩石沿着与最大主应力轴分别岩石沿着与最大主应力轴分别呈呈4545-/2-/2和和- /2 - /2 夹角的两个夹角的两个剪面破裂。剪面破裂。1 1 力学基础力学基础681.3 岩石变形分析岩石变形分析莫尔剪切破裂准莫尔剪切破裂准那么那么: :该准那么以为该准那么以为, , 相相当多资料的内摩擦角当多资料的内摩擦角f f并不是一个固定的并不是一个固定的常数常数, , 其破裂线

33、的方程其破裂线的方程普通表达式为普通表达式为: : t n f n t n f n 该破裂线称莫尔该破裂线称莫尔包络线包络线, , 其为曲线其为曲线, , 包包络线各点坐标络线各点坐标n , t n , t n n 代表各种应力形状代表各种应力形状下在即将发生剪切破下在即将发生剪切破裂的截面上的极限应裂的截面上的极限应力值。由于力值。由于f f角是变角是变化的化的, , 因此剪裂角因此剪裂角q q也也是变化的是变化的, , 但仍小于但仍小于4545。1 1 力学基础力学基础691.4 应变椭球体与递进变形应变椭球体与递进变形应变椭球体的概念应变椭球体的概念岩石发生变形时岩石发生变形时, 其内部

34、质点的相对位置将发其内部质点的相对位置将发生变化。想象在变形前岩石中有一个半径为生变化。想象在变形前岩石中有一个半径为1 的单的单位球体位球体, 变形后成为一椭球体。这一个椭球的形状变形后成为一椭球体。这一个椭球的形状和方位表示了岩石的应变形状和方位表示了岩石的应变形状, 称为应变椭球体称为应变椭球体.应变椭球有三个相互垂直的主轴应变椭球有三个相互垂直的主轴, 沿主轴方向沿主轴方向只需线应变而没有剪应变。只需线应变而没有剪应变。 在三个主轴不等时在三个主轴不等时, 分分别叫最大应变轴别叫最大应变轴, 最小应变轴和中间应变轴最小应变轴和中间应变轴.1 1 力学基础力学基础701.4 应变椭球体与

35、递进变形应变椭球体与递进变形1. 定义：定义： 用来表示应变形状的椭球用来表示应变形状的椭球2. 特征：特征： (1)变形前是球，均匀变形后为一椭球变形前是球，均匀变形后为一椭球 (2)有三个相互垂直的主轴有三个相互垂直的主轴X、Y、Z，分，分别代表最大、中间、最小应变轴或别代表最大、中间、最小应变轴或1、2、3；A、B、C (3)有三个相互垂直的主平面有三个相互垂直的主平面YZ、XZ、XY，分别垂直，分别垂直X、Y、Z轴轴 (4)应力与应变有亲密关系：应力与应变有亲密关系： 最大应变轴平行最小压应力轴和最大张应最大应变轴平行最小压应力轴和最大张应力轴力轴 最小应变轴平行最大压应力轴和最小张应

36、最小应变轴平行最大压应力轴和最小张应力轴力轴1 1 力学基础力学基础711.4 应变椭球体与递进变形应变椭球体与递进变形分别以分别以X,Y,Z (X,Y,Z (或或A, B, C) A, B, C) 来表示应变椭球的最大来表示应变椭球的最大, , 中间中间, , 最最小应变轴小应变轴, , 包含恣意两个主轴所构成的平面叫主平面包含恣意两个主轴所构成的平面叫主平面. . 所以所以, , 应变应变椭球体具有椭球体具有XY, YZ, XZ ( XY, YZ, XZ ( 或或AB, BC, AC) AB, BC, AC) 主轴构成的三个主平面。主轴构成的三个主平面。1 1 力学基础力学基础721.4

37、应变椭球体与递进变形应变椭球体与递进变形应变椭球体的三个主轴方向与地质构造的空间方位有关：应变椭球体的三个主轴方向与地质构造的空间方位有关： 垂直最小应变轴垂直最小应变轴Z Z轴的主平面轴的主平面XYXY面面, , 或或ABAB面面 是压扁变形面是压扁变形面, , 它它代表了褶皱构造的轴面代表了褶皱构造的轴面, , 片理面等面状地质构造的方位片理面等面状地质构造的方位. . 平行最小应变轴平行最小应变轴Z Z轴的主平面轴的主平面XYXY面面, , 或或ABAB面面 是最大紧缩方向是最大紧缩方向. . 垂直最大应变轴垂直最大应变轴X X轴的主平面轴的主平面YZYZ面面, , 或或BCBC面面 是

38、拉伸变形面是拉伸变形面, , 它它代表了张节理等面状地质构造的的方位代表了张节理等面状地质构造的的方位. . 平行最大应变轴平行最大应变轴X X轴的主平面轴的主平面YZYZ面面, , 或或BCBC面面 是最大拉伸方向是最大拉伸方向, , 它经常反映在矿物的拉伸定向陈列上它经常反映在矿物的拉伸定向陈列上. . YZX1 1 力学基础力学基础731.4 应变椭球体与递进变形应变椭球体与递进变形递进变形的概念递进变形的概念在同一动力继续作用的变形过程中在同一动力继续作用的变形过程中, 假设应变假设应变形状发生延续的变化形状发生延续的变化, 这种变形叫做递进变形这种变形叫做递进变形 递进变形是一个过程

39、递进变形是一个过程, 在此变形过程中在此变形过程中, 岩石岩石内部的应变形状随变形过程的开展而变化内部的应变形状随变形过程的开展而变化, 会依次会依次出现性质和方位不同的应变形状出现性质和方位不同的应变形状, 并导致地质构造并导致地质构造变形的开展及其力学性质的转化。因此变形的开展及其力学性质的转化。因此, 递进变形递进变形既涉及变形的空间分布规律既涉及变形的空间分布规律, 也涉及到时间要素也涉及到时间要素, 它是岩石变形的历史过程。它是岩石变形的历史过程。 1 1 力学基础力学基础741 1 力学基础力学基础751 1 力学基础力学基础761 1 力学基础力学基础77递进的简单剪切是递进的简

40、单剪切是非共轴递进变形的非共轴递进变形的典型实例。典型实例。 1 1 力学基础力学基础781.5 影响岩石力学性质和变形的要素影响岩石力学性质和变形的要素岩石矿物成分、构造和构造，所处的地质环境岩石矿物成分、构造和构造，所处的地质环境包括围压、温度、溶液、孔隙压力、应力作用方式和作用包括围压、温度、溶液、孔隙压力、应力作用方式和作用时间等，对岩石的力学性质和变形的影响都是十清楚显的。时间等，对岩石的力学性质和变形的影响都是十清楚显的。岩石的成分岩石的成分岩石成分，在一定的条件下，对岩石的力学岩石成分，在一定的条件下，对岩石的力学性质和变形会产生明显的影响。性质和变形会产生明显的影响。含硬度大的

41、粒状矿物越多的岩石，强度越大，含硬度大的粒状矿物越多的岩石，强度越大，呈脆性变形，如石英砂岩，花岗岩等。呈脆性变形，如石英砂岩，花岗岩等。含硬度的片状矿物，强度越小，呈韧性变形，含硬度的片状矿物，强度越小，呈韧性变形，如粘土岩、片岩等。如粘土岩、片岩等。1 1 力学基础力学基础791.5 影响岩石力学性质和变形的要素影响岩石力学性质和变形的要素岩石的构造和构造岩石的构造和构造1 1 力学基础力学基础801.5 影响岩石力学性质和变形的要素影响岩石力学性质和变形的要素岩石处于地下深处时岩石处于地下深处时, 接受着周围岩体对它施接受着周围岩体对它施加的围压加的围压, 岩石所处深度越大岩石所处深度越

42、大, 围压就越大围压就越大, 增大围增大围压的效应一方面增大了岩石的强度极限压的效应一方面增大了岩石的强度极限, 另一方面另一方面增大了岩石的韧性。增大了岩石的韧性。1 1 力学基础力学基础811.5 影响岩石力学性质和变形的要素影响岩石力学性质和变形的要素绝大多数岩石在近地表的常温常压的条件下绝大多数岩石在近地表的常温常压的条件下是脆性的是脆性的, 随着岩石所处深度的添加随着岩石所处深度的添加, 温度也随之温度也随之的升高的升高, 温度的升高导致岩石的强度降低温度的升高导致岩石的强度降低, 弹性减弹性减弱弱, 韧性显著加强。韧性显著加强。1 1 力学基础力学基础821.5 影响岩石力学性质和

43、变形的要素影响岩石力学性质和变形的要素高高温温塑塑性性变变形形构构成成的的肠肠状状褶褶皱皱1 1 力学基础力学基础831.5 影响岩石力学性质和变形的要素影响岩石力学性质和变形的要素影响岩石的强度和质点迁移才干影响岩石的强度和质点迁移才干(异常孔隙流异常孔隙流体体) 。在枯燥和潮湿这两种不同的条件下在枯燥和潮湿这两种不同的条件下, 岩石的力岩石的力学性质是大不一样的。当岩石中有溶液或水蒸气学性质是大不一样的。当岩石中有溶液或水蒸气时时, 会降低岩石的强度极限会降低岩石的强度极限, 添加了岩石的韧性。添加了岩石的韧性。此外此外, 岩石中的溶液岩石中的溶液, 可以降低岩石内矿物颗粒之可以降低岩石内

44、矿物颗粒之间的粘结力间的粘结力, 使岩石受力后使岩石受力后, 易发生颗粒粒间滑动易发生颗粒粒间滑动, 从而呵斥岩石的塑性变形。溶液还可溶解岩石中从而呵斥岩石的塑性变形。溶液还可溶解岩石中的部分易溶组分的部分易溶组分, 在岩石中留下微小孔洞在岩石中留下微小孔洞, 导致岩导致岩石的强度降低。石的强度降低。1 1 力学基础力学基础841.5 影响岩石力学性质和变形的要素影响岩石力学性质和变形的要素 岩石的变形实验还阐明岩石的变形实验还阐明, 同一种岩石同一种岩石, 因其内中的溶液介质不同因其内中的溶液介质不同, 其强度降低的程度也不同。例如其强度降低的程度也不同。例如, 处于围压为处于围压为1000

45、MPa的大理岩的大理岩, 在煤油介质内的抗压强度为在煤油介质内的抗压强度为810MPa, 但在水溶液中但在水溶液中, 它的抗压强度却降低为它的抗压强度却降低为156MPa, 仅为在仅为在煤油中的抗压强度的五分之一。煤油中的抗压强度的五分之一。 溶液对岩石的力学性质的影响的缘由是溶液对岩石的力学性质的影响的缘由是, 溶液的参与使分子的活动才干加强溶液的参与使分子的活动才干加强, 由此导致了岩石的内摩擦力和分子由此导致了岩石的内摩擦力和分子之间的凝聚力必然减少之间的凝聚力必然减少, 从而降低了岩石和矿物的强度。从而降低了岩石和矿物的强度。下表列举了部分岩石在枯燥和潮湿条件下抗压强度的降低率下表列举

46、了部分岩石在枯燥和潮湿条件下抗压强度的降低率(单位单位:Mpa) 1 1 力学基础力学基础85在堆积物堆积时在堆积物堆积时, 一些流体被封锁在粒间孔隙内一些流体被封锁在粒间孔隙内, 堆积物被压实堆积物被压实后后, 其中部分液体被挤出其中部分液体被挤出, 但大部分仍留岩石孔隙中和岩层中。这种但大部分仍留岩石孔隙中和岩层中。这种岩石孔隙内的流体的压力称为孔隙压力岩石孔隙内的流体的压力称为孔隙压力 。在正常情况下在正常情况下, 地壳内任一深度上孔隙水的流体静压力相当于地壳内任一深度上孔隙水的流体静压力相当于这一深度到地表的水柱的压力这一深度到地表的水柱的压力, 约等于围压约等于围压(静岩压力静岩压力

47、)的的40%。由于。由于快速堆积或构造变动使堆积物快速压实而孔隙水不能及时排出快速堆积或构造变动使堆积物快速压实而孔隙水不能及时排出, 可可使孔隙压力异常增大。使孔隙压力异常增大。 孔隙压力孔隙压力Pp的作用在于的作用在于, 它抵消了围压它抵消了围压Pc的作用的作用, 这时对变形这时对变形起作用的是有效围压起作用的是有效围压Pe: Pe=PcPp因此因此, 当岩石中存在有异常的孔隙压力时当岩石中存在有异常的孔隙压力时, 就产生了类似降低围就产生了类似降低围压的效果压的效果, 降低围压就等于降低了岩石的强度。降低围压就等于降低了岩石的强度。Heard 在大理岩变在大理岩变形实验中发现形实验中发现, 当孔隙压力为围压的当孔隙压力为围压的90%时时