岩石的变形课件

第十六章

岩石变形的力学基础

应力分析变形分析影响岩石变形的因素

应力分析

外力和内力

从外部施加于一个物体的力称为外力内力是同一物体内部各部分之间的相互作用力在外力作用下所引起物体内部内力的改变量称为附加内力，或简称内力应力

指单位面积所受的内力。内力的强度以应力来表示正应力剪应力

垂直于截面ΔA的应力，叫正应力σ或称直应力。σ=ΔN/ΔA平行于截面ΔA的应力τ称为剪应力，又叫切应力：τ=ΔT/ΔA应力的国际单位为帕（Pa），每平方米面积上所受牛顿力的大小

正应力σ可以是挤压力，也可以是拉张力。地质上习惯以压应力为正，张应力为负。材料力学中张应力为正，压应力为负

剪应力τ的作用是使质点沿截面发生相对剪切滑移。使物体有逆时针转动趋势的剪应力为正，使物体有顺时针转动趋势的剪应力为负

单向受力状态下的二维应力分析

当α=0时，cos2α=1，则σ=σ1；当0<α<90°时，0<|cos2α|<1，则σ<σ1，这表明在与挤压方向垂直的截面上正应力值最大。当α=0或=90°时，sin2α=0，则τ=0，即与挤压方向垂直的截面上无剪应力存在；当α=45°时，sinα=1,则剪应力τ=σ1/2；当0°<α<45°或90°>α>45°时，0<sin2α<1，0<τ<σ1/2，这说明在与挤压方向成45°交角的截面上剪应力值最大，该截面称为最大剪应力作用面

当截面与作用力相垂直时（即α=0），该截面上的正应力值最大，而剪应力值为零。当截面上只有正应力而无剪应力时，这个截面上的正应力叫主应力，该截面则叫主平面，主应力作用的方向为主应力轴

物体中一点的应力状态有三种基本类型①三轴应力状态，指主应力σ1、σ2和σ3均不等于零，这是自然界中最为普遍的一种应力状态②双轴应力状态，指两个主应力值不等于零，而另一个主应力值为零的应力状态③单轴应力状态，指只有一个主应力不为零，另外两个主应力值均等于零的应力状态

变形分析地壳中岩体受到应力作用后，其内部各质点发生一系列的位移，从而使岩体的初始形状、方位或位置发生了改变，称为变形是指在应力作用下物体形状和大小发生了改变的位移，即体变和形变

物体变形方式有五种：拉伸、挤压、剪切、弯曲和扭转

均匀变形和非均匀变形

变形前后物体各部分的变形性质、方向和大小都相同的变形称为均匀变形。其特征是：原来的直线或平面，变形后仍然是直线或平面，但方向可能改变；原来互相平行的直线或平面，变形后仍然平行，方向也可能改变；变形物体中同一方向的直线具有相同的伸缩量和角度变化变形前后物体各部分的变形方向、性质和大小有变化的变形称为非均匀变形其特征是：原来的直线或平面，变形后为曲线或曲面；原来互相平行的直线或平面，变形后不再平行；变形物体中同一方向的直线伸缩量和角度变化是不同的

应变

物体变形后，其内部质点的相对位置发生了变化，可以从两个方面描述变形前后质点位置的变化描述物体内质点间线段长度的变化量，叫线应变描述物体内相交线段之间角度的变化量，叫角应变，或剪应变

岩石变形的阶段

岩石在外力持续作用下，一般都经历了三个阶段的变形弹性变形、塑性变形和断裂变形岩石在外力作用下发生变形，当外力解除后，又完全恢复到变形前的状态，这种变形称为弹性变形。它的主要特点是应力与应变成正比，符合虎克定律随着外力继续增加，变形继续增大。当应力超过岩石的弹性极限后，再将应力撤去，变形岩石已不能完全恢复原来的形状，保留一定的永久变形，这种变形称为塑性变形

任何岩石经过弹性或塑性变形后，当外力达到强度极限时，岩石就会失去连续的完整性，产生破坏，即断裂变形影响岩石变形的因素岩石本身的影响因素外界环境的影响因素

1．围压2.温度3．溶液时间

围压岩石处于地下深处，承受着周围岩石对它施加的围压作用。许多实验证明，随着围压的增大，岩石的屈服极限和强度极限都有很大的提高，增强了岩石的韧性温度许多岩石在常温常压下是脆性的，随着温度升高，岩石的屈服应力随之降低，弹性减弱，韧性显著增强。随着温度升高，抗压强度明显降低，岩石的塑性应变量增大溶液当岩石中含有溶液或水汽时，一方面由于水的润滑作用以及对矿物晶键的弱化作用，降低了岩石的弹性极限，增加了岩石的塑性，使岩石易于变形；另一方面，在应力作用下，溶液有利于重结晶作用，即可促使某些矿物溶解，也可促使某些新矿物形成，因而有利于岩石的塑性变形外界环境的影响因素时间应变速率对变形的影响在人们日常生活中不乏实例。如沥青、麦芽糖等韧性物质，在快速冲击力的作用下会像脆性物质一样破碎，但如果缓慢