1、项目二 地质构造力学分析,任务1 应力及应力分析 任务2 变形与应变分析 任务3 岩石力学性质及其影响因素分析,地壳中的各种地质构造都是岩石在力的作用下形成的。要研究各种地质构造的几何形态、组合特征和力学成因，首先必须了解有关岩石受力变形的基本理论和影响岩石变形的各种因素，进而分析岩石变形的特征和规律。,任务1 应力及应力分析,1. 力和应力力是物体间的相互作用。1.1 外力和内力力可分为外力和内力。,外力外部施加于研究对象的力。按外力作用的方式，外力又分为面力和体力。内力物体内部各部分之间相互作用的力。内力又分为固有内力和附加内力。,下面所涉及的内力指的都是附加内力。内力随外力的改变而改变，
2、但是这种改变有一定的限度。当外力增加到一定程度时，物体遭到破坏而失去平衡。地质构造就是岩层或岩体受力后发生变形与破裂的结果。,1.2 应力应力是指物体单位面积上的内力（单位：Pa）。,在自然界中，截面A上的应力分布往往是不均匀的。,如果作用力方向与截面斜交时：,图2-2 内力和应力的分解 （a）内力的分解；（b）合应力的分解,正应力可以为压应力，用正值表示；它也可以为张应力，用负值表示。剪应力则可以使物体发生剪切滑动。习惯上规定，使物体有顺时针转动趋势的剪应力为负值（0）。,2. 一点的应力状态我们把物体受力后其内部任一点各个截面上的应力分布情况，称为该点的应力状态。,一点的应力状态分为三类：
3、 单轴应力状态： 双轴应力状态： 三轴应力状态：,图2-3 三种应力状态 （a）单轴应力状态；（b）双轴应力状态；（c）三轴应力状态,3. 单轴应力分析在单轴应力状态下，变形物体中任意斜截面上的正应力、剪应力与主应力1之间的关系。,图2-4 单轴应力状态分析,将上两公式两边平方后相加得：,莫尔应力圆，简称莫尔圆。,图2-5 单轴应力状态的二维应力莫尔圆,图2-8 纯剪应力状态的莫尔圆,4. 应力网络与变形图像应力迹线，就是应力方向变化的轨迹线，可以是直线，也可以是曲线。由几簇相互关联的应力迹线构成的网络，叫应力网络。变形图像是具有成生联系的构造形迹在空间上形成有规律组合的几何图像。在理想状态下
4、，变形图像与应力网络是一一对应的，即压性构造线与主压力迹线垂直，张性构造线与主张应力迹线垂直，共轭剪性构造线与两组最大剪应力迹线平行。,图2-10 单向拉伸、挤压和剪切的应力网络 (a)单向拉伸;(b)单向挤压;(c)剪切,5. 地应力及构造应力场5.1 地应力地应力是指在自然状态下组成地壳的岩层、岩体内部分布的应力。在地质历史时期中曾经存在于地层岩石内的地应力，称为古地应力，,现代地应力则可以用仪器直接测定，如在地震地质、矿山开采、工程地质等方面经常采用仪器直接测定。,5.2 构造应力场地壳中受力岩层或岩体中，由某一瞬时应力状态组成的有规律地分布和变化空间，称为构造应力场。构造应力场按研究对
5、象的规模，分为局部构造应力场、区域构造应力场和全球构造应力场；按其几何形态分为空间构造应力场和平面构造应力场；按其时间分为古构造应力场和现代活动的构造应力场（以新生代开始的前后为界）。,任务2 变形与应变分析,1. 变形1.1 变形的概念当物体受到外力作用时，组成物体各个质点间的相对位置就会发生变化，这种变化称为变形。,当物体受到外力作用后，表现为物体形状的变化时，称为形变。当物体受到外力作用后，表现为物体体积的变化时，称为体变。,1.2 岩石变形的基本方式 （1）拉伸变形： （2）压缩变形： （3）剪切变形： （4）弯曲变形： （5）扭转变形：,图2-11 岩石变形的基本形式 (a)拉伸；(
6、b)压缩；(c)剪切；(d)弯曲（上图为横弯曲，下图为纵弯曲）；(e)扭转,可归纳为两大类：均匀变形和非均匀变形 均匀变形指变形物体内各部分变形性质、方向和大小都相同的变形。 非均匀变形指变形物体内各部分变形性质、方向和大小均不相同的变形。,2. 应变应变是变形量大小的量度，用来度量变形物体的体积或形状的改变量。2.1 线应变物体变形前后的相对伸长或缩短称为线应变。,纵向线应变为：横向线变形为：,图2-12 单向拉伸变形,在弹性变形范围内，一种材料的横向线应变与纵向线应变之比的绝对值为一个常数，这个常数（）称为泊松比，即：,2.2 剪切应变物体在剪切力的作用下发生变形，变形后的任一截面相对其原
7、来的位置发生了一定角度的旋转，这种应变称为剪切应变（也叫角应变）。,图2-13 剪切变形,2.3 体应变体应变是体积变化量（V-V0）与原体积V0之比，也称膨胀度，即：,3. 岩石的变形阶段随着外力的增加，岩石的变形要经历弹性变形、塑性变形和断裂变形三个阶段。这三个变形阶段既是相互联系的，又是相互过渡、依次发生的。,图2-14 塑性材料拉伸时的应力应变曲线图 a-比例极限；b-弹性极限；c-屈服极限；d-强度极限；,3.1 弹性变形当物体在外力作用下发生变形，取消外力后能完全恢复到变形前状态的变形，称为弹性变形。弹性变形的主要特点是符合虎克定律。,3.2 塑性变形在应力超过岩石的弹性极限时，即
8、使卸去外力，变形也不能完全消失，而会出现剩余变形。这种变形称为塑性变形。,3.3 断裂变形当应力达到或超过岩石的强度极限时，岩石内部的结合力就遭到了破坏，岩石将产生断裂变形。这时岩石就失去了连续完整性，产生断裂面。,图2-15 张裂和剪裂的形成、分布与应力-变形的关系,岩石的断裂变形有两种方式，即张裂和剪裂： （1）张裂：岩石所受的张应力达到或超过岩石的抗张强度。 （2）剪裂：当岩石在一对剪应力的作用下所产生的断裂变形。,图2-16 岩石中的细颈化和透镜体化现象 （广东大降平，据蓝琪峰等）,岩石的破裂方式，不仅与应力的性质有关，而且也受岩石本身力学性质及所处环境的影响。对于同一种岩石而言，三个
9、强度之间的关系是：抗压强度抗剪强度抗张强度；抗压强度大约是抗剪强度的10倍，是抗张强度的30倍左右。,4. 应变椭球体4.1 应变椭球体的概念应变椭球体的概念是贝克尔（G.F.Becker）在1893年从弹性力学的应力椭球体概念中引导出来的。,图2-17 应变椭球体,图2-18 应变椭圆,4.2 旋转应变和非旋转应变 （1）非旋转应变岩石在受到压缩或拉伸而发生均匀变形后，如果其应变主轴的方位保持不变，只有其长度发生改变的，这种应变称为非旋转应变，也叫纯剪切应变。,图2-19 非旋转应变和旋转应变 (a)非旋转应变；(b)旋转应变 （据E.S.希尔斯）,（2）旋转应变当岩石受到一对相互平行、方向
10、相反的力偶作用时，岩石发生变形过程中的应变轴不仅长度发生了改变，而且方位也发生了改变，这种应变称为旋转应变或简单剪切应变。,4.3 应变椭球体的应用通常遵循下列一般原则： （1）应变椭球体的长轴1（A轴），一般表示岩石变形的相对最大伸长的方向和塑性流动方向。,（2） 应变椭球体的短轴3（C轴），表明岩石的相对最大缩短方向。 （3）两组共轭剪裂面的交线为B轴，一般情况下共轭剪裂面的锐角平分线与C轴一致。两个共轭剪裂面为最大剪应力分布面，如共轭剪节理等。,自然界中的各种地质构造是复杂的，在使用应变椭球体分析地质构造时，必须搞清不同地质构造的形成时间和成生关系，要以准确完整的资料为基础。具体问题具体
11、分析，不要盲目定向，生搬硬套。,图2-20 运用应变椭球体分析节理构造,图2-21运用应变椭球体分析背斜内部小构造,项目三 岩石力学性质及其影响因素分析,1. 岩石的力学性质岩石的力学性质主要是指岩石的弹性、塑性、脆性、柔性、蠕变和松弛等性质。,1.1 岩石的弹性和塑性岩石受外力作用而发生变形，当外力取消后，立即恢复原状的性质，称为弹性。如果岩石所受外力解除后，其变形已不能完全消失而出现剩余变形，这种性质称为塑性。,图2-22 柴北缘大头羊沟东上石炭统岩石褶皱,1.2 岩石的脆性和柔性岩石受力后变形，在破坏前几乎没有或只有很短的塑性变形阶段，这种性质，称为脆性。如果岩石在破裂前有较长的塑性变形
12、阶段，这种性质，称为韧性或柔性。,1.3 岩石的蠕变和松弛岩石受力后变形，在应力保持不增加的情况下，随着时间的增长，变形也会继续缓慢增加的现象叫蠕变。当岩石应变保持不变时，随着时间的增长，应力逐渐减小的现象叫松弛。统称为岩石的流变特性。,图2-23 蠕变曲线 图2-24 松弛曲线,2. 影响岩石力学性质的因素2.1 岩石的内在因素 （1）岩石的矿物成分岩石是由各种矿物组成的，由于组成岩石的矿物不同，其力学性质差别很大。,（2）岩石的结构岩石的结构是指岩石内部颗粒的形状和大小、排列方式及胶结的紧密程度。一般来讲，颗粒圆滑、胶结不紧的岩石强度较低；而颗粒细、胶结紧的岩石则强度大。,（3）岩石的构造
13、岩石的构造差异直接影响到岩石对受力后变形的不同反应。,2.2 外界因素（1）围压处在地下深处的岩石，会受到周围岩体对其施加的压力，这种性质的压力称为围压，又叫静岩压力。,图2-25 围压对大理岩的应力应变曲线 (据M.S.帕特森),（2）温度温度的增加，会使岩石的弹性降低，塑性加强，岩石由脆性转变为柔性。,图2-26 温度对大理岩的应力应变曲线（据D.T.格里格斯）,地壳中的温度是随深度的加深而增加的。平均地温梯度为每加深100米，温度约增高3。在地壳深处，随着温度、压力的增高，塑性变形的能力也大大提高。,（3）溶液由于溶液的加入可使分子的活动力增强，减小岩石分子间的凝聚力，从而降低了岩石的强
14、度。因此，在干燥和富含饱和水的不同状态下，岩石的力学性质有很大的差异。,图2-27 温度和溶液对大理岩变形的影响 （据D.T.格里格斯）,（4）孔隙压力岩石孔隙内流体（水、油等）的压力被称为孔隙压力。实验结果表明：岩石中孔隙水压越大，岩石的强度越低。,图2-28 孔隙压力对石英晶体力学性质的影响 （据D.T.格里格斯）,（5）时间作用力的作用时间对于岩石变形及岩石力学性质的影响很大，特别是在慢长的地质历史时期中，时间因素更为突出。,图2-29 恒定压力（14107Pa）下石灰岩的蠕变曲线 （据D.T.格里格斯）,（6）应力作用方式应力作用方式的不同，对岩石力学性质的影响也不同。当岩石受张应力的作用时，可使其脆性增大，易产生张性断裂；当岩石受压应力的作用时，随着体积的缩小，会提高其塑性。,
