地质构造力学基础.ppt
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1、2019年5月19日星期日,地质构造,永久变形,应力作用,地壳运动,地质构造的基本形态、组合型式、分布规律,与岩石或岩体的力学性质、所处的应力状态密不可分。 地质构造成因机制的研究,实际是进行力学成因机制的分析。 分析力学成因机制建立在现代岩石固体力学基础上(把岩石所受应力与岩石本身的力学性质结合起来进行的)建立在材料力学的实验基础上的。材料看成是均质的,在人为条件下短时间内进行的。 岩石是不均质的,所处环境是复杂的,变形经历时间漫长。 解决方法,均质、简化、模拟,2019年5月19日星期日,一、力 定义: 力是物体间的相互作用。 力是一种矢量,一般用力的三要素来表示(既力的作用点、大小和方向
2、)。作用于物体任何一点的力都可以进行力的分解,几个已知力也可以进行力的合成。,1.1 力和应力,2019年5月19日星期日,一、力 作用在岩石上的力,往往成对出现。,1.1 力和应力,压力两力作用同一直线、大小相等、方向相向。正。,张力两力作用同一直线、大小相等、方向相背。负。,剪力(扭力)两力作用非同一直线、大小相等、方向相反。,正剪力,负剪力,逆时针,顺时针,2019年5月19日星期日,二、外力和内力 处于地壳和岩石圈中的任何地质体,都会受到相邻介质的作用力。,1.1 力和应力,外力被研究物体(对象)以外的物体施加于所研究物体的作用力。分为:,面力通过接触面传递的力。接触面称界面或作用面。
3、 (接触力),体力每个质点都受到的外力。(非接触力) 它不通过接触, 而是相隔一定的距离相互作用, 如太空星球之间的吸引力, 物体的重力等 。,2019年5月19日星期日,二、外力和内力,1.1 力和应力,内力由外力作用引起的物体内部各部分(质点)之间的相互作用力。分为:,固有内力未受外力时,质点之间的相互作用力。使各质点处于相对平衡状态,使物体保持固定的形状。,附加内力物体受到外力作用时,内部质点之间的相互作用力也会相应地改变,这种内力的改变量称为附加内力。它阻止物体继续变形并力图恢复其原来的形状。构造地质学研究中非常关注附加内力。,2019年5月19日星期日,二、外力和内力,1.1 力和应
4、力,内力外力,是个相对概念 内力 外力。 视研究对象而定,例如,对地球来说,月球的引力是外力,而自转产生的惯性力便是内力。但对地壳来说,惯性力又是外力,由于惯性力的作用,在地壳内部产生的抵抗力才是内力。由此可见,内力与外力是随着研究的对象的不同而转化的。 本章研究对象:主要研究附加内力。,2019年5月19日星期日,二、外力和内力,1.1 力和应力,外力,内力,外力,外力发生变形。 附加内力 反外力。 阻止继续变形。力图恢复原状。,2019年5月19日星期日,三、应力,1.1 力和应力,因为附加内力的存在阻止了物体发生变形。一个物体的变形和破坏与内力的大小有关,而内力的大小是由应力来度量的。所
5、以研究附加内力,就必须了解度量内力大小的应力是什么?,应力应力是物体单位面积上的内力。 应力单位:“帕斯卡” 。(Pa) 其大小取决于:总内力;作用面的大小。 当内力均匀分布,则截面A上的应力为: =P/A (为应力符号),2019年5月19日星期日,三、应力,1.1 力和应力,当内力不均匀时:,合应力 任一截面上产生的与外力作用方向平行的应力。 正应力和剪应力 正应力:垂直截面的应力,以表示 剪应力:平行截面的应力,以表示 规定:正应力压为正,张为负。剪应力以逆时针方向为正、以顺时针方向为负。,2019年5月19日星期日,三、应力,1.1 力和应力,2019年5月19日星期日,三、应力,1.
6、1 力和应力,主应力、主方向、主平面 主应力:某一截面上只有正应力,没有剪应力时的正应力 主方向:主应力的方向 主平面:垂直于主应力的平面,2019年5月19日星期日,一、应力状态的概念,1.2 应力状态分析,定义:物体受到外力作用时,内部任一点各个截面上的应力分布情况。,2019年5月19日星期日,一、应力状态的概念,1.2 应力状态分析,单元体六个面上的正应力,称为主应力(可张、可压)。 三对主应力值相等时,物体只发生体积改变,而形状不变;三对主应力值大小不相等时,物体形状就会发生形状改变,这时三对主应力分别称为: 最大主应力(1) 中间主应力(2) 最小主应力(3) 13=应力差 当条件
7、相同时应力差愈大形变也愈大。,2019年5月19日星期日,一、应力状态的概念,1.2 应力状态分析,主方向(A),主平面(B),2019年5月19日星期日,一、应力状态的概念,1.2 应力状态分析,一点的三个主应力决定了该点的应力状态。 单轴应力状态一个主应力不为零,其余两个均为零。 双轴应力状态或平面应力状态一个主应力为零,其余两个均不为零。 三轴应力状态三个主应力均不为零,且123 。,2019年5月19日星期日,二、应力集中现象的分析,1.2 应力状态分析,应力集中又称应力扰动,是由于岩块或地块内部的局部不均匀性和不连续性,在岩体内部造成应力场局部变化的现象。应力集中会影响构造应力场中的
8、应力分布状态. 当受力岩石内部存在孔洞、缺口、微小裂隙等缺陷时易形成应力集中。,2019年5月19日星期日,二、应力集中现象的分析,1.2 应力状态分析,2019年5月19日星期日,二、应力集中现象的分析,1.2 应力状态分析,地球的演化经历了漫长的历史, 一个地区发生过多期次的构造运动和构造变形, 在早期构造变形的部位, 尤其是在断裂的端点, 拐折点, 分枝点以及两条或两条以上的断裂的交汇处, 都是后期构造应力场的应力集中部位。 有破裂存在的岩石再次受力后, 其应力集中与受力条件有密切关系, 例如, 张应力作用方向与先存破裂面垂直, 则在破裂面两端产生应力集中区; 当压应力作用方向与先存破裂
9、面垂直时, 则不出现应力集中区。 此外, 应力集中还与岩石的力学性质有关, 当岩石呈韧性时, 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; 而岩石呈脆性状态时, 后期构造应力场则在断裂处容易产生应力集中。,2019年5月19日星期日,二、应力集中现象的分析,1.2 应力状态分析,应力集中现象,在断裂带中容易产生应力集中的部位示意图,2019年5月19日星期日,三、构造应力场,1.2 应力状态分析,构造应力场的概念 应力场某个地质体(物体)内部各点的瞬时应力状态所组成的空间(在三维空间上的组成的总体),称为应力场。 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,是形成
10、地质构造的主要因素。 构造应力场指地壳内一定范围内某一瞬时的应力状态。,2019年5月19日星期日,三、构造应力场,1.2 应力状态分析,构造应力场的特征 是指应力分布规律(大小、性质、方向、方式和变化)和构造形迹的总和,2019年5月19日星期日,三、构造应力场,1.2 应力状态分析,应力场分类,2019年5月19日星期日,三、构造应力场,1.2 应力状态分析,构造应力网络图 应力场的表示方法: 一般地,用地质体(物体)内各点的主应力1、 2 、 3 ,或最大或最小剪应力 的大小和方位来表示其应力场的状态和特征。 构造应力网络图依次沿相邻的各点的主应力或剪应力方向连接得到的轨迹线称为应力轨迹
11、线(又称应力网络),由其绘制而成的应力轨迹图(应力网络图)能够客观地形象地定性表示某个地质体(物体)内的应力分布状态。,2019年5月19日星期日,三、构造应力场,1.2 应力状态分析,2019年5月19日星期日,1.2 应力状态分析,单向压缩的应力网络,最大应力迹线,最大剪应力迹线,最大剪应力迹线,2019年5月19日星期日,1.2 应力状态分析,单向拉伸的应力网络,最大应力迹线,最大前应力迹线,最大剪应力迹线,2019年5月19日星期日,1.2 应力状态分析,纯剪切的应力网络,最大应力迹线,最小应力迹线,最大剪应力迹线,2019年5月19日星期日,1.2 应力状态分析,直扭剪切附加侧向压缩
12、的应力网络,2019年5月19日星期日,1.2 应力状态分析,直扭剪切附加侧向拉伸的应力网络,2019年5月19日星期日,1.2 应力状态分析,旋扭剪切的应力网络,2019年5月19日星期日,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 应力状态分析,2019年5月19日星期日,三、构造应力场,1.2 应力状态分析,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示某个地质体(物体)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状态表示方法之一。,2
13、019年5月19日星期日,三、构造应力场,1.2 应力状态分析,构造应力的研究方法 古构造应力场 从构造形迹的力学性质及空间分布规律入手,反推形成构造形迹时的应力场的特征。反序法。 节理统计、岩组分析、泥巴模拟、光弹模拟、数学地质模拟等。,现代构造应力场 在地质分析的基础上用仪器进行实地测定。,2019年5月19日星期日,一、岩石的变形和应变的概念,1.3 岩石变形分析,岩石的变形与位移 变形 岩石受力后,内部各质点之间的位置发生改变,使其形态或体积发生变化的现象。,2019年5月19日星期日,一、岩石的变形和应变的概念,1.3 岩石变形分析,位移 物体内各质点的位置在变形前后的相对变化。(平
14、移、旋转、体变、形变) 平移、旋转:改变坐标,不改变形态 (内部各质点相对位置不变) 体变、形变:改变形态和体积 (内部各质点相对位置改变),2019年5月19日星期日,一、岩石的变形和应变的概念,1.3 岩石变形分析,位移,位移的四种方式,2019年5月19日星期日,一、岩石的变形和应变的概念,1.3 岩石变形分析,岩石的应变 应变是指变形前后物体的形状、大小或物质线方位的改变量。(变形的程度),2019年5月19日星期日,一、岩石的变形和应变的概念,1.3 岩石变形分析,岩石的应变 线应变变形前后线段长度的变化( ) 应变量计算: A. 单位长度比: 式中:线应变量; L 0、L变形前、后
15、同一线段的长度比(伸长为正;缩短为负) B. 平方长度比: 式中:变形后、前同一线段的长度比的平方,2019年5月19日星期日,一、岩石的变形和应变的概念,1.3 岩石变形分析,L0,L,2019年5月19日星期日,1.3 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变量。 (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),2019年5月19日星期日,二、岩石的变形和应变的概念,1.3 岩石变形分析,主应变、主应变面和主应变轴 主应变:
16、三个相互垂直的截面上的线应变。 主应变面:只有线应变的三个相互垂直的截面。 应变主方向:三个主应变方向。(也称主应变轴),2019年5月19日星期日,二、岩石的变形的方式,1.3 岩石变形分析,2019年5月19日星期日,三、均匀应变与非均匀应变,1.3 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相同的变形(变形性质、方向和大小都相同) (2)特点:,变形前 变形 变形后 直线 直线 平行直线 平行直线 平面 平面 平行平面 平行平面,2019年5月19日星期日,三、均匀应变与非均匀应变,1.3 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
17、生变化的变形 (变形性质、方向和大小发生变化的变形) 例如, 弯曲和扭转就是非均匀变形, 构造地质学主要研究的多是这类变形, 但在具体研究时, 多把整体的非均匀变形分解成局部的均匀变形来讨论分析, 即把非均匀变形视为若干连续的局部均匀变形的总和。 (2)特点:,变形前 变形 变形后 直线 曲线 平行直线 非平行直线 平面 曲面 平行平面 非平行平面,2019年5月19日星期日,三、均匀应变与非均匀应变,1.3 岩石变形分析,3. 连续变形:物体内从一点到另一点的应变状态是逐渐变化的(如弯曲)。 4. 不连续变形:物体内从一点到另一点的应变状态是突然变化(如断开)。 褶皱是一种非均匀连续变形,2
18、019年5月19日星期日,三、均匀应变与非均匀应变,1.3 岩石变形分析,非均匀变形 A.变形前;B.变形后; C.不连续变形,弯曲变形,2019年5月19日星期日,四、岩石变形的阶段,1.3 岩石变形分析,在外力作用下,岩石变形要经历弹性变形、塑性变形、断裂变形三个阶段。这三个阶段依次发生, 但不是截然分开的, 而是彼此过渡的。由于岩石力学性质不同, 不同岩石的三个变形阶段的长短和特点也各不相同。 1.弹性变形岩石在外力作用下变形, 当外力解除后, 岩石又恢复到变形前的状态, 这种变形行为叫弹性变形。 特点:应力与应变成正比。 (受力愈大,变形愈大,但有上限弹性极限)地震为例,小地震恢复,大
19、地震破坏。,2019年5月19日星期日,四、岩石变形的阶段,1.3 岩石变形分析,线段0B弹性变形阶段。在岩石变形的初期阶段, 应力应变图上为一段斜率较陡的直线0A, 说明应力与应变成正比, 与A点对应的应力值为比例极限; 线段AB为曲线, 这时应力与应变不成比例, 与B点对应的应力值y为弹性极限. 在B点前撤除应力, 岩石可恢复到变形前的形态. 直线的斜率tan/E称弹性模量,2019年5月19日星期日,四、岩石变形的阶段,1.3 岩石变形分析,2.塑性变形物体受力变形, 当作用力超过物体的弹性极限, 在物体中产生永久性不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坏,任保持
20、其连续性。 褶皱构造就是岩石塑性变形与弹性变形结合的具体表现。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和重结晶作用,也能促使岩石的变形。,2019年5月19日星期日,四、岩石变形的阶段,1.3 岩石变形分析,塑性变形的特点: BD 曲线为塑性变形阶段。应力与应变呈非线形关系, 当外力解除之后物体也不能恢复原状。在应力应变图上, 从B点开始, 受力物体进入塑性变形阶段, 过B点后, 曲线显著弯曲, 当达到C点后, 曲线变成近水平状态, 这意味着即使载荷增加很少, 甚至没有增加载荷的情况下, 变形也会显著增加, 此时岩石抵抗变形的能力很弱, 这种现象称为屈服或塑性流变, C点为
21、屈服点, 对应该点的应力值sg称屈服极限。过C点后应力缓慢增加, 一直到D点, 应力值增加到最大值。,2019年5月19日星期日,四、岩石变形的阶段,1.3 岩石变形分析,2019年5月19日星期日,四、岩石变形的阶段,1.3 岩石变形分析,2019年5月19日星期日,四、岩石变形的阶段,1.3 岩石变形分析,2019年5月19日星期日,四、岩石变形的阶段,1.3 岩石变形分析,2019年5月19日星期日,四、岩石变形的阶段,1.3 岩石变形分析,断裂变形: (教材29页定义) 定义:当应力达到或超过岩石的强度极限时,岩石的内部结合力遭到破坏,就会产生破裂面,岩石失去连续完整性,这时就发生了断
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