第03章地質(zhì)構(gòu)造分析的力學(xué)基礎(chǔ)

1、2022-2-20第3章 地質(zhì)構(gòu)造分析的力學(xué)基礎(chǔ)1構(gòu)造地質(zhì)學(xué)第3章 地質(zhì)構(gòu)造分析的力學(xué)基礎(chǔ)陳書平中國石油大學(xué)（北京）地球科學(xué)系2022-2-20第3章 地質(zhì)構(gòu)造分析的力學(xué)基礎(chǔ)2主要內(nèi)容1. 應(yīng)力分析 2. 變形分析3. 影響巖石力學(xué)性質(zhì)與巖石變形的因素2022-2-20第3章 地質(zhì)構(gòu)造分析的力學(xué)基礎(chǔ)3要 點1. 摩爾圓的作用和意義，二維應(yīng)力摩爾圓2. 構(gòu)造應(yīng)力場的表示法 3. 庫侖剪破裂準則4. 均勻與非均勻變形 5. 共軸遞進變形與非共軸遞進變形 6. 旋轉(zhuǎn)變形與非旋轉(zhuǎn)變形7. 溫度、壓力和孔隙流體壓力對巖石力學(xué)性質(zhì)的影響2022-2-20第3章 地質(zhì)構(gòu)造分析的力學(xué)基礎(chǔ)4主要內(nèi)容1. 應(yīng)力分

2、析 2. 變形分析3. 影響巖石力學(xué)性質(zhì)與巖石變形的因素2022-2-20第3章 地質(zhì)構(gòu)造分析的力學(xué)基礎(chǔ)5(一) 外力、內(nèi)力和應(yīng)力1. 外力另一物體所施加的力p1) 面力.p2) 體力：重力、磁力.2. 內(nèi)力：物體內(nèi)部質(zhì)點之間的相互作用力p1) 固有內(nèi)力.p2) 附加內(nèi)力.2022-2-20第3章 地質(zhì)構(gòu)造分析的力學(xué)基礎(chǔ)63. 應(yīng)力：PA (or dPdA)uP附加內(nèi)力, A截面積p1) 正應(yīng)力：dNdA (壓為“+”，拉為“”)p2) 剪應(yīng)力：dTdA (逆時針為“+”，順時針為“”)dPMdAdNdTdTdT-+(一) 外力、內(nèi)力和應(yīng)力2022-2-20第3章 地質(zhì)構(gòu)造分析的力學(xué)基礎(chǔ)7(二

3、) 應(yīng)力狀態(tài)和應(yīng)力橢球1. 彈性力學(xué)證明：任何受力物體內(nèi)部總是能夠找到三個相互垂直的面，其上只有正應(yīng)力而無剪應(yīng)力.2131232022-2-20第3章 地質(zhì)構(gòu)造分析的力學(xué)基礎(chǔ)8p1) 主平面：S1, S2, S3p2) 主應(yīng)力：u1(最大)，2 (中間) ，3 (最小).p3) 主應(yīng)力軸：1，2，3的方向線.2131232022-2-20第3章 地質(zhì)構(gòu)造分析的力學(xué)基礎(chǔ)92. 應(yīng)力橢球：以s1， s2 ， s3（符號相同）為主軸的橢球體，直觀表達物體受力狀況.p應(yīng)力橢圓：應(yīng)力橢球的三個主切面.(二) 應(yīng)力狀態(tài)和應(yīng)力橢球2022-2-20第3章 地質(zhì)構(gòu)造分析的力學(xué)基礎(chǔ)103.常見的幾種應(yīng)力狀態(tài)：p

4、1) 單軸u壓縮：1230u拉伸：1203p2) 雙軸u壓縮：1230u平面: 1203p3) 三軸：123 u1230：靜水壓力(只引起物體體積變化) (二) 應(yīng)力狀態(tài)和應(yīng)力橢球2022-2-20第3章 地質(zhì)構(gòu)造分析的力學(xué)基礎(chǔ)114. 應(yīng)力差（差異應(yīng)力）概念：1-3，能引起物體形態(tài)變化.5. 平均應(yīng)力概念：(1+2+3)/3.6. 偏應(yīng)力概念:p11p22 p33(二) 應(yīng)力狀態(tài)和應(yīng)力橢球2022-2-20第3章 地質(zhì)構(gòu)造分析的力學(xué)基礎(chǔ)127. 地殼一般應(yīng)力狀態(tài)：p1) 淺部：231 =1/3.uV=0.25（巖石）p2) 深部：123gh，接近于靜巖應(yīng)力狀態(tài). V V1-V1-V(二) 應(yīng)

5、力狀態(tài)和應(yīng)力橢球2022-2-20第3章 地質(zhì)構(gòu)造分析的力學(xué)基礎(chǔ)13(三) 二維應(yīng)力分析摩爾圓圖解法1. 單軸應(yīng)力狀態(tài)的二維應(yīng)力分析 P1P1=s s1A0A1A0a ana a2022-2-20第3章 地質(zhì)構(gòu)造分析的力學(xué)基礎(chǔ)14P1N1A1P1 T1A02022-2-20第3章 地質(zhì)構(gòu)造分析的力學(xué)基礎(chǔ)15O2=0D(1/2, 0)(1, 0)摩爾圓摩爾圓2022-2-20第3章 地質(zhì)構(gòu)造分析的力學(xué)基礎(chǔ)16O2=0DD(1/2, 0)2 (, )(1, 0)P1P1=s s1A0A1A0na aa a2022-2-20第3章 地質(zhì)構(gòu)造分析的力學(xué)基礎(chǔ)17p1) a=0, t =0, s最大.p2

6、) a=45, | t |=Max.p3) 任意兩個相互垂直面上剪應(yīng)力t大小相等，符號相反. P1P1=s s1A0A1A0na aa aO2=0DD(1/2, 0)2 (, )(1, 0)2022-2-20第3章 地質(zhì)構(gòu)造分析的力學(xué)基礎(chǔ)18v例：已知：物體的120 MPa, 求作：u該受力物體的應(yīng)力摩爾圓.u求出法線與1成30交角的斜面上的正應(yīng)力和剪應(yīng)力的值.R=s1/260oP1P1=s s1A0A1A0na aa a2022-2-20第3章 地質(zhì)構(gòu)造分析的力學(xué)基礎(chǔ)192. 雙軸應(yīng)力狀態(tài)的二維應(yīng)力分析 2DD21推導(dǎo)自行練習(xí)推導(dǎo)自行練習(xí)(三) 二維應(yīng)力分析摩爾圓圖解法2022-2-20第3

7、章 地質(zhì)構(gòu)造分析的力學(xué)基礎(chǔ)20v思考題：測得一受力正方形物體對角線方向的斜面上正應(yīng)力（s）和剪應(yīng)力（t）分別為40MPa和20MPa，在另一與該斜面斜交的面上測得s和t分別為20MPa和60MPau求: 該受力物體的平面應(yīng)力摩爾圓、主應(yīng)力的大小和方向。 s s1?2022-2-20第3章 地質(zhì)構(gòu)造分析的力學(xué)基礎(chǔ)213. 八種應(yīng)力狀態(tài)的二維應(yīng)力摩爾圓特征 1)靜水拉伸靜水拉伸2)2)一般拉伸一般拉伸6)6)單軸壓縮單軸壓縮7)7)一般壓縮一般壓縮8)8)靜水壓縮靜水壓縮3)3)單軸拉伸單軸拉伸4)4)拉伸壓縮拉伸壓縮5)5)純剪應(yīng)力純剪應(yīng)力(三) 二維應(yīng)力分析摩爾圓圖解法2022-2-20第3章

8、 地質(zhì)構(gòu)造分析的力學(xué)基礎(chǔ)22(四) 三維應(yīng)力分析1. 三維應(yīng)力2022-2-20第3章 地質(zhì)構(gòu)造分析的力學(xué)基礎(chǔ)232. 三維應(yīng)力莫爾圓(四) 三維應(yīng)力分析2022-2-20第3章 地質(zhì)構(gòu)造分析的力學(xué)基礎(chǔ)24(五) 應(yīng)力場、構(gòu)造應(yīng)力場、應(yīng)力軌跡和應(yīng)力集中1. 應(yīng)力場：受力物體內(nèi)部各點瞬時應(yīng)力狀態(tài)的組合p1) 均勻應(yīng)力場：各點應(yīng)力狀態(tài)相同（可以按點應(yīng)力方法處理）.p2) 非均勻應(yīng)力場.2022-2-20第3章 地質(zhì)構(gòu)造分析的力學(xué)基礎(chǔ)252. 構(gòu)造應(yīng)力場：地殼內(nèi)一定范圍內(nèi)某一瞬時構(gòu)造應(yīng)力狀態(tài)的組合.p1) 按規(guī)模分為：局部、區(qū)域、全球.p2) 按時間分為：現(xiàn)代、古代.(五) 應(yīng)力場、構(gòu)造應(yīng)力場、應(yīng)力

9、軌跡和應(yīng)力集中2022-2-20第3章 地質(zhì)構(gòu)造分析的力學(xué)基礎(chǔ)263. 構(gòu)造應(yīng)力場的表示方法：p1) 方向主應(yīng)力和剪應(yīng)力方向軌跡圖.p2) 大小應(yīng)力等值線圖.u通常：最大主應(yīng)力和剪應(yīng)力.(五) 應(yīng)力場、構(gòu)造應(yīng)力場、應(yīng)力軌跡和應(yīng)力集中2022-2-20第3章 地質(zhì)構(gòu)造分析的力學(xué)基礎(chǔ)274. 應(yīng)力集中問題 p在巖石先期斷裂的端點、拐點、分支點、錯列點和待交匯點容易出現(xiàn)應(yīng)力集中，其結(jié)果是最先遭到破壞. (五) 應(yīng)力場、構(gòu)造應(yīng)力場、應(yīng)力軌跡和應(yīng)力集中2022-2-20第3章 地質(zhì)構(gòu)造分析的力學(xué)基礎(chǔ)28主要內(nèi)容1. 應(yīng)力分析 2. 變形分析3. 影響巖石力學(xué)性質(zhì)與巖石變形的因素2022-2-20第3章

10、地質(zhì)構(gòu)造分析的力學(xué)基礎(chǔ)29(一) 變形和應(yīng)變的概念1. 變形：物體受力后內(nèi)部質(zhì)點之間相互位置發(fā)生變化（形態(tài)、體積改變）p五種方式：拉伸、擠壓、剪切、彎曲、扭轉(zhuǎn).2022-2-20第3章 地質(zhì)構(gòu)造分析的力學(xué)基礎(chǔ)302. 應(yīng)變：變形程度的度量p1) 小變形應(yīng)變: 13.p2) 大變形（有限變形）: 應(yīng)變13.(一) 變形和應(yīng)變的概念2022-2-20第3章 地質(zhì)構(gòu)造分析的力學(xué)基礎(chǔ)313. 均勻變形和非均勻變形p1) 均勻變形：各部分的變形性質(zhì)、方向、大小均相同, 特征：ua) 變形前的平面、直線變形后仍保持平面和直線.ub) 變形前相互平行的平面和直線變形后仍保持平行.(一) 變形和應(yīng)變的概念20

11、22-2-20第3章 地質(zhì)構(gòu)造分析的力學(xué)基礎(chǔ)32p2) 非均勻變形：物體內(nèi)部各部分變形的方向、大小和性質(zhì)不一致.u非均勻連續(xù)變形可以分解成若干部分，按均勻變形的方法加以研究.2022-2-20第3章 地質(zhì)構(gòu)造分析的力學(xué)基礎(chǔ)332022-2-20第3章 地質(zhì)構(gòu)造分析的力學(xué)基礎(chǔ)344. 線應(yīng)變和剪應(yīng)變p1) 線應(yīng)變.p2) 剪應(yīng)變：gtanf.f faabcdd(一) 變形和應(yīng)變的概念2022-2-20第3章 地質(zhì)構(gòu)造分析的力學(xué)基礎(chǔ)355. 主應(yīng)變和應(yīng)變主方向p在均勻變形條件下，變形物體內(nèi)部總是可以截取這樣一個立方體，其三個相互垂直的截面上只有線應(yīng)變而無剪應(yīng)變，這三個線應(yīng)變稱為主應(yīng)變，這三個主平面

12、稱為主應(yīng)變面.ua) 最大應(yīng)變主方向(1)或最大主應(yīng)變軸(X or A)：最大伸長方向.ub) 最小應(yīng)變主方向(3)或最小主應(yīng)變軸(Z or C)：最大壓縮方向.uc) 中間應(yīng)變主方向(2)或中間主應(yīng)變軸(Y or B). (一) 變形和應(yīng)變的概念2022-2-20第3章 地質(zhì)構(gòu)造分析的力學(xué)基礎(chǔ)36(二) 巖石變形的階段1. 彈性極限sy：受力超過這一數(shù)值后，巖石發(fā)生永久變形.s sB2022-2-20第3章 地質(zhì)構(gòu)造分析的力學(xué)基礎(chǔ)372. 比例極限sp：受力在這一數(shù)值以下，變形遵循胡克定律: sEe. p E-彈性模量(二) 巖石變形的階段s sB2022-2-20第3章 地質(zhì)構(gòu)造分析的力學(xué)

13、基礎(chǔ)383. 強度極限sB：受力超過這一數(shù)值后，巖石發(fā)生破裂.s sB(二) 巖石變形的階段2022-2-20第3章 地質(zhì)構(gòu)造分析的力學(xué)基礎(chǔ)394. 應(yīng)變硬化：已受變形的巖石，再次加載，其彈性極限有所增高的現(xiàn)象. s sB(二) 巖石變形的階段2022-2-20第3章 地質(zhì)構(gòu)造分析的力學(xué)基礎(chǔ)40(二) 巖石變形的階段5.屈服極限2022-2-20第3章 地質(zhì)構(gòu)造分析的力學(xué)基礎(chǔ)41(二) 巖石變形的階段5、塑性變形s sB2022-2-20第3章 地質(zhì)構(gòu)造分析的力學(xué)基礎(chǔ)426. 斷裂變形. 張裂(二) 巖石變形的階段2022-2-20第3章 地質(zhì)構(gòu)造分析的力學(xué)基礎(chǔ)43剪裂2022-2-20第3章

14、 地質(zhì)構(gòu)造分析的力學(xué)基礎(chǔ)447. 剪切斷裂的主要參數(shù)：p1) 共軛剪破裂角：2q.p2) 剪裂角：q.(二) 巖石變形的階段2022-2-20第3章 地質(zhì)構(gòu)造分析的力學(xué)基礎(chǔ)452(1.7-3.3)50(20-80)頁 巖15(10-20)250(150-350)玄武巖3-98(5-20)100(31-262)大理巖3-617(10-20)96(6-360)石灰?guī)r1-310(5-15)75(11-252)砂 巖5-720(15-30)150(37-379)花崗巖抗張強度抗剪強度抗壓強度巖 石(單位MPa) 抗壓強度抗剪強度抗張強度 7. 常溫常壓下各類巖石的強度極限(二) 巖石變形的階段2022

15、-2-20第3章 地質(zhì)構(gòu)造分析的力學(xué)基礎(chǔ)468. 材料力學(xué)性質(zhì)分類p1) 脆性材料：破壞前塑性變形5的材料.p2) 韌性材料：破壞前塑性變形10的材料.p3) 脆韌性過渡材料：以上兩者之間.(二) 巖石變形的階段2022-2-20第3章 地質(zhì)構(gòu)造分析的力學(xué)基礎(chǔ)479. 巖石韌性變形的機制p1) 粒間滑動：如砂子的塑性變形.p2) 粒內(nèi)滑動：平移滑動雙晶滑動(二) 巖石變形的階段2022-2-20第3章 地質(zhì)構(gòu)造分析的力學(xué)基礎(chǔ)48G.I.Taylor認為塑性形變?yōu)榫€狀晶格缺陷(位錯)沿滑移面運動引起的理想完好的晶格(A)、刃型位錯（B）螺型位錯（C）2022-2-20第3章 地質(zhì)構(gòu)造分析的力學(xué)基

16、礎(chǔ)49p3) 壓溶重結(jié)晶作用：2022-2-20第3章 地質(zhì)構(gòu)造分析的力學(xué)基礎(chǔ)501. 庫侖剪破裂準則：t =to+sm= to+ stgf p to 內(nèi)聚力 m內(nèi)摩擦系數(shù)(tgf ) f 內(nèi)摩擦角 適用條件：脆性巖石，圍壓較小 (三) 剪裂角分析2022-2-20第3章 地質(zhì)構(gòu)造分析的力學(xué)基礎(chǔ)51u剪裂角q q =45=45o o- -f f/2 /2nq qs1(90o+ f f)/2)/2q q =90=90o o-(90-(90o o+ +f f)/2)/22022-2-20第3章 地質(zhì)構(gòu)造分析的力學(xué)基礎(chǔ)522. 莫爾剪破裂準則：Tn=f(sn) 適用條件：塑性巖石，圍壓較大 v隨著溫

17、度、圍壓的增加，剪裂角逐漸接近于45，但不會超過45(剪裂角45情況一般與遞進變形有關(guān)).(三) 剪裂角分析2022-2-20第3章 地質(zhì)構(gòu)造分析的力學(xué)基礎(chǔ)533. 格里菲斯準則(自習(xí))p特點：來自數(shù)學(xué)推導(dǎo).(三) 剪裂角分析2022-2-20第3章 地質(zhì)構(gòu)造分析的力學(xué)基礎(chǔ)541. 橢球方程(四) 應(yīng)變橢球體應(yīng)變是根據(jù)橢球體的形狀和大小與變形前的原始圓球體的形狀和大小的比值確定的。2022-2-20第3章 地質(zhì)構(gòu)造分析的力學(xué)基礎(chǔ)552. 特征要素：特征要素：p1) 不變歪面和均變歪面：三軸應(yīng)變橢球過不變歪面和均變歪面：三軸應(yīng)變橢球過l l2的兩個圓截面的兩個圓截面.p2) AB面：面：C軸。褶

18、皺軸面、軸面劈理、軸面片理等與軸。褶皺軸面、軸面劈理、軸面片理等與C軸垂直。軸垂直。p3) BC面：面：張裂面張裂面.p4) A軸。拉伸線理平行于軸。拉伸線理平行于A軸。軸。(四) 應(yīng)變橢球體2022-2-20第3章 地質(zhì)構(gòu)造分析的力學(xué)基礎(chǔ)563. 旋轉(zhuǎn)變形和非旋轉(zhuǎn)變形 應(yīng)變橢球主軸方向發(fā)生旋轉(zhuǎn)應(yīng)變橢球主軸方向無旋轉(zhuǎn)(四) 應(yīng)變橢球體2022-2-20第3章 地質(zhì)構(gòu)造分析的力學(xué)基礎(chǔ)572022-2-20第3章 地質(zhì)構(gòu)造分析的力學(xué)基礎(chǔ)58(五) 遞進變形1. 概念：應(yīng)變狀態(tài)發(fā)生連續(xù)變化的變形過程.2022-2-20第3章 地質(zhì)構(gòu)造分析的力學(xué)基礎(chǔ)592. 全量應(yīng)變和增量應(yīng)變(五) 遞進變形2022

19、-2-20第3章 地質(zhì)構(gòu)造分析的力學(xué)基礎(chǔ)603. 共軸遞進變形和非共軸遞進變形p1) 共軸遞進變形：增量應(yīng)變橢球的主軸方向與全量應(yīng)變橢球主軸方向始終保持一致. (五) 遞進變形2022-2-20第3章 地質(zhì)構(gòu)造分析的力學(xué)基礎(chǔ)61p2) 非共軸遞進變形：增量應(yīng)變橢球的主軸方向與全量應(yīng)變橢球主軸方向不一致.2022-2-20第3章 地質(zhì)構(gòu)造分析的力學(xué)基礎(chǔ)62u遞進變形過程中，變形物體內(nèi)部不同方向的物質(zhì)線可以有不同的拉伸和壓縮變形歷史（不屬兩期變形的產(chǎn)物）.2022-2-20第3章 地質(zhì)構(gòu)造分析的力學(xué)基礎(chǔ)63(六) 變形巖石的應(yīng)變測量1. 原理：根據(jù)標志物求取有限應(yīng)變橢球體.2022-2-20第3章

20、 地質(zhì)構(gòu)造分析的力學(xué)基礎(chǔ)642. 主要標志物類型p1) 原始為圓球或橢球的標志物（如鮞粒、礫石）.(六) 變形巖石的應(yīng)變測量2022-2-20第3章 地質(zhì)構(gòu)造分析的力學(xué)基礎(chǔ)65p2) 已知原始形狀的其它標志物（礫石、化石、晶體）.u具體方法參照Ramsay現(xiàn)代構(gòu)造地質(zhì)學(xué)方法u鄭亞東巖石有限應(yīng)變測量和顯微構(gòu)造2022-2-20第3章 地質(zhì)構(gòu)造分析的力學(xué)基礎(chǔ)66主要內(nèi)容1. 應(yīng)力分析 2. 變形分析3. 影響巖石力學(xué)性質(zhì)與巖石變形的因素2022-2-20第3章 地質(zhì)構(gòu)造分析的力學(xué)基礎(chǔ)67(一) 主要因素1. 內(nèi)因：p1) 巖石成份.p2) 結(jié)構(gòu).p3) 構(gòu)造.2022-2-20第3章 地質(zhì)構(gòu)造分析

21、的力學(xué)基礎(chǔ)682. 外因：p1) 圍壓.p2) 溫度.p3) 溶液.p4) 孔隙壓力.p5) 時間.p6) 應(yīng)力狀態(tài). (一) 主要因素2022-2-20第3章 地質(zhì)構(gòu)造分析的力學(xué)基礎(chǔ)69(二) 外因1.圍壓（靜巖壓力）p1) 作用：增加巖石的韌性，提高巖石的強度極限和彈性極限.2022-2-20第3章 地質(zhì)構(gòu)造分析的力學(xué)基礎(chǔ)70p2) 原理：高圍壓使巖石的質(zhì)點彼此接近，增強了內(nèi)聚力.磁黃鐵礦閃鋅礦2022-2-20第3章 地質(zhì)構(gòu)造分析的力學(xué)基礎(chǔ)712. 溫度p1) 作用：強度降低，彈性減弱，韌性增強.圍壓100MPa和不同溫度作用下磁黃鐵礦(a)和閃鋅礦(b)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(二) 外因20

22、22-2-20第3章 地質(zhì)構(gòu)造分析的力學(xué)基礎(chǔ)72p2) 原理：增高溫度，使巖石質(zhì)點的熱運動增強，減弱了質(zhì)點之間的聯(lián)系能力. 2022-2-20第3章 地質(zhì)構(gòu)造分析的力學(xué)基礎(chǔ)733. 溶液p1) 作用：彈性極限和強度下降，韌性增強.v溶液和溫度對大理巖變形影響的應(yīng)力溶液和溫度對大理巖變形影響的應(yīng)力- -應(yīng)變曲線圖應(yīng)變曲線圖. . ( (圍壓為圍壓為1400MPa)1400MPa)(二) 外因2022-2-20第3章 地質(zhì)構(gòu)造分析的力學(xué)基礎(chǔ)74p2) 原理：ua) 溶液分子進入晶格，使礦物分子之間的凝聚力下降 “水致弱化”現(xiàn)象.ub) 溶液有利于重結(jié)晶作用的發(fā)生，容易發(fā)生塑性變形.2022-2-2

23、0第3章 地質(zhì)構(gòu)造分析的力學(xué)基礎(chǔ)754. 孔隙流體壓力p1) 作用：使得巖石容易發(fā)生破裂，強度下降.(二) 外因2022-2-20第3章 地質(zhì)構(gòu)造分析的力學(xué)基礎(chǔ)76p2) 原理：使有效正應(yīng)力下降，降低巖石屈服強度utt o+m(sp).up -孔隙流體壓力.l有效正應(yīng)力有效正應(yīng)力(s sp).2022-2-20第3章 地質(zhì)構(gòu)造分析的力學(xué)基礎(chǔ)775. 時間p1) 快速施力與緩慢施力對巖石變形的影響.ua) 快速施力作用：脆性，強度較高.ub) 緩慢施力作用：塑性，強度下降. (二) 外因2022-2-20第3章 地質(zhì)構(gòu)造分析的力學(xué)基礎(chǔ)78p2) 重復(fù)受力對巖石變形的影響.u強度極限降低.耐力極限：低于該應(yīng)力值，無論如何增加受力次數(shù)，均無法使巖石破裂.2022-2-20第3章