講14-1斷層3

1、第十一章 斷層 (Fault)概論 3 斷層的力學分析斷層形成的相關因素斷層形成的相關因素斷層形成是一個復雜的動力學過程，也是一個復雜的課題，涉及以下有關因素：n破裂發(fā)生和斷層的形成n斷層作用與應力狀態(tài)n巖石本身的力學性質n斷層形成的物理環(huán)境巖石破裂的基本條件巖石破裂的基本條件l材料（巖石）類型l圍壓條件（P）l溫度條件（T）l應變速率（）l施加應力類型（壓縮、拉伸）l孔隙流體影響l右圖代表材料從脆性到韌性的過渡，也反映脆性材料隨T、P增加而出現向韌性轉化的趨勢。巖石斷裂準則巖石斷裂準則l巖石斷裂是指由于外力作用時使物體產生的介質不連續(xù)面。為什么巖石會產生斷裂？l影響因素很多，有兩個因素是關鍵

2、因素：n巖石要發(fā)生破裂時截面內的應力狀態(tài)，要達到臨界（或極限）應力狀態(tài)；n材料力學本質的影響。l在極限應力狀態(tài)下，各點極限應力分量所應滿足的條件稱為斷裂破壞條件或斷裂準則。斷裂準則類型斷裂準則類型l庫倫理論（最大剪應力理論，水平直線型包絡線理論）；l納維葉理論（庫倫納維葉斷裂準則）斜直線型莫爾包絡線理論；l拋物線型莫爾包絡線理論；l格里菲斯斷裂準則。l在4000，15000，30000（psi）圍壓下，對三根圓柱體灰?guī)r做標準壓縮試驗。l每一次實驗記錄破裂時1、3,最大主應力與斷層面夾角，畫成不同應力圖。l三個圓分別代表了試驗期斷裂時的應力狀態(tài),分別畫出一條與n軸呈2角的半徑,半徑與圓的交點坐標

3、反映巖石破裂時斷層面上的正應力（n）和剪應力（）,交點就是“破壞”點。l連接各個應力圓的破壞點，即為灰?guī)r破壞時的莫爾包絡線。l莫爾包絡線就是材料破壞時的各種極限應力狀態(tài)應力圓的公切線。1112=33322莫爾包絡線特征和意義莫爾包絡線特征和意義l包絡線代表了斷層作用的應力的臨界值，當一點的應力狀態(tài)的應力圓與莫當一點的應力狀態(tài)的應力圓與莫爾包絡線相切，這點就開始破裂，爾包絡線相切，這點就開始破裂，稱為莫爾包絡線為破壞曲線。l莫爾包絡線分開了不穩(wěn)定域和穩(wěn)定域。l莫爾包絡線可以是一對直線，也可以是曲線。l莫爾包絡線總是向最大主應力（壓應力）方向張開，它表示巖石在壓縮條件下比拉伸條件下要強。l莫爾包絡

4、線與原點相交，說明材料不能經受任何張應力，即內聚性（如干砂的例子）。斷裂線不穩(wěn)定域穩(wěn)定域=0+ntan0不同應力狀態(tài)下的摩爾圓不同應力狀態(tài)下的摩爾圓u表示應力的莫爾圓是研究巖石破壞理論各種準則的有價值的形象化手段。u表示三種應力狀態(tài)：純張、純剪和純壓。u表示應力值大小：拉伸時一個主應力為負值，另一個主應力為0；純剪切時是一對相等的正值和負值；壓縮時一個主應力為正值，另一個主應力為0。u圓的直徑逐漸增大，表示最大主應力與最小主應力之間的差逐漸增加（=1-3 ），當應力差達到某一特定值時，材料即發(fā)生破壞。u純拉伸莫爾圓直徑最小，暗示材料抗拉強度比抗壓強度小得多（兩者相差10-20倍）。斷裂線（包絡

5、線）純張純剪純壓一般壓縮一般壓縮13破裂方位與莫爾包絡線形狀的破裂方位與莫爾包絡線形狀的相互關系相互關系l對于圖中每一個應力圓來說，預期大致在P平面上發(fā)生破裂，包絡線斜率為正的，一般角度（1與斷裂面夾角）小于45。lP1點：斷裂面與1呈30斜交，剪破裂；lP2點：斷裂面與1呈25斜交，張剪切破裂；lP3點：張裂面與1平行（0）。庫倫理論（最大剪應力理論）庫倫理論（最大剪應力理論）u包絡線方程式：0為抗純剪斷裂極限，也稱為巖石的內聚力。u包絡線特征：為水平直線型的破壞曲線。u理論意義：（1）最大剪應力（max）為常量0 。即達到材料抗剪強度極限時開始斷裂，稱最大剪應力理論或庫倫斷裂準則。（2）剪

6、裂面與最大主應力1的夾角（剪裂角）=45,共軛斷裂夾角（共軛角）為2=90。u適用條件：對于塑性材料或高圍壓情況下，該理論比較合適。因此適用于地表深層次構造環(huán)境。031max2庫倫納維葉斷裂準則庫倫納維葉斷裂準則l庫倫理論存在問題：庫倫理論存在問題：實驗證明，當材料因剪切而破壞時，剪切面與最大主應力方向絕大部分都小于45（即290 ）；l庫倫準則不適用于拉伸實驗。l納維葉提出：納維葉提出：巖石抵抗斷裂的強度，由兩個因素決定：（1）巖石的自然粘結強度（0）：使巖石聚合的力；（2）內摩擦阻力，要使巖石斷開的力，必須大于粘結強度。l包絡線方程式：包絡線方程式：=0 0+n n 0粘結強度； n作用在

7、該剪切面上的正應力； 內摩擦系數； =tan=(-=tan=(-0 0)/)/n n 內摩擦角； 斷裂發(fā)生所需要的臨界剪應力。l包絡線特征：斜直線型包絡線。l理論意義：巖石發(fā)生破裂不僅與巖石本身粘結強度（0）有關，還要克服斷裂作用的內摩擦力。l適用條件：該理論較好解釋野外所見構造現象。剪切破裂面位于最大主應力為平分線的銳角兩邊，兩組共軛的剪切面的夾角一般為25-30?；◢弾r 15 大理巖 28-30輝綠巖 20 頁巖 40 砂巖 25 l兩組共軛的剪切面的交線即中間應力方向（2），內摩擦系數一般為0.466-0.70。斷裂線不穩(wěn)定域穩(wěn)定域=0+ntan0格里菲斯斷裂準則格里菲斯斷裂準則u庫倫納

8、維葉準則存在問題：（1）通常巖石破壞時的臨界剪切應力遠小于根據傳統(tǒng)理論（分子結構理論）預測的應力值。（2）實驗結果包絡線不是直線而是拋物線。（3）在高圍壓條件下，兩斷裂面的共軛角可以接近90。uGriffith理論：Griffith（1924）檢查庫倫納維葉準則時發(fā)現，在微觀尺度上，巖石像玻璃一樣，它的破裂受到材料原始先前存在的微觀裂縫影響，這種裂隙稱為Griffith裂隙。由于在裂隙口的尖端產生應力集中，使巖石對斷裂作用的阻力減弱。實驗結果的拋物線形包絡線與Griffith模式一致。l方程式：當1-33時，n2=4T0(T0+n) （2）單軸壓縮下抗壓強度單軸壓縮下抗壓強度式中，T0為單軸拉

9、張強度值 n 和n分別為剪裂面上的剪應力和正應力。l包絡線特征：拋物線形包絡線。l適用條件：在脆性變形方面邁出了一大步，適用于原始材料具有各向 異性和已存在不同微裂隙條件下。斷層方位與應力方向的關系（安德森模式）提出模式前提： 1）地面與空氣之間無剪應力作用； 2）三軸應力狀態(tài)中一個主應力軸垂直地面； 3）斷層面是剪切破裂面。斷層應力狀態(tài)：u正斷層：1直立，2和3水平。u逆斷層：1和2（中間主應力軸）水平，3垂直。u平移斷層（走滑斷層）：1和3水平，中間軸（2）直立。正斷層形成條件正斷層形成條件l應力狀態(tài)：1直立，2和3水平。l斷層產狀特征：2與斷層走向一致，上盤順斷層傾向下滑。l正斷層形成條

10、件：最大主應力（1）在垂直方向上逐漸增大，或者最小主應力（3）在水平方向上減小。地殼水平拉伸和垂向上隆是最適合于發(fā)生正斷層的應力狀態(tài)。逆斷層形成條件逆斷層形成條件l應力狀態(tài)：1和2（中間主應力軸）水平，3垂直。l斷層產狀特征：2平行于斷層走向，上盤順斷層傾向向上滑動。l逆斷層產生條件：1在水平方向上逐漸增大，或者3逐漸減小。地殼中水平擠壓有利于逆沖斷層的發(fā)育（例如大陸造山帶擠壓碰撞帶）。平移（走滑）斷層形成條件平移（走滑）斷層形成條件l應力狀態(tài)：1和3水平，中間軸（2）直立。l產狀特征：斷層面走向在垂直于2方向上滑動，兩盤順斷層走向滑動。左旋滑動：逆時針方向滑動。右旋滑動：順時針方向活動。l形成條件：滑動方向與1、3應力大小有關。l安德森模式是解釋近地表或地殼淺部脆性斷裂的依據。沙箱實驗模擬正斷層和逆斷層的形成沙箱實驗模擬正斷層和逆斷層的形成Hubbert（1951）的實驗材料：沙子實驗過程：轉動螺桿推動力推動金屬隔板。l隔板向右運動，在左間內發(fā)育了正斷層，它傾角為典型的60，為沙子內摩擦角的余角。l隔板繼續(xù)向右運動，當沙子受到壓縮形成逆斷層，斷層傾角約為30。動力學分析：（1）沙子在兩室都處于靜巖應力狀態(tài)，各方 向的應