巖石的變形課件

第十六章

巖石變形的力學基礎(chǔ)

應力分析變形分析影響巖石變形的因素

應力分析

外力和內(nèi)力

從外部施加于一個物體的力稱為外力內(nèi)力是同一物體內(nèi)部各部分之間的相互作用力在外力作用下所引起物體內(nèi)部內(nèi)力的改變量稱為附加內(nèi)力，或簡稱內(nèi)力應力

指單位面積所受的內(nèi)力。內(nèi)力的強度以應力來表示正應力剪應力

垂直于截面ΔA的應力，叫正應力σ或稱直應力。σ=ΔN/ΔA平行于截面ΔA的應力τ稱為剪應力，又叫切應力：τ=ΔT/ΔA應力的國際單位為帕（Pa），每平方米面積上所受牛頓力的大小

正應力σ可以是擠壓力，也可以是拉張力。地質(zhì)上習慣以壓應力為正，張應力為負。材料力學中張應力為正，壓應力為負

剪應力τ的作用是使質(zhì)點沿截面發(fā)生相對剪切滑移。使物體有逆時針轉(zhuǎn)動趨勢的剪應力為正，使物體有順時針轉(zhuǎn)動趨勢的剪應力為負

單向受力狀態(tài)下的二維應力分析

當α=0時，cos2α=1，則σ=σ1；當0<α<90°時，0<|cos2α|<1，則σ<σ1，這表明在與擠壓方向垂直的截面上正應力值最大。當α=0或=90°時，sin2α=0，則τ=0，即與擠壓方向垂直的截面上無剪應力存在；當α=45°時，sinα=1,則剪應力τ=σ1/2；當0°<α<45°或90°>α>45°時，0<sin2α<1，0<τ<σ1/2，這說明在與擠壓方向成45°交角的截面上剪應力值最大，該截面稱為最大剪應力作用面

當截面與作用力相垂直時（即α=0），該截面上的正應力值最大，而剪應力值為零。當截面上只有正應力而無剪應力時，這個截面上的正應力叫主應力，該截面則叫主平面，主應力作用的方向為主應力軸

物體中一點的應力狀態(tài)有三種基本類型①三軸應力狀態(tài)，指主應力σ1、σ2和σ3均不等于零，這是自然界中最為普遍的一種應力狀態(tài)②雙軸應力狀態(tài)，指兩個主應力值不等于零，而另一個主應力值為零的應力狀態(tài)③單軸應力狀態(tài)，指只有一個主應力不為零，另外兩個主應力值均等于零的應力狀態(tài)

變形分析地殼中巖體受到應力作用后，其內(nèi)部各質(zhì)點發(fā)生一系列的位移，從而使巖體的初始形狀、方位或位置發(fā)生了改變，稱為變形是指在應力作用下物體形狀和大小發(fā)生了改變的位移，即體變和形變

物體變形方式有五種：拉伸、擠壓、剪切、彎曲和扭轉(zhuǎn)

均勻變形和非均勻變形

變形前后物體各部分的變形性質(zhì)、方向和大小都相同的變形稱為均勻變形。其特征是：原來的直線或平面，變形后仍然是直線或平面，但方向可能改變；原來互相平行的直線或平面，變形后仍然平行，方向也可能改變；變形物體中同一方向的直線具有相同的伸縮量和角度變化變形前后物體各部分的變形方向、性質(zhì)和大小有變化的變形稱為非均勻變形其特征是：原來的直線或平面，變形后為曲線或曲面；原來互相平行的直線或平面，變形后不再平行；變形物體中同一方向的直線伸縮量和角度變化是不同的

應變

物體變形后，其內(nèi)部質(zhì)點的相對位置發(fā)生了變化，可以從兩個方面描述變形前后質(zhì)點位置的變化描述物體內(nèi)質(zhì)點間線段長度的變化量，叫線應變描述物體內(nèi)相交線段之間角度的變化量，叫角應變，或剪應變

巖石變形的階段

巖石在外力持續(xù)作用下，一般都經(jīng)歷了三個階段的變形彈性變形、塑性變形和斷裂變形巖石在外力作用下發(fā)生變形，當外力解除后，又完全恢復到變形前的狀態(tài)，這種變形稱為彈性變形。它的主要特點是應力與應變成正比，符合虎克定律隨著外力繼續(xù)增加，變形繼續(xù)增大。當應力超過巖石的彈性極限后，再將應力撤去，變形巖石已不能完全恢復原來的形狀，保留一定的永久變形，這種變形稱為塑性變形

任何巖石經(jīng)過彈性或塑性變形后，當外力達到強度極限時，巖石就會失去連續(xù)的完整性，產(chǎn)生破壞，即斷裂變形影響巖石變形的因素巖石本身的影響因素外界環(huán)境的影響因素

1．圍壓2.溫度3．溶液時間

圍壓巖石處于地下深處，承受著周圍巖石對它施加的圍壓作用。許多實驗證明，隨著圍壓的增大，巖石的屈服極限和強度極限都有很大的提高，增強了巖石的韌性溫度許多巖石在常溫常壓下是脆性的，隨著溫度升高，巖石的屈服應力隨之降低，彈性減弱，韌性顯著增強。隨著溫度升高，抗壓強度明顯降低，巖石的塑性應變量增大溶液當巖石中含有溶液或水汽時，一方面由于水的潤滑作用以及對礦物晶鍵的弱化作用，降低了巖石的彈性極限，增加了巖石的塑性，使巖石易于變形；另一方面，在應力作用下，溶液有利于重結(jié)晶作用，即可促使某些礦物溶解，也可促使某些新礦物形成，因而有利于巖石的塑性變形外界環(huán)境的影響因素時間應變速率對變形的影響在人們?nèi)粘Ｉ钪胁环嵗?。如瀝青、麥芽糖等韌性物質(zhì)，在快速沖擊力的作用下會像脆性物質(zhì)一樣破碎，但如果緩慢