No3-3 第3章 地质构造分析力学基础

《构造地质学》教案第三章地质构造分析的力学基础（本章课序No.3-5，共6学时）、课堂安排讨论主要内容介绍本章思考讨论题、本章主要内容、要点1、主要内容应力：概念//应力分析（二维应力分析//三维应力分析）//应力场，应力轨迹和应力集中应变：应变椭球体、形态类型及其几何表示法递进变形：共轴/非共轴递进变形岩石有限应变测量段（弹性、塑性、断裂变形）；库伦剪破裂准则：剪破裂的实验，经验公式，剪裂角，内磨擦角摩尔剪破裂准则〃格里菲斯破裂准则塑性变形及变形机制影响岩石变形的因素2、本早要点应力的概念；应力与（矢量）力的区别，与作用面的关系应力分析的思路和方法，重点为二维分析；应力圆的性质；应力状态的应力圆表示应力集中：概念及其地质-物理意义应变与变形的区别；应变椭球体：主应变轴，主应变面，圆切面（圆截面，无应变面），线伸长/线缩短区域（共轴和非共轴）递进变形：概念及其对变形现象的解释。

应变测量：方法及其设计思路库伦剪破裂准则影响岩石变形的因素各类变形实验曲线（应力-应变、应变-时间曲线等）的含义应力 正应力°、三、授课内容 （一）力学基础1应力的概念面力与体力力外力面力体力 内力 固有内力一自然状态粒结合力 附加内力一由外力（面、体力）作用引起的作用于物体内部（设想的面）或表面（实质的面）作用于物体内部或表面单位位积上的一对大小相等方向相反的力―P （作用力）（均匀受力时）A （面积）= dP （不均匀受力时）的表达 dA应力的分解剪应力 T （切应力） normal stress, shear stress应力符号（T ，挤压为正，张应力为负 T ，逆时针为正，顺时针为负应力单位 一点的应力状态 平衡力系，无限小立方体（单元体）力系合成为作用于立方体（中心）的一对力，立方体置于空间座标系，则每个面 上的应力可分解为共9个分量。

脚标表示的含义（T xy ——应力方向 面法线方向应力性质（T xx , （T yy , （T zz — n （两脚标相同） （T xy , （T yz , …—T （两脚标不同） (T xx T xy T xz& yy T yz T yxT zz T zx T zy（又可写成）T x T xy T xzT y T yz T yxT z T zx T zy在平衡力系中T yx =—T xyT zx=—T xzT zy=—T yz因此T x T TT y T yx TT z T zy T zx六个应力分量决定了一点的应力状态。

§2 应变分析
（三） 岩石变形的阶段
有关岩石在应力作用下的变形行为的多数资料是通过岩石变形实验得来的, 岩石在 外力的作用下, 一般都会经历弹性变形、塑性变形、断裂变形等三个阶段。这三个阶段依 次发生, 但不是截然分开的, 而是彼此过度的。 1. 弹性变形:
(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
2.线应变:物体内某方向上单位长度的改变量叫线应变.
一杆件受纵向拉伸变形, 设杆件原长为l0, 拉伸变形后的长度为l, 那么, 杆件绝对
伸长为:
△l=l－l0 纵向线应变定义为: ε =(l－l0)/ l0 即 ε = △l / l0
实验证明, 杆件拉伸变形, 不但有纵向伸长变形, 同时还有横向缩短变形。设杆
韧性: 岩石在断裂前的 塑性变形量超过10%
§2 应变分析
（四） 剪裂角分析 在岩石变形实验中发现, 岩石受到挤压力的作用, 会在与挤压力方向成
一定交角的位置形成一对剪切破裂, 由于这一对剪切破裂是受同一作用力而形成 的, 构造地质学中称这一对剪切破裂为共轭剪切破裂。
当岩石发生共轭剪切破裂时, 包含最大主应力σ1象限的共轭剪切破裂 面中间的夹角称为共轭剪切破裂角（2θ）
最大主应力轴σ1作用方向与剪切破裂面的夹角称为 剪裂角（θ）.
§2 应变分析
二维应力状态的应力分析可知, 两组最大剪应力作用面与最大主应力轴σ1或最小主 应力轴的夹角均为45°, 二剪裂面之间的夹角为90°, 二剪裂面的交线是中间应力轴s2的作 用方向。
但从野外实地观察和室内岩石实验来看, 岩石内两组共轭剪裂面的交角常以锐角指 向最大主应力σ1方向, 即包含σ1的共轭剪切破裂角常常小于90°, 通常在60°左右, 而共轭 剪切破裂的剪裂角则小于45°, 也就是说, 两组共轭剪裂面并不沿理论分析的最大剪应力 作用面的方位发育, 这个现象可用库伦、莫尔强度理论来解释。

三、岩石的破裂
1）岩石破裂的两种主要方式 ——张裂和剪裂
三、岩石的破裂
2）岩石破裂理论：
按照应力分析，在与挤压或拉伸方向
呈45交角的截面上剪应力最大。称 为最大剪切面。因此，剪切破裂面
应该发生在这个方向上，成对出现， 称为共轭剪切破裂面。
剪切破裂面与最大主应力之间的夹角，
称为剪裂角（ θ)。
2a
如果取椭球的几何中心为坐标圆点，取x， y，z轴分别平行于1，2，3方向，则 应变椭球体方程为：
第三节 有关应变的 几个基本概念
通过椭球中心包含任意两个 应变主轴的应 变主平面与椭球相交为椭圆，称为应变椭圆。
第三节 有关应变的 几个基本概念
如果中间应变轴长度不发生变化，变形 只发生在XZ面上，称为平面应变。
• 有效围压：由于孔隙压力的存 在，抵消了围压的作用。
Pe=Pc-Pf
二、影响岩石力学行为的主要因素
3）孔隙流体压力
Pe=Pc-Pf
降低岩 石的强 度，增 加岩石 的脆性
二、影响岩石力学行为的主要因素
4）时间：
• 应变速率
Yule 大理岩，围压 50MPa, 温度500°C 应变速率降低，岩石的强 度降低，韧性增加，易发 生韧性变形
第三章 地质构造分析的力学 基础
•应力 •应变
•岩石的力学性质与岩石的破裂
应 变——变形与应变
变形：地壳内岩石受到应力作用，内部各个 质点经受了位移，从而使岩石的初始形状、 方位或位置发生改变，这种改变通常称为变 形。
变形的基本方式包括：拉伸、挤压、剪切、 弯曲和扭转。
变形是由应变度量的。应变可以是长度变化 （线应变）、角度变化（角应变）或体积变 化（体应变）。

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产状三要素(elements of attitude)
走向(strike)：岩层面和 任一假想水平面交线的延 伸方向。 倾向(dip)：岩层的倾斜 方向。与走向线垂直。只 有一个。 倾角(dip angle)：岩层 层面与水平面的最大锐角。
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产状三要素(elements of attitude)
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各种内力地质作用是相互关连的—
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构造运动形成断裂，引起地震，并为岩浆活
动创造通道。 构造运动和岩浆活动引起变质作用。 地壳运动在内力地质作用中起主导地位。
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外力地质作用：
由太阳辐射能引起，产生大气环流，形成水的循 环，动植物生长，在运动的过程中改造地表。
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外力地质作用的营力：
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第六节 地质图
一、地质图(geological map)的类型：
普通地质图 地貌及第四纪地质图 工程地质图 水文地质图 地质平面图 地质剖面图 地层柱状图
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二、地质图规格
地质平面图应有图名、图例、比例尺、 编制单位和编制日期等。 比例尺的大小反映了图的精度，比例尺越大， 图的精度越高，对地质条件的反映也越详细、 越准确。
• 岩石学方法：利用岩层的原生构造现象 判断新老层位方向。 • 小构造方法：观察由于层间扭动引起内 小构造方法 部小构造现象。 古生物方法：判断年代序列
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六、褶皱构造的工程地质评价：
•对隧道工程
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六、褶皱构造的工程地质评价：
• 对深路堑和高边坡
山坡岩层地质构造的影响 a-向斜山；b-背斜山；c-单斜山 1-有利情况；2-不利情况
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搬运(transportation)