地质构造力学基础

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……
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§1 力1.学1基力础和应力
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）。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。
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 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。
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§1 力1.学2基应础力状态分析 三、构造应力场
1 力学基础
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
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§1 力1.学2基应础力状态分析 一、应力状态的概念
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（σ1） 中间主应力（σ2） 最小主应力（σ3）
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§1 力1.学1基力础和应力 二、外力和内力
⒉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：
①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。
②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
⒊构造应力的研究方法 ①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。
②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。
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§1 力1.学3基岩础石变形分析 一、岩石的变形和应变的概念
局部构造应力场 区域构造应力场 全球构造应力场
古构造应力场 （分析推断得出）
现代构造应力场 （仪器测出）
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§1 力1.学2基应础力状态分析 三、构造应力场
⒉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σ1、
σ2 、 σ3 ，或最大或最小剪应力 的大小和方位来
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。
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§1 力1.学1基力础和应力 二、外力和内力
外力
外力
外力→发生变 形。
附加内力 → 内力 反外力。 阻止继
续变形。力图恢复 原状。
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§1 力1.学1基力础和应力 三、应力
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面垂直时, 则 不出现应力集中区。
⒉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）
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§1 力1.学3基岩础石变形分析 一、岩石的变形和应变的概念
⒉岩石的应变
①线应变——变形前后线段长度的变化（ ε ）
应变量计算： A. 单位长度比：
ε L0 L L0
式中：ε—线应变量； L 0、L—变形前、后同一线 段的长度比（伸长为正；缩短为负）
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§1 力1.学2基应础力状态分析
最大应力 迹线
最大剪应 力迹线
单向压缩的应力网络
最大剪应 力迹线
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§1 力1.学2基应础力状态分析
最大应力 迹线
最大剪应 力迹线
单向拉伸的应力网络
最大前应 力迹线
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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：①总内力；②作用面的大小。
当内力均匀分布，则截面A上的应力为：
应力场局部变化的现象。应力集中会影响构造应
力场中的应力分布状态.
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。
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§1 力1.学2基应础力状态分析 二、应力集中现象的分析
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§1 力1.学2基应础力状态分析 二、应力集中现象的分析
在断裂带中容易产生应
力集中的部位示意图
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§1 力1.学2基应础力状态分析 三、构造应力场
⒈构造应力场的概念 ①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。 ②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 成地质构造的主要因素。 ③构造应力场——指地壳内一定范围内某一瞬 时的应力状态。
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§1 力1.学2基应础力状态分析 三、构造应力场
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。
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§1 力1.学2基应础力状态分析 三、构造应力场
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§1 力1.学1基力础和应力 一、力
作用在岩石上的力，往往成对出现。
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 逆时针
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负剪力
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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。
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§1 力1.学1基力础和应力 二、外力和内力
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
σ=P/A
（σ为应力符号）
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§1 力1.学1基力础和应力 三、应力
当内力不均匀时：
lim p
A0 A
⒈合应力
任一截面上产生的与外力作用方向平行的应力。
⒉正应力和剪应力
正应力：垂直截面的应力，以σ表示
剪应力：平行截面的应力，以τ表示
规定：正应力压为正，张为负。剪应力以逆时
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§1 力1.学2基应础力状态分析 三、构造应力场
④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．
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§1 力1.学2基应础力状态分析 三、构造应力场
⑤应力场分类
a.按对象规模分
b.按时间分
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）
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§1 力1.学3基岩础石变形分析 一、岩石的变形和应变的概念
②位移
位 移 的 四 种 方 式
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§1 力1.学3基岩础石变形分析 一、岩石的变形和应变的概念
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§1 力1.学2基应础力状态分析
旋扭剪切的应力网络
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§1 力1.学2基应础力状态分析
例如, 一矩形物体在单向拉伸条件下, 仅有主张应力3的轨迹和 最大剪应力max轨迹线; 而在单向挤压的条件下, 仅有主压应力1 和最大剪应力max的轨迹线。
⒈岩石的变形与位移 ①变形 岩石受力后，内部各质点之间的位置发生改变，
使其形态或变体积形发可生分变化为的现象。
体积的改变
形状的改变
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体积、形状均有改变
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§1 力1.学3基岩础石变形分析 一、岩石的变形和应变的概念
②位移 物体内各质点的位置在变形前后的相对变化。 （平移、旋转、体变、形变）
顺时针
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§1 力1.学1基力础和应力 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。
⒈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：
①面力—通过接触面传递的力。接触面称界面或 作用面。 （接触力）
②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 。
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§1 力1.学2基应础力状态分析
最大应力 迹线
最大剪应
力迹线 纯剪切的应力网络
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最小应力 迹线
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§1 力1.学2基应础力状态分析
直扭剪切附加侧向压缩的 应力网络
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§1 力1.学2基应础力状态分析
直扭剪切附加侧向拉伸的 应力网络
σ1－σ3=应力差 构造地当质条学件相同时应20力20年差6月愈5日大星形期变五 也愈大。 13
§1 力1.学2基应础力状态分析 一、应力状态的概念
主 方
向
(A)
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(B)
主 平 面
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§1 力1.学2基应础力状态分析 一、应力状态的概念
一点的三个主应力决定了该点的应力状态。
针方向为正、以顺时针方向为负。
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§1 力1.学1基力础和应力 三、应力
应力分类
正应力：不垂直外力， 但垂直截面的应力
压应力：压力（σ﹥0） 张应力：拉伸力（σ﹤0）
剪应力(τ)：不垂直外力，
但平行截面之力
构造地质学 顺时针：20负20值年6(月τ﹤5日0星) 期五 逆时针：正值10 ( τ﹥0 )
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。
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§1 力1.学2基应础力状态分析 二、应力集中现象的分析
应 力 集 中 现 象
B. 平方长度比： λ L/L0 2 1 ε2
式中：λ—变形后、前同一线段的长度比的平方
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§1 力1.学3基岩础石变形分析 一、岩石的变形和应变的概念
L0
L
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§1 力1.学3基岩础石变形分析
§1 力1.学1基力础和应力 三、应力
⒊主应力、主方向、主平面 ① 主应力：某一截面上只有正应力，没有剪应 力时的正应力 ② 主方向：主应力的方向 ③ 主平面：垂直于主应力的平面
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§1 力1.学2基应础力状态分析 一、应力状态的概念
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。
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σ1＞
σ2＞σ3 。
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§1 力1.学2基应础力状态分析 二、应力集中现象的分析
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