构造地质应力分析基础

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主应力示意图
一些常见的应力状态
• 1、单轴应力状态： 一个主应力不等于 零，另外两个主应 力为零 • 单轴压缩： • σ 1＞ σ 2＝ σ 3 ＝ 0 • 单轴拉伸： • σ1 ＝ σ2 ＝ 0 ＞ σ3
2、双轴应力状态： 一个主应力为零， 另外两个主应力不 等于零 双轴压缩： σ1＞σ2 ＞ σ3 ＝0 平面应力状态： σ1 ＞ σ2 ＝0 ＞ σ3
应力轨迹：应力场可用应力轨迹来表示，应力轨迹又称应力迹线、
应力网络，是定性地表示主应力和最大剪应力作用方位的曲线。
3
1
＝2.5MPa
剪应力分布
主应力迹线 最大剪应力迹线
附加侧向张力的简单剪切光弹实验获得的应力轨迹图示
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，在岩体内部造成应力场局部变化的现象。
一点的应力状态
为了表述一点处的应力状态，以考察点为中心，截 取一个体积趋于零的立方体，该立方体的六个表面 上只有正应力而没有剪应
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力作用。此时的三对正应
力称之为该点处的主应力， 按照大小分别用1、2和 3表示。
1
1
3 2
主应力示意图
主应力的方向称为该点的应力主方向，三 对表面称为该点的三个主平面。
应力
在物体内部某截面（如图中n面）上的某点（如图 中m点）处截取一微小面积F，设其上的作用力为 P，则将
P dP lim P F 0 F dF
称为n截面上m点处的应力， 也可以称为m点处n截面上的 应力。
n
p
m
应力
概念：单位面积上所承受的附加力 ，公式记为 σ=F/S 。 几个相关概念 • 外力：一物体施加于另一个物体的力。 • 内力：同一物体内部各部分之间的相互作用。
2 物体变形的方式: 物体变形的基本方式 有五种: 拉伸、挤压、 剪切、弯曲、扭转
拉伸
挤压
中和面
剪切
弯曲
扭转
3. 均匀与非均匀变形: ★均匀变形: 岩石的各个部分的 变形性质、方向和大 小都相同的变形
变形前
直线 平行直线
变形后
直线 平行直线
平面
平行平面
平面
平行平面
★非均匀变形: 岩石的各个部分的变 形性质、方向和大小发生 变化的变形。例如, 弯曲 和扭转就是非均匀变形, 构造地质学主要研究的多 是这类变形, 但在具体研 究时, 多把整体的非均匀 变形分解成局部的均匀变 形来讨论分析, 即把非均 匀变形视为若干连续的局 部均匀变形的总和。
应变分析基础

变形、位移和应变的概念
旋转应变与非旋转应变


递进变形、全量应变与增量应变
岩石的变形阶段 影响岩石力学性质的外部因素
一、变形和位移
（一） 变形 1. 物体变形的概念: 物体受到力的作用后, 其内部各质点之间的相互位 置发生改变叫做变形. 体积变化, 称体变或容变 变形 形态变化, 称形变或畸变 变形 直移 位移 旋转
规定：正应力挤压为正， 拉伸为负。
n m
主应力/主平面
• 当物体受力平衡时，总可以找到三个互相 垂直的面，其上只有正应力作用，而剪应 力为零。这三个面叫主应力面（主平 面）、其上的正应力叫主应力。主应力 的方向叫主应力轴(主方向）。
• 一点的应力状态可用三个主应力的大小和 方向来表示。 • 规定：σ1≥σ2≥σ3
一点的空间应力状态类型 (1) 三轴应力状态: 三个主应 力均不为零的状态, 这是自然 界最普遍的一种应力状态 (2) 双轴应力状态: 一个主 应力的值为零, 另外两个主应 力的值不为零的应力状态 (3) 单轴应力状态: 其中只有 一个主应力的值不为零, 另外 两个主应力的值都等于零的应 力状态
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面力和体力
1. 接触力： 物体与物体间的作用力 2. 面力： 作用在物体表面的接触力 3. 应力集中：接触面积与物体边界面积比量级很小时， 即集中 4. 体力： 非接触力作用在物体内部每一质点上时， 为体力
应力的分解
应力 p 是矢量，可以分解为垂直于截面 n 的正应力或直应力（）平行于截面 n 的剪应力或切应力（）。 p

3、三轴应力状态： 三个主应力都不为 零，为一般应力状 态， σ1≥σ2≥σ3 静水压力： σ1 ＝ σ2 ＝ σ3 三轴拉伸： σ1 ＞ σ2 ＞ σ3

二、应力场、应力轨迹与应力集中
应力场： 受力物体内各点的应力状态在物体占据的空间内组成的 总体称为应力场。分均匀应力场和非均匀应力场。
孔
无圆孔的均匀应力场
圆孔造成的主应力迹线扰动
构造应力场:
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——第三纪以前的构造应力场 新构造应力场——第三纪以后的构造应力场 现代构造应力场 —现在正作用于地壳的构造应力场
构造应力场的规模分类
构造应力场的时间分类
传统构造地质学主要研究古构造应力场, 揭示和研究一定范围内地壳中应力 的分布规律和变化规律, 研究应力和构造应力场与地质构造的内在关系, 研究构 造应力场对区域地壳运动的方式、方向及区域构造发育的制约关系。 新构造地质学不仅研究古构造应力场，而且也研究新的构造应力场，新的构造应 力场下所产生的新的构造运动，如地震，矿井生产，工程地质，火山活动等。
力（P）和 内力（p）图 示
内力与外力随研究的对象范围不同而改变
与研究尺度有关
矿物颗粒——岩石—— 岩体——板块
固有内力：物体未受外力时，内部各质点间 已经存在的相互作用力称为物体的固有内力， 即自然状态粒子结合力，它们使各质点处于 相对平衡状态，使物体保持固定的形状。 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。
地质构造分析的力学基础
最大剪应力作用面
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本章主要内容
1.力 2. 应力、正应力、剪应力的概念 3. 主应力、主方向和主平面的概念与应
力状态
4. 应力场、应力轨迹与应力集中
力 力的概念：物体与物体之间的相互 作用，或者质点与质点相互之间的 相互作用。物理学中指是任何导致 自由物体历经速度、方向或外型的 变化的影响。 力的合成与分解：平行四边形法则。