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1、第三章 构造研究中的应力分析基础第三章第三章 构造研究中的应力分析基础构造研究中的应力分析基础 地质构造是岩石变形的产物。岩石变形是地质构造是岩石变形的产物。岩石变形是在外力作用下，内部质点发生位移的结果。要在外力作用下，内部质点发生位移的结果。要深入研究构造发生、发展的规律及其形成机制，深入研究构造发生、发展的规律及其形成机制，需要学习和了解有关岩石变形的力学基础知识。需要学习和了解有关岩石变形的力学基础知识。 第一节第一节 应力应力一、有关力的一些概念 第一节第一节 应力应力一、有关力的一些概念 外力（外力（P P）和内力）和内力（p p）图示）图示一、有关力的一些概念 一、有关力的一些概
2、念 0limFpdppFdF 一、有关力的一些概念 二、一点的应力状态 二、一点的应力状态 二、一点的应力状态 主应力二、一点的应力状态主方向、主平面 一点的三个主应力决定一点的三个主应力决定了该点的应力状态。了该点的应力状态。二、应力应力椭球体与应力椭圆 当物体内一点主应力当物体内一点主应力123时时, , 可以取三个主应力可以取三个主应力的矢量为半径的矢量为半径, , 作一个椭球体作一个椭球体, , 该椭球体代表作用于该点的全应该椭球体代表作用于该点的全应力状态力状态, , 称为称为应力椭球体应力椭球体，其中，其中长轴代表最大主应力长轴代表最大主应力1, , 短轴代短轴代表最小主应力表最小
3、主应力3, , 中间轴代表中中间轴代表中间主应力间主应力2 三、应力椭球体与应力椭圆 沿椭球体三个主应力平面切沿椭球体三个主应力平面切割椭球体割椭球体, , 可得三个椭圆可得三个椭圆, , 叫叫应应力椭圆力椭圆, , 每一个应力椭圆中有两每一个应力椭圆中有两个主应力个主应力, , 代表二维应力状态代表二维应力状态. . 这三个应力椭圆分别为这三个应力椭圆分别为: : 1与与2椭圆、椭圆、1与与3椭圆、椭圆、2与与3椭圆。椭圆。 构成每一个应力椭圆的所有矢量，构成每一个应力椭圆的所有矢量，都是作用在与该椭圆正交的所有都是作用在与该椭圆正交的所有平面上。平面上。二、一点的应力状态应力状态 单轴应力
4、状态单轴应力状态 12=3=0， 单轴压缩单轴压缩 1=2=03， 单轴拉伸单轴拉伸 双轴应力状态双轴应力状态 12 3=0， 双轴压缩双轴压缩 12 =0 3，压缩，压缩-拉伸（平面应力状态）拉伸（平面应力状态） 1 =0 2 3，双轴拉伸，双轴拉伸三轴应力状态三轴应力状态 三个主应力都不等于三个主应力都不等于0 123， 一般应力状态一般应力状态 当当1=2=3时，为均压，称作时，为均压，称作静水压力或静水压力或流体静压力流体静压力。这种状态只引起物体体积变化，不。这种状态只引起物体体积变化，不改变其形状。改变其形状。二、一点的应力状态应力状态 三、应力莫尔圆 为了求图中虚线所示为了求图中
5、虚线所示斜截面上的应力分量，沿斜截面上的应力分量，沿该线切下一个三角形微元该线切下一个三角形微元体。设该界面面积为体。设该界面面积为A A，则微元体左侧面和底面的则微元体左侧面和底面的面积分别为面积分别为A Acoscos和和A Asinsin，建立两个平衡方程建立两个平衡方程0F0F三、应力莫尔圆 0F0F2212cossin12cos sinsincos三、应力莫尔圆 2221212()()22一点的应力状态在一点的应力状态在-坐标系中可以表示为一个圆的方程坐标系中可以表示为一个圆的方程这个圆就是该点的这个圆就是该点的应力莫尔圆应力莫尔圆。圆上某点的坐标（圆上某点的坐标（，）就）就代表法线
6、与最大主应力代表法线与最大主应力1 1成成角的的那个截面上角的的那个截面上所受到的所受到的正应力和剪应力。正应力和剪应力。三、应力莫尔圆 第一不变量第一不变量 直交两平面上的正应力之直交两平面上的正应力之和为一常数和为一常数1+2 最大剪应力状态最大剪应力状态* * 与主应力成与主应力成4545或或135 135 的截面上剪应力最大的截面上剪应力最大 剪应力互等定律剪应力互等定律 直交两平面上的剪应力大直交两平面上的剪应力大小相等，方向相反小相等，方向相反三、应力莫尔圆 三轴应力状态 分别包含分别包含1 1和和2 2轴、轴、2 2和和3 3轴、轴、1 1和和3 3轴的轴的3 3个个二维应力圆共
7、同组成的区间内的任一点的横坐标和纵坐二维应力圆共同组成的区间内的任一点的横坐标和纵坐标，可以代表三维空间中某一截面上的正应力和剪应力。标，可以代表三维空间中某一截面上的正应力和剪应力。 三轴应力状三轴应力状态下，最大剪应态下，最大剪应力仍作用在与最力仍作用在与最大主应力轴呈大主应力轴呈4545和和135135的截的截面上。面上。三、应力莫尔圆 三轴应力状态A、单压单压0，B、静水静水C、静岩静岩 0，D、双轴压缩双轴压缩0E、平面应力平面应力，F、纯剪纯剪，0 第二节第二节 应力场应力场一、应力场 场场点的集合点的集合 应力场应力场点应力状态的集合点应力状态的集合 应力场应力场：物体内一系列点
8、的瞬时应力状态称应力场。：物体内一系列点的瞬时应力状态称应力场。 均匀应力场：应力场中各点的应力状态如果都相同或相均匀应力场：应力场中各点的应力状态如果都相同或相似称均匀应力场。似称均匀应力场。 非均匀应力场：应力场中各点的应力状态从一点到另一非均匀应力场：应力场中各点的应力状态从一点到另一点是不相同和变化的点是不相同和变化的, , 这种应力场称非均匀应力场。这种应力场称非均匀应力场。二、构造应力场 (非构造应力场)构造应力场构造应力场: :地壳中一定范围内某一瞬时的构造应力状态地壳中一定范围内某一瞬时的构造应力状态叫构造应力场。叫构造应力场。 构造应力场的构造应力场的规模规模分类分类: :
9、局部构造应力场局部构造应力场 区域构造应力场区域构造应力场 全球构造应力场全球构造应力场构造应力场的构造应力场的时间时间分类分类: : 古构造应力场古构造应力场第三纪以前第三纪以前 新构造应力场新构造应力场第三纪以后第三纪以后 现代构造应力场现代构造应力场 现在正作用现在正作用于地壳的构造应力场于地壳的构造应力场 三、构造应力场的表示方法 构造应力场中各点的主应力构造应力场中各点的主应力( (最大主应力最大主应力11、中间、中间主应力主应力22、最小主应力、最小主应力3)3)或或/ /和剪应力作用方位的迹和剪应力作用方位的迹线叫线叫应力轨迹应力轨迹, , 又称应力迹线或应力网络。表示某一范又称
10、应力迹线或应力网络。表示某一范围内的应力轨迹的图即为围内的应力轨迹的图即为应力轨迹图应力轨迹图，能够定性的表示，能够定性的表示某地质体内个点的应力分布状态。而主应力或剪应力的某地质体内个点的应力分布状态。而主应力或剪应力的应力等值线图应力等值线图能定量的表示某个地质体内各点的应力分能定量的表示某个地质体内各点的应力分布及其变化特点，因此这两个图件是常用的有效的应力布及其变化特点，因此这两个图件是常用的有效的应力状态表示方法之一。状态表示方法之一。三、构造应力场的表示方法 A、剪应力等值线图、剪应力等值线图 B、主应力迹线、主应力迹线 C、最大剪应力迹线、最大剪应力迹线四、应力场的扰动/应力集中
11、 由于地块或岩块内部的局部不均匀和不连续性，在由于地块或岩块内部的局部不均匀和不连续性，在岩体内部造成应力场局部变化的现象。岩体内部造成应力场局部变化的现象。四、应力场的扰动/应力集中 四、应力场的扰动/应力集中 地球的演化经历了漫长的历史地球的演化经历了漫长的历史, 一个地一个地区发生过多期次的构造运动和构造变形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在早期构造变形的部位, 尤其是在断裂的尤其是在断裂的端点端点, 拐折点拐折点, 分枝点以及两条或两条以分枝点以及两条或两条以上的断裂的交汇处上的断裂的交汇处, 都是后期构造应力场都是后期构造应力场的应力集中部位。的应力集中部位。有先存破裂的岩石受力后的应力集中同受力有先存破裂的岩石受力后的应力集中同受力条件有密切关系：条件有密切关系：1、若张应力方向与先存断裂面垂直，则在破、若张应力方向与先存断裂面垂直，则在破裂面两端产生应力集中区裂面两端产生应力集中区2、若压应力方向与先存断裂面垂直、则不出、若压应力方向与先存断裂面垂直、则不出现应力集中区。现应力集中区。3、脆性岩石易引起应力集中，韧性岩石不易、脆性岩石易引起应力集中，韧性岩石不易引起应力集中引起应力集中四、应力场的扰动/应力集中 四、应力场的扰动/应力集中 构造地震构造地震岩石脆性断裂岩石脆性断裂 地震预报的基本任
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