认证主体：周**（实名认证）
IP属地：上海
下载本文档
1、会计学1 断裂研究中的应力分析基础断裂研究中的应力分析基础 9.1地震 岩石圈 内力作用 超过岩石承受限度 破裂 内能释放 地震波 地面振动（地震） 第1页/共65页 第2页/共65页 第一节第一节 应力应力 1.面力和体力面力和体力 作用在物体上的外力可分为面力和体力两种。 面力：面力：是通过接触面作用于物体的力； 体力：体力：是物体内每个质点都受到的力，它不是通过接触， 而是相隔一定距离相互作用的，如太阳与地球之间的吸引 力，物体本身的重力等都是体力。 第3页/共65页 2.外力和内力外力和内力 相对相对 第4页/共65页 3.截面上的应力、正应力、剪应力截面上的应力、正应力、剪应力 第5
2、页/共65页 4.一点的应力一点的应力 yxxy，yzzy，xzzx 第6页/共65页 应力椭球体和应力椭圆应力椭球体和应力椭圆 当主应力当主应力1 2 3 ，并且，并且 符号相同符号相同时，就可以根据一点时，就可以根据一点 的主应力矢量的主应力矢量1、2和和3 为为 半径作出一个椭球体半径作出一个椭球体 应力椭球的轴长通常表为正的应力值，但遇到某一轴为拉应力椭球的轴长通常表为正的应力值，但遇到某一轴为拉 应力时，不能以负的轴长表示椭球的实体，从而限制了应应力时，不能以负的轴长表示椭球的实体，从而限制了应 力椭球的应用范围力椭球的应用范围 第7页/共65页 六、应变及其度量六、应变及其度量 线
3、应变线应变 剪应变剪应变 实验实验：取一叠卡片，在其侧边画上一个半径l0 = lcm 的单位圆及一个腕足类化石，未变形前后腕足类化石的铰合线与中线垂直（下图A）。 将卡片均匀剪切成下图，原始的圆变成了椭圆。化石的铰合线与中线不再成直角，其偏差为沿铰合线方向的角剪应变，相应的剪应变为： tan = tan45=1 第8页/共65页 七、均匀应变和非均匀应变、均匀应变和非均匀应变 均匀变形均匀变形 物体内各点的应变特征相同的变形称为均匀变形。其特征是：变形前的直线变形以后仍是直线；变形前的平行线变形以后仍然平行。 非均匀变形非均匀变形 物体内各点的应变特征发生变化的变形称为非均匀变形。与均匀变形相
4、反，直线变形后不再成为直线，而成了曲线或折线，平行线经变形后不再保持平行。 第9页/共65页 八、应变椭球体八、应变椭球体 应变椭球体可以形象地描述岩石的应变状态。应变椭球有三个互相垂直的主轴，分别以1、2、3来表示最大、中间和最小应变主轴。沿主轴方向只有线应变而没有剪应变。 在单位圆球变成的应变椭球中，三个主轴的半轴长分别为 、 、 （ 因初始圆球的半径r0=1）。 横过应变椭球中心的切面一般为椭圆形，其中有两个切面为圆切面圆切面（ ），它们的交线为中间应变轴中间应变轴 第10页/共65页 十、旋转变形和非旋转变形十、旋转变形和非旋转变形 根据代表应变椭球主轴方向的物质线在变形前后其方向是否
5、改变，可把变形分做两大类型： 旋转变形旋转变形：代表应变主轴方向的物质线变形后方位发生了的改变（旋转）。最典型的是简单剪切变形简单剪切变形。可用一叠卡片的剪切来模拟一个简单剪切的旋转变形，可以看作是一个纯剪变形再加上一个刚体的旋转。 非旋转变形非旋转变形：代表应变主轴方向的物质线在变形前后不发生方位的改变。如单轴压缩、单轴拉伸或双轴拉压等变形（如右图）。其中，如果变形中不发生体积变化且中间应变轴的应变为零，则称为纯剪变形纯剪变形。这是一种体变为零的平面应变。 第11页/共65页 十一、递进变形十一、递进变形 物体变形最终状态与初始状态对比所发生的变化，称为有限应变或总应变有限应变或总应变。 在
6、变形的任一阶段，都可把应变状态分解为两部分：一部分是已经发生了的有限应变有限应变；另一部分是正在发生的无限小应变或增量应变增量应变。 在递进变形过程中，根据各增量应变椭球主轴是否始终与有限应变椭球的主轴一致，分为共轴递进变形共轴递进变形和非共轴递进变形非共轴递进变形。 第12页/共65页 递进变形：共轴递进变形递进变形：共轴递进变形 各增量应变椭球的主轴始终与球的主轴一致时，称为共轴递进变形 第13页/共65页 递进变形递进变形:非共轴递进变形非共轴递进变形 在非共轴递进变形中，有限应变椭圆主轴随递进变形的发展而变化，这时不能简单地从有限应变椭球体的方向直接判断主应力的方向。 其有限应变椭球的
7、主轴方位随着剪应变量的增加而改变，可用方程式表达： 式中为应变椭圆长轴与剪切方向的交角，为剪应变量 第14页/共65页 从上式可以看出，当很小时，近于45，即对于每一瞬间的无限小增 量应变，其增量应变主轴总是与剪切方向成增量应变主轴总是与剪切方向成45交角交角。 由于有限应变椭圆主轴随着递进变形的发展而变化。因此，早期形 成的构造在递进变形过程中就会逐渐改变其方向及性质。对于每一微小 的增量应变，其增量应变椭球的三个主轴X,Y,Z的方向分别相应于主应力 轴3、2、1的方向。在共轴递进变形中，有限应变椭球的三个主轴Xf 、Yf、Zf也分别相应于3、2、1的方向。但在非共轴递进变形中，只 有有限应
8、变椭球的中间轴Yf的方向在变形过程中始终与应力系的2方向 一致。在其递进变形过程中，虽然主应力轴的方向保持不变，但有限应 变椭球的Xf和Zf轴方向不断旋转。这时，就不能简单地从有限应变椭球的 方向直接来判断主应力作用的方向了。 第15页/共65页 非共轴递进变形（粘土实验）非共轴递进变形（粘土实验） 在粘土剪切实验中，把湿粘土块平放于两块互相 接触的平板上，使木板相对剪切移动，沿着运动 方向，在两木块接触线之上将产生一组雁列式张 裂隙。其中单个裂隙面与运动方向初始以近45 斜交，即垂直于微量应变椭球的X轴，也垂直于派 生的主拉伸轴3（右图A）。 随着变形的继续，早期形成的张裂隙将发生旋转，使其
9、与剪切带的交角增 大，而裂隙末端继续扩展的新生张裂隙将仍按45方向（垂直于当时的增 量应变椭球的主轴的方向）产生，结果形成了形或反形的张裂隙。后 期在雁列带中部也可以又产生新的张裂隙，仍与剪切方向成45相交，切 过早期旋转了的形张裂隙（右图B）。 第16页/共65页 第17页/共65页 几种特殊的三维应力摩尔圆几种特殊的三维应力摩尔圆 第18页/共65页 应力场、构造应力场、应力轨迹和应力集中 二维应力轨迹二维应力轨迹 第19页/共65页 第20页/共65页 应力集中应力集中 岩体中常有许多裂隙存在。应力集中是地壳中常见的现象。如 果岩体内存在有早期断裂，当再次受到构造应力的作用时，在 断裂末
10、端、转折点和分支点附近，易发生应力集中。 切向正应力 1（12a/b） 第21页/共65页 第22页/共65页 岩石力学性质岩石力学性质 岩石力学性质的几个基本概念岩石力学性质的几个基本概念 第23页/共65页 差应力差应力 应变硬化应变硬化 ：岩体、土体试样在加荷过程中，剪切阻力随应变或剪切位岩体、土体试样在加荷过程中，剪切阻力随应变或剪切位 移增加而增大的特征。移增加而增大的特征。 脆性材料：脆性材料：5% 韧性材料：韧性材料：10% 第一节第一节 岩石力学性质的几个基本概念岩石力学性质的几个基本概念 第24页/共65页 常温常压下一些岩石的强度极限常温常压下一些岩石的强度极限 第25页/
11、共65页 岩石的脆性变形岩石的脆性变形 当应力达到岩石的强度极限时，岩石就会发生破裂而破坏。岩石破裂有两种类型：张裂与剪裂。 张裂的位移方向垂直于破裂面，张裂面一般垂直于最小主应力方向。 剪裂相对位移平行于破裂面，破裂面与最大主压应力方向的夹角一般小于45 在围压很小的情况下，岩石表现为脆性，以张裂形式破坏，在压缩实验中，以轴向劈裂为特征。 除了围压极低的情况以外，剪裂是三轴压缩试验中宏观脆性破坏的主要形式。 第26页/共65页 剪裂面与最大主应力轴方向的夹角称为剪裂角剪裂角()。剪裂面常 成两组共轭出现，包含最大主应力轴的两个共轭剪裂面的夹 角称作为共轭剪裂角 （）。从应力分析可知，最大剪应
12、力作 用面位于1和3轴之间的平分面上，与成45角，似乎剪 切破裂最可能会沿这些面发生，但实际并非如此，岩石中的 剪裂角常小于45。许多学者对这个现象进行研究，从不同 角度提出了有关剪切断裂的准则。 第27页/共65页 库伦剪切破裂准则库伦剪切破裂准则 由图中可知，岩石发生剪裂时，剪裂面与最大主应力1的夹角为： 由此可见，剪裂角大小取决于岩石变形时内摩擦角的大小由此可见，剪裂角大小取决于岩石变形时内摩擦角的大小 。 第28页/共65页 剪裂角剪裂角 10152025303540-45 岩石岩石 花岗岩花岗岩 辉绿岩辉绿岩 砂岩砂岩 大理岩大理岩 页岩页岩 常温常压下由实验得到的剪裂角常温常压下由
13、实验得到的剪裂角 第29页/共65页 第30页/共65页 莫尔剪切破裂准则莫尔剪切破裂准则 莫尔根据岩石力学实验的结果，对库伦准则提出了修正。他认为材料的内摩擦角不是常数，而是随围压的变化而改变，其破裂线的方程一般表达式为： 砂岩的莫尔包络线近似于直线，角约45，剪裂角约23； 页岩的莫尔包络线为曲线，角随围压的增加而变小，当围压足够大的时候，剪裂角接近于剪裂角接近于45。 第31页/共65页 格里菲斯破裂准则格里菲斯破裂准则 格里菲斯（1920）提出了另一种岩石破坏理论。他发现材料的 实际破裂强度远远小于根据分子结构理论计算出的材料粘结强 度，达三个数量级。他认为这是由于材料中存在有许多随机
14、分 布的微裂隙的缘故。当材料受力时，在有利于发生破裂的微裂 隙末端 （曲率最大处）附近应力强烈集中。当裂隙端部的拉应 力达到该点的抗拉强度时，微裂隙开始发生扩展、联结，最后 导致材料的破坏。现代超微观测技术的应用，已证实了这种微 裂隙的普遍存在及其在材料破坏中的作用。 第32页/共65页 把微裂隙看作是扁平的椭圆形裂隙 ，可推导出平面格里菲斯破裂准则 式中T0为单轴抗张强度的数值，n和n分别为剪裂面上的剪应力和正应力。 （1）式为张裂的准则 （3）式在莫尔图解中是一条抛物线型的莫尔包络线莫尔包络线，与实验得出的曲线 十分近似。 从（3）式可知，在单轴压缩情况下，1c（抗压强度），30，则 c8
15、T0。 修正修正 第33页/共65页 修正的格里菲斯破裂准则修正的格里菲斯破裂准则 室温常压下岩石抗压强度往往是抗张强度的1050倍。为此，麦克林托克 与华西（1962）又假定微裂隙在受压方向上的闭合，将产生一定的摩擦力 而影响微裂隙的扩展。从而提出修正的平面格里菲斯破裂准则，其莫尔包络 线为： nn2T0 虽然格里菲斯准则及修正的准则初步描述了关于破裂过程的真实物理模 式，但它们与岩石力学实验观测到的结果仍有些明显的不一致，如所预 计的单轴抗压强度与抗张强度之比都过低，预计的莫尔包络线斜率也与 实际的斜率不严格一致。尽管如此，它们仍是目前应用于构造地质、岩 石力学方面比较符合实际的准则，而被
16、广泛采用。 第34页/共65页 第二节第二节 影响岩石力学性质的因素影响岩石力学性质的因素 1.各向异性对岩石力学性质的影响各向异性对岩石力学性质的影响 不同岩石由于成分和结构不同，而具不同的 强度。同一岩性的岩石常由于层理或次生面 理的发育，而造成岩石力学性质的各向异性 。岩石各向异性对变形的影响中，最明显的 例子是层状岩石受压可以形成褶皱，而块状 的各向同性岩石一般不发生褶皱变形 1-层状岩石发生褶皱 2-块状岩石顺层发生缩短 在讨论破裂准则时，都假设材料是各向同性的。在各向异性的岩石中，脆 性破裂的发生将会受到先存薄弱面（如各种面理）的影响，其极限强度将 随主应力轴相对岩石中的各向异性构
17、造的方位变化而变化，而且，其剪裂 面也可能明显地偏离破裂准则所预测的方向（如剪裂角）。 第35页/共65页 A.板岩压缩实验中，剪切破裂面和压缩轴的夹角(纵坐标)随劈理面与压缩轴的夹角(横坐标)不同而改变 B.不同围压下的三轴压缩实验中，具先 存面理的的板岩和页岩的强度与样品的 面理和1的夹角的关系 板岩和页岩的实验结果（图B）表明，相同围压下，岩石强度最小值出现在 1与面理夹角约30的情况下。图A表明，板岩剪切破裂的方位依1与劈 理面的夹角而变化，在夹角小时，剪切破裂沿原劈理面发生。 第36页/共65页 2.围压对岩石力学性质的影响围压对岩石力学性质的影响 第37页/共65页 3.温度对岩石
18、力学性质的影响温度对岩石力学性质的影响 玄武岩在500MPa围压时，不同温度下的应力-应变曲线 拉伸拉伸 压缩压缩 在拉伸和压缩实验中，脆韧性过渡 与围压（P）和温度（T）的关系 P-围压 T-温度 d-韧性区 b-脆性区 第38页/共65页 4.孔隙流体对岩石力学性质的影响孔隙流体对岩石力学性质的影响 第39页/共65页 莫尔图解可以很好地说明孔隙压力对岩石破坏的促进作用。图中横坐标 表示有效正应力（总正应力与孔隙压力之差）。圆代表孔隙压力为零 时的压力状态，这时岩石是稳定的。随着孔隙压力的逐渐增大，虽然外 加的总正应力不变，但有效正应力逐渐减小，使应力圆向左移动。一旦 应力圆移到圆处，与莫
19、尔包络线相切，岩石就要破坏。因此，异常孔 隙压力的作用可促使岩石发生断裂。 第40页/共65页 5.时间因素对时间因素对 岩石力学性质的影响岩石力学性质的影响 一般应变速率的降低，使材料的屈服极限降低，变成韧性。岩石的应变既有快速冲击时的变形，如陨石的碰撞或地震的发生，但更经常的是长期而缓慢的变形。对美国西部圣安德列斯断裂带及欧洲阿尔卑斯山的变形速率的估计，都在10-12/S到10-14/S左右。岩石在这种缓慢的应变速率下，都表现出韧性的特点。 第41页/共65页 z -8 -1 赫德（1963）对大理岩在不同应变速率下的实验说明，随着应变速率的降低，岩石的屈服应力显著降低。在初始的弹性变形后
20、，是相当长时期的具应变硬化的塑性流动。在最缓慢的应变速率下（3.310-8/S），岩石接近于完全塑性，不再增加应力而可以继续变形。 第42页/共65页 蠕蠕 变变 和和 松松 弛弛 在应力长期作用下，即使应力在常温常压的短期试验的屈服极限之下，岩石也会发生缓慢的永久变形，这种与时间相关的变形称为蠕变蠕变。 第43页/共65页 第44页/共65页 岩石在长时间低应力作用下的可以发生蠕变的现象说明，岩岩石在长时间低应力作用下的可以发生蠕变的现象说明，岩 石可以在固态条件下发生塑性流变。石可以在固态条件下发生塑性流变。 蠕变的岩石可以看作是粘度很高的固流体 第45页/共65页 第三节第三节 岩石的能
21、干性岩石的能干性 岩石的能干性是用来描述岩石变形行为相对 差异的术语。在相同的变形条件下能干的岩 石比不能干的岩石不易发生粘性流动。 第46页/共65页 第47页/共65页 第48页/共65页 第四节第四节 岩石变形的微观机制岩石变形的微观机制 脆性变形机制脆性变形机制 塑性变形机制塑性变形机制 第49页/共65页 微破裂作用、碎裂作用和碎裂流微破裂作用、碎裂作用和碎裂流 第50页/共65页 岩石的塑性变形机制比脆性变形机制要复杂得多。通过岩石 变形实验以及变形实验与天然变形岩石的显微和超微构造相 对比，人们发现，由于岩石的流变特性及其显微构造、组成 矿物的性质以及变形条件等的不同，会有多种不
22、同的变形机 制。岩石是一种多晶集合体，其塑性变形绝大多数是由单个 晶粒的晶内滑动或晶粒间的相对运动（晶粒边界滑动）所造 成的。 岩石的塑性变形机制有晶内滑动晶内滑动和位错滑动位错滑动、位错蠕变位错蠕变 、扩散蠕变扩散蠕变、颗粒边界滑动颗粒边界滑动等 塑性变形机制塑性变形机制 第51页/共65页 一、晶内滑动和位错滑动一、晶内滑动和位错滑动 晶内滑动是沿晶体一定的滑移系发生的，即沿某一滑移面的一定方向滑移 。滑移系是由晶体结构决定的，滑移面通常是高原子密度或高离子密度的 面，滑移方向则是滑移面上原子或离子排列最密的方向。不同矿物晶体各 具不同数目的滑移系。晶内滑移不仅使晶粒形状改变而发生塑性变形
23、，还 使结晶轴发生旋转，造成晶格优选方位。 第52页/共65页 由于晶格滑移引起的优选方位发育的原理由于晶格滑移引起的优选方位发育的原理 如图，设一晶粒的横剖面为，沿着方向发生均匀缩短均匀缩短，在变形过 程中与保持平行。假设只有一个滑移面平行于对角线，面内 的滑移方向平行于。如果滑移是变形的唯一机制，则变形过程中沿滑 移方向测量的晶粒大小保持不变，垂直于滑动画方向各滑动面间的距离不 变。因而随着变形的继续，不仅沿方向发生滑动，而且滑动面本身也 必须相对于缩短方向作顺时针的转动，这就使滑移面的法线向着缩短轴方 向旋转。如果滑移面是石英的底面（0001），则缩短不仅使石英颗粒压扁 ，形成形态优选方
24、位，而且使其轴向缩短轴接近，形成晶格优选方位。 第53页/共65页 晶体滑动的微观解释晶体滑动的微观解释 - 位错位错 在微观上，晶体滑动可以和一叠卡片受剪切而滑动相比拟。然而，在超微的原子尺度上，在一个晶体的整个滑移面上并没有同时发生滑动并没有同时发生滑动，只是在一个小的应力集中区(如在晶体缺陷处)首先发生。然后，这个滑移区沿着滑移面扩张，直到最后与晶粒边界相交，在那里产生了一个小阶梯为止。滑移区与未滑移区之间的界是 位错线(右图)。 第54页/共65页 晶体滑动的微观解释晶体滑动的微观解释 - 位错的传播位错的传播 位错的传播可以很形象地用移动地毯来说明（右下图）。如果要拉动一张压着许多家
25、俱的地毯，显然要费很大力气。同样道理，沿着晶体内的一个面要使大量原子同时发生移动，也需要很大的力，以致会引起晶体破裂。如果先将地毯的一边折成一个背形褶皱，并慢慢地使这一皱折传递到相对应的另一边（必要时把家俱稍抬起一下），这样一来便可终于使地毯在地板上整体平移一小段距离。 第55页/共65页 这一过程需力不大，只是时间较长。同样，晶体中的位错在通过滑移面发生传播时是通过用额外半面的逐渐移动晶体来完成的。最后，在滑移面一侧的晶体相对于另一侧的晶体发生了一个晶胞的位移（如图）。 第56页/共65页 在材料的拉伸压缩实验中，材料经过屈服阶段之后，又增强了抵抗变在材料的拉伸压缩实验中，材料经过屈服阶段之
26、后，又增强了抵抗变 形的能力。这时，要使材料继续变形需要增大应力。经过屈服滑移之形的能力。这时，要使材料继续变形需要增大应力。经过屈服滑移之 后，材料重新呈现抵抗继续变形的能力，称为应变硬化。后，材料重新呈现抵抗继续变形的能力，称为应变硬化。 第57页/共65页 二、位错蠕变二、位错蠕变 这是高温下的一种变形机制，当温度 T 0.3 Tm（Tm为 熔融温度）时，恢复作用显得重要起来，位错可以比较自由地扩展并且从一个滑移面攀移到另一个滑移面。从而符号相反的两个位错可以通过攀移而互相湮灭（下图）；符号相同的位错可以重新排列成位错壁，而将一个晶粒分隔为亚晶粒。亚晶粒之间在晶格方位上有一轻微差异，而亚
27、晶粒内部位错密度降低，使变形能继续进行。这种现象称为多边形化作用。在显微镜单偏光下观察仍为一个晶粒，在正交偏光下观察可以看到相邻亚晶粒间的消光位有几度之差。 A、B 的上部表示晶内的许多位错通过滑移和 攀移重新排列而形成亚晶粒边界 A、B 的下部表示塞积的位错通过攀移而越过障碍，消除堆积的位错 第58页/共65页 动态重结晶作用动态重结晶作用 在初始变形晶粒边界或局部的高位错密度处，储存了较高的应变能，在温度足 够高的条件下，形成新生的重结晶颗粒，使初始变形的大晶粒分解为许多无位 错的细小的新晶粒。如果大晶粒还没有分解完，就形成了核幔构造（如图）。 动态重结晶颗粒与亚晶粒之差别在于相邻小晶粒之
28、间的光性方位差别大（ 10-15以上），因此，在正交偏光下，晶粒之间界线明显。由于这种初始 重结晶的晶粒是从各个孤立的晶核彼此面对面地生长，晶粒间的界面生长的速 率受新老晶粒间的方位差和老晶粒内位错密度的控制，因此，当新晶粒互相接 触时常成不规则的犬牙交错状边界。在其后的正常晶粒生长时（静态重结晶） ，趋向于降低晶粒的表面能，而使晶粒变大，边界变平，形成多边形晶粒和面 角为120的三结点。这时如果应力继续作用，就会使新生的晶粒又受到变形 而细粒化。因此，在应力作用下的重结晶是一种动态重结晶。 第59页/共65页 核墁构造 动态重结晶的细小石英晶粒围绕初始晶粒的残斑，残斑内发育有亚晶粒（虚线示亚晶粒边界） 第60页/共65页 晶体受应力而变形，使晶内位错密度增加而晶体受应力而变形，使晶内位错密度增加而应变硬化应变硬化， 恢复作用和动态重结晶作用使变形的初始晶体细粒化而恢复作用和动态重结晶作用使变形的初
0/150
联系客服
本站为文档C2C交易模式，即用户上传的文档直接被用户下载，本站只是中间服务平台，本站所有文档下载所得的收益归上传人(含作者)所有。人人文库仅提供信息存储空间，仅对用户上传内容的表现方式做保护处理，对上载内容本身不做任何修改或编辑。若文档所含内容侵犯了您的版权或隐私，请立即通知人人文库网，我们立即给予删除！