第4章 脆性变形(3)断层的力学分析..ppt

主应力与各种断层形成关系小结 根据主应力性质， Anderson（1951）结合应力莫尔圆和库伦-纳维叶准则，分析总结了近地表地壳中断层的形成与主应力性质、方位的关系： σ1 水平时形成逆（冲）断层，最大主应力为水平应力； σ1 垂直时形成正断层，最大主应力为垂直应力； σ2 垂直时形成走滑（平移）断层，最大主应力为为水平应力； The end 第四章 脆性变形-断层断层的力学分析 断层力学分析基本内容 断层形成的相关因素 岩石断裂准则 安德森断层形成模式 断层形成的相关因素 断层或破裂形成是一个复杂的动力学过程，也是一个复杂的课题，涉及以下有关因素： 岩石本身的力学性质 断层作用的应力状态 断层形成的物理环境 断层形成的应变速率 应力状态 为了确定任一点截面上的分布内力，引进应力概念 △P：内力 σn：正应力 τ： 剪应力 当物体受到载荷作用时内部各点应力是不同的，而且不同的截面方位，其应力分量也是不同的。应力不仅与所考察点的位置有关，还与该点所取截面方位有关。通过该点所有截面上应力的总体称为该点的应力状态。通常我们用：某一点附近微分体或微元体上的应力分量代表该点的应力状态。 微元体或微分体上的9个应力分量 应力场和构造应力场 应力场：受力物体内部的每一个点都存在与之相对应的应力状态。物体内各点的应力状态所占据空间组成的总体，称为应力场。 均匀应力场：物体内各点应力状态相同（即方向相同，大小相等）。例如理想单轴挤压和拉伸。 非均匀应力场：物体内各点应力状态不相同。例如地壳中上覆岩石压力随深度而变化，σn=ρgh，所以地壳中重力场是变化的。 构造应力场：由构造作用所造成的应力场。通常区域应力场和全球应力场一般由重力和构造应力双重作用造成。 岩石（材料）的强度 岩石（材料）强度定义：在特定应力作用下岩石材料发生破坏时所能支持或承受的最大应力差或差异应力（最大应力差或差异应力△σ=σ1-σ3）。材料的强度主要取决于：材料力学性质、应力作用方式、变形物理环境和应变速率（即T、P、?、应力作用方式、孔隙压力等）。通常在压缩条件下材料的强度比拉伸条件下的强度高得多，往往高10倍。 岩石破裂的影响因素 岩石材料类型 应力作用方式 围压条件（P） 温度条件（T） 孔隙流体 应变速率（?） 右图代表材料从脆性到韧性的过渡，也反映脆性材料随T、P增加而出现向韧性转化的趋势。 岩石破裂或断裂准则 岩石破裂或断裂是指在外力作用下岩石所产生的介质不连续面。为什么岩石会产生断裂？影响因素很多，有两个因素是关键因素： 岩石破裂面的应力状态。即破裂面上应力状态必须达到岩石的临界或极限应力状态； 岩石材料的力学性质。 岩石破坏条件或断裂准则：岩石在临界或极限应力状态下，各点极限应力分量所应满足的条件。 断裂准则理论 莫尔破坏包络线； 库伦断裂理论（最大剪应力理论) －水平直线型包络线理论； 纳维叶断裂理论（库伦－纳维叶断裂准则）－斜直线型包络线理论； 格里菲斯断裂准则－抛物线型包络线理论； 莫尔破坏包络线 应力莫尔圆是一种应力状态分析的图解方法，可以计算受已知最大和最小主应力作用的岩体内任何截面上的剪应力和正应力。 现在用应力莫尔圆方法来分析岩石对断裂破坏作用的阻抗情况。 2θ 2α （1）当θ=0?时， ?θ=?1，?θ= 0； （2）当θ=90?时，?θ=?2，?θ= 0； （3）当θ=45?或135?时，?θ= (?1-?2) / 2，最大值； （4）当?1=?2，?= 0时，均匀挤压或拉张，无剪应力； （5）在三维状态中，当?1= ?2 = ?3 时，为静水压力； 应力莫尔圆的物理意义 在4000，15000，30000（psi）围压下，对三根圆柱体灰岩做标准压缩试验。 每一次实验记录破裂时的最大主应力σ1、σ 3 (围压) 与破裂面或断裂面（即参考面、截面）的夹角θ，画成不同应力图。 三个圆分别代表了试验时发生破裂的应力状态。分别画出一条与σn 轴呈2θ角的半径。 各个圆与相应半径的交点坐标就是岩石发生破裂时破裂面或断裂面上的正应力（σn）和剪应力（τ）； 各个圆与相应半径的交点就是“破裂”或“破坏”点。 连接各个应力圆的破裂或破坏点，即为岩石破坏时的莫尔包络线。 莫尔包络线就是材料发生破裂或破坏时各种极限应力状态应力莫尔圆的公切线。 σ1 σ1 σ1 σ2= σ3 σ3 σ3 σ2 σ2 莫尔包络线特征和意义 莫尔包络线代表了岩石发生断裂作用时的临界应力值，当某一点应力状态的应力莫尔圆与莫尔包络线相切时，这点就开始发生破裂，因而也有人称莫尔包络线为破坏曲线。 莫尔包络线可以是一对直线，也可以是一对曲线。 莫尔包络线分开了不稳定域和稳定域