第4章 脆性变形(3)-断层的力学分析.
第四章 岩体的结构特征与主要力学特征-党
岩体结构特征的研究意义
岩体的结构特征是指岩体中结构面和结构体的形状、 规模、性质及其组合关系的特征。 岩体中的软弱结构面，常常成为决定岩体稳定 性的控制面。 靠近地表的岩体，其结构特征在很大程度上确 定了外营力对岩体的改造进程。这是由于结构面往 往是风化、地下水等各种外营力较活动的部位，也 常常是这些营力的改造作用能深入岩体内部的重要 通道，往往发展为重要的控制面。 研究结构面最关键的是研究各类结构面的分布规律、 发育密度、表面特征、连续特征以及它们的空间组 合形式等。
力学强度：较原岩大为降低，压缩性大
抗冲刷能力低，易于产生渗透变形
四、岩体的结构类型
表4-6 岩体结构分类表
《水利水电工程 地质勘察规范》， 将岩体结构划分 为：4个大类和 11个亚类，其基 本特征见表4-6。
类型 亚类 整体 整体状结构 块状 块状结构 结构 次块状结构 层状 整体层状结 结构 构 块层状结构 互层状结构 薄层状结构 碎裂 镶嵌碎裂结 结构 构 碎裂结构 散体 碎块状结构 结构 碎屑状结构
软弱夹层
特点
厚度薄
多呈相互平行，延伸长度和宽度不一的多层状
结构松散
岩性、厚度、性状和延伸范围，常有很大变化
力学强度低，与其结构、矿物成分和颗粒组成有关
泥化夹层 特点
成分：粘粒含量明显增多
结构：由固结或超固结变成了泥质散状结构
物理状态：干容重减小,天然含水量增高,接近塑限
具有一定的膨胀性
蠕变：在应力一定的条件下，应变随时间的持续而逐 渐增长的现象。 松弛：在变形保持不变时，应力随时间的增长而逐渐 减小的现象。 试验和工程实践表明，岩石和岩体具有流变性。
2、典型的蠕变曲线
断层力学及其在工程中的应用研究
断层力学及其在工程中的应用研究第一章简介断层力学是一门涉及地球科学、土力学、机械工程等多学科交叉的学科。
人们从断层的形成、运动、服务期等各方面加以研究，探索其规律，并将研究成果应用到工程中。
本文将介绍断层力学的基本概念和研究进展，并探讨其在工程中的应用研究。
第二章断层形成断层形成是断层力学中的基础，从大地构造过程入手，可以分为地震构造、构造变形和构造破坏三个阶段。
地震构造包括大地震断层和小地震断裂两类。
大地震断层位于深处，与挤压构造相关，是地震能量的释放带。
小地震断裂位于浅处，与剪切构造相关，是地震的前兆。
构造变形是指构造作用改变土体内部结构和性质的过程，是断层形成和断层运动的必然结果。
构造破坏是指土体因作用力的影响而表现出破坏性质的现象，是断层形成的最终结果。
第三章断层运动断层运动包括弹性变形、不连续屈曲、失稳破坏和稳态滑动等过程。
弹性变形是指区域相对于其它地区的上下、左右或前后的移动。
不连续屈曲是指断层上存在的开裂现象，以及由此产生的曲率变化。
失稳破坏是指断层上存在的破裂现象，以及由此产生的断裂面上的破坏情况。
稳态滑动是指断层上发生的摩擦破坏，即断层运动的最终状态。
第四章断层力学在地质灾害预防中的应用断层力学在地质灾害预防中有着广泛的应用。
洪涝、滑坡、泥石流、地裂缝等地质灾害与断层息息相关。
因此，研究断层的运动规律和机理，对于预测和评估地质灾害具有重要的意义。
地震预测、地震风险评估和地震应急救援等方面也借助于断层力学的知识和方法。
第五章断层力学在工程中的应用断层力学在工程中的应用主要是指土木、水电、石油等方面的工程。
在土力学领域，断层力学可以应用于地质工程、地下水工程和地下开采工程等方面的设计。
在水电工程中，断层力学可用于水利工程建设、调度和灾害预防等方面。
在石油方面，断层力学可用于油田勘探、井下压力分析和油田开采等方面的工程。
第六章结论断层力学是一个跨学科、交叉应用的领域，具有广泛的应用前景。
第四章 材料的断裂韧性
• 在平面应变条件下
• 对于Ⅰ型穿透裂纹，
• 对于一定材料和厚度的板材，不论其 裂纹尺寸如何，当裂纹张开位移达到 同一临界值δC时，裂纹就开始扩展。
• 临界值δC也称为材料的断裂韧度，表 示材料阻止裂纹开始扩展的能力。
• 平面应变状态应变分量为
2021/7/14
• 平面应变状态x、y轴方向的位移 分量为
2021/7/14
• 可以看出，裂纹尖端任意一点的应力、 应变和位移分量取决于该点的坐标(r， θ)、材料的弹性模数以及参量KI。
• 对于如图所示的平面应力情况，KI可用 下式表示。
2021/7/14
• 若裂纹体的材料一定，裂纹尖端附近某一点的 位置(r，θ)给定，则该点的各应力、应变和 位移分量唯一决定于KI值，KI值愈大，则该点 各 反映应了力裂、纹应尖变端和区位域移应分力量场之的值强愈度高，，故因称此之，为KI 应力场强度因子，它综合反映了外加应力、裂 纹形状、裂纹长度对裂纹尖端应力场强度的影 响，其一般表达式为
• 1968年，Rice提出了J积分，Hutchinson 证明J积分可以用来描述弹塑性体中裂纹 的扩展，在这之后，逐步发展起来弹塑 性断裂力学。
2021/7/14
• 断裂力学研究裂纹尖端的应力、应变 和应变能的分布情况，建立了描述裂 纹扩展的新的力学参量、断裂判据和 对应的材料力学性能指标—断裂韧度 ，以此对机件进行设计和校核。
• 式中：Y为裂纹形状系数，取决于裂纹的形状 。
• K型I的和脚Ⅲ标型表裂示纹I的型应裂力纹场，强同度理因，子KⅡ。、KⅢ表示Ⅱ • 对2021于/7/14 不同形状的I型裂纹裂纹，KI和Y的表达式
2021/7/14
2021/7/14
第4章 脆性变形(3)-断层的力学分析
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（έ） 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
2α
2θ
应力莫尔圆的物理意义
（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；
Griffith断裂理论：Griffith（1924）在检查库伦－纳维叶准则 时发现，在微观尺度上，岩石的破裂受材料原始先存微观裂 隙的影响，这种裂隙称为Griffith裂隙。由于在裂隙的尖端产 生应力集中，使岩石对发生断裂的摩擦阻力减弱。而且实验 结果得到的抛物线形包络线与Griffith模式预测的结果一致。
沙箱实验－模拟正断层和逆断层的形成
Hubbert（1951）的实验 材料：沙子 实验过程：用转动螺杆推动力推动金 属隔板。 隔板向右运动，在左间内发育了正断 层，其倾角为典型的60º ，为沙子内摩 擦角的余角。 隔板继续向右运动，当有沙子受到压 缩形成逆冲断层，断层倾角约为30º 。 动力学分析： （1）沙子在两室都处于静岩应力状 态，各方向的应力相等。 （2）隔板向右，使左间内水平应力减 小，σ3是水平的，σ1是直立的，形成 正断层。 （3）在右间内正相反，使右间内水平 应力增加，σ1是水平的，σ3是直立的， 形成逆断层。
脆性变形断层概述分类及各论课件
按规模分类
大规模断层
通常影响范围较大，延伸 可达数十至数百公里，对 区域构造和地貌有显著影 响。
中等规模断层
影响范围相对较小，延伸 一般在数十至数百米之间 ，对局部地貌和地质结构 有明显影响。
小规模断层
通常局限于较小范围内， 延伸一般在数米至数十米 之间，对局部地貌和地质 结构有一定影响。
按表现形式分类
演化历史。
02
脆性变形断层的分类
按成因分类
01
02
03
构造运动
由于地壳构造运动引起的 断层，如板块碰撞、挤压 等。这类断层通常规模较 大，影响范围广。
地震活动
地震引起的断层，通常与 地壳应力积累和释放有关 。这类断层具有突发性和 不可预测性。
侵蚀作用
由于风化、侵蚀等外力作 用形成的断层，通常规模 较小，多出现在地表或近 地表。
研究意义
地质灾害防治
脆性变形断层是地质灾害的主要 来源之一，研究脆性变形断层有 助于预测和防治地震、山体滑坡
等地质灾害。
资源开发
脆性变形断层在矿产资源开发中 具有重要意义。研究脆性变形断 层有助于确定矿产资源的分布和 储量，为资源开发提供科学依据
。
地球科学研究
脆性变形断层是地球科学研究的 重要对象之一。通过研究脆性变 形断层的形成机制和演化过程， 可以深入了解地球的构造运动和
自我保护意识和能力。
05
未来研究方向与展望
深化机理研究
深入研究断层脆性变形的物理机 制和演化规律，提高对断层行为
的预测精度。
探索断层系统中多场耦合作用机 制，分析温度、压力、化学成分
等因素对脆性变形的影响。
开展断层系统的数值模拟和实验 研究，模拟实际地质条件下断层
断层力学特性与断裂带发育规律研究
断层力学特性与断裂带发育规律研究断层是地壳中具有较大位移的岩石层面或岩体之间的界面。
它是地球表面地壳运动的产物，主要表现为岩石的剪切和滑动。
而断裂带则是在断层发育的过程中形成的，它是由具有共同特征的断层所组成的岩石带。
断层力学特性和断裂带的发育规律是地质学和地震学等领域的重要研究方向，对于了解地表地壳运动以及地震活动的机制具有重要意义。
在研究断层力学特性时，关键问题是探索断层滑动过程中的摩擦特性和应力状态。
断层面上的摩擦力是断层运动的驱动力，而应力状态则决定了断层滑动的方向和速率。
通过实验室和田野观测，研究人员发现断层滑动过程中存在着摩擦剪切带。
这种细小的带状断裂区域是摩擦力集中的地方，通过对其中的岩石物理性质和微观结构的分析，可以了解断层摩擦的机制。
研究断层滑动的物理机制还需要考虑地壳中的地应力场。
地应力是因地壳内部质量的不均匀分布而引起的应力状态。
通过综合野外实测和数值模拟，研究人员发现，地应力场的变化会导致断层滑动的发生和停止。
这是因为地壳内部的应力不平衡会积蓄能量，当能量达到一定程度时，断层就会发生滑动并释放能量，形成地震等地质灾害。
而断裂带的发育规律则涉及到断层的形成、发展和破坏过程。
研究人员发现，断层的形成和发展与岩石的物理性质密切相关。
岩石的脆性和韧性决定了断层的形态和长度。
脆性岩石易于断裂，断层带发育较为明显。
而韧性岩石则相对不易发生断层滑动。
此外，岩石的变形能力也会影响断层的发展。
某些强变形岩石具有较好的延展性，能够吸收和分散应力，从而减缓断层带的扩展速度。
断裂带的发育过程还受到外界条件的影响，如水体的作用和地球内部的热流。
水体的存在会改变岩石的物理性质和应力状态，对断裂带的形成和发展有着重要影响。
而地球内部的热流则会引发岩石膨胀和收缩，进而改变断层带的力学特性。
因此，在研究断裂带的形成和发展规律时，需要综合考虑多种因素。
总之，断层力学特性与断裂带发育规律的研究对于地质学和地震学等领域的发展至关重要。
第3-4章 建筑结构材料的力学性能与设计原则
七,设计表达式——正常使用极限
S≤C
式中:C——结构或构件达到正常使用极限要求的限值 裂缝—表5.2.5(P111),挠度—表5.2.6(P113)
1,裂缝验算——取荷载效应的标准组合
S=Sk S=Sq
S k = S Gk + S Q1k + ∑ψ ci S Qik
i =2
n
2,挠度验算——取荷载效应的准永久组合
第三章 建筑结构材料的力学性能
3.1 材料的弹性,塑性和延性 一,弹性 弹性——材料受力后,当外力移去时,应力 弹性 和应变都可以完全恢复为零的特性. 二,塑性 塑性——材料受力后,即使外力移去,应变 塑性 也不能完全恢复为零的特性,即有残余应变. 延性——材料超过弹性极限后直至破坏过程 三,延性 延性 中的变形能力良好的性能. 四,脆性 脆性——材料破坏前变形能力差的性能. 脆性
�
定义,表现
2,正常使用 极限状态
定义,表现
4.2.3 建筑结构的设计状况
1,持久状况:如正常使用 2,短暂状况:如施工堆载 3,偶然状况:如爆炸
4.2.4 结构设计原理与方法
一,结构的可靠度 建筑结构在 规定的时间内? ←设计基准期,通常为50年 规定的条件下? ←正常设计,正常施工,正常使用 完成预定功能? ←安全性,适用性,耐久性, 的概率.
4.2.1 结构的功能要求 1,安全性——安全等级,表4.2.1 2,适用性——裂缝,挠度 3,耐久性——设计基准期 4,稳定性:整体稳定,局部稳定
4.2.2 结构的极限 极限状态 极限
一,定义:
由可靠向失效转变的临界状态. 是结构或其构件能够满足前述某一功能要 求的临界状态.
二,分类:P43-44 1,承载能力 极限状态
岩石脆性与断裂变形机制的地球力学模拟
岩石脆性与断裂变形机制的地球力学模拟岩石是地球上最基本的构成元素之一，其力学性质对地质灾害、地震等自然现象具有重要影响。
岩石的脆性与断裂变形机制是岩石力学研究中的关键问题之一。
地球力学模拟是一种运用物理实验与计算模拟相结合的方法，能够模拟岩石脆性与断裂变形过程，并揭示其中的机制。
在地球深部，岩石承受着来自地壳运动和地震产生的巨大应力。
当应力超过岩石的强度极限时，岩石会发生断裂变形。
脆性断裂是指岩石在受力下迅速发生破碎的现象，而非蠕变或塑性变形。
脆性断裂的机制包括微裂隙形成、扩展和相互连接形成断裂面。
这些机制在地质灾害、地震发生和构造演化中起着至关重要的作用。
地球力学模拟通过实验和计算模拟，模拟岩石在不同应力条件下发生断裂变形的过程，旨在揭示岩石脆性与断裂的机制。
实验室实验是地球力学模拟中常用的方法之一。
通过在岩石样品上施加不同应力和加载条件，研究岩石的断裂扩展、破碎和变形过程。
实验室实验可以提供详细的物理参数和现象观测，是研究岩石脆性与断裂机制的重要手段。
然而，岩石样品的实验需要耗费大量的时间和资源，并且只能在特定条件下进行，限制了其研究的深度和范围。
为了突破实验的限制，计算模拟成为地球力学模拟中的重要方法。
计算模拟基于力学方程和岩石材料的物理参数，通过计算机软件模拟岩石在不同应力条件下的断裂和变形过程。
计算模拟可以模拟大范围、大尺度的岩石体，提供更加细致和深入的信息。
地球力学模拟的关键是建立合理的力学模型和边界条件。
力学模型是对岩石性质和行为的数学描述，包括弹性模型、塑性模型和损伤模型等。
不同的岩石类型和断裂机制需要不同的力学模型来描述。
边界条件是指对岩石受力过程中的约束条件，如固定边界、加载边界和支撑边界等。
合理的力学模型和边界条件可以提高模拟结果的准确性和可信度。
地球力学模拟的应用广泛，可以用于研究岩石破碎和断裂的机制、地震产生的机理和地壳构造演化等。
例如，通过地球力学模拟可以模拟地震过程中的地面运动和地震波传播，提供地震烈度、震源机制和地震危险性评估等方面的信息。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
库伦－纳维叶断裂准则
库伦理论存在的问题：实验证明，当材料因剪切而破坏时，剪 切面与最大主应力方向绝大部分都小于45º （即2 α <90º ）；而 且库伦准则也不适用于拉伸实验。 纳维叶提出：岩石抵抗剪切破裂的强度，主要由两个因素决定：
x xy yz S ij yx y yz zx zy z
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。
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。
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；
σ1 σ2 σ2 σ1
σ3
σ3
σ 1> σ 2= σ 3
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。 莫尔包络线总是向最大主应力（压 应力）方向张开，它表示岩石强度 在压缩条件下比拉伸条件下要大。 莫尔包络线与τ轴交于τ0值处，有时 称τ0值为材料的粘聚力或内聚力。 莫尔包络线与原点相交，说明材料 不能经受任何张应力（如干砂的例 子），即内聚力为零。
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
P3点：断裂面与σ1平行0º ， 拉张破裂。
库伦理论（最大剪应力理论）
max 包络线方程式：
1 3
2
0
τ0为抗纯剪断裂极限强度，也称为岩石 的内聚力。
包络线特征：为水平直线型的破坏曲 线。 理论意义：（1）最大剪应力（τmax） 为常量τ0 。当达到材料抗剪强度极限 时岩石开始断裂，称最大剪应力理论 或库伦断裂准则。（2）剪裂面与最大 主应力σ1的夹角（剪裂角） θ=45º ,共轭 断裂面夹角（共轭角）为2θ =90º 。 适用条件：塑性材料或高围压的情况 下，该理论比较合适。因此适用于地 壳深层次构造环境。
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。
不稳定域 稳定域
0 t an
破裂方位与莫尔包络线形状的 相互关系
对于图中每一个应力莫尔圆， 假如在P截面上发生破裂或 断裂，包络线斜率为正，而 且一般破裂角α（σ1与断裂 或破裂面夹角）小于45º 。 P1点：断裂面与σ1呈30º 斜交， 挤压剪切破裂； P2点：断裂面与σ1呈25º 斜交， 拉张剪切破裂；
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、έ、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（έ） 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
2α
2θ
应力莫尔圆的物理意义
（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。