地质构造力学分析
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构造地质学——地质构造分析的力学基础
第三章地质构造分析的力学基础一、力和体力1、力：物体相互间的一种机械作用2、接触力：物体与物体间的作用力3、面力：作用在物体表面的接触力4、应力集中：接触面积与物体边界面积比量级很小时，即集中5、体力：非接触力作用在物体内部每一支点上时，为体力二、外力和内力1、外力：外界物体向研究物体施加的作用力2、内力：外力作用引起的物体内部各点之间的相互作用力三、应力、正应力、剪应力1、应力：在外力作用下，物体内任一截面单位面积上的受力大小2、正应力：垂直截面的应力，以σ表示3、剪应力：平行截面的应力，以τ表示四、主应力、主方向、主平面1、主应力：某一截面上只有正应力，没有剪应力时的正应力2、主方向：主应力的方向3、主平面：垂直于主应力的平面五、应力椭球体和应变椭球体1、应力椭球体：σ1—最大压（最小拉）应力轴；σ2—中间应力轴；σ3—最小压（最小拉）应力轴故：σ1＞σ2＞σ32、应变椭球体：A(X)—最大应变轴；B(Y)—中间应变轴；C(Z)—最小应变轴六、应力分析简介1、常见的应力状态：单轴应力状态：一个主应力不为零，其余两个均为零双轴应力状态：一个主应力为零，其余两个均不为零三轴应力状态：三个主应力均不为零，且σ1＞σ2＞σ32、二维应力状态分析（平面应力状态分析）若：有两轴主应力（σ1，σ2 ）作用在斜截面（AB ）上，且σ1＞σ2，σ3 = 0；分析斜面（AB 面）上的应力状态。
规定：α—AB法线与σ1的夹角，AB线—AB 面的截线，单位长度（=1）∵AB = 1，∴OA = sin α, OB = cos α又∵σ= P / A , P = σA∴在OA 面上的正应力P2 = σ2 OA = σ2 sin α,在OB 面上的正应力P1 = σ1 OB = σ1 cos α（1）在垂直AB面上的力：为P1 和P2 的分力之和：即：Pn = P1n + P2n = P1 cosα+ P2 sinαAB面上的正应力：σα= P1 cosα+ P2 sinα= σ1 cosαcosα+ σ2 sinαsinα= σ1 cos 2 α+ σ2 sin 2ασ1 + σ2 σ1 - σ2= ————+ ————cos 2α（1）2 2（2）在平行AB面上的力：Pt = P1 sinα+ P2 cosαAB面上的剪应力：τα= σ1 cosαsinα+ σ2 sinαcosασ1 - σ2= ————sin2α（2）2讨论：由（1）：当α= 0 时，cos 2α= 1；σα= σ1 （最大）；σ2 不起作用说明：垂直该面的应力对该面作用最大平行该面的应力对该面无作用由（2）：当α= 0 时，τα= 0当α= 90°时，τα= 0 （2 α= 180 °）当α= 45°时，τα达最大值（2 α= 90 °）σ1 - σ2即：τα= ————2说明：与主应力呈45 °的面上剪应力最大，易产生剪切面。
地质构造分析的力学基础
九、旋转变形和非旋转变形
根据代表应变椭球体主轴方向的物质线
在变形前后方向是否改变，把变形分为：
非旋转变形 irrotational deformation
主轴方向的物质线在变形前后不改变
旋转变形 rotational deformation
主轴方向的物质线在变形前后方向改变
τ
l2 l1 l0
数学证明，单位圆球体变形后成为椭球，并
且，3各垂直的主轴只有线应变无剪应变
单位球体经均匀变形后成为的椭球体称为应
变椭球strain ellipsoid，这个椭球的轴率 和空间方位可以用来表述应变的大小和方向
XY面 ＝ YZ面 ＝ X方向＝ Y方向＝
压性面；褶皱轴面、片理面 张性面；张节理 最大拉伸方向 中间应变轴
体变
地质意义
断层主要是平移
推覆体主要是平移
瑞士 Alps morcles napple
J K
E
形变韧性剪切带的两盘 位移引起剪切带内 的变形
形变：砾岩的变形
形变泥岩变形和变质成板岩，退色斑变形
二、应变的概念与度量
应力与应变 应力stress状态 是指某一瞬间作用 于物体上的应力分布情况，应力场是 随时间而变化的。 应变strain 是指物体在变形前后状 态的比较，是经过一段时间的变形后 两种状态的比较。
应力与应变为因果关系
应变两种方式：线应变和剪应变
线应变：长度变化 剪应变：角度变化
（1）线应变（e）及其表示方法
变形后单位长度的改变量
e=(l’-l)/l 平方长度比（ λ ） λ=( l’/l)2=(1+e)2 自然应变（ε） ε=∫ll’dl/l＝ln(l’/l)＝ln(1+e)
地质构造之力学基础(应变分析)
§2 应变分析
（三） 岩石变形的阶段
有关岩石在应力作用下的变形行为的多数资料是通过岩石变形实验得来的, 岩石在 外力的作用下, 一般都会经历弹性变形、塑性变形、断裂变形等三个阶段。这三个阶段依 次发生, 但不是截然分开的, 而是彼此过度的。 1. 弹性变形:
(1) 弹性变形:岩石在外力作用下变形, 当外力解除后, 岩石又恢复到变形前的状态, 这种变形行为叫弹性变形
2.线应变:物体内某方向上单位长度的改变量叫线应变.
一杆件受纵向拉伸变形, 设杆件原长为l0, 拉伸变形后的长度为l, 那么, 杆件绝对
伸长为:
△l=l－l0 纵向线应变定义为: ε =(l－l0)/ l0 即 ε = △l / l0
实验证明, 杆件拉伸变形, 不但有纵向伸长变形, 同时还有横向缩短变形。设杆
韧性: 岩石在断裂前的 塑性变形量超过10%
§2 应变分析
（四） 剪裂角分析 在岩石变形实验中发现, 岩石受到挤压力的作用, 会在与挤压力方向成
一定交角的位置形成一对剪切破裂, 由于这一对剪切破裂是受同一作用力而形成 的, 构造地质学中称这一对剪切破裂为共轭剪切破裂。
当岩石发生共轭剪切破裂时, 包含最大主应力σ1象限的共轭剪切破裂 面中间的夹角称为共轭剪切破裂角（2θ）
最大主应力轴σ1作用方向与剪切破裂面的夹角称为 剪裂角（θ）.
§2 应变分析
二维应力状态的应力分析可知, 两组最大剪应力作用面与最大主应力轴σ1或最小主 应力轴的夹角均为45°, 二剪裂面之间的夹角为90°, 二剪裂面的交线是中间应力轴s2的作 用方向。
但从野外实地观察和室内岩石实验来看, 岩石内两组共轭剪裂面的交角常以锐角指 向最大主应力σ1方向, 即包含σ1的共轭剪切破裂角常常小于90°, 通常在60°左右, 而共轭 剪切破裂的剪裂角则小于45°, 也就是说, 两组共轭剪裂面并不沿理论分析的最大剪应力 作用面的方位发育, 这个现象可用库伦、莫尔强度理论来解释。
构造地质学(3)地质构造分析的力学基础
• 屈服
• 屈服点
• 屈服极限
• 岩石在断裂前塑性变形应变达5—8%为中等韧性，超 过10%的材料性质为韧性，而脆性材料在弹性变形阶 段后，和断裂变形阶段前就没有或只有极小的塑性变 形（3—5%）
塑性变形的显微机制
• 由于岩石类型、围压条件、温度、应变速率和施加应力类型的不同，出现脆性到韧性的一系列变化现象， 在压缩和拉伸条件下，其变化有五种情况。
2. 剪应变： （1）定义：
角应变：变形前相互垂直的两条直线， 变形后其夹角偏离直角的量（ψ）
剪应变：角应变的正切（ γ ） （2）应变量计算：γ= tgψ
（右偏为正；左偏为负）
应变轴的规定及与主应力轴之关系
• 通过变形物体内部任意点总可以截取这样一个 立方体，在其三个互相垂直的面上都只有线应 变而无剪应变，即只有伸长和缩短，这三个互 相垂直的面称为主应变面，三个主应变方向称 为主应变轴。并规定：最大伸长方向为最大应 变轴（A轴），最大缩短方向为最小应变轴（C 轴），介于两者之间为中间应变轴（B轴），B 轴方向既可是拉伸，也可以是缩短
3.2 变形分析
•3.2.1 变形和应变
• 物体受到力的作用后，其内部各点间相互位置 发生改变，称为变形。变形可以是体积的改变， 也可以是形状的改变，或二者均有改变。
• 物体变形的程度用应变来量度，即以其相对变 形来量度，应变所涉及的物体形态的变化，总 是与物体的两个状况有关—初态和始态，所以 下面所指的应变，只涉及到系统的两个特定的 状态。
A.平移；B.旋转；C.形变；D.体变
物体变形的泥巴实验
Brittle Deformation Ductile Deformation
M.S. Patterson
Fig. 10.7
• 屈服点
• 屈服极限
• 岩石在断裂前塑性变形应变达5—8%为中等韧性，超 过10%的材料性质为韧性，而脆性材料在弹性变形阶 段后，和断裂变形阶段前就没有或只有极小的塑性变 形（3—5%）
塑性变形的显微机制
• 由于岩石类型、围压条件、温度、应变速率和施加应力类型的不同，出现脆性到韧性的一系列变化现象， 在压缩和拉伸条件下，其变化有五种情况。
2. 剪应变： （1）定义：
角应变：变形前相互垂直的两条直线， 变形后其夹角偏离直角的量（ψ）
剪应变：角应变的正切（ γ ） （2）应变量计算：γ= tgψ
（右偏为正；左偏为负）
应变轴的规定及与主应力轴之关系
• 通过变形物体内部任意点总可以截取这样一个 立方体，在其三个互相垂直的面上都只有线应 变而无剪应变，即只有伸长和缩短，这三个互 相垂直的面称为主应变面，三个主应变方向称 为主应变轴。并规定：最大伸长方向为最大应 变轴（A轴），最大缩短方向为最小应变轴（C 轴），介于两者之间为中间应变轴（B轴），B 轴方向既可是拉伸，也可以是缩短
3.2 变形分析
•3.2.1 变形和应变
• 物体受到力的作用后，其内部各点间相互位置 发生改变，称为变形。变形可以是体积的改变， 也可以是形状的改变，或二者均有改变。
• 物体变形的程度用应变来量度，即以其相对变 形来量度，应变所涉及的物体形态的变化，总 是与物体的两个状况有关—初态和始态，所以 下面所指的应变，只涉及到系统的两个特定的 状态。
A.平移；B.旋转；C.形变；D.体变
物体变形的泥巴实验
Brittle Deformation Ductile Deformation
M.S. Patterson
Fig. 10.7
No3-3 第3章 地质构造分析力学基础(三)
如图所示的大理岩变形实验应力—应变曲线表明： 在低围压下，岩石基本上表现为脆性，在较低的应力差 下就会发生脆性破坏。 当围压超过1000×105Pa时，其弹性极限和强度极限都大 大提高，增强了韧性而不容易破裂。其原因是：围压增大可 使固体物质的质点彼此接近， 内聚力增强。 可见，在近地表条件下， 岩石断裂相对容易发育。而 在地下深处，褶皱就相对容 易发育。
4.孔隙压力的影响
岩石孔隙内流体的压力称为孔隙 压力。实验证明，孔隙压力降低了围 压的作用。 如图所示，由g降到a点，岩石中 孔隙压力增大，岩石的屈服极限和强 度极限都随之降低，易于破裂。 这种现象称为应变软化，即使 岩石在较小的外力作用下就能发生 较大的变形。
5.时间的影响因素
1）应变速率 沥青、麦芽糖等韧性物质，在快速冲击力的作用下会像脆 性物质一样破碎，但如果缓慢地对它们施加压力则会发生塑性 变形。由此可见： 应变速率高时，岩石屈服极限高，表现为脆性变形； 应变速率低时，岩石屈服极限低，表现呈塑性变形。 2）重复受力 事实表明：多次重复受力，物质容易变形。例如：多次 击打岩石，虽然作用力不是很大，也可能使之破裂。
2.地质条件下的岩石变形持续的时间是长期的，通常以百 万年为单位，有的是多期次反复作用的，因此时间因素对岩石 变形的影响具有关键意义。正如吉格奈格斯(Gignoux)所言： “只要有足够的时间，任何岩石在任何应力下都能够流动。”
复 习 题
围压、温度、孔隙流体、孔隙压力等因素， 分别对岩石变形有怎样的影响？ 名词解释：松弛、蠕变。
第三节 影响岩石力学性质 与岩石变形的因素
影响岩石变形的因素包括岩石本身成分、结构构造的因 素，也包括环境因素。这里介绍一些环境因素（岩石变形时 的物理化学条件：围压、温度、孔隙流体、孔隙Байду номын сангаас力、时间 等外部因素）对岩石变形的影响的知识。
构造地质学——地质构造分析的力学基础
sa= 0 ta = 0
结论: 在距主应力面45°的截面
上(即a=45°的截面上), 正应 力等于主应力的一半。剪应力 值也等于主应力的一半，并且 最大。在两垂直的截面 （ α=45° 和α=-45° ）上剪 应力互等, 剪切方向相反。
结论: 在平行于单轴作用力的截
面上,既无正应力, 也无剪应力
一、 应力分析
(s1 - s2) cos2a /2 （7）
t= (s1 - s2) sin2a/2
（8）
一、 应力分析
结论: 在两个互相垂直的截面上的主应力之和为一常量, 且等 于二主应力之和 两个互相垂直的截面上的剪应力值大小相等, 剪切 方向相反, 这一关系称为剪应力互等定律 在与外力垂直的截面上, 存在最大主应力s1 , 剪应 力为零, 即没有剪应力 在与外力平行的截面上, 存在最小主应力s2, 剪应 力为零 在与外力呈45°的截面上, 正应力为二主应力之和 的一半, 剪应力为最大
1
3 2
一、 应力分析
（一）有关力的一些概念
1. 外力: 对于一个物体来说，另一个物体施加于这个物体的的 力称为外力。两种类型:
面力: 通过接触面作用于物体的力 体力: 物体内每一个质点都受到的力, 它不通过接触, 而 是相隔一定的距离相互作用, 如太空星球之间的吸引力, 物体 的重力等。 2. 内力: 物体内部各部分之间的相互作用力叫内力。两种类型: 固有内力: 一物体未受外力作用时, 其内部质点之间存在 的相互作用力, 这种相互作用力使各质点处于相对平衡状态, 从而使物体保持一定的形状, 这种力称为物体的固有内力. 附加内力: 物体受到外力作用时, 其内部各质点的相对位 置发生了变化, 它们之间的相互作用力也发生了变化, 这种物 体内部内力的改变量称为附加内力
结论: 在距主应力面45°的截面
上(即a=45°的截面上), 正应 力等于主应力的一半。剪应力 值也等于主应力的一半，并且 最大。在两垂直的截面 （ α=45° 和α=-45° ）上剪 应力互等, 剪切方向相反。
结论: 在平行于单轴作用力的截
面上,既无正应力, 也无剪应力
一、 应力分析
(s1 - s2) cos2a /2 （7）
t= (s1 - s2) sin2a/2
（8）
一、 应力分析
结论: 在两个互相垂直的截面上的主应力之和为一常量, 且等 于二主应力之和 两个互相垂直的截面上的剪应力值大小相等, 剪切 方向相反, 这一关系称为剪应力互等定律 在与外力垂直的截面上, 存在最大主应力s1 , 剪应 力为零, 即没有剪应力 在与外力平行的截面上, 存在最小主应力s2, 剪应 力为零 在与外力呈45°的截面上, 正应力为二主应力之和 的一半, 剪应力为最大
1
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一、 应力分析
（一）有关力的一些概念
1. 外力: 对于一个物体来说，另一个物体施加于这个物体的的 力称为外力。两种类型:
面力: 通过接触面作用于物体的力 体力: 物体内每一个质点都受到的力, 它不通过接触, 而 是相隔一定的距离相互作用, 如太空星球之间的吸引力, 物体 的重力等。 2. 内力: 物体内部各部分之间的相互作用力叫内力。两种类型: 固有内力: 一物体未受外力作用时, 其内部质点之间存在 的相互作用力, 这种相互作用力使各质点处于相对平衡状态, 从而使物体保持一定的形状, 这种力称为物体的固有内力. 附加内力: 物体受到外力作用时, 其内部各质点的相对位 置发生了变化, 它们之间的相互作用力也发生了变化, 这种物 体内部内力的改变量称为附加内力
No3-1 第3章 地质构造分析力学基础
当截面与作用力相垂直时(α＝0º)，该截面上的正应力值 最大，而剪应力值为零。当截面上只有正应力而无剪应力时， 这个截面上的正应力叫主应力，该截面则叫主平面，主应力 作用的方向为主应力轴。
（二）应力分析－－二维应力分析
（一）应力概念－－应力
如果内力Δp与截面ΔA不相垂直，根据平行四边形 法则，可将内力Δp分解为垂直于截面ΔA的分力ΔN和 平行于截面ΔA的分力ΔT。
相应的垂直于截面ΔA的应力σ叫正应力，或称直应 力：
σ＝ΔN/ΔA 平行于截面ΔA的应力τ， 称为剪应力，又叫切应力： τ=ΔT/ΔA
（一）应力概念－－应力
（二）应力分析－－二维应力分析
1、单向受力状态下的二维应力分析
设作用于物体的外力为p，内力为pa(图5—2)，那么垂直 于内力pa的截面mo的单位面积Ao上的应力σ1为：
σ1＝pa/Ao 与 内 力 pa 斜 交 的 任 意截面mn上的面积 Aa合应力σa为：
σa＝pa/Aa
（二）应力分析－－二维应力分析
一、应力
❖应力概念 ❖应力分析 ❖应力场、应力轨迹、
应力集中
（一）应力概念
一、 外力、内力和应力
力是物体间的相互作用，这种作用使物体的 机械运动状态发生改变，包括改变物体的位置、 运动速度、形状和大小等。在说明一个力时，既 要说明它的大小，还要说明它的方向。这种将大 小和方向同时加以考虑的量，在数学上叫做矢量 （或向量）。根据施力物可将力分为内力和外力， 应力是内力的一种。
σf ＝lim(Δp/ΔA)=dp/dA
应力的国际单位为帕斯卡(Pascal)，简称帕(Pa)，即N／ m2，其含意为每平方米面积上所受牛顿力的大小。
一、应力
❖应力概念 ❖应力分析 ❖应力场、应力轨迹、
地质构造力学分析汇总
岩石的结构是指岩石内部颗粒的形状和大小、 排列方式及胶结的紧密程度。一般来讲，颗粒圆 滑、胶结不紧的岩石强度较低；而颗粒细、胶结 紧的岩石则强度大。
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第二章
• （3）岩石的构造
岩石的构造差异直接影响到岩石对受力后变
形的不同反应。
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第二章
2.2 外界因素
构造地质学
第二章
2. 一点的应力状态
我们把物体受力后其内部任一点各
个截面上的应力分布情况，称为该点的
应力状态。
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第二章
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第二章
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第二章
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第二章
一点的应力状态分为三类：
• 单轴应力状态：
第二章
图2-14 塑性材料拉伸时的应力应变曲线图 σa-比例极限；σb-弹性极限；σc-屈服极限；σd-强度极限；
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第二章
• 3.1 弹性变形
当物体在外力作用下发生变形，取消 外力后能完全恢复到变形前状态的变形，
称为弹性变形。弹性变形的主要特点是符
合虎克定律。
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间的关系。
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第二章
图2-4 单轴应力状态分析
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第二章
1
2
(1 cos 2 )
1
2
sin 2
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第二章
可归纳为两大类：均匀变形和非均匀变形
• 均匀变形指变形物体内各部分变形性质、
方向和大小都相同的变形。
• 非均匀变形指变形物体内各部分变形性质、
方向和大小均不相同的变形。
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第二章
2. 应变
应变是变形量大小的量度，用来度量变形
物体的体积或形状的改变量。 2.1 线应变 物体变形前后的相对伸长或缩短称为线应变。
• 双轴应力状态： • 三轴应力状态：
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第二章
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图2-3 三种应力状态 （a）单轴应力状态；（b）双轴应力状态；（c）三轴应力状态
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第二章
3. 单轴应力分析
在单轴应力状态下，变形物体中任意
斜截面上的正应力、剪应力与主应力σ1之
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第二章
下面所涉及的内力指的都是附加内力。
内力随外力的改变而改变，但是这种改变
有一定的限度。当外力增加到一定程度时，物体
遭到破坏而失去平衡。地质构造就是岩层或岩体 受力后发生变形与破裂的结果。
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• 1.2 应力
应力是指物体单位面积上的内力（单位：Pa）。
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• 2.2 剪切应变
物体在剪切力的作用下发生变形，变
形后的任一截面相对其原来的位置发生了
一定角度的旋转，这种应变称为剪切应变
（也叫角应变）。
相互关联的应力迹线构成的网络，叫应力
网络。
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第二章
图2-10 单向拉伸、挤压和剪切的应力网络 (a)单向拉伸;(b)单向挤压;(c)剪切
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第二章
5. 地应力及构造应力场 5.1 地应力 地应力是指在自然状态下组成地壳的岩层、岩体 内部分布的应力。 在地质历史时期中曾经存在于地层岩石内的地应 力，称为古地应力，
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第二章
1.2 岩石变形的基本方式
• （1）拉伸变形： • （2）压缩变形： • （3）剪切变形： • （4）弯曲变形： • （5）扭转变形：
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第二章
图2-11 岩石变形的基本形式 (a)拉伸；(b)压缩；(c)剪切；(d)弯曲（上图为横弯曲，下图为纵弯曲）；(e)扭转
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第二章
任务1 应力及应力分析 • 任务2 变形与应变分析 • 任务3 岩石力学性质及其影响因素分析
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地壳中的各种地质构造都是岩石在力的作
用下形成的。要研究各种地质构造的几何形态、
组合特征和力学成因，首先必须了解有关岩石 受力变形的基本理论和影响岩石变形的各种因 素，进而分析岩石变形的特征和规律。
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2. 一点的应力状态
我们把物体受力后其内部任一点各
个截面上的应力分布情况，称为该点的
应力状态。
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一点的应力状态分为三类：
• 单轴应力状态：
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现代地应力则可以用仪器直接测定，
如在地震地质、矿山开采、工程地质等方
面经常采用仪器直接测定。
重庆工程职
地壳中受力岩层或岩体中，由某一瞬 时应力状态组成的有规律地分布和变化空
间，称为构造应力场。
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P σ A
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第二章
在自然界中，截面A上的应力分布往往是不均
匀的。
F lim A 0 A
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第二章
如果作用力方向与截面斜交时：
图2-2 内力和应力的分解 （a）内力的分解；（b）合应力的分解
任务2
变形与应变分析
第二章
1. 变形 1.1 变形的概念 当物体受到外力作用时，组成物体各 个质点间的相对位置就会发生变化，这种 变化称为变形。
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第二章
当物体受到外力作用后，表现为物体 形状的变化时，称为形变。 当物体受到外力作用后，表现为物 体体积的变化时，称为体变。
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第二章
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第二章
正应力σ可以为压应力，用正值表示；它也
可以为张应力，用负值表示。 剪应力则可以使物体发生剪切滑动。习惯上 规定，使物体有顺时针转动趋势的剪应力为负值 （<0）；使物体有逆时针转动趋势的剪应力则为 正值（>0）。
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第二章
图2-4 单轴应力状态分析
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1
2
(1 cos 2 )
1
2
sin 2
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第二章
将上两公式两边平方后相加得：
1 1 2 2 2
2
2
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第二章
莫尔应力圆，简称莫尔圆。
图2-5 单轴应力状态的二维应力莫尔圆
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第二章
图2-8 纯剪应力状态的莫尔圆
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第二章
4. 应力网络与变形图像 应力迹线，就是应力方向变化的轨迹 线，可以是直线，也可以是曲线。由几簇
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第二章
任务1
应力及应力分析
1. 力和应力
力是物体间的相互作用。
1.1 外力和内力
力可分为外力和内力。
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构造地质学
第二章
外力－外部施加于研究对象的力。按外力作用的
方式，外力又分为面力和体力。
内力－物体内部各部分之间相互作用的力。内力 又分为固有内力和附加内力。
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第二章
纵向线应变为： L / L0 横向线变形为：
0 b / b0
图2-12 单向拉伸变形
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第二章
在弹性变形范围内，一种材料的横向线应变 与纵向线应变之比的绝对值为一个常数，这个常 数（µ）称为泊松比，即：
0
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第二章
可归纳为两大类：均匀变形和非均匀变形
• 均匀变形指变形物体内各部分变形性质、
方向和大小都相同的变形。
• 非均匀变形指变形物体内各部分变形性质、
方向和大小均不相同的变形。
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第二章
2. 应变
应变是变形量大小的量度，用来度量变形
物体的体积或形状的改变量。 2.1 线应变 物体变形前后的相对伸长或缩短称为线应变。
• 双轴应力状态： • 三轴应力状态：
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图2-3 三种应力状态 （a）单轴应力状态；（b）双轴应力状态；（c）三轴应力状态
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3. 单轴应力分析
在单轴应力状态下，变形物体中任意
斜截面上的正应力、剪应力与主应力σ1之
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第二章
下面所涉及的内力指的都是附加内力。
内力随外力的改变而改变，但是这种改变
有一定的限度。当外力增加到一定程度时，物体
遭到破坏而失去平衡。地质构造就是岩层或岩体 受力后发生变形与破裂的结果。
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• 1.2 应力
应力是指物体单位面积上的内力（单位：Pa）。
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• 2.2 剪切应变
物体在剪切力的作用下发生变形，变
形后的任一截面相对其原来的位置发生了
一定角度的旋转，这种应变称为剪切应变
（也叫角应变）。
相互关联的应力迹线构成的网络，叫应力
网络。
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第二章
图2-10 单向拉伸、挤压和剪切的应力网络 (a)单向拉伸;(b)单向挤压;(c)剪切
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第二章
5. 地应力及构造应力场 5.1 地应力 地应力是指在自然状态下组成地壳的岩层、岩体 内部分布的应力。 在地质历史时期中曾经存在于地层岩石内的地应 力，称为古地应力，
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第二章
1.2 岩石变形的基本方式
• （1）拉伸变形： • （2）压缩变形： • （3）剪切变形： • （4）弯曲变形： • （5）扭转变形：
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第二章
图2-11 岩石变形的基本形式 (a)拉伸；(b)压缩；(c)剪切；(d)弯曲（上图为横弯曲，下图为纵弯曲）；(e)扭转
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第二章
任务1 应力及应力分析 • 任务2 变形与应变分析 • 任务3 岩石力学性质及其影响因素分析
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第二章
地壳中的各种地质构造都是岩石在力的作
用下形成的。要研究各种地质构造的几何形态、
组合特征和力学成因，首先必须了解有关岩石 受力变形的基本理论和影响岩石变形的各种因 素，进而分析岩石变形的特征和规律。
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第二章
2. 一点的应力状态
我们把物体受力后其内部任一点各
个截面上的应力分布情况，称为该点的
应力状态。
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一点的应力状态分为三类：
• 单轴应力状态：
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第二章
现代地应力则可以用仪器直接测定，
如在地震地质、矿山开采、工程地质等方
面经常采用仪器直接测定。
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地壳中受力岩层或岩体中，由某一瞬 时应力状态组成的有规律地分布和变化空
间，称为构造应力场。
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P σ A
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在自然界中，截面A上的应力分布往往是不均
匀的。
F lim A 0 A
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如果作用力方向与截面斜交时：
图2-2 内力和应力的分解 （a）内力的分解；（b）合应力的分解
任务2
变形与应变分析
第二章
1. 变形 1.1 变形的概念 当物体受到外力作用时，组成物体各 个质点间的相对位置就会发生变化，这种 变化称为变形。
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当物体受到外力作用后，表现为物体 形状的变化时，称为形变。 当物体受到外力作用后，表现为物 体体积的变化时，称为体变。
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第二章
正应力σ可以为压应力，用正值表示；它也
可以为张应力，用负值表示。 剪应力则可以使物体发生剪切滑动。习惯上 规定，使物体有顺时针转动趋势的剪应力为负值 （<0）；使物体有逆时针转动趋势的剪应力则为 正值（>0）。
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间的关系。
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第二章
图2-4 单轴应力状态分析
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1
2
(1 cos 2 )
1
2
sin 2
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将上两公式两边平方后相加得：
1 1 2 2 2
2
2
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第二章
莫尔应力圆，简称莫尔圆。
图2-5 单轴应力状态的二维应力莫尔圆
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第二章
图2-8 纯剪应力状态的莫尔圆
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4. 应力网络与变形图像 应力迹线，就是应力方向变化的轨迹 线，可以是直线，也可以是曲线。由几簇
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第二章
任务1
应力及应力分析
1. 力和应力
力是物体间的相互作用。
1.1 外力和内力
力可分为外力和内力。
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外力－外部施加于研究对象的力。按外力作用的
方式，外力又分为面力和体力。
内力－物体内部各部分之间相互作用的力。内力 又分为固有内力和附加内力。
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纵向线应变为： L / L0 横向线变形为：
0 b / b0
图2-12 单向拉伸变形
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在弹性变形范围内，一种材料的横向线应变 与纵向线应变之比的绝对值为一个常数，这个常 数（µ）称为泊松比，即：
0