地质学基础--第14章 岩石的受力与变形
一、 名词解释
应力：物体由于外因（受力、湿度、温度场变化等）而变形时，在物体内各部分之间产生相互作用的内力，以抵抗这种外因的作用，并试图使物体从变形后的位置恢复到变形前的位置。
构造应力场：是指地壳内某一瞬时一定范围内的应力状态。
应变：物体形状或体积在外力作用或内在缺陷等情况下所发生的相对变化。
线应变：是指物体受力产生变形时，单位长度线元的变化量。物体内部一点，在一定方向上的相邻质点排列成质线，质线上的相邻质点沿质线方向的相对位移，造成线变形，对线变形的度量称为线应变。
剪应变：剪切应变是指剪切时物体所产生的相对形变量。剪切应变即指在简单剪切的情况下，材料受到的力F是与截面A0相平行的大小相等、方向相反的两个力，在此剪切力作用下，材料将发生偏斜。
均匀变形：一种变形方式,是指变形过程中各单薄层之间发生相互滑动,每层相对其邻层之运动都是相同的变形。
非均匀变形：是指岩石各点变形的方向、大小和性质发生变化的变形称为非均匀变形。
应变椭球体：亦称应变椭球体、变形椭球。在各向性质相同的岩石中任取一立方体，假想其中存在一个圆球体，当立方体受三向不等力作用发生均匀变形时，在不超过极限的范围内，原来的圆球体即变成三轴不等的椭球体，叫应变椭球体。
弹性变形：是材料在外力作用下产生变形，当外力去除后变形完全消失的现象。
塑性变形：是包括流体及固体的物质在一定的条件下,在外力的作用下产生形变,当施加的外力撤除或消失后该物体不能恢复原状的一种物理现象。
断裂变形：任何岩石的弹性变形和塑性变形总是有一定限度的，当应力达到或超过岩石的强度极限时，岩石内部的结合力遭到破坏，就会产生破裂面，岩石失去连续完整性，这时就发生断裂变形。
蠕变：固体材料在保持应力不变的情况下,应变随时间缓慢增长的现象。
松弛：指当应变保持不变时，随时间的增长应力逐渐减小的现象。
二、 填空题
1.在现代构造地质学中，变形的主要基本方式有；（平移）、（旋转）、（形变）、（体变）。
2.应变椭球体中三个相互垂直的主轴分别用A、B、C（或X、Y、Z或X1、X2、X3）来表示（最大）、（中等）、（最小）应变轴。包含应变椭球体的任意两个主轴的平面称为（主平面）。
3.影响岩石变形的因素（岩石各向异性）、（围岩）、（温度）、（孔隙流体）、（时间）。
三、 选择题
1.作用在物体边界一定面积范围内的接触力称作（b）;作用在物体内部的每一个质点上，与围绕质点邻域所取空间包含的物质质量有关的非接触力称作（b）。
a.体力，面力；
b.面力，体力；
c.作用力，重力。
2.如下图中所示，其中、和p分别表示（b）。
a.合应力、主应力、剪应力；
b.正应力、剪应力、合应力；
c.豹应力、合应力、主应力。
3.单元体三个正交截面上的剪应力分量都为零，即没有剪应力作用面只有正应力作用时，该应力称为（b）;三个截面称为（b）。
a.正应力，正应力面；
b..主应力，主应力面；
c.剪应力，剪应力面。
4.构造地质学中所指的变形是指物体的（b）。
a.位移和旋转；
b.旋转和体积变化；
c.畸变。
5.应变的度量可以用（a）来表示
a.线应变和剪应变；
b.体积变化程度和旋转角度；
c.均匀应变和非均匀应变。
6.应变椭球体的主轴表示为（c）。
a.X1, X2, X3；
b.X. Y, Z；
c.都可以。
7.主应变面常表示为XY面，YZ面和XZ面，其中（a）面为受压扁的面（最大扁平 面）构造中代表褶皱面或劈理面的方位。
A.XY；
B.YZ；
C.XZ。
8.应变椭球体中，（b）面为受拉张的面，代表张破裂的方位。
A.XY；
B.YZ；
C.XZ。
9.在应变椭球体的弗林（Flinn）图解中，当k=1时，反映变形类型为（a）。
a.平面应变；
b.拉伸变形；
c.挤压变形。
10.根据代表应变主轴方向的物质线在变形前后方向是否改变，可以将变形分为（b）。
a.旋转变形与非旋转变形；
b.均匀变形和非均匀变形；
c.递进变形和非递进变形。
11.在围限压力下，当压力超出一定值时岩石就会以某种方式破裂，发生断裂变形， 此时的压力值就称为岩石的（b）。
a.压力强度；
b.抵抗强度；
c.极限强度。
12.岩石变形一般经历（b），（b），（b）三个阶段。
a.压缩变形，拉伸变形，断裂变形；
b.弹性变形，塑性变形，断裂变形；
c.挤压变形，微裂隙变形，破坏变形。
13.围压增高，使得岩石的强度极限得到（b），韧性（b）。
a.增加，减弱；
b.提高，增强；
c.降低，增强。
14.孔隙流体压力增高，使得剪破裂（b）。
a.容易发生；
b.不易发生；
c.正常进行（没有影响）。
15.应变速率小，（b）塑性变形。
a.不利于；
b.有利于；
c.不影响。
16.在地质观测中，可以通过有限应变状态的对比、劈理折射的对比、香肠构造的对比、褶皱形态的对比等来了解不同岩层的相对（c）。
a.强度；
b.坚硬度；
c.能干性。
四、问答题
1.在应力分析时，物体内部假想的截面是任意方向的吗？
答：应力分析通常是在物体的某个截面上进行的，这个截面通常是沿着物体的某个主轴方向或者在某个特定的位置。根据材料力学和弹性力学的基本原理，应力的方向和大小与截面的取向有关，因此在不同的截面上，应力的大小和方向可能是不同的。
在进行应力分析时，需要了解截面的取向和应力之间的关系，并选择合适的截面来进行计算和分析。通常，选择截面时需要考虑到以下几个因素：
- 方便性：选择的截面应该方便测量和计算，例如可以选择在物体的表面或者在物体内部的某个特定位置。
- 代表性：选择的截面应该能够代表整个物体的应力状态，例如可以选择在物体内部的某个主轴方向上。
- 稳定性：选择的截面应该稳定，不会因为外界环境的影响而发生移动或变形。
2.什么是线应变，剪应变？挤压/拉张力或剪切力与线应变和剪应变是怎样联系的？
答：线应变是指物体内某方向单位长度的改变量，通常在材料力学中，线应变是与物体的轴向或横向施加压力或拉力时，产生的沿应力方向延伸的应变。例如，在金属材料中，如果对其施加压力或拉力，其内部会产生相应的线应变。
剪应变则是指在剪切过程中，金属材料平面内的某一线段发生的剪切变形。具体来说，剪应变是相互垂直的两条直线变形后它们之间直角的改变量。例如，在金属材料的弯曲过程中，材料内部会发生剪应变。
在实际应用中，材料的线应变和剪应变是其发生形变的主要因素。例如，在桥梁和建筑物的设计中，需要考虑材料的线应变和剪应变对结构强度和稳定性的影响。同样，在制造过程中，对材料的形变控制和加工精度也需要密切关注这两种应变类型。
在工程实践中，通常需要利用实验方法测量材料的线应变和剪应变，以便准确评估其力学性能和稳定性。例如，使用电阻应变片法等电测方法可以方便快捷地测量材料表面应变。同时，采用有限元等方法对复杂结构进行数值模拟分析，可以更准确地预测材料的变形行为和承载能力。
3.应变椭球体中的主应变面（XY. YZ,XZ）面与主应力有什么关系？
答：应变椭球体是描述材料在三维空间中应变状态的一个概念模型。在应变椭球体中，主应变面是指应变状态的主方向上的平面，而主应力则是表示材料内部应力状态的主向量。
主应变面与主应力之间存在一定的关系。根据应力-应变关系，主应力和主应变之间是线性关系的，这种关系可以通过材料的弹性常数来描述。主应变的大小与主应力的数量级相同，而且主应变的方向与主应力的方向也相同。
具体来说，对于每个主应变面，都存在一个主应力，该主应力垂直于该主应变面，并且在该主应变面上引起该主应变的形变。这些主应力和主应变之间的关系可以通过材料的弹性常数来计算。例如，对于一个给定的材料，其弹性模量E和泊松比v是已知的，可以计算出三个主应力值和相应的三个主应变值。
4.递进变形的概念对构造分析有什么意义？简述共轴递进变形中不同方向的物质线 在变形过程中的变化状况？
答：递进变形是一种连续的变形过程，由无数瞬间微量应变及相应的应变状态的无穷积累、发展而成。在变形过程中，岩石各部分的应变性质有所变化，导致出现性质不同、方向不同的构造形态。因此，递进变形的概念对构造分析具有重要的意义。
在共轴递进变形中，有限应变各主轴始终方位不变，且任一瞬间的有限应变椭球的三个应变轴和各瞬间无限小应变椭球的三个应变轴分别相当，两两平行。这意味着在递进变形过程中，不同方位的物质线在变形过程中其长度的变化是不相同的。
在有限应变与无限小应变之间存在一种特定的关系：有限应变是已经发生的应变总和，而无限小应变是正在发生的瞬时应变。这种关系表明，通过分析递进变形过程中各瞬时有限应变主轴与无限小应变主轴的方位是否一致，可以将递进变形分为共轴递进变形和非共轴递进变形。
共轴递进变形的有限应变各主轴始终方位不变，且其过程中任一瞬间的有限应变椭球的三个应变轴和各瞬间无限小应变椭球的三个应变轴分别相当，两两平行。这意味着在共轴递进变形中，不同方位的物质线在变形过程中其长度的变化是不相同的。
5.在Flinn图解中，五种形态的应变椭球体分别反映岩石受到何种变形？导致变形的应力状态和可能的受力方式是什么？
答：Flinn图解是根据岩石在变形过程中表现出的五种应变椭球体形态进行分类和解释的。这五种形态包括：
- 简单剪切变形(Simple shear deformation)：这种形态的应变椭球体在平面上表现为压缩和拉伸，而在垂直方向上没有变形。这种变形通常发生在岩石受到剪切应力作用时，即剪切力垂直于岩石表面，使岩石沿着一个方向发生位移。
- 压缩剪切变形(Compression shear deformation)：这种形态的应变椭球体在平面上表现为拉伸和压缩，而在垂直方向上没有变形。这种变形通常发生在岩石受到剪切应力和压缩应力的共同作用时，即压缩力平行于岩石表面，而剪切力垂直于岩石表面。
- 膨胀剪切变形(Dilation shear deformation)：这种形态的应变椭球体在平面上表现为压缩和拉伸，而在垂直方向上没有变形。这种变形通常发生在岩石受到剪切应力和膨胀应力的共同作用时，即膨胀力平行于岩石表面，而剪切力垂直于岩石表面。
- 简单拉伸变形(Simple extension deformation)：这种形态的应变椭球体在平面上表现为拉伸，而在垂直方向上没有变形。这种变形通常发生在岩石受到拉伸应力作用时，即拉伸力平行于岩石表面，使岩石沿着一个方向发生拉伸。
- 旋转剪切变形(Rotational shear deformation)：这种形态的应变椭球体在平面上表现为旋转和平移，而在垂直方向上没有变形。这种变形通常发生在岩石受到剪切应力的作用时，即剪切力垂直于岩石表面，使岩石沿着一个方向发生旋转和平移。
6.岩石变形是否一定都经历弹性、塑性和断裂变形三个阶段？为什么？
答：岩石变形不一定都经历弹性、塑性和断裂变形三个阶段。
首先，岩石是一种固体物质，其变形通常会经历弹性变形、塑性变形和断裂变形这三个阶段。在弹性变形阶段，岩石会像弹簧一样发生弹性形变，这个阶段的特点是形变量与作用力成正比，而且当作用力撤销后，形变也会完全恢复。在塑性变形阶段，岩石会发生塑性形变，这个阶段的特点是形变量与作用力的关系比较复杂，不一定成正比，而且当作用力撤销后，形变不会完全恢复。在断裂变形阶段，岩石会发生断裂，这个阶段的特点是岩石会发生永久性的形变，而且这个形变是不可恢复的。
然而，这三个阶段虽然依次发生，但不是截然分开的，而是互相过渡的。例如，在一定条件下，岩石可能在没有到达塑性变形阶段就已经断裂了，因此并没有经历完整的弹性变形和塑性变形阶段。此外，一些特殊类型的岩石，例如具有某些特定物理特性的岩石，可能只经历其中一种或两种变形阶段。
7.列举影响岩石力学性质的因素及其作用。
答：岩石的力学性质主要受到以下因素影响：
- 温度：随着温度的升高，岩石的延性加大，屈服点降低，强度也降低。
- 加载速度：加载速率越快，测得的弹性模量越大，获得的强度指标越高。
- 围压：在三轴压缩条件下，岩石的强度和弹性极限都有显著增加。
- 水对岩石力学性质的影响：水对岩石有润滑作用，可导致岩石强度降低。同时，水分子会吸附在矿物表面，起到连接作用；当岩石裂缝中的水分子受挤压，还会产生水楔作用，进一步降低岩石的强度。此外，岩石受压时，孔隙中的水来不及排出，产生很高的孔隙压力，降低岩石的内聚力和内摩擦角。
- 风化对岩石力学性质的影响：风化会导致岩体结构面的粗糙程度降低并产生新的裂隙，同时矿物成分发生变化，岩体强度降低。
