BG địa chất cấu tạo (chương 1)

Đơn vị ứng suấtTheo SI, đơn vị của lực là Newton N: 1N = 1kg m/s2 Theo SI, đơn vị của áp suất và ứng suất là Pascal Pa: 1Pa = 1N/m2 Tuy nhiên, trong các văn liệu Địa chất, đơn vị thường

Chương 1 Khái niệm về sự biến

= Khối lượng (M) x gia tốc (a) (ĐLII Newton)

- Trong Địa chất, ngoại lực tác dụng lên khối đá có nhiều dạng khác nhau:

- Nếu a = g (gia tốc trọng trường) = 9,81m/s2 Thì F của M=1kg = 9,81N.

bên trên):

Phương thẳng

đứng

Phụ thuộc:

vị trí, tính chất, khối lượng của đất đá

Nội lực là lực tương tác bên trong vật thể nhằm duy trì trạng thái cân bằng Nó liên quan đến các lực liên kết ion, phân tử tạo nên vật thể và thường

1.1.1.2 ứng suất (stress)

Trong biến dạng, chúng ta thường bỏ qua

gia tốc của vật chịu lực và xem hệ lực là hệ kín,

nghĩa là các lực triệt tiêu nhau Trạng thái này

tuân theo Định luật III Newton về chuyển động:

“Trong một vật đứng yên hay chuyển động đều,

mọi tương tác đều bằng 0”

Như vậy: ứng suất là một cặp lực cân bằng

và đối nghịch nhau tác dụng lên một đơn vị diện

tích (bề mặt bên ngoài hoặc bên trong vật thể)”.

Hay ứng suất là cường độ nội lực lên một đơn vị diện tích.

Độ lớn phụ thuộc vào độ lớn lực

tác dụng, diện tích bề mặt tác dụng,

phương tác dụng và tính chất của vật

chịu lực.

ứng suất là một đại lượng vecto

Đơn vị ứng suất

Theo SI, đơn vị của lực là Newton (N): 1N = 1kg m/s2

Theo SI, đơn vị của áp suất và ứng suất là Pascal (Pa): 1Pa = 1N/m2

Tuy nhiên, trong các văn liệu Địa chất, đơn vị thường sử dụng là bar hoặc kilobar: 1bar = 105 Pa = 0,1MPa

Vì vậy, các thứ nguyên của ứng suất là (khối lương) x (chiều dài-1) x (thời gian-2)

ứng suất pháp tuyến và ứng suất tiếp tuyến

Lực F tác dụng lên một vật thể có thể phân tích thành:

- ứng suất pháp: Tác dụng vuông góc với bề mặt bên trong vật thể, kí hiệu là σ

(sigma)

- ứng suất tiếp: Tác dụng song song với bề mặt

bên trong vật thể, kí hiệu là τ (tau) Trong không

gian 3 chiều, ứng suất tiếp có thể phân tích thành

hai thành phần: τ1 và τ2 vuông góc với nhau ( Hỡnh ).

- Như vậy, trong không gian 3 chiều, chúng ta

có thể phân tích F thành 3 thành phần vuông góc

với nhau.

Lực do trọng lực gây ra có thể tạo ra ứng suất, và có vai trò quan trọng trong trường ứng suất tạo nên các nếp uốn và đứt gãy ????

Các áp dụng trong địa chất cấu tạo

Việc áp dụng ứng suất pháp tuyến và ứng suất tiếp tuyến được thể hiện trong hai thí dụ đơn giản (hình)

- Hình A: Ứng suất tại mặt đứt gãy

- Hình B: Ứng suất tại mặt phân lớp khi

các lớp bị uốn nếp theo cơ chế trượt theo

mặt phân lớp

- Từ hình vẽ, Lực nén ép F tác dụng được

phân tích thành ứng suất pháp tuyến và tiếp

tuyến

Như vậy, thông qua hướng dịch chuyển của

đứt gãy và hướng trượt mặt phân lớp, chúng ta

có thể dự báo phương của lực tác dụng và

ngược lại (Nhiệm vụ thứ 2)

Ứng suất tại một điểm và các thành phần của ứng suất

Để xem xét trạng thái ứng suất tại một điểm trong không gian 3 chiều, chúng ta tưởng tượng xem hệ thống lực tác dụng lên vật hình khối vô cùng nhỏ (xem như điểm) (hình) Và hệ thống các lực này có thể tổng hợp thành lực F tác dụng ở tâm hình khối

Khi hình khối vô cùng nhỏ, có thể xem các

lực tác dụng lên các mặt của nó bằng với lực F

Và nếu đặt các cạnh hình khối này song song với

các trục x, y và z của hệ tọa độ Kết quả phân

tích được 9 thành phần ứng suất, mỗi mặt có 03

thành phần

Do lực tác dụng bằng và ngược nhau nên

các ứng suất trên các mặt đối diện là đồng

nhất, 9 thành phần ứng suất gồm:

Và 3 ứng suất tiếp tuyến: τxy; τxz và τyz

Là 6 thành phần ứng suất cần thiết cho trạng thái ứng suất một điểm

- Bằng toán học: Trong vật thể ở trạng thái ứng suất, luôn tồn tại 3 mặt phẳng vuông góc với nhau từng đôi một:

+ Chỉ có ứng suất pháp ( τ = 0).

+ Gọi là 3 mặt ứng suất chính.

+ Pháp tuyến của 3 mặt này gọi là 3 phương chính.

+ ứng suất pháp trên 3 mặt này là gọi là các ứng suất pháp chính, σ1> σ2> σ3.

+ Hướng tác dụng của các ứng suất pháp chính gọi là trục

ứng suất chính Nếu biết giá trị của σ 1, σ 2 và σ 3 có thể tính độ

lớn của ứng suất tác dụng lên mặt phẳng bất kỳ tạo với các trục

ứng suất một góc đã biết

+ ứng suất tiếp tác dụng lên tiết diện đi qua 1 trục và là phân giác của góc tạo bởi hai trục còn lại gọi là ứng suất tiếp chính Kí hiệu là τ1, τ2 và τ3

+ Ba trục ứng suất chính còn được gọi là stress axial

cross , trong đó độ dài của chúng tương ứng với độ lớn của các

ứng suất chính.

Trong 3 giá trị trên, τ2 là lớn nhất và là ứng suất tiếp cực đại, τ2 chính là nguyên nhân gây ra các phá hủy cắt trượt.

Ứng suất tiếp lớn nhất:

Từ công thức cuối cùng, dể thấy khi sin = 1 thì: Nghĩa là 2θ = 90 0 , tức θ = 45 0

Ứng suất tác dụng lên mặt phẳng cho trước:

Như đã đề cập, khi biết các ứng suất chính, ta có thể tính các ứng suất tác dụng lên một mặt phẳng có phương định hướng cho trước (đã biết) Xét trường hợp không gian 2 chiều:

Xét trường ứng suất trong không gian 2 chiều

gồm hai ứng suất chính σ1, σ2 Giả sử các ứng suất tác

dụng lên mặt AB, trong đó pháp tuyến mặt AB tạo với

ứng suất chính σ1 một góc θ

Để phân tích các ứng suất chính σ1, σ2; chúng ta

phải chúng về lực, nghĩa là xem AB có chiều dài bằng

một đơn vị (một mặt của hình lập phương có diện tích

đơn vị), khi đó: OA = sin θ và OB = cos θ

Các lực tác dụng dọc theo OA và OB lần lượt là σ1 cosθ và σ2 sinθ (Lực = ứng suất x diện tích)

Tiến hành phân tích các lực này thành hợp phần song song và vuông góc với mặt

AB, thu được ứng suất pháp tuyến σ và tiếp tuyến τ như sau:

Trong đó:

Do đó, chúng ta có thể viết lại các công thức trên:

Và

Chi tiết trong Analysis of geological structure (biểu diễn bằng đường trong Mohn)

Ứng suất tiếp lớn nhất:

Từ công thức cuối cùng, dể thấy khi sin = 1 thì:

Nghĩa là 2θ = 900, tức θ = 450 Như vậy mặt phẳng tạo với σ1, σ2 một góc 450 sẽ có ứng suất tiếp lớn nhất mà không cần quan tâm đến giá trị ứng suất chính tác dụng

Ứng suất trong không gian 3 chiều:

Từ ví dụ trên, chúng ta có thể phát triển sang hình học trong không gian 3 chiều, nếu xem mặt phẳng đơn vị (tức mặt phẳng có diện tích đơn vị) tạo với các trục ứng suất chính σ1, σ2 và σ3 lần lượt góc θ1, θ2 và θ3 Ứng suất pháp tác dụng lên mặt này:

Và ứng suất tiếp tuyến:

Các mặt phẳng có ứng suất trượt lớn nhất:

Từ công thức trên, trong không gian 3 chiều có 3

mặt phẳng có ứng suất tiếp tuyến lớn nhất, mỗi mặt

phẳng tạo góc 450 với cặp trục ứng suất chính và

giao nhau với trục còn lại

Phương có ứng suất cắt trượt

(tiếp tuyến) lớn nhất trong mặt

phẳng:

Nếu một mặt phẳng

nghiêng so với tất cả các

trục ứng suất chính, phương

có ứng suất tiếp tuyến lớn

nhất trong mặt phẳng đó

phụ thuộc vào độ lớn của

σ1, σ2 và σ3 và giá trị góc θ1,

θ2 và θ3

Ứng suất tiếp tuyến trên mặt phẳng nghiên với 3 trục ứng suất chính và hướng trượt do nó gây

ra cũng nghiêng với các trục và tạo với đường phương mặt phẳng nghiêng 1 góc α .

Có 3 nhóm mặt (màu xanh) giao nhau với một trục ứng suất chính và tạo với hai trục còn lại góc 45 0

sẽ có ứng suất tiếp tuyến lớn nhất

Hợp phần ứng suất còn lại của hệ thống

được gọi là ứng suất lệch, gồm 3 giá trị

Xác định độ lệch của hệ thống ứng suất

tính chất đối xứng và điều khiển mức độ biến

đổi hình dạng hoặc quay vật thể

Ứng suất lệch và ứng suất thủy tĩnh: (Liên quan đến khái niệm ten sơ ứng suất cầu và độ lệch ứng suất

Tại vị trí các ứng suất chính cân bằng gọi là trạng thái ứng suất thủy tĩnh, tương ứng với trạng thái ứng suất của chất lỏng

Nghĩa là ứng suất tiếp tuyến bằng 0, Ứng suất thủy tĩnh chỉ gây ra thay đổi thể tích, không gây thay đổi hình dạng

Trong hệ thống các ứng suất chính không cân bằng, giá trị trung bình p sẽ thể hiện

thành phần ứng suất thủy tĩnh của trường ứng suất hiện tại:

Các khái niệm ứng suất thủy tĩnh và ứng

suất lệch liên quan tới tensor ứng suất cầu (T 0

σ)

và độ lệch ứng suất (Dσ) (Giáo trình)

Tensor là một đại lượng có hướng trong không gian (biến dạng, ứng suất) gồm nhiều vector thành phần

Khi một khối đá phân bố ở độ sâu z và chỉ chịu ứng suất tác động do khối lượng lớp đất đá bên trên gây ra được gọi là ứng suất thạch tĩnh Thành phần thẳng đứng của ứng suất này có giá trị ???????????????????.

Ứng suất thạch tĩnh (hay áp suất) nhìn chung không tương ứng với giá trị trung bình

P, vì P cũng phụ thuộc vào hợp phần ứng suất nằm ngang

Các trường ứng suất và các đường cong ứng suất: (tham khảo)

Các vấn đề vừa nêu chỉ đề cập đến ứng suất tại một điểm, tuy nhiên ứng suất trong đá biến đổi từ nơi này đến nơi khác tạo nên trường ứng suất Sự biến đổi áp suất có thể được biểu diễn và phân tích bằng các đường cong ứng suất, là những đường thể hiện sự biến đổi liên tục của ứng suất chính từ điểm này đến điểm kia trong khối đá

Hình vẽ thể hiện các đường cong ứng suất trong không gian 2 chiều Các đường cong có thể cong theo các hướng khác nhau nhưng ứng suất chính vẫn duy trì đặc

điểm vuông góc với nhau tại điểm giao nhau giữa các đường cong

Các đường cong ứng suất Đồ

thị thể hiện các đường cong ứng

suất lý thuyết (xanh) trong khối lớp

vỏ trái đất hình chữ nhật, chịu tác

động ứng suất nằm ngang không

đồng nhất và trọng lực đồng nhất

theo phương thẳng đứng, ứng suất

chính trung gian vuông góc với bề

mặt hình vẽ Các trục ứng suất tác

dụng tại điểm A bất kì có thể được

nội suy như trên.

Trong thực tế thường tồn tại hai hoặc nhiều trường ứng suất phát triển chồng chéo lên nhau, tạo ra một tổ hợp trường ứng suất Như đã trình bày, chúng ta có thể tổng hợp ứng suất tác dụng tại một điểm bất kì bằng cách tính cho từng trường ứng suất thành phần trong một hệ trục x, y và z Hệ thống ứng suất tổng quát sẽ là tổng các ứng suất thành phần Ví dụ:

Tổng hợp các trường ứng suất:

Và các ứng suất chính mới sẽ được tính tại vị trí có ứng suất tiếp tuyến = 0:

1.1.2 Bieỏn daùng

1.1.2.1 Caực khaựi nieọm

Bieỏn daùng laứ quaự trỡnh gaõy bieỏn ủoồi vũ trớ tửụng quan giửừa caực phaàn tửỷ caỏu taùo neõn vaọt theồ, vaứ coự theồ gaõy bieỏn ủoồi hỡnh daùng vaứ kớch thửụực cuỷa vaọt theồ dửụựi taực duùng cuỷa lửùc

Thay đổi thể tích Thay đổi hình dạng và thể tích

Thay đổi hình dạng

ứ ng suất tác dụng

Biến dạng đồng nhất và không đồng nhất:

- Biến dạng được xem là đống nhất khi khi độ lớn biến

dạng không thay đổi trong suốt thể tích vật thể, và điều

kiện để xem biến dạng là đồng nhất khi đường thẳng vẫn

giữ nguyên đường thẳng và các đường song song nhau

vẫn song song nhau (trước và sau khi biến dạng)

- Biến dạng được xem là không (bất) đống nhất khi khi

độ lớn biến dạng thay đổi trong thể tích vật thể, và khi

đường thẳng bị uốn cong và các đường song song nhau sẽ

không còn song song nũa (trước và sau khi biến dạng)

a)

b)

Biến dạng đồng nhất (a) và không đồng nhất (b).

- Khái niệm đồng nhất hay không đồng nhất tùy thuộc

vào tỷ lệ nghiên cứu

Hĩnh vẽ thể hiện một lớp bị uốn nếp Nếu xét tổng thể

thì nếp uốn biến dạng không đồng nhất Nhưng hai cánh

thẳng của nếp uốn cho thấy chúng biến dạng đồng nhất

Như vậy, trong hệ thống biến dạng không đồng nhất

có thể tồn tại các hợp phần biến dạng đồng nhất

H H

I

Các đới biến dạng đồng nhất (H) và không đồng nhất

(I) trong 1 nếp uốn.

Hình 3.1 field geology of high-grade gneiss terrains.

Trong thực tế gồm biến dạng phá hủy (nứt nẻ, khe nứt, đứt gãy) và biến dạng không phá hủy: gồm biến dạng phá hủy đàn hồi (biến dạng thuần nghịch) và biến dạng dẻo.

Một loại biến dạng có thể chuyển sang loại biến dạng khác nếu thay đổi ứng suất và thời gian tác dụng

Bất kỳ kiểu biến dạng phức tạp nào cũng có thể phân tích thành một tập hợp các biến dạng đơn giản: kéo, nén, cắt trượt (uốn cong và xoắn)

Các loại biến dạng:

Phá hủy vật thể rắn:

- Phá hủy tách: ứng suất pháp

- Phá hủy cắt: ứng suất tiếp

Trục biến dạng và elipsoid biến dạng:

Phương pháp hữu hiệu để mô tả trạng thái biến dạng là sử dụng 3 trục vuông góc với nhau: x, y và z, song song với phương kéo dài cực đại, trung bình và nhỏ nhất, và nếu

gán thành các trục của elipsoid biến dạng tương ứng thành X, Y và Z trong đó:

- Trục kéo dài cực đại: X - σ3

- Trục kéo dài cực tiểu: Z - σ1

- Trục trung gian: Y - σ2 Như vậy: X ≥ Y ≥ Z

Độ kéo dài dọc theo các trục ứng suất chính x, y và z lần lượt là θ1, θ2 và θ3 được gọi là độ biến dạng chính.

- Đối với biến dạng đàn hồi: Các trục biến dạng chính định hướng trùng với các trục ứng suất chính

- Đối với biến dạng dẻo: Hai hệ trục định hướng lệch nhau một góc nhất định

Biến dạng trượt thuần nhất và trượt đơn giản:

- Biến dạng trượt thuần nhất (biến dạng đồng trục, không quay): Sự định hướng các trục X, Y và Z không đổi

- Biến dạng trượt đơn giản (bất đồng trục, quay): Hệ trục X, Y và Z quay

Z

b)

a)

τ

Biến dạng trượt thuần nhất (a) và biến dạng trượt đơn giản (b)

- Ví dụ cho đới trượt cắt Đà Nẵng – Khe Sanh

Trong tự nhiên, biến dạng phổ biến là biến dạng tổng quát, tổ hợp một phần hợp phần biến dạng trượt thuần nhất và một phần biến dạng trượt đơn giản (Đới trượt cắt Đà

Nẵng – Khe Sanh gồm khoảng 80-90% hợp phần trượt đơn giản và 10-20% hợp phần trượt thuần nhất).

Vì vậy, độ biến dạng trượt có thể được mô tả bằng hai hợp phần: Hợp phần ép dẹt (thông qua hình dạng của elipsoid so với hình cầu ban đầu) và hợp phần quay (sự định hướng các trục biến dạng chính so với ban đầu)

Các kiểu biến dạng đồng nhất đặc biệt

Dựa vào tỷ lệ biến dạng của từng trục biến dạng chính X, Y và Z, người ta xác định được 3 trường hợp đặc biệt của biến dạng đồng nhất và 01 trường hợp biến dạng tổng quát khi tỷ lệ biến dạng trên 3 trục khác nhau và X > Y > Z

1 Căng giãn đối xứng đơn trục (X > Y = Z):

- Căng giãn đồng nhất theo trục X;

- Co ngắn đồng đều trên trục Y và Z

- Kết quả, elipsoid có dạng điếu thuốc xì gà, viên phấn

2 Co ngắn đối xứng đơn trục (X = Y > Z):

- Co ngắn đồng nhất theo trục Z;

- Căng giãn đồng đều trên trục X và Y

- Kết quả, elipsoid có dạng bánh kếp

3 Biến dạng mặt (X > Y = 1 > Z):

- Căng giãn trên trục X;

- trục Y không đổi

- Co ngắn trên trục Z

Trong suốt quá trình biến dạng, sự thay đổi thể tích luôn xuất hiện cùng với hiện tượng biến đổi hìng dạng, đây là yếu tố gây sai số khi tính độ biến dạng.

Thay đổi thể tích trong suốt quá trình biến dạng: (tham khảo)

- Đại lượng đặc trưng cho sự biến đổi thể tích là độ giãn nở (∆ )

∆ = (V – V0)/V0

V0 và V lần lượt là thể tích vật thể trước và sau khi biến dạng

- Khi thể tích của elipsoid biến dạng thu được từ hình cầu đơn vị có thể tích ¾ ∏ là ¾

(X x Y x Z).

∆ = (X x Y x Z) – 1 hoặc 1 + ∆ = θx x θy x θz

θ là độ kéo dài

Đồ thị thể hiện độ biến dạng trượt đồng nhất:

Hiện nay, người ta thường sử dụng giãn đồ Flinn để biểu diễn các trạng thái biến dạng khác nhau Trên giản đồ, các tỉ lệ độ biến dạng chính được thể hiện dưới dạng:

a = X/Y = θx/θy

Và b = Y/Z = θy/θz

Hình dạng khác nhau của elipsoid được thể hiện bằng hệ số k:

K = (a – 1)/(b – 1)

- Biến dạng co rút (elipsoid dạng kéo dài): 1<k<∞

Các trạng thái biến dạng khác nhau tương ứng với giá trị k:

- Căng giãn đồng nhất đơn trục: k = ∞

- Biến dạng mặt (không thay đổi thể tích): k = 1

- Biến dạng ép dẹt (elipsoid dạng dẹt): 0 < k < 1

- Ép dẹt đồng nhất đơn trục: k = 0

Như vậy, hình dạng của elipsoid có thể mô tả

bằng hệ số k, và từ giá trị k lớn hơn hay nhỏ hơn 1,

chúng ta có thể dự đoán được độ biến dạng là ép

dẹt hay kéo căng

Đồ thị trong hình A tương ứng với giả thuyết thể

tích không thay đổi (∆ = 0) và đường k = 1 đi qua gốc

tọa độ Khi ∆ ≠ 0 và với θ y = 1 và k = 1 thì

1 + ∆ = θx x θz = a/b

Do đó:

a = b(1 + ∆ )

Vì vậy, khi thể tích thay đổi giá trị ∆, đường a = b(1

+ ∆) thể hiện trạng thái biến dạng mặt và phân chia

trạng thái biến dạng kéo và ép dẹt

Quá trình biễn dạng lũy tiến và độ biến dạng hữu hạn

Một vật bị biến dạng, độ biến dạng xác định tại một thời điểm bất kì chính là tổng độ biến dạng thành phần tương ứng với từng thời điểm, vị trí và hình dạng khác nhau mà vật thể đã trải qua dưới tác dụng của ứng suất Quá trình này, từ thời điểm ban đầu

đến thời điểm cuối cùng gọi là quá trình biến dạng diễn tiến.

Độ biến dạng cuối cùng tại thời điểm xác định gọi là độ biến dạng hữu hạn.

Một tính chất khá quan trọng là bản chất của độ biến dạng hữu hạn (finite strain) không phản ánh chính xác các trạng thái biến dạng ở các giai đoạn trung gian Thạm chí trường hợp biến dạng lũy tiến khá đơn giãn vẫn thể hiện dấu hiệu thay đổi của độ biến dạng theo thời gian

Tại một thời điểm bất kì trong suốt quá trình biến dạng lũy tiến, về mặt lý thuyết có

thể phân biệt độ biến dạng hữu hạn và độ biến dạng vô cùng nhỏ tại thời điểm đó Trong

không gian 2 chiều, elip biến dạng có thể chia thành các phần nén ép và căng giãn bằng đường thẳng giao nhau giữa đường trong ban đầu và elip biến dạng (không bị biến dạng)

Các lớp sẽ bị khúc dồi hóa trong phần căng giãn và bị uốn nếp trong trường nén ép (hình A) và elip biến dạng cực nhỏ tại thời điểm đó sẽ thể hiện các phần dưới dạng các đường đang bị kéo căng và nén ép

Kết hợp hai elip này chúng ta thu được 4 đới:

- Đới 1: tiếp tục căng giãn (khúc dồi):

- Đới 2: Căng giãn theo sau nén ép (không gây uốn nếp hoặc khúc dồi hóa các nếp uốn):

- Đới 3: Nén ép theo sau căng giãn (gây uốn nếp các khúc dồi)

- Đới 4: Tiếp tục nén ép (các nếp uốn)

Sự sắp xếp những đới này phụ thuộc vào lịch sử biến dạng và đặc trưng biến dạng đồng trục (trượt thuần nhất) hay quay (trượt đơn giản)

Như vậy, sự định hướng của của các nếp uốn hoặc khúc dồi cho phép nghiên cứu quá trình biến dạng lũy tiến

Phân tích các yếu tố cấu tạo-kiến trúc phát triển đồng kiến tạo

Mối quan hệ giữa ứng suất và biến dạng

Khi biến dạng xảy ra dưới tác dụng của ứng suất Luôn tồn tại mối quan hệ hình học giữa chúng Tuy nhiên, theo thời gian, hình học của trường biến dạng và ứng suất biến đổi phức tạp Ví dụ như quá trình biến dạng trượt thuần nhất và đơn giản trong biến dạng đồng nhất

Trường hợp trượt thuần nhất, sự định hướng của các trục biến dạng hữu hạn chính và các trục ứng suất chính tương tự, với X// θ1; Y// θ2 và Z// θ3. Nghĩa là phương căng giãn lớn nhất trùng với phương ứng suất nhỏ nhất

- Trường hợp trượt đơn giản:

+ Chỉ có trục ứng suất và biến dạng tức thời trùng nhau (khi biến dạng mặt)

+ Trục X, Z quay diễn tiến (theo chiều kim đồng hồ)

⇒ Càng xa dần phương ban đầu khi độ biến dạng tăng lên

Và không trùng với θ1 và θ3

Từ ví dụ (hình):

- Độ dài của các trục biến dạng (tại giai đoạn 2, 3 và 4) tương tự

- Mặc dù cơ chế biến dạng khác nhau

⇒ Thông tin từ các trục biến dạng chưa đủ để xây dựng lại hệ trục ứng suất, mà

cần nghiên cứu lịch sử biến dạng đã xảy ra trên vật thể

Z

b) a)

τ

Biến dạng đàn hồi và dẻo lý tưởng

- Biến dạng đàn hồi:

+ Gọi là biến dạng tạm thời hay biến dạng hồi phục+ Ứng suất và biến dạng quan hệ thuần nghịch

+ Tháo bỏ ứng suất vật trở về hình dạng ban đầu+ Tương tự kiểu biến dạng liên quan tới sự truyền sóng địa chấn qua vỏ Trái đất hoặc sóng âm thanh tryền qua các môi trường

+ Trường hợp đàn hồi lý tưởng được mô tả bằng định luật Huc:

σ là ứng suất; ε độ biến dạng; E hằng số đàn hồi Young hay tính đàn hồi của vật liệu

Ứng suất và biến dạng trong các vật liệu

- Cơ chế phản ứng lại ứng suất tác dụng của các khoáng vật rất khác nhau

- Và phụ thuộc:

+ Không chỉ điều kiện vật lý tại thời điểm tác dụng lực+ mà còn tính chất cơ học và thành phần cấu tạo nên vật liệu

- E được xác định bằng thí nghiệm nén 1 trục mẫu đá cũng như vẫu vật khác Tuy nhiên, nó thay đổi theo thời gian cùng với tải trọng tăng lên

- Có nhiều tên gọi và cách xác định khác nhau (Từ điển Địa chất Anh – Việt)

Trong trường hợp này, quan hệ ứng suất – biến dạng là tuyến tính (hình) Trong tự nhiên, các đá chỉ thể hiện cơ chế đàn hồi lý tưởng trong điều kiện rất hạn chế.

Như vậy, trong trường hợp này, quan hệ ứng suất – tốc độ biến dạng là tuyến tính (hình) Nghĩa là, ứng suất càng lớn thì tốc độ biến dạng càng nhanh và độ biến dạng cuối cùng phụ thuộc vào độ lớn ứng suất và thời gian tác dụng

- Như vậy, tỷ lệ ứng suất/biến dạng là hằng số (do E = constant)

Hơn nữa:

e V = P/K Với: e V – độ biến dạng giãn nở, eV = (V – V 0 )/V 0

P – Aùp suất thủy tĩnh;

K – là hằng số, gọi là hệ số nén.

Trường hợp biến dạng trượt đơn giản:

τ ứng suất tiếp; G mô đun cắt trượt và γ là độ lớn cắt trượt

- Biến dạng dẻo lý tưởng hay ‘chảy Newton’:

+ Là biến dạng không phục hồi sau khi dỡ bỏ ứng suất+ Được thể hiện tính chất dòng chảy dẻo

+ Và mô tả bằng công thức: σ = η ε *

ε* tốc độ biến dạng; η (eta) là hằng số, gọi là độ nhớt vật liệu (phụ thuộc vào nhiệt độ và ứng suất)

Và khi ứng suất = constant, độ biến dạng sẽ tăng tuyến tính theo thời gian Do đó:

ε = σ t/ η

Phản ứng đàn hồi – dẻo; dẻo – đàn hồi và dẻo – nhớt.

- Tính chất của các đá thể hiện gồm dẻo lý tưởng và đàn hồi lý tưởng nên biến dạng của đá gồm hai hợp phần:

ε = σ /E (Đàn hồi) + σ t/η (dẻo) với σ không đổi

- Tuy nhiên, hai yếu tố trên đã được đơn giản hóa nên không phản ánh toàn diện mối quan hệ phức tạp giữa ứng suất và biến dạng trong đá

Phản ứng dẻo – đàn hồi

- Một vật liệu mặc dù tuân theo định luật chảy dẻo

nhưng vẫn thể hiện tính đàn hồi trong khoảng thời gian

ngắn gọi là phản ứng dẻo – đàn hồi

- Ví dụ Hắc ín

- Vật liệu sẽ thể hiện biến dạng đàn hồi khi chịu ứng

suất trong khoảng thời gian rất ngắn, nhưng khi kéo dài

thời giac tác dụng, vật liệu sẽ chảy, thể hiện đặc trưng

biến dạng dẻo

Phản ứng dẻo (dẻo – nhớt)

Vật liệu có phản ứng đàn hồi trong giới hạn ứng suất rất

thấp Nhưng khi ứng suất lớn hơn giá trị chuẩn, nó thể hiện cơ

chế dẻo lý tưởng

Phản ứng đàn hồi - dẻo

- Khi chịu tác dụng ứng suất (không đổi), vật liệu

biến dạng đàn hồi

- Khi ứng suất kéo dài một khoảng thời gian nhất

định thì biến dạng đạt giá trị tới hạn Kiểu phản ứng này

gọi là đàn hồi – dẻo

- Khi thôi tác dụng lực, biến dạng không hoàn toàn

trở về trạng thái ban đầu mà tồn tại hợp phần trì hoãn

Beõn caùnh 3 moõ hỡnh vửứa neõu,

phaỷn ửựng phửực taùp cuựa caực ủaự phaỷi

ủửụùc ủaựnh giaự cuứng vụựi caực ủaởc trửng

tớnh chaỏt toồng hụùp Hỡnh beõn theồ hieọn

ủoà thũ thụứi gian – bieỏn daùng cuỷa caực

vaọt lieọu deỷo/ủaứn hoài – deỷo ủaởc trửng

(gioỏng phaàn lụựn caực loaùi ủaự) bieồu dieón

caực thaứnh phaàn ụỷ caực moõ hỡnh treõn

đàn hồi

đàn hồi - dẻo

Dẻo

điểm tới hạn

ứ ng suất tháo dở

Phaỷn ửựng deỷo vaứ doứn

- Khi quaự trỡnh bieỏn daùng gaõy phaự huỷy vaọt lieọu, taùo neõn heọ thoỏng khe nửựt laứm maỏt tớnh lieõn tuùc cuỷa vaọt lieọu ủửụùc goùi laứ phaỷn ửựng doứn, ủaõy laứ yeỏu toỏ chi phoỏi sửù phaựt trieồn heọ thoỏng khe nửựt vaứ ủửựt gaừy trong ủaự

- Ngửụùc laùi, phaỷn ửựng deỷo taùo ra ủoọ bieỏn daùng deỷo (khoõng theồ hoài phuùc), theồ hieọn sửù bieỏn ủoồi lieõn tuùc nhửng khoõng gaõy maỏt tớnh lieõn tuùc cuỷa vaọt lieọu hoaởc ủaự bũ bieỏn daùng