岩石力学-第四章01.ppt

2020 2 7 1 岩石力学 第四章岩石的时间效应与流变性质 背景 各种岩土工程 无一不和时间因素有关 是岩石力学的重要研究内容之一 存在的问题尚多 理论与实验研究仍有待进一步加强 2020 2 7 2 岩石力学 4 1时间效应广义的时间效应加载速率效应 流变现象 加载速率效应快 弹模高 峰值强度大 韧性低 快速加载达到破坏时的应力 称为瞬时强度 慢 弹模低 峰值强度低 韧性高 极慢 产生流变现象 经过较长时间加载达到破坏时的应力 称为长时强度 2020 2 7 3 岩石力学 流变蠕变 即应力保持不变 应变随时间t延长而增加的现象 松驰 即应变保持不变 应力随时间t延长而减小的现象 弹性后效 即加载 或卸载 后经过一段时间应变才增加 或减小 到一定数值的现象 粘性流动 即蠕变一段时间后卸载 部分应变永久不恢复的现象 2020 2 7 4 岩石力学 4 1 1蠕变蠕变的三阶段和三水平蠕变三水平蠕变三阶段 2020 2 7 5 岩石力学 说明I阶段 初期蠕变 II阶段 稳定蠕变 III阶段 加速蠕变 应力水平越高 蠕变变形越大 长时强度起重要作用应力水平低于长时强度 岩石不破裂 蠕变过程只包含前两个阶段 应力水平高于长时强度 则经过或长或短的时间 最终必将导致岩石破裂 蠕变三水平和三阶段 是金属 岩石和其他材料的通性 非岩石特有 2020 2 7 6 岩石力学 蠕变试验特点 岩石蠕变性质全凭试验建立 要求或短或长的时间保持应力恒定 日本一蠕变试验已进行了几十年 至今仍在继续 蠕变试验至今没有定型设备 蠕变加载方法重物 杠杆法弹簧加载法大小气 液缸法扭转法 可分段加载 省时省力伺服机加载法 加载速率可达10 10s 1 2020 2 7 7 岩石力学 蠕变试验的应变量测仪表 因电测元件难以保证长期稳定性 故多以千分表为主 研究蠕变的意义中硬以下岩石及软岩中开挖的地下工程 大都需要经过半个月甚至半年时间变形才能稳定 或处于无休止的变形状态 直至破坏失稳 解决地下工程的设计和维护问题 2020 2 7 8 岩石力学 4 1 2蠕变方程的建立在试验的基础上 建立流变方程的方法有三种 微分方程方法 流变模型理论 积分方程方法 经验方程方法 2020 2 7 9 岩石力学 4 2岩石的长时强度定义长时强度 岩石在达到其瞬时或短时强度时产生破坏 但岩石强度常随着作用时间延长而降低 其最低值 就是对应时刻时的强度 称为长时强度 长时强度的意义是一种反映时间效应的极有意义的岩性指标 当衡量永久性及使用期较长的岩土工程的稳定性时 应以长时强度作为岩石强度的计算指标 至今 国内外已进行的岩石流变试验极其有限 2020 2 7 10 岩石力学 确定方法进行各种应力水平长期恒载试验 2020 2 7 11 岩石力学 进行不同应力水平的蠕变试验 2020 2 7 12 岩石力学 4 3岩石的流变模型固体材料的变形性质可以理想化为 刚体 与时间无关 弹性体 塑性体 粘性体 与时间有关 2020 2 7 13 岩石力学 4 3 1理想物体的本构模型虎克体 Hoek H应力 应变关系从上式可以看出弹簧元件的性能具有瞬时弹性变形性质 无论荷载大小 只要应力不为零 就有相应的应变出现 当应力为零 卸载 时 应变也为零 说明没有弹性后效 无应力松弛性质 无蠕变性质 2020 2 7 14 岩石力学 虎克体力学模型及其动态 2020 2 7 15 岩石力学 库仑体 Coulomb C应力 应变关系当时 即无任何变形 当时 变形无限增长 库仑体力学模型 2020 2 7 16 岩石力学 牛顿体 Newton N应力 应变关系从上式可以看出弹簧 牛顿体元件的性能应变与时间有关 无瞬时变形 无弹性后效 有永久变形 无应力松弛性质 2020 2 7 17 岩石力学 牛顿体力学模型 2020 2 7 18 岩石力学 4 3 2组合模型圣文南体 St Venant St V应力 应变关系圣维南体力学模型圣维南体本构关系示意图 2020 2 7 19 岩石力学 马克斯韦尔体 M H N 1868 本构关系解得马体本构关系马克斯韦尔体力学模型 2020 2 7 20 岩石力学 马克斯韦尔体蠕变和松弛有瞬时应变 为线性蠕变 有松弛 马克斯韦尔体的蠕变曲线和松弛曲线 2020 2 7 21 岩石力学 开尔文体 K H N 1890年 本构关系解得开体本构关系开尔文体模型 2020 2 7 22 岩石力学 开尔文体蠕变和弹性后效稳定蠕变 有弹性后效 没有松弛 开尔文体蠕变曲线和弹性后效曲线 2020 2 7 23 岩石力学 更复杂的模型广义开尔文体 P208 稳定蠕变模型 有弹性后效 饱依丁 汤姆逊体 P209 稳定蠕变模型 有弹性后效 伯格斯体 P212 有瞬时弹性变形 减速蠕变 等速蠕变的性质 对软岩 如泥质岩 较适用 西原体 P214 由虎克体 开尔文体和理想粘塑性体串联而成 最能全面反映岩石的弹 粘弹 粘塑性特性 宾汉姆体 P215 应力松弛不降为零 而是降至 2020 2 7 24 岩石力学 流变模型小结名词 线 粘弹 只含元件H N的各类模型 线 粘弹塑 含元件H N C的各类模型 应用线粘弹模型的本构方程与平衡方程 几何方程及特定工程的边界条件联合求解 即可获得该工程的粘弹性应力解与位移解 这些方程是一组微分方程 2020 2 7 25 岩石力学 流变模型关系简图与适用条件 2020 2 7 26 岩石力学 4 4经验方程定义根据实验资料 由数理统计的回归方法建立的蠕变方程 蠕变经验方程通式为 式中 t时间的应变 瞬时应变 初始段应变 等速段直线斜率 加速段应变 2020 2 7 27 岩石力学 初始段公式初始段的最大斜率较大 甚至趋近