岩石力学课程Chapter4

第四章岩石的变形Chapter4RockDeformation,目的：学习和认识岩石在各种物理因素作用下的形状和大小的变化及其对工程的影响、以及同种类岩石的变形特征。要求：掌握岩石的材料的应力应变曲线、全应力应变曲线。,重点：单轴压缩试验和岩石的全应力应变曲线的构成分析。,难点：根据岩石的应力应变曲线进行的材料划分。,学习提示LearningHints,4.1概述,4.1.1岩石变形的概念,岩石变形,指多种地质力学环境因素和工程荷载共同作用岩石形状与大小发生变化。,河谷下切、地应力释放、工程开挖等;,水库蓄水、隧洞充水的水荷载等；,岩石锚固、支挡建筑物等的变形等,4.1概述,4.1.2岩石的变形稳定,因此，岩体的变形量常作为工程设计的控制标准之一。,岩体作为建筑物的基础，其变形与上部结构的变形相互协调影响结构内力,4.1概述,4.1.2岩石的变形稳定,空间壳体,4.1概述,重力坝右江h=130m,库空是否向上游倾斜研究岩体变形的重要性,蓄水坝基不均匀变形影响,4.1.2岩石的变形稳定,不均匀变形造成坝体内剪应力及主拉应力增长，造成开裂错位等不良后果。,4.1概述,弹性变形,塑性变形,蠕变,荷载卸去后，变形可恢复。包括线性和非线性（粘弹性）,荷载卸去后，变形不能全部恢复，残留一部分永久变形。,荷载（应力）一定的情况下，岩石变形随时间t增加而增加。,4.1.2岩石的变形稳定,4.1概述,4.1.3线弹性变形的本构关系,岩石的变形特性通常用E和u两个常数来表示，当E和u已知时，可计算给定应力状态下的变形。,三维应力条件下的Hook定律,4.1概述,4.1.3线弹性变形的本构关系,如果已知变形，也可用下式计算应力，其中：K为体积模量；G称为剪切模量，称为拉梅常数。,一般采用室内试验或现场试验，静力试验或动力试验来获取岩石变形指标及应力应变关系。室内试验一般有单轴压缩试验、三轴试验等，现场试验有承压板试验、狭缝试验、环形加荷试验等。,显然，要了解岩石的变形特性，必须确定/已知岩石的变形指标，包括弹性模量，泊松比、剪切模量、体积模量等，显然，由于岩体结构的复杂性（含多结构面），其变形指标也存在很大的差异，因此确定岩石变形指标显得尤为重要。,4.2岩石变形室内试验,4.2.1岩石变形的特点,试件：D=5.0cm、H10.0cm,加载：普通压力机、刚性压力机（MTS、INSTRON等）,量测：,应变片：轴向、侧向,单轴压缩试验,4.2岩石变形室内试验,单轴压缩试验,成果整理：,一般来说为曲线，当较小时，为直线,4.2.1岩石变形的特点,4.2岩石变形室内试验,单轴压缩试验,通过单轴试验，可以获得以下几种模量（变形指标）：,(1)初始弹性模量：曲线上零荷载时的切线斜率；,(2)切线弹性模量：随应力状态变化；,(3)平均弹性模量：取近似于直线段的平均斜率；,(4)割线弹性模量：原点与曲线上某点连线的斜率;,4.2.1岩石变形的特点,4.2岩石变形室内试验,三轴压缩试验,用岩石三轴仪也可直接测定岩石试件的弹性模量。,通过岩样上应变体引线量测轴向、侧向应变。对常规三轴而言：,根据三维Hook定律计算弹模：,4.2.1岩石变形的特点,4.3岩石的变形性质,4.3.1岩石的应力应变全过程曲线,通过刚性压力机单轴试验获得应力应变全过程曲线，分为4个阶段：,1.OAStage1压密阶段,岩体中细微裂隙受压闭合；,2.ABStage2线弹性阶段,卸载后变形可恢复，岩石颗粒变形,3.BCStage3强化阶段,卸载后变形不能完全恢复；,4.CDStage4软化阶段,，强度下降，塑性变形比重大；,Stage1,Stage2,Stage3,Stage4,4.3岩石的变形性质,4.3.1岩石的应力应变全过程曲线,不同岩性的岩样，全过程曲线中某些阶段突出，某些阶段弱化，可根据各阶段的差异对岩性进行划分。,米勒(Miller)根据岩石的应力-应变曲线随着岩石的性质有各种不同形式的特点，采用28种岩石进行了大量的单轴试验后，将岩石的应力-应变曲线分成6种类型：,4.3.2反复加载与卸载条件下的变形特性,一）弹性阶段,二）弹塑性（强化）阶段,1.卸载：卸载弹性变形恢复,4.3岩石的变形性质,加载，卸载过程后，应力应变曲线重合；,4.3.2反复加载与卸载条件下的变形特性,2.重复加载（单次）,4.3岩石的变形性质,二）弹塑性（强化）阶段,当P55）,4.8.1岩石蠕变的概念,4.8岩石的蠕变,岩石蠕变（流变）：指岩石在应力恒定情况下，应变随时间增长的特性。,岩石松弛：指岩石在应变恒定情况下，应力随时间降低的特性（应力松弛）。,工程实例：深埋洞室围岩蠕变支护变形（新奥法机理）与压力随时间变化。,4.8.2岩石蠕变的特性,4.8岩石的蠕变,岩性针对不同岩石，弹性变形与蠕变对比存在差异,4.8.2岩石蠕变的特性,4.8岩石的蠕变,应力水平影响蠕变量大小，蠕变速率（P93，图4-47）,4.8.2岩石蠕变的特性,4.8岩石的蠕变,蠕变试验得到典型蠕变曲线分为三段：,AB初期蠕变，蠕变速率递减卸载（）p(t)瞬弹PQ+粘弹QR（全部恢复）,BC恒速蠕变，d/dt恒定，（单位时间增加相同）p(t)瞬弹Tv+粘弹Uv+不可恢复uv,CD加速蠕变d/dt不断增大，变形破坏,4.8.3蠕变与工程的关系,4.8岩石的蠕变,由岩石蠕变试验：a）对工程影响不大；b）、c）可能导致变形破坏（软弱夹层浸水）,稳定蠕变,恒速蠕变,加速蠕变,4.8.4岩石蠕变模型,4.8岩石的蠕变,前面已介绍：岩石变形分为瞬弹和粘弹(蠕变)：,瞬弹模型,粘性模型,剪应力剪应变虎克定律,体积应力体积应变,岩石变形可以通过弹性+粘性元件不同组合不同介质蠕变模型。,4.8.4岩石蠕变模型,4.8岩石的蠕变,马克斯威尔模型（MaxwellModel）,弹性元件+粘性元件串联,4.8.4岩石蠕变模型,4.8岩石的蠕变,上式反映马克斯威尔模型粘弹性材料（剪应力剪应变）关系的微分方程。,马克斯威尔模型（MaxwellModel）,4.8.4岩石蠕变模型,4.8岩石的蠕变,讨论：,t0，常量，表示突然增至1时的瞬弹变形,呈线性关系；,为常数，表明蠕变为恒速，与1和无关。,马克斯威尔模型（MaxwellModel）,4.8.4岩石蠕变模型,4.8岩石的蠕变,伏埃特/凯尔文模型,弹性元件与粘性元件并联：,4.8.4岩石蠕变模型,4.8岩石的蠕变,凯尔文模型,讨论：,任何时刻呈指数性增长；,t，常量，,4.8.4岩