岩石的力学特性-5-6节.ppt

1、第3章 岩石的力学特性,3.1 岩石单轴压缩条件下的力学特性* 3.2 岩石单轴拉伸条件下的力学特性 3.3 岩石剪切条件下的力学特性 3.4 岩石三轴压缩条件下的力学特性 3.5 岩石的流变特性* 3.6 影响岩石力学性质的主要因素 3.7 岩石的强度理论*,3.5 岩石的流变特性 3.5.1 岩石流变 定义 岩石流变是指岩石变形与时间有关的性质。 不同加载速率 不同变形性状。 岩石流变包括蠕变、松弛、弹性后效和粘性流动。,蠕变: 应力保持不变时，应变随时间增加而增长的现象； 松弛: 应变保持不变时，应力随时间增加而减小的现象； 弹性后效: 加(卸)载后，经过一段时间应变才增加(或减少)到应

2、有数值的现象； 粘性流动 : 蠕变一段时间后卸载，部分应变永久不恢复的现象。,岩石流变包括蠕变、松弛、弹性后效和粘性流动。,蠕变: 应力保持不变时，应变随时间增加而增长的现象； 松弛: 应变保持不变时，应力随时间增加而减小的现象； 弹性后效: 加(卸)载后，经过一段时间应变才增加(或减少)到应有数值的现象； 粘性流动 : 蠕变一段时间后卸载，部分应变永久不恢复的现象。,1. 岩石蠕变 研究意义重大。 岩石蠕变 十分普遍 ! 边坡工程地下工程 岩石蠕变 应力重（新）分布 岩体内及建(构)筑物内产生应力集中 影响岩体工程的稳定性。,1) 岩石蠕变曲线 图3-27 蠕变曲线。 不同应力水平 不同。,

3、初始蠕变/瞬态阶段。 卸荷应力立即消失， 应变弹性后效。,三个阶段(图3-27)： 初始蠕变、 等速蠕变、 加速蠕变。,2) 蠕变 不稳定蠕变， 稳定蠕变。,(2) 等速蠕变/稳态阶段。 曲线呈近似直线， 卸载应变恢复， 但存在一永久应变。,(3) 加速蠕变/不稳定阶段。 应变速率迅速增加。,岩石蠕变稳定与否应力水平 与 临界应力 。,3.5.2 岩石流变方程 流变方程 流变过程中的应力、应变和时间的关系。 流变方程: 本构方程、蠕变方程和松弛方程 微分方程 或 经验公式。 用理想弹性元件、塑性元件和粘性元件组合，建立流变模型。 不同组合形式不同模型。,1流变模型基本元件,弹性元件,粘性元件,

4、塑性元件,1) 弹性元件 虎克体理想弹性体(满足虎克定律)。 其力学模型弹簧元件(图3-28a)。,本构方程:,关于虎克体： 瞬时弹性变形，与时间无关。 虎克体不存在弹性后效； 一定的非零荷载(应力)对应相应的应变， 应力为零(卸载) 应变为零 无应力松弛； 应变恒定时，应力不变，应力并不因时间增长而减小 无蠕变性。 应力保持恒定，应变也保持不变,2) 塑性元件 理想塑性体:力学模型摩擦片(或滑块，如图3-29a)。 应力达到屈服极限时开始产生塑性变形，应力不增加，变形仍增长,本构方程:,3) 粘性元件 牛顿体 理想粘性体 阻尼器 (图3-30a)。 应力与应变速率成正比 (图3-30b)。,

5、本构方程:,关于粘性元件： 应变与时间有关，且无瞬时变形; 粘性元件具有流变性; 粘性元件无弹性后效，但存在永久变形； 粘性元件无应力松弛特性。,圣维南体(St.Venant Model) 马克斯威尔体(Maxwell Model) 开尔文体(Kelvin Model) 广义开尔文体(modified Kelvin Model) 伯格斯体(Burgers Model) 宾汉体(Bingham Model) 西原体。,代表性 组合模型,2流变微分方程 基本元件基本组合方式: 串联与并联。,1) 圣维南(St.Venant)体(图3-31a),本构方程,卸载特性 卸载=0，弹性变形完全恢复，塑性变

6、形停止。 保留已发生塑性变形。,圣维南体代表理想弹塑性体， 无蠕变，无松弛，无弹性后效。,2) 马克斯威尔(Maxwell)体(图3-32),本构方程,弹 簧,阻尼器,蠕变方程,松弛方程,克斯威尔体有松弛现象 物理概念理解: t=0 ，弹簧开始变形，阻尼器来不及变形。 t=t1，在弹簧的作用下，阻尼器逐渐变形，弹簧收缩，弹簧应力减小 松弛。,3) 开尔文(Kelvin)体 (图3-34),本构方程,弹 簧,阻尼器,蠕变方程,原因: 施力瞬间阻尼器的惰性阻止弹簧产生瞬时变形。,卸载方程,t=t1时卸载，0,本构方程：,表明: 阻尼器在弹簧收缩时，随之恢复变形，当t时，弹簧元件与粘性元件完全恢复变

7、形。 弹性后效。,卸载方程,应变恒定：0const,松弛方程,表明模型无应力松弛性能。,综上所述： 开尔文体属于稳定蠕变模型，有弹性后效，但无松弛现象。,本构方程：,4) 广义开尔文体(Modified Kelvin Model,图3-36) 开尔文体 + 弹簧串联。,本构方程,蠕变方程,弹性后效(卸载效应),5) 伯格斯(Burgers)体 图3-38 伯格斯体 粘弹性体 马克斯威尔体+开尔文体串联。,6) 宾汉(Bingham)体 图3-40 宾汉体=虎克体+理想粘塑性体串联。 主要反映岩石的弹性粘塑性特性，适用于粘土及半坚硬岩石。,3经验方程 根据岩石流变试验结果，通过数理统计的方法拟合

8、出经验表达式。,瞬时 应变,初始阶段应变,等速阶 段应变,加速阶 段应变,临时作业,参考答案：1、B 2、D 3、B 4、D,二、填空题 1、岩石流变包括（蠕变）、（松弛）、（弹性后效）和（粘性流动）。 2、在低侧压真三轴条件下，岩石破坏可分为（剪切）、（拉剪）、（拉裂）。 3、根据变形速率的不同特点，软弱岩石的典型流变曲线可以划分为瞬态阶段 、稳态阶段和不稳定阶段 三个阶段。 4、在研究岩石流变中，常用流变模型的三个基本元件为 弹性元件、塑性元件 和粘性 元件。 5、研究岩石变形的时间效应，一般而言主要采用两种方法寻找其蠕变规律，即 经验方法和蠕变模型 方法。,3.6 影响岩石力学性质的主要因素,主要包括岩石本身性质和试验与环境条件。 岩石本身性质：矿物组成、结构构造(颗粒大小、连结及微结构发育特征等)、密度、风化程度及各向异性等等； 试验与环境条件：主要有水、温度、加载速率、围压的大小等。,1水对岩石力学性质的影响 岩石中的水两种赋存方式：,5个主要方面,连接作用,润滑作用,水楔作用,孔隙压力作用,溶蚀-潜蚀作用,2温度对岩石力学性质的影响,3加载速率对岩石力学性质的影响,低 高,岩石的脆性和塑性并非岩石固有的性质，它与其受力状态有关，随着受力状态的改变，其脆性和塑性是可以相互转化的。,4围压对岩石力学性质的影响,在三轴压缩条件下，岩石的变形、强度和弹性极限都有显