第三章岩石流变力学

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课件岩石的流变性及影响岩石力学性质的主要因素

课件岩石的流变性及影响岩石力学性质的主要因素

05
实际应用与案例分析
工程实例
隧道工程
在隧道施工过程中,岩石的流变性可能导致隧道围岩变形,影响隧道稳定性。 例如,某隧道在施工过程中出现了围岩大变形,分析认为是由于岩石的流变性 引起的。
边坡工程
岩石的流变性对边坡稳定性也有重要影响。例如,某水库大坝的边坡在蓄水过 程中发生了滑坡,分析认为是由于岩石的流变性导致的。
岩石的流变性质与岩石的微观结构、矿物成分和 缺陷等密切相关。通过研究岩石的微观结构和成 分,可以进一步揭示岩石流变性质的机制和规律 。
研究展望
未来研究可以进一步深入探 讨岩石流变性质的影响因素 和机制,如温度、应力和孔 隙压力等对岩石流变性质的 作用方式和相互关系。
针对不同类型和性质的岩石 ,可以开展更加细致和深入 的实验研究和数值模拟,以 揭示其流变性质的规律和特 点。
水和化学物质
水和其他化学物质可以与岩石中的矿物发生化学反应,改变其 结构和性质,从而影响其力学性质。例如,水可以软化某些岩 石,使其强度和硬度降低。
时间因素
时效性
随着时间的推移,岩石的力学性质可 能会发生变化。例如,长期暴露在自 然环境中,岩石可能会发生风化和侵 蚀,导致其强度和硬度降低。
疲劳效应
在循环载荷或交变载荷作用下,岩石 会发生疲劳断裂。随着时间的推移, 这种疲劳效应会导致岩石的强度逐渐 降低。
04
岩石流变性对岩石力学性质的影响
流变性对岩石强度的影响
总结词
流变性对岩石强度的影响是复杂的,它可以通过改变岩石内部的应力分布和裂纹 扩展方式来影响岩石的强度。
详细描述
岩石的流变性主要表现在其内部的微裂纹和孔隙在应力的作用下逐渐扩展和连通 ,这会导致岩石强度的降低。同时,流变性的发展也会改变岩石内部的应力分布 ,使得应力集中区域发生变化,从而影响岩石的强度。

第三章岩石流变力学

第三章岩石流变力学
E tu c 而 u 1 e E E

tu

E tu
u e

tu t

c
E
e

E tu e 1
可见卸载曲线为下降的指数曲线,是当 t , 0 即卸载后经历 很长时期后变形可以安全消失,所以这种模型的蠕变属于弹性后效, 没有残留的永久变形,上式又称为弹性后效方程。 (4)松弛方程
t t (t ) K t d E K t — 蠕变核

通过积分方程来研究流变,故又称积分理论。 3、老化理论:流变状态方程
f .t
反映了材料特征随时间的变化而“老化”。 4、流动理论:状态方程
一.经验公式 经验公式是根据不同试验条件及不同岩石种类求得的数学表达 式。目前的经验公式一般用于描述初期蠕变和等速蠕变;对于加速 蠕变,至今尚未找到简单适用的经验公式。蠕变的经验公式主要有: 1.幂函数型: ε (t) n>0
(t ) At n
n<0
A、n—试验常数,与应 力水平、材料特性等有 关
tu
于是卸载方程为: 可见卸载曲线平行t轴

0
2.凯尔文体(K体,H/N体) 又称沃格特体(Voigt),它有弹性后效现象,又称为推迟模型。 (1)流变方程
H N 并联法则 H N H E N E — 称为流变方程,或本构方程,或状态方程
ε
1
ε
2
σ
σ E η
弹性元件 E 1 粘性元件 2
总应变率 1 2 E — 马克斯韦尔模型本构方程 E

第三章 岩石力学基本知识介绍

第三章 岩石力学基本知识介绍
抗压试验 抗拉试验-巴西实验
p r0 t
c
P A
t
抗剪试验
抗弯试验
P s A
3Pl b 2bh 2
表 1-4 岩石的抗压、抗拉、抗剪和抗弯强度
岩石 粗粒砂岩 中粒砂岩 细粒砂岩 页 岩 泥 岩 石 膏 含膏石灰岩 安山岩 白云岩 石灰岩 花岗岩 正长岩 辉长岩 石英岩 辉绿岩 抗压强度 σ cMpa 142 151 185 14-61 18 17 42 98.6 162 138 166 215.2 230 305 343 抗拉强度 σ tMpa 5.14 5.2 7.95 1.7-8 3.2 1.9 2.4 5.8 6.9 9.1 12 14.3 13.5 14.4 13.4 抗剪强度 τ sMpa - - - - - - - 98 118 145 198 221 244 316 347 抗弯强度 σ rMpa 10.3 13.1 24.9 36 3.5 6 6.5



d dt
弹性
塑性
粘性
材料的变形性质
弹性:一定的应力范围内,物体受外力作用产生变形,而 去除外力后能够立即恢复其原有的形状和尺寸大小的性质
产生的变形称为弹性变形 具有弹性性质的物体称为弹性介质
弹性按其应力和应变关系又可分为两种类型
应力和应变呈直线关系—即线弹性或虎 克型弹性或理想弹性 应力应变呈非直线的非线性弹性
l
xx
xx l x
xx
o
xx l x
xy
xy x
l
yx
yx y
l
yy
yy y
l
一点应力状态——剪应力互等定理
xy xy 2 2 M oz xy l 2l l xy l 2l l x x yx yx 2 2 yx l 2l l yx l 2l l y y

第 3 章 岩石流变力学

第 3 章  岩石流变力学

ALn ( 0 / 2 ) - s ALn ( 0 / 3 ) - s ALn ( 0 / 1 )
s 2
ALn ( 0 / 3 ) - s ALn ( 0 / 2 ) - s ALn ( 0 / 1 )
s 3
式中:A为膨胀参数,s为膨胀泊松比


a) 体积变形为弹性;取 P2=1,Q2=k b) 体积变形不变 ;取=0.5 c) 体积变形也具有流变性.按流变模型取P2,Q2 问题: 实验检验上述推广的合理性; 体积变形一般不具有流变性; 形状改变由剪应力引起,当剪应力消失,流变即 停止,剪应力越小,流变性越弱. 解释地球深部岩体处 于静水应力状态.
3.3 岩石蠕变的本构模型
(VI) 索弗尔德--斯科特--布内尔流变模型
第 3 章 岩石流变力学
3.3 岩石蠕变的本构模型
(VII) 流变模型关系简图
第 3 章 岩石流变力学
3.3 岩石蠕变的本构模型
(3)积分形式的模型
当施加的载荷不是常数时, = (t) 应变
= 0 J(t)
第 3 章 岩石流变力学
3.6 软岩与膨胀岩
(2)膨胀岩 力学特性:用土固结仪测定岩样浸水后体积不变时所需
要的外加压力,工程上称为膨胀压力.
膨胀岩中地下洞室的变形破坏机制
K(1 - lg/lg 0 )
物理化学效应:由于吸水使围岩膨胀、软化、崩解。 力学效应:围岩塑性破坏及剪涨扩容,使岩体结构破
E1
粘性元件
2
组合模型本构方程: 解答:
E
t 1 (t) 0 ( E )
讨论: a)瞬时弹性变形; b) 不稳定蠕变; c)指数型松弛

岩石的流变性质

岩石的流变性质

, 2 , 2 E t1
卸载方程 蠕变方程 t1时刻,应力减为零,瞬时应变为 1;随时间增加,应变 逐渐减小,t 时, 0 。说明阻尼器在弹簧收缩时, t 时, 弹簧和阻尼器完全恢复变形, 逐渐恢复变形; 即弹性后效
E t 0 1 1 = 1 e E
1
0
令 = 0
E
1
0 C E
E
Maxwell模型的蠕变本构方程
Maxwell模型的蠕变本构方程
0 1 = 0t E
Maxwell模型的特点:
基本本构模型构成蠕变模型
蠕变曲线 卸载曲线
0 0 E
0
①有瞬时应变,并且应变随时 o t' 间逐渐增长,属于等速蠕变。 0 ②卸载时,变形 立刻恢复,但蠕变变形不可恢复 E 该模型用来模拟软硬相间的岩体,模拟垂 直层面加载条件下的本构规律。
,

,
const
0
0
(3)应变为一定值时,应力为 零。无应力松弛性能。
粘性体力学模型
2 基本模型的组合特性
基本本构模型构成蠕变模型
组合方式:串联、并联、串并联、并串联 串联时应力、应变特性: 应力:组合体总应力等于串联中任何元件的应力 应变:组合体总应变等于串联中所有元件的应变 之和
1 2
1
2
并联时应力、应变特性: 应力:组合体总应力等于并联中所有元件的应力之和 应变:组合体总应变等于串联中任何元件的应变
1 2
1 2
3 组合模型
(1)马克斯威尔(Maxwell)模型 弹粘性体:由一个弹簧 和一个阻尼器串联而成。 • 本构方程
,

第3章岩石变形物理学(3)-岩石力学性质

第3章岩石变形物理学(3)-岩石力学性质

地壳岩石严格讲也是一种粘弹性体,只不过不像蛋 清那样明显,这主要是它的流动需要在长时间载荷 下表现出来。对于固体或流体而言,温度越高,粘 度越低,反映易流动性越大。
地壳及地幔岩石具有非常缓慢的流动性。因而粘度 是衡量地球动力学的一个重要参数。
人们把物体具有的这些力学性质概括为物质的流变 性(rheological properties),并形成一门新兴学科 -流变学(rheology)。流变学是研究固体物质流 动的科学。
岩石力学性质-是指在应力和应变作用下,岩石发 生塑性变形(褶皱)或脆性变形(破裂)的条件;
岩石力学性质是约束岩石变形和构造几何特征的重 要条件。例如,同样的压应力作用在不同岩层的力 学表象明显不同:在柔性岩层中形成褶皱构造;在 相对硬岩层中形成断裂构造;在软硬相间岩层中形 成香肠构造
影响岩石力学性质的因素
X是活化了的化合物。 水弱化作用结果表现: 产生大量扩张应变,诱发裂纹尖端高应力; Si-O共价键被H-O代替,加速岩石塑性变形; H-O键加速热力学的反应; H2O含量增加,降低岩石熔点,加速熔体形成;
时间影响因素(5)
与实验室岩石力学研究不同,地质条件的岩石变形 时间很长,一个造山带变形要经历几百万年才完成。
岩石变形机制通常有三种: (1)碎裂作用(cataclasis) (2)晶内塑性(intracrystalline plasticity) (3)晶内扩散流动(flow by diffusive mass transfer)
脆-韧性转化-从宏观表象上描述 脆-塑性转化-从微观机制上描述 脆-塑(韧)性转换域是一个十分重要的
应力
理想粘性材料的力学行为
应力
σy
理想塑性材料的力学行为
弹塑性变形—指物体同时具有弹性和塑性的性能。 在弹塑性变形中,有一部分是弹性,其余部分为 塑性变形。

岩石流变力学

岩石流变力学

2 流变室内试验
在流变试验中: 1、蠕变试验与松弛试验是等价的,蠕变试验易做,松弛试验难 做,故主要进行蠕变试验。 2、采用单件分级加载,即“陈氏加载法”能大大节省试验时间。 3、对某些类型的岩石,可以利用时温等效原理,用温度换时间, 可大大缩短试验周期,提高效率。 4、将有限范围的流变试验,通过类推进行时空延拓。
讨论
流变试验中的影响因素有哪些?
试件含水量
加载路径
温度
各向异性
参考:张尧,熊良宵.岩石流变力学的研究现状及其发展方向.地质力学 学报,2008,14(3):274~285.
三轴压缩蠕 变试验
剪切蠕变试 验
扭转蠕变试 验
弯曲蠕变试 验
松弛试验
2.3 试验设备
主要实验设备 蠕变仪 松弛仪
关键:所加荷载(应力或应变)的长期稳定 砝码-杠杆加载系统
液压千斤顶辅以手工增加补偿压力
主要加载方法 弹簧加载 油-气储能器稳定载荷装置 闭环式伺服液压加载
单轴压缩砝码-杠杆加载原理示意图
岩石三轴蠕变试验机
2.4 长期强度确定方法
一般情况下,当荷载达到岩石瞬时强度(通常指岩石单 轴抗压强度)时,岩石发生破坏。在岩石承受荷载低于其瞬 时强度的情况下,如持续作用较长时间,由于流变作用,岩 石也可能发生破坏。因此,岩石的强度是随外载作用时间的 延长而降低,通常把作用时间 t 的强度称之为岩石的长期 强度。 长期强度的确定方法有两种:一种方法可以通过各种应 力水平长期恒载蠕变试验得出;另一种方法是通过不同应力 水平蠕变试验,得出不同时刻的应力应变曲线。
岩石流变室内试验
1 岩石流变概念
岩石流变力学主要探讨岩石在一定的环境力场作用下与时间有 关的变形、应力和破坏的规律性。主要了解岩石的蠕变规律、松弛 规律和长期强度。 导致岩石发生流变的原因是因为在长期环境力场作用下岩石矿 物骨架随时间不断调整。

岩石力学基础教程 第2版 第3章 岩石的时间效应与流变性质

岩石力学基础教程 第2版 第3章 岩石的时间效应与流变性质
与时间无关: 刚体;
与时间有关: 弹性体 塑性体 粘性体
2023/9/13
《岩石力学》
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3.2.1 理想物体的本构模型
0
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《岩石力学》
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3.2.2 组合模型 H-StV体
应力-应变关系

S
k

S
此时,流变特性同弹性元件 此时,流变特性同塑性元件
H-StV体力学模型
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;
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《岩石力学》
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3.1.1 蠕变
蠕变的三阶段和三水平
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《岩石力学》
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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。
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《岩石力学》
6
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。
宾汉姆体(表7.4):应力松弛不降为零,而是降至 s 。
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《岩石力学》
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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。
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式。目前的经验公式一般用于描述初期蠕变和等速蠕变;对于加速
蠕变,至今尚未找到简单适用的经验公式。蠕变的经验公式主要有:
1.幂函数型:
(t) At n
ε(t)
n>0
n<0
A、n—试验常数,与应
力水平、材料特性等有

0
t
2.对数型
t 0 B logt Dt
0 — 瞬时弹性应变
B、D — 试验常数
f .t
表示流动(应变速率)与应力、时间的关系。 5、硬化理论
f .
随着变形增加,变形速率减少,仿佛“硬化”。 6、速率过程理论:从物理化学的角度来描述岩土体的分子热运动
§3.3 岩石蠕变的本构模型
经验公式 本构模型组合模型
积分形式的模型
一.经验公式
经验公式是根据不同试验条件及不同岩石种类求得的数学表达
与时间有关
弹性后效 (流变)流动塑粘性性流流动动
弹性后效:是一种延期发生的弹性变形和弹性恢复,即外力卸载后 弹性变形没有立即完全恢复,而是随着时间才逐渐恢复到零;
流动:变形随时间延续而发生的塑性变形; 粘性流动:在微小外力作用下发生的流动; 塑性流动:在外力达到某个极限后,材料才发生的流动;
第三章岩石流变学
§3.1 岩石工程中的流变问题 流变(theology): 物质在外部条件不变的情况下,应力和应变随时
间变化的现象.流变性又称粘性(viscosity).
按卸载后变形是否恢复
弹性变形 (可恢复变形 ) 塑性变形(不可恢复变形
)
物体变形
与时间无关
(瞬时变形)塑 弹性 性
按与时间之间的关系
我们知道,在塑性力学中,塑性本构关系包含三个方面:屈服 条件,加卸载条件和本构方程.
而在流变学中,流变性包含两大部分:
流变过程中应力应变与 时间的关系(流变方程) 流动极限与时间的关系 (流动极限的衰减方程 )
1 流变方程(状态方程)一般可写为:
f ( , , t) 0 或 f (, ) 0
式中, d , d
(1)在围压恒定,轴压增加的情况下,时间效应较明显,变化 规律与单轴压缩情况类似;反之,在轴压恒定,围压增加的情况下, 时间效应多不明显;
(2)侧压对某些岩石蠕变的影响很显著。
5、软弱夹层和沿节理结构面的剪切流变性状是决定不连续岩体流 变特征的关键;节理面的剪切刚度随时间而降低,剪切应变速率随 剪应力的增加而增加; 6、含水量对岩石试件的蠕变性态有一定影响; 7、在恒定的单向压应变作用下,多数岩石都表现出不同程度的应 力松弛特性; 8、流变试验时试样破坏的形式与普通短期加载试验试样破坏的形 式相似,一般为拉破、剪破以及两者的复喝形式。 二、流变理论 1、模型理论:把流变特性看成是弹性、粘滞性和塑性的联合作用
的结果,用弹性元件、粘性元件和塑性元件组成的模型来研究 流变问题; 2、遗传流变理论:某一时刻的变形不仅与这个时刻的应力值有关, 而且与变形的历史有关(记忆理论)
t (t)
t
K
t
d
E
Kt — 蠕变核
通过积分方程来研究流变,故又称积分理论。 3、老化理论:流变状态方程
f .t
反映了材料特征随时间的变化而“老化”。 4、流动理论:状态方程
力增加也比轴向蠕变的更迅速; (2)多数岩石在较低的单向压应力作用下表现出粘弹性固体
性状, 而当压力超过一定量值后,则多表现为粘塑性流变的状态; (3) 某些岩石有体积蠕变的特性;
(4) 岩石的长期强度一般都大大低于岩石的瞬时强度, 一般可把 增量泊桑比为0.5所对应的应力定为长期强度;
(5) 弹性模量和泊桑比随加载时间和加载速度的不同而变化; 2、一些岩石在单向拉伸、扭转(剪切)和多点弯曲等恒载分别作 用下的变形均表现出更加明显的时间效应; 3、扭转流变试验是探讨岩石剪切流变特征的重要手段; 4、在双轴和三轴压缩的复杂应力状态下,岩石的蠕变性态受到各 个方向应力大小及加载路径的影响,例如
dt
dt
在前一个流变方程中, 常将三个因素 ,, t 中的一个固定, 研究
其它两个因素的相互关系: (1) 蠕变(徐变)方程: 在给定应力条件下的应变与时间的关系方
程; 蠕变性: 在恒定载荷作用下, 变形随时间而增长的性质;
(2) 松弛方程: 在给定应变条件下的应力与时间的关系方程; 应力松弛: 当应变保持一定时, 应力随时间而减少的现象;
阶段是一条上升直线; (3) 不稳定蠕变: 在高应力水平下, 连续出现Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ阶段的蠕变,
变形在后期迅速增加而导致破坏.
§ 3.2 岩石流变的力学属性及流变理论 一、岩石流变的力学属性:主要是通过试验了解,目前主要了
解到: 1、在单向压缩情况下, (1)岩石的侧向蠕变比轴向蠕变更显著,侧向蠕变速率随应
(3) 等时应力应变方程: 给定时刻的应力应变关系方程;
(4) 粘性方程:应变f速(率,与应) 力 的0 关系方程;
(5) 卸载方程:在给定应力-应变水平上, 突然卸去外载后, 变形随 着时间延续而逐渐消失变化的方程.
因此, 蠕变性, 松弛性, 等时应力-应变关系, 粘性方程和卸载特 性构成了材料流变的五个侧面.
3.指数型
t A1 exp f t
A — 试验常数
f t是时间t的函数
经验公式的优点 ①简单实用 ②对特定的岩石,能很好吻合
试验结果缺点: ①较难推广到所有各种岩石和情况 ②不能描述应力松弛特性 ③形式不易于进行数值计算
ε(t) ε0 0
ε
I阶段:蠕变开始阶段,曲线上凸,
应变速率逐渐减少, 衰减蠕变; Ⅱ阶段:等速蠕变阶段, 又称稳定蠕变

阶段, 是一条直线, 应变速率等于 常数; Ⅲ阶段:加速蠕变阶段应变速率逐渐
Ⅱ I
增加,曲线下凹
t
蠕变类型: (1) 稳定蠕变: 在低应力水平下, 只有Ⅰ,Ⅱ阶段的蠕变,且Ⅱ阶段
是一条水平线; (2) 亚稳定蠕变: 在中等应力水平下, 只有Ⅰ,Ⅱ阶段的蠕变,但Ⅱ
2 流动极限: 具有流变性材料的屈服极限.
实验证明, 流动极限往往随时间的延长而 衰减, 故称为 衰减方程
t=0时的流动极限称为瞬时流动极限,常常近似地称为瞬时强度;
t 时的流动极限称为长期流动极限或长期流动强度.
流变问题主要研究蠕变现象.
3蠕变曲线:在应力一定条件下,应变与时间的关系曲线.
一般分为三个阶段:
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