岩体蠕变试验
岩土体的蠕变特性研究
岩土体的蠕变特性研究通常滑坡的发展过程是一个蠕变的过程，变形随时间而不断增加；软弱夹层控制的滑坡变形则主要是随着软弱夹层的蠕变过程，强度随时间不断降低，最终软弱夹层蠕滑导致上部岩层发生滑动从而形成滑坡，所以对软弱夹层蠕变特性的研究非常重要。
标签滑坡；边坡；蠕变特性1 概述在实际工程中，岩土的蠕变特性是最受关注的。
岩土体及软弱夹层的蠕变特性往往是引起边坡工程及滑坡工程破坏与失稳的主要原因。
边坡及滑坡的蠕变是指组成边坡及滑坡的岩体和土体在自重应力以及水平应力为主的作用下，变形随时间而持续增加的性质。
产生变形的原因是多方面的，地质作用、地下水流、温度变化、植被作用等都可以产生变形。
但就岩土体本身而言导致边坡及滑坡变形与时间有关的变形主要是岩土体蠕变引起的，因此研究岩土体材料的蠕变特性尤其是软弱夹层的蠕变特性极其重要。
2 土体的蠕变特性岩土体材料的蠕变包括岩石和土的蠕变，由于岩石材料和土体材料在结构特性、材料组成上有较大的差异，所以，岩石的蠕变特性和土体材料相比较，也有较大的区别。
人们在实验室内对各种岩体进行了单轴压缩、弯曲、剪切及常规三轴等试验，也对岩体软弱面进行了剪切试验，通过对试验结果进行分析得出不同的受力条件，各类岩土体的蠕变特性不尽相同。
从图1以看出，蠕变过程分为两种情况，第一种情况在应力较低时蠕变过程可能以减速进行，称为衰减蠕变过程见图1（a）；第二种情况在应力较高时，蠕变过程可能加速进行，称为非衰减蠕变过程见图1（b）。
在这两种情况下，变形等于受荷载后立即发生的瞬时变形ε0与随时间发展的变形ε（t）之和：衰减蠕变的过程如图1(a)所示，变形ε(t)以减速发展，速度最后趋向于零，相应地，变形ε(t)趋向于与荷载值相关的某个极限值。
非衰减蠕变过程如图1（b）所示，蠕变曲线包括四个阶段：瞬时变形阶段；初始蠕变阶段；稳定蠕变阶段；加速蠕变阶段。
非稳定蠕变阶段的蠕变变形量可以表示为：其中（1）瞬时蠕变阶段如图1（b）OA段，该段是施加恒定荷载后短时间内产生的瞬时变形，即式（2.2）中的，其值为，为施加的恒定应力，G为岩土体的弹性模量。
大理岩蠕变特性试验研究
σ c /MPa
σc /σl
速蠕变，目前还未找到简单适用的经验公式。分析 发现，大理岩试验曲线非常符合对数曲线，在此采 用未考虑加速蠕变阶段的经验公式。 对数型经验公式基本形式为[9]
64.28
RC-2 RC-3 RC-4
注： σ l ， σ l 分别为瞬时抗压强度及其均值； σ c ， σ c 分别为蠕变强度 及其均值。
型串联组成的 Burgers 模型具有 4 个可调的参数[9
(图 4)，即 GK，η K，GM，η M 。该模型可以描述第 3 期蠕变以前的蠕变曲线，既简单又实用。因此，本 文建议采用 Burgers 模型拟合大理岩的蠕变试验曲 线。这里， GK，GM 分别为 Kelvin 模型和 Maxwell 模型的弹性剪切模量； η K，ηM 分别为 Kelvin 模型和 Maxwell 模型的粘滞系数。
• 3746 •
岩石力学与工程学报
1 400 1 200 1 000
－6
2004 年
岩石蠕变试验有多种方法，最常见的有单轴、 三轴和剪切蠕变试验等，为了在不长的时间内通过 试验确定大理岩的蠕变强度和蠕变参数，以便应用 于稳定性数值分析和工程设计中，这里选择了简单 易行、又基本能满足需要的单轴压缩蠕变试验。 试验岩样为河南南阳南召大理岩，试件尺寸φ 50 mm×100 mm。蠕变试验在自行研制的 UCT-1 型蠕 变试验装置上进行，该装置能施加的最大轴向应力 为 80 MPa。采用气-液加载方法，避免了停电的影 响； 采用贮能器稳压， 当变形增加引起压力降低时， 贮能器可起到自动调节的补偿压力作用，效果很好； 采用单体分级加载方式，即首先按常规压缩试验所 获得的瞬时破坏强度和极限应变，将拟施加的最大
TESTING STUDY ON CREEP CHARACTERISTICS OF MARBLE
破裂砂岩蠕变试验研究
第 29 卷
第5期
郭臣业，等. 破裂砂岩蠕变试验研究
• 991 •
载荷作用的岩石(煤 )会在一定条件下发生岩石 (煤 ) 的延期突出。延期突出与岩石(煤)的蠕变特性有重 要关系，因此研究破裂岩石(煤)蠕变特性，对揭示 地下工程灾害发生的时滞性和制定合理的防突措施 等有重要意义。 室内岩石蠕变试验是了解其蠕变特性的主要方 法， 以往对岩石蠕变试验的研究多集中在岩石应力– 应变曲线峰值之前 ，即在岩石未破坏时加恒定载 荷，观察岩石的应变或位移随时间的变化情况。J. C. 耶格等
(1) 在围压下将砂岩试件加载到峰后区预先设
定的点，然后将轴压降至 0，并清除轴向引伸计产 生的位移量和应变量。该操作过程中使用位移控 制，位移控制速率为 0.1 mm/min。
2
试验概述
(2) 设置加载水平(见表 2)，采用力控制方式(力
控制速率为 30 kN/min) 将力升至指定值并保持恒 定。
会建议试验规范要求，加工成型后保持自然干燥状 态。 试验在美国 MTS815 岩石力学试验系统上进 行。该试验系统主要用于高强度固体材料的单轴、 3.1 破裂砂岩长期强度 概括起来，估算岩石长期强度的方法有 2 种：
3
破裂砂岩的长期强度及蠕变规律
• 992 •
岩石力学与工程学报
2010 年
一是根据岩石长期强度定义，把作用时间趋向于无 方法确定长期强度需要进行大量的试验，如根据剪 应力与剪应变等时线簇或根据流变曲线确定长期强 度的方法，工作量非常大；另一种方法根据岩石加 载过程中的应力–应变关系通过理论分析的方法得 出长期强度值[10]，该方法工作量小、计算简单。本 文利用第二种方法估算等围压状态下破裂岩石的长 期强度， 其计算原理见图 1(图中 evs 为体应变；1 为
饱水节理岩体蠕变特性研究
１ 岩体 蠕变 变 形发育 过 程
隙水作用时 ， 岩体 以岩爆的方式发生破坏 。 试验 还 发现岩 石 与 时 间有 关 的 变形 随 含 水 量 的增 高而增大 ， 在单轴应力状态下 ， 干试件 和饱水试 件的稳 态蠕变率相差大约两个数量级。文献［ ］ ３ 在对脆弹粘性 红砂岩试验 后发现 ， 水对岩石 的长期强度 有很大的影
岩体在受力发生蠕变变形这一阶段 ， 以细分为瞬 可 态变形阶段 、 稳态变形阶段和加速变形阶段 。据某滑坡 的监测结果 ， 其瞬态变形 经历 了 ４个月 ， 瞬态变形位移 量达 ２ ９ｍｍ。稳态变形经历的时间较长 ， ９４ 先后持续 了
响， 饱和状态下红砂岩的长期抗压强度是干燥状态下的 ４ ． ， ６３ 长期抗拉强度是干燥状态下的 ９ ． Ｚ， ６３ 并且饱 和状态下岩石的破坏时间也 比干燥状态下显著提前了。 饱 水后 花 岗岩长 期 强 度 的 明显 降 低 及 流 变 速率 和变 形 量 的 明显 增 大 ， 都表 明 在 实 际工 程 中 ， 能一 味 地 忽 视 不
饱水后坚硬 （ 相对） 完整岩石流变特性的影响。 ２ 饱和 裂 隙岩体 有 效弹 性模 量 与裂 隙密 度［ ４ ］ 本文采用 Ｂ ｔ 能量互异定理 ， ｅｔ ｉ 从岩石 的有效弹性
４ 年多时间， 滑移速度在 ｌＯ ￣２ ４ｍｍ ｄ的范围内波 ｌ０ １６ ／ 动。加速变形阶段 ， 边坡变形逐步 加大， 该阶段经历 了
维普资讯
２０ 年第 １ 期 ０８ ０
西部探矿工程
１７ ４
饱 水 节 理 岩 体 蠕 变 特 性 研 究
高俊 丽
（ 上海大学土木 系， 上海 ２０ ７ ） ００２ 摘 要： 分析在 裂隙水作用下岩体蠕变变形发育过程 ， 通过 Ｂ ｔ 能量互异定理 ， ｅｔ ｉ 从岩石的有效弹性模 量和固有弹性模量的角度 ， 引出了 量与岩体的裂隙形态之间的联 系， 模 并建立蠕 变的力学模型及模型
岩石的蠕变
EFG下降，最后e 应变为零。其中EF曲线为瞬时弹性应变 之恢复曲线，
而FG曲线表示应变随时间逐渐恢复为零。 由于卸载后应力立刻消失，而应变却随时间逐渐恢复，所以应力
与应变的恢复不是同步的，即应变总是落后于应力。具有这种特性的 弹性变形称为滞弹性或弹性后效。
5.3 蠕变模型
γ
τ
γ
τ
η η
ηη 1 1
τ τ
b
b
γ
γ
η2η2
cc
γ
ττ
γ
ηη 1 1 η1
η1
γ
ττγΒιβλιοθήκη dde) e)ττ
η2 η2
γ
γ
图5-5 线性粘弹性模型及其蠕变曲线 (a)马科斯威尔模型；(b)伏埃特模型；(c)广义的马科斯威尔模型；
(d)广义的伏埃特模型；(e)鲍格斯模型
5.3 蠕变模型
1(t) A1 exp(ct)
式中，A、C均为实验常数。 第一阶段蠕变应变公式更复杂些也可采用：
1(t) A1 exp(c1t) B1 exp(c2t)
式中，A、B、C1、C2 均为实验常数。
5.2 岩石蠕变经验公式
第二阶段蠕 变经验公式有：
1 ） Nadai (1963) 提出的：
.0 exp( / 0 )
石油工程中的流变现象： 在石油钻井过程中，当钻遇盐膏层时，会发生缩径现象；油田开发过程 中，由于注水，泥页岩部位的套管会受到非均匀外载的作用等都与岩层蠕变 有关。
5.1 蠕变概念和蠕变曲线
蠕变的定义： 岩石在恒定载荷持续作用下，其变形随时间逐渐缓慢 地增长现象称为蠕变(Creep）。 应力松弛的定义： 若控制变形保持不变，应力随时间的延长而逐渐减少 的现象称松驰(Relaxation)或称应力松驰。
4.8 岩石的蠕变
弹性后效概念：
加载或卸载时，弹性应变滞后于应力的现象。
2. 影响蠕变的因素 岩性 应力 温度、湿度
长期强度概念：时间→∞的强度(σ∞)
/瞬时强度（σc ） σ∞/ σc ： 一般岩石为 0.4-0.8 中、软岩为 0.4-0.6 硬岩为 0.7-0.8
应力
时间
3. 蠕变模型及本构方程
（1）理想物体基本模型
4.8
岩石的蠕变
γ
2
蠕变模型
τ
（1）马克斯威尔(Maxwell)模型： 这种模型是用弹性单元和
γ
η
γ
粘性单元串联而成，见图4-11(a)。
当剪应力骤然施加并保持为常量时， τ 变形以常速率不断发展。这个模型用 两个常数G和来描述。
τ
b
γ
a b
a b
η
τ
η 1 图4-11 线性粘弹性模型及其蠕变曲线 c
弹性元件（弹簧）
粘性元件（阻尼器）
E
，如 G
塑性元件（摩擦片）
0 t
s时，＝0
s时，
4.8
岩石的蠕变
2 蠕变模型
2)粘性模型
或称粘性单元
这种模型完全服从牛顿粘性定律，它表示应力与 应变速率成比例，例如剪应力与剪应变速率的关系 为：
6
图3 试件P3剪切位移与剪切时间的关系曲
试件分别在0.3Mp、0.35Mp、0.45Mp剪切应力作用 下，剪切位移与剪切时间关系曲线发生转折点，由等 速蠕变转变为加速蠕变。因此，试件P1、P2、P3的长 期剪切蠕变强度分别为0.3Mp、0.35Mp、0.45Mp。
根据法向应力和对应的长期剪切蠕变强度的关系曲 线求出长期抗剪强度参数为71.2Kpa，为20.8。
4.8 岩石的蠕变
1.0
0.35
0.4 0.45
9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 0 1 2
剪切位移（mm）
0.1Mpa 0.15Mpa 0.2Mpa 0.25Mpa 0.3Mpa
3 剪切历时t(d)
4
5
6
图1 试件P1剪切位移与剪切时间的关系曲线
9 8 7
剪切位移(mm)
6 5 4 3 2 1 0 0 1 2
弹性元件（弹簧）
粘性元件（阻尼器）
E
，如 G
塑性元件（摩擦片）
0 t
s时，＝0
s时，
4.8
岩石的蠕变
2 蠕变模型
2)粘性模型
或称粘性单元
这种模型完全服从牛顿粘性定律，它表示应力与 应变速率成比例，例如剪应力与剪应变速率的关系 为：
4.8
岩石的蠕变
γ
2
蠕变模型
τ
（1）马克斯威尔(Maxwell)模型： 这种模型是用弹性单元和
γ
η
γ
粘性单元串联而成，见图4-11(a)。
当剪应力骤然施加并保持为常量时， τ 变形以常速率不断发展。这个模型用 两个常数G和来描述。
τ
b
γ
a b
a b
η
τ
η 1 图4-11 线性粘弹性模型及其蠕变曲线 c
0.15Mpa 0.2Mpa 0.25Mpa 0.3Mpa 0.35Mpa
3 剪切历时t(d)
4
5
6
图2
14 12
试件P2剪切位移与剪切时间的关系曲线
0.25Mpa 0.3Mpa 0.35Mpa 0.4Mpa 0.45Mpa
岩体蠕变结构效应的数值模拟研究
第25卷增2岩石力学与工程学报V ol.25 Supp.2 2006年10月Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Oct.，2006 岩体蠕变结构效应的数值模拟研究丁秀丽1，刘建2，白世伟2，盛谦2，徐平1(1. 长江科学院水利部岩土力学与工程重点实验室，湖北武汉 430010；2. 中国科学院岩土力学重点实验室，湖北武汉 430071)摘要：采用数值模拟试验方法对岩体结构的蠕变力学效应进行研究。
通过对均质岩体、不同分布产状和数量的结构面试件进行单轴、三轴压缩蠕变试验的计算机仿真，探讨岩体蠕变的结构效应、围压效应以及不同结构条件下岩体的蠕变变形规律与破坏特征等。
结果显示，结构面产状对岩体流变性态的影响十分显著，它不仅明显改变岩体的蠕变强度、位移形态，而且控制着岩体的破坏模式及破坏条件。
大多数试件的蠕变曲线与实验室或现场得到的岩石单轴、三轴压缩蠕变曲线特征基本相似；各试件之间由于结构面产状、侧向应力水平等的不同其蠕变曲线型式在高应力状态下有所差异。
关键词：岩石力学；岩体蠕变；数值模拟试验；结构效应；单轴压缩；三轴压缩；蠕变速率；蠕变强度中图分类号：TU 45；O 241 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2006)增2–3642–08STUDY ON NUMERICAL SIMULATION OF STRUCTURE EFFECTS OFROCK MASS CREEPDING Xiuli1，LIU Jian2，BAI Shiwei2，SHENG Qian2，XU Ping1(1. Key Laboratory of Geotechnical Mechanics and Engineering of the Ministry of Water Resources，Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan，Hubei430010，China；2. Key Laboratory of Rock and Soil Mechanics，Institute of Rock and Soil Mechanics，Chinese Academy of Sciences，Wuhan，Hubei430071，China)Abstract：In this paper，structural effects of rock mass creep are studied by using numerical test. A series of uniaxial and triaxial compression creep tests on homogeneous rock and rock masses with different distributing attitudes and amounts of the structural planes are simulated by using numerical test method. Based on the simulation results，the structural effects，effects of peripheral pressure as well as the deformation behavior and failure characteristics of rock mass creep with different structures are analyzed. The results show that the attitudes of structural plane play a dominant role in the creep characteristics of rock mass，not only influencing the creep strength and displacement distribution，but also controlling the failure condition and failure mode of rock mass. The characteristics of creep curves of the rock mass derived from numerical test have a good agreement with those derived from the uniaxial and triaxial compression creep tests. It also reveals that under high stress condition，there exist some differences among these creep curves of the specimen due to the differences in the attitude of structural planes and magnitude of peripheral pressure.Key words：rock mechanics；rock mass creep；numerical simulation test；structural effect；uniaxial compression；triaxial compression；creep velocity rate；creep strength收稿日期：2006–05–29；修回日期：2006–06–30基金项目：国家自然科学基金重点项目(50539110)；国家自然科学基金资助项目(50479072)作者简介：丁秀丽(1965–)，女，博士，1987年毕业于合肥工业大学水利水电工程专业，现任教授级高工，主要从事岩石工程稳定性与数值分析方第25卷增2 丁秀丽等. 岩体蠕变结构效应的数值模拟研究 • 3643 •1 引言岩体作为赋存于一定地质环境中的地质体，它与其他固体介质的重要区别在于岩体被节理、裂隙、层理、断层等各种结构面所切割，是具有一定结构的多裂隙体。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
岩石弯曲蠕变曲线
• 岩石蠕变曲线
试验结论
• 未受到冲击扰动的岩梁试件断口形态比较 整齐,断口开裂部位位于岩梁载荷集中部位, 裂纹开裂始于中性面。 • 受到扰动载荷的岩梁试件断口形态不整齐, 断口开裂部位偏离岩梁中性面。 • 考虑粘弹性蠕变特性,在一定扰动载荷水平 的作用下,经历一段时间后岩梁可出现延迟 性蠕变失稳。 • 扰动载荷超出一定的范围时,岩梁将发生突 然失稳。
岩体蠕变试验
岩体弯曲蠕变试验的原理及其结论
岩体弯曲蠕变试验的原理
蠕变试验对材料施加一个恒定的应力状态， 然后保持该应力状态不变，观测应变状态 随时间的变化过程，通过自制重力驱动偏 心轮式杠杆扩力加载式流变仪以及弯曲蠕 变系统,研究了红砂岩梁和油页岩梁的弯曲 蠕变及其扰动效应问题。
弯曲蠕变曲线
根据应变速率不同，其蠕变过程可以分为三 个阶段： 第一蠕变阶段：如曲线中ab段所示，蠕变速 率随时间逐渐减缓，称为初始蠕变阶段或 者初始蠕变阶段。 第二蠕变阶段：如曲线中bc段所示，应变速 率保持不变，故称为等速蠕变阶段。 第三蠕变阶段：如曲线中cd段所示，应变速 率迅速增加直到岩石