巖石的力學(xué)特性節(jié)

巖石的力學(xué)特性節(jié)第1頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期六3.5巖石的流變特性3.5.1巖石流變定義→巖石流變是指巖石變形與時(shí)間有關(guān)的性質(zhì)。不同加載速率→不同變形性狀。巖石流變包括蠕變、松弛、彈性后效和粘性流動(dòng)。蠕變:應(yīng)力保持不變時(shí)，應(yīng)變隨時(shí)間增加而增長(zhǎng)的現(xiàn)象；松弛:應(yīng)變保持不變時(shí)，應(yīng)力隨時(shí)間增加而減小的現(xiàn)象；彈性后效:加(卸)載后，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間應(yīng)變才增加(或減少)到應(yīng)有數(shù)值的現(xiàn)象；粘性流動(dòng)

:蠕變一段時(shí)間后卸載，部分應(yīng)變永久不恢復(fù)的現(xiàn)象。第2頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期六巖石流變包括蠕變、松弛、彈性后效和粘性流動(dòng)。蠕變:應(yīng)力保持不變時(shí)，應(yīng)變隨時(shí)間增加而增長(zhǎng)的現(xiàn)象；松弛:應(yīng)變保持不變時(shí)，應(yīng)力隨時(shí)間增加而減小的現(xiàn)象；彈性后效:加(卸)載后，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間應(yīng)變才增加(或減少)到應(yīng)有數(shù)值的現(xiàn)象；粘性流動(dòng)

:蠕變一段時(shí)間后卸載，部分應(yīng)變永久不恢復(fù)的現(xiàn)象。第3頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期六1.巖石蠕變

研究意義重大。

巖石蠕變十分普遍!邊坡工程\地下工程巖石蠕變應(yīng)力重（新）分布巖體內(nèi)及建(構(gòu))筑物內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力集中

影響巖體工程的穩(wěn)定性。第4頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期六1)巖石蠕變曲線圖3-27蠕變曲線。不同應(yīng)力水平不同。初始蠕變/瞬態(tài)階段。卸荷應(yīng)力立即消失，

應(yīng)變彈性后效。三個(gè)階段(圖3-27)：

①初始蠕變、

②等速蠕變、

③加速蠕變。2)蠕變

不穩(wěn)定蠕變，

穩(wěn)定蠕變。典型的蠕變曲線第5頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期六(2)等速蠕變/穩(wěn)態(tài)階段。曲線呈近似直線，卸載應(yīng)變恢復(fù)，但存在一永久應(yīng)變。(3)加速蠕變/不穩(wěn)定階段。應(yīng)變速率迅速增加。

巖石蠕變穩(wěn)定與否應(yīng)力水平與臨界應(yīng)力。巖石的長(zhǎng)期強(qiáng)度第6頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期六3.5.2巖石流變方程流變方程流變過(guò)程中的應(yīng)力、應(yīng)變和時(shí)間的關(guān)系。流變方程:本構(gòu)方程、蠕變方程和松弛方程微分方程或經(jīng)驗(yàn)公式。

用理想彈性元件、塑性元件和粘性元件組合，建立流變模型。

不同組合形式不同模型。第7頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期六1．流變模型基本元件彈性元件粘性元件塑性元件第8頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期六1)彈性元件虎克體理想彈性體(滿足虎克定律)。其力學(xué)模型彈簧元件(圖3-28a)。本構(gòu)方程:第9頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期六關(guān)于虎克體：①瞬時(shí)彈性變形，與時(shí)間無(wú)關(guān)?；⒖梭w不存在彈性后效；一定的非零荷載(應(yīng)力)對(duì)應(yīng)相應(yīng)的應(yīng)變，應(yīng)力為零(卸載)應(yīng)變?yōu)榱恽跓o(wú)應(yīng)力松弛；應(yīng)變恒定時(shí)，應(yīng)力不變，應(yīng)力并不因時(shí)間增長(zhǎng)而減小③無(wú)蠕變性。應(yīng)力保持恒定，應(yīng)變也保持不變第10頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期六2)塑性元件理想塑性體:力學(xué)模型摩擦片(或滑塊，如圖3-29a)。應(yīng)力達(dá)到屈服極限時(shí)開(kāi)始產(chǎn)生塑性變形，應(yīng)力不增加，變形仍增長(zhǎng)本構(gòu)方程:第11頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期六3)粘性元件牛頓體理想粘性體阻尼器(圖3-30a)。應(yīng)力與應(yīng)變速率成正比(圖3-30b)。本構(gòu)方程:第12頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期六關(guān)于粘性元件：①應(yīng)變與時(shí)間有關(guān)，且無(wú)瞬時(shí)變形;②粘性元件具有流變性;③粘性元件無(wú)彈性后效，但存在永久變形；④粘性元件無(wú)應(yīng)力松弛特性。第13頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期六圣維南體(St.VenantModel)馬克斯威爾體(MaxwellModel)開(kāi)爾文體(KelvinModel)廣義開(kāi)爾文體(modifiedKelvinModel)伯格斯體(BurgersModel)賓漢體(BinghamModel)西原體。代表性組合模型2．流變微分方程基本元件基本組合方式:串聯(lián)與并聯(lián)。串聯(lián)組合體:并聯(lián)組合體:第14頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期六1)圣維南(St.Venant)體(圖3-31a)①本構(gòu)方程第15頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期六②卸載特性卸載σ=0，彈性變形完全恢復(fù)，塑性變形停止。保留已發(fā)生塑性變形。

圣維南體代表理想彈塑性體，無(wú)蠕變，無(wú)松弛，無(wú)彈性后效。第16頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期六2)馬克斯威爾(Maxwell)體(圖3-32)①本構(gòu)方程彈簧阻尼器

第17頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期六②蠕變方程第18頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期六③松弛方程第19頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期六克斯威爾體有松弛現(xiàn)象物理概念理解:t=0，彈簧開(kāi)始變形，阻尼器來(lái)不及變形。t=t1，在彈簧的作用下，阻尼器逐漸變形，彈簧收縮，彈簧應(yīng)力減小松弛。第20頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期六3)開(kāi)爾文(Kelvin)體(圖3-34)①本構(gòu)方程彈簧阻尼器

第21頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期六②蠕變方程原因:

施力瞬間阻尼器的惰性阻止彈簧產(chǎn)生瞬時(shí)變形。蠕變曲線第22頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期六③卸載方程t=t1時(shí)卸載，σ＝0初始條件本構(gòu)方程：第23頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期六表明:

阻尼器在彈簧收縮時(shí)，隨之恢復(fù)變形，當(dāng)t→∞時(shí)，彈簧元件與粘性元件完全恢復(fù)變形。

彈性后效。卸載方程第24頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期六應(yīng)變恒定：ε＝ε0＝const④松弛方程表明模型無(wú)應(yīng)力松弛性能。綜上所述：開(kāi)爾文體屬于穩(wěn)定蠕變模型，有彈性后效，但無(wú)松弛現(xiàn)象。本構(gòu)方程：應(yīng)力恒定第25頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期六4)廣義開(kāi)爾文體(ModifiedKelvinModel,圖3-36)

開(kāi)爾文體+彈簧串聯(lián)。①本構(gòu)方程②蠕變方程③彈性后效(卸載效應(yīng))第26頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期六5)伯格斯(Burgers)體圖3-38伯格斯體粘彈性體馬克斯威爾體+開(kāi)爾文體串聯(lián)。第27頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期六6)賓漢(Bingham)體圖3-40賓漢體=虎克體+理想粘塑性體串聯(lián)。主要反映巖石的彈性—粘塑性特性，適用于粘土及半堅(jiān)硬巖石。第28頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期六3．經(jīng)驗(yàn)方程根據(jù)巖石流變?cè)囼?yàn)結(jié)果，通過(guò)數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法擬合出經(jīng)驗(yàn)表達(dá)式。瞬時(shí)應(yīng)變初始階段應(yīng)變等速階段應(yīng)變加速階段應(yīng)變第29頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期六臨時(shí)作業(yè)參考答案：1、B2、D3、B4、D第30頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期六二、填空題1、巖石流變包括（蠕變）、（松弛）、（彈性后效）和（粘性流動(dòng)）。2、在低側(cè)壓真三軸條件下，巖石破壞可分為（剪切）、（拉剪）、（拉裂）。3、根據(jù)變形速率的不同特點(diǎn)，軟弱巖石的典型流變曲線可以劃分為

瞬態(tài)階段

、

穩(wěn)態(tài)階段

和

不穩(wěn)定階段

三個(gè)階段。4、在研究巖石流變中，常用流變模型的三個(gè)基本元件為

彈性元件

、

塑性元件

和

粘性

元件。5、研究巖石變形的時(shí)間效應(yīng)，一般而言主要采用兩種方法尋找其蠕變規(guī)律，即

經(jīng)驗(yàn)

方法和

蠕變模型

方法。第31頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期六3.6影響巖石力學(xué)性質(zhì)的主要因素主要包括巖石本身性質(zhì)和試驗(yàn)與環(huán)境條件。巖石本身性質(zhì)：礦物組成、結(jié)構(gòu)構(gòu)造(顆粒大小、連結(jié)及微結(jié)構(gòu)發(fā)育特征等)、密度、風(fēng)化程度及各向異性等等；試驗(yàn)與環(huán)境條件：主要有水、溫度、加載速率、圍壓的大小等。第32頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期六1．水對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)的影響

①巖石中的水兩種賦存方式：②5個(gè)主要方面結(jié)合水/束縛水自由水/重力水連接作用潤(rùn)滑作用水楔作用孔隙壓力作用溶蝕-潛蝕作用第33頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期六2．溫度對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)的影響第34頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期六3．加載速率對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)的影響低高第35頁(yè)，共37頁(yè)，2023年，2月20日，星期六巖石的脆性和塑性并非巖石固有的性質(zhì)，它與其受力狀態(tài)有關(guān)，隨著受力狀態(tài)的改變，其脆性和塑性是可以相互轉(zhuǎn)化的。4．圍壓對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)的影響在三軸壓縮條件下，巖石的變形、強(qiáng)度和彈性極限都有顯著增大。第36頁(yè)，共