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1、第二章三节岩石的变形特性第1页，共36页，编辑于2022年，星期二a.a.分三全阶段分三全阶段（1 1）原生微裂隙压密阶段（原生微裂隙压密阶段（OAOA级）级）特点：特点：曲线，应变率随应力增加而减小；曲线，应变率随应力增加而减小；塑性变形（变形不可恢复）塑性变形（变形不可恢复）原因：微裂隙闭合（压密）原因：微裂隙闭合（压密）（2 2）弹性变形阶段（弹性变形阶段（ABAB段）段）特特点点：曲曲线线是是直直线线；弹弹性性模模量量，E E为为常常数数（变变形形可恢复）可恢复）原原因因：岩岩石石固固体体部部分分变变形形，B B点点开开始始屈屈服服，B B点点对对应应的的应力为屈服极限应力为屈服极限
2、。第2页，共36页，编辑于2022年，星期二（3 3）塑性变形阶段（塑性变形阶段（BCBC）特点：特点：曲线曲线 ，软化现象软化现象；塑性变塑性变形，变形不可恢复；形，变形不可恢复；应变速率不断增大。应变速率不断增大。原因原因：新裂纹产生，原生裂隙扩展。新裂纹产生，原生裂隙扩展。岩石越硬，岩石越硬，BCBC段越短，脆性性质越显著。段越短，脆性性质越显著。脆性脆性：应力超出屈服应力后，并不表现出明显的应力超出屈服应力后，并不表现出明显的塑性变形的特性，而破坏，即为脆性破坏。塑性变形的特性，而破坏，即为脆性破坏。第3页，共36页，编辑于2022年，星期二b.b.弹性常数与强度的确定弹性常数与强度的
3、确定弹性模量弹性模量:国际岩石力学学会（国际岩石力学学会（ISRHISRH）建议三种方法）建议三种方法 初始模量初始模量 割线模量割线模量 切线模量切线模量极限强度极限强度 第4页，共36页，编辑于2022年，星期二2 2、反复循环加载曲线、反复循环加载曲线特点：特点：卸载应力越大，塑性卸载应力越大，塑性回滞环越大（原因：由回滞环越大（原因：由裂隙的扩大，能量的消裂隙的扩大，能量的消耗）；耗）；卸载线，相互平行；卸载线，相互平行；反复加、卸载、曲线、反复加、卸载、曲线、总趋势保持不变（有总趋势保持不变（有“记忆功记忆功 能能”）。）。第5页，共36页，编辑于2022年，星期二3 3、岩石应力、
4、岩石应力-应变曲线形态的类型应变曲线形态的类型（1 1）直线型直线型：弹性、脆性：弹性、脆性石英英、玄武岩、坚硬砂岩。石英英、玄武岩、坚硬砂岩。（2 2）下凹型下凹型：弹：弹塑性塑性石灰岩、粉砂岩；软化效应。石灰岩、粉砂岩；软化效应。（3 3）上凹型上凹型：塑：塑弹性弹性硬硬化化效效应应，原原生生裂裂隙隙压压密密，实实体体部部分分坚坚硬硬的的岩岩石石。例例如如：片麻岩。片麻岩。（4 4）S S型：塑型：塑弹弹塑型塑型多孔隙，实体部分较软的岩石：沉积岩（页岩多孔隙，实体部分较软的岩石：沉积岩（页岩）第6页，共36页，编辑于2022年，星期二第7页，共36页，编辑于2022年，星期二（二）刚性试验
5、机下的单向压缩的变形特性（二）刚性试验机下的单向压缩的变形特性 普通试验机得到峰值应力前的变形特性，多数岩石在峰值普通试验机得到峰值应力前的变形特性，多数岩石在峰值后工作。后工作。注注：C C点不是破坏的点不是破坏的开始（开始点开始（开始点B B），），也不是破坏的终。也不是破坏的终。说明：崩溃原因，说明：崩溃原因，Salamon1970Salamon1970年提年提出了刚性试验机下出了刚性试验机下的曲线。的曲线。刚刚性性机机第8页，共36页，编辑于2022年，星期二（1 1）刚性试验机工作简介）刚性试验机工作简介压力机加压（贮存弹性应能）压力机加压（贮存弹性应能）岩石试件达峰点强度（释放岩石
6、试件达峰点强度（释放应变能）导致试件崩溃。应变能）导致试件崩溃。AAOAAO2 2O O1 1面积面积峰点后，峰点后，岩块产生微小位移所需的能。岩块产生微小位移所需的能。ACO2O1面积面积峰点后，峰点后，刚体机释放的能（贮存的能）。刚体机释放的能（贮存的能）。ABOABO2 2O O1 1峰点后，峰点后，普通机释放的能（贮存的能）普通机释放的能（贮存的能）。第9页，共36页，编辑于2022年，星期二（2 2）应力、应变全过程曲线形态）应力、应变全过程曲线形态在刚性机下，峰值前后的全部应力、应变曲线分在刚性机下，峰值前后的全部应力、应变曲线分四个阶段：四个阶段：1-31-3阶段同普通试验机。阶
7、段同普通试验机。4 4阶段应变软化阶段阶段应变软化阶段 第10页，共36页，编辑于2022年，星期二特点特点：岩石的原生和新生裂隙贯穿，到达岩石的原生和新生裂隙贯穿，到达D D点，靠碎块间的摩擦点，靠碎块间的摩擦 力承载，力承载，故故 称为残余应力。称为残余应力。承载力随着应变增加而减少，有明显的软化现象承载力随着应变增加而减少，有明显的软化现象。（3 3）全应力）全应力应变曲线的补充性质应变曲线的补充性质 近似对称性近似对称性 B B点点后后卸卸载载有有残残余余应应变变，重重复复加加载载沿沿另另一一曲曲线线上上升升形形成成滞滞环环(hysteresis)hysteresis)，加加载载曲曲线
8、线不不过过原原卸卸载载点点，但但邻邻近近和原曲线光滑衔接。和原曲线光滑衔接。第11页，共36页，编辑于2022年，星期二 C C点点后后有有残残余余应应变变，重重复复加加载载滞滞环环变变大大，反反复复加加卸卸载载随随着变形的增加，塑性滞环的斜率降低，总的趋势不变。着变形的增加，塑性滞环的斜率降低，总的趋势不变。CC点后，可能会出现压应力下的体积增大现象，称点后，可能会出现压应力下的体积增大现象，称此为扩容此为扩容(dilatancy)(dilatancy)现象。一般岩的现象。一般岩的 =0.15-=0.15-0.350.35，当当 0.5 0.5时，就是扩容时，就是扩容.体积应变体积应变:第1
9、2页，共36页，编辑于2022年，星期二(3)(3)克服岩石试件单向压缩时克服岩石试件单向压缩时生产爆裂的途径生产爆裂的途径提高试验机的刚度提高试验机的刚度改变峰值后的加载方式改变峰值后的加载方式伺服控制试件的位移伺服控制试件的位移普通试验机附加刚性组件的试验普通试验机附加刚性组件的试验装置（提高试验的刚度）装置（提高试验的刚度）1岩石试件；岩石试件；2、6电阻应变片；电阻应变片；3金属圆筒；金属圆筒；4位移计；位移计；5钢垫块钢垫块第13页，共36页，编辑于2022年，星期二伺服试验机原理示意图伺服试验机原理示意图1.岩石试件；岩石试件；2.垫块；垫块；3.上压板；上压板；4.下压板；下压板
10、；5.位移传感器。位移传感器。第14页，共36页，编辑于2022年，星期二（一）（一）时变形规律见图时变形规律见图越大，越大，c，B，E越大越大二、岩石在三向压应力下的变形特性第15页，共36页，编辑于2022年，星期二（二）当为常数时，岩石的变形特性（二）当为常数时，岩石的变形特性 （1）；（；（2）E基本不受基本不受 变化影响变化影响 （3）脆性增强。脆性增强。（三）（三）为常数时，岩石的变形特性为常数时，岩石的变形特性 （1）不变；（不变；（2）E不变；不变；（3）永保塑性变形的特性，）永保塑性变形的特性，塑性变形增大。塑性变形增大。第16页，共36页，编辑于2022年，星期二（四）岩石
11、的体积应变特性（四）岩石的体积应变特性 扩容现象：扩容现象：岩石在压力下，岩石在压力下，发生非线性体积膨胀。发生非线性体积膨胀。第17页，共36页，编辑于2022年，星期二三、岩石的流变特性三、岩石的流变特性 弹性（可恢复）弹性（可恢复）与时间无关的变形与时间无关的变形 塑性（不恢复）塑性（不恢复）与时间有关的与时间有关的流变流变 蠕变：应力恒定，岩石应变随时间增大，所产生的变形称为蠕变：应力恒定，岩石应变随时间增大，所产生的变形称为 蠕变（又称为流变）。蠕变（又称为流变）。松驰：应变恒定，岩石中的应力随时间减少，这种现象称松驰：应变恒定，岩石中的应力随时间减少，这种现象称“松松 驰驰”。岩岩
12、石石变变形形蠕变蠕变松弛松弛岩石的时间效应岩石的时间效应第18页，共36页，编辑于2022年，星期二（一）典型的蠕变曲线（分三阶段）（一）典型的蠕变曲线（分三阶段）1 1、初始蠕变阶段、初始蠕变阶段（瞬变蠕变阶段）（瞬变蠕变阶段）AB。特特点点：有有瞬瞬时时应应变变 （OA）；，应应变变率率随随时时间间增增长长而而减减小小；卸卸载载后后，有有瞬瞬时时恢恢复复变变形形，后后弹弹性性后后效效，弹弹性性后后效效，变变形形经经过过一一段段时间后，逐渐恢复的现象。时间后，逐渐恢复的现象。2 2、稳定蠕变阶段、稳定蠕变阶段（BC）（较长）（较长）特特点点：应应变变率率 为为常常量量；卸卸载载：有有瞬瞬弹弹
13、性性恢恢复复，弹弹后后，粘粘流流，粘性流动，不可恢复的永变形。粘性流动，不可恢复的永变形。3 3、非稳定蠕变阶段、非稳定蠕变阶段（蠕变破坏阶段）（蠕变破坏阶段）特点：特点：剧烈增加；剧烈增加；曲线；曲线；一般此阶段比较短暂。一般此阶段比较短暂。第19页，共36页，编辑于2022年，星期二典型蠕变曲典型蠕变曲第20页，共36页，编辑于2022年，星期二（二）岩石蠕变的影响因素（二）岩石蠕变的影响因素（1 1）岩石的力学性质）岩石的力学性质 （强度，矿物组成）（强度，矿物组成）应力水平应力水平 第二阶段越长第二阶段越长；小到一定程度小到一定程度，第三蠕变不会出现；第三蠕变不会出现；很高，第二阶段短
14、，很高，第二阶段短，立即进入三阶段立即进入三阶段第21页，共36页，编辑于2022年，星期二（2 2）温度对蠕变的影响）温度对蠕变的影响 总的应变量越小。总的应变量越小。第二阶段的斜率，温度高，斜率越小。第二阶段的斜率，温度高，斜率越小。（3 3）湿度）湿度 饱和试件第二阶段饱和试件第二阶段 和总应变量都将大于和总应变量都将大于干燥状态下的试件结果。干燥状态下的试件结果。第22页，共36页，编辑于2022年，星期二（三）蠕变特性和常规变形特性的联系（三）蠕变特性和常规变形特性的联系第23页，共36页，编辑于2022年，星期二四、长期强度的的确方法四、长期强度的的确方法 由蠕变试验曲线确定岩石的
15、长时强度由蠕变试验曲线确定岩石的长时强度第24页，共36页，编辑于2022年，星期二由长时恒载破坏试验确定岩石的长时强度由长时恒载破坏试验确定岩石的长时强度第25页，共36页，编辑于2022年，星期二五、岩石介质的力学模型五、岩石介质的力学模型 岩石性质变化范围大，用多种模型来表述。主要性质：弹性、塑性、岩石性质变化范围大，用多种模型来表述。主要性质：弹性、塑性、粘性（流变）。粘性（流变）。（一）基本介质模型（一）基本介质模型 1、弹性模型、弹性模型 2、理想塑性、理想塑性(屈服应力屈服应力)3、有硬化的塑性、有硬化的塑性 k塑性硬化系数第26页，共36页，编辑于2022年，星期二第27页，共
16、36页，编辑于2022年，星期二4 4、粘性模型、粘性模型 粘性系数粘性系数（poise；poise=0.1N.S/m2）（二）常用的岩石介质模型（二）常用的岩石介质模型（弹、塑、粘三种基本模型的组合）（弹、塑、粘三种基本模型的组合）1 1、弹塑性介质模型、弹塑性介质模型第28页，共36页，编辑于2022年，星期二（1 1）无塑性硬化作用（理想塑性）无塑性硬化作用（理想塑性）（2 2）有塑性硬化作用）有塑性硬化作用塑性硬化第29页，共36页，编辑于2022年，星期二2 2、粘弹性介质模型、粘弹性介质模型最简单的粘弹模型：最简单的粘弹模型：（1）Maxwell；（2）Kelvin（1 1）Max
17、wellMaxwell模型模型模型：模型：串联串联E串联模型：电流相等，总电压等串联模型：电流相等，总电压等分电压之和分电压之和;每个元素的力相等；每个元素的力相等；总应变总应变=分应变之和。分应变之和。求本构关系：求本构关系：第30页，共36页，编辑于2022年，星期二所以所以MaxwellMaxwell的本构关系为：的本构关系为：蠕变方程：蠕变方程：松驰方程是松驰方程是：性质：有弹性变形、粘性流动，性质：有弹性变形、粘性流动，有松驰有松驰 应变时间曲线t 加载卸载t应力时间曲线第31页，共36页，编辑于2022年，星期二（2 2）kelvinkelvin模型模型 基本模型，两元件并联基本模
18、型，两元件并联本构关系：本构关系：所以本构关系所以本构关系 为一阶常系数微分方程，为一阶常系数微分方程，初始条件初始条件第32页，共36页，编辑于2022年，星期二解之解之：蠕变方程。蠕变方程。蠕变曲线的渐近线。蠕变曲线的渐近线。t=tt=t1 1时卸载，则由本构关系得：时卸载，则由本构关系得：当当t=tt=t1 1时开始卸载，时开始卸载，卸载蠕变方程（后效）卸载蠕变方程（后效）第33页，共36页，编辑于2022年，星期二描述的性质描述的性质 a.无瞬时弹性变形无瞬时弹性变形 b.b.无粘性流动无粘性流动 （无永久变形）（无永久变形）c.c.有弹性后效有弹性后效 d.d.无松弛无松弛应变随时间变化曲线松弛松弛取应变为常数代入本构关系得取应变为常数代入本构关系得：可见无松弛可见无松弛。第34页，共36页，编辑于2022年，星期二基本元件与二元件模型蠕变曲线对比第35页，共36页，编辑于2022年，星期二（三）多元件模型简介广义kelvin模型 广义kelvin模型蠕变曲线Poynting-Thomson返回返回第36页，共36页，编辑于2022年，星期二