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1、岩石的力学特性节第1页，本讲稿共37页3.5 岩石的流变特性岩石的流变特性3.5.1 岩石流变岩石流变 定义定义 岩石流变岩石流变是指岩石变形与时间有关的性质。是指岩石变形与时间有关的性质。不同加载速率不同加载速率 不同变形性状不同变形性状。岩石流变岩石流变包括包括蠕变蠕变、松弛松弛、弹性后效弹性后效和和粘性流动粘性流动。蠕变蠕变:应力保持不变时，应变随时间增加而增长的现象；应力保持不变时，应变随时间增加而增长的现象；松弛松弛:应变保持不变时，应力随时间增加而减小的现象；应变保持不变时，应力随时间增加而减小的现象；弹性后效弹性后效:加加(卸卸)载后，经过一段时间应变才增加载后，经过一段时间应变
2、才增加(或减少或减少)到应有数值的现象；到应有数值的现象；粘性流动粘性流动:蠕变一段时间后卸载，部分应变永久不恢复的蠕变一段时间后卸载，部分应变永久不恢复的现象。现象。第2页，本讲稿共37页岩石流变岩石流变包括蠕变、松弛、弹性后效和粘性流动。包括蠕变、松弛、弹性后效和粘性流动。蠕变蠕变:应力保持不变时，应变随时间增加而增长的现象；应力保持不变时，应变随时间增加而增长的现象；松弛松弛:应变保持不变时，应力随时间增加而减小的现象；应变保持不变时，应力随时间增加而减小的现象；弹性后效弹性后效:加加(卸卸)载后，经过一段时间应变才增加载后，经过一段时间应变才增加(或减少或减少)到应有数值的现象；到应有
3、数值的现象；粘性流动粘性流动:蠕变一段时间后卸载，部分应变永久不恢复的蠕变一段时间后卸载，部分应变永久不恢复的现象。现象。第3页，本讲稿共37页1.岩石蠕变岩石蠕变 研究意义重大。研究意义重大。岩石蠕变岩石蠕变 十分普遍十分普遍!边坡工程边坡工程地下工程地下工程 岩石蠕变岩石蠕变 应力重（新）分布应力重（新）分布 岩体内及建岩体内及建(构构)筑物内产生筑物内产生应力集中应力集中 影响岩体工程的稳定性。影响岩体工程的稳定性。第4页，本讲稿共37页1)岩石蠕变曲线岩石蠕变曲线 图图3-27 蠕变曲线。蠕变曲线。不同应力水平不同应力水平 不同。不同。(1)初始蠕变初始蠕变/瞬态阶段。瞬态阶段。(2)
4、卸荷卸荷应力应力立即消失，立即消失，(3)应变应变弹性后效。弹性后效。三个阶段三个阶段(图图3-27)：初始蠕变、初始蠕变、等速蠕变、等速蠕变、加速蠕变。加速蠕变。2)蠕变蠕变 不稳定蠕变，不稳定蠕变，稳定蠕变。稳定蠕变。典型的蠕变曲线典型的蠕变曲线第5页，本讲稿共37页(2)等速蠕变等速蠕变/稳态阶段。稳态阶段。曲线呈近似直线，曲线呈近似直线，卸载应变恢复，卸载应变恢复，但存在一永久应变。但存在一永久应变。(3)加速蠕变加速蠕变/不稳定阶段。不稳定阶段。应变速率迅速增加。应变速率迅速增加。岩石蠕变稳定与否岩石蠕变稳定与否应力水平应力水平 与与 临界应力临界应力。岩石的长期强度岩石的长期强度第
5、6页，本讲稿共37页3.5.2 岩石流变方程岩石流变方程 流变方程流变方程 流变过程中的应力、应变和时间的关系。流变过程中的应力、应变和时间的关系。流变方程流变方程:本构方程、蠕变方程和松弛方程本构方程、蠕变方程和松弛方程 微分方程微分方程 或或 经验公式。经验公式。用用理想弹性元件、塑性元件和粘性元件理想弹性元件、塑性元件和粘性元件组合，建立流变模组合，建立流变模型。型。不同组合形式不同组合形式不同模型。不同模型。第7页，本讲稿共37页1流变模型基本元件流变模型基本元件弹性元件弹性元件粘性元件粘性元件塑性元件塑性元件第8页，本讲稿共37页1)弹性元件弹性元件 虎克体虎克体理想弹性体理想弹性体
6、(满足虎克定律满足虎克定律)。其力学模型其力学模型弹簧元件弹簧元件(图图3-28a)。本构方程本构方程:第9页，本讲稿共37页 关于虎克体：关于虎克体：瞬时弹性变形，与时间无关。瞬时弹性变形，与时间无关。虎克体不存在弹性后效；虎克体不存在弹性后效；一定的非零荷载一定的非零荷载(应力应力)对应相应的应变，对应相应的应变，应力为零应力为零(卸载卸载)应变为零应变为零无应力松弛；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应变恒定时，应力不变，应力并不因时间增长而减小小无蠕变性。无蠕变性。应力保持恒定，应变也保持不变应力保持恒定，应变也保持不变第10页，本讲稿共37页2)塑性元件塑性元件
7、 理想塑性体理想塑性体:力学模型力学模型摩擦片摩擦片(或滑块，如图或滑块，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，应力达到屈服极限时开始产生塑性变形，应力不增加，变形仍增长变形仍增长本构方程本构方程:第11页，本讲稿共37页3)粘性元件粘性元件 牛顿体牛顿体 理想粘性体理想粘性体 阻尼器阻尼器(图图3-30a)。应力与应变速率成正比应力与应变速率成正比(图图3-30b)。本构方程本构方程:第12页，本讲稿共37页关于粘性元件：关于粘性元件：应变与时间有关，且无瞬时变形应变与时间有关，且无瞬时变形;粘性元件具有流变性粘性元件具有流变性;粘性元件无弹性后效，但存在永久变形
8、；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。粘性元件无应力松弛特性。第13页，本讲稿共37页圣维南体圣维南体(St.Venant Model)马克斯威尔体马克斯威尔体(Maxwell Model)开尔文体开尔文体(Kelvin Model)广义开尔文体广义开尔文体(modified Kelvin Model)伯格斯体伯格斯体(Burgers Model)宾汉体宾汉体(Bingham Model)西原体。西原体。代表性代表性组合模型组合模型2流变微分方程流变微分方程基本元件基本组合方式基本元件基本组合方式:串联串联与与并联并联。串联组合体串联组合体:并联组合体并联组合体:第14
9、页，本讲稿共37页1)圣维南圣维南(St.Venant)体体(图图3-31a)本构方程本构方程 第15页，本讲稿共37页卸载特性卸载特性 卸载卸载=0，弹性变形完全恢复，塑性变形停止。，弹性变形完全恢复，塑性变形停止。保留已发生塑性变形。保留已发生塑性变形。圣维南体代表圣维南体代表理想弹塑性体理想弹塑性体，无蠕变，无松弛，无弹性后效。无蠕变，无松弛，无弹性后效。第16页，本讲稿共37页2)马克斯威尔马克斯威尔(Maxwell)体体(图图3-32)本构方程本构方程 弹弹 簧簧 阻尼器阻尼器 第17页，本讲稿共37页蠕变方程蠕变方程第18页，本讲稿共37页松弛方程 第19页，本讲稿共37页克斯威尔
10、体有克斯威尔体有松弛松弛现象现象 物理概念理解物理概念理解:t=0，弹簧开始变形，阻尼器来不及变形。，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，在弹簧的作用下，阻尼器逐渐变形，弹簧收缩，弹簧应力减小力减小 松弛。松弛。第20页，本讲稿共37页3)开尔文开尔文(Kelvin)体体(图图3-34)本构方程本构方程 弹弹 簧簧 阻尼器阻尼器 第21页，本讲稿共37页蠕变方程蠕变方程原因原因:施力瞬间阻尼器的惰性施力瞬间阻尼器的惰性阻止弹簧产生瞬时变形。阻止弹簧产生瞬时变形。蠕变曲线蠕变曲线第22页，本讲稿共37页卸载方程卸载方程t=t1时卸载，时卸载
11、，0初始初始条件条件本构方程：本构方程：第23页，本讲稿共37页表明表明:阻尼器在弹簧收缩时，随之恢复变形，当阻尼器在弹簧收缩时，随之恢复变形，当t时，弹簧时，弹簧元件与粘性元件完全恢复变形。元件与粘性元件完全恢复变形。弹性后效弹性后效。卸载方程卸载方程第24页，本讲稿共37页应变恒定：应变恒定：0const松弛方程松弛方程表明模型无应力松弛性能。表明模型无应力松弛性能。综上所述：综上所述：开尔文体属于稳定蠕变模型，有弹性后效，但无松弛开尔文体属于稳定蠕变模型，有弹性后效，但无松弛现象。现象。本构方程：本构方程：应力恒定应力恒定第25页，本讲稿共37页4)广义开尔文体广义开尔文体(Modifi
12、ed Kelvin Model,图图3-36)开尔文体开尔文体+弹簧串联。弹簧串联。本构方程本构方程 蠕变方程蠕变方程弹性后效弹性后效(卸载效应卸载效应)第26页，本讲稿共37页5)伯格斯伯格斯(Burgers)体体 图图3-38伯格斯体伯格斯体 粘弹性体粘弹性体 马克斯威尔体马克斯威尔体+开尔文体串联。开尔文体串联。第27页，本讲稿共37页6)宾汉宾汉(Bingham)体体 图图3-40宾汉体宾汉体=虎克体虎克体+理想粘塑性体串联。理想粘塑性体串联。主要反映岩石的弹性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。粘塑性特性，适用于粘土及半坚硬岩石。第28页，本讲稿共37页3经验方程经
13、验方程 根据岩石流变试验结果，通过数理统计的方法拟合出经验根据岩石流变试验结果，通过数理统计的方法拟合出经验表达式。表达式。瞬时瞬时应变应变初始阶初始阶段应变段应变等速阶等速阶段应变段应变加速阶加速阶段应变段应变第29页，本讲稿共37页临时作业临时作业参考答案：参考答案：1、B2、D3、B4、D第30页，本讲稿共37页二、填空题二、填空题1 1、岩石流变包括（、岩石流变包括（蠕变蠕变）、（）、（松弛松弛）、（）、（弹性后效弹性后效）和（）和（粘性流动粘性流动）。）。2 2、在低侧压真三轴条件下，岩石破坏可分为（、在低侧压真三轴条件下，岩石破坏可分为（剪切剪切）、（）、（拉剪拉剪）、（）、（拉裂
14、拉裂）。）。3 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、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瞬态阶段 、稳态阶段稳态阶段和和不稳定阶段不稳定阶段 三个阶段。三个阶段。4 4、在研究岩石流变中，常用流变模型的三个基本元件为、在研究岩石流变中，常用流变模型的三个基本元件为 弹性元件弹性元件、塑塑性元件性元件 和和粘性粘性 元件。元件。5 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、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 经经验验方法和方法和蠕变模型蠕变模型 方法。方法。第31页，本讲稿共37页
15、3.6 3.6 影响岩石力学性质的主要因素影响岩石力学性质的主要因素主要包括主要包括岩石本身性质岩石本身性质和和试验与环境条件试验与环境条件。岩石本身性质岩石本身性质：矿物组成、结构构造：矿物组成、结构构造(颗粒大小、连结及微结颗粒大小、连结及微结构发育特征等构发育特征等)、密度、风化程度及各向异性等等；、密度、风化程度及各向异性等等；试验与环境条件试验与环境条件：主要有：主要有水、温度、加载速率、围压水、温度、加载速率、围压的大小等。的大小等。第32页，本讲稿共37页1水对岩石力学性质的影响水对岩石力学性质的影响 岩石中的水两种赋存方式：岩石中的水两种赋存方式：5个主要方面个主要方面结合水结
16、合水/束缚水束缚水自由水自由水/重力水重力水连接作用连接作用润滑作用润滑作用水楔作用水楔作用孔隙压力作用孔隙压力作用溶蚀溶蚀-潜蚀作用潜蚀作用第33页，本讲稿共37页2温度对岩石力学性质的影响温度对岩石力学性质的影响第34页，本讲稿共37页3加载速率对岩石力学性质的影响加载速率对岩石力学性质的影响低高第35页，本讲稿共37页 岩石的脆性和塑性岩石的脆性和塑性并非岩石固有的性质，它并非岩石固有的性质，它与其受力状态有关，随着与其受力状态有关，随着受力状态的改变，其脆性受力状态的改变，其脆性和塑性是可以相互转化的。和塑性是可以相互转化的。4围压对岩石力学性质的影响围压对岩石力学性质的影响 在三轴压
17、缩条件下，岩石的变形、强度和弹性极限在三轴压缩条件下，岩石的变形、强度和弹性极限都有显著增大。都有显著增大。第36页，本讲稿共37页（1）新鲜岩石）新鲜岩石风化岩石的力学性质有着较大的区别。风化岩石的力学性质有着较大的区别。严重风化严重风化力学性质明显降低。力学性质明显降低。风化程度不同风化程度不同影响程度不同。影响程度不同。（2）风化主要造成岩石抗水性降低、亲水性增高。）风化主要造成岩石抗水性降低、亲水性增高。孔隙性增加、透水性增强孔隙性增加、透水性增强降低岩石强度降低岩石强度压缩性加大。压缩性加大。抗压强度：抗压强度：X100MPa X10MPa。5风化对岩石力学性质的影响风化对岩石力学性质的影响第37页，本讲稿共37页