岩石力学-第四章01课件.ppt

2004-9 《岩石力学》 第四章 岩石的时间效应与流变性质 背景： 各种岩土工程，无一不和时间因素有关； 是岩石力学的重要研究内容之一； 存在的问题尚多，理论与实验研究仍有待进一步加强； 4.1时间效应 广义的时间效应 加载速率效应； 流变现象； 加载速率效应 快：弹模高，峰值强度大，韧性低；快速加载达到破坏时的应力，称为瞬时强度； 慢——弹模低，峰值强度低，韧性高； 极慢：产生流变现象；经过较长时间加载达到破坏时的应力，称为长时强度； 流变 蠕变——即应力保持不变，应变随时间t延长而增加的现象； 松驰——即应变保持不变，应力随时间t延长而减小的现象； 弹性后效——即加载(或卸载)后经过一段时间应变才增加(或减小) 到一定数值的现象； 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； 4.1.1 蠕变 蠕变的三阶段和三水平 蠕变三水平 蠕变三阶段 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。 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。 蠕变加载方法 重物+杠杆法 弹簧加载法 大小气、液缸法 扭转法：可分段加载，省时省力 伺服机加载法：加载速率可达10-10s-1 蠕变试验的应变量测仪表： 因电测元件难以保证长期稳定性，故多以千分表为主。 研究蠕变的意义 中硬以下岩石及软岩中开挖的地下工程，大都需要经过半个月甚至半年时间变形才能稳定；或处于无休止的变形状态，直至破坏失稳。 解决地下工程的设计和维护问题。 4.1.2 蠕变方程的建立 在试验的基础上，建立流变方程的方法有三种： 微分方程方法（流变模型理论）； 积分方程方法： 经验方程方法： 4.2 岩石的长时强度 定义 长时强度——岩石在达到其瞬时或短时强度 时产生破坏。但岩石强度常随着作用时间延长而降低。其最低值，就是对应时刻 时的强度 ，称为长时强度。 长时强度的意义 是一种反映时间效应的极有意义的岩性指标； 当衡量永久性及使用期较长的岩土工程的稳定性时，应以长时强度作为岩石强度的计算指标； 至今，国内外已进行的岩石流变试验极其有限； 确定方法 进行各种应力水平长期恒载试验 进行不同应力水平的蠕变试验 4.3 岩石的流变模型 固体材料的变形性质可以理想化为： 刚体，与时间无关； 弹性体、塑性体、粘性体，与时间有关； 4.3.1 理想物体的本构模型 虎克体（Hoek）—H 应力-应变关系 从上式可以看出弹簧元件的性能 具有瞬时弹性变形性质，无论荷载大小，只要应力不为零，就有相应的应变出现；当应力为零(卸载)时,应变也为零，说明没有弹性后效； 无应力松弛性质。 无蠕变性质。 虎克体力学模型及其动态 库仑体(Coulomb)—C 应力-应变关系 当 时， ；即无任何变形； 当 时， ；变形无限增长； 库仑体力学模型 牛顿体（Newton）—N 应力-应变关系 从上式可以看出弹簧/牛顿体元件的性能 应变与时间有关，无瞬时变形； 无弹性后效，有永久变形； 无应力松弛性质； 牛顿体力学模型 4.3.2 组合模型 圣文南体（St. Venant）—St.V 应力-应变关系 圣维南体力学模型 圣维南体本构关系示意图 马克斯韦尔体（M=H—N）（1868） 本构关系 解得马体本构关系 马克斯韦尔体力学模型 马克斯韦尔体蠕变和松弛 有瞬时应变，为线性蠕变； 有松弛； 马克斯韦尔体的蠕变曲线和松弛曲线 开尔文体（K=H/N）（1890年） 本构关系 解得开体本构关系 开尔文体模型 开尔文体蠕变和弹性后效 稳定蠕变； 有弹性后效；没有松弛； 开尔文体蠕变曲线和弹性后效曲线 更复杂的模型 广义开尔文体(P208)：稳定蠕变模型，有弹性后效。 饱依丁-汤