岩石流变理论课件.ppt

流变的概念 蠕变的类型和特点 描述流变性质的三个基本元件 组合模型及其性质;流变(theology): 物质在外部条件不变的情况下，应力和应变随时间变化的现象．流变性又称粘性（viscosity).;*;1940.05(底鼓冒顶、断面收缩);流变的种类： 蠕变:应力不变，变形随时间增加而减小 松弛:应变不变，应力随时间增加而减小 弹性后效:加载或卸载时，弹性应变滞后于应力的现象 ;;①第一蠕变阶段。 特点：应变速率随时间增加而减小，最后变形趋于一个稳定的极限值。故又称为减速蠕变阶段或初始蠕变阶段。;②第二蠕变阶段（等速蠕变阶段BC）（较长） 特点：①应变率 ε0为常量； ②卸载：有瞬弹性恢复，弹性后效，粘性流动，不可恢复的应变—粘塑性应变。 ③第三蠕变阶段（加速蠕变阶段） 特点：① ε剧烈增加； ②一般此阶段比较短暂。 ;类型Ⅰ：稳定蠕变，只包含瞬态蠕变和稳定蠕变段，不会导致破坏，低应力状态下发生的蠕变，图中σC 类型Ⅱ：不稳定蠕变，又可分典型蠕变和加速蠕变两种，包括蠕变的三个阶段，其中加速蠕变应变率很高，几乎没有稳态蠕变阶段。较高应力状态下发生的蠕变，图中σ A 、 σ B;一种岩石既可发生稳定蠕变也可发生不稳定蠕变，这取决于岩石应力的大小。 超过某一临界应力时，蠕变向不稳定蠕变发展；小于此临界应力时，蠕变按稳定蠕变发展。 通常称此临界应力为岩石的长期强度。 ;岩石流变的力学属性：主要是通过试验了解，目前主要了解到 在单向压缩情况下， （1）岩石的侧向蠕变比轴向蠕变更显著，侧向蠕变速率随应力增加也比轴向蠕变的更迅速； （2）多数岩石在较低的单向压应力作用下表现出粘弹性固体性状, 而当压力超过一定量值后,则多表现为粘塑性流变的状态； （3）某些岩石有体积蠕变的特性； （4）弹性模量和泊松比随加载时间和加载速度的不同而变化； ;一些岩石在单向拉伸、扭转（剪切）和多点弯曲等恒载分别作用下的变形均表现出更加明显的时间效应； 扭转流变试验是探讨岩石剪切流变特征的重要手段； 在双轴和三轴压缩的复杂应力状态下，岩石的蠕变性态受到各个方向应力大小及加载路径的影响，例如 （1）在围压恒定，轴压增加的情况下，时间效应较明显，变化规律与单轴压缩情况类似；反之，在轴压恒定，围压增加的情况下，时间效应多不明显； （2）侧压对某些岩石蠕变的影响很显著。 ;*;岩石蠕变的本构模型：即应力-应变-时间的关系式。 在流变学中，流变性主要研究材料流变过程中的应力、应变和时间的关系，用应力、应变和时间组成的流变方程来表达。 流变方程主要包括本构方程、蠕变方程和松弛方程。在一系列的岩石流变试验基础上建立反映岩石流变性质的流变方程，通常有二种方法：即经验方程法、微分方程法（流变模型理论法）。 ; ①经验方程法 根据岩石蠕变试验结果，由数理统计学的回归拟合方法建立经验方程。 典型的岩石蠕变方程有： （1）幂函数方程 （2）指数方程 （3）幂函数、指数函数、对数函数混合方程;经验公式的优点 ①简单实用 ②对特定的岩石，能很好吻合 试验结果缺点： ①较难推广到所有各种岩石和情况 ②不能描述应力松弛特性 ③形式不易于进行数值计算 ; ②微分方程法（流变模型理论法） 此法在研究岩石的流变性质时，将介质理想化，归纳成各种模型，模型可用理想化的具有基本性能（包括弹性、塑性和粘性）的元件组合而成，通过这些元件不同形式的串联和并联，得到一些典型的流变模型体；相应地推导出它们的有关微分方程，即建立模型的本构方程和有关的特性曲线。微分模型既是数学模型，又是物理模型，数学上简便，比较形象，比较容易掌握。 ;弹性元件(用弹簧表示) 力学模型： 材料性质：物体在荷载作用下，其变形完全符合虎克(Hooke)定律。称其为虎克体，是理想的 线性弹性体。 本构方程：σ=k*ε 应力应变曲线（见右图）： 模型符号：H 虎克体的性能：a.瞬变性 b.无弹性后效 c.无应力松弛 d.无蠕变流动;塑性元件(用摩擦片表示) 材料性质：物体受应力达到屈服极限s0时便开始产生塑性变形，即使应力不再增加，变形仍不断增长，其变形符合库仑摩擦定律，称其为库仑(Coulomb)体。是理想的塑性体。 力学模型： 本构方程： ε=0 ，（当 ss0时） ε→∞， （当s?s0时）;粘性元件(由带孔活塞和充满粘性流体的筒(粘壶) 材料性质：物体在外力作用下，应力与应变速率成正比，符合牛顿(Newton)流动定律。称