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时间:2019-06-13
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1、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;8/25/20211《岩石力学》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;8/25/20212《岩石力学》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
2、;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;8/25/20213《岩石力学》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8/25/20214《岩石力学》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。8/
3、25/20215《岩石力学》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-18/25/20216《岩石力学》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。8/25
4、/20217《岩石力学》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:8/25/20218《岩石力学》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;8/25/20219《岩石力学》确定方法进行各种
5、应力水平长期恒载试验8/25/202110《岩石力学》进行不同应力水平的蠕变试验8/25/202111《岩石力学》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;8/25/202112《岩石力学》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。8/25/202113《岩石力学》虎克体力学模型及其动态8/25
6、/202114《岩石力学》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8/25/202115《岩石力学》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;8/25/202116《岩石力学》牛顿体力学模型8/25/202117《岩石力学》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8/25/202118《岩石力学》马克斯韦尔体(M=H—N)(18
7、68)本构关系解得马体本构关系马克斯韦尔体力学模型8/25/202119《岩石力学》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8/25/202120《岩石力学》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8/25/202121《岩石力学》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8/25/202122《岩石力学》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-汤姆逊体(P209):稳定蠕变模型,有弹性后效。伯格斯体(P2
8、12):有瞬时弹性变形、减速蠕变、等速蠕变的性质,对软岩(如泥质岩
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