第 33 章 岩石流变力学课件.ppt

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1、第3章岩石流变力学3.1引言3.2岩石的基本流变特性与实验3.3岩石蠕变的本构模型3.4复杂系统的性态3.5粘弹性问题的解法3.6软岩和膨胀岩第3章岩石流变力学1983年,Muller在第5届国际岩石力学大会上,指出:“对自然界作了不允许的简化而使人们的观点混乱的例子是忽略了时间因素对岩体性状的影响”.研究流变的重要意义:事例:1980年,湖北省盐池磷矿,160m高,体积约100万方的山体突然崩塌,四层楼被抛至对岸,造成重大伤亡.矿山顶板跨落,顶板动态仪原理与来压预报.巷道支护设计,支护时间的确定.3.1

2、引言第3章岩石流变力学基本概念:蠕变:研究在恒定载荷作用下,随着时间的延续,岩石的变形情况.=const,=(t)松弛:在恒定变形条件下,岩石的应力随时间的变化,=const,=(t)弹性后效:指加卸载后经一段时间应变才增加(或减少)到应有的数值的现象.上述种种都属于流变问题.3.1引言第3章岩石流变力学蠕变实验环境要求：恒温、恒湿、恒定载荷，测试仪器和元件稳定性极高，精度高。蠕变实验机的类型：单轴压缩；梁式三点弯曲；扭转；剪切；假三轴实验，高温高压蠕变实验。加载方式：重力加载，采用杠杆式加载

3、特点：载荷稳定，载荷小。液压加载气体稳压，特点：载荷稳定差，载荷大，耗资大。松弛方面的实验少见。3.2岩石的基本流变特性与实验第3章岩石流变力学3.2岩石的基本流变特性与实验几种岩石的蠕变曲线第3章岩石流变力学3.2岩石的基本流变特性与实验岩石的典型蠕变曲线第3章岩石流变力学3.2岩石的基本流变特性与实验第3章岩石流变力学3.2岩石的基本流变特性与实验岩石的典型蠕变曲线第3章岩石流变力学3.2岩石的基本流变特性与实验岩石的典型蠕变曲线第3章岩石流变力学蠕变基本特征:稳定蠕变:在一定的应力水平下,蠕变变形逐

4、渐减小,最终达到一极限值,称做稳定蠕变.不稳定蠕变:当载荷较大时,蠕变不能趋于一稳定极限值,而是无限增长,直至破坏.蠕变过程分为三个阶段:I)过渡蠕变阶段(瞬时)II)等速蠕变阶段,应变速率保持不变.III)加速蠕变阶段,应变速率随时间增加,直至破坏.临界应力:维持稳定蠕变的最大应力,也称此为长期强度.3.2岩石的基本流变特性与实验第3章岩石流变力学3.2岩石的基本流变特性与实验岩石的松弛特性曲线第3章岩石流变力学模型类型经验公式,组合模型,积分形式的模型(1)经验公式:I)幂函数型II)对数型III)指

5、数型3.3岩石蠕变的本构模型第3章岩石流变力学3.3岩石蠕变的本构模型(2)组合模型基本元件第3章岩石流变力学(I)马克斯韦尔(Maxwell)模型组成:弹性元件与粘性元件串联弹性元件粘性元件组合模型本构方程:解答:讨论:a)瞬时弹性变形;b)不稳定蠕变;c)指数型松弛3.3岩石蠕变的本构模型第3章岩石流变力学(I)马克斯韦尔(Maxwell)模型3.3岩石蠕变的本构模型第3章岩石流变力学(II)开尔文(Klevin)模型组成:弹性元件与粘性元件并联弹性元件粘性元件组合模型本构方程:解答:讨论:a)无瞬时

6、弹性变形;b)稳定蠕变;c)弹性后效;d)卸载后,极长时间应变恢复为03.3岩石蠕变的本构模型第3章岩石流变力学(II)开尔文(Klevin)模型3.3岩石蠕变的本构模型第3章岩石流变力学(III)伯格斯(Burgers)模型组成:M元件与K元件串联模型本构方程:解答:讨论:a)瞬时弹性变形;b)第一蠕变段;c)第二蠕变段d)存在残余变形3.3岩石蠕变的本构模型第3章岩石流变力学(III)伯格斯(Burgers)模型3.3岩石蠕变的本构模型第3章岩石流变力学(IV)宾汉姆(Bingham)模型组成:弹性、

7、粘性、塑性三元件组成本构方程：当时当时解答：特征：3.3岩石蠕变的本构模型第3章岩石流变力学(IV)宾汉姆(Bingham)模型3.3岩石蠕变的本构模型第3章岩石流变力学(V)广义的西原模型3.3岩石蠕变的本构模型第3章岩石流变力学(VI)索弗尔德--斯科特--布内尔流变模型3.3岩石蠕变的本构模型第3章岩石流变力学(VII)流变模型关系简图3.3岩石蠕变的本构模型第3章岩石流变力学（3）积分形式的模型当施加的载荷不是常数时，=(t)应变=0J(t)流变本构方程为:3.3岩石蠕变的本构模型第3章岩

8、石流变力学问题:如何将一维情况下的流变研究结果,推广到三维,是岩石流变力学的重大难题.粘弹性问题的对应性定理在一维情况下,可以用粘性元件和弹性元件组合成许多粘弹性模型,它们均可以用线性微分方程的形式表示:与塑性力学相似,将上述表达式推广到三维情况(1)3.4复杂系统的性态第3章岩石流变力学用偏应力与体积应力表示的广义虎克定律为:(2)比较(1)与(2)两式,可以得到根据弹性力学体积模量和剪切模量与弹性模量和泊松比的关系可得:3