岩体力学第二章第四节岩石的变形特性

第四节岩石的变形特性说明变形分析的重要性（直观、易测、建立模型、准则）一、岩石在单轴压缩应力作用下的变形特性（一）普通试验机下的变形特性应力、应变曲线形状与岩性有关1、典型的岩石应力、应变曲线a.分三全阶段（1）原生微裂隙压密阶段（OA级）特点：①曲线，应变率随应力增加而减小；②塑性变形（变形不可恢复）原因：微裂隙闭合（压密）11（2）弹性变形阶段（AB段）特点：①曲线是直线；②弹性模量，E为常数（变形可恢复）原因：岩石固体部分变形，B点开始屈服，B点对应的应力为屈服极限。11B（3）塑性变形阶段（BC）特点：①曲线，软化现象；②塑性变形，变形不可恢复；③应变速率不断增大。原因：新裂纹产生，原生裂隙扩展。111岩石越硬，BC段越短，脆性性质越显著。脆性：应力超出屈服应力后，并不表现出明显的塑性变形的特性，而破坏，即为脆性破坏。b.弹性常数与强度的确定弹性模量国际岩石力学学会（ISRH）建议三种方法初始模量割线模量切线模量极限强度00dEd5050/E50/ddEtcc2、反复循环加载曲线特点：①卸载应力越大，塑性滞理越大（原因：由裂隙的扩大，能量的消耗）；②卸载线，相互平行③反复加、卸载、曲线、总趋势保持不变（有“记忆功能”）。3、岩石应力-应变曲线形态的类型（1）直线型：弹性、脆性石英英、玄武岩、坚硬砂岩。（2）下凹型：弹—塑性石灰岩、粉砂岩；软化效应。（3）上凹型：塑—弹性硬化效应，原生裂隙压密，实体部分坚硬的岩石。例如：片麻岩。（4）S型：塑—弹—塑型多孔隙，实体部分较软的岩石：沉积岩（页岩）（二）刚性试验机下的单向压缩的变形特性普通试验机得到峰值应力前的变形特性，多数岩石在峰值后工作。注：C点不是破坏的开始（开始点B），也不是破坏的终。说明：崩溃原因，Salamon1970年提出了刚性试验机下的曲线。刚性机(1)刚性试验机工作简介压力机加压（贮存弹性应能）岩石试件达峰点强度（释放应变能）导致试件崩溃。AA′O2O1面积——峰点后，岩块产生微小位移所需的能。ACO2O1面积——峰点后，刚体机释放的能（贮存的能）ABO2O1——峰点后，普通机释放的能（贮存的能）。（2）应力、应变全过程曲线形态在刚性机下，峰值前后的全部应力、应变曲线分四个阶段：1-3阶段同普通试验机。4阶段应变软化阶段特点：①岩石的原生和新生裂隙贯穿，到达D点，靠碎块间的摩擦力承载，故—称为残余应力。②承载力随着应变增加而减少，有明显的软化现象。（3）全应力——应变曲线的补充性质①近似对称性②B点后卸载有残余应变，重复加载沿另一曲线上升形成滞环(hysteresis)，加载曲线不过原卸载点，但邻近和原曲线光滑衔接。D③C点后有残余应变，重复加载滞环变大，反复加卸载随着变形的增加，塑性滞环的斜率降低，总的趋势不变。④C点后，可能会出现压应力下的体积增大现象，称此为扩容(dilatancy)现象。一般岩的=0.15-0.35，当0.5时，就是扩容.体积应变:2/10)21(1321e(3)克服岩石试件单向压缩时生产爆裂的途径•提高试验机的刚度•改变峰值后的加载方式•伺服控制试件的位移普通试验机附加刚性组件的试验装置（提高试验的刚度）1岩石试件；2、6电阻应变片；3金属圆筒；4位移计；5钢垫块伺服试验机原理示意图1.岩石试件；2.垫块；3.上压板；4.下压板；5.位移传感器。（一）时变形规律见图越大，，E越大二、岩石在三向压应力下的变形特性3232B（二）当为常数时，岩石的变形特性（1）；（2）E基本不受变化影响（3）脆性增强。（三）为常数时，岩石的变形特性（1）不变；（2）E不变；（3）永保塑性变形的特性，塑性变形增大。B2223B3233（四）岩石的体积应变特性扩容现象：岩石在压力下，发生非线性体积膨胀。321VVV三、岩石的流变特性弹性（可恢复）与时间无关的变形塑性（不恢复）与时间有关的—流变蠕变：应力恒定，岩石应变随时间增大，所产生的变形称为蠕变（又称为流变）。松驰：应变恒定，岩石中的应力随时间减少，这种现象称“松驰”。岩石变形蠕变松弛岩石的时间效应（一）典型的蠕变曲线（分三阶段）1、初始蠕变阶段（瞬变蠕变阶段）AB。特点：①有瞬时应变（OA）；②，应变率随时间增长而减小；③卸载后，有瞬时恢复变形，后弹性后效，弹性后效，变形经过一段时间后，逐渐恢复的现象。2、稳定蠕变阶段（BC）（较长）特点：①应变率为常量；②卸载：有瞬弹性恢复，弹后，不可恢复的永久变形。3、非稳定蠕变阶段（蠕变破坏阶段）特点：①剧烈增加；②曲线；③一般此阶段比较短暂。0t典型蠕变曲线（二）岩石蠕变的影响因素（1）岩石的力学性质（强度，矿物组成）应力水平—第二阶段越长；小到一定程度，第三蠕变不会出现；很高，第二阶段短，立即进入三阶段t（2）温度对蠕变的影响①总的应变量越大。②第二阶段的斜率，温度高，斜率越大。（3）湿度饱和试件第二阶段和总应变量都将大于干燥状态下的试件结果。t（三）蠕变特性和常规变形特性的联系五、岩石介质的力学模型岩石性质变化范围大，用多种模型来表述。主要性质：弹性、塑性、粘性。5.1描述流变性质的三个基本元件(1)弹性元件力学模型：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：k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o应力-应变曲线5.1描述流变性质的三个基本元件(2)塑性元件材料性质：物体受应力达到屈服极限0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0时）ε→∞，（当0时）5.1描述流变性质的三个基本元件(2)塑性元件应力－应变曲线模型符号：C库仑体的性能：当0时，ε=0，低应力时无变形当0时，ε→∞，达到塑性极限时有蠕变应力-应变曲线o05.1描述流变性质的三个基本元件(3)粘性元件材料性质：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。称其为牛顿流体，是理想的粘性体。力学模型：本构方程：应力－应变速率曲线（见右图）模型符号：Ndtdddto5.1描述流变性质的三个基本元件(3)粘性元件牛顿体的性能：a.有蠕变即有蠕变现象0110tCtCconstt积分t=0初始条件：=0当时，与成比例关系(b)应变-时间曲线ot应变-时间曲线5.1描述流变性质的三个基本元件(3)粘性元件牛顿体的性能：b.无瞬变c.无松弛d.无弹性后效1,t　应变与时间有关系不能瞬时完成0,0dconstdt0当＝＝时，代入本构方程得＝，应力与时间无关，无松弛现象00,dconstdt当＝时，代入本构方程，得即应变与时间无关，无弹性后效0110tCtCconstt积分t=0初始条件：=0当时，与成比例关系5.1描述流变性质的三个基本元件(4)注意点（小结）a.塑性流动与粘性流动的区别当0时，才发生塑性流动，当0完全塑性体，表现出刚体的特点。当0时，就可以发生粘性流动，不需要应力超过某一定值。b.实际岩石的流变性是复杂的，是三种基本元件的不同组合的性质，不是单一元件的性质。c.用粘弹性体：研究应力小于屈服应力时的流变性；用粘弹塑性体：研究应力大于屈服应力时的流变性。5.2组合模型及其性质(1)串联和并联的性质串连即两个或多个元件首尾依次相联的模型。并联即两个或多个元件首与首、尾与尾相联的模型。例如串连模型：并联模型：kk5.2组合模型及其性质(1)串联和并联的性质2121=串联性质1212＝＋＋并联性质＝＝＝kk5.2组合模型及其性质（2）马克斯威尔(Maxwell)体①本构方程：由串联性质：σ=σ1=σ221模型符号：M=H-N21（2）马克斯威尔(Maxwell)体对H体：111K11K对N体：222222111K本构关系：k0021t0,0则const（2）马克斯威尔(Maxwell)体②蠕变方程当t=0时，突然施加代入本购方程：021得积分初始条件t=010100KK100K2111Kk2111K（2）马克斯威尔(Maxwell)体蠕变方程:10021Kt蠕变曲线马克斯威尔体的蠕变曲线和松弛曲线(a)蠕变曲线ot(b)松弛曲线ot00等速蠕变，且不稳定k2111K（2）马克斯威尔(Maxwell)体0const00lnC③松弛方程当t=0时，保持应变不变初始条件：t=0,σ=σ0(σ0为瞬时应力)，得代入本构方程得到一个一阶可分离变量的微分方程01121K积分CtKln21代入上式整理得：tKe210则k2111K（2）马克斯威尔(Maxwell)体松弛曲线ot(b)松弛曲线02111Kk2111K马克斯威尔体的蠕变曲线和松弛曲线(a)蠕变曲线ot(b)松弛曲线ot00瞬变应变量（2）马克斯威尔(Maxwell)体④有瞬变性⑤无弹性后效⑥描述岩石的特点具有瞬变性有不稳定的蠕变有松弛有残余（永久）变形k2111K（3）开尔文（kelvin）体模型符号：K=H|N5.2组合模型及其性质（3）开尔文（kelvin）体由并联性质：21ε=ε1=ε21111KK222221K①本构方程：对N体：对H体：本构方程k（3）开尔文（kelvin）体const0k②蠕变方程：得当t=0时，突然施加210K一阶线性微分方程tKAeK2110初始条件：当t=0时010KA21K代入本方程（3）开尔文（kelvin）体蠕变方程：)1(2110tKeK蠕变曲线：ot00ktk21K（3）开尔文（kelvin）体初始条件t=t1，ε=ε1为积分常数其通解为CCtkK,ln012CtK21ln)(,21ctKeAAe＝)(1121ttKe卸载方程③有弹性后效：卸载时，也是如此，下面研究卸载方程如果t=t1时卸载，σ=0代入本构方程21Kk21K（3）开尔文（kelvin）体卸载曲线0,tto00kt卸载弹性后效曲线蠕变曲线k21K（3）开尔文（kelvin）体④无松弛0,const代入本构方程得constK1表明无松弛现象⑤无瞬变性（显然）⑥描述岩石的特点