3.3岩石的粘性、温度和膨胀特性

1、3.3岩石的粘性、温度和膨胀特性电话mail:llssyz126. comUniversity of Science and Technology Beijing3.3岩石的粘性、温度和膨胀特性3.3.1岩石粘性的概念 3.3.2岩石蠕变的性能 3.3.3岩石的温度性能3.3.1岩石粘性的概念rfanj；/|. . *. . . . , . .叫 fif.z -. . » ：心iSy£岩石粘性是指岩石在力的作用下发生的一种与时间相关 的变形性质,又称为岩石的流变性。流变性包括弹性后效和J 流动 > 而流动又分为：1厂粘性流功L塑性流动弹性后效

2、是一种卸荷后延迟发生的弹性变形，在外力卸除后最终不留下 永久变形。流动是一种卸荷后随时间延续而发生的塑性变形（永久变形），其中粘性流 动是指在微小外力作用下发生的流动，塑性流动是指外力达到一定极限 值后才开始发生的流动。对物体变形的微观分析表明:弹性后效是晶体群或晶格的滞后变形，粘性流动是颗粒间的非定向转动，而塑性流动是沿滑动面的滑移。 尽管它们的机理各不相同，但它们随时间增长发生变形是一致的，因此 在研究中很少加以区分。3.3.1岩石粘性的概念研究岩石流变性力学特性，是岩石力学的_个重要内容。 岩石流变力学特性主要包括以下几个方面:蠕变现象»当应力保持恒定时，应变随时间逐渐增长的过

3、程。 应力松弛»当应变保持恒定时.应力随时间逐渐减小的过程。流动特征»时间一定时应变速率与应力大小的关系。(4)长期强度»在长期持续荷载作用下岩石的强度。#University of Science and Technology Beijing3.3.2岩石蠕变的性能(1) 岩石的蠕变特性(2) 岩石蠕变性的影响因素(3) 岩石蠕变的微观机制3.3.2岩石蠕变的性能岩石蠕变一是指岩石在应力恒定的情况下，应变随时间增 长的性能。蠕变和松弛（指岩石在恒定的应变下，内力随时间而降低的性 能），是一个间题的两个方面丄统称为岩石的流变特性。岩石蠕变是一个十分普遍的现象，在天

4、然斜坡、人工边坡及 地下洞空中都可直接观测到6由于蠕变的影响,将在岩体及建筑物内产生应力集中而影响 其穩定性。另外，岩石因加荷速率不同所表现的不同变形性状、岩体渐 进性破坏机制和剪切粘滑机制等都与岩石蠕变有关。3.3.2岩石蠕变的性能9(1) 岩石的蠕变特性实验室蠕变试验获得的数据常用应变时间曲线的形式来表达 ,岩石的蠕变曲线的形状随所施加的恒定荷载的大小而异。一般可分为两种类型:稳定蠕变型非稳定蠕变型稳定蟠变型一是岩石在较小的恒定应力作用下，变形随时间增加到一定程度后就趋 于稳定，最后变形保持一个常数2不再随时间增大。这种类型的蠕变，一般不会导致岩体的移体失稳。非稳定蟠变型一是岩石承受的恒定

5、荷载比较大，当超过某一临界值时，变形随时间的 增加不会保持常数不变，反而变形速率逐渐增加，最终导致岩体的整 体失稳破坏。3.3.2岩石蠕变的性能#(1)岩石的蠕变特性在98073MPa的常应力及常3.3.2岩石蠕变的性能#(1)岩石的蠕变特性在98073MPa的常应力及常3.3.2岩石蠕变的性能11(1)岩石的蠕变特性长期强度。蠕变曲线的类型决定于初始恒定应力的大小，随初始应力大小的不同， 可以发生稳定蠕变或非稳定蠕变，在这些不同大小的初始应力中必然存 在某一个临界值，当应力值小于这一临界值时产生稳定型蠕变，当应力值大于一个临界值时将产生非稳定型蠕变，通常称这个临界值为岩石的由图3-7可以看出

6、产生非稳定型蠕变的 恒定应力越大，达到破坏所需的蠕变时 间就越短；反之，达到破坏所需的蠕变 时间就越长。但是当应力小于某一临界值时，即使时 间为无限，也不会出现蠕变引起的岩石 破坏，故将时间为无限长时使岩石发生 蠕变破坏所对应的初始应力值称为岩石 的长期强度。温下页岩、砂岩和花岗岩的典型蠕变曲线在98073MPa的常应力及常332岩石蠕变的性能#(1)岩石的蠕变特性1020406080100”d图3-8岩石蠕变曲线如图38所示，一条典型的非 稳定型蠕变曲线可以分为四个 阶段：»瞬时弹性变形阶段1次蜡变阶段»二次婦变阶段»三次蠕变阶段3.3.2岩石蠕变的性能(1)岩

7、石的蠕变特性3.3.2岩石蠕变的性能(1)岩石的蠕变特性1)瞬时弹性变形阶段八力图39岩石典型蠕变曲线图3-9区域0A段，施加恒定荷载后 短时间内产生的瞬时弹性变形。即图中的勺，其值为勺=。0佢，。0为施加的恒定应力，E为岩石的弹性模量。3.3.2岩石蠕变的性能(1)岩石的蠕变特性3.3.2岩石蠕变的性能(1)岩石的蠕变特性2)次蠕变阶段图39岩石典型蠕变曲线Ji图3-9区域I, AB段。又称减蠕变阶段、初 始蠕变阶段稳定蠕变阶段、阻尼蠕变阶 段或瞬态蠕变阶段。本阶段内曲线呈上凸型，特点是应变最初 随时间增大较快，但其成交率随时间迅速 递减，即d/dt<0,到B点达到最小值。若在本阶段中

8、某一点卸载，则应变PQR下 降至零。其中PQ段为瞬时弹性应变的恢 复曲线，有PQ=e0,而QR段表示应变随 时间逐渐恢复至零，说明本阶段没有永久 变形。由于卸荷后应力立即消失，而应变随时间 逐渐恢复，二者恢复不同步，应变恢复总 是落后于应力，这种现象称为弹性后效。3)二次蠕变阶段V图3-9岩石典型蠕变曲线图39区域H, BC段。又称等速 蠕变阶段、称稳定蠕变阶段。本阶段内，曲线呈近似直线。即 应变随时间近似等速增加，de/dt =常数d2e/dt2=Oo若在本阶段内某一点将应力卸载 至零，则应变将沿TUV线恢复， 其中TU=e0为弹性交形，UV段为 滞弹性变形，最后保留一永久应 变£

9、p。3.3.2岩石蠕变的性能鹦卜:匚阴（1）岩石的蠕变特性4）三次蜡变阶段图3-9岩石典型蠕变曲线图39区域m, CD段。又称加速蠕变阶段。至本阶段变形随时间增加直至岩 石破坏（D点）,即d2£/dt2>0o 若在本阶段内某一点将应力卸载 至零,其£i恢复曲线与区域II类 似，所不同的是永久变形量增加了。3.3.2岩石蠕变的性能UW-：-14 V3.3.2岩石蠕变的性能瞬时弹性应变;(1) 岩石的蠕变特性以上典型蠕变曲线的形状及某个蠕变阶段所持续的时间，受岩石类型、荷 载大小及温度等因素影响而不同。如同一种岩石，荷载越大。第II阶段蠕变的持续时间越短，试件越容易蠕变破

10、坏。而荷载较小时，则可能仅岀现I阶段或U阶段蠕变。 上述各阶段的蠕变变形量可用下式表示,即(3-55)S 00 + 荀(丫) + £”(/) + W3 (丫)式中:£q叼代)e3W与时间有关一次蠕变；与时间有关的二次蠕变(等速蠕变),e2(t)=t;与时间有关三次蠕变。3.3.2岩石蠕变的性能# *" JB 这里仅给出一次蠕变和二次蠕变的£-t经验公式。 对于蠕变方程的经验公式一般有三种类型:»幕函数型»对数函数型»指数函数型3.3.2岩石蠕变的性能25(1)岩石的蠕变特性1)幕函数型的)=Af(3-56)式中,分别为与应力

11、水平、温度和材料结构有关的常数。辛格研究大理岩的蠕变特征后提出:一次蠕变的函数形式0.4395t° 50641O4, 二次蠕变的函数形式为(0J 87t0.8022) IO4,一次和二次媾变的函数形式为£(t)=O.42O5tO5O64io七瓦尔西克对花岗岩和砂岩进行研究后得岀数形式为10%珀二 次蠕变的函数形式为10Pt,其中C, p是应力的函数。岩石的蠕变特性2)对数函数型&(。=&0 +B lg t+DtAt"式中B和D是应力的函数。劳里特兹对花岗闪长岩核辉长岩研究后提岀剪切蠕变方程为:M) = £l + qln(l + Qt)G式

12、中q和是系数，Kat>lo(3-57)(3-58)(3-59)罗伯逊根据开尔文模型，通过实际试验校核后提出了半经验的蠕变方程公 式为:+Alnt式中A为蠕变常数，在单轴压缩下A=(a/E尸，在三铀压缩时，A=(ax-a3)/2G)nc。其中，耳为蠕变常数，在低应力时为12。在高应力时为23。3.3.2岩石蠕变的性能#（1）岩石的蠕变特性3）指数函数型(3-60)3.3.2岩石蠕变的性能#3.3.2岩石蠕变的性能31式中A为试验常数，加）是时间的函数。依文思对花岗岩、砂岩和板岩的研究得到(3-61)的）=41严厂式中踰:均为试验常数,n=0.4,哈迪给出下面的经验公式&=B 1 /

13、 （ 次蠕变）（3-62）(1)岩石的蠕变特性III作为蠕变的经验方程有很多，值得注意的是由于岩石的成分 、结构、应力和温度条件不同，方程的形式也各异”使用时 应注意条件。岩体在大于长期强度的恒定荷载的作用下产生的蠕变是属于 破坏型蠕变"在经历了一次、二次蠕变后，发展为三次加速 蠕变，最终导致岩体的失稳破坏。如果能测得岩体的蠕变曲线，则可以由此推算出岩体失稳破 坏的时间。日本学者斋腾道孝等对此做了较多得研究，其结果在我国的 滑坡预测中有所应用。(2) 岩石蠕变性的影响因素1)岩性及构造因素岩石本身性质是影响其蠕变性质的内在因素。图3-10岩性的蠕变曲线图310为花岗岩等三种性质不同的

14、 岩石在室温和lOMPa压应力下的蠕变曲线。由图可知，像花岗岩一类的坚硬岩 石，其蠕变变形相对较小，加荷后 在很短的时间内变形就趋于稳定， 这种蠕变常常可以忽略不计；。而像页岩、泥岩一类的软弱岩石，其蠕变就很明显，变形以 常速率持续增长直至破坏，这类岩石的蠕变在工程实践中必 须引起重视，以便更切实际地评价岩体变形及其稳定性(2) 岩石蠕变性的影响因素1)岩性及构造因素此外，岩石的结构构造空隙率及含水件等对岩石蠕变性质 也有明显的影响。图3J1Lecomts (1965)研究颗粒大小对岩盐 蠕变的影响，发现若岩盐的晶粒增大， 可使蠕变率降低，试验结果如图3J1所从该图可看出，晶粒大小从01增大到

15、 0.63mm,蠕变率降低系数为2。并且，他进一步发现，若在岩盐内加2的颗粒大小对岩盐蠕变的影响,应变率增大，其增大系数为2。石膏，岩盐的蠕变率降低3%。然而，若 试件含5 %的石膏时，与纯岩盐试件相比(2)岩石蠕变性的影响因素汲构造因素!ITWnd(1966)认为，岩石的结构状况在蜕变研究中是重要的。 颗粒方向的影响己利用Yule大理岩进行过研究(Gnggs等， 1960)o研究发现，沿光轴主方向压缩大理岩，比沿光轴垂直方向压缩 大理岩，开始发生过渡蠕变所需要的应力会大大的提高。3.3.2岩石蠕变的性能#3.3.2岩石蠕变的性能33（2）岩石蠕变性的影响因素2）压力量级因素对同一种岩心来说应

16、力大小不同蠕变曲线的形状及各 阶段的持续时间也不同。o20406080100i/d图 3-12雪花石膏不同应力下的蠕变曲线图3J2为雪花石膏在不向应力下的蠕变 曲线.由图可知：应力增大而缩短。在低应力（小于12.5MPa）下，曲线不出 现加速蠕变阶段；在高应力（大于 25MPa）下，则几乎不岀现等速蠕变阶 段，由瞬时变形很快过渡到加速蠕变阶 段，直至破环；而在中等应力条件下， 曲线呈反型，蠕变可明显分为三 个阶段，但其等速阶段所持续的时间随(2)岩石蠕变性的影响因素2)压力量级因素为了建立应力量级对应变率的影响，可使用以下的经验关系(Oberthe Duvall, 1967):(3-63)s

17、= Aan几种典型岩石的n值场如表31所示。由该表可以看出，大部分岩石，即使在常温条件下，也是非 线性材料。岩石蠕变性的影响因素2）压力量级因素表31不同岩石指数n的取值岩石最大应变X 103最大应力/MPa指数/n粘板岩1.0351.61.8花岗岩1.0344.83.3雪花石膏5.019.32.0石灰岩7.0137.91.7岩盐10.029.01.9辉长岩0.019.71.0花岗闪长岩0.209.71.0花岗岩3.096.53.03：电2岩石蠕变的性能35b)岩石嬌变性的影响因素“2) 压力量级因素Stavrogm和Lodus (1974)建立用下式表示应变率和应力的关系：anq八88（36

18、4）a和是常数，由实验确定，钾盐的值大约在0.045到 0.047。其他某些岩石在不同应力量级时的瞬时应变和第二阶段蠕 变率的变化，如表32所示。#表3-2某些岩石在不同应力作用时的瞬时应变和稳态蠕变率岩石类型c/MPa应力量级/MPa瞬时应变X106稳态应变率X 106/h空气中干煤5.62.5711206.65.14185011.9空气中煤层底部粘土层192.572745.45.1445010.0混煤3.30.669005.51.2916508.51.95229011.62.57330013.53.24360019.83.90433022.95.14560030.1湿煤层底部粘土层950.

19、66105028.01.29170050.01.34180054.51.952400102.22.572880195.0方解灰岩4&52.5728002.05.1448502.5白云灰岩6&82.576601.95.149402.3砂岩94.22.5718000.75.1433001.03.3.2岩石蠕变的性能373.3.2岩石蠕变的性能39"/ 岩石蠕变性的影响因素03-13Gnggs (1936)对 Solenhof en 灰岩进行过围压对岩石力学性态影响的观测。结果表明，岩石在高围压作用下达 到一定的应力差时发生蠕变。可以提高岩石破坏的应力差， 而且使岩石在破坏

20、前可以发生相当 GE1 F Ur大的变形，如图3J3所示。灰岩在有围岩时不同荷载作用下的蠕变曲线III(2)岩石蠕变性的影响因素3) 围压的影响Robertson(l 960)研究了在室温条件下，围压直到400MPa 的岩石的过渡St变。出于该试验的三轴高压室无稳压装置，试验延续为短时的, 所得结果是定性的但很重要。其结论是：静水压提高将大大地降低岩石的过渡蠕变率，如 当静水压从lOOMPa升高到1 OOMPa(即增加一倍)时，单位应力差的蠕变宰可降低100倍，即降低2个数量级。Lecomte(1965)利用人造多晶岩盐试样进行试验，发现增大 应力差可相当可观地增大蠕变率，而围压增高，会稍微降

21、低 蠕变率。:卫(2)岩石蠕变性的影响因素3) 围压的影响Thompson等(1964)进行过天然钾盐和岩盐三轴试验，发现 试件在单轴压应力作用下，第二阶段蠕变速率与在三轴应力 作用下的应力差相等时的应变速率相等。Serata(1968)所做的岩盐在塑性屈服和粘性流动的多轴应力 状态下的试验结果也支持这一结论。3.3.2岩石蠕变的性能43(2)岩石蠕变性的影响因素3)围压的影响Waversik 和 Erown( 1973)测量了 Westly 花岗岩和Nugget 砂 岩在围压69MPa、34.5MPa和690MPa时岩石的轴向蠕变 和单轴(围压为0)的压应力使用下的岩石蠕变。结果表明:花岗岩

22、的剪应变和体积应变在蠕变变形期间随剪应力增高而 迅速增高，随围压的提高而降低；对花岗岩的蠕变和蠕变断 裂的观測表明，试体的蠕变断裂时间的数量级，在剪应力固 定不变时，将随围压提高而增高。因此，在有围压作用时， 岩石发生蠕变断裂的情况，远较单轴应力条件下少。这一结论是建立在测量第二阶段蠕变率变化作为围压的参数 而得出的。(2)岩石蠕变性的影响因素4) 温度、漫度的影响温度相湿度对岩石蠕变也有较大的影响O匚二8040100150t/h图314不同温度下盐岩的蠕变图314为人造盐岩在围严 102Mra和不同温度下的蠕变曲 线：由图可见随着温度的提高 ,岩石的总应变和等速阶段的应 变速率都明显增加了。

23、另外试验研究表明，岩石的总应 200变及蠕变速率随温度增加的幅度 也不相同。鹦卜:匚阴(2)岩石蠕变性的影响因素4) 温度、湿度的影响湿度对岩石的蠕变也有类似的影响，如Griggs(1940)将雪花 石膏故到不同的溶液中进行单轴蠕变试验，发现其总应变及蠕 变速率比干燥的大，且随溶液的性质不同而不同，如图315 所示。0.5荷栽20 5MPa温度241干燥0510152025303540图3-15雪花石膏在不同化学环境中的蠕变3.3.2岩石蠕变的性能45（2）岩石蠕变性的影响因素斑岩（規）4）温度湿度的影响32-28 J斑君千24粘斑岩（S）20-1612-20 4060 80 100 120

24、140 160 180 200i/d粘斑岩（干 斑岩（干图3J6岩石在干、湿不同条件下的蠕变g更2粗胡斑岩（邃）'站西7冠 班岩（干J对干燥和潮湿条件下的粘板岩 和斑岩蠕变的应变测量 （Kanagawa 和Nakaarai, 1970）结果表明，湿试样的初 始应变率要高2到5倍，但在 试验延续到大约20d到lOOd 时，湿试样和干燥试样的第二 阶段蠕变率会趋于一致，其稳 定期取决于岩石类型，也与作 用应力的大小,还与岩样原有 水分含量有关，其结果如图316所示。(2)岩石蠕变性的影响因素4)温度湿度的影响illlWawerisk和Brown(1973)的工作表明，花岗岩和砂岩与时 间有

25、关的变形随岩心含水量增大的结论是正确的。在单铀压应力状态下，干试件和饱水试件的稳态蠕变宰相差 大约两个数量级。Afrouz和Harcey(1974)发现饱水的软岩，如煤，其蠕变率 可增大3倍页岩可增大8倍。3.3.2岩石蠕变的性能47(2)岩石蠕变性的影响因素5) 其他因素的影响对于岩石蠕变性态的影响，还存在有多种其他的因素，如颗粒几何形状 、胶结物的特性颗粒间相互作用颗粒相互咬合的程度、孔隙度应 变率等，对这些因素，至今尚未进行过充分的研究。IIIHeard(lg61)进行过温度从25到500,所加围压5000大气压条件下对 岩石应变率影响的研究，他们发现，对于低应变率的试验资料，它遵循 以

26、下的方程：(3-65)E = A1°K exp(-)S/i()KI C式中A, B, C和K_岩石常数; R尔兹曼常数； T绝对温度； a应力强度。岩石蠕变的微观机制研究岩石蠕变的微观机制，须首先从岩石的微观缺陷出发。 岩石作为一种多晶复合介质，可将其内部空间划分为三种类 型：晶粒内部、晶粒界面和晶粒间隙6这三类空间区域的力学性质及对岩石力学性态响应所起的作 用有较大的差别。研究不同类型岩石的变形强度理论，必须研究这些区域在力 场作用下的力学反应特征及它们之间的耦合影响。这就是岩石的力学性质远较其他固态材料复杂的根本原因。3.3.2岩石蠕变的性能#岩石蠕变的微观机制 从微观角度讲，晶

27、粒内部存在的各种缺陷对晶粒变形破坏过 程产生影响，晶体之间晶界的存在将影响材料晶粒内的微观 力学过程,可以在一定条件下发展成宏观的破坏面；从宏观 角度讲，晶粒间空穴的存在以及成岩过程的应力和地质构造 应力场的长期作用可能发生晶粒趋向并在岩体内形成微破裂 实际上，由于晶体缺陷的存在将引起材料局部应力集中，破 坏沿晶粒间界面发展，或发生穿晶破坏，晶粒间发生松散膨 胀,造成材料发生整体性的强度破坏。3.3.2岩石蠕变的性能岩石蠕变的微观机制若不考虑晶体实际存在的缺陷，就不可能解释材料强度低的 原因。晶体缺陷的存在，为材料力学特性柔弱的根源，材料的变形 、流动与强度的特性，必然与这种缺陷的存在、发展与

28、运动 相关联。可见晶体内的各种缺陷是建立岩石蠕变机制分析的物理基础3.3.2岩石蠕变的性能53(3) 岩石蠕变的微观机制1)岩石中的微观缺陷固体物理学定义的所谓缺陷是指晶体内任何一种与完整周期性点阵或结构的某种偏离。根据这一定义，在材料力学性质的微观特性研究中，一般将 晶体材料缺陷分为二种类型：»点缺陷线缺陷或面缺陷点缺陷診能辐射或热激活，在晶体内形成品格点阵空位或转移，点 缺陷一般有S缺陷和F缺陷两种类型。下面简要介绍与蠕变密切相关的错位和晶粒间界。岩石蠕变的微观机制1）岩石中的微观缺陷位错位刃型位错螺庭位窗是晶体内的一种线缺陷，就是沿晶体内某条线上附近的原子的排列与完 整晶相不向

29、时形成的线缺陷。最简单的位错可分为两种类型:其区别一是和位错线的走向和在外力作用下位错的运动方向相联系的。假定晶体在某一区域上下两部分发生了一个原子间距离的相对滑移，已滑 区和未滑区的分界线，即形成原子不规则排列的所谓位错线。当滑移方向 锤垂于位错线（或位错）叫刃型位错，当滑移方向平行于位错线，则为螺旋 位错。若滑移区边界为一曲线，则在曲线的不同部位，有平行干曲线的螺 旋位错，也有垂直于曲线的刃型位借以及既有平行分量，也有垂直分量的 混合型的运动勿叫混合位错。(3) 岩石蠕变的微观机制1)岩石中的微观缺陷位错特征可以用位错强度和位错密度两个参量来描述。 位错强度一指晶体内滑动面两侧的原子相对移

30、动的方向和距离的大小。 位错密度一表示单位体积晶体内所包含的位诺线的总长度O3.3.2岩石蠕变的性能#岩石蠕变的微观机制D岩石中的微观缺陷晶粒间界晶粒之间的交界处称为晶粒间界。晶界是一种天然的面缺陷。晶粒内部往往由许多位向差较小的晶块组成 品块间的界面称为亚晶界。晶界的位向差一般较大，大都在3040之间：亚品界一般不超过2。它们之间不只是取向程度上的差别，它们的结构性质也不同。小角晶界 可用位错模型得到较好的解释，大角晶界结构比较复杂，尚无完美的模 型解释。位错列阵，可以形成相邻晶块之间的小角晶界。许多相隔一定距离的刃型位错垂直排列，可形成倾侧晶界和扭转晶界。 与完整晶体中的原子扩散相比，晶粒

31、间界相位错对扩散给予的阻力较小3.3.2岩石蠕变的性能:乂妙岩石蠕变的微观机制:么位错是扩散的一个开放通道，经过塑性变形的材料中的扩 散，比经过退火的晶体中的扩散强；沿晶界的扩散对固 体的某些脱溶反应的速度起控制作用。晶体材料的变形与流动，除晶粒本身变形以外，还由于晶 界滑移所造成。晶界滑移并不单纯是粘性流体的滑移。试验证明，晶界蠕变是不连续发生的，两个晶界间的方位 相差越矢,鬲玄量越大。3.3.2岩石蠕变的性能#岩石蠕变的微观机制滑移不一定只在晶界面间产生，也可在晶界附近的一定厚度 层内发生,并且若温度或应力增高,滑核层则增厚，若两结 晶面方位差越小，则滑移层厚度越大，沿移层的增厚，意味着蠕

32、变速度减小。晶界婦变有关的部分，是由两侧的原结晶 方向显著不同的亚晶粒构成O晶界变形过程为在应力作用下，晶界附近的结晶体首先发生局部弯曲。为使弯曲应力松弛，在这一区域会形成亚晶粒, 结果由于结晶方向变化而产生品界蠕变。实际上,蠕变会引 起材料内部结构发生局部变化，这种微观结构变化反过来影 响婷变变形。3.3.2岩石蠕变的性能57岩石蠕变的微观机制2）扩散蠕变与位错蠕变由于晶体内的缺陷的存在，岩石的蠕变从微观的角度可以看做是位错的 滑移流动、位错的蠕变以及点缺陷沿晶界的扩散蠕变所引起的，下面简 要介绍扩散蠕变机制和位错蠕变机制Q 扩散蠕变A在多晶介质中的单个晶粒，如果在扩散蠕变中改变形状，那么，

33、为 保持介质的连续件件，必然会伴随有晶粒沿边界的滑动。A若结晶材料为多种元素组成或具有多种元素的镐质，由于不同元素 有不同的扩散卒，在扩散蠕变过程中，将在晶粒边界形成蚀变结台条 带。A关于扩散蠕变Nabarr。和Herring提出了穿晶扩散的蠕变方程。A对纯金属，空位流的穿晶扩散和绕晶粒边界扩散，可以引起材料在 拉应力作用下发生沿拉伸方向的伸长。岩石蠕变的微观机制2）扩散蠕变与位错蠕变位错蠕变扩散蠕变的本质是外力迫使晶体内的空位从一个渊点流向另一个 渊点，在扩散蠕变中，考虑这种渊点为晶粒边界。A实际上，空位扩散还存在有其他形式的渊点，如位错即是其中的 一种。A已观测到，通常运动位错密度在高应力

34、条件下的平衡值很高，必 然会导致嫦变速率与应力的非线性关系。»实际上，这种非线性，为位错蠕变的本质特征，同时在端变过程 中实际存在了位错攀越和滑移两种运动形式。3.3.3岩石的温度性能59hi随着地下资源开发和地下工程建设的发展，岩石的温度效应 问题已逐渐引起人们的重视，研究温度对岩石性能的影响将 具有重要的实际意义。IIIIII目前研究温度对岩石工程的影响一般包括两个方面: 一是温度对岩石力学性质的影响。 二是温度变化引起的热应力问题。研究表明，岩石在低温条件下，岩石的力学性质都有不同程 度的改善，图317、图318所示为岩石在低温条件下的力学 性质的变化，可以看出各种岩石的抗压强

35、度与变形模量随温 度降低而逐渐提高，但其提高的程度则与冻结温度、岩石的 空隙性及其力学性质有关。3-3,3岩石的温度性能61B *.<6-riViTt3-3,3岩石的温度性能#图3J7III单轴抗压强度增长率与温度的变化关系iill(a)含水饱和状态(b)干燥状态ac(0)一 温下的强度3.3.3岩石的温度性能63卩)图31弹性模量增长率与温度的变化关系(a)水饱和状态(b)干燥状态E(°厂麻温下的弹性模量hi3.3.3岩石的温度性能653.3.3岩石的温度性能67III岩石在高温条件下的力学特性与岩石的类别相关。 !IT对于高强度的结晶岩石，温度升高使其力学性能降低；对于强

36、度较低的非结晶岩石温度上升对不同的参数有不同的影响。图319、图320、图321为个同岩石在高温条件下的力学参 数的变化情况。(dj»-t73)4102MPa>5"%不同温度下花岗岩的应力应变曲线0 200 400 600 005 /*C80400200 400 60Q 800i/*C图 3-203-21岩石抗压强度随温度的变化岩石拉压强度随温度的变化III这种现象称为岩石效应力效应。岩温度的变化在岩石中可以引起应力，石中的热应力可使岩石遭受破坏°一些研究资科表明：在较高的温度作用下，温度每改变1,可在岩石产小 生040.5MPa的热应力变化，这也是相当可观

37、的。MV.-：-47/3.3.3岩石的温度性能#（1）岩石的热容性因此，如果岩石由温度T1升高至丁2所消耗的热量力，则AQ = Cm(T2 7)(3®)式中m岩石的质量；C岩石的比热容J/（kg，K）,其含义为使单位质 量岩石的温度升高1K（开尔文）时所需要的热量。3.3.3岩石的温度性能69（1）岩石的热容性岩石的比热容是表征岩石热容性的重要指标，其大小取决 于岩石的矿物组成、有机质含量以及含水状态。如常见矿 物的比热容多为071.20。与此相应，干燥且不含有机质的岩石，其比热容也在该范 围内变化,并随岩石密度增加而减小°又如有机质的比热容较大约为（082.1）X103,

38、因此，富 含有机质的岩土体（如泥炭等）其比热容也较大。III岩石传导热量的能力，称为热传导性，常用导热系数表示。 根据热力学第二定律，物体内的热量通过热传导作用不断地 从高温点向低温点流动,使物体内温度逐步均一化。3.3.3岩石的温度性能#3.3.3岩石的温度性能71(1)岩石的热容性设面积为A的平面上，温度仅沿x方向变化，这时通过A的热流量(Q)与温度梯度及时间成正比，即Q = -kA dt dx(3-68)式中k导热系数w/(mK)h含义为当dT/dx等于1 时单位时间内通过单位面积岩石的热量。屯W:二诲am(1)岩石的热容性导热系数是岩石重要的热学性质指标，其大小取决于岩石的矿 物组成、

39、结构及含水状态：常见岩石的导热系数见表33。由表可知，常温下岩石的k=1.616.07W/(m K)° 另外，多数沉积岩和变质岩的热传导性具有各向异性，即沿层 理方向的导热系数比垂直层理方向的导热系数平均高约10% 30% o3.3.3岩石的温度性能75岩石的热容性岩石的导热系数常在实验室用非稳定法测定。据研究表明，岩石的比热容(C)与导热系数(A)之间存在如 下关系：(3-69)k =几pc式中P岩石密度；入一岩石的热扩散率(CH12/S)o(2)岩石的热膨胀性III在温度升高时体积膨胀，温度降低时体积收缩的性质，称为 岩石的热膨胀性，常用线膨胀(收缩)系数或体膨胀(收缩)系数表示。当岩石试件的温度从T升高至丁2时，由于膨胀使试件伸长 AA伸长量可用下式表示A/ = aZ(7；-7；)(3-70)式中a线膨胀系数(1/K);岩石试件的初始长度。(2)岩石的热膨胀性III温度变化的反映越快。常见岩石的热扩散率见表34。表34几种岩石的热学特性参数岩石比热容J(kgK导热系数线膨胀系数(10。厂)弹性模量104MPa热应力系数MPa K辉长石720.12.080.51960.4 0.5辉绿石699.23.3512430.4 0.5花岗岩782.92.680.66180.4 0.6片麻石879.22.5