2岩体的工程性质课件

1、地下结构设计原理与方法我能奉献的没有其它，只有热血、辛劳、眼泪与汗水丘吉尔第1页，共18页。地下结构设计原理与方法1.4岩石的流变特性 一、概述 弹性理论：应力与应变成正比，与时间无 关。 塑性理论：应力与应变关系为非线性，与时 间无关。 流变学：研究各种材料与应力、温度和时间 有关的实际、变形性状和破坏性 状。 流变性状：与时间（或温度）有关的变形性 状以及破坏性状称为流变（流态 变形）性状。 第2页，共18页。地下结构设计原理与方法 蠕变和应力松弛 蠕变：在常应力作用下随时间而缓慢增长 的应 变。 应力松弛：在常应变作用下，应力随时间而逐 渐衰减。 瞬时弹性应变、瞬时弹性恢复应变、延迟恢复

2、应变（或叫弹性后效）、永久变形 。 粘性流体 对于应变速度与力成直线关系的流体称为理想流 体或牛顿流体。其它都称为非牛顿流体。 粘性是标志一种材料遵循牛顿流体法则的流动性 状（即变形速度与加上的剪应力成正比）。 粘性材料：通常指具有流动性状的材料。 第3页，共18页。地下结构设计原理与方法二、简明的流变元体 1.弹性固体，又称胡克（Hooke)固体，（简称H体），用弹簧表示，应力与应变完全符合胡克定律。 即应力随时间的变化（应力速率）与应变 随时间的变化（应变速率）成正比。第4页，共18页。地下结构设计原理与方法2.粘滞液体，又称牛顿流体（简称N体），用粘壶 表示，由圆筒，粘滞性液体，可移 动

3、的穿孔活塞组成。液体为牛顿流 体，符合牛顿定律。 牛顿液体中的应力 与应变速率 间成正比关系，即 式中 粘滞系数 应变速率， =第5页，共18页。地下结构设计原理与方法如果应力 一定（ = ），则积分有 由此式可知粘壶的特点：加上 后，不立即产生应变 ，应变 随着时间的增大而增大，除去应力后，应变也不会恢复，而留下永久应变。塑性固体，又称圣维南（StVenant）塑性体 （简称StV体） 用两块接触面粗糙的滑块来表示， 当 （起始摩擦阻力）时， =0 当 时， 为任意值，即塑性流动 滑块的特点：塑性变形有应力水平决定， 为零 或任意值，与时间无关。 第6页，共18页。地下结构设计原理与方法三、

4、松弛模型，又称马克斯威尔（Maxwel）模型 松弛模型代表既有粘性性质又有弹性性质的粘弹性体。 模型：用了弹性元件和粘性元件串联起来，即：M=H-N H为弹性固体（即虎克固体），N为粘滞液体（即牛顿液体） 本构方程（或称本构关系式） H体 或 N体第7页，共18页。地下结构设计原理与方法串联时，应力相同，总的应变是两者之间的和，即： 或 ， 即： 为本构方程 蠕变方程 如在t=0时，突然施加了一个常力 ，此时模型产生了一个常应变 ，则本构方程变为： 即 或 积分 得： 即： 第8页，共18页。地下结构设计原理与方法 即： 为瞬时弹性变形 为等速蠕变 应力松弛方程 若在t =0时，突然施加了一个

5、不变的应力 ，此时产生了一个瞬时弹性变形 。若使 保持不变，则本构方程变为： 第9页，共18页。地下结构设计原理与方法 由上式可见，当t =0时， ；当t = 时， =0这种模型的结构特点，类似于均质水平层状岩层，如砂页岩、灰岩等软弱岩层相间的层状沉积岩体。第10页，共18页。地下结构设计原理与方法四、延迟模型，又称凯尔文（Kelvin）或沃伊特 (Voigt)模型 延迟模型能够表示在应力作用下，应变不是立即达到弹性应变的终值，而是有一个相对落后或滞后过程的现象。它所代表的物体称为滞弹性体。 用弹性元件和粘性元件并联组成，即： K=HN 第11页，共18页。地下结构设计原理与方法 本构方程 蠕

6、变方程 模型在加载的情况下 当t=0时，加一力 ，则 第12页，共18页。地下结构设计原理与方法 模型在卸载的情况下 当t=0时， ，除去荷载，即 ，则本构方程变为： 凯尔文模型的变形机制，在地质上相当于直立岩层，且为平行于层面方向受力的岩体。第13页，共18页。地下结构设计原理与方法五、凯尔文-沃伊特模型（又称广义凯尔文模型） 是一种线性粘弹性体模型，由一个弹簧与一个凯尔文模型串联而成，又称HK体模型，其结构形式为：HK=H-K=H-(NH) 本构方程 第14页，共18页。地下结构设计原理与方法第15页，共18页。地下结构设计原理与方法 蠕变方程 当t=0时，加一常应力 ，此时 t=0= = 则本构方程为： 第16页，共18页。地下结构设计原理与方法 将 、 值代入后，得 式中，当t=0