硬岩流变课件

硬岩流变点击添加文本点击添加文本点击添加文本点击添加文本流变变形是岩石的基本力学特性，许多人工边坡和自然斜坡破坏失稳，岩体工程失效或破坏，都与岩石的流变变形有关，地壳孕震和断裂过程也与岩石流变具有一定关系，大型岩体工程项目可行性论证都需要对岩石的流变特性进行研究。岩石流变模型是岩石流变力学理论研究中重要的组成部分。岩石流变模型理论至今还不很成熟，许多重大岩石工程均为岩石流变模型理论的研究带来了严峻的挑战。当前岩石流变模型理论尤其是能反映岩石加速流变特性的模型理论仍是岩石流变力学研究中的热点和难点问题之一。然而由于岩石流变试验设备的限制，对岩石流变模型理论仍有许多值得探讨的地方。重大岩体工程建设均迫切需要了解岩石流变特性，以促进工程建设的顺利进行，并确保岩体工程在长期运营过程中的安全与稳定性，这就需要对岩石流变模型理论进行进一步的深入研究。点击添加文本点击添加文本点击添加文本点击添加文本目前建立岩石非线性流变模型的方法主要有如下两种：一是采用非线性流变元件代替常规的线性流变元件，建立熊够描述岩石加速流变阶段的流变本构模型；二是采用内时理论、损伤断裂力学等新的理论，建立岩石流变本构模型。这两种方法建立的流变本构模型均能较好地描述岩石的加速流变阶段。点击添加文本点击添加文本点击添加文本点击添加文本近年来，岩石力学中发展了一些非线性流变模型理论，较有代表性的有：韦立德等根据岩石黏聚力在流变中的作用提出了一个新的SO非线性元件模型，建立了新的一维黏弹塑性本构模型；金丰年和浦奎英基于试验结果，结合传统线性黏弹性模型的分析，提出了非线性黏弹性模型；邓荣贵等根据岩石加速蠕变阶段的力学特性，提出了一种非牛顿流体黏滞阻尼元件，将该阻尼元件与描述岩石减速蠕变和等速蠕变特性的传统模型结合，构成了新的综合流变力学模型；曹树刚等采用非牛顿体黏性元件构成五元件的改进西原正夫模型，探讨了与时间有关的软岩一维和三维本构方程和蠕变方程；陈沅江等提出了蠕变体和裂隙塑性体两种非线性元件，并将它们和描述衰减蠕变特性的开尔文体及描述瞬时弹性的虎克体相结合，建立了一种可描述软岩的新的复合流变力学模型；张向东等基于泥岩的三轴蠕变试验结果，建立了泥岩的非线性蠕变方程，并以此分析了围岩的应力场和位移场；王来贵等以曹树刚等改进的西原正夫模型为基础，利用岩石全程应力-应变曲线与蠕变方程中参数的对应关系，建立了参数非线性蠕变模型。点击添加文本点击添加文本点击添加文本点击添加文本由于岩石非线性流变元件模型有助于从概念上认识变形的弹性分量和塑性分量，且表达式通常能直接描述蠕变与松弛，所以许多岩石力学研究工作者用非线性流变元件模型来解释岩石的各种力学特性。当前岩石非线性流变元件模型仍是目前岩石流变力学理论研究中的一个重要课题。点击添加文本点击添加文本点击添加文本点击添加文本几种流变模型点击添加文本点击添加文本点击添加文本点击添加文本韦立德提出的一维粘弹塑性本构模型该模型能描述软岩的多种形式的蠕变，其在恒定应力0σ=σ作用下的蠕变状态方程式（1），（2）得点击添加文本点击添加文本点击添加文本点击添加文本韦立德提出的一维粘弹塑性本构模型图1岩石在恒定应力作用下的理想蠕变曲线图2SO元件及其应力应变关系点击添加文本点击添加文本点击添加文本点击添加文本韦立德提出的一维粘弹塑性本构模型韦立德经过长时间研究流变现象后发现，一种岩石产生流变能力主要由岩石的凝聚力C决定，粘性系数η随凝聚力的增大而增大；不可恢复的永久的粘塑性变形主要由颗粒间的滑动距离决定。韦立德在这两个发现基础上提出了以下粘弹塑性本构模型。假设：（1）岩石流变过程中瞬时产生的弹性应变由岩石颗粒间挤压产生的相对位移而得；（2）蠕变应变因颗粒间剪切作用发生的位移而得，力由颗粒间凝聚力和剪切摩擦力共同承担；（3）因存在颗粒间凝聚力而存在流变特性粘性系数的失效率随流变应变呈均匀概率分布；（4）颗粒间的摩擦力和应变关系在流变应变比较小时是弹性关系，在应变超过某一量值后颗粒间发生滑动摩擦，因此，可以用一个弹性元件和一个塑性元件串联所成的马克斯韦尔模型描述；（5）颗粒间的凝聚力和应变关系可以用一个粘性元件和一个SO元件并联构成的模型描述。则可得到如图3所示的岩石粘弹塑性本构模型。点击添加文本点击添加文本点击添加文本点击添加文本韦立德提出的一维粘弹塑性本构模型图3粘弹塑性模型点击添加文本点击添加文本点击添加文本点击添加文本韦立德提出的一维粘弹塑性本构模型

点击添加文本点击添加文本点击添加文本点击添加文本金丰年和浦奎英提出的非线性黏弹性模型

点击添加文本点击添加文本点击添加文本点击添加文本金丰年和浦奎英提出的非线性黏弹性模型

定应变速度试验点击添加文本点击添加文本点击添加文本点击添加文本金丰年和浦奎英提出的非线性黏弹性模型

定应变速度试验点击添加文本点击添加文本点击添加文本点击添加文本金丰年和浦奎英提出的非线性黏弹性模型定应变速度试验图4不同m值情况下的应力-应变曲线图5不同应变速度下的应力-应变曲线点击添加文本点击添加文本点击添加文本点击添加文本金丰年和浦奎英提出的非线性黏弹性模型蠕变试验

点击添加文本点击添加文本点击添加文本点击添加文本金丰年和浦奎英提出的非线性黏弹性模型蠕变试验图6不同m值情况下的蠕变曲线点击添加文本点击添加文本点击添加文本点击添加文本邓荣贵等提出的一种非牛顿流体黏滞阻尼元件根据岩石的蠕变试验资料可知，当岩石进入加速蠕变阶段时，蠕变速率随应力和时间的增加而逐渐变大。传统的流变模型之所以不能描述岩石加速蠕变阶段，原因在于将岩石流变视为理想的牛顿流体。实际上，岩石的流变不仅具有普通流体的特性，由于其结构的特殊性，还具有非牛顿流体的特性。因此，不妨引进一种如图7所示的非线性粘滞阻尼器，该粘滞阻尼器所受应力与其蠕变加速度大小成正比，即图7非线性粘滞阻尼器点击添加文本点击添加文本点击添加文本点击添加文本邓荣贵等提出的一种非牛顿流体黏滞阻尼元件

点击添加文本点击添加文本点击添加文本点击添加文本曹树刚等采用非牛顿体黏性元件构成五元件的改进西原正夫模型利用流变学中的基本模型。通过组合可以得到很多模型来描述岩土的流变特性．但它们绝大多数只能描述衰减蠕变．而无法描述非衰减蠕变。由岩石的全应力-应变曲线知．受力以后，岩石最初发生裂隙闭合及弹性变形；随着应力增加，叉产生新的裂隙．并且裂隙越来越多．不断扩展，岩体最终发生破坏。因此．可以看作岩石的粘滞系数在开始随裂隙的闭合逐渐增大，很快达到最大值：随着裂隙的扩展，其粘滞系数逐渐变小．当岩石因裂隙扩展发生破坏时．其粘滞系数达到最小值。所以，岩石的粘滞系数是先增大，后减小。不过。因为弹性变形过程和裂隙闭合过程很短，因此，其粘滞系数的变化过程也很短暂。点击添加文本点击添加文本点击添加文本点击添加文本曹树刚等采用非牛顿体黏性元件构成五元件的改进西原正夫模型

点击添加文本点击添加文本点击添加文本点击添加文本曹树刚等采用非牛顿体黏性元件构成五元件的改进西原正夫模型

点击添加文本点击添加文本点击添加文本点击添加文本曹树刚等采用非牛顿体黏性元件构成五元件的改进西原正夫模型

点击添加文本点击添加文本点击添加文本点击添加文本曹树刚等采用非牛顿体黏性元件构成五元件的改进西原正夫模型图8改进的西原正夫体模型及其蠕变曲线点击添加文本点击添加文本点击添加文本点击添加文本陈沅江等提出的蠕变体和裂隙塑性体两种非线性元件

蠕变体点击添加文本点击添加文本点击添加文本点击添加文本陈沅江等提出的蠕变体和裂隙塑性体两种非线性元件

蠕变体点击添加文本点击添加文本点击添加文本点击添加文本陈沅江等提出的蠕变体和裂隙塑性体两种非线性元件

蠕变体图10软岩的复合流变模型点击添加文本点击添加文本点击添加文本点击添加文本陈沅江等提出的蠕变体和裂隙塑性体两种非线性元件蠕变体(a)蠕变体(b)蠕变曲线图9蠕变体及其蠕变曲线点击添加文本点击添加文本点击添加文本点击添加文本陈沅江等提出的蠕变体和裂隙塑性体两种非线性元件裂隙塑性体由于岩石中存在大量微观裂隙，故其在一定大小的外界荷载作用的初期会有一个裂隙有限压密闭合阶段，这种微观裂隙的压密闭合在宏观上将表现为岩石的瞬时塑性变形。对页岩的蠕变试验发现：在荷载增长到某一水平时，岩石中因微裂隙压密闭合而导致的瞬时塑性变形开始明显产生，此后，随应力的增加而有限增加。也就是说，岩石受载瞬时因微裂隙的压密闭合而表现出塑性变形存在一门槛应力值。当外界荷载水平低于该门槛值时，岩石裂隙的压密闭合效应甚微，可以认为，其表现的宏观塑性变形没有产生，反之则反。不同岩性的岩石该门槛值的大小是不一样的，如对硬岩来说，该值可能较大，故在通常的荷载水平下其只表现弹性变形；而对于软岩，该值较低，裂隙的压密闭合效应在较低的应力水平下便表现明显，砂质页岩在应力低于其长期强度时，其弹性应变和塑性应变之比可达7:1～4:1。点击添加文本点击添加文本点击添加文本点击添加文本陈沅江等提出的蠕变体和裂隙塑性体两种非线性元件裂隙塑性体

点击添加文本点击添加文本点击添加文本点击添加文本陈沅江等提出的蠕变体和裂隙塑性体两种非线性元件裂隙塑性体

点击添加文本点击添加文本点击添加文本点击添加文本陈沅江等提出的蠕变体和裂隙塑性体两种非线性元件裂隙塑性体图11由双回旋悬臂粱抽象成的裂隙塑性体及其本构曲线点击添加文本点击添加文本点击添加文本点击添加文本几个流变实验点击添加文本点击添加文本点击添加文本点击添加文本大别山超高压榴辉岩流变强度实验材料和程序

点击添加文本点击添加文本点击添加文本点击添加文本大别山超高压榴辉岩流变强度点击添加文本点击添加文本点击添加文本点击添加文本大别山超高压榴辉岩流变强度实验材料和程序

点击添加文本点击添加文本点击添加文本点击添加文本大别山超高压榴辉岩流变强度实验材料和程序图12高压实验样品装置点击添加文本点击添加文本点击添加文本点击添加文本大别山超高压榴辉岩流变强度实验材料和程序图13实验原始榴辉岩(a)和实验变形榴辉岩(b)的显微构造比较点击添加文本点击添加文本点击添加文本点击添加文本大别山超高压榴辉岩流变强度实验结果

点击添加文本点击添加文本点击添加文本点击添加文本大别山超高压榴辉岩流变强度实验结果

点击添加文本点击添加文本点击添加文本点击添加文本大别山超高压榴辉岩流变强度实验结果

点击添加文本点击添加文本点击添加文本点击添加文本大别山超高压榴辉岩流变强度实验结果从图14c实验力学资料求得活化能(Q)为480kJ/mol(图14d).榴辉岩高温高压流变学实验条件和力学强度资料见表2.为了查明组成榴辉岩主要矿物(石榴石和绿辉石)体积分数比例不同对榴辉岩流变的影响,在温度1500K,围压3.0GPa,应变速率4.6×10-4s-1条件下分别对榴辉岩(石榴石(50%)、绿辉石(40%)、石英(10%)),石榴石岩(石榴石(90%)、绿辉石和石英(10%))和绿辉石岩(绿辉石(90%)、石榴石和石英(10%))进行流变强度比较实验(图15).石榴石岩流变强度是榴辉岩流变强度的两倍,是绿辉石岩流变强度的4倍.在同样变形条件下含0.3%水湿榴辉岩的流变强度是干榴辉岩流变强度的二分之一.点击添加文本点击添加文本点击添加文本点击添加文本大别山超高压榴辉岩流变强度实验结果图14榴辉岩高温蠕变力学资料(围压3.0GPa)点击添加文本点击添加文本点击添加文本点击添加文本大别山超高压榴辉岩流变强度实验结果点击添加文本点击添加文本点击添加文本点击添加文本锦屏一级水电站坝基绿片岩的流变力学特性岩性特征

图16绿片岩微观结构示意图点击添加文本点击添加文本点击添加文本点击添加文本锦屏一级水电站坝基绿片岩的流变力学特性试验装置

图16岩石流变伺服仪自平衡三轴压力室系统点击添加文本点击添加文本点击添加文本点击添加文本锦屏一级水电站坝基绿片岩的流变力学特性试验条件三轴流变试验类型为等围压三轴压缩试验，采用分级加载试验方法，轴向加载应力水平取5-8级。试验前对绿片岩进行了常规三轴压缩试验，获得绿片岩三轴压缩瞬时强度，再根据该瞬时强度，确定出每级围压下绿片岩三轴流变分级加载试验的应力水平。三轴流变试验在具有恒温和恒湿条件的蠕变专用实验室，室内温度始终控制在(20±0.3)℃。采用在岩样表面粘贴应变片来测量岩石轴向变形和侧向变形。为了防止岩样的非均匀变形破坏和各向异性对流变试验结果的影响，分别在岩样中部沿不同方位粘贴了4个应变片，如图17所示。图17岩石轴向和侧向应变片粘贴方式点击添加文本点击添加文本点击添加文本点击添加文本锦屏一级水电站坝基绿片岩的流变力学特性试验程序

点击添加文本点击添加文本点击添加文本点击添加文本锦屏一级水电站坝基绿片岩的流变力学特性变试验结果分析在不同围压作用下，绿片岩典型的流变试验结果如图18和图19所示。以下基于三轴流变试验曲线，分析不同应力状态下绿片岩的轴向应变和侧向应变随时间变化的规律以及轴向和侧向流变速率随时间的变化规律。图18不同围压下绿片岩轴向应变与时问的关系图19不同围压下绿片岩侧向应变与时间的关系点击添加文本点击添加文本点击添加文本点击添加文本锦屏一级水电站坝基绿片岩的流变力学特性轴向应变规律

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点击添加文本点击添加文本点击添加文本点击添加文本锦屏一级水电站坝基绿片岩的流变力学特性侧向应变规律表2为同等应力水平条件下围压5MPa和15MPa平均侧向流变变形量的对比情况。由表2可知，围压对侧向流变变形亦存在很大的影响。但围压与侧向流变变形量之问没有明确关系。点击添加文本点击添加文本点击添加文本点击添加文本锦屏一级水电站坝基绿片岩的流变力学特性流变对应力-应变曲线的影响在围压作用下绿片岩流变对应力．应变曲线典型的影响规律如图20所示。图20中与应变轴近乎平行的曲线为流变变形，其它为压缩变形。显然，在应力水平较低时岩样没有流变变形，但在较大应力时，岩样流变变形显著，这与前述轴向应变以及侧向应变与时间关系的分析结论完全吻合.图20流变对应力．应变曲线典型的影响规律点击添加文本点击添加文本点击添加文本点击添加文本锦屏一级水电站坝基绿片岩的流变力学特性流变对应力-应变曲线的影响由图20可见，应力-轴向应变以及应力．侧向应变曲线可以划分为4个阶段：OA段(裂隙压密)：由于岩石经历了漫长的成岩和改造历史，并赋存在一定的地质和应力环境中，因而岩石材料内部存在裂纹、孔隙、位错以及节理等初始损伤，而岩性不同的岩石，其初始损伤亦存在很大差异。对于绿片岩而言，明显存在裂隙压密阶段，应力．应变曲线呈上凹型，与轴向应变相比而言，侧向应变较小，但增加的速率较快。AB段(弹性变形)：荷载作用下岩石发生弹性变形，轴向应变和侧向应变曲线均为直线型，但线性并不意味着弹性。本阶段内尽管受到流变的作用，但岩石整体变形基本不受流变的影响，在某一应力水平下，对岩样进行流变试验后，再继续加载，曲线基本上仍沿原来的应力路径继续发展，这与低应力水平作用时的岩石疲劳试验相类似，流变试验对岩石整体弹性变形特性不构成明显的损伤。这表明，低应力水平作用下岩石材料仅存在原有裂隙压密以及孔洞闭合等局部结构的调整，随时间的增长，几乎没有任何新的细观损伤产生。点击添加文本点击添加文本点击添加文本点击添加文本锦屏一级水电站坝基绿片岩的流变力学特性流变对应力-应变曲线的影响BC段(裂隙扩展)：荷载作用下，岩样内微裂隙开始发展，本阶段曲线偏离直线，材料出现不可逆非线性变形，由于受到流变效应长期积累作用，岩石承载结构逐渐弱化，材料塑性变形增加，因而经过流变作用以后，曲线不能再沿原来路径继续扩展，而是发生偏离应力轴更大的非线性变形。这表明在较高应力水平时，岩石组构开始随时问不断变化，在流变过程中有大量细观裂纹产生与扩展，并逐步形成细观主裂面，岩石与周围介质变形不协调并出现许多分支细观裂纹，从而使得塑性变形增大。CD段(宏观破裂)：岩石中微裂隙的进一步扩展，裂隙在试样某部位加密及桥接，从而形成宏观裂纹，而宏观裂纹又通过裂纹的阶梯状连接，形成具有强烈应变集中的裂隙带，且不断向试样端部延伸，直至试样破裂，此阶段比不涉及流变作用的应力一轴向应变以及应力．侧向应变曲线变化更快，变形几乎以与应变轴相平行的趋势迅速扩展。该阶段内流变损伤累积和细观主裂纹迅速扩展演化，从而使得流变破裂具有突变性和分叉特点。点击添加文本点击添加文本点击添加文本点击添加文本锦屏一级水电站坝基绿片岩的流变力学特性流变速率规律计算图18和图19中绿片岩流变曲线对应的各时刻的斜率，就可以得到岩石材料流变过程中流变速率与时间的关系曲线。低应力水平时，由于流变性能不明显，轴向应变速率以及侧向应变速率均只表现了2个阶段，即初期流变速率阶段：流变速率随着时间的增长，很快衰减为零；稳态流变速率阶段：流变速率随着时问的增长基本保持不变，对应的流变速率为稳态流变速率，对低应力水平而言，稳态流变速率接近为零，而在高应力水平时，流变速率表现的特征与低应力水平时基本等同，所不同的是稳态流变速率是大于零的常量。当然，由于局部非均匀破裂的影响，某些应力水平条件下的流变速率变化不是很明显。但是，在出现破裂的最后一级应力水平时，岩石的轴向和侧向流变速率表现出与前面应力水平时不同的特征，图21给出了围压15MPa时绿片岩在最后一级应力水平100MPa时的轴向和侧向流变速率与时间的关系。点击添加文本点击添加文本点击添加文本点击添加文本锦屏一级水电站坝基绿片岩的流变力学特性流变速率规律图21绿片岩轴向和侧向流变速率与时间的关系点击添加文本点击添加文本点击添加文本点击添加文本锦屏一级水电站坝基绿片岩的流变力学特性流变速率规律由图21可见，岩石轴向变形经历了初期流变、稳态流变以及加速流变3个阶段，相应的轴向应变速率的变化也经历了3个阶段，即初期流变速率阶段：流变速率随着时间的增长，很快衰减至某一常量；稳态流变速率阶段：流变速率随着时间的增长，流变速率基本保持不变；加速流变速率阶段：流变速率随着时间的增长，迅速增大，岩样发生流变破裂。而岩石侧向变形仅经历了稳态流变和加速流变2个阶段，岩样初期流变以及初期流变速率阶段几乎没有，相应的流变速率仅经历了稳态流变速率及加速流变速率阶段，即岩样的流变速率从瞬时时刻始，随着时间的增长，很长的一段时问里，流变速率基本为恒定值，即稳态流变速率，此后便迅速增加，岩样发生流变破裂。以上分析表明，流变速率的变化明显受到应力水平的影响，在破裂应力水平时，岩石的轴向和侧向流变速率明显具有不同的特征，而且在出现加速流变阶段的破裂应力水平时，岩样的轴向和侧向流变速率均更为迅速，从而使得岩样破裂也更为短暂，因而此阶段的流变速率应更引起特别的注意和慎重，工程实践中一旦发生这样的加速流变，造成的后果也是相当严重的。点击添加文本