岩石的力学特性节

岩石的力学特性节第一页，共三十七页，2022年，8月28日3.5岩石的流变特性3.5.1岩石流变定义→岩石流变是指岩石变形与时间有关的性质。不同加载速率→不同变形性状。岩石流变包括蠕变、松弛、弹性后效和粘性流动。蠕变:应力保持不变时，应变随时间增加而增长的现象；松弛:应变保持不变时，应力随时间增加而减小的现象；弹性后效:加(卸)载后，经过一段时间应变才增加(或减少)到应有数值的现象；粘性流动

:蠕变一段时间后卸载，部分应变永久不恢复的现象。第二页，共三十七页，2022年，8月28日岩石流变包括蠕变、松弛、弹性后效和粘性流动。蠕变:应力保持不变时，应变随时间增加而增长的现象；松弛:应变保持不变时，应力随时间增加而减小的现象；弹性后效:加(卸)载后，经过一段时间应变才增加(或减少)到应有数值的现象；粘性流动

:蠕变一段时间后卸载，部分应变永久不恢复的现象。第三页，共三十七页，2022年，8月28日1.岩石蠕变

研究意义重大。

岩石蠕变十分普遍!边坡工程\地下工程岩石蠕变应力重（新）分布岩体内及建(构)筑物内产生应力集中

影响岩体工程的稳定性。第四页，共三十七页，2022年，8月28日1)岩石蠕变曲线图3-27蠕变曲线。不同应力水平不同。初始蠕变/瞬态阶段。卸荷应力立即消失，

应变弹性后效。三个阶段(图3-27)：

①初始蠕变、

②等速蠕变、

③加速蠕变。2)蠕变

不稳定蠕变，

稳定蠕变。典型的蠕变曲线第五页，共三十七页，2022年，8月28日(2)等速蠕变/稳态阶段。曲线呈近似直线，卸载应变恢复，但存在一永久应变。(3)加速蠕变/不稳定阶段。应变速率迅速增加。

岩石蠕变稳定与否应力水平与临界应力。岩石的长期强度第六页，共三十七页，2022年，8月28日3.5.2岩石流变方程流变方程流变过程中的应力、应变和时间的关系。流变方程:本构方程、蠕变方程和松弛方程微分方程或经验公式。

用理想弹性元件、塑性元件和粘性元件组合，建立流变模型。

不同组合形式不同模型。第七页，共三十七页，2022年，8月28日1．流变模型基本元件弹性元件粘性元件塑性元件第八页，共三十七页，2022年，8月28日1)弹性元件虎克体理想弹性体(满足虎克定律)。其力学模型弹簧元件(图3-28a)。本构方程:第九页，共三十七页，2022年，8月28日关于虎克体：①瞬时弹性变形，与时间无关。虎克体不存在弹性后效；一定的非零荷载(应力)对应相应的应变，应力为零(卸载)应变为零②无应力松弛；应变恒定时，应力不变，应力并不因时间增长而减小③无蠕变性。应力保持恒定，应变也保持不变第十页，共三十七页，2022年，8月28日2)塑性元件理想塑性体:力学模型摩擦片(或滑块，如图3-29a)。应力达到屈服极限时开始产生塑性变形，应力不增加，变形仍增长本构方程:第十一页，共三十七页，2022年，8月28日3)粘性元件牛顿体理想粘性体阻尼器(图3-30a)。应力与应变速率成正比(图3-30b)。本构方程:第十二页，共三十七页，2022年，8月28日关于粘性元件：①应变与时间有关，且无瞬时变形;②粘性元件具有流变性;③粘性元件无弹性后效，但存在永久变形；④粘性元件无应力松弛特性。第十三页，共三十七页，2022年，8月28日圣维南体(St.VenantModel)马克斯威尔体(MaxwellModel)开尔文体(KelvinModel)广义开尔文体(modifiedKelvinModel)伯格斯体(BurgersModel)宾汉体(BinghamModel)西原体。代表性组合模型2．流变微分方程基本元件基本组合方式:串联与并联。串联组合体:并联组合体:第十四页，共三十七页，2022年，8月28日1)圣维南(St.Venant)体(图3-31a)①本构方程第十五页，共三十七页，2022年，8月28日②卸载特性卸载σ=0，弹性变形完全恢复，塑性变形停止。保留已发生塑性变形。

圣维南体代表理想弹塑性体，无蠕变，无松弛，无弹性后效。第十六页，共三十七页，2022年，8月28日2)马克斯威尔(Maxwell)体(图3-32)①本构方程弹簧阻尼器

第十七页，共三十七页，2022年，8月28日②蠕变方程第十八页，共三十七页，2022年，8月28日③松弛方程第十九页，共三十七页，2022年，8月28日克斯威尔体有松弛现象物理概念理解:t=0，弹簧开始变形，阻尼器来不及变形。t=t1，在弹簧的作用下，阻尼器逐渐变形，弹簧收缩，弹簧应力减小松弛。第二十页，共三十七页，2022年，8月28日3)开尔文(Kelvin)体(图3-34)①本构方程弹簧阻尼器

第二十一页，共三十七页，2022年，8月28日②蠕变方程原因:

施力瞬间阻尼器的惰性阻止弹簧产生瞬时变形。蠕变曲线第二十二页，共三十七页，2022年，8月28日③卸载方程t=t1时卸载，σ＝0初始条件本构方程：第二十三页，共三十七页，2022年，8月28日表明:

阻尼器在弹簧收缩时，随之恢复变形，当t→∞时，弹簧元件与粘性元件完全恢复变形。

弹性后效。卸载方程第二十四页，共三十七页，2022年，8月28日应变恒定：ε＝ε0＝const④松弛方程表明模型无应力松弛性能。综上所述：开尔文体属于稳定蠕变模型，有弹性后效，但无松弛现象。本构方程：应力恒定第二十五页，共三十七页，2022年，8月28日4)广义开尔文体(ModifiedKelvinModel,图3-36)

开尔文体+弹簧串联。①本构方程②蠕变方程③弹性后效(卸载效应)第二十六页，共三十七页，2022年，8月28日5)伯格斯(Burgers)体图3-38伯格斯体粘弹性体马克斯威尔体+开尔文体串联。第二十七页，共三十七页，2022年，8月28日6)宾汉(Bingham)体图3-40宾汉体=虎克体+理想粘塑性体串联。主要反映岩石的弹性—粘塑性特性，适用于粘土及半坚硬岩石。第二十八页，共三十七页，2022年，8月28日3．经验方程根据岩石流变试验结果，通过数理统计的方法拟合出经验表达式。瞬时应变初始阶段应变等速阶段应变加速阶段应变第二十九页，共三十七页，2022年，8月28日临时作业参考答案：1、B2、D3、B4、D第三十页，共三十七页，2022年，8月28日二、填空题1、岩石流变包括（蠕变）、（松弛）、（弹性后效）和（粘性流动）。2、在低侧压真三轴条件下，岩石破坏可分为（剪切）、（拉剪）、（拉裂）。3、根据变形速率的不同特点，软弱岩石的典型流变曲线可以划分为

瞬态阶段

、

稳态阶段

和

不稳定阶段

三个阶段。4、在研究岩石流变中，常用流变模型的三个基本元件为

弹性元件

、

塑性元件

和

粘性

元件。5、研究岩石变形的时间效应，一般而言主要采用两种方法寻找其蠕变规律，即

经验

方法和

蠕变模型

方法。第三十一页，共三十七页，2022年，8月28日3.6影响岩石力学性质的主要因素主要包括岩石本身性质和试验与环境条件。岩石本身性质：矿物组成、结构构造(颗粒大小、连结及微结构发育特征等)、密度、风化程度及各向异性等等；试验与环境条件：主要有水、温度、加载速率、围压的大小等。第三十二页，共三十七页，2022年，8月28日1．水对岩石力学性质的影响

①岩石中的水两种赋存方式：②5个主要方面结合水/束缚水自由水/重力水连接作用润滑作用水楔作用孔隙压力作用溶蚀-潜蚀作用第三十三页，共三十七页，2022年，8月28日2．温度对岩石力学性质的影响第三十四页，共三十七页，2022年，8月28日3．加载速率对岩石力学性质的影响低高第三十五页，共三十七页，2022年，8月28日岩石的脆性和塑性并非岩石固有的性质，它与其受力状态有关，随着受力状态的改变，其脆性和塑性是可以相互转化的。4．围压对岩石力学性质的影响在三轴压缩条件下，岩石的变形、强度和弹性极限都有显著增大。第三十六页，