岩石流变理论课件.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,流变的概念,蠕变的类型和特点,描述流变性质的三个基本元件,组合模型及其性质,岩石流变理论,流变,(theology):,物质在外部条件不变的情况下，应力和应变随时间变化的现象流变性又称粘性（,viscosity).,岩石流变理论,3,弹性后效,：是一种延期发生的弹性变形和弹性恢复，即外力卸载后弹性变形没有立即完全恢复，而是随着时间才逐渐恢复到零；,粘性流动,：在微小外力作用下发生的流动；,塑性流动,：在外力达到某个极限后，材料才发生的流动岩石流变理论,1940.05,(,底鼓冒顶、断面收缩,),1939.01,岩石流变理论,流变的种类：,蠕变,:,应力不变，变形随时间增加而减小,松弛,:,应变不变，应力随时间增加而减小,弹性后效,:,加载或卸载时，弹性应变滞后于应力的现象,岩石流变理论,t,O,图,2-27,典型的蠕变曲线,（,1,）岩石的典型蠕变曲线及其特征,如图,2-27,所示：岩石在受到恒定荷载作用下，首先产生一瞬时的弹性应变,0,，随后开始进入蠕变阶段岩石流变理论,第一蠕变阶段,特点：应变速率随时间增加而减小，最后变形趋于一个稳定的极限值。

故又称为减速蠕变阶段或初始蠕变阶段岩石流变理论,第二蠕变阶段（等速蠕变阶段,BC,）（,较长）,特点：应变率,0,为常量；,卸载：有瞬弹性恢复，弹性后效，粘性流动，不可恢复的应变,粘塑性应变第三蠕变阶段（加速蠕变阶段）,特点：,剧烈增加；,一般此阶段比较短暂岩石流变理论,类型,：稳定蠕变，,只包含瞬态蠕变和稳定蠕变段，不会导致破坏，低应力状态下发生的蠕变，图中,C,类型,：不稳定蠕变,，又可分,典型蠕变,和,加速蠕变,两种，包括蠕变的三个阶段，其中,加速蠕变,应变率很高，几乎没有稳态蠕变阶段较高应力状态下发生的蠕变，图中,A,、,B,（,2,）岩石蠕变曲线的类型,岩石流变理论,一种岩石既可发生稳定蠕变也可发生不稳定蠕变，这取决于岩石应力的大小超过某一临界应力时，蠕变向不稳定蠕变发展；小于此临界应力时，蠕变按稳定蠕变发展通常称此临界应力为,岩石的长期强度,岩石流变理论,岩石流变的力学属性：主要是通过试验了解，目前主要了解到,在单向压缩情况下，,（,1,）岩石的侧向蠕变比轴向蠕变更显著，侧向蠕变速率随应力增加也比轴向蠕变的更迅速；,（,2,）多数岩石在较低的单向压应力作用下表现出粘弹性固体性状,而当压力超过一定量值后,则多表现为粘塑性流变的状态；,（,3,）某些岩石有体积蠕变的特性；,（,4,）弹性模量和泊松比随加载时间和加载速度的不同而变化；,岩石流变理论,一些岩石在单向拉伸、扭转（剪切）和多点弯曲等恒载分别作用下的变形均表现出更加明显的时间效应；,扭转流变试验是探讨岩石剪切流变特征的重要手段；,在双轴和三轴压缩的复杂应力状态下，岩石的蠕变性态受到各个方向应力大小及加载路径的影响，例如,（,1,）在围压恒定，轴压增加的情况下，时间效应较明显，变化规律与单轴压缩情况类似；反之，在轴压恒定，围压增加的情况下，时间效应多不明显；,（,2,）侧压对某些岩石蠕变的影响很显著。

岩石流变理论,13,软弱夹层和沿节理结构面的剪切流变性状是决定不连续岩体流变特征的关键；节理面的剪切刚度随时间而降低，剪切应变速率随剪应力的增加而增加；,含水量对岩石试件的蠕变性态有一定影响；,在恒定的单向压应变作用下，多数岩石都表现出不同程度的应力松弛特性；,流变试验时试样破坏的形式与普通短期加载试验试样破坏的形式相似，一般为拉破、剪破以及两者的复合形式岩石流变理论,岩石蠕变的本构模型：,即应力,-,应变,-,时间的关系式在流变学中，流变性主要研究材料流变过程中的应力、应变和时间的关系，用应力、应变和时间组成的流变方程来表达流变方程,主要包括本构方程、蠕变方程和松弛方程在一系列的岩石流变试验基础上建立反映岩石流变性质的流变方程，通常有二种方法：即经验方程法、微分方程法（流变模型理论法）岩石流变理论,经验方程法,根据岩石蠕变试验结果，由数理统计学的回归拟合方法建立经验方程典型的岩石蠕变方程有：,（,1,）幂函数方程,（,2,）指数方程,（,3,）幂函数、指数函数、对数函数混合方程,岩石流变理论,经验公式的优点,简单实用,对特定的岩石，能很好吻合,试验结果缺点：,较难推广到所有各种岩石和情况,不能描述应力松弛特性,形式不易于进行数值计算,16,岩石流变理论,微分方程法（流变模型理论法）,此法在研究岩石的流变性质时，将介质理想化，归纳成各种模型，模型可用理想化的具有基本性能（包括弹性、塑性和粘性）的元件组合而成，通过这些元件不同形式的串联和并联，得到一些典型的流变模型体；相应地推导出它们的有关微分方程，即建立模型的本构方程和有关的特性曲线。

微分模型既是数学模型，又是物理模型，数学上简便，比较形象，比较容易掌握岩石流变理论,弹性元件,(,用弹簧表示,),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,描述流变性质的三个基本元件,岩石流变理论,塑性元件,(,用摩擦片表示,),材料性质：物体受应力达到屈服极限,s0,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：,=0,，（当,ss,0,时）,，（当,s,s,0,时）,岩石流变理论,粘性元件,(,由带孔活塞和充满粘性流体的筒,(,粘壶,),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：,(1-26),为粘性流体的粘性系数,单位为泊,1Pa=1N/m,2,应力应变速率曲线（见右图）,模型符号：,N,岩石流变理论,牛顿体的性能：,a.,有蠕变,即有蠕变现象,应变,-,时间曲线,岩石流变理论,b.,无瞬变,c.,无松弛,d.,无弹性后效,2.4,岩石流变理论,(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,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岩石流变理论,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联模型：,并联模型：,岩石流变理论,岩石流变理论,（,2,）马克斯威尔,(Maxwell),体,本构方程：,由串联性质：,=,1,=,2,模型符号：,H-N,体,岩石流变理论,对,H,体,：,对,N,体,：,本构关系：,岩石流变理论,蠕变方程,当,t=0,时，突然施加,代入本购方程：,得,积分,初始条件,t=0,岩石流变理论,蠕变方程,:,蠕变曲线,等速蠕变，,且不稳定,岩石流变理论,松弛方程,当,t=0,时，保持应变不变,初始条件：,t=0,=,0,(,0,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,积分,代入上式整理得：,则,岩石流变理论,松弛曲线,岩石流变理论,当,t,增加时，将逐渐减少，也就是当应变恒定时，应力随时间的增长而逐渐减少，这种应力现象称为应力松弛。

3,）开尔文（,kelvin,）体,模型符号：,K=H|N,岩石流变理论,由并联性质：,=,1,=,2,本构方程：,对,N,体,：,对,H,体,：,本构方程,岩石流变理论,蠕变方程：,得,当,t=0,时，突然施加,一阶线性微分方程,初始条件：当,t=0,时,代入本方程,岩石流变理论,蠕变方程,：,蠕变曲线：,岩石流变理论,初始条件,t=t,1,，,=,1,卸载方程,有弹性后效：卸载时，也是如此，下面研究卸载方程,如果,t=t,1,时卸载，,=0,代入本构方程,岩石流变理论,卸载曲线,岩石流变理论,无松弛,代入本构方程得,表明无松弛现象,无瞬变性（显然）,描述岩石的特点,有稳定蠕变,有弹性后效,无松弛,无瞬变性,岩石流变理论,E,2,E,1,1,KH,广义,kelvin,模型,E,2,E,1,2,PTh=H,M,饱依丁,托姆逊模型,Poynting-Thomson,岩石流变理论,岩石的长期强度,一般情况下，当荷载达到岩石瞬时强度（通常指岩石单轴抗压强度）时，岩石发生破坏在岩石承受荷载低于其瞬时强度的情况下，如持续作用较长时间，由于流变作用，岩石也可能发生破坏因此，岩石的强度是随外载作用时间的延长而降低，通常把作用时间,t,的强度（最低值）称之为岩石的长期强度。

岩石长期强度是一种极有意义的时间效应指标当衡量永久性及使用期长的岩石工程的稳定性时，不应以瞬时强度而应以长期强度作为岩石强度的计算指标岩石流变理论,岩石长期强度确定方法,（,1,）可以通过各种应力水平长期载荷试验得出41,岩石流变理论,（,2,）通过不同应力水平恒载蠕变试验，得一簇蠕变曲线,42,岩石流变理论,岩石流变研究的发展方向,复杂应力路径下的岩石非线性流变研究；,水力一应力藕合下的岩石流变研究；,考虑各向异性的岩石流变研究；,岩石流变中的体积扩容研究；,岩石损伤与断裂流变研究,43,岩石流变理论,。