第4章岩石的变形与强度特性课件.ppt

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1、第 四 章 岩石的变形与强度特性重庆交通大学土木建筑学院隧道及岩土工程系,本章内容：,4-1 概述 4-2 岩石的变形特性 4-3 岩石的蠕变特性 4-4 岩石的强度试验 4-5 岩石的强度理论,1、岩石的单轴压缩变形特性，应力应变全过程曲线的工程意义； 2、岩石在三轴压缩条件下的力学特性； 3、岩石的流变性。 4、岩石的抗压强度、抗拉强度、抗剪强度及其实验室测定方法 5、岩石在三轴压缩条件下的力学特性； 6、莫尔强度理论、格里菲斯断裂强度理论及判据；难点：岩石的流变性。,重点:,关键术语:,脆性、塑性、延性、粘性（流变性）；蠕变；松弛；弹性后效；岩石的变形；全应力应变曲线；刚性压力机；岩石的

2、强度；抗压强度；抗拉强度；抗剪强度；峰值强度；长期强度；残余强度；强度理论。要求：1、须掌握本章重点难点内容；2、了解影响岩石力学性质的因素；3、理解岩石流变本构模型。4、了解影响岩石力学性质的因素；,4-1 概述,弹性(elasticity)：指物体在外力作用下发生变形，当外力撤出后变形能够恢复的性质。塑性(plasticity)：指物体在外力作用下发生变形，当外力撤出后变形不能恢复的性质。脆性(brittleness)：物体在外力作用下变形很小时就发生破坏的性质。延性(ductility)：物体能够承受较大的塑性变形而不丧失其承载能力的性质。粘性（流变性）(viscosity)：物体受力后

3、变形不能在瞬间完成，且应变速度（d/dt）随应力大小而变化的性质。,理想弹性体,理想弹塑性体,线性硬化弹塑性体,理想粘性体,几种典型的材料变形形状示意图,4-2 岩石的变形特性, 岩石的变形特性只有通过在应力作用下的变形过程才能表现出来，这种变形过程可由岩石的应力与应变关系来描述 岩石的应力应变之间的关系一般采用由试验获得的应力-应变曲线来表示,强度特性：岩石抵抗外力作用的能力，岩石破坏时能够 承受的最大应力。 变形性质：岩石在外力作用下发生形态（形状、体积） 变化。,力学性质,变形性质,a.单向压缩变形b.反复加载变形c.三轴压缩变形,强度特性,单向抗压强度单向抗拉强度剪切强度三轴压缩,单轴

4、压缩,云南腾冲柱状节理,林县红旗渠悬挂在山腰的输水渠道真是不简单！,试样试验机,第三节 岩石的单轴抗压强度和破坏形式,圆柱试样单轴压缩强度是岩样达到破坏过程中承载得的最大载荷与截面积的比值，是岩石材料的特征参数,圆柱试样,正方形,三角形,六边形,圆柱试样,Results of sandstone specimens in uniaxial compression,一 岩石的单轴抗压强度,1.定义：指岩石试件在无侧限的条件下，受轴向压力作用破坏时单位面积上承受的荷载。,式中：P无侧限的条件下的轴向破坏荷载 A试件界面积,2.试件方法：,圆柱形试件：4.85.2cm ，高H=（22.5) 长方体试

5、件：边长L= 4.85.2cm , 高H=（22.5)L 试件两端不平度0.5mm；尺寸误差0.3mm; 两端面垂直于轴线0.25o,（1）试件标准：,4.影响单轴抗压强度的主要因素,（1）承压板端部的摩擦力及其刚度（加垫块的依据）（2）试件的形状和尺寸 形状：圆形试件不易产生应力集中，好加工 尺寸：大于矿物颗粒的10倍； 50的依据 高径比：研究表明；h/d(23)较合理（3）加载速度 加载速度越大，表现强度越高(见图25) 我国规定加载速度为0.5 1.0MPa/s（4）环境 含水量：含水量越大强度越低；岩石越软越明显，对泥岩、粘土等软弱岩体，干燥强度是饱和强度的23倍。见表22 温度度：

6、180以下部明显：大于180，湿度越高强度越小。,一、 岩石单轴压缩条件下的变形特性,研究岩石最普遍的方法是单轴压缩试验 在单轴压缩试验时，试样大多采用圆柱形，一般要求试样的直径为5cm，高度为10cm，两端摩平光滑，按照实验要求，在侧面粘贴电阻丝片，以便观测变形，然后用压力机对试样加压，见图。在任何轴向压力下都测量试样的轴向应变和侧向应变。设试样的长度为，直径为，试样在荷载P作用下轴向缩短，侧向膨胀，则试样的轴向应变为。,1 单轴压缩试验：,体积应变？,即：任一点处的体积应变与该点处的三个主应力之和成正比。,试样试验机：刚性试验机 伺服控制器 伺服传感器,伺服试验机 Servo-contro

7、lled test machine,附加刚性组件,附加刚性组件,二、 岩石的变形特性,（一） 连续加载,1、变形阶段空隙压密阶段(OA),破坏后阶段(DE)全过程曲线前过程曲线,非稳定发展阶段(CD) D点:峰值强度,微裂隙稳定发展阶段(BC) C点:屈服强度,弹性变形阶段(AB) B点:弹性极限,2、岩石变形曲线的基本形式,（1）直线型：坚硬、完整无裂隙岩体,（2）下凹型：节理裂隙发育，泥质充填，岩性软弱,（3）上凹型：坚硬但裂隙发育，多呈张开而无充填物,其它形式可看成是这三种形式的组合，如S型。,3、峰值前岩块的变形特征（1）前过程曲线类型及特征 Miller.R.P,弹性型,弹-塑性型,

8、塑-弹-塑性型1,塑-弹-塑性型2,弹性-蠕变型,塑-弹性型,伺服机试验结果,4. 峰值后岩块的变形特征,脆性大的岩石,塑性大的岩石,变形参数,假如岩石服从虎克定律(线性弹性材料)，则压缩时的弹性模量E由下式给出：,泊松比为：,在实用上，还可定义以下几种模量：,1)变形模量（modulus of deformation)是指单轴压缩条件下，轴向压应力与轴向应变之比。应力-应变曲线为直线型 这时变形模量又称为弹性模量,应力-应变曲线为“S”型 初始模量(Ei)指曲线原点处切线斜率切线模量(Et)指曲线上任一点处切线的斜率，在此特指中部直线段的斜率割线模量(Es)指曲线上某特定点与原点连线的斜率，

9、通常取c处的点与原点连线的斜率,2)泊松比()（poissons ratio）是指在单轴压缩条件下， 横向应变（）与轴向应变（）之比,在实际工作中，常采用处的与来计算岩块的泊松比。岩块的变形模量和泊松比受岩石矿物组成、结构构造、风化程度、空隙性、含水率、微结构面及其与荷载方向的关系等多种因素的影响，变化较大。,常见岩石的变形模量和泊松比,3)其他变形参数剪切模量（）拉梅常数（）体积模量（V)弹性抗力系数（）,为什么要做三轴压缩试验？,单轴压缩试验,三轴压缩试验,1)定义：岩石在三向压缩荷 载作用下，达到破坏时所能 承受的最大压应力称为岩石的三轴抗压强度(Triaxial compressive

10、 strength)。与单轴压缩试验相比，试件除受轴向压力外，还受侧向压力。侧向压力限制试件的横向变形，因而三轴试验是限制性抗压强度(confined compressive strength)试验。,2)实验加载方式：a. 真三轴加载:试件为立方体，如图所示。 应力状态：12 3 这种加载方式试验装置繁杂，且六个面均可受到由加压铁板所引起的摩擦力，对试验结果有很大影响，因而实用意义不大。故极少有人做这样的三轴试验。b.假三轴试验:，试件为圆柱体，试件直径25150mm，长 度与直径之比为2：1或3：1。轴向压力的加载方式与单 轴压缩试验时相同。 但由于有了侧向压力，其加载上时 的端部效应比单

11、轴加载时要轻微得多。应力状态： 12=3,3)假三轴试验装置图： 由于试件侧表面已被加压油缸的橡皮套包住，液压油不会在试件表面造成摩擦力，因而侧向压力可以均匀施加到试件中。其试验装置示意图如下。,4)第一个经典三轴试验a.试验者和时间：意大利人冯卡门(VonKarman)于1911年完成的。b.试验岩石：白色圆柱体大理石试件，该大理石具有很细的颗粒并且是非常均质的。c.试验发现： 在围压为零或较低时，大理石试件以脆性方式破坏，沿一组倾斜的裂隙破坏。 随着围压的增加，试件的延性变形和强度都不断增加，直至出现完全延性或塑性流动变形，并伴随硬化现象，试件也变成粗腰桶形的。 在试验开始阶段，试件体积减

12、小，当达到抗压强度一半时，出现扩容，泊松比迅速增大。,5) 三轴试验与莫尔强度包络线a.三轴压缩试验的最重要的成果：就是对于同一种岩石的不同试件或不同的试验条件给出几乎恒定的强度指标值。这一强度指标值以莫尔强度包络线（Mohrs strength envelop）的形式给出。b.莫尔强度包络线的绘制： 须对该岩石的56个试件做三 轴压缩试验，每次试验的围 压值不等，由小到大，得出每 次试件破坏时的应力莫尔圆， 通常也将单轴压缩试验和拉 伸试验破坏时的应力莫尔圆， 用于绘制应力莫尔强度包络线。,曲线形,直线形,(1)、岩石在常规三轴试验条件下的变形特性,4、三轴压缩状态下的岩石变形特性,岩石在常

13、规三轴试验条件下的变形特征通常用轴向应变1与主应力差(1-3)的关系曲线表示。,日本学者：茂木清夫,图 三轴应力状态下大理岩的应力应变曲线,围压对岩石变形的影响,围压对岩石刚度的影响,砂岩：孔隙较多，岩性较软， 3增大，弹性模量变大。辉长岩：致密坚硬， 3增大，弹性模量几乎不变。,三轴应力状态下大理岩的应力应变曲线,围压对岩石强度的影响,从以上可以看出：围压对变形破坏的影响如下：,1、岩石破坏前应变随3增大而增大2、岩石的峰值强度随3增大而增大3、随3增大岩石变形模量增大，软岩增大明显，致密的硬岩增大不明显,4、随3增大，岩石的塑性不断增大，随3增大到一定值时，岩石由弹脆性转变为塑性。这时，3

14、的大小称为“转化压力” 。5、随3的增大，岩块从脆性劈裂破坏逐渐向塑性剪切及塑性流动破坏方式过渡。,2 三轴压缩试验：,用岩石三轴仪也可直接测定岩石试件的弹性模量。,泊松比为：,(2)、岩石在真三轴试验条件下的变形特性,岩石的真三轴试验在20世纪60年代才开始的。,（a）3常数， 极限应力1 随2增大而增大，但破坏前的塑性变形量却减小；破坏形式从延性向脆性变化； （b）2常数， 极限应力1 随3增大而增大，破坏前的塑性变形量增大，但屈服极限未变。破坏形式从脆性向延性变化。,（二） 循环加载,2. 卸荷点（P）的应力高于岩石的弹性极限(A),1. 卸荷点（P）的应力低于岩石的弹性极限(A),3.

15、反复加卸荷(岩石记忆、回滞环、疲劳破坏）,特点： 多次反复加、卸载，变形曲线与单调加载曲线上升总趋势保持一致（岩石的“变形记忆功能”）。 卸载应力(超过屈服点）越大，塑性滞回环越大（原因：裂隙的扩大，能量的消耗）；,等荷载循环加、卸载时的应力-应变曲线,特点：, 随着循环次数增多，塑性滞回环愈来愈窄，直到没有塑性变形为止。当循环应力峰值低于某一临界应力时，多次循环不会导致试件破坏；当超过临界应力时，会发生疲劳破坏。（疲劳强度）,试验机： 刚性试验机 伺服控制器 伺服传感器,三、 刚性压力机与全应力-应变曲线, 普通压力机，由于其刚度不够，对于脆性较大、强度较高的材料来说，可能无法体现材料自身的

16、某些特性。 大量的试验发现，对于岩石这种脆性材料在普通压力机上试验时经常出现这样的现象，当荷载到达货刚好通过应力-应变曲线的峰值，岩石就会突然的崩解，试验终止，从而无法得到峰值后的应力-应变曲线。 为了研究岩石应力-应变曲线在峰值过后的特征，只有采用刚性压力机进行岩石试验，要求压力机刚度大于岩石的刚度 当提高压力机的刚度有困难时，通常采用一定的控制方法，使岩石接近破坏时，压力机能量的释放逐步进行，避免岩石破坏采用私服控制系统，如美国的MTS、英国的INSTRON,2 峰值后岩石的变形特征, 岩石峰值后阶段的变形特征的研究，是随着刚性压力机和伺服机的研制成功才逐渐开展起来的, 在刚性压力机出现之

17、前，一般以峰值前变形特征来表征岩石的变形特性，以峰值应力代表岩石的强度，超过峰值就认为岩石已破坏，无承载能力 大量试验和工程实践发现，岩石即使在破裂且变形很大的情况下，也还具有一定的承载能力，在有侧向压力的情况下更是如此,瓦威尔西克（Wawer Sik,1968）对岩石开始宏观破坏后的性态做了仔细研究，所得结果如图所示。,类型1：试件仍有一定的强度。要使试件进一步破坏，试验机必须进一步作功，这种类型为稳定破坏型。应力应变曲线的破坏后区斜率为负。这种类型为稳定破坏型；（孔隙率大的沉积岩和部分结晶岩） 类型2：试件受力达到其极限强度以前储存的弹性变形能就足以使试件完全破坏，不但不需要试验机进一步作

18、功，还要逐步卸载，才能作出破坏后区应力应变曲线。应力应变曲线的破坏后区斜率为正。这种类型为非稳定破坏型；（细粒结晶岩）,葛修润的成果。,4-3 岩石的流变性,弹性后效流动粘性流动塑性流动,应变率P22,导致岩石发生流变的原因是因为在长期环境力场作用下岩石矿物组构（骨架）随时间不断调整。,岩石流变力学主要探讨岩石在一定的环境力场作用下与时间有关的变形、应力和破坏的规律性。 主要了解岩石的蠕变规律、松弛规律和长期强度。,4-3.1 概 念,4-3 岩石的流变性（时效性、粘性）,1.2 发展过程,1835年，Weber研究抽丝时发现弹性后效。 1865年，Kelvin发现金属锌具有粘性性质。 186

19、9年，Maxwell发现材料既可以是弹性的，又可以是粘性的。 1874年，Boltzmann发展了线性粘弹性理论。 1922 年 Bingham 出版他的名著 流动和塑性 和 1929 年美国创建流变协会，标志着流变学成为一门独立的学科。 20世纪5060年代，形象化流变模型得到较大发展,岩石流变力学的创立是由材料流变学发展而来的，是材料流变学的一个重要分支。 1966年，在Lisbon召开的首届国际岩石力学会议上，有学者提出更适合岩土的流变本构。 1979年，在第四届国际岩石力学会议上，Langer教授作了题为“Rheological Behavior of Rock Masses”的报告。

20、 陈宗基教授在20世纪50年代即将流变学用于土力学中，50年代末60年代初用于岩石力学和裂隙岩体。,孙钧教授在流固耦合流变、三维流变、非线性流变、蠕变损伤与断裂，以及流变参数与模型辨识和岩土流变细观力学实验研究等复杂科学问题均有相当的开拓和进取。 陶振宇、刘雄、薛林等学者均在岩石流变方面做出了贡献。,1.3 应用领域,水电大坝、各类交通隧道、矿山软岩巷道、高层建筑地基、各类边坡等。,4-3 岩石的流变性（时效性、粘性）,一、流变的概念岩石的流变性是指岩石应力应变关系随时间而变化的性质。,蠕变现象当应力保持恒定时，应变随时间增长而增大。松弛现象当应变保持恒定时，应力随时间增长而逐渐减小的现象。弹

21、性后效加载或卸载时，弹性应变滞后于应力的现象。,2.2 节理岩体的流变,节理岩体的蠕变主要表现在沿节理面的剪切蠕变。尤其节理面有软弱充填物，或受较高剪切应力作用时，节理剪切蠕变相对于时间和应力的非线性特性明显，蠕变变形较大，呈现强烈的流动特征，长期强度较低 。,2.3 岩体损伤、断裂的时效特性,节理岩体的破坏都具有显著的时效特征。岩体由局部破坏到总体失稳是损伤累积和断裂发展的过程。损伤累积是随时间增长逐渐产生的。,2.4 岩石流变的温度效应,一般地说，当岩石所受荷载恒定时，在蠕变时间相同的条件下，随着温度的增长蠕变变形也增大。而对不同的岩石，温度对流变的影响程度差别也很大。,2.5 岩石的膨胀

22、和流变,在应力作用下，岩石的蠕变与膨胀有一定的相似性，膨胀应变与时间的关系曲线与蠕变曲线也比较相似。但蠕变是在应力保持恒定时应变随时间的增长，而膨胀是在应力随时间增,含有高岭石、蒙脱石和伊利石的岩石的吸水膨胀变形随时间的增长则与蠕变在机理上是完全不相同。 在实际岩石工程中岩体的膨胀变形与流变（蠕变）变形或膨胀压力与流变压力往往难以严格区分。,长的情况下产生膨胀应变随时间增长。,二、岩石的蠕变性能,1、岩石的蠕变特性 通常用蠕变曲线（-t曲线）表示岩石的蠕变特性。,不同恒定荷载条件,3、岩石的蠕变曲线类型,类型1：稳定蠕变 。曲线包含瞬时弹性变形、瞬态蠕变和稳定蠕变3个阶段（压应力10MPa，1

23、2.5MPa）类型2：典型蠕变 。曲线包含4个阶段（压应力15MPa，18.1MPa）类型3：加速蠕变 。曲线几乎无稳定蠕变阶段，应变率很高（压应力20.5MPa，25MPa）,（1）稳定蠕变：岩石在较小的恒定力作用下，变形随时间增加到一定程度后就趋于稳定，不再随时间增加而变化，应变保持为一个常数。稳定蠕变一般不会导致岩体整体失稳。（2）非稳定蠕变：岩石承受的恒定荷载较大，当岩石应力超过某一临界值时，变形随时间增加而增大，其变形速率逐渐增大，最终导致岩体整体失稳破坏。（3）岩石的长期强度：岩石的蠕变形式取决于岩石应力大小，当应力小于某一临界值时，岩石产生稳定蠕变；当应力大于该值时，岩石产生非稳

24、定蠕变。则将该临界应力称为岩石的长期强度。,2、岩石的典型蠕变曲线及其特征,典型的蠕变曲线可分为4个阶段：,(1)瞬时弹性变形阶段（OA）：,(2)一次蠕变阶段（AB）： （瞬态蠕变段）,(3)二次蠕变阶段（BC）： （等速或稳定蠕变段）,(4)三次蠕变阶段（CD）： （加速蠕变段）,蠕变变形总量：=0+1(t)+2(t)+3(t),式中：0为瞬时弹性应变；1(t)，2(t)，3(t)为与时间有关的一次蠕变、二次蠕变、三次蠕变。v 为粘塑性应变， Q 为粘弹性应变。,三、岩石的流变模型,岩石的流变本构模型 ：用于描述岩石应力应变关系随时间变化的规律。它是通过试验理论应用证实而得到的。,本构模型

25、分类：,1、经验公式模型：根据不同试验条件及不同岩石种类求得的数学表达式，这种表达式通常采用幂函数、指数函数、对数函数的形式表达。2、积分模型：是在考虑施加的应力不是一个常数时的更一般的情况下，采用积分的形式表示应力应变时间关系的本构方程。3、组合模型：将岩石抽象成一系列简单元件（弹簧、阻尼器、摩擦块），将其组合来模拟岩石的流变特性而建立的本构方程。,3 岩石流变本构理论,3.1 经验模型,3.1.1 幂函数型,A、n 均为试验常数。,3.1.2 对数函数型,在试验或实测数据基础上回归得到。,1 Hobbs,g、k、f 均为试验常数。,2 Roberstson,A蠕变系数。,3.1.3 指数函

26、数型,A 试验常数, f(t)时间函数。,1 Evans,2 Hardy,（二）组合模型,1、流变模型元件（1）弹性介质及弹性元件（虎克体） ：,弹性介质性质： （1）具有瞬时变形性质；（2）常数，则保持不变，故无应力松弛性质；（3）常数，则也保持不变，故无蠕变性质；（4）0（卸载），则0，无弹性后效。 可见，、与时间t无关。,（2）粘性介质及粘性元件（牛顿体）,加载瞬间，无变形即当t=时,=0,=0,则 c=0,粘性介质性质： （1）当0时， 说明在受应力 0作用，要产生相应的变形必须经过时间t，表明无瞬时变形，粘性元件具有蠕变性质；,（2）0（卸载），则常数，故无弹性后效，有永久变形。（3

27、）常数，则0，粘性元件不受力，故无应力松弛性质。,（3）塑性介质及塑性元件（圣维南体）,当:s ，=0 s , ,可模拟刚塑性体的变形性质。,牛顿体具有粘性流动的特点。塑性元件具有刚塑性体变形（塑性变形也称塑性流动）的特点。粘性流动：只要有微小的力就会发生流动。塑性流动：只有当应力达到或超过屈服极限s才会产生流动。粘弹性体：研究应力小于屈服极限时的应力、应变与时间的关系；粘弹塑性体：研究应力大于屈服极限时的应力、应变与时间的关系；,2、岩石的组合流变模型,（1）弹塑性介质模型,当:s ，,=s , 保持不变， 持续增大，。,（2）马克斯威尔模型（Maxwell）,该模型由弹性元件和粘性元件串联

28、而成，可模拟变形随时间增长而无限增大的力学介质。,设弹簧和粘性元件的应力、应变分别为1,1和 2 ,2，组合模型的总应力为和。,弹簧:,由(b):,粘性元件:,则 12， (a) 1 2 (b),马克斯威尔模型本构方程,马克斯威尔模型本构方程：,A、蠕变曲线：当保持不变， 即 0常数，d/dt=0, 代入上式得：,通解为：,初始条件：加载瞬间,得： c = 0,蠕变方程：,马克斯威尔模型本构方程：,B、卸载曲线：当t=t1时卸载，弹性变形0立即恢复，则卸载曲线为：,这是不可恢复的塑性变形。,蠕变方程：,C、松弛曲线：当保持不变， 即0常数，d/dt=0, 代入上式得：,通解为：,初始条件：,得

29、：c = ln0,松弛方程：,马克斯威尔模型本构方程：,可见：马克斯威尔模型具有瞬时变形、蠕变和松弛的性质，可模拟变形随时间增长而无限增大的力学介质。,（3）开尔文沃伊特模型（Kelvi-voige）,设弹簧和阻尼元件的应力、应变分别为1 、1和2 、2，组合模型的总应力为和 。,弹簧:,由(a):,阻尼元件:,则 1+2， (a) 1 =2 (b),开尔文模型本构方程,(c),(d),开尔文模型本构方程：,A、蠕变曲线：当保持不变， 即 0常数，代入上式得：,通解为：,初始条件：加载瞬间，粘性元件不变形，即,得：,蠕变方程：,(c),可见：当t=0时, =0，当t 时， 00/E ,即弹性变

30、形(弹性后效）,(d),蠕变方程,凯尔文模型能模拟稳定蠕变，不能模拟瞬时弹性变形。,若在tt1 时卸载，0，由本构方程：,B、卸载曲线方程,得：,通解为：,得卸载曲线：,当卸载瞬间t=t1时,= t1 ，当t时，0,即卸载后，变形慢慢恢复到0（弹性后效）。,通解为：,初始条件：,得:,开尔文模型本构方程：,C、松弛曲线：当保持不变， 即0常数，d/dt=0, 代入上式得：,可见，应力最终由弹簧承担后，应变就停止发展了。该模型反映了弹性后效现象和稳定蠕变性质。开尔文模型是一种粘弹性模型。,(三）模型识别与参数的确定,1、模型识别 模型识别即根据流变试验曲线确定用何种组合流变模型来模拟这种岩石的流

31、变特征。 蠕变曲线有瞬时弹性应变段模型中则应有弹性元件； 蠕变曲线在瞬时弹性变形之后应变随时间发展模型中则应有粘性元件； 如果随时间发展的应变能够恢复弹性元件与粘性元件并联组合； 如果岩石具有应力松弛特征弹性元件与粘性元件串联组合； 如果松弛是不完全松弛（应力减小至s）模型中应有塑性元件（宾汉模型）。,2、模型参数的确定,模型参数的确定一般要通过数值计算进行，对于简单模型，可用试验数据直接确定模型参数。 例：马克斯威尔模型有两个参数E 和。E可由瞬时弹性应变求出：,式中：o是蠕变试验所施加的常应力，o是瞬时弹性应变。,马克斯威尔模型蠕变方程,在曲线上任取一点（t0),可求得粘性系数：,最早的流

32、变实验出现在1901年，研究灰岩在静水压力作用下变形与破坏的时间效应。 随着岩体工程中一些重大事故的发生，使人们认识到岩石长期变形流动与时效强度的重要性，推动了对岩石流变学的研究。 国内以陈宗基为代表的流变学派，先后在葛洲坝、三峡、大冶铁矿、金川镍矿进行过大型现场剪切流变、三轴流变原位试验。,5 岩石流变室内试验,5.1 概述,5.3 岩石流变试验类型及试验数据分析,单轴压缩蠕变试验 双轴压缩蠕变试验 三轴压缩蠕变试验 剪切蠕变试验 扭转蠕变试验 弯曲蠕变试验 松弛试验,主要有两大类：蠕变试验和松弛试验。,5.3.1 蠕变试验,1、单轴压缩加恒载,2、单轴压缩比例加载（陈氏加载法）,1）加下级

33、载荷时，前级载荷已进入稳态蠕变；2）每级载荷等时间间隔。,3、三轴压缩蠕变试验,5.5 岩石流变试验设备,岩石流变试验设备的关键是所加荷载（应力或应变）的长期稳定。 加载方法主要有：砝码杠杆加载系统液压千斤顶辅以手工增加补偿压力弹簧加载油气储能器稳定载荷装置闭环式伺服液压加载,岩石的流变试验设备主要有两种类型：蠕变仪和松弛仪。,单轴压缩砝码杠杆加载原理示意图,原联邦德国地学与自然资源研究所常温下岩盐单轴压缩蠕变试验支架。每一加载支架可进行5个试样的蠕变试验。,单轴压缩弹簧加载试验装置,1立柱，2上横梁，3下横梁，4弹簧座，5试件，6承压块，7千分表，8拧紧螺母，9压力传感器，10千分表，11底

34、座,双轴压缩蠕变试验机（长春试验机研究所）,可加温单轴、三轴压缩蠕变试验装置,一般三轴压缩蠕变试验装置,单轴压缩松弛仪,1电机2减速齿轮3螺旋千斤顶4数字应变仪5载荷传感器6试样,岩石剪切流变仪,岩石扭转流变仪,4种岩石蠕变试验曲线,泥岩应力松弛试验曲线,红砂岩应力松弛试验曲线,6.2 现场变形时效监测,在试验隧洞或实际工程中长时间量测隧洞周边岩体的表面位移，以求得岩体的蠕变曲线和蠕变参数，为合理确定隧洞的支护时机和支护刚度提供依据；或者用以监测围岩和支护的变形，确定隧洞的稳定性。这也是新奥法主要原则之一。,7 岩石流变问题的工程应用,7. 1 长江三峡永久船闸边坡岩体弹粘塑性时空 效应研究,

35、三峡船闸是双线五级连续船闸，位于大坝左侧的坛子岭外侧，世人称之为“长江第四峡”，最大开挖深度170米，中隔墩岩体宽度57米，闸室的开挖宽度37米，建成后每个闸室长280米，宽34米。 大坝蓄水到175米时，船闸工作的水位上游是175米，下游工作的最低水位是62米，水位相差113米，相当于40层楼。从上游第一级船闸闸首至下游第五级闸室闸尾1607米。,船闸 ship lock,利用向两端有闸门控制的航道内灌、泄水，以升降水位，使船舶能克服航道上的集中水位落差的厢形通航建筑物。又称“厢船闸”。由闸室、闸首、闸门、引航道及相应设备组成。船只上行时，先将闸室泄水，待室内水位与下游水位齐平，开启下游闸门

36、，让船只进入闸室，随即关闭下游闸门，向闸室灌水，待闸室水面与上游水位相齐平时，打开上游闸门，船只驶出闸室，进入上游航道。下行时则相反。,采用三维弹粘弹粘塑性有限元法对三峡船闸高边坡的关键地段进行了数值计算与分析。,开挖后瞬间产生的位移属弹性变形，不致危及岩体的稳定。闸室开挖到位后，粘性时效变形已基本完成，岩体后期流变变形占总变形的比值并不大； 在闸室全部开挖到位 8 11个月后，位移收敛于稳定的最终值，最大值约为 25 30 mm ，可以认为并不影响钢闸门的启闭；,闸室段岩体塑性区在其顶部与边坡段交接处呈拉剪屈服状态，自坡帮向内（和在中隔墩内）延展约深 5 8m ；在闸室直立壁底端与底板交接处以及中隔墩底端则均呈压剪屈服状态，自坡帮向内延展约深 6 8 . 5m 。这些部位的岩体应是锚固的重点；岩体的流变主要表现在发育的节理、裂隙等软弱结构面，特别是几处断裂、破碎带内，以剪切流变为主；,