巖石力學(xué)特性研究-試驗(yàn)與模型-2013-student

1、1HoHai UniversityHoHai University河海大學(xué)河海大學(xué)河海巖土所河海巖土所Geotechnical I巖石力學(xué)特性研究巖石力學(xué)特性研究 試驗(yàn)與模型試驗(yàn)與模型王偉王偉 博士、副教授博士、副教授河海大學(xué)巖土工程研究所河海大學(xué)巖土工程研究所2 主要內(nèi)容主要內(nèi)容HoHai UniversityHoHai University河海大學(xué)河海大學(xué)河海巖土所河海巖土所Geotechnical I 一、巖石和其物理性質(zhì) 二、巖石室內(nèi)常規(guī)試驗(yàn) 三、巖石流變試驗(yàn) 四、巖石的力學(xué)模型分類 五、巖石的基本力學(xué)模型3 一、巖石和其物理性質(zhì)n 定義定義：巖體是地殼表層圈層，經(jīng)建造和改造而形成的具

2、一定組分和結(jié)構(gòu)的地質(zhì)體。巖石是由礦物組成的，按成因巖石可劃分為巖漿巖、沉積巖和變質(zhì)巖。n 具有一定工程地質(zhì)巖組n 以不連續(xù)為特征的巖體結(jié)構(gòu)n 賦存于一定的地質(zhì)物理環(huán)境 （地應(yīng)力、地下水、地溫）n 作為工程作用對象的地質(zhì)體n 四個(gè)特征四個(gè)特征：4 一、巖石和其物理性質(zhì)n Discontinuousn Inhomogeneousn Anisotropicn Non-elastic 巖石與土一樣，也是由固體相、液體相和氣體相組成的多相體系。三相組成及其相互作用，決定了巖石的性質(zhì)。n 四個(gè)特性四個(gè)特性(DIANE)：5柱狀節(jié)理（Columnar joint）6斷層（Fault）軟弱夾層（Weak se

3、am）71.定義 巖石力學(xué)(Rock Mechanics) 定義一定義一：是研究巖石的力學(xué)性態(tài)的理論和應(yīng)用的科學(xué)，是探討巖石對其周圍物理環(huán)境中力場反應(yīng)的學(xué)科 ，是一門應(yīng)用型基礎(chǔ)學(xué)科(徐志英，巖石力學(xué)）。 巖石力學(xué) 定義二定義二：當(dāng)研究環(huán)境應(yīng)力改變時(shí)，經(jīng)歷過變形、遭受過破壞的巖體再變形、再破壞的力學(xué)理論、規(guī)律以及應(yīng)用的科學(xué)（孫廣忠，巖體力學(xué)）。在應(yīng)用力學(xué)學(xué)科分類中的位置在應(yīng)用力學(xué)學(xué)科分類中的位置： 鮑亦興，科學(xué)與工程中的應(yīng)用力學(xué)，力學(xué)與實(shí)踐，1999，v（21），No. 4。8巖石力學(xué)92.任務(wù) 通過對巖石力學(xué)性態(tài)的理論和實(shí)驗(yàn)研究，解決巖土工程領(lǐng)域的破壞和穩(wěn)定問題。 破壞和穩(wěn)定的關(guān)系破壞和穩(wěn)定的

4、關(guān)系 二者既有區(qū)別又有聯(lián)系。 區(qū)別：破壞是使巖體喪失原有的穩(wěn)定性； 聯(lián)系：穩(wěn)定性的研究必然要弄清材料的破壞機(jī)理。 巖石力學(xué)10錦錦屏屏高高邊邊坡坡11錦屏二級水電站引水隧洞錦屏二級水電站引水隧洞12惠州抽水蓄能電站下庫主壩壩基開挖惠州抽水蓄能電站下庫主壩壩基開挖133 學(xué)科性質(zhì) 以地質(zhì)為基礎(chǔ)以地質(zhì)為基礎(chǔ) 力學(xué)為手段力學(xué)為手段 工程為對象工程為對象 實(shí)用為目的實(shí)用為目的 生態(tài)為導(dǎo)向生態(tài)為導(dǎo)向 綜合性、邊緣性、交叉性綜合性、邊緣性、交叉性巖石力學(xué)是開發(fā)資源和能源的一把金鑰匙（陳宗基）巖石力學(xué)是開發(fā)資源和能源的一把金鑰匙（陳宗基）巖石力學(xué)是地球環(huán)境保護(hù)和災(zāi)害防御的一把金鑰匙巖石力學(xué)是地球環(huán)境保護(hù)和災(zāi)

5、害防御的一把金鑰匙第一章 緒 論巖石力學(xué)14巖石的物理性質(zhì)巖石的強(qiáng)度巖石的變形巖體中的天然應(yīng)力穩(wěn)定性計(jì)算與評價(jià) 圍巖 有壓隧洞 巖基 巖坡研究內(nèi)容巖石力學(xué)151.1.研究內(nèi)容研究內(nèi)容 v 以邊坡為例以邊坡為例巖石力學(xué)16邊坡巖體地質(zhì)特征（地層、巖性、結(jié)構(gòu)面特征及分布、地下水等）巖塊、結(jié)構(gòu)面力學(xué)性質(zhì)（室內(nèi)試驗(yàn)：求變形、強(qiáng)度參數(shù)）應(yīng)力條件（建筑物作用力、天然應(yīng)力、水壓力、地震力等）地質(zhì)模型建立（平、剖面圖）巖體力學(xué)性質(zhì)，力學(xué)參數(shù)（現(xiàn)場試驗(yàn)、模擬試驗(yàn)）開挖后的重分布應(yīng)力、大小力學(xué)模型建立（介質(zhì)模型、應(yīng)力、巖體力學(xué)參數(shù)、變形破壞機(jī)理.）穩(wěn)定性分析計(jì)算（剛體極限平衡理論、有限元.）綜合評價(jià)工程設(shè)計(jì)要求工

6、程設(shè)計(jì)處理方案或修改角施工安全系數(shù)穩(wěn)定、合理不穩(wěn)定、不合理工程地質(zhì)研究方法試驗(yàn)法數(shù)學(xué)、力學(xué)分析法綜合評價(jià)法監(jiān)測反饋分析172.研究方法工程地質(zhì)研究法 研究巖塊和巖體的地質(zhì)與結(jié)構(gòu)特征，為巖體力學(xué)的進(jìn)一步研究提供地質(zhì)模型和地質(zhì)資料 試驗(yàn)法 為巖體變形和穩(wěn)定性分析計(jì)算提供必要的物理力學(xué)參數(shù) 數(shù)學(xué)力學(xué)分析法 通過建立巖體力學(xué)模型和利用適當(dāng)?shù)姆治龇椒?，預(yù)測巖體在各種力場作用下的變形與穩(wěn)定性，為設(shè)計(jì)和施工提供定量依據(jù) 綜合分析法 采用多種方法考慮各種因素(包括工程的、地質(zhì)的及施工的等)進(jìn)行綜合分析和綜合評價(jià)，得出符合實(shí)際情況的正確結(jié)論 巖石力學(xué)182.研究方法其它方法- 智能巖石力學(xué)(馮夏庭)- 分形巖石

7、力學(xué)(謝和平)- 監(jiān)測技術(shù)- 反分析和反饋設(shè)計(jì)巖石力學(xué)191.1.形成歷史形成歷史19511951年，在奧地利創(chuàng)建了地質(zhì)力學(xué)研究組，并形成了獨(dú)具一格的奧地年，在奧地利創(chuàng)建了地質(zhì)力學(xué)研究組，并形成了獨(dú)具一格的奧地利學(xué)派（利學(xué)派（MullerMuller和和StiniStini）。）。同年，國際大壩會議設(shè)立了巖石力學(xué)分會。同年，國際大壩會議設(shè)立了巖石力學(xué)分會。19561956年，美國召開了第一次巖石力學(xué)討論會。年，美國召開了第一次巖石力學(xué)討論會。19571957年，第一本年，第一本巖石力學(xué)巖石力學(xué)專著出版（專著出版（J.TalobreJ.Talobre, ,法國）。法國）。19591959年，法國

8、馬爾帕塞壩潰決，引起巖體力學(xué)工作者的關(guān)注和研究。年，法國馬爾帕塞壩潰決，引起巖體力學(xué)工作者的關(guān)注和研究。19621962年，在奧地利薩爾茨堡成立國際巖石力學(xué)學(xué)會年，在奧地利薩爾茨堡成立國際巖石力學(xué)學(xué)會(ISRM)(ISRM)。19661966年，第一屆國際巖石力學(xué)大會在葡萄牙的里斯本召開，每四年一年，第一屆國際巖石力學(xué)大會在葡萄牙的里斯本召開，每四年一次。最近的一次第次。最近的一次第1111屆大會于屆大會于20072007年在葡萄牙里斯本舉行。年在葡萄牙里斯本舉行。20112011年，將首次在中國北京舉辦第年，將首次在中國北京舉辦第1212屆國際巖石力學(xué)大會。屆國際巖石力學(xué)大會。巖石力學(xué)202

9、.發(fā)展動(dòng)態(tài)巖體結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)面的仿真模擬、力學(xué)表述及其力學(xué)機(jī)理問題裂隙化巖體的強(qiáng)度、破壞機(jī)理及破壞判據(jù)問題巖體與工程結(jié)構(gòu)的相互作用與穩(wěn)定性評價(jià)問題軟巖的力學(xué)特性及其巖體力學(xué)問題水-熱-應(yīng)力-化學(xué)（THMC）耦合作用及巖體工程（如核廢料儲存和石油開采）穩(wěn)定性問題高地應(yīng)力深部巖體力學(xué)問題巖體結(jié)構(gòu)整體綜合仿真反饋系統(tǒng)與優(yōu)化技術(shù)巖體動(dòng)力學(xué)、水力學(xué)與熱力學(xué)問題巖體流變與長期強(qiáng)度問題巖體工程計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖像自動(dòng)生成處理巖石力學(xué)213.著名期刊n 國際巖石力學(xué)學(xué)會（ISRM)主辦的國際巖石力學(xué)與采礦科學(xué)學(xué)報(bào)（International Journal of Rock Mechanics and Mining

10、 Sciences)n 國內(nèi)著名的3種巖石力學(xué)專門期刊：1.巖土工程學(xué)報(bào) 6個(gè)學(xué)會聯(lián)合主辦，南京水利科學(xué)研究院承辦2.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào) 中國巖石力學(xué)學(xué)會（Chinese Society for Rock Mechanics and Engineering)3.巖土力學(xué) 中科院武漢巖土力學(xué)研究所巖石力學(xué)22 種類繁多種類繁多 巖體內(nèi)節(jié)理、裂隙、斷層等結(jié)構(gòu)面千變?nèi)f化巖體內(nèi)節(jié)理、裂隙、斷層等結(jié)構(gòu)面千變?nèi)f化 至今，還沒有形成獨(dú)立的、完整的理論體系至今，還沒有形成獨(dú)立的、完整的理論體系 理論的發(fā)展遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于工程實(shí)踐的需要理論的發(fā)展遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于工程實(shí)踐的需要巖石力學(xué)南水北調(diào)、青藏鐵路、西電東送、西氣東輸以

11、及南水北調(diào)、青藏鐵路、西電東送、西氣東輸以及高速公路網(wǎng)建設(shè)能源儲存等一大批工程高速公路網(wǎng)建設(shè)能源儲存等一大批工程 為巖石力學(xué)學(xué)科的發(fā)為巖石力學(xué)學(xué)科的發(fā)展帶來了挑戰(zhàn)和機(jī)遇展帶來了挑戰(zhàn)和機(jī)遇23 一、巖石和其物理性質(zhì)n 三種巖石的基本特性三種巖石的基本特性1. 巖漿巖（火成巖）巖漿巖（火成巖）巖漿巖具有較高的力學(xué)強(qiáng)度，可作為各種建筑物良好的地基及天然建筑石料。但各類巖石的工程性質(zhì)差異很大。如噴出巖：玄武巖，安山巖，流紋巖等；侵入巖：花崗巖，橄欖巖，閃長巖等。2. 沉積巖沉積巖 碎屑巖的工程地質(zhì)性質(zhì)一般較好，但其膠結(jié)物的成分和膠結(jié)類型影響顯著； 粘土巖和頁巖的性質(zhì)相近，抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度低，受力后變

12、形量大，浸水后易軟化和泥化； 化學(xué)巖和生物化學(xué)巖抗水性弱，常具不同程度的可溶性。常常導(dǎo)致地基和邊坡的失穩(wěn)。2. 變質(zhì)巖變質(zhì)巖變質(zhì)巖的工程性質(zhì)與原巖密切相關(guān)，往往與原巖的性質(zhì)相似或相近。變質(zhì)巖的片理構(gòu)造會使巖石具有各向異性特征，水工建筑中應(yīng)注意研究其在垂直及平行于片理構(gòu)造方向上工程性質(zhì)的變化。24 一、巖石和其物理性質(zhì)n 基本物理指標(biāo)基本物理指標(biāo)1. 容重和密度容重和密度容重：巖石單位體積（包括巖石孔隙體積）的重力。可分為：干容重、濕容重和飽和容重。一般未說明含水狀態(tài)時(shí)是指濕容重。VW 巖石的容重取決于組成巖石的礦物成分、孔隙大小以及含水的多少；一般在26.528.0 KN/m3之間。 隨著巖石

13、容重的增加，極限抗壓強(qiáng)度也隨著增大。巖石密度巖石密度: 是指單位體積內(nèi)巖石的質(zhì)量，單位為g/cm3。它是研究巖石風(fēng)化、巖體穩(wěn)定性、圍巖壓力和選取建筑材料等必需的參數(shù)。 25 一、巖石和其物理性質(zhì)n 基本物理指標(biāo)基本物理指標(biāo)2. 比重比重是指巖石的干的重力除以巖石的實(shí)體體積（不包括孔隙），再與40C時(shí)水的容重相比。wsssVWG3. 孔隙率孔隙率是指巖樣中孔隙體積與總體積的百分比稱為孔隙率?？煞譃殚_口孔隙率和封閉孔隙率，兩者之和總稱為孔隙率。通常所用的是開口孔隙率。開口孔隙率：試樣中與大氣相通的孔隙的體積與試樣總體積之比。%100VVnvoo26 一、巖石和其物理性質(zhì)n 基本物理指標(biāo)基本物理指標(biāo)

14、4. 其它水理性性質(zhì)其它水理性性質(zhì)巖石在水溶液作用下表現(xiàn)出來的性質(zhì)，稱為水理性質(zhì)水理性質(zhì)。v 吸水性吸水性v 抗凍性抗凍性v 滲透性滲透性v 膨脹性膨脹性v 崩解性崩解性v 軟化性軟化性27 一、巖石和其物理性質(zhì)n 基本物理指標(biāo)基本物理指標(biāo)4. 其它水理性性質(zhì)其它水理性性質(zhì)滲透性滲透性：介質(zhì)對某種特定流體的滲透能力。n 滲透系數(shù)是表征巖石透水性的重要指標(biāo)，其大小取決于巖石中孔隙、裂隙的數(shù)量、規(guī)模及連通情況等，并可在室內(nèi)根據(jù)達(dá)西定律測定，單位m/s。n 巖石的滲透性一般都很小，遠(yuǎn)小于相應(yīng)巖體的滲透性，新鮮致密巖石的滲透系數(shù)一般均小于10-7cm/s量級。n 同一種巖石，有裂隙發(fā)育時(shí)，滲透系數(shù)急劇

15、增大，一般比新鮮巖石大46個(gè)數(shù)量級，甚至更大，說明孔隙性對巖石透水性的影響是很大的。 n 影響因素影響因素：巖石的物理特性和結(jié)構(gòu)特征，如孔隙和裂隙的大小、開啟程度以及連通情況等。有時(shí)與巖石的應(yīng)力狀態(tài)也有很大關(guān)系。kiv pAQLkw達(dá)西定律：測量方法：28 主要內(nèi)容主要內(nèi)容HoHai UniversityHoHai University河海大學(xué)河海大學(xué)河海巖土所河海巖土所Geotechnical I 一、巖石和其物理性質(zhì) 二、巖石室內(nèi)常規(guī)試驗(yàn) 三、巖石流變試驗(yàn) 四、巖石的力學(xué)模型分類 五、巖石的基本力學(xué)模型29 二、巖石室內(nèi)常規(guī)試驗(yàn)1. 室內(nèi)試驗(yàn)的基本類型室內(nèi)試驗(yàn)的基本類型巴西試驗(yàn)單軸壓縮試驗(yàn)

16、三軸試驗(yàn)間接測量抗拉強(qiáng)度測量抗壓強(qiáng)度靜水壓縮試驗(yàn)三軸壓縮試驗(yàn)三軸伸長試驗(yàn)根據(jù)目的直剪試驗(yàn)測量抗剪強(qiáng)度測量各種應(yīng)力路徑下的強(qiáng)度其它試驗(yàn)(如點(diǎn)荷載試驗(yàn)、斷裂韌度試驗(yàn)、聲波試驗(yàn)）30 二、巖石室內(nèi)常規(guī)試驗(yàn)1. 室內(nèi)試驗(yàn)的基本類型室內(nèi)試驗(yàn)的基本類型單調(diào)加載應(yīng)力水平遞增的循環(huán)加載加載方式應(yīng)力水平不變的循環(huán)加載 （疲勞試驗(yàn)）應(yīng)力加載應(yīng)變加載排水試驗(yàn)不排水試驗(yàn)排水條件瞬時(shí)試驗(yàn)流變試驗(yàn)時(shí)間效應(yīng)蠕變試驗(yàn)松弛試驗(yàn)控制方法31 二、巖石室內(nèi)常規(guī)試驗(yàn)2. 巴西試驗(yàn)巴西試驗(yàn) - 間接抗拉試驗(yàn)間接抗拉試驗(yàn) （brazilian test）試驗(yàn)方法：采用圓柱體和立方體試件。試驗(yàn)時(shí)沿著圓柱體的直徑方向施加集中荷載，這可以在試

17、件與上、下承壓板接觸處各放一根鋼絲（或膠木板）來實(shí)現(xiàn)。這樣試件受力后就有可能沿著受力的直徑裂開。巴西試驗(yàn)法（Brazilian test)：目前常用混凝土試驗(yàn)中的巴西試驗(yàn)法（劈裂法）測定巖石的抗拉強(qiáng)度。32 二、巖石室內(nèi)常規(guī)試驗(yàn)2. 巴西試驗(yàn)巴西試驗(yàn) - 間接抗拉試驗(yàn)間接抗拉試驗(yàn) （brazilian test）計(jì)算公式：根據(jù)彈性力學(xué)的解答（參考頓志林彈性力學(xué)及其在巖土工程中的應(yīng)用）。DlPRtmax2Pmax ：巖石試件破壞的最大荷載（MN） 圓柱形試樣2max2aPRta ：立方體試樣的邊長（m） 立方體試樣3/2maxVPRtV ：所試驗(yàn)試件的體積（m3） 不規(guī)則試樣巖石的抗拉強(qiáng)度比抗壓

18、強(qiáng)度小的多，約為抗壓強(qiáng)度的1/101/4，根據(jù)巖石的類型而異。33 二、巖石室內(nèi)常規(guī)試驗(yàn)3. 單軸壓縮試驗(yàn)單軸壓縮試驗(yàn)巖石的抗壓強(qiáng)度：巖石試件在單軸壓力下達(dá)到破壞的極限值，它在數(shù)值上等于破壞時(shí)的最大壓應(yīng)力。巖石的抗壓強(qiáng)度一般在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)用壓力機(jī)進(jìn)行加壓試驗(yàn)測定的。試樣制備：試件通常用圓柱形(鉆探巖心)或立方柱狀(用巖塊加工)。試件的斷面尺寸，圓柱形試件采用直徑 D=5cm，也有采用 D=7cm的；立方柱狀試件，采用55cm或77cm。試件的高度h應(yīng)當(dāng)滿足下列條件：圓柱形試件： h=(22.5)D立方柱形試件 ： h=(22.5) A1/2D為試件的橫斷面直徑，A為試件的橫斷面積 34 二、巖石室

19、內(nèi)常規(guī)試驗(yàn)3. 單軸壓縮試驗(yàn)單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果分析： 破壞角（試件的破壞面法線與荷載軸線的夾角） 根據(jù)試樣巖石的性質(zhì)，有多種破壞形式 注意問題：（1）試件端面平整光滑（表面磨光，兩端面的不平行度 0.05 mm）（2）直徑誤差 0.3 mm ；（3）加載速度為 0.50.8 MPa/s ；（4）相同試件做35次，取平均值。35 二、巖石室內(nèi)常規(guī)試驗(yàn)4. 三軸壓縮試驗(yàn)三軸壓縮試驗(yàn)巖石的三軸壓縮試驗(yàn)采用三軸壓力儀進(jìn)行，試驗(yàn)裝置與方法與土相似。試驗(yàn)時(shí)，先施加側(cè)壓力，即小主應(yīng)力3 ，然后逐漸增加垂直壓力，直至破壞，得到破壞時(shí)的大主應(yīng)力1 。1-施加垂直壓力2-側(cè)壓力液體出口處，排氣處3-側(cè)壓力液體進(jìn)口處

20、4-密封設(shè)備5-壓力室6-側(cè)壓力7-球形底座8-巖石試樣36 二、巖石室內(nèi)常規(guī)試驗(yàn)4. 三軸壓縮試驗(yàn)三軸壓縮試驗(yàn)內(nèi)摩擦角和凝聚力的確定：A) 分別進(jìn)行若干次三軸實(shí)驗(yàn)，每次實(shí)驗(yàn)試件破壞時(shí)的1、3不同，然后根據(jù)每次實(shí)驗(yàn)的1、3繪制一個(gè)Mohr圓，多次實(shí)驗(yàn)可以得到多個(gè)Mohr圓；B) 然后，做Mohr圓的包絡(luò)線，如包絡(luò)線不是直線，則進(jìn)行線性回歸;C) 最后，求得包絡(luò)線直線（或回歸后）的截距和與橫軸的夾角，即為凝聚力和內(nèi)摩擦角。三軸試驗(yàn)破壞時(shí)的摩爾圓 同單軸壓縮試驗(yàn)一樣，三軸試驗(yàn)試件的破裂面法線與大主應(yīng)力方向約為45+/2。37 二、巖石室內(nèi)常規(guī)試驗(yàn)4. 三軸壓縮試驗(yàn)三軸壓縮試驗(yàn)三軸試驗(yàn)應(yīng)力路徑與應(yīng)變

21、路徑三軸試驗(yàn)應(yīng)力路徑與應(yīng)變路徑123230301K1230; 0 1230 ; 0 1230; 0 130 ; 012338 二、巖石室內(nèi)常規(guī)試驗(yàn)4. 三軸壓縮試驗(yàn)三軸壓縮試驗(yàn)三軸試驗(yàn)應(yīng)力路徑與應(yīng)變路徑三軸試驗(yàn)應(yīng)力路徑與應(yīng)變路徑1230; 0 130 ; 01230; 0 310 ; 01230; 0 130 ; 01230; 0 130 ; 039 二、巖石室內(nèi)常規(guī)試驗(yàn)4. 三軸壓縮試驗(yàn)三軸壓縮試驗(yàn) （Triaxial system）(法國法國Top Industrie 公司）公司）40用于進(jìn)行巖用于進(jìn)行巖 石三軸試驗(yàn)。例石三軸試驗(yàn)。例如：常規(guī)巖石力學(xué)參數(shù)測試如：常規(guī)巖石力學(xué)參數(shù)測試（彈性參

22、數(shù)和強(qiáng)度參數(shù)）；（彈性參數(shù)和強(qiáng)度參數(shù)）；巴西實(shí)驗(yàn)；巖石蠕變實(shí)驗(yàn)等巴西實(shí)驗(yàn)；巖石蠕變實(shí)驗(yàn)等 4. 三軸壓縮試驗(yàn)三軸壓縮試驗(yàn) （Triaxial system）(美國美國MTS系統(tǒng)）系統(tǒng)）414. 三軸壓縮試驗(yàn)（三軸壓縮試驗(yàn)（MTS）42p 砂巖共進(jìn)行了4個(gè)試樣的常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)，其中圍壓5、7MPa下1個(gè)試樣，圍壓3MPa下2個(gè)試樣。試樣編號c (MPa)E(GPa)E50(GPa)s (MPa)r (MPa)c(MPa)()XJB02321.6814.44154.534.618.058.41XJB03325.6422.23166.645.0XJB01527.6322.42185.747.2XJ

23、B09732.3431.05216.652.0砂巖常規(guī)三軸壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線圍壓3MPa下砂巖常規(guī)三軸壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線砂巖常規(guī)三軸壓縮力學(xué)參數(shù)表1-3 / MPa1 / 10-31-3 / MPa / 10-34. 三軸壓縮試驗(yàn)三軸壓縮試驗(yàn) （Triaxial system）- 砂巖為例砂巖為例3MPa5MPa7MPa 二、巖石室內(nèi)常規(guī)試驗(yàn)43 二、巖石室內(nèi)常規(guī)試驗(yàn)破壞前破壞前破壞后破壞后斷口形態(tài)斷口形態(tài)44 二、巖石室內(nèi)常規(guī)試驗(yàn)5. 直剪試驗(yàn)直剪試驗(yàn)直接剪切試驗(yàn)采用直接剪切儀來進(jìn)行。巖石的直接剪切儀與土的直接剪切儀類似，試驗(yàn)儀器裝置如圖所示。儀器主要由上、下兩個(gè)剛性匣子所組成，試件在平面內(nèi)的尺

24、寸，水利水電工程巖石試驗(yàn)規(guī)程規(guī)定：對測定軟弱結(jié)構(gòu)面的試件，規(guī)定為15153030cm，并規(guī)定結(jié)構(gòu)面上、下巖石的厚度分別約為斷面尺寸的1/2左右，對于測定巖石本身抗剪強(qiáng)度的試件沒有明確規(guī)定，一般用55cm。 45 二、巖石室內(nèi)常規(guī)試驗(yàn)5. 直剪試驗(yàn)直剪試驗(yàn) 繪制不同法向應(yīng)力下剪應(yīng)力與剪切變形曲線，可得一族曲線，每條曲線上的峰值剪應(yīng)力即為材料在當(dāng)前法向應(yīng)力下的剪切強(qiáng)度(圖A）； 然后，繪制峰值剪應(yīng)力與所對應(yīng)的法向應(yīng)力的關(guān)系曲線，其中，把法向應(yīng)力作為橫軸，峰值剪應(yīng)力作為縱軸，則該曲線與橫軸的夾角稱為內(nèi)摩擦角，而該曲線在縱軸的截距稱為凝聚力(圖B） 。AB46 二、巖石室內(nèi)常規(guī)試驗(yàn)5. 直剪試驗(yàn)直剪試

25、驗(yàn)47 二、巖石室內(nèi)常規(guī)試驗(yàn)5. 直剪試驗(yàn)直剪試驗(yàn) 風(fēng)化砂巖風(fēng)化砂巖n 剪切強(qiáng)度隨法向應(yīng)力增大而增大n 剪切殘余強(qiáng)度隨法向應(yīng)力增大而增大n 剪切面不平整導(dǎo)致應(yīng)力應(yīng)變曲線起伏波動(dòng)JC2-2瞬時(shí)剪切試驗(yàn)曲線 JC2-3瞬時(shí)剪切試驗(yàn)曲線 軟弱夾層試樣編號法向應(yīng)力 (MPa)抗剪強(qiáng)度s (MPa)剪切模量G (GPa)黏聚力c (MPa)內(nèi)摩擦角 ( )fJC2-2JC2-2-0138.53.053.657.261.56JC2-2-03514.23.07JC2-3JC2-3-0137.33.08JC2-3-0559.81.08JC2-3-03713.83.57軟弱夾層直剪力學(xué)參數(shù) 48 二、巖石室內(nèi)常

26、規(guī)試驗(yàn)6. 滲透試驗(yàn)（水滲透試驗(yàn)）滲透試驗(yàn)（水滲透試驗(yàn)）DARCYs LAWPGRADKV 49 主要內(nèi)容主要內(nèi)容 一、巖石和其物理性質(zhì) 二、巖石室內(nèi)常規(guī)試驗(yàn) 三、巖石流變試驗(yàn) 四、巖石的力學(xué)模型分類 五、巖石的基本力學(xué)模型HoHai UniversityHoHai University河海大學(xué)河海大學(xué)河海巖土所河海巖土所Geotechnical I50 蠕變概念和蠕變曲線蠕變概念和蠕變曲線巖石的蠕變就是指在應(yīng)力不變的情況下巖石變形巖石的蠕變就是指在應(yīng)力不變的情況下巖石變形(或應(yīng)變或應(yīng)變)隨著時(shí)間隨著時(shí)間 t 而增長的現(xiàn)象。工程實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，在巖石開挖洞室以后一段很長的時(shí)間而增長的現(xiàn)象。工程實(shí)踐發(fā)

27、現(xiàn)，在巖石開挖洞室以后一段很長的時(shí)間內(nèi)，支護(hù)或襯砌上的壓力一直在變化的，這可解釋為由于蠕變的結(jié)果。內(nèi)，支護(hù)或襯砌上的壓力一直在變化的，這可解釋為由于蠕變的結(jié)果。因此，研究巖石的蠕變對于洞室特別是深埋洞室圍巖的變形，有著重因此，研究巖石的蠕變對于洞室特別是深埋洞室圍巖的變形，有著重要意義。要意義。 蠕變曲線的三階段特征蠕變曲線的三階段特征n 在階段在階段 I 內(nèi)，應(yīng)變內(nèi)，應(yīng)變時(shí)間曲線向下彎曲，蠕時(shí)間曲線向下彎曲，蠕變速率降低，在這個(gè)階段內(nèi)的蠕變叫做初期蠕變速率降低，在這個(gè)階段內(nèi)的蠕變叫做初期蠕變或暫時(shí)蠕變、衰減蠕變。變或暫時(shí)蠕變、衰減蠕變。otAPBTRVQUen 階段階段(圖上的圖上的 B 點(diǎn)

28、開始點(diǎn)開始)。在該階段內(nèi)，曲線。在該階段內(nèi)，曲線具有近似不變的斜率。這一階段的蠕變稱為二次具有近似不變的斜率。這一階段的蠕變稱為二次蠕變或穩(wěn)定蠕變。蠕變或穩(wěn)定蠕變。n 最后，階段最后，階段稱為加速蠕變或第三期蠕變，應(yīng)稱為加速蠕變或第三期蠕變，應(yīng)變速率快速增大，這種蠕變導(dǎo)致試樣迅速破壞。變速率快速增大，這種蠕變導(dǎo)致試樣迅速破壞。 在階段在階段 I I 應(yīng)力卸載為零，應(yīng)變恢復(fù)為零，在階段應(yīng)力卸載為零，應(yīng)變恢復(fù)為零，在階段應(yīng)力卸載為零，存應(yīng)力卸載為零，存在不可恢復(fù)的塑性應(yīng)變。在不可恢復(fù)的塑性應(yīng)變。 三、巖石室內(nèi)流變試驗(yàn)C51 蠕變概念和蠕變曲線蠕變概念和蠕變曲線蠕變與應(yīng)力的關(guān)系蠕變與應(yīng)力的關(guān)系n 在

29、低應(yīng)力時(shí)，蠕變漸漸趨于穩(wěn)定，材料在低應(yīng)力時(shí)，蠕變漸漸趨于穩(wěn)定，材料不致破壞。不致破壞。n 在高應(yīng)力時(shí)，蠕變加速，引起破壞。應(yīng)在高應(yīng)力時(shí)，蠕變加速，引起破壞。應(yīng)力愈大，蠕變速率愈大，反之愈小。力愈大，蠕變速率愈大，反之愈小。n 蠕變試驗(yàn)是比較困難的，因?yàn)槿绻尤渥冊囼?yàn)是比較困難的，因?yàn)槿绻拥膽?yīng)力太小，則只產(chǎn)生微小的蠕變；如果的應(yīng)力太小，則只產(chǎn)生微小的蠕變；如果應(yīng)力太大，則加速蠕變和破壞隨即就發(fā)生。應(yīng)力太大，則加速蠕變和破壞隨即就發(fā)生。因此，應(yīng)力的選擇是一件重要而困難的事。因此，應(yīng)力的選擇是一件重要而困難的事。 不同壓應(yīng)力下石膏單軸蠕變試驗(yàn)曲線不同壓應(yīng)力下石膏單軸蠕變試驗(yàn)曲線 三、巖石室內(nèi)流

30、變試驗(yàn)52巖樣XJB07(圍壓5MPa) 巖樣XJB04(圍壓3MPa) 砂巖三軸壓縮流變試驗(yàn)曲線砂巖三軸壓縮流變試驗(yàn)曲線 三、巖石室內(nèi)流變試驗(yàn)53JC2-1-02(法向應(yīng)力5MPa)剪切流變試驗(yàn)曲線 JC2-1-04(法向應(yīng)力3MPa)剪切流變試驗(yàn)曲線 JC2-3-04(法向應(yīng)力7MPa)剪切流變試驗(yàn)曲線 在恒定的法向荷載（垂直應(yīng)力）下，剪切面剪切蠕變隨剪應(yīng)力增大而增大，剪切蠕變速率也隨之增大；在相同的剪應(yīng)力水平下，法向應(yīng)力越高，蠕變量越小，蠕變速率越低 。 風(fēng)化砂巖剪切流變試驗(yàn)曲線風(fēng)化砂巖剪切流變試驗(yàn)曲線 三、巖石室內(nèi)流變試驗(yàn)54n 三軸壓縮流變力學(xué)參數(shù)三軸壓縮流變力學(xué)參數(shù)試樣編號圍壓3

31、(MPa)彈性模量E(GPa)長期模量E(GPa)E/E(%)長期強(qiáng)度 (MPa)長期黏聚力c (MPa) 長期內(nèi)摩擦角 () XJB04326.220.7179.0%137.616.754.78XJB07527.124.7091.1%150.7XJB08727.825.9593.3%177.3砂巖三軸壓縮流變力學(xué)參數(shù)試樣編號法向應(yīng)力 (MPa)破壞荷載m (MPa)長期抗剪強(qiáng)度 (MPa)長期剪切模量G (GPa)長期黏聚力c (MPa)長期內(nèi)摩擦角 ( )fJC2-1-0134.03.430.192.644.450.98JC2-1-0439.07.981.92JC2-1-0257.05.8

32、70.76JC2-1-03512.08.462.31JC2-3-06511.57.542.55JC2-3-04711.59.790.56風(fēng)化砂巖剪切流變力學(xué)參數(shù) n 剪切流變力學(xué)參數(shù)剪切流變力學(xué)參數(shù) 試驗(yàn)結(jié)果試驗(yàn)結(jié)果 三、巖石室內(nèi)流變試驗(yàn)55 主要內(nèi)容主要內(nèi)容 一、巖石和其物理性質(zhì) 二、巖石室內(nèi)常規(guī)試驗(yàn) 三、巖石流變試驗(yàn) 四、巖石的力學(xué)模型分類 五、巖石的基本力學(xué)模型HoHai UniversityHoHai University河海大學(xué)河海大學(xué)河海巖土所河海巖土所Geotechnical I56 四、巖石力學(xué)模型分類1. 彈性模型：適合應(yīng)力水平較低時(shí)的硬巖。3. 彈性損傷模型：適合脆性巖石。

33、線性模型（廣義胡克定律）非線性模型（Cauchy 型，Green 超彈性型，次彈性型-DC模型）2. 彈塑性模型：適合與應(yīng)力水平較高時(shí)的硬巖或應(yīng)力水平較低時(shí)但塑性變形較為明顯的軟巖。理想彈塑性模型彈塑性強(qiáng)化模型各向同性強(qiáng)化（等向強(qiáng)化）各向異性強(qiáng)化（隨動(dòng)強(qiáng)化、組合強(qiáng)化）各向同性損傷模型各向異性損傷模型57 四、巖石力學(xué)模型分類4. 彈塑性損傷模型：適合一般的中等強(qiáng)度、中等硬度的巖石。5. 粘性模型：適合分析較長時(shí)間內(nèi)巖石的應(yīng)力應(yīng)變特征，特別是某些軟巖。各向同性損傷 +各向同性塑性強(qiáng)化 各向異性損傷模型+各向同性塑性強(qiáng)化 各向同性損傷 +各向異性塑性強(qiáng)化 各向異性損傷模型+各向異性塑性強(qiáng)化 粘彈性

34、模型 粘彈塑性模型 粘彈塑性損傷模型 6. 多孔介質(zhì)本構(gòu)模型：適合孔隙率較大，且考慮排水不排水條件下的巖石材料。彈性模型 彈塑性模型 彈塑性損傷耦合模型、粘彈塑性模型等 58 主要內(nèi)容主要內(nèi)容HoHai UniversityHoHai University河海大學(xué)河海大學(xué)河海巖土所河海巖土所Geotechnical I 一、巖石和其物理性質(zhì) 二、巖石室內(nèi)常規(guī)試驗(yàn) 三、巖石流變試驗(yàn) 四、巖石的力學(xué)模型分類 五、巖石的基本力學(xué)模型59五、巖石的基本力學(xué)模型1. 線彈性模型線彈性模型廣義Hooke定律各向同性：ijijkkij2ijkkijijEE1ijmijijEG32klijjkiljlikij

35、klC)(klijklijC60 線彈性模型線彈性模型橫觀各向同性（以橫觀各向同性（以xy平面為各向同性面）平面為各向同性面）F 對于某些巖石，如（片巖和板巖），在一個(gè)平面內(nèi)表現(xiàn)出了各向同性的彈性特征（橫觀各向同性），這種情況下，有五個(gè)彈性參數(shù)（E，E， ，G）。胡克定律表示如下：1000100010002(1)00000100000100000 xxyyzzxyxyyzyzzxzxEEEEEEEEEEGG五、巖石的基本力學(xué)模型61 彈塑性模型彈塑性模型理想彈塑性模型理想彈塑性模型1. Prandtl-Reuss模型模型cos2sin)()(tan3131cfc02kJfComlomb形式：2

36、. Mohr-Coulomb模型模型321Mohr 形式：參數(shù)：k參數(shù)：凝聚力c和內(nèi)摩擦角五、巖石的基本力學(xué)模型62 彈塑性模型彈塑性模型理想彈塑性模型理想彈塑性模型cos2sin)()(tan3131cfcComlomb形式：2. Mohr-Coulomb模型模型Mohr 形式：參數(shù)：凝聚力c和內(nèi)摩擦角csin231cosc321五、巖石的基本力學(xué)模型63 彈塑性模型彈塑性模型理想彈塑性模型理想彈塑性模型3. Drucker-Prager模型模型2111232222122331016ffJIkIJqJ312pI31321planeMises132Mohr-CoulunbTresca五、巖石的

37、基本力學(xué)模型64 彈塑性模型彈塑性模型理想彈塑性模型理想彈塑性模型3. Hoek-Brown 模型模型五、巖石的基本力學(xué)模型n 完整巖石，完整巖石，s = 1; s = 1; 完全破碎巖石，完全破碎巖石，s = 0;s = 0;一般巖石，一般巖石，0s10s1。n 1 = 3.4 3 表示脆性破壞與延性破壞的分界線，只有完整巖塊表示脆性破壞與延性破壞的分界線，只有完整巖塊與質(zhì)量好的巖石為脆性破壞。與質(zhì)量好的巖石為脆性破壞。m : 與巖石類型有關(guān)與巖石類型有關(guān)Rc : 巖塊的單軸抗壓強(qiáng)度（巖塊的單軸抗壓強(qiáng)度（MPa）根據(jù)對大量的試驗(yàn)研究結(jié)果分析，霍克和布朗發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)巖石材料根據(jù)對大量的試驗(yàn)研究

38、結(jié)果分析，霍克和布朗發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)巖石材料在三軸壓縮試驗(yàn)破壞時(shí)的主應(yīng)力之間的關(guān)系表示為：在三軸壓縮試驗(yàn)破壞時(shí)的主應(yīng)力之間的關(guān)系表示為：n 巖塊巖塊n 巖體巖體m, s : 常數(shù)，取決于巖石的性質(zhì)及在常數(shù)，取決于巖石的性質(zhì)及在承受破壞應(yīng)力以前巖石擾動(dòng)或損傷的承受破壞應(yīng)力以前巖石擾動(dòng)或損傷的程度程度2/13311cccRmRR2/1331sRmRRccc656667 彈塑性模型彈塑性模型強(qiáng)化彈塑性模型強(qiáng)化彈塑性模型1. Lade-Duncan模型模型31311233123IkIII 321132k: 強(qiáng)化參數(shù)，破壞時(shí)k=kf五、巖石的基本力學(xué)模型68 彈塑性模型彈塑性模型強(qiáng)化彈塑性模型強(qiáng)化彈塑性模型

39、2. Lade雙屈服面模型雙屈服面模型3113270mpaIIfkIpk: 強(qiáng)化參數(shù)，破壞時(shí)k=kf；pa:大氣壓力221220cfIIr剪切破壞屈服面壓縮屈服面321五、巖石的基本力學(xué)模型69 彈塑性模型彈塑性模型強(qiáng)化彈塑性模型強(qiáng)化彈塑性模型3. 劍橋模型和修正的劍橋模型（蓋帽模型）劍橋模型和修正的劍橋模型（蓋帽模型）0ln0qpfMMpp22000/210/2/2ppqfpMp 屈服面修正的屈服面qMp22000/21/2/2ppqpMppq0p0/2pO五、巖石的基本力學(xué)模型極限狀態(tài)線70 彈塑性模型彈塑性模型強(qiáng)化彈塑性模型強(qiáng)化彈塑性模型4. 帽子模型強(qiáng)化的帽子模型強(qiáng)化的3種方式種方式q

40、p321qp321qp321Cone typeCap type2 yield surfaces五、巖石的基本力學(xué)模型71 彈塑性模型彈塑性模型強(qiáng)化彈塑性模型強(qiáng)化彈塑性模型5. 強(qiáng)化規(guī)律：強(qiáng)化函數(shù)強(qiáng)化規(guī)律：強(qiáng)化函數(shù)k 增加 強(qiáng)化k 降低 軟化k 不變 理想2k1k2k1k2k1k 0,HfHFfHFkijijH 強(qiáng)化參數(shù), 給定H后屈服面被確定五、巖石的基本力學(xué)模型72五、巖石的基本力學(xué)模型 彈塑性模型彈塑性模型強(qiáng)化彈塑性模型強(qiáng)化彈塑性模型5. 強(qiáng)化規(guī)律強(qiáng)化規(guī)律 ：強(qiáng)化參數(shù)的表示形式：強(qiáng)化參數(shù)的表示形式pspvppijijpqdpdWdW. 1ppppdddv321. 2ijpvpijpijpi

41、jpijpspsdddededed332. 3)( , 0)( , 1jijiijpijpijppddd. 4pspvppspvpWH&pspvfH,. 573五、巖石的基本力學(xué)模型 彈塑性模型彈塑性模型強(qiáng)化彈塑性模型強(qiáng)化彈塑性模型6. 流動(dòng)法則流動(dòng)法則p3pp2p1p塑性應(yīng)變增量ijijpijgpgpvqgps塑性勢函數(shù)ijg132pijg321正交法則ijijfgijijgf相關(guān)聯(lián)流動(dòng)法則：不相相關(guān)聯(lián)流動(dòng)法則：74五、巖石的基本力學(xué)模型 彈塑性模型彈塑性模型7. 彈塑性剛度矩陣的推導(dǎo)彈塑性剛度矩陣的推導(dǎo) DepDeddpdd強(qiáng)化彈塑性模型強(qiáng)化彈塑性模型dDdep pedddedDdPTPT

42、dHFdf )(pddDdgddPTTTppfHfD dFDdTTTPfHfgD dFDd()()ijfF H硬化函數(shù)F(H)75五、巖石的基本力學(xué)模型 彈塑性模型彈塑性模型7. 彈塑性剛度矩陣的推導(dǎo)彈塑性剛度矩陣的推導(dǎo) DepDeddpdd強(qiáng)化彈塑性模型強(qiáng)化彈塑性模型dDdepgDfHFdDgdTTPT dgDfHFDfgdgdTTPTp76五、巖石的基本力學(xué)模型 彈塑性模型彈塑性模型7. 彈塑性剛度矩陣的推導(dǎo)彈塑性剛度矩陣的推導(dǎo)強(qiáng)化彈塑性模型強(qiáng)化彈塑性模型 dgDfADfgDDdTT)(gHFATPgDfADfgDDDTTep)(pddDd dgDfHFDfgdgdTTPTpdDdep77

43、五、巖石的基本力學(xué)模型 彈塑性模型彈塑性模型8. 強(qiáng)化參數(shù)強(qiáng)化參數(shù)A的討論的討論強(qiáng)化彈塑性模型強(qiáng)化彈塑性模型(a) PWH pTpddWpTpppdWdW TTppW gFAT(b)PvH pvFfPvTdFdfpgddPvpgFA(c)PsHqgFAgWFATPp psFfpsTdFdfqgddPs787980818283三軸試驗(yàn)驗(yàn)證三軸試驗(yàn)驗(yàn)證84 思考題思考題假設(shè)巖石材料滿足相關(guān)聯(lián)的德魯克-普拉格巖石準(zhǔn)則，其屈服面方程如下：( ,)kfAqpcsa=+塑性屈服方程32ijijdqds ds=13ijijkk ijdsddss d=-試推導(dǎo)巖石材料彈塑性應(yīng)力-應(yīng)變增量形式的本構(gòu)方程。13k

44、kdpds=（，c為材料參數(shù)）()00prpBeaaaae=+-+23pppij ijee e=85五、巖石的基本力學(xué)模型 蠕變模型蠕變模型蠕變曲線的三階段特征蠕變曲線的三階段特征n 在階段在階段 I 內(nèi)，應(yīng)變內(nèi)，應(yīng)變時(shí)間曲線向下彎曲，蠕時(shí)間曲線向下彎曲，蠕變速率降低，在這個(gè)階段內(nèi)的蠕變叫做初期蠕變速率降低，在這個(gè)階段內(nèi)的蠕變叫做初期蠕變或暫時(shí)蠕變、衰減蠕變。變或暫時(shí)蠕變、衰減蠕變。n 階段階段(圖上的圖上的 B 點(diǎn)開始點(diǎn)開始)。在該階段內(nèi)，曲線。在該階段內(nèi)，曲線具有近似不變的斜率。這一階段的蠕變稱為二次具有近似不變的斜率。這一階段的蠕變稱為二次蠕變或穩(wěn)定蠕變。蠕變或穩(wěn)定蠕變。n 最后，階段最

45、后，階段稱為加速蠕變或第三期蠕變，應(yīng)稱為加速蠕變或第三期蠕變，應(yīng)變速率快速增大，這種蠕變導(dǎo)致試樣迅速破壞。變速率快速增大，這種蠕變導(dǎo)致試樣迅速破壞。 在階段在階段 I I 應(yīng)力卸載為零，應(yīng)變恢復(fù)為零，在階段應(yīng)力卸載為零，應(yīng)變恢復(fù)為零，在階段應(yīng)力卸載為零，存應(yīng)力卸載為零，存在不可恢復(fù)的塑性應(yīng)變。在不可恢復(fù)的塑性應(yīng)變。巖石的蠕變就是指在應(yīng)力不變的情況下巖石變形巖石的蠕變就是指在應(yīng)力不變的情況下巖石變形(或應(yīng)變或應(yīng)變)隨著時(shí)間隨著時(shí)間 t 而增長的現(xiàn)象。而增長的現(xiàn)象。86五、巖石的基本力學(xué)模型 蠕變模型蠕變模型蠕變與應(yīng)力的關(guān)系蠕變與應(yīng)力的關(guān)系n 在低應(yīng)力時(shí)，蠕變漸漸趨于穩(wěn)定，材料在低應(yīng)力時(shí)，蠕變漸漸

46、趨于穩(wěn)定，材料不致破壞。不致破壞。n 在高應(yīng)力時(shí)，蠕變加速，引起破壞。應(yīng)在高應(yīng)力時(shí)，蠕變加速，引起破壞。應(yīng)力愈大，蠕變速率愈大，反之愈小。力愈大，蠕變速率愈大，反之愈小。n 蠕變試驗(yàn)是比較困難的，因?yàn)槿绻尤渥冊囼?yàn)是比較困難的，因?yàn)槿绻拥膽?yīng)力太小，則只產(chǎn)生微小的蠕變；如果的應(yīng)力太小，則只產(chǎn)生微小的蠕變；如果應(yīng)力太大，則加速蠕變和破壞隨即就發(fā)生。應(yīng)力太大，則加速蠕變和破壞隨即就發(fā)生。因此，應(yīng)力的選擇是一件重要而困難的事。因此，應(yīng)力的選擇是一件重要而困難的事。 不同壓應(yīng)力下石膏單軸蠕變試驗(yàn)曲線不同壓應(yīng)力下石膏單軸蠕變試驗(yàn)曲線87五、巖石的基本力學(xué)模型 蠕變模型蠕變模型基本元件模型基本元件模型

47、1) 彈性模型或稱彈性單元彈性模型或稱彈性單元：這種模型：這種模型是線性彈性的，完全服從虎克定律，是線性彈性的，完全服從虎克定律，所以也稱虎克物質(zhì)。因?yàn)樵趹?yīng)力作用所以也稱虎克物質(zhì)。因?yàn)樵趹?yīng)力作用下應(yīng)變瞬時(shí)發(fā)生，而且應(yīng)力與應(yīng)變成下應(yīng)變瞬時(shí)發(fā)生，而且應(yīng)力與應(yīng)變成正比關(guān)系，例如剪應(yīng)力與剪應(yīng)變的關(guān)正比關(guān)系，例如剪應(yīng)力與剪應(yīng)變的關(guān)系為系為 ：GG：剪切模量：剪切模量2) 粘性模型或稱粘性單元粘性模型或稱粘性單元：這種模型：這種模型完全服從牛頓粘性定律，它表示應(yīng)力完全服從牛頓粘性定律，它表示應(yīng)力與應(yīng)變速率成比例，例如剪應(yīng)力與剪與應(yīng)變速率成比例，例如剪應(yīng)力與剪應(yīng)變速率的關(guān)系為：應(yīng)變速率的關(guān)系為： dtd：粘

48、滯系數(shù)：粘滯系數(shù)88五、巖石的基本力學(xué)模型 蠕變模型蠕變模型常見的粘彈性蠕變模型常見的粘彈性蠕變模型1) Maxwell 模型模型：這種模型是用彈性單元和粘性單元：這種模型是用彈性單元和粘性單元串聯(lián)串聯(lián)而成。當(dāng)剪應(yīng)力驟然施加而成。當(dāng)剪應(yīng)力驟然施加并保持為常量時(shí)，變形以常速率不斷發(fā)展。這個(gè)模型用兩個(gè)常數(shù)并保持為常量時(shí)，變形以常速率不斷發(fā)展。這個(gè)模型用兩個(gè)常數(shù)G和和來描述。來描述。baabKGtt933)(1111蠕變方程蠕變方程89五、巖石的基本力學(xué)模型 蠕變模型蠕變模型2) 伏埃特伏埃特(Voigt)模型模型：該模型又稱：該模型又稱凱爾文模型凱爾文模型，它由彈性單元和粘性單元，它由彈性單元和粘

49、性單元并聯(lián)并聯(lián)而成。而成。當(dāng)剪應(yīng)力驟然施加時(shí)，剪應(yīng)變速率隨著時(shí)間逐漸遞減，在增長到一定值時(shí)，剪應(yīng)變就當(dāng)剪應(yīng)力驟然施加時(shí)，剪應(yīng)變速率隨著時(shí)間逐漸遞減，在增長到一定值時(shí)，剪應(yīng)變就趨于零。這個(gè)模型用兩個(gè)常數(shù)趨于零。這個(gè)模型用兩個(gè)常數(shù)G和和來描述。由于并聯(lián)，介質(zhì)上的剪應(yīng)力是彈性單元與來描述。由于并聯(lián)，介質(zhì)上的剪應(yīng)力是彈性單元與粘性單元剪應(yīng)力之和：粘性單元剪應(yīng)力之和：dcdc/111139)(GteGKt蠕變方程蠕變方程常見的粘彈性蠕變模型常見的粘彈性蠕變模型90五、巖石的基本力學(xué)模型 蠕變模型蠕變模型常見的粘彈性蠕變模型常見的粘彈性蠕變模型3) 廣義馬克斯威爾模型廣義馬克斯威爾模型：該模型由伏埃特模型

50、與粘性單元串聯(lián)而成。用三個(gè)常數(shù)：該模型由伏埃特模型與粘性單元串聯(lián)而成。用三個(gè)常數(shù)G、1和和2描述。剪應(yīng)變開始以指數(shù)速率增長，逐漸趨近于常速率。描述。剪應(yīng)變開始以指數(shù)速率增長，逐漸趨近于常速率。1233213231蠕變方程蠕變方程teGGttG21/11111333)(1191五、巖石的基本力學(xué)模型 蠕變模型蠕變模型常見的粘彈性蠕變模型常見的粘彈性蠕變模型4) 廣義伏埃特模型廣義伏埃特模型（ 廣義廣義開爾文模型開爾文模型 ）：模型由伏埃特模型與彈性單元串聯(lián)而成，：模型由伏埃特模型與彈性單元串聯(lián)而成，用三個(gè)常數(shù)用三個(gè)常數(shù)G1、G2和和表示該種材料的性狀。開始時(shí)產(chǎn)生瞬時(shí)應(yīng)變，隨后剪應(yīng)變以指表示該種材

51、料的性狀。開始時(shí)產(chǎn)生瞬時(shí)應(yīng)變，隨后剪應(yīng)變以指數(shù)遞減速率增長，最終應(yīng)變速率趨于零，應(yīng)變不再增長。數(shù)遞減速率增長，最終應(yīng)變速率趨于零，應(yīng)變不再增長。 321323112311/111121113339)(tGeGGGKt蠕變方程蠕變方程92五、巖石的基本力學(xué)模型 蠕變模型蠕變模型常見的粘彈性蠕變模型常見的粘彈性蠕變模型5) 鮑格斯鮑格斯(Burgers)模型模型：這種模型由伏埃特模型與馬克斯威爾模型串聯(lián)而組成，見：這種模型由伏埃特模型與馬克斯威爾模型串聯(lián)而組成，見圖圖 (e)。模型用。模型用4個(gè)常數(shù)個(gè)常數(shù)G1、G2、和和1、2來描述。蠕變曲線上開始有瞬時(shí)變形，然后來描述。蠕變曲線上開始有瞬時(shí)變形，

52、然后剪應(yīng)變以指數(shù)遞減的速率增長，最后趨于不變速率增長。剪應(yīng)變以指數(shù)遞減的速率增長，最后趨于不變速率增長。 teGGGKttG21/1111211133339)(11蠕變方程蠕變方程12344321432431 93五、巖石的基本力學(xué)模型 蠕變模型蠕變模型粘彈塑性蠕變模型粘彈塑性蠕變模型5) 西原體西原體模型模型：這種模型由伏埃特模型與一個(gè)粘塑性體串聯(lián)而組成，見圖：這種模型由伏埃特模型與一個(gè)粘塑性體串聯(lián)而組成，見圖 (e)。模型。模型用用5個(gè)常數(shù)個(gè)常數(shù)G1、G2、和和1、2、s來描述。來描述。1G1G22sstGeGGGKt1/11112111 ,3339)(11蠕變方程蠕變方程sstGteGG

53、GKt12/11112111 ,3339)(1194五、巖石的基本力學(xué)模型其它類巖石本構(gòu)模型其它類巖石本構(gòu)模型 巖石損傷模型巖石損傷模型 多孔巖石本構(gòu)模型多孔巖石本構(gòu)模型95巖石本構(gòu)建模實(shí)例-白堊巖 研究背景研究背景北海油田北海油田 白堊巖是一種細(xì)粒的石灰?guī)r，由大白堊巖是一種細(xì)粒的石灰?guī)r，由大量的顆石藻、有孔蟲及其它生物碎量的顆石藻、有孔蟲及其它生物碎片等組成。它是一種主要的石油儲片等組成。它是一種主要的石油儲集層，在中國的南海、歐洲的北海集層，在中國的南海、歐洲的北海等地區(qū)存在這種石油儲集層。等地區(qū)存在這種石油儲集層。 Schroeder(2003) 列舉了工程問列舉了工程問題：由于油井周圍

54、儲油層白堊巖的題：由于油井周圍儲油層白堊巖的大變形導(dǎo)致了油井孔坍塌和油井管大變形導(dǎo)致了油井孔坍塌和油井管道斷裂；由于白堊巖的滲入堵塞油道斷裂；由于白堊巖的滲入堵塞油井；由于孔隙壓力的降低導(dǎo)致白堊井；由于孔隙壓力的降低導(dǎo)致白堊巖儲油層的壓縮，從而導(dǎo)致地面沉巖儲油層的壓縮，從而導(dǎo)致地面沉降現(xiàn)象出現(xiàn)。降現(xiàn)象出現(xiàn)。96英法海底隧道英法海底隧道巖石本構(gòu)建模實(shí)例-白堊巖 研究背景研究背景 白堊巖也是一種常見的土木工程和采礦工程巖組，如世白堊巖也是一種常見的土木工程和采礦工程巖組，如世界著名的英法海底隧道圍巖就是白堊巖。界著名的英法海底隧道圍巖就是白堊巖。97巖石本構(gòu)建模實(shí)例-白堊巖地質(zhì)年代地質(zhì)年代形成與白

55、堊紀(jì)形成與白堊紀(jì)成份成份浮游生物的骨架浮游生物的骨架礦物成份礦物成份碳酸鈣碳酸鈣, 硅硅石，高嶺土石，高嶺土高孔隙和易溶性巖石高孔隙和易溶性巖石 (Risnes and al. 2003) 孔隙度: 30 -45%白堊巖是一類物理力白堊巖是一類物理力學(xué)性質(zhì)復(fù)雜的巖石學(xué)性質(zhì)復(fù)雜的巖石98巖石本構(gòu)建模實(shí)例-白堊巖 試驗(yàn)研究試驗(yàn)研究02040600481216dformation volumique (%) Pc(MPa)IIIIII靜水試驗(yàn)靜水試驗(yàn)三種階段三種階段I.近似線彈性階段近似線彈性階段II.孔隙塌陷階段：塑性壓縮孔隙塌陷階段：塑性壓縮III.屈服強(qiáng)化階段屈服強(qiáng)化階段99巖石本構(gòu)建模實(shí)例-

56、白堊巖 試驗(yàn)研究試驗(yàn)研究04812-10123 Pc= 1 MPa (Soltrol) Pc= 3 MPa (Soltrol) Pc= 4 MPa (Soltrol) Pc=10 MPa (Soltrol) 3(%) 1(%) (MPa) 對于低圍壓: 對于高圍壓：表現(xiàn)脆性特性: 取決于靜水壓力, 剪切斷裂面表現(xiàn)韌性特性: 孔隙高度壓縮, 骨架塌陷斷裂三軸壓縮狀態(tài)特性三軸壓縮狀態(tài)特性100巖石本構(gòu)建模實(shí)例-白堊巖統(tǒng)一性模型的提出 塑性變形機(jī)理: 剪切和孔隙坍塌peijijijdddeee=+ 總變形 塑性變形pcsijijijdddeee=+變形構(gòu)成變形構(gòu)成顆粒，孔隙和接觸顆粒，孔隙和接觸等價(jià)基質(zhì)和孔隙度等價(jià)基質(zhì)和孔隙度 白堊巖微觀結(jié)構(gòu)白堊巖微觀結(jié)構(gòu) 模型研究模型研究101巖石本構(gòu)建模實(shí)例-白堊巖 模型研究模型研究2*232 cosh()2eqmcQqssfss=+01()cMbcnMaeesse輊=+犏臌()222232 cosh102eqmcfqssffss=+-= 塑性潛能 塑性強(qiáng)化原則 屈服面方程- 孔隙坍塌機(jī)理借鑒借鑒Gurson 多孔材料塑性模型多孔材料塑性模型01 502 0 m(MPa) 1 eq (MPa)1()1ckkddffe=-102巖石本構(gòu)建模實(shí)例-白堊巖 模型研究模型研究- 塑性剪切機(jī)理 塑性潛能 塑性強(qiáng)化原則屈服面方