第二章三節(jié)巖石的變形特性

第二章三節(jié)巖石的變形特性第1頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月a.分三全階段（1）原生微裂隙壓密階段（OA級）特點：①曲線，應變率隨應力增加而減??；②塑性變形（變形不可恢復）原因：微裂隙閉合（壓密）（2）彈性變形階段（AB段）特點：①曲線是直線；②彈性模量，E為常數(shù)（變形可恢復）原因：巖石固體部分變形，B點開始屈服，B點對應的應力為屈服極限。第2頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）塑性變形階段（BC）特點：①曲線，軟化現(xiàn)象；②塑性變形，變形不可恢復；③應變速率不斷增大。原因：新裂紋產生，原生裂隙擴展。巖石越硬，BC段越短，脆性性質越顯著。脆性：應力超出屈服應力后，并不表現(xiàn)出明顯的塑性變形的特性，而破壞，即為脆性破壞。第3頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月b.彈性常數(shù)與強度的確定彈性模量:國際巖石力學學會（ISRH）建議三種方法

初始模量

割線模量

切線模量

極限強度

第4頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月2、反復循環(huán)加載曲線特點：①卸載應力越大，塑性回滯環(huán)越大（原因：由裂隙的擴大，能量的消耗）；②卸載線，相互平行；③反復加、卸載、曲線、總趨勢保持不變（有“記憶功 能”）。第5頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月3、巖石應力-應變曲線形態(tài)的類型（1）直線型：彈性、脆性石英英、玄武巖、堅硬砂巖。（2）下凹型：彈—塑性石灰?guī)r、粉砂巖；軟化效應。（3）上凹型：塑—彈性硬化效應，原生裂隙壓密，實體部分堅硬的巖石。例如：片麻巖。（4）S型：塑—彈—塑型多孔隙，實體部分較軟的巖石：沉積巖（頁巖）第6頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月第7頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月（二）剛性試驗機下的單向壓縮的變形特性

普通試驗機得到峰值應力前的變形特性，多數(shù)巖石在峰值后工作。注：C點不是破壞的開始（開始點B），也不是破壞的終。說明：崩潰原因，Salamon1970年提出了剛性試驗機下的曲線。剛性機第8頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月（1）剛性試驗機工作簡介壓力機加壓（貯存彈性應能）巖石試件達峰點強度（釋放應變能）導致試件崩潰。AA′O2O1面積——峰點后，巖塊產生微小位移所需的能。ACO2O1面積——峰點后，剛體機釋放的能（貯存的能）。ABO2O1——峰點后，普通機釋放的能（貯存的能）。第9頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）應力、應變全過程曲線形態(tài)

在剛性機下，峰值前后的全部應力、應變曲線分四個階段：1-3階段同普通試驗機。4階段應變軟化階段

第10頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月特點：

①巖石的原生和新生裂隙貫穿，到達D點，靠碎塊間的摩擦力承載，故—稱為殘余應力。②承載力隨著應變增加而減少，有明顯的軟化現(xiàn)象。（3）全應力——應變曲線的補充性質

①近似對稱性②B點后卸載有殘余應變，重復加載沿另一曲線上升形成滯環(huán)(hysteresis)，加載曲線不過原卸載點，但鄰近和原曲線光滑銜接。第11頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月③C點后有殘余應變，重復加載滯環(huán)變大，反復加卸載隨著變形的增加，塑性滯環(huán)的斜率降低，總的趨勢不變。④C點后，可能會出現(xiàn)壓應力下的體積增大現(xiàn)象，稱此為擴容(dilatancy)現(xiàn)象。一般巖的=0.15-0.35，當>0.5時，就是擴容.體積應變:第12頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月(3)克服巖石試件單向壓縮時生產爆裂的途徑提高試驗機的剛度改變峰值后的加載方式伺服控制試件的位移普通試驗機附加剛性組件的試驗裝置（提高試驗的剛度）1巖石試件；2、6電阻應變片；3金屬圓筒；4位移計；5鋼墊塊第13頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月伺服試驗機原理示意圖1.巖石試件；2.墊塊；3.上壓板；4.下壓板；5.位移傳感器。第14頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月

（一）時變形規(guī)律見圖越大，σc，σB，E越大二、巖石在三向壓應力下的變形特性第15頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月（二）當為常數(shù)時，巖石的變形特性

（1）；（2）E基本不受變化影響（3）脆性增強。（三）為常數(shù)時，巖石的變形特性（1）不變；（2）E不變；（3）永保塑性變形的特性，塑性變形增大。第16頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月

（四）巖石的體積應變特性

擴容現(xiàn)象：巖石在壓力下，發(fā)生非線性體積膨脹。第17頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月

三、巖石的流變特性

彈性（可恢復）

與時間無關的變形塑性（不恢復）

與時間有關的—流變

蠕變：應力恒定，巖石應變隨時間增大，所產生的變形稱為蠕變（又稱為流變）。松馳：應變恒定，巖石中的應力隨時間減少，這種現(xiàn)象稱“松馳”。巖石變形蠕變松弛巖石的時間效應第18頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月（一）典型的蠕變曲線（分三階段）

1、初始蠕變階段（瞬變蠕變階段）AB。特點：①有瞬時應變（OA）；②，應變率隨時間增長而減??；③卸載后，有瞬時恢復變形，后彈性后效，彈性后效，變形經過一段時間后，逐漸恢復的現(xiàn)象。2、穩(wěn)定蠕變階段（BC）（較長）特點：①應變率為常量；②卸載：有瞬彈性恢復，彈后，粘流，粘性流動，不可恢復的永變形。3、非穩(wěn)定蠕變階段（蠕變破壞階段）特點：①劇烈增加；②曲線；③一般此階段比較短暫。第19頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月典型蠕變曲

第20頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月（二）巖石蠕變的影響因素

（1）巖石的力學性質

（強度，礦物組成）應力水平

—第二階段越長；

小到一定程度，第三蠕變不會出現(xiàn)；很高，第二階段短，立即進入三階段第21頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）溫度對蠕變的影響①總的應變量越小。②第二階段的斜率，溫度高，斜率越小。（3）濕度飽和試件第二階段和總應變量都將大于干燥狀態(tài)下的試件結果。第22頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月（三）蠕變特性和常規(guī)變形特性的聯(lián)系第23頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月四、長期強度的的確方法

由蠕變試驗曲線確定巖石的長時強度第24頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月由長時恒載破壞試驗確定巖石的長時強度第25頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月五、巖石介質的力學模型

巖石性質變化范圍大，用多種模型來表述。主要性質：彈性、塑性、粘性（流變）。（一）基本介質模型

1、彈性模型

2、理想塑性(—屈服應力)

3、有硬化的塑性k——塑性硬化系數(shù)第26頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月第27頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月4、粘性模型

—粘性系數(shù)（poise；poise=0.1N.S/m2）

（二）常用的巖石介質模型

（彈、塑、粘三種基本模型的組合）1、彈塑性介質模型第28頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月（1）無塑性硬化作用（理想塑性）

（2）有塑性硬化作用塑性硬化第29頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月

2、粘彈性介質模型

最簡單的粘彈模型：（1）Maxwell；（2）Kelvin（1）Maxwell模型①模型：串聯(lián)E串聯(lián)模型：電流相等，總電壓等分電壓之和;每個元素的力相等；總應變=分應變之和。

②求本構關系：第30頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月所以Maxwell的本構關系為：

蠕變方程：松馳方程是：③性質：有彈性變形、粘性流動，有松馳

應變－時間曲線t

加載卸載t應力－時間曲線第31頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）kelvin模型

①基本模型，兩元件并聯(lián)②本構關系：所以本構關系為一階常系數(shù)微分方程，初始條件第32頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月解之：—蠕變方程。－蠕變曲線的漸近線。t=t1時卸載，則由本構關系得：當t=t1時開始卸載，卸載蠕變方程（后效）

第33頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月③描述的性質

a.無瞬時彈性變形