《巖石的力學(xué)特性》PPT課件.ppt

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1、第3章?巖石的力學(xué)特性3.1巖石單軸壓縮條件下的力學(xué)特性*3.2巖石單軸拉伸條件下的力學(xué)特性3.3巖石剪切條件下的力學(xué)特性3.4巖石三軸壓縮條件下的力學(xué)特性3.5巖石的流變特性*3.6影響巖石力學(xué)性質(zhì)的主要因素3.7巖石的強(qiáng)度理論*3.5巖石的流變特性3.5.1巖石流變定義→巖石流變是指巖石變形與時(shí)間有關(guān)的性質(zhì)。不同加載速率→不同變形性狀。巖石流變包括蠕變、松弛、彈性后效和粘性流動(dòng)。蠕變:應(yīng)力保持不變時(shí)，應(yīng)變隨時(shí)間增加而增長(zhǎng)的現(xiàn)象；松弛:應(yīng)變保持不變時(shí)，應(yīng)力隨時(shí)間增加而減小的現(xiàn)象；彈性后效:加(卸)

2、載后，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間應(yīng)變才增加(或減少)到應(yīng)有數(shù)值的現(xiàn)象；粘性流動(dòng):蠕變一段時(shí)間后卸載，部分應(yīng)變永久不恢復(fù)的現(xiàn)象。巖石流變包括蠕變、松弛、彈性后效和粘性流動(dòng)。蠕變:應(yīng)力保持不變時(shí)，應(yīng)變隨時(shí)間增加而增長(zhǎng)的現(xiàn)象；松弛:應(yīng)變保持不變時(shí)，應(yīng)力隨時(shí)間增加而減小的現(xiàn)象；彈性后效:加(卸)載后，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間應(yīng)變才增加(或減少)到應(yīng)有數(shù)值的現(xiàn)象；粘性流動(dòng):蠕變一段時(shí)間后卸載，部分應(yīng)變永久不恢復(fù)的現(xiàn)象。1.巖石蠕變?研究意義重大。巖石蠕變十分普遍!?邊坡工程地下工程巖石蠕變?應(yīng)力重（新）分布?巖體內(nèi)及建(構(gòu))筑物內(nèi)產(chǎn)

3、生應(yīng)力集中?影響巖體工程的穩(wěn)定性。1)巖石蠕變曲線(xiàn)圖3-27?蠕變曲線(xiàn)。不同應(yīng)力水平?不同。初始蠕變/瞬態(tài)階段。卸荷?應(yīng)力?立即消失，?應(yīng)變?彈性后效。三個(gè)階段(圖3-27)：①初始蠕變、②等速蠕變、③加速蠕變。2)蠕變?不穩(wěn)定蠕變，?穩(wěn)定蠕變。典型的蠕變曲線(xiàn)(2)等速蠕變/穩(wěn)態(tài)階段。曲線(xiàn)呈近似直線(xiàn)，卸載應(yīng)變恢復(fù)，但存在一永久應(yīng)變。(3)加速蠕變/不穩(wěn)定階段。應(yīng)變速率迅速增加。巖石蠕變穩(wěn)定與否?應(yīng)力水平與臨界應(yīng)力。巖石的長(zhǎng)期強(qiáng)度3.5.2巖石流變方程流變方程?流變過(guò)程中的應(yīng)力、應(yīng)變和時(shí)間的關(guān)系。流變

4、方程:本構(gòu)方程、蠕變方程和松弛方程?微分方程或經(jīng)驗(yàn)公式。用理想彈性元件、塑性元件和粘性元件組合，建立流變模型。不同組合形式?不同模型。1．流變模型基本元件彈性元件粘性元件塑性元件1)彈性元件虎克體?理想彈性體(滿(mǎn)足虎克定律)。其力學(xué)模型?彈簧元件(圖3-28a)。本構(gòu)方程:關(guān)于虎克體：①瞬時(shí)彈性變形，與時(shí)間無(wú)關(guān)。?虎克體不存在彈性后效；?一定的非零荷載(應(yīng)力)對(duì)應(yīng)相應(yīng)的應(yīng)變，應(yīng)力為零(卸載)?應(yīng)變?yōu)榱恽跓o(wú)應(yīng)力松弛；?應(yīng)變恒定時(shí)，應(yīng)力不變，應(yīng)力并不因時(shí)間增長(zhǎng)而減?、蹮o(wú)蠕變性。?應(yīng)力保持恒定，應(yīng)變也保持

5、不變2)塑性元件?理想塑性體:力學(xué)模型?摩擦片(或滑塊，如圖3-29a)。?應(yīng)力達(dá)到屈服極限時(shí)開(kāi)始產(chǎn)生塑性變形，應(yīng)力不增加，變形仍增長(zhǎng)本構(gòu)方程:3)粘性元件牛頓體?理想粘性體?阻尼器(圖3-30a)。應(yīng)力與應(yīng)變速率成正比(圖3-30b)。本構(gòu)方程:關(guān)于粘性元件：①應(yīng)變與時(shí)間有關(guān)，且無(wú)瞬時(shí)變形;②粘性元件具有流變性;③粘性元件無(wú)彈性后效，但存在永久變形；④粘性元件無(wú)應(yīng)力松弛特性。圣維南體(St.VenantModel)馬克斯威爾體(MaxwellModel)開(kāi)爾文體(KelvinModel)廣義開(kāi)爾文

6、體(modifiedKelvinModel)伯格斯體(BurgersModel)賓漢體(BinghamModel)西原體。代表性組合模型2．流變微分方程基本元件基本組合方式:串聯(lián)與并聯(lián)。串聯(lián)組合體:并聯(lián)組合體:1)圣維南(St.Venant)體(圖3-31a)①本構(gòu)方程②卸載特性卸載σ=0，彈性變形完全恢復(fù)，塑性變形停止。保留已發(fā)生塑性變形。圣維南體代表理想彈塑性體，無(wú)蠕變，無(wú)松弛，無(wú)彈性后效。2)馬克斯威爾(Maxwell)體(圖3-32)①本構(gòu)方程彈簧阻尼器②蠕變方程③松弛方程克斯威爾體有松弛現(xiàn)

7、象物理概念理解:t=0，彈簧開(kāi)始變形，阻尼器來(lái)不及變形。t=t1，在彈簧的作用下，阻尼器逐漸變形，彈簧收縮，彈簧應(yīng)力減小?松弛。3)開(kāi)爾文(Kelvin)體(圖3-34)①本構(gòu)方程彈簧阻尼器②蠕變方程原因:施力瞬間阻尼器的惰性阻止彈簧產(chǎn)生瞬時(shí)變形。蠕變曲線(xiàn)③卸載方程t=t1時(shí)卸載，σ＝0初始條件本構(gòu)方程：表明:阻尼器在彈簧收縮時(shí)，隨之恢復(fù)變形，當(dāng)t→∞時(shí)，彈簧元件與粘性元件完全恢復(fù)變形。?彈性后效。卸載方程應(yīng)變恒定：ε＝ε0＝const④松弛方程表明模型無(wú)應(yīng)力松弛性能。綜上所述：開(kāi)爾文體屬于穩(wěn)定蠕變

8、模型，有彈性后效，但無(wú)松弛現(xiàn)象。本構(gòu)方程：應(yīng)力恒定4)廣義開(kāi)爾文體(ModifiedKelvinModel,圖3-36)?開(kāi)爾文體+彈簧串聯(lián)。①本構(gòu)方程②蠕變方程③彈性后效(卸載效應(yīng))5)伯格斯(Burgers)體圖3-38伯格斯體?粘彈性體?馬克斯威爾體+開(kāi)爾文體串聯(lián)。6)賓漢(Bingham)體圖3-40賓漢體=虎克體+理想粘塑性體串聯(lián)。主要反映巖石的彈性—粘塑性特性，適用于粘土及半堅(jiān)硬巖石。3．經(jīng)驗(yàn)方程根據(jù)巖石流變?cè)囼?yàn)結(jié)果，通過(guò)數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法擬合出經(jīng)驗(yàn)表達(dá)式。瞬