文档介绍：五、岩石的蠕变
蠕变特征
岩石蠕变的概念
在应力不变的情况下,岩石变形随时间t而增长的现象。
即随时间而变化。
②岩石蠕变类型
有两种类型:
稳定型蠕变
非稳定型蠕变
稳定型蠕变:在恒定应力作用下,变形速率随时间递减,最终趋于零,即,变形区域稳定。
一般在较小应力下或硬岩中。
非稳定型蠕变:岩石在恒定应力作用下,岩石变形随时间不断增长,直至破坏。
一般为软弱岩石或应力较大。
③蠕变曲线变化特征
岩石的蠕变曲线可分为三个阶段:
Ⅰ阶段:初期蠕变。
应变-时间曲线向下弯曲,应变速率由大变小。属弹性变形。
Ⅱ阶段:等速蠕变。
应变-时间曲线近似直线,应变随时间呈近于等速增长。出现塑性。
Ⅲ阶段:加速蠕变。
应变-时间曲线向上弯曲,其应变速率加快直至破坏。
应指出,并非所有的蠕变都能出现等速蠕变阶段,只有蠕变过程中结构的软化和硬化达到动平衡,蠕变速率才能保持不变。
在Ⅰ阶段,如果应力骤降到零,则-t曲线具有PQR形式,曲线从P点骤变到Q点,PQ=为瞬时弹性变形,而后随时间慢慢退到应变为零,这时无永久变形,材料仍保持弹性。
在Ⅱ阶段,如果把应力骤降到零,则会出现永久变形,其中TU=
。
④不同应力下的蠕变
岩石蠕变速率与应力大小有直接关系。低应力时,应变速度变化缓慢,逐渐趋于稳定。应力增大时,应变速率增大。高应力时,蠕变加速,直至破坏。应力越大,蠕变速率越大,反之愈小。
岩石长期强度:指岩石由稳定蠕变转为非稳定蠕变时的应力分界值。即,岩石在长期荷载作用下经蠕变破坏的最小应力值(或)
岩石极限长期强度:指长期荷载作用下岩石的强度。
蠕变经验公式
由于岩石蠕变包括瞬时弹性变形、初始蠕变、等速蠕变和加速蠕变,则在荷载长期作用下,岩石蠕变的变形可用经验公式表示为:
=+++
-瞬时变形;-初始蠕变;-等速蠕变;-加速蠕变。
对于前两个阶段,目前的经验公式主要有三种:
①幂函数
取
第一阶段:;
第二阶段:,>
、是试验常数,其值取决于应力水平、材料特性以及温度条件。
②对数函数:
B、D是与应力有关的常数。
③指数函数
,或
A为试验常数,是时间t的函数
伊文思(Evans)对花岗岩、砂岩和板岩的研究:
,
C为试验常数,n=;
而哈迪(Hardy)给出经验方程,
,
A、C为试验常数。
3、蠕变理论模型(理论公式)
(1)基本模型
由于岩石材料具有弹性、刚性、粘性和塑性,目前采用简单的机械模型来模拟材料的某种性状。将这些简单的机械模型进行不同的组合,就可以得到岩石的不同蠕变方程式,以模拟不同的岩石蠕变。
常用的简单模型有两种:
一种是弹性模型,
另一种是粘性模型。
弹性模型
这种模型是线弹性的,完全服从虎克定律,其应力-应变为正比关系:
这种模型可用刚度为G的弹簧来表示。