北京交通大学高等岩石力学4-岩石流变力学课件.ppt

1、l 绪绪 论论l 岩石流变的力学特性岩石流变的力学特性l 岩石流变本构模型岩石流变本构模型l 岩石流变试验岩石流变试验l 岩石流变问题的工程应用岩石流变问题的工程应用主要内容：主要内容：4.1 绪论绪论 导致岩石发生流变的原因是因为在长期环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）随时间不境力场作用下岩石矿物组构（骨架）随时间不断调整。断调整。 岩石流变力学主要探讨岩石在一定的环境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、应力和破坏的力场作用下与时间有关的变形、应力和破坏的规律性。规律性。 主要了解岩石的主要了解岩石的蠕变规律蠕变规律、松弛规律松

2、弛规律和和长长期强度期强度。4.1.1 概概 念念4.1.2 发展过程发展过程 1835年，年，Weber研究抽丝时发现弹性后效。研究抽丝时发现弹性后效。 1865年，年，Kelvin发现金属锌具有粘性性质。发现金属锌具有粘性性质。 1869年，年，Maxwell发现材料既可以是弹性的，发现材料既可以是弹性的，又可以是粘性的。又可以是粘性的。 1874年，年，Boltzmann发展了线性粘弹性理论。发展了线性粘弹性理论。 1922 年年 Bingham 出版他的名著出版他的名著 流动和塑流动和塑性性 和和 1929 年美国创建流变协会，标志着流变年美国创建流变协会，标志着流变学成为一门独立的学

3、科。学成为一门独立的学科。 20世纪世纪5060年代，形象化流变模型得到较大年代，形象化流变模型得到较大发展发展 岩石流变力学的创立是由材料流变学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。而来的，是材料流变学的一个重要分支。 1966年，在年，在Lisbon召开的首届国际岩石力学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。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，年，在第四届国际岩石力学会议上，Langer教授作了题为教授作了题为“Rheological Behavior of Rock Masses”

4、的报告。的报告。 陈宗基教授在陈宗基教授在20世纪世纪50年代即将流变学用于年代即将流变学用于土力学中，土力学中，50年代末年代末60年代初用于岩石力学和年代初用于岩石力学和裂隙岩体。裂隙岩体。 孙钧教授在孙钧教授在流固藕合流变流固藕合流变、三维流变三维流变、非非线性流变线性流变、蠕变损伤与断裂蠕变损伤与断裂、流变参数与模型流变参数与模型辨识辨识、岩土流变细观力学实验岩土流变细观力学实验研究等复杂科学研究等复杂科学问题均有相当的开拓和进取。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陶振宇、刘雄、薛林等学者均在岩石流变方面做出了贡献。方面做出了贡献。4.1.3 应用领域应用

5、领域 水电大坝、各类交通隧道、矿山软岩巷道、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。高层建筑地基、各类边坡等。4.1.4 Laplace积分变换积分变换 定义定义 dtetfsFtfLst0 stHL1 1 tL 0001tttH 0001ttt ttH 单位阶跃函数单位阶跃函数 单位脉冲函数单位脉冲函数二者关系二者关系 逆变换逆变换 desFisFLtfsi-i- 211例例1 t-esLsLssLssL 1111111111111 1 mmsm!tL saeLat 1 幂函数幂函数 指数函数指数函数例例2 t2-2-etsssLssL 111111111 Lapla

6、ce变换的性质变换的性质1）线性性质）线性性质 tfbLtfaLtbftafL2121 sFtfL 设设 tfbLtfaLtbftafL-21112112）相似性质）相似性质 csFcctfL13）微分性质）微分性质 000121)(nnnn(n)ffsfssFstfL 4）积分性质）积分性质 sFstdtdtfLnttt1000 5）位移性质）位移性质 asFtfeLat 卷积定理卷积定理 dg-tftgtft0 下列积分称作函数下列积分称作函数 f 和和 g 的卷积，记作的卷积，记作f(t)*g(t) 卷积定理：两函数卷积的卷积定理：两函数卷积的Laplace变换等于两函变换等于两函数数L

7、aplace变换的乘积。变换的乘积。 sGsFtgtfL 6）延迟性质）延迟性质 sFeatfLas 粘性粘性流体流动过程中抵抗流动的性质一般用流体流动过程中抵抗流动的性质一般用粘性系数表示。粘性系数表示。4.2 岩石流变的力学特性岩石流变的力学特性4.2.1 岩石流变的基本性质岩石流变的基本性质蠕变蠕变在恒定应力或恒定应力差的作用下，变形在恒定应力或恒定应力差的作用下，变形随时间而增长的现象。随时间而增长的现象。 弹性后效弹性后效加载或卸载时，弹性变形滞后加载或卸载时，弹性变形滞后 于应力的现象于应力的现象 。应力松弛应力松弛当应变保持恒定时，应力随着当应变保持恒定时，应力随着 时间的延长而

8、降低的现象。时间的延长而降低的现象。 长期强度长期强度岩石在长期应力场或位移场作岩石在长期应力场或位移场作 用下能保持稳定的最大应力。用下能保持稳定的最大应力。流动流动随时间延续而发生的塑性变形随时间延续而发生的塑性变形 。 tABCD瞬时塑性应变瞬时弹性应变 瞬时弹性回复粘弹性回复残余应变稳定蠕变过度蠕变加速蠕变蠕变断裂 O1 岩石蠕变规律岩石蠕变规律过度蠕变（减速蠕变），过度蠕变（减速蠕变），等速蠕变，等速蠕变，加速蠕变。加速蠕变。1) 稳定蠕变稳定蠕变 随着时间的延长，岩石的变形趋近一稳定的随着时间的延长，岩石的变形趋近一稳定的极限值而不再增长。包括极限值而不再增长。包括过渡蠕变、等速蠕

9、变过渡蠕变、等速蠕变两两个阶段。个阶段。2) 非稳定蠕变非稳定蠕变 随着时间的延长，岩石的变形不断增长直至随着时间的延长，岩石的变形不断增长直至破坏。包括破坏。包括过渡蠕变、等速蠕变、加速蠕变过渡蠕变、等速蠕变、加速蠕变三个三个阶段。阶段。2 岩石松弛规律岩石松弛规律 t0 O完全松弛不完全松弛r 4.2.2 节理岩体的流变节理岩体的流变 节理岩体的蠕变主要表现在沿节理面的剪切蠕变。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。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节理剪切蠕变相对于时间和应力的

10、非线性特性明显，蠕变变形较大，呈现强烈的流动特征，长期强度显，蠕变变形较大，呈现强烈的流动特征，长期强度较低较低 。4.2.3 岩体损伤、断裂的时效特性岩体损伤、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。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。损伤累积是随时间增长逐渐产生的。4.2.4 岩石流变的温度效应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。相同

11、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而对不同的岩石，温度对流变的影响程度差别也很大。大。4.2.5 岩石的膨胀和流变岩石的膨胀和流变 在应力作用下，岩石的蠕变与膨胀有一定的相在应力作用下，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长的情况下产生膨增长，而膨胀是在应力随时间增长的情况下产生膨胀应变随时间增长。胀应变随时间增长。 含有高岭石、蒙脱石和伊利石的岩石的吸

12、水膨胀含有高岭石、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。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）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。变形或膨胀压力与流变压力往往难以严格区分。 4.3 岩石流变本构模型岩石流变本构模型 粘塑性粘塑性弹性弹性蠕变破坏蠕变破坏粘塑性粘塑性粘弹性粘弹性弹性弹性粘塑性粘塑性粘弹性粘弹性弹性弹性粘弹性粘弹性弹性弹性流变本构流变本构tt弹性弹性粘弹性粘弹性弹性弹性粘弹性粘弹性粘塑粘塑性性蠕变破坏蠕变破坏0t弹性弹性粘弹性粘弹性粘塑性粘塑

13、性0 三维应力条件下本构三维应力条件下本构一维应力条件下本构一维应力条件下本构应力状态应力状态 积分形式本构积分形式本构微分形式本构微分形式本构经验本构经验本构本构方程本构方程4.3.1 经验模型经验模型 1 幂函数型幂函数型nAtt )( A、n 均为试验常数。均为试验常数。2 对数函数型对数函数型DttBte log)( 在试验或实测数据基础上，通过拟合回归在试验或实测数据基础上，通过拟合回归分析得到经验方程。有以下分析得到经验方程。有以下 3 种典型类型：种典型类型：tgtkEtfc )1log()(1） Hobbsg、k、f 均为试验常数。均为试验常数。2） RoberstsontAt

14、ln)(0 A蠕变系数。蠕变系数。 231蠕变指数蠕变指数nGEAnn 3 指数函数型指数函数型)(f(t)eAt 1A 试验常数试验常数, f(t)时间函数。时间函数。1） Evansncttf 1)(2） Hardycttf )(4.3.2 组合模型组合模型 1 基本元件及研究方法基本元件及研究方法（1）Hooke体（简称体（简称H体）体） E 或或 G （2）Newton体（简称体（简称N体）体） 或或 （3）St. Venant体（简称体（简称V体）体）s （4）组合形式）组合形式 串联串联 并联并联 混合混合（5）组合后各元件上应力、应变遵循规律）组合后各元件上应力、应变遵循规律 串

15、联：串联：各元件上应力相等，总应变等于各元件上应变和。各元件上应力相等，总应变等于各元件上应变和。 并联：并联：各元件上应变相等，总应力等于各元件上应力和。各元件上应变相等，总应力等于各元件上应力和。（6）对每个组合模型研究以下几方面特性）对每个组合模型研究以下几方面特性 本构方程：本构方程： 蠕变规律：蠕变规律： 松弛规律：松弛规律： 回复特性：回复特性：t、 之间函数关系之间函数关系令令)(0tH 求求)(t 令令)(0tH 求求)(t 令令0)( t 求求)(t )(tt 2 两个最基本模型两个最基本模型1） Maxwell模型（模型（M体）体）E（1）本构方程）本构方程 E（2）蠕变规

16、律）蠕变规律令令)(0tH 代入本构方程代入本构方程)()(00tHtHE sEss1)(00 两边进行两边进行Laplace变换变换tEt 00)( 两边进行两边进行Laplace逆变换逆变换)(t tOE0 1 0M体呈现流体特性。体呈现流体特性。（3）松弛规律）松弛规律令令)(0tH 代入本构方程代入本构方程)(0tHE tEeEt 0)(两边进行两边进行Laplace变换变换 0)()( ssEs两边进行两边进行Laplace逆变换逆变换 00E 0 )(t tO0ERttE00037.0E037. 0)( EtR EtR 叫做松弛时间叫做松弛时间（4）回复特性）回复特性令令0)( t

17、 代入蠕变方程代入蠕变方程tttEtEt 00000)()(或或)()()(00ttHtHt tOE0 t0E0 t)(t 2） Kelvin模型（模型（K体）体）E（1）本构方程）本构方程 E（2）蠕变规律）蠕变规律令令)(0tH 代入本构方程代入本构方程 EtH)(01 )(0tEeEt 两边进行两边进行Laplace变换变换两边进行两边进行Laplace逆变换逆变换)()(0sssEs )()(0sEss 00 /E0 )(t tOE0 E063.0 dtt 0 Etd 叫做延迟时间。叫做延迟时间。Etd063. 0)( （3）松弛规律）松弛规律令令)(0tH 代入本构方程代入本构方程)

18、()( )()()(0000ttHEtHtHEt 0)( 0 tt，无松弛。无松弛。（4）回复特性）回复特性令令0)( t 或或)()()(00ttHtHt 代入蠕变方程代入蠕变方程tEtEttEtEeeEeEeEt )1( 1 1 )(0)(00)(t tOE0 t )1(0tEeE 1） 三参量固体（三参量固体（Kelvin-Voigt模型）模型）EE2112 1 （1）本构方程）本构方程 11112221 EE 11112221 sEE3 其它典型组合模型其它典型组合模型sEE112 )(1211221sEEsEEE 21122121211EEEEEEEEE 两边进行两边进行Laplac

19、e逆变换逆变换 101qqp 简记为简记为（2）蠕变规律）蠕变规律令令)(0tH 代入本构方程代入本构方程 10010)()(qqtptH 两边进行两边进行Laplace变换变换 10010sqqps )(10010sqqssp 两边进行两边进行Laplace逆变换逆变换)1( )1()(111010102010100tEtqqtqqeEEeqpeqt )(t tO E0 20E 2121EEEEE （3）松弛规律）松弛规律令令)(0tH 代入本构方程代入本构方程)()(01001tqtHqp 两边进行两边进行Laplace变换变换01001 qsqsp )1()1(101100spqspsq

20、 两边进行两边进行Laplace逆变换逆变换tEEtEEeEeEt121121020)1()( )(t tO02 E0 E（4）回复特性）回复特性令令0)( t 或或)()()(00ttHtHt 代入蠕变方程代入蠕变方程tEtEeeEt1111)1()(10 )(t tO E0 20E 20E 2） 四参量流体（四参量流体（Burgers模型）模型）EE2 1 1 1221（1）本构方程）本构方程 2121qqpp 其中：其中：2122111EEEp 21212EEp 2212Eq 11 q（2）蠕变规律）蠕变规律)1()(22201010tEeEtEt （3）松弛规律）松弛规律)()()(2

21、122112102trtrerqqerqqApt 其中：其中：2112pApr 2122pApr 2214ppA （4）回复特性）回复特性tEtEeeEtt2222)1()(2010 )(t tO2010EE 10E 10E )1(2220tEeE tE 10 t 3） Poynting-Thomson模型模型EE1224） Jeffry模型模型E122 2211221)(EEEE 2212122EE)(4 广义广义Maxwell模型和广义模型和广义Kelvin模型模型 一维条件下微分型本构方程一般形式一维条件下微分型本构方程一般形式E1122EnnEE11E22Enn广义广义Maxwell模

22、型模型广义广义Kelvin模型模型（1）本构方程）本构方程 1）广义）广义M体体iiiiiiE 1 11iiiED 2）广义）广义K体体iiiiiiE 1 1iiiDE 上两式中上两式中tD 展开上述两式展开上述两式 得得 210210qqqppp或或tqtqqtptpp 2221022210简写为：简写为： QP 其中：其中： 0iiiitpP 0jjjjtqQ上式两边进行上式两边进行Laplace变换（初始条件为零）变换（初始条件为零）)( )( 22102210 sqsqqspspp 简写为：简写为： QP （2）蠕变方程）蠕变方程令令)(0tH 则则s0 代入上式代入上式00 JQsP

23、 QsPJ两边进行两边进行Laplace逆变换逆变换0)()( tJt QsPLtJ)(1其中其中（2）松弛方程）松弛方程令令)(0tH 则则s0 代入（代入（2）式）式00 EPsQ PsQE两边进行两边进行Laplace逆变换逆变换0)()( tEt PsQLtE)(1其中其中由由 QsPJ PsQE和和得得 21sEJ两边进行两边进行Laplace逆变换逆变换 得得 ttdEtJ0)()( ttdJtE0)()( 或或4.3.3 蠕变柔量和松弛模量蠕变柔量和松弛模量1 蠕变柔量蠕变柔量对线弹性材料，在对线弹性材料，在)(0tH 作用下作用下蠕变规律可统一表达为蠕变规律可统一表达为0)()

24、( tJt QsPLtJ)(1反映了材料本身的固有反映了材料本身的固有属性。叫做材料蠕变柔量。属性。叫做材料蠕变柔量。M体体tEtJ 11)( 流体性质。流体性质。K体体1 1)(tEeEtJ 固体性质。固体性质。K-V体体1 11)(2221tEeEEtJ 固体性质。固体性质。B体体1 111)(22211tEeEEtJ 流体性质。流体性质。2 松弛模量松弛模量对线弹性材料，在对线弹性材料，在)(0tH 作用下作用下松弛规律亦可统一表达为松弛规律亦可统一表达为0)()( tEt PsQLtE)(1同样反映了材料本身的固有同样反映了材料本身的固有属性。叫做材料松弛模量。属性。叫做材料松弛模量。

25、M体体)exp()(tEEtE K体体K-V体体tEEeEEEEtE1212122)( B体体)()()(ttEHtE )()()(212211212trtrerqqerqqAptE 4.3.4 粘弹塑性模型粘弹塑性模型1 Bingham模型模型Es1 2 （1）本构方程）本构方程 ss sEE时时当当时时当当（2）蠕变方程）蠕变方程 )( 00ss tEts 时时当当没没有有蠕蠕变变时时当当)(t tOE0 1 s 0（3）松弛方程）松弛方程 )()( 0ss tEsset 时时当当没没有有松松弛弛时时当当)(t tO0Es 2 西原模型西原模型EsE3 2 1 1212 Burgers V

26、oigt-Kelvin ss 模模型型时时当当模模型型时时当当 （1）本构方程）本构方程 s时时当当 21112121211EEEEEEEEE s时时当当 2121)(qqpps2221121EEEp 21212EEp 1212Eq 21 q（2）蠕变方程）蠕变方程 s时时当当 )1()(122010tEeEEt s时时当当 )1()(12202010tEseEtEt 最早的流变实验出现在最早的流变实验出现在1901年，研究灰岩年，研究灰岩在静水压力作用下变形与破坏的时间效应。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，使随着岩体工程中一些重大事故的发生，使人们认

27、识到岩石长期变形流动与时效强度的重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。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。型现场剪切流变、三轴流变原位试验。4.4 岩石流变试验岩石流变试验4.4.1 概述概述在流变试验中：在流变试验中： 1、蠕变试验与松弛试验是等价的，蠕变试蠕变试验与松弛试验是等价的，蠕变试验易做，松弛试验难做，故主要进行蠕变试验；验易做，松弛试验难做，故主要进行蠕变试验；

28、2、采用单试件分级加载，即采用单试件分级加载，即“陈氏加载法陈氏加载法”能大大节省试验时间；能大大节省试验时间； 3、对某些类型的岩石，可以利用时温等效对某些类型的岩石，可以利用时温等效原理，用温度换时间，可大大缩短试验周期，提原理，用温度换时间，可大大缩短试验周期，提高效率；高效率； 4、将有限范围的流变试验，通过类推进行将有限范围的流变试验，通过类推进行时空延拓。时空延拓。 由于岩石流变室内试验的试件小，应变由于岩石流变室内试验的试件小，应变小，测试时间长，因此试件、试验设备和试小，测试时间长，因此试件、试验设备和试验环境必须满足下列条件：验环境必须满足下列条件： 试件加工精度要高；试件加

29、工精度要高； 试验环境（温度和湿度）可以准确控试验环境（温度和湿度）可以准确控制；制； 荷载稳定性好；荷载稳定性好； 测试应力和变形稳定性强，精度高。测试应力和变形稳定性强，精度高。4.4.2 岩石流变试验要求岩石流变试验要求4.4.3 岩石流变试验类型及试验数据分析岩石流变试验类型及试验数据分析u 单轴压缩蠕变试验单轴压缩蠕变试验u 双轴压缩蠕变试验双轴压缩蠕变试验u 三轴压缩蠕变试验三轴压缩蠕变试验u 剪切蠕变试验剪切蠕变试验u 扭转蠕变试验扭转蠕变试验u 弯曲蠕变试验弯曲蠕变试验u 松弛试验松弛试验主要有两大类：蠕变试验和松弛试验。主要有两大类：蠕变试验和松弛试验。1 蠕变试验蠕变试验1

30、）单轴压缩加恒载）单轴压缩加恒载0)()()( tftJtf 个试件，求平均。每组做，可求出根据，可求得，再通过拟合试验数据若设53)()(:kEEkkcEecEtJkt 1100)(tot654321. . . .2）单轴压缩比例加载（陈氏加载法）单轴压缩比例加载（陈氏加载法）o1t2tt1t2tt3to23（1）加下级载荷时，前级载荷已进入稳态蠕变；）加下级载荷时，前级载荷已进入稳态蠕变；（2）每级载荷等时间间隔。）每级载荷等时间间隔。3）三轴压缩蠕变试验）三轴压缩蠕变试验1t2tt3t23231t2t3t2 松弛试验松弛试验0)()()( tftEtf 。，可求出，根据，通过拟合可求得若

31、设 1212121221EEEEcEEkkcEecEtftk )()(:0000)(tot03 由松弛试验结果得到蠕变试验由松弛试验结果得到蠕变试验线作用下得到一组松弛曲，在)32()110ii )(t ot*1t*2t*3t*4t01020304)(t ot*1t2t3t4t01020304piininpiinipidtdEEtt 1201，计算：，时，不同曲线对应时间当应力为*|)()()*2*pip op 1)(1p op )( 时的时间。的应力、应变达到即为作用求iiitdtpi0013 *)()o1t)(t2tt3t4t0102*4.4.4 岩石流变试验设备岩石流变试验设备 岩石流变

32、试验设备的关键是所加荷载（应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。力或应变）的长期稳定。 加载方法主要有：加载方法主要有：1. 砝码砝码杠杆加载系统杠杆加载系统2. 液压千斤顶辅以手工增加补偿压力液压千斤顶辅以手工增加补偿压力3. 弹簧加载弹簧加载4. 油油气储能器稳定载荷装置气储能器稳定载荷装置5. 闭环式伺服液压加载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：蠕岩石的流变试验设备主要有两种类型：蠕变仪和松弛仪。变仪和松弛仪。单轴压缩砝码单轴压缩砝码杠杆加载原理示意图杠杆加载原理示意图原联邦德国原联邦德国地学与自然地学与自然资源研究所资源研究所常温下岩盐常温下岩

33、盐单轴压缩蠕单轴压缩蠕变试验支架。变试验支架。每一加载支每一加载支架可进行架可进行5个个试样的蠕变试样的蠕变试验。试验。单轴压缩弹簧加载试单轴压缩弹簧加载试验装置验装置1立柱，立柱，2上横梁，上横梁，3下下横梁，横梁，4弹簧座，弹簧座，5试件，试件，6承压块，承压块，7千分表，千分表，8拧紧螺母，拧紧螺母，9压力传感器，压力传感器，10千分表，千分表，11底座底座双轴压缩蠕变试验机双轴压缩蠕变试验机（长春试验机研究所）（长春试验机研究所）五联单轴压缩流变仪五联单轴压缩流变仪 五联单轴压缩流变仪五联单轴压缩流变仪 1保温筒；保温筒；2小活塞；小活塞；3油压室；油压室；4大活塞；大活塞；5温度传感

34、器；温度传感器；6传压传压柱；柱；7试件；试件；8承压座；承压座；9应变片引线；应变片引线；10加温电炉（加温电炉（1000W）；）；11温度控制仪；温度控制仪；12预调平衡箱；预调平衡箱；13切换控制器；切换控制器；14静动态电阻应变静动态电阻应变仪；仪；15液压控制台液压控制台可加温单可加温单轴、三轴轴、三轴压缩蠕变压缩蠕变试验装置试验装置一般三轴一般三轴压缩蠕变压缩蠕变试验装置试验装置单轴压缩松弛仪单轴压缩松弛仪1电机电机2减速齿轮减速齿轮3螺旋千斤顶螺旋千斤顶4数字应变仪数字应变仪5载荷传感器载荷传感器6试样试样岩石剪切流变仪岩石剪切流变仪岩石扭转流变仪岩石扭转流变仪4种岩石蠕变试验曲

35、线种岩石蠕变试验曲线泥岩应力松弛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红砂岩应力松弛试验曲线4.4.5 岩石长期强度确定确定方法岩石长期强度确定确定方法 一般情况下，当荷载达到岩石瞬时强度一般情况下，当荷载达到岩石瞬时强度（通常指岩石单轴抗压强度）时，岩石发生破（通常指岩石单轴抗压强度）时，岩石发生破坏。在岩石承受荷载低于其瞬时强度的情况下，坏。在岩石承受荷载低于其瞬时强度的情况下，如持续作用较长时间，由于流变作用，岩石也如持续作用较长时间，由于流变作用，岩石也可能发生破坏。因此，岩石的强度是随外载作可能发生破坏。因此，岩石的强度是随外载作用时间的延长而降低，通常把作用时间用时间的

36、延长而降低，通常把作用时间 t 的强度称之为岩石的长期强度。的强度称之为岩石的长期强度。 长期强度的确定方法有两种：一种方法可长期强度的确定方法有两种：一种方法可以通过不同应力水平长期恒载蠕变试验得出。以通过不同应力水平长期恒载蠕变试验得出。tte )(0长期强度曲线方程可如下指数函数表示：长期强度曲线方程可如下指数函数表示： 另一种方法是通过不同应力水平蠕变试验，另一种方法是通过不同应力水平蠕变试验，得出不同时刻的应力应变曲线。得出不同时刻的应力应变曲线。岩石岩石名称名称粘土粘土石灰岩石灰岩 盐岩盐岩砂岩砂岩白垩白垩粘质粘质页岩页岩0.740.730.700.650.620.500/ 几种岩

37、石长期强度与瞬时强度比值几种岩石长期强度与瞬时强度比值4.5 岩石流变问题的工程应用岩石流变问题的工程应用4.5.1 长江三峡永久船闸边坡岩体弹粘塑性时空长江三峡永久船闸边坡岩体弹粘塑性时空 效应研究效应研究 三峡船闸是双线五级连续船闸，位于大坝左侧的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，世人称之为坛子岭外侧，世人称之为“长江第四峡长江第四峡”，最大开挖，最大开挖深度深度170米，中隔墩岩体宽度米，中隔墩岩体宽度57米，闸室的开挖宽度米，闸室的开挖宽度37米，建成后每个闸室长米，建成后每个闸室长280米，宽米，宽34米。米。 大坝蓄水到大坝蓄水到175米时，船闸工作的水位上游是

38、米时，船闸工作的水位上游是175米，下游工作的最低水位是米，下游工作的最低水位是62米，水位相差米，水位相差113米，米，相当于相当于40层楼。从上游第一级船闸闸首至下游第五级层楼。从上游第一级船闸闸首至下游第五级闸室闸尾闸室闸尾1607米。米。 采用三维弹采用三维弹粘弹粘弹粘塑性有限元法对三峡船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。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。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，岩体后期流变闸室开挖到位后，粘性时效变形已基本完成，岩

39、体后期流变变形占总变形的比值并不大；变形占总变形的比值并不大； 在闸室全部开挖到位在闸室全部开挖到位 8 11个月后，位移收敛于稳定的最终个月后，位移收敛于稳定的最终值，最大值约为值，最大值约为 25 30 mm ，可以认为并不影响钢闸门的，可以认为并不影响钢闸门的启闭；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）延展约深态，自坡帮向内（和在中隔墩内）延展约深 5 8m ；在闸；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

40、展约深服状态，自坡帮向内延展约深 6 8 . 5m 。这些部位的岩。这些部位的岩体应是锚固的重点；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，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；特别是几处断裂、破碎带内，以剪切流变为主； 岩体的失稳一般不是受应力水平与岩石强度的控制，而是岩体的失稳一般不是受应力水平与岩石强度的控制，而是主要取决于因帮面附近随机块体、定位或半定位块体及其主要取决于因帮面附近随机块体、定位或半定位块体及其与开挖后临空面的不利组合可能造成的局部掉块或塌落。与开挖后临空面的不利组合可能造成的局部掉块或塌落。 4.5.2 大型基坑开挖边坡变形时空效应研究大型基坑开挖边坡变形时空效应研究 某水电站长某水电站长279m，宽，宽28 45m，深，深 40 50m的大型岩的大型岩质基坑在软弱夹层错位处的剖面图如下图。质基坑在软弱夹层错位处的剖面图如下图。 结合基坑施工开挖实测，进行了岩壁水平位移时间效应结合基坑施工开挖实测，进行了岩壁水平位移时间效应的弹的弹粘塑性分析。粘塑性分析。