北科大巖石力學(xué)課件-巖石流變理論

巖石流變理論巖石流變理論解釋了巖石在長期應(yīng)力作用下的變形和流動(dòng)行為，探討了巖石的粘彈性、蠕變和斷裂特性。課程目標(biāo)1了解巖石流變基本概念掌握巖石彈性、黏彈性和塑性等力學(xué)性質(zhì)2理解巖石流變理論熟悉巖石流變參數(shù)的測定方法3掌握巖石流變理論應(yīng)用應(yīng)用巖石流變理論解決工程實(shí)際問題巖石的彈性行為巖石在荷載作用下發(fā)生變形，當(dāng)荷載去除后，巖石能夠完全恢復(fù)原狀，這種變形稱為彈性變形。巖石的彈性變形是一種可逆過程，其變形量與所受荷載成正比，符合胡克定律。在彈性范圍內(nèi)，巖石的變形是瞬時(shí)的，沒有時(shí)間效應(yīng)。彈性常數(shù)的測定聲波測試通過聲波在巖石中的傳播速度，可以計(jì)算出巖石的彈性模量和泊松比。三軸壓縮試驗(yàn)在不同壓力條件下，測量巖石的變形和應(yīng)力，確定巖石的彈性模量和剪切模量。拉伸試驗(yàn)拉伸巖石，測量其變形和應(yīng)力，可以得到巖石的彈性模量和抗拉強(qiáng)度。巖石的黏彈性行為應(yīng)力與應(yīng)變巖石的黏彈性行為是指巖石在應(yīng)力作用下，既表現(xiàn)出彈性變形，又表現(xiàn)出黏性變形。時(shí)間依賴性巖石的黏彈性變形隨時(shí)間變化，在應(yīng)力持續(xù)作用下，應(yīng)變會(huì)逐漸增加，最終達(dá)到平衡狀態(tài)。不可逆性巖石的黏彈性變形并非完全可逆，在應(yīng)力解除后，巖石會(huì)保留一部分永久變形。線性黏彈性理論彈性描述材料在應(yīng)力作用下發(fā)生變形后能夠恢復(fù)原狀的性質(zhì)。黏性描述材料在應(yīng)力作用下發(fā)生變形后不能完全恢復(fù)原狀的性質(zhì)。時(shí)間依賴性材料的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系隨著時(shí)間的推移而發(fā)生變化。非線性黏彈性理論應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系非線性黏彈性材料的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系并非線性，會(huì)隨著應(yīng)力或應(yīng)變的變化而改變。時(shí)間依賴性材料的變形和恢復(fù)能力與加載時(shí)間和歷史有關(guān)，展現(xiàn)出明顯的時(shí)間依賴性。非線性模型常見的非線性黏彈性模型包括Kelvin-Voigt模型、Maxwell模型和標(biāo)準(zhǔn)線性固體模型。軟化與硬化軟化巖石在持續(xù)的應(yīng)力作用下，其強(qiáng)度會(huì)降低，稱為軟化現(xiàn)象。硬化巖石在持續(xù)的應(yīng)力作用下，其強(qiáng)度會(huì)增加，稱為硬化現(xiàn)象。應(yīng)力松弛1定義在恒定應(yīng)變下，應(yīng)力隨時(shí)間衰減的現(xiàn)象2影響因素巖石類型、溫度、應(yīng)力水平3應(yīng)用評估巖石長期穩(wěn)定性，預(yù)測地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)變?nèi)渥?時(shí)間依賴性應(yīng)變隨時(shí)間逐漸增加2應(yīng)力恒定在恒定應(yīng)力下發(fā)生3黏彈性特征反映巖石的黏彈性性質(zhì)應(yīng)力和應(yīng)變關(guān)系彈性階段應(yīng)力與應(yīng)變呈線性關(guān)系，卸載后可恢復(fù)原狀。黏彈性階段應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系是非線性的，卸載后部分恢復(fù)原狀。塑性階段應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系不再有明確的對應(yīng)關(guān)系，卸載后無法恢復(fù)原狀。黏彈性參數(shù)的確定方法描述應(yīng)力松弛試驗(yàn)在恒定應(yīng)變下測量應(yīng)力隨時(shí)間變化蠕變試驗(yàn)在恒定應(yīng)力下測量應(yīng)變隨時(shí)間變化動(dòng)態(tài)力學(xué)分析通過施加周期性載荷測量材料的儲(chǔ)存模量和損耗模量黏彈性理論在工程中的應(yīng)用巖體穩(wěn)定性分析用于評估巖體在各種載荷條件下的變形和破壞行為，為隧道、邊坡、地下工程等設(shè)計(jì)提供參考。油氣開采用于預(yù)測油氣藏的儲(chǔ)層巖石的流變特性，指導(dǎo)油氣開采過程中的優(yōu)化決策。地質(zhì)災(zāi)害防治用于評估地震、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)，為災(zāi)害預(yù)測和預(yù)警提供依據(jù)。巖石的塑性行為巖石的塑性行為是指巖石在受到外力作用后，發(fā)生永久變形而不恢復(fù)原狀的現(xiàn)象。巖石的塑性變形是由于巖石內(nèi)部的晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生滑移或轉(zhuǎn)動(dòng)，以及顆粒之間的相對位移所造成的。巖石的塑性行為與巖石的礦物成分、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造、溫度、應(yīng)力狀態(tài)等因素有關(guān)。不同類型的巖石具有不同的塑性特性。摩爾-庫倫屈服準(zhǔn)則定義巖石在應(yīng)力狀態(tài)下發(fā)生屈服的條件,通常以最大剪應(yīng)力與正應(yīng)力之間的關(guān)系來表示。方程τ=c+σ*tan(φ)參數(shù)c為材料的內(nèi)聚力,φ為摩擦角。塑性流動(dòng)理論1屈服準(zhǔn)則塑性流動(dòng)始于應(yīng)力達(dá)到材料的屈服強(qiáng)度。2流動(dòng)法則描述塑性變形的方向和大小與應(yīng)力之間的關(guān)系。3硬化法則反映材料的硬化行為，即塑性變形后強(qiáng)度提高。塑性應(yīng)力和應(yīng)變關(guān)系1屈服強(qiáng)度巖石開始發(fā)生塑性變形時(shí)的應(yīng)力值。2硬化隨著塑性應(yīng)變的增加，屈服強(qiáng)度逐漸增大。3應(yīng)變硬化巖石的應(yīng)變硬化程度由硬化系數(shù)決定。4應(yīng)變軟化某些巖石在塑性變形過程中，屈服強(qiáng)度逐漸減小。塑性參數(shù)的確定3實(shí)驗(yàn)測定三軸壓縮試驗(yàn)、直接剪切試驗(yàn)等可以獲得巖石的屈服強(qiáng)度和摩擦角等參數(shù)2數(shù)值模擬利用有限元或離散元方法可以模擬巖石的塑性變形過程，并反推塑性參數(shù)1理論分析基于巖石的微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性質(zhì)，可以建立理論模型來預(yù)測塑性參數(shù)塑性理論在工程中的應(yīng)用1隧道工程巖石的塑性變形是隧道開挖過程中巖體穩(wěn)定性分析的重要因素。2邊坡工程塑性理論可以用于預(yù)測邊坡的穩(wěn)定性，并評估不同開挖方案的風(fēng)險(xiǎn)。3地下開采在礦山開采中，塑性理論有助于確定開采參數(shù)，并預(yù)測巖體破裂和崩塌的可能性。巖石的斷裂行為斷裂力學(xué)研究固體材料斷裂的力學(xué)行為和規(guī)律。斷裂過程從裂紋萌生、擴(kuò)展到最終斷裂的整個(gè)過程。斷裂類型脆性斷裂、韌性斷裂、混合斷裂。斷裂力學(xué)基本概念裂紋擴(kuò)展應(yīng)力集中應(yīng)變能釋放斷裂準(zhǔn)則脆性斷裂巖石在拉伸應(yīng)力下突然斷裂，沒有明顯的塑性變形。韌性斷裂巖石在拉伸應(yīng)力下發(fā)生塑性變形，然后發(fā)生斷裂?；旌蠑嗔褞r石在拉伸應(yīng)力下既發(fā)生脆性斷裂，又發(fā)生韌性斷裂。斷裂參數(shù)的確定斷裂韌性斷裂韌性是材料抵抗斷裂的能力，反映了材料在存在裂紋的情況下承受應(yīng)力的能力。應(yīng)力強(qiáng)度因子應(yīng)力強(qiáng)度因子是描述裂紋尖端應(yīng)力場的一種參數(shù)，可以用來預(yù)測裂紋的擴(kuò)展行為。斷裂力學(xué)在工程中的應(yīng)用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)通過斷裂力學(xué)，工程師可以更準(zhǔn)確地評估結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，并進(jìn)行更合理的設(shè)計(jì)。安全評估斷裂力學(xué)可以幫助工程師預(yù)測結(jié)構(gòu)的壽命，并及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在的斷裂風(fēng)險(xiǎn)。材料選擇斷裂力學(xué)可以幫助工程師選擇更耐用的材料，以提高結(jié)構(gòu)的可靠性。實(shí)驗(yàn)室測試方法1單軸壓縮試驗(yàn)評估巖石強(qiáng)度和變形特性，確定巖石的抗壓強(qiáng)度、彈性模量和泊松比等參數(shù)。2三軸壓縮試驗(yàn)?zāi)M地質(zhì)應(yīng)力狀態(tài)，研究巖石在不同圍壓下的強(qiáng)度、變形和破壞特征，用于預(yù)測巖石的工程特性。3拉伸試驗(yàn)測定巖石的抗拉強(qiáng)度，為巖石工程設(shè)計(jì)提供參考數(shù)據(jù)，有助于了解巖石的抗拉能力。4剪切試驗(yàn)研究巖石的剪切強(qiáng)度和變形特性，用于分析巖石的抗剪能力，評估巖石的穩(wěn)定性。5蠕變試驗(yàn)在恒定應(yīng)力