4.8 岩石的蠕变

岩石材料的蠕变实验及本构模型研究蠕变是指材料在一定温度和应力条件下，随着时间的推移发生的持续变形。

在地质和工程领域，岩石是一种典型的蠕变材料。

岩石的蠕变行为对工程结构的长期稳定性和可靠性具有重要影响。

因此，对岩石材料的蠕变实验及本构模型研究具有重要的理论和实际意义。

岩石材料的蠕变实验主要分为应力松弛实验和恒定应力蠕变实验两种。

应力松弛实验是通过对材料施加一定的应力后，观察材料的应力随时间的变化，以及应变随时间的变化。

这种实验常常用来研究岩石材料的蠕变速率和蠕变变形的领导指数。

恒定应力蠕变实验则是在一定的应力水平下，观察材料的应变随时间的变化，并且通过实验数据拟合来得到本构模型。

岩石材料的蠕变行为可以通过多种本构模型来描述，其中最常用的是Norton、Burgers、Power-law以及Generalized Kelvin-Voigt模型。

这些模型可以通过实验数据进行参数拟合，从而得到对应的本构关系。

这些本构关系可以用来预测岩石材料在不同应力和温度下的蠕变行为。

此外，还可以通过拟合这些本构模型的参数，来研究岩石材料的蠕变机制。

研究表明，岩石材料的蠕变行为是由多种因素共同影响的，包括温度、应力水平、孔隙水压力、孔隙率等。

因此，在进行蠕变实验时，需要对这些因素进行控制和监测，以保证实验数据的可靠性。

同时，还需要考虑到实际工程环境中的应力和温度条件，从而得到更准确的本构关系。

总之，岩石材料的蠕变实验及本构模型研究对于预测岩石在地下工程中的蠕变行为具有重要的理论和实际意义。

通过研究岩石材料的蠕变行为及其本构关系，可以为地质和工程领域提供重要的科学依据，从而保证工程结构的长期稳定性和可靠性。

岩石材料的蠕变实验及本构模型研究引言：岩石是地球上最基础的构造材料之一，其性质的研究对于地质科学以及岩土工程领域具有重要意义。

岩石在地壳中扮演着起支撑与保护作用，因此了解岩石的变形行为以及蠕变性质对于地质灾害的预测与评估具有重要的指导意义。

本文将就岩石材料的蠕变实验及本构模型研究进行详细阐述。

一、岩石材料的蠕变实验蠕变是指物质在长时间内受到持续应力下的变形现象。

岩石材料由于具有多种类型的孔隙和裂隙，因此其蠕变行为比一般材料更为复杂。

蠕变实验是研究岩石材料蠕变性质的主要手段之一，其目的是了解岩石在不同应力、不同温度和不同时间下的蠕变特性。

1.实验设备蠕变实验一般需要使用蠕变试验机，该仪器能够提供连续加载并测量样品的应力和应变，同时控制温度。

实验所需的试样通常需要根据具体需要制备。

此外，还需要一些测量设备，如蠕变计和应变测量仪等。

2.实验过程蠕变实验的过程包括准备试样、加载试样、施加应力、保持应力和测量应变等步骤。

首先，需要根据实验要求制备符合标准的试样。

然后，将试样放置在蠕变试验机上，施加适当的负载并开始加载。

在加载过程中，需要保持恒定的应力并测量试样的应变，常用的应变测量方法有外部应变计和内部传感器等。

最后，根据实验结果绘制蠕变曲线，分析蠕变行为。

本构模型是描述材料力学性质的数学模型，通过建立岩石材料的本构模型，可以预测岩石的变形行为并进行力学仿真研究。

目前常用的岩石本构模型有线性弹性模型、弹塑性模型和粘弹性模型等。

1.线性弹性模型线性弹性模型是最简单的本构模型，它假设岩石材料的应力应变关系是线性的，即满足胡克定律。

这种模型适用于小应变范围内的岩石变形，但无法描述岩石的时间依赖性和非线性特性。

2.弹塑性模型弹塑性模型考虑了岩石在加载时的弹性变形和塑性变形，常用的模型有Mohr-Coulomb模型、Drucker-Prager模型等。

这些模型能够更准确地描述岩石的变形行为，但在蠕变时间很长的情况下，塑性本构模型可能会失效。

岩石流变理论中的蠕变现象作者：石喜梅来源：《青年与社会》2014年第29期【摘要】流变学研究内容是各种材料的蠕变和应力松弛的现象、屈服值以及材料的流变模型和本构方程。

在土木工程中，建筑的土地基的变形可延续数十年之久。

地下隧道竣工数十年后，仍可出现蠕变断裂。

因此，土流变性能和岩石流变性能的研究日益受到重视。

【关键词】岩石；蠕变；流变理论蠕变是指材料在恒定载荷作用下，变形随时间而增大的过程。

蠕变是由材料的分子和原子结构的重新调整引起的，这一过程可用延滞时间来表征。

当卸去载荷时，材料的变形部分地回复或完全地回复到起始状态，这就是结构重新调整的另一现象。

材料在恒定应变下，应力随着时间的变化而减小至某个有限值，这一过程称为应力松弛。

这是材料的结构重新调整的另一种现象。

蠕变和应力松弛是物质内部结构变化的外部显现。

这种可观测的物理性质取决于材料分子（或原子）结构的统计特性。

因此在一定应力范围内，单个分子（或原子）的位置虽会有改变，但材料结构的统计特征却可能不会变化。

一、流变理论在岩石的流变理论中常见四种现象。

流变：指材料的应力-应变关系与时间因素有关的性质，材料变形过程中具有时间效应的现象称为流变现象。

蠕变：当应力不变时，变形随时间增加而增长的现象。

松弛：当应变不变时，应力随时间增加而减小的现象。

弹性后效：加载或卸载时，弹性应变滞后于应力的现象。

这四种现象构成了岩石流变理论中的基础，是研究岩石流变理论不可或缺的理论基础。

二、流变理论中的蠕变（一）蠕变试验岩石蠕变现象通常通过蠕变试验的曲线来确定。

图1所示为某岩石进行岩石蠕变试验的岩石蠕变曲线示意图。

图1 岩石蠕变曲线示意图该蠕变试验表明：1. 当岩石在某一较小的恒定荷载持续作用下，其变形量虽然随时间增长有所增加，但蠕变变形的速率则随时间增长而减少，最后变形趋于一个稳定的极限值，这种蠕变称为稳定蠕变。

2. 当荷载较大时，abcd 曲线所示，蠕变不能稳定于某一极限值，而是无限增长直到破坏，这种蠕变称为不稳定蠕变。

岩石蠕变的变形机制及其地质意义岩石是地壳的主要组成部分，它们在地壳运动中起着重要的作用。

岩石的变形是地质活动的重要表现形式之一，而岩石蠕变则是岩石变形的一种重要机制。

本文将探讨岩石蠕变的变形机制及其在地质研究中的意义。

一、岩石蠕变的概念和表现形式岩石蠕变是指岩石在长期作用下出现持续缓慢变形的现象。

蠕变是一种时间依赖性的现象，其发生需要较长的时间。

岩石蠕变的主要表现形式有蠕变流动、蠕变滑动和蠕变脆性破裂等。

二、岩石蠕变的机制1. 组分改变岩石蠕变过程中，岩石的成分会发生改变。

矿物的晶体结构可能发生变化，新的矿物相形成。

不同的成分改变对蠕变的机制有着重要的影响。

2. 晶体结构变化岩石蠕变过程中晶体结构会发生变化，主要是晶界运动和晶粒内的位错运动。

晶界运动是指晶界的移动和重构，而位错运动是指晶粒内部位错的滑移和传播。

3. 矿物形态变化岩石蠕变过程中，矿物的形态和组织可能会发生变化。

有些矿物会发生晶界迁移和重构，形成新的结构。

这些变化会导致岩石整体的形态和结构发生变化。

三、岩石蠕变的意义岩石蠕变在地质研究中具有重要的意义。

1. 岩石蠕变是地震活动的重要前兆之一岩石蠕变的发生会伴随着能量的积累，当岩石受到足够的应力时，就会引发地震活动。

因此，研究岩石蠕变有助于预测地震的发生，为地震灾害的防范提供科学依据。

2. 岩石蠕变对巨型工程建设有重要影响岩石蠕变的发生会导致岩石的变形和破裂，对于巨型工程建设如水坝、隧道等有着重要的影响。

因此，在工程建设中对岩石蠕变进行充分的研究和评估，对保证工程安全具有重要意义。

3. 岩石蠕变对地质资源的勘查和开发有指导意义岩石蠕变对地质矿产资源的分布和形成有重要影响。

研究岩石蠕变可以了解地壳中不同岩石中矿物形态和组织的变化规律，为地质资源的勘查和开发提供科学依据。

4. 岩石蠕变对地形变的影响岩石蠕变是地壳运动的重要表现形式之一，它对地形变化有重要的影响。

通过研究岩石蠕变，可以了解地壳的变形规律，对地质灾害的预测和防范具有重要意义。

岩石蠕变性能和徐变性能测试方法与分析岩石是地壳中的基本构造材料，其性能对于地下工程的设计和施工起着至关重要的作用。

岩石的蠕变性能和徐变性能是研究岩石长期稳定性和变形特性的重要指标。

本文将对岩石蠕变性能和徐变性能的测试方法和分析进行介绍和探讨。

一、岩石蠕变性能的测试方法与分析1. 岩石蠕变性能的定义及重要性岩石蠕变性是指在恒定的应力条件下，岩石随时间的延续而发生的不可逆性变形。

蠕变性能是岩石长期稳定性的重要指标之一，对于地下工程的安全运营和设计起着至关重要的作用。

2. 岩石蠕变性能的测试方法（1）直接剪切试验法：通过对岩石样品施加恒定剪切应力，观察岩石的剪切应变随时间的变化，以评估岩石的蠕变性能。

（2）恒定应力压缩试验法：通过施加恒定应力对岩石样品进行压缩，观察岩石的应变随时间的变化，以评估岩石的蠕变性能。

（3）恒定应力拉伸试验法：通过施加恒定应力对岩石样品进行拉伸，观察岩石的应变随时间的变化，以评估岩石的蠕变性能。

3. 岩石蠕变性能的分析方法（1）蠕变曲线分析：根据岩石蠕变性能测试获得的实验数据，构建蠕变曲线，分析曲线的特征，如蠕变速率、蠕变应变等，以评估岩石的蠕变性能。

（2）蠕变模型分析：将蠕变性能的实验数据输入到合适的蠕变模型中，通过模型仿真分析，得到岩石的蠕变特性和变形规律，以评估岩石的蠕变性能。

二、岩石徐变性能的测试方法与分析1. 岩石徐变性能的定义及重要性岩石徐变性是指在恒定应力条件下，岩石随时间的延续而发生的可逆性变形。

徐变性能是评估岩石短期变形特性和应力松弛程度的指标。

2. 岩石徐变性能的测试方法（1）应力松弛试验法：通过施加恒定应力，观察岩石应变随时间的变化，以评估岩石的徐变性能。

（2）弛豫试验法：通过施加瞬时应力，观察岩石应变随时间的变化，再施加恒定应力，观察应变的进一步变化，以评估岩石的徐变性能。

3. 岩石徐变性能的分析方法（1）弛豫-徐变模型分析：根据弛豫试验与徐变试验的实验数据，将其输入到合适的模型中，通过模型分析得到岩石的徐变特性和变形规律，以评估岩石的徐变性能。

岩土力学 作业三答案说明：本次作业对应于文字教材7至9章，应按相应教学进度完成。

一、单项选择题 （每小题2分，共计10分）1．岩石内结晶晶格错位的结果，引起岩石的 （b ） a 、晚性破坏 b 、塑性破坏 c 、弱面剪切破坏2．岩石的单轴抗压强度一般与单轴抗拉强度间成下列哪种关系： (b)a.Rc=(1-4)Rtb. Rc=(4-10)Rtc. Rt=(1-4)Rcd. Rt=(1-4)Rc 3．下面岩体的那种应力状态是稳定状态 (a)a.ϕσσσσcctg 23131++- <sin α b. ϕσσσσcctg 23131++- >sin αc.ϕσσσσcctg 23131++- =sin α4.广义虎克定律中岩石的剪切模量G 为 （a ）a.)1(2μ+=E G ，b. )1(2μ-=E G ，c. )1(2μ+=ME G ，d. )1(2μ-=MEG5. 岩石的变形（弹性）模量可表示为 （c ）a. yr p E )1(μ+=，b.yr p E )1(μ-=，c.y pr E )1(μ+=，d.ypr E )1(μ-= 二、填空题 （每空1分，共计20分）1．岩石的破坏形式：脆性破坏、延性破坏、弱面剪切破坏。

2．岩石的力学强度是工程设计中最重要的力学指标，分别是单轴抗压强度，抗拉强度、抗剪强度。

3．岩石的抗压强度就是岩石试件在单轴压力（无围压）作用下，抗压破坏的极限能力。

4．岩石的抗剪强度就是指岩石抵抗剪切破坏（滑力）的能力，用凝聚力C 和内摩擦角Φ来表示。

5． 岩石的变形是指岩石在任何物理因素作用下形状和体积大小的变化。

岩石的变形特性常用弹性模量E 和泊松比μ两个指标来表示；6. 岩石的蠕变是指岩石在应力σ不变的情况下岩石变形 ε随着时间t 而增加的现象，一般而言，典型的岩石蠕变曲线可分为三个阶段：初期蠕变，二次蠕变（稳态蠕变），（加建蠕变）第三期蠕变。

7. 天然应力(或初始应力)是习惯上常将工程施工前就存在于岩体中的地应力，称为初始应力。

岩块的力学属性：1．弹性（elasticity）：在一定的应力范围内，物体受外力产生的全部变形当去除外力后能够立即恢复其原有的形状和大小的性质。

2．塑性（plasticity）：物体受力后产生变形，在外力去除（卸荷）后不能完全恢复原状的性质。

不能恢复的变形叫塑性变形或永久变形、残余变形。

3．粘性（viscosity）：物体受力后变形不能在瞬时完成，且应变速率随应力增加而增加的性质。

应变速率随应力变化的变形叫流动变形。

4．脆性（brittle）：物质受力后，变形很小时就发生破裂的性质。

5．延性（ductile）：物体能承受较大塑性变形而不丧失其承载力的性质。

第一节岩块的变形性质一、单轴压缩条件下的岩块变形性质1．连续加载下的变形性质（1）加载方式：单调加载（等加载速率加载和等应变速率加载）循环加载（逐级循环加载和反复循环加载）（2）四个阶段：①Ⅰ：OA段，孔隙裂隙压密阶段；②Ⅱ：AC段，弹性变形至微破裂稳定发展阶段（AB段和BC段）弹性极限→屈服极限③Ⅲ：CD段，非稳定破裂发展阶段（累进破裂阶段）→“扩容”现象发生“扩容”：在岩石的单轴压缩试验中，当压力达到一定程度以后，岩石中的破裂（裂纹）继续发生和扩展，岩石的体积应变增量由压缩转为膨胀的力学过程。

—峰值强度或单轴抗压强度④Ⅳ：D点以后阶段，破坏后阶段（残余强度）以上说明：岩块在外荷作用下变形→破坏的全过程，具有明显的阶段性，总体上可分为两个阶段：1）峰值前阶段（前区）2）峰值后阶段（后区）（3）峰值前岩块的变形特征（Miller，1965）①应力—应变曲线类型米勒（Miller，1965）6类（σ—εL曲线），如图4.3所示：Ⅰ：近似直线型（坚硬、极坚硬岩石）：如玄武岩、石英岩等；Ⅱ：下凹型（较坚硬、少裂隙岩石）：如石灰岩、砂砾岩；Ⅲ：上凹型（坚硬有裂隙发育）：如花岗岩、砂岩；Ⅳ：陡“S”型（坚硬变质岩）：如大理岩、片麻岩；Ⅴ：缓“S”型（压缩性较高的岩石）：如片岩；Ⅵ：下凹型（极软岩）。

《岩石力学》期末试卷及答案姓名 学号 成绩一、 选择题(每题1分,共20分)1. 已知岩样的容重为γ，天然含水量为0w ，比重为s G ，40C 时水的容重为w γ，则该岩样的饱和容重m γ为( A ）A 。

()()w s s G w G γγ++-011 B. ()()w s s G w G γγ+++011 C 。

()()γγ++-s s w G w G 011 D. ()()w s s G w G γγ+--0112。

岩石中细微裂隙的发生和发展结果引起岩石的( A ）A ．脆性破坏B 。

塑性破坏C 。

弱面剪切破坏 D. 拉伸破坏3. 同一种岩石其单轴抗压强度为c R ，单轴抗拉强度t R ，抗剪强度f τ之间一般关系为（ C ）A 。

f c t R R τ<< B. f t c R R τ<< C 。

c f t R R <<τ D 。

t f c R R <<τ4。

岩石的蠕变是指（ D ）A 。

应力不变时，应变也不变；B 。

应力变化时,应变不变化；C. 应力变化时，应变呈线性随之变化;D. 应力不变时应变随时间而增长5。

模量比是指(A ）A ．岩石的单轴抗压强度和它的弹性模量之比B 。

岩石的 弹性模量和它的单轴抗压强度之比C ．岩体的 单轴抗压强度和它的弹性模量之比D ．岩体的 弹性模量和它的单轴抗压强度之比6。

对于均质岩体而言，下面岩体的那种应力状态是稳定状态（ A ） A.ϕϕσσσσsin 23131<++-cctg B.ϕϕσσσσsin 23131>++-cctg C 。

ϕϕσσσσsin 23131=++-cctg D.ϕϕσσσσsin 23131≤++-cctg 7. 用RMR 法对岩体进行分类时，需要首先确定RMR 的初始值,依据是（ D ）A ．完整岩石的声波速度、RQD 值、节理间距、节理状态与地下水状况B. 完整岩石的强度、RQD 值、节理间距、节理状态与不支护自稳时间C. 完整岩石的弹性模量、RQD 值、节理间距、节理状态与地下水状况D. 完整岩石的强度、RQD 值、节理间距、节理状态与地下水状况8。

五、岩石得蠕变1、蠕变特征①岩石蠕变得概念在应力不变得情况下,岩石变形随时间t而增长得现象。

②岩石蠕变类型有两种类型:稳定型蠕变非稳定型蠕变a、稳定型蠕变:应力作用下,随时间递减,零,即,一般在较小应力或硬岩中。

b、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蠕变曲线变化特征三个阶段:Ⅰ阶段:初期蠕变。

曲,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,并非所有得蠕变都能出现等速蠕变阶段,只有蠕变过程中结构得软化与硬化达到动平衡,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＝。

变速度变化缓慢,稳定。

应力增大时率增大。

高应力时速,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得应力分界值。

即,岩石在长期荷载作用下经蠕变破坏得最小应力值(或)岩石极限长期强度:指长期荷载作用下岩石得强度。

2、蠕变经验公式由于岩石蠕变包括瞬时弹性变形、初始蠕变、等速蠕变与加速蠕变,则在荷载长期作用下,岩石蠕变得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,目前得经验公式主要有三种:①幂函数取第一阶段:;第二阶段:,＞、就是试验常数,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就是与应力有关得常数。

③指数函数,或A为试验常数,就是时间t得函数伊文思(Evans)对花岗岩、砂岩与板岩得研究:,C为试验常数,n=0、4; 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、粘性与塑性,目前采用简单得机械模型来模拟材料得某种性状。