05岩石的蠕变2

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。

3 收稿日期 : 2006 - 08 - 23;收到修改稿日期 : 2006 - 10 - 23. 第一作者简介 :孙强 (1981 - ) ,男 ,硕士 ,主要从事岩土工程 ,工程地质方面的研究工作. Email: sunqiang04@126. com
15 (1) 孙强等 :岩石蠕变的应力 - 应变比分析
E ( ti ) ,然后由求得所对应得时间 。 这种分析方法需要较多的试验次数和试验试
样 ,针对在试验时间和试验设备上的困难 ,可以通过 分级荷载试验的方法实现 。
由图 9可以看出随着时间的延续等时模量值在 降低 ,图像呈双曲线形 ,与理论预测一致 。在隧道开 挖支护中 ,往往存在允许形变值 ,在这种情况下 ,就 可以根据图 9查出不同时刻的等时模量 ,由此便可 得到不同时刻下由蠕变造而作用在衬砌支护上的 力。
) )
τ( = τ(
t1 t2
) )
=C
(4)
Et ( t1 ) Et ( t2 )
=
ω′(ε)τ( ω′(ε)τ(
t1 t2
) )
=
τ( τ(
t1 t2
) )
=C
(5)
式中 , Es 为割线模量 , Et 为切线模量 ,ω′是 ω对 ε的
导数 。选择等时杨氏模量 E ( t1 ) ,则可使得应力无量
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Jou rna l of Eng ineering Geology 工程地质学报 2007
在应力 - 应变比曲线分析法中把应力 σ表示为 应变ε和时间 t的函数 ,借助于相似法把所得结果推 广到试验所涉及的整个时间范围内 。在这种情况下 所求解的可靠性和准确度取决于被选用的参考应力 水平所包含的近似性 。借助模型有助于对岩石蠕变 本质的研究 ,但岩石性质的复杂性以及所复杂的赋 存环境使得蠕变模型的适用范围十分有限 。岩石蠕 变现象的本构描述十分复杂 、至今没有成熟的理论 。 这种情况下用应力 - 应变比曲线来解决岩石蠕变的 问题就具有现实意义 。

五、岩石的蠕变1、蠕变特征①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 d 随时间而变化。

σdt②岩石蠕变类型有两种类型：稳定型蠕变ε非稳定型蠕变a 、 稳定型蠕变 ：在恒定εⅡ应力作用下，变形速率Ⅰ随时间递减，最终趋于Ⅰ零，即d0 ，变形区dtt域稳定。

一般在较小应力下或硬岩中。

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d由大变dt小。

属弹性变形。

Ⅱ阶段：等速蠕变。

εⅢⅡⅠTCBP UA VεQeR0 t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＝e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＝e。

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。

b bε2520 b1815 b10baa a－稳定蠕变 ( 不破坏)tb－非稳定蠕变( 蠕变破坏)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。

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：＝e + (t) +M t + T(t )e－瞬时变形；(t ) －初始蠕变； M t－等速蠕变；T (t )－加速蠕变。