北科大岩石力学课件-岩石流变理论

岩石流变理论岩石流变理论解释了岩石在长期应力作用下的变形和流动行为，探讨了岩石的粘弹性、蠕变和断裂特性课程目标了解岩石流变基本概念理解岩石流变理论12掌握岩石弹性、黏弹性和塑性熟悉岩石流变参数的测定方法等力学性质掌握岩石流变理论应用3应用岩石流变理论解决工程实际问题岩石的弹性行为岩石在荷载作用下发生变形，当荷载去除后，岩石能够完全恢复原状，这种变形称为弹性变形岩石的弹性变形是一种可逆过程，其变形量与所受荷载成正比，符合胡克定律在弹性范围内，岩石的变形是瞬时的，没有时间效应弹性常数的测定声波测试通过声波在岩石中的传播速度，可以计算出岩石的弹性模量和泊松比三轴压缩试验在不同压力条件下，测量岩石的变形和应力，确定岩石的弹性模量和剪切模量拉伸试验拉伸岩石，测量其变形和应力，可以得到岩石的弹性模量和抗拉强度岩石的黏弹性行为应力与应变时间依赖性不可逆性岩石的黏弹性行为是指岩石在应力作用下，岩石的黏弹性变形随时间变化，在应力持续岩石的黏弹性变形并非完全可逆，在应力解既表现出弹性变形，又表现出黏性变形作用下，应变会逐渐增加，最终达到平衡状除后，岩石会保留一部分永久变形态线性黏弹性理论弹性黏性描述材料在应力作用下发生变形后能描述材料在应力作用下发生变形后不够恢复原状的性质能完全恢复原状的性质时间依赖性材料的应力-应变关系随着时间的推移而发生变化非线性黏弹性理论应力-应变关系时间依赖性非线性黏弹性材料的应力-应变关材料的变形和恢复能力与加载时系并非线性，会随着应力或应变间和历史有关，展现出明显的时的变化而改变间依赖性非线性模型常见的非线性黏弹性模型包括Kelvin-Voigt模型、Maxwell模型和标准线性固体模型软化与硬化软化硬化岩石在持续的应力作用下，其强度会降低，称为软化现象岩石在持续的应力作用下，其强度会增加，称为硬化现象应力松弛定义1在恒定应变下，应力随时间衰减的现象影响因素2岩石类型、温度、应力水平应用3评估岩石长期稳定性，预测地质灾害应变蠕变时间依赖性1应变随时间逐渐增加应力恒定2在恒定应力下发生黏弹性特征3反映岩石的黏弹性性质应力和应变关系弹性阶段黏弹性阶段塑性阶段应力与应变呈线性关系，卸载后可恢复原应力与应变关系是非线性的，卸载后部分应力与应变关系不再有明确的对应关系，状恢复原状卸载后无法恢复原状黏弹性参数的确定方法描述应力松弛试验在恒定应变下测量应力随时间变化蠕变试验在恒定应力下测量应变随时间变化动态力学分析通过施加周期性载荷测量材料的储存模量和损耗模量黏弹性理论在工程中的应用岩体稳定性分析油气开采地质灾害防治用于评估岩体在各种载荷条件下的变形和用于预测油气藏的储层岩石的流变特性，用于评估地震、滑坡等地质灾害发生的风破坏行为，为隧道、边坡、地下工程等设指导油气开采过程中的优化决策险，为灾害预测和预警提供依据计提供参考岩石的塑性行为岩石的塑性行为是指岩石在受到外力作用后，发生永久变形而不恢复原状的现象岩石的塑性变形是由于岩石内部的晶体结构发生滑移或转动，以及颗粒之间的相对位移所造成的岩石的塑性行为与岩石的矿物成分、结构、构造、温度、应力状态等因素有关不同类型的岩石具有不同的塑性特性摩尔库伦屈服准则-定义方程岩石在应力状态下发生屈服的条τ=c+σ*tanφ件,通常以最大剪应力与正应力之间的关系来表示参数c为材料的内聚力,φ为摩擦角塑性流动理论屈服准则硬化法则塑性流动始于应力达到材料的屈服强度反映材料的硬化行为，即塑性变形后强度提高123流动法则描述塑性变形的方向和大小与应力之间的关系塑性应力和应变关系12屈服强度硬化岩石开始发生塑性变形时的应力值随着塑性应变的增加，屈服强度逐渐增大34应变硬化应变软化岩石的应变硬化程度由硬化系数决定某些岩石在塑性变形过程中，屈服强度逐渐减小塑性参数的确定32实验测定数值模拟三轴压缩试验、直接剪切试验等可以利用有限元或离散元方法可以模拟岩获得岩石的屈服强度和摩擦角等参数石的塑性变形过程，并反推塑性参数1理论分析基于岩石的微观结构和力学性质，可以建立理论模型来预测塑性参数塑性理论在工程中的应用隧道工程边坡工程地下开采123岩石的塑性变形是隧道开挖过程中岩塑性理论可以用于预测边坡的稳定性在矿山开采中，塑性理论有助于确定体稳定性分析的重要因素，并评估不同开挖方案的风险开采参数，并预测岩体破裂和崩塌的可能性岩石的断裂行为断裂力学断裂过程断裂类型研究固体材料断裂的力学行为和规律从裂纹萌生、扩展到最终断裂的整个过程脆性断裂、韧性断裂、混合断裂断裂力学基本概念裂纹扩展应力集中应变能释放断裂准则脆性断裂韧性断裂岩石在拉伸应力下突然断裂，没有明岩石在拉伸应力下发生塑性变形，然显的塑性变形后发生断裂混合断裂岩石在拉伸应力下既发生脆性断裂，又发生韧性断裂断裂参数的确定断裂韧性应力强度因子断裂韧性是材料抵抗断裂的能力，反映了材料在存在裂纹的情况应力强度因子是描述裂纹尖端应力场的一种参数，可以用来预测下承受应力的能力裂纹的扩展行为断裂力学在工程中的应用结构设计安全评估材料选择通过断裂力学，工程师可以更准确地评估断裂力学可以帮助工程师预测结构的寿命断裂力学可以帮助工程师选择更耐用的材结构的强度，并进行更合理的设计，并及时发现潜在的断裂风险料，以提高结构的可靠性实验室测试方法单轴压缩试验1评估岩石强度和变形特性，确定岩石的抗压强度、弹性模量和泊松比等参数三轴压缩试验2模拟地质应力状态，研究岩石在不同围压下的强度、变形和破坏特征，用于预测岩石的工程特性拉伸试验3测定岩石的抗拉强度，为岩石工程设计提供参考数据，有助于了解岩石的抗拉能力剪切试验4研究岩石的剪切强度和变形特性，用于分析岩石的抗剪能力，评估岩石的稳定性蠕变试验5在恒定应力下研究岩石的长期变形特性，分析岩石的流变行为，预测岩石的长期稳定性结论与展望岩石流变理论是研究岩石在各种应力条件下变形和破坏行为的重要理论基础未来展望发展方向进一步研究岩石的微观结构，深入理开发更精确的岩石流变模型，提高工解岩石的流变机制程应用的可靠性。