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单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第四章 岩石变形,Chapter 4 Rock Deformation,第1页,目标：学习和认识岩石在各种物理原因作用下形状和大小改变及其对工程影响、以及同种类岩石变形特征。,要求：掌握岩石材料应力应变曲线、全应力应变曲线。,重点：,单轴压缩试验和岩石全应力应变曲线组成份析。,难点：依据岩石应力应变曲线进行材料划分。,学习提醒Learning Hints,第2页,4.1 概述,4.1.1 岩石变形概念,岩石变形,指各种,地质力学环境原因,和,工程荷载,共同作用岩石形状与大小发生改变。,河谷下切,、,地应力释放,、,工程开挖,等;,水库蓄水,、,隧洞充水水荷载等,；,岩石锚固、支挡建筑物等变形等,第3页,4.1 概述,4.1.2 岩石变形稳定,所以，岩体变形量常作为工程设计控制标准之一。,岩体作为建筑物基础，其变形与上部结构变形相互协调影响结构内力,第4页,4.1 概述,4.1.2 岩石变形稳定,空间壳体,将上游水载传递给坝肩岩体，而坝肩岩体变形,另首先：库水放空 坝体回弹（大），岩体回弹（小）（差 异）拱端接触面“脱开”开裂，如锦屏一级拱坝。,首先：要影响坝体变形、应力;,第5页,4.1 概述,重力坝,右江 h=130m,库空 是否向上游倾斜研究岩体,变形主要性,蓄水 坝基不均匀变形影响,4.1.2 岩石变形稳定,不均匀变形造成坝体内剪应力及主拉应力增加，造成开裂错位等不良后果。,第6页,4.1 概述,弹性变形,塑性变形,蠕 变,荷载卸去后，变形可恢复。包含,线性,和,非线性,（粘弹性）,荷载卸去后，变形不能全部恢复，残留一部分永久变形。,荷载（应力）一定情况下，岩石变形随时间t增加而增加。,4.1.2 岩石变形稳定,第7页,4.1 概述,4.1.3 线弹性变形本构关系,岩石变形特征通惯用E和u两个常数来表示，当E和u已知时，可计算给定应力状态下变形。,三维应力条件下Hook定律,第8页,4.1 概述,4.1.3 线弹性变形本构关系,假如已知变形，也可用下式计算应力，其中：K为体积模量；G称为剪切模量，称为拉梅常数。,第9页,普通采取室内试验或现场试验，静力试验或动力试验来获取岩石变形指标及应力应变关系。,室内试验普通有单轴压缩试验、三轴试验等，现场试验有承压板试验、狭缝试验、环形加荷试验等。,显然，要了解岩石变形特征，必须确定/已知岩石变形指标，包含弹性模量，泊松比、剪切模量、体积模量等，显然，因为岩体结构复杂性（含多结构面），其变形指标也存在很大差异，所以确定岩石变形指标显得尤为主要。,第10页,4.2 岩石变形室内试验,4.2.1 岩石变形特点,试件：D=5.0cm、H10.0cm,加载：普通压力机、刚性压力机,（MTS、INSTRON等）,量测：,应变片：轴向 、侧向,单轴压缩试验,第11页,4.2 岩石变形室内试验,单轴压缩试验,结果整理：,普通来说为曲线，当较小时，为直线,4.2.1 岩石变形特点,第12页,4.2 岩石变形室内试验,单轴压缩试验,经过单轴试验，能够取得以下几个模量（变形指标）：,(1)初始弹性模量 ：,曲线上零荷载时切线斜率；,(2)切线弹性模量 ：,随应力状态改变；,(3)平均弹性模量 ：,取 近似于直线段平均斜率；,(4)割线弹性模量 ：,原点与曲线上某点连线斜率;,4.2.1 岩石变形特点,第13页,4.2 岩石变形室内试验,三轴压缩试验,用岩石三轴仪也可直接测定岩石试件弹性模量。,经过岩样上应变体引线量测轴向、侧向应变。对常规三轴而言：,依据三维Hook定律计算弹模：,4.2.1 岩石变形特点,第14页,4.3 岩石变形性质,4.3.1 岩石应力应变全过程曲线,经过刚性压力机单轴试验取得应力应变全过程曲线，分为4个阶段：,1.OAStage 1 压密阶段,岩体中细微裂隙受压闭合；,2.ABStage 2 线弹性阶段,卸载后变形可恢复，岩石颗粒变形,3.BCStage 3 强化阶段,卸载后变形不能完全恢复；,4.CDStage 4 软化阶段,，强度下降，塑性变形比重大；,Stage 1,Stage 2,Stage 3,Stage 4,第15页,4.3 岩石变形性质,4.3.1 岩石应力应变全过程曲线,不一样岩性岩样，全过程曲线中一些阶段突出，一些阶段弱化，可依据各阶段差异对岩性进行划分。,米勒(Miller)依据岩石应力-应变曲线伴随岩石性质有各种不一样形式特点，采取28种岩石进行了大量单轴试验后，将岩石应力-应变曲线分成6种类型：,第16页,4.3.2 重复加载与卸载条件下变形特征,一）弹性阶段,二）弹塑性（强化）阶段,1.卸载：卸载弹性变形恢复,4.3 岩石变形性质,加载，卸载过程后，应力应变曲线重合；,第17页,4.3.2 重复加载与卸载条件下变形特征,2.重复加载（单次）,4.3 岩石变形性质,二）弹塑性（强化）阶段,当P55）,第55页,4.8.1 岩石蠕变概念,4.8 岩石蠕变,岩石蠕变（流变）：指岩石在应力恒定情况下，应变随时间增加特征。,岩石松弛：指岩石在应变恒定情况下，应力随时间降低特征（应力松弛）。,工程实例：深埋洞室围岩蠕变支护变形（新奥法机理）与压力随时间改变。,第56页,4.8.2 岩石蠕变特征,4.8 岩石蠕变,岩性,针对不一样岩石，弹性变形与蠕变对比存在差异,第57页,4.8.2 岩石蠕变特征,4.8 岩石蠕变,应力水平影响蠕变量大小，蠕变速率（P93，图4-47）,第58页,4.8.2 岩石蠕变特征,4.8 岩石蠕变,蠕变试验得到经典蠕变曲线分为三段：,AB早期蠕变，蠕变速率递减 卸载（）,p,(t)瞬弹PQ+粘弹QR（全部恢复）,BC恒速蠕变，d/dt恒定，（单位时间增加相同）,p,(t)瞬弹Tv+粘弹Uv+不可恢复uv,CD加速蠕变,d/dt不停增大，变形破坏,第59页,4.8.3 蠕变与工程关系,4.8 岩石蠕变,由岩石蠕变试验：a）对工程影响不大；b）、c）可能造成变形破坏（软弱夹层浸水）,稳定蠕变,恒速蠕变,加速蠕变,第60页,4.8.4 岩石蠕变模型,4.8 岩石蠕变,前面已介绍：岩石变形分为瞬弹和粘弹(蠕变)：,瞬弹模型,粘性模型,剪应力剪应变,虎克定律,体积应力体积应变,岩石变形能够经过弹性+粘性元件不一样组合不一样介质蠕变模型。,第61页,4.8.4 岩石蠕变模型,4.8 岩石蠕变,马克斯威尔模型（Maxwell Model）,弹性元件+粘性元件串联,第62页,4.8.4 岩石蠕变模型,4.8 岩石蠕变,上式反应马克斯威尔模型 粘弹性材料（剪应力剪应变）关系微分方程。,马克斯威尔模型（Maxwell Model）,第63页,4.8.4 岩石蠕变模型,4.8 岩石蠕变,单轴压缩试验,骤然加载t0,讨论：,t0，常量 ，表示突然增至,1,时瞬弹变形,呈线性关系；,为常数，表明蠕变为恒速，与,1,和无关。,马克斯威尔模型（Maxwell Model）,第64页,4.8.4 岩石蠕变模型,4.8 岩石蠕变,伏埃特/凯尔文模型,弹性元件与粘性元件并联：,第65页,4.8.4 岩石蠕变模型,4.8 岩石蠕变,凯尔文模型,讨论：,任何时刻呈指数性增加；,t0，常量 ，表示突然增至,1,时瞬弹变形,t0，常量 ，表示突然增至,1,时瞬弹变形,t，常量 ，,第66页,4.8.4 岩石蠕变模型,4.8 岩石蠕变,其它几个模型,第67页,4.8.4 岩石蠕变工程应用,4.8 岩石蠕变,第68页,4.8.4 岩石蠕变工程应用,4.8 岩石蠕变,第69页,4.8.5 关于岩石蠕变性质研究讨论,4.8 岩石蠕变,试件代表性问题,试验连续时间问题,理论模型与经验模型有效性问题,试验加载路径问题,第70页,
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