岩石流变性质.pptx

1 1岩石的岩石的变形性质变形性质 岩石的变形有岩石的变形有岩石的变形有岩石的变形有弹性变形、塑性变形和粘性变形弹性变形、塑性变形和粘性变形三种三种三种三种.弹性：物体在受外力作用的物体在受外力作用的瞬间瞬间即产生全部变形，而去除即产生全部变形，而去除 外力后又能外力后又能 立即恢复立即恢复其原有形状和尺寸的性质。其原有形状和尺寸的性质。塑性：物体受力后变形，在外力去除后变形物体受力后变形，在外力去除后变形不能完全恢复不能完全恢复.粘性：物体受力后变形物体受力后变形不能瞬时完成不能瞬时完成，且应变速率随应力，且应变速率随应力 增加而增加的性质增加而增加的性质弹性粘性上次课内容上次课内容变形性质a.a.单向压缩变形单向压缩变形b.b.反复加载变形反复加载变形c.c.三轴压缩变形三轴压缩变形变形指标a.弹性模量弹性模量b.变形模量变形模量c.泊松比泊松比2 22.4 2.4 岩石的流变特性岩石的流变特性 弹性（可恢复）弹性（可恢复）与时间无关的变形与时间无关的变形 塑性（不恢复）塑性（不恢复）与时间有关的与时间有关的流变流变岩石变形蠕变松弛弹性后效岩石的时间效应3 3流变的概念流变现象：材料应力-应变关系与时间因素有关的性质，称为流变性。材料变形过程中具有时间效应的现象，称为流变现象。4 4流变现象1940.051939.015 5流变的概念流变现象：材料应力-应变关系与时间因素有关的性质，称为流变性。材料变形过程中具有时间效应的现象，称为流变现象。流变的种类：蠕变 松弛 弹性后效应力不变，应变随时间增加而增长6 6流变的概念流变现象：材料应力-应变关系与时间因素有关的性质，称为流变性。材料变形过程中具有时间效应的现象，称为流变现象。流变的种类：蠕变 松弛 弹性后效应变不变，应力随时间增加而减小7 7流变的概念流变现象：材料应力-应变关系与时间因素有关的性质，称为流变性。材料变形过程中具有时间效应的现象，称为流变现象。流变的种类：蠕变 松弛 弹性后效加载或卸载时，弹性应变滞后于应力的现象8 8一、蠕变的类型和特点a.稳定蠕变：低应力状态下发生的蠕变，图中 Cb.不稳定蠕变：较高应力状态下发生的蠕变，图中 A、B（1）蠕变的两种类型9 9一、蠕变的类型和特点第一阶段(a-b):减速蠕变阶段：应变速率随时间增加而减小。第二阶段(b-c):等速蠕变阶段：应变速率保持不变。第三阶段(c-d)：加速蠕变阶段：应变速率随时间增加而增加。（2）典型蠕变三个阶段1010二、岩石蠕变的影响因素二、岩石蠕变的影响因素 岩石的力学性质岩石的力学性质岩石的力学性质岩石的力学性质（强度，矿物组成）（强度，矿物组成）l l应力应力第二阶段越长第二阶段越长；l l小到一定程度小到一定程度，第三蠕变不会出现；第三蠕变不会出现；l l 很高，第二阶段短，很高，第二阶段短，立即进入三阶段立即进入三阶段11常用的元件有三种：弹性元件(H)塑性元件(Y)粘性元件(N)三、流变学中的基本元件三、流变学中的基本元件12（1）弹性元件（N）(b)(a)弹性元件的模型简图与应力应变关系 从上图可以看出弹性元件的力学特点为：应力仅仅依赖于应变，与时间无关，弹性变形瞬间完成，只要受力不变，变形就不变。简而言之，弹性元件有受力瞬间变形，应力应变一一对应的特点。流变学中的基本元件流变学中的基本元件本构方程：本构方程：注：将描述应力-应变或与时间（t）的关系式叫本构方程。13三、描述流变性质的三个基本元件(1)弹性元件弹性元件 力学模型：力学模型：材料性质：物体在荷载作用下，其变形完全符合虎克材料性质：物体在荷载作用下，其变形完全符合虎克 (Hooke)定律。称其为虎克体，是理想的定律。称其为虎克体，是理想的 线性弹性体。线性弹性体。本构方程：本构方程：s=s=ke e 应力应变曲线（见右图）：应力应变曲线（见右图）：模型符号：模型符号：H H 虎克体的性能：虎克体的性能：a.瞬变性瞬变性 b.无弹性后效无弹性后效 c.无应力松弛无应力松弛 d.无蠕变流动无蠕变流动14三、描述流变性质的三个基本元件(2)塑性元件塑性元件 材料性质：物体受应力达到屈服极限材料性质：物体受应力达到屈服极限s s0 0时便开始产生时便开始产生 塑性变形，即使应力不再增加，变形仍不塑性变形，即使应力不再增加，变形仍不 断增长，其变形符合库仑摩擦定律，称其断增长，其变形符合库仑摩擦定律，称其 为库仑为库仑(Coulomb)(Coulomb)体。是理想的塑性体。体。是理想的塑性体。力学模型：力学模型：本构方程：本构方程：=0，（当（当 ssss0 0时）时），（当（当s s s s0 0时）时）15三、描述流变性质的三个基本元件(2)塑性元件塑性元件 应力应变曲线应力应变曲线 模型符号：模型符号：Y 库仑体的性能：库仑体的性能：当当ssss0 0时，时，=0，低应力时无变形低应力时无变形 当当s s s s0 0时，时，达到塑性极限时达到塑性极限时 有蠕变有蠕变16三、描述流变性质的三个基本元件(3)粘性元件粘性元件 材料性质：物体在外力作用下，应力与应变速率成材料性质：物体在外力作用下，应力与应变速率成 正比，符合牛顿正比，符合牛顿(Newton)流动定律。称流动定律。称 其为牛顿流体，是理想的粘性体。其为牛顿流体，是理想的粘性体。力学模型：力学模型：本构方程：本构方程：应力应变速率曲线（见右图）应力应变速率曲线（见右图）模型符号：模型符号：N17三、描述流变性质的三个基本元件(3)粘性元件 牛顿体的性能：a.有蠕变 即有蠕变现象即有蠕变现象应变应变-时间曲线时间曲线应力与应变无关，应力应力与应变无关，应力与应变速率一一对应，与应变速率一一对应，受力瞬间不变形，随时受力瞬间不变形，随时间流逝变形趋于无限的间流逝变形趋于无限的特点特点18(3)粘性元件粘性元件 牛顿体的性能：牛顿体的性能：b.无瞬变无瞬变 c.无松弛无松弛 d.无弹性后效无弹性后效 三、描述流变性质的三个基本元件应变应变-时间曲线时间曲线19三、描述流变性质的三个基本元件(4)注意点（小结）注意点（小结）a.塑性流动与粘性流动的区别塑性流动与粘性流动的区别 当ss0时，才发生塑性流动，当s0时，就可以发生粘性流动，不需要应力超过某 一定值。b.实际岩石的流变性是复杂的实际岩石的流变性是复杂的，是三种基本元件的不同 组合的性质，不是单一元件的性质。c.粘弹性体：粘弹性体：研究应力小于屈服应力时的流变性；粘弹塑性体：粘弹塑性体：研究应力大于屈服应力时的流变性。20四、组合模型及其性质(1)串联和并联的性质串联和并联的性质 串连即两个或多个元件首尾依次相联的模型。串连即两个或多个元件首尾依次相联的模型。并联即两个或多个元件首与首、尾与尾相联的模型。并联即两个或多个元件首与首、尾与尾相联的模型。串连模型：串连模型：并联模型：并联模型：21四、组合模型及其性质(1)串联和并联的性质 22四、组合模型及其性质（2）马克斯威尔(Maxwell)体 本构方程：本构方程：由串联性质：由串联性质：=1 1=2 2模型符号：M=H-N23（2）马克斯威尔(Maxwell)体对H体：对N体：本构关系：24（2）马克斯威尔(Maxwell)体 蠕变方程当 t=0 时，突然施加代入本购方程：得积分初始条件 t=025（2）马克斯威尔(Maxwell)体 蠕变方程:蠕变曲线 等速蠕变，且不稳定26（2）马克斯威尔(Maxwell)体松弛方程松弛方程当t=0时，保持应变不变初始条件：t=0,=0 (0为瞬时应力)，得代入本构方程得到一个一阶可分离变量的微分方程积分代入上式整理得：则27（2）马克斯威尔(Maxwell)体松弛曲线28瞬变应变量（2）马克斯威尔(Maxwell)体有瞬变性有瞬变性无弹性后效无弹性后效描述岩石的特点描述岩石的特点具有瞬变性具有瞬变性有不稳定的蠕变有不稳定的蠕变有松弛有松弛有残余（永久）变形有残余（永久变形29（3）开尔文（kelvin）体模型符号：K=H|N四、组合模型及其性质30（3）开尔文（kelvin）体由并联性质：=1=2 本构方程：本构方程：对N体：对H体：本构方程31（3）开尔文（kelvin）体 蠕变方程：蠕变方程：得当 t=0 时，突然施加一阶线性微分方程初始条件：当t=0时代入本方程32（3）开尔文（kelvin）体蠕变方程：蠕变曲线：33（3）开尔文（kelvin）体初始条件 t=t1，=1卸载方程 有弹性后效：卸载时，也是如此，下面研究卸载方程如果t=t1时卸载，=0代入本构方程34（3）开尔文（kelvin）体卸载曲线35（3）开尔文（kelvin）体 无松弛无松弛代入本构方程得表明无松弛现象无瞬变性无瞬变性（显然）描述岩石的特点描述岩石的特点有稳定蠕变有稳定蠕变有弹性后效有弹性后效无松弛无松弛无瞬变性无瞬变性