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岩石流變性能

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岩石流變性能,指岩石的蠕變、應力鬆弛、與時間有關的擴容,以及強度的時間效應等特性。岩石在恆溫和恆定應力作用下,變形隨時間而增大的現象。

1 岩石流變性能 -岩石流變性能

 

2 岩石流變性能 -正文

  指岩石的蠕變、應力鬆弛、與時間有關的擴容,以及強度的時間效應等特性。通過研究岩石流變性能,可以分析岩石工程的長期穩定性和地學中的許多重要問題。
  岩石的蠕變 
 岩石在恆溫和恆定應力作用下,變形隨時間而增大的現象。應力狀態不同,岩石的蠕變特性也不同。在偏應力作用下的蠕變特性,與偏應力σd和球應力σm 的大小有關。圖1為6個相同的岩石樣品在溫度和球應力不變以及不同恆定偏應力 (σ姈<σ娦<…<σ6)的條件下的典型蠕變曲線。曲線表示的蠕變可分為三種類型,即有限蠕變、對數蠕變和破壞蠕變。它們分別對應於三種不同應力範圍。
  ①有限蠕變 當施加的偏應力小於下屈服值f1時,偏應變ε隨時間的變化是有限的,而且在載入過程中如果卸載,則偏應變可以逐漸恢復到零。這種蠕變稱為有限蠕變,如圖1中的σ姈曲線所示。

  ②對數蠕變 當施加的偏應力超過f1而小於最高屈服值f3時,則偏應變ε隨時間的對數(lgt)線性增加,這種蠕變稱為對數蠕變,如圖中的σ娦、σ婭和σ忨曲線所示。如在載入過程中卸載,則偏應變隨時間能部分地恢復,但不能全部恢復。卸載后,應變隨時間逐漸恢復的現象稱為回復或回彈。
  ③破壞蠕變 當施加的偏應力超過上屈服值f3時,偏應變ε以減速率、恆定的速率增長直至出現加速蠕變而破壞,如圖中的σσ曲線所示。
  f1是從有限蠕變過渡到對數蠕變的臨界應力值;f3是從對數蠕變過渡到破壞蠕變的又一個臨界應力值。當偏應力小於f3時,岩石是處於穩定狀態的蠕變;而當偏應力超過f3時,岩石是處於非穩定狀態的蠕變。因此,為了確保岩石工程的長期穩定性,若在局部區域的偏應力超過f3,則應採取加固措施。
  若增大球應力,則蠕變速度將減慢,且f1f3值均可提高,這對增強工程穩定性是有利的。
  岩石的應力鬆弛  在恆溫和恆定應變作用下,岩石所承受的應力隨時間而減小至某個有限值的現象(見流變學)。
  岩石擴容  當施加於岩石上的偏應力超過岩石破壞強度σf的一半左右時,岩石的體積會隨偏應力的增大而增加,這一現象叫作岩石擴容。擴容與時間有關,載入時間越長,擴容越大。這一現象叫作與時間有關的擴容。試驗證明:①擴容隨球應力的增加而減小,但球應力值達到一定數值后,則不產生擴容。②擴容的起始應力值隨球應力的增加而增加(圖2)。

  擴容ed可用下式計算:

式中為實測的岩石體積應變;ee為線彈性體積應變,即,E為彈性模量,ν為泊松比,σ1σ2σ3分別為主應力。
  岩石強度的時間效應  在恆定溫度下,岩石強度隨載入時間的增加而降低的現象。通過實驗,可以推求工程建築物經歷長時間的岩石強度。
  研究岩石的流變性能,可以建立岩石的應力-應變-時間關係,即本構關係,計算岩石的應力、應變隨時間的變化;而岩石的擴容是岩石破壞的前兆,因而這一現象在工程上可用來預測岩石的破壞。
  參考書目
 Tan Tjong-Kie and Kang Wen-Fa,Time Dependent Dilatancy Prior to Rockfailure and Earthquakes,Proc.of 5th Int. Congr. ISRM, Australia, 1983.

 

3 岩石流變性能 -配圖

 

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