2巖體的工程性質(zhì)課件

1、地下結(jié)構(gòu)設(shè)計原理與方法我能奉獻的沒有其它，只有熱血、辛勞、眼淚與汗水丘吉爾第1頁，共18頁。地下結(jié)構(gòu)設(shè)計原理與方法1.4巖石的流變特性 一、概述 彈性理論：應(yīng)力與應(yīng)變成正比，與時間無 關(guān)。 塑性理論：應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系為非線性，與時 間無關(guān)。 流變學(xué)：研究各種材料與應(yīng)力、溫度和時間 有關(guān)的實際、變形性狀和破壞性 狀。 流變性狀：與時間（或溫度）有關(guān)的變形性 狀以及破壞性狀稱為流變（流態(tài) 變形）性狀。 第2頁，共18頁。地下結(jié)構(gòu)設(shè)計原理與方法 蠕變和應(yīng)力松弛 蠕變：在常應(yīng)力作用下隨時間而緩慢增長 的應(yīng) 變。 應(yīng)力松弛：在常應(yīng)變作用下，應(yīng)力隨時間而逐 漸衰減。 瞬時彈性應(yīng)變、瞬時彈性恢復(fù)應(yīng)變、延遲恢復(fù)

2、應(yīng)變（或叫彈性后效）、永久變形 。 粘性流體 對于應(yīng)變速度與力成直線關(guān)系的流體稱為理想流 體或牛頓流體。其它都稱為非牛頓流體。 粘性是標(biāo)志一種材料遵循牛頓流體法則的流動性 狀（即變形速度與加上的剪應(yīng)力成正比）。 粘性材料：通常指具有流動性狀的材料。 第3頁，共18頁。地下結(jié)構(gòu)設(shè)計原理與方法二、簡明的流變元體 1.彈性固體，又稱胡克（Hooke)固體，（簡稱H體），用彈簧表示，應(yīng)力與應(yīng)變完全符合胡克定律。 即應(yīng)力隨時間的變化（應(yīng)力速率）與應(yīng)變 隨時間的變化（應(yīng)變速率）成正比。第4頁，共18頁。地下結(jié)構(gòu)設(shè)計原理與方法2.粘滯液體，又稱牛頓流體（簡稱N體），用粘壺 表示，由圓筒，粘滯性液體，可移 動

3、的穿孔活塞組成。液體為牛頓流 體，符合牛頓定律。 牛頓液體中的應(yīng)力 與應(yīng)變速率 間成正比關(guān)系，即 式中 粘滯系數(shù) 應(yīng)變速率， =第5頁，共18頁。地下結(jié)構(gòu)設(shè)計原理與方法如果應(yīng)力 一定（ = ），則積分有 由此式可知粘壺的特點：加上 后，不立即產(chǎn)生應(yīng)變 ，應(yīng)變 隨著時間的增大而增大，除去應(yīng)力后，應(yīng)變也不會恢復(fù)，而留下永久應(yīng)變。塑性固體，又稱圣維南（StVenant）塑性體 （簡稱StV體） 用兩塊接觸面粗糙的滑塊來表示， 當(dāng) （起始摩擦阻力）時， =0 當(dāng) 時， 為任意值，即塑性流動 滑塊的特點：塑性變形有應(yīng)力水平?jīng)Q定， 為零 或任意值，與時間無關(guān)。 第6頁，共18頁。地下結(jié)構(gòu)設(shè)計原理與方法三、

4、松弛模型，又稱馬克斯威爾（Maxwel）模型 松弛模型代表既有粘性性質(zhì)又有彈性性質(zhì)的粘彈性體。 模型：用了彈性元件和粘性元件串聯(lián)起來，即：M=H-N H為彈性固體（即虎克固體），N為粘滯液體（即牛頓液體） 本構(gòu)方程（或稱本構(gòu)關(guān)系式） H體 或 N體第7頁，共18頁。地下結(jié)構(gòu)設(shè)計原理與方法串聯(lián)時，應(yīng)力相同，總的應(yīng)變是兩者之間的和，即： 或 ， 即： 為本構(gòu)方程 蠕變方程 如在t=0時，突然施加了一個常力 ，此時模型產(chǎn)生了一個常應(yīng)變 ，則本構(gòu)方程變?yōu)椋?即 或 積分 得： 即： 第8頁，共18頁。地下結(jié)構(gòu)設(shè)計原理與方法 即： 為瞬時彈性變形 為等速蠕變 應(yīng)力松弛方程 若在t =0時，突然施加了一個

5、不變的應(yīng)力 ，此時產(chǎn)生了一個瞬時彈性變形 。若使 保持不變，則本構(gòu)方程變?yōu)椋?第9頁，共18頁。地下結(jié)構(gòu)設(shè)計原理與方法 由上式可見，當(dāng)t =0時， ；當(dāng)t = 時， =0這種模型的結(jié)構(gòu)特點，類似于均質(zhì)水平層狀巖層，如砂頁巖、灰?guī)r等軟弱巖層相間的層狀沉積巖體。第10頁，共18頁。地下結(jié)構(gòu)設(shè)計原理與方法四、延遲模型，又稱凱爾文（Kelvin）或沃伊特 (Voigt)模型 延遲模型能夠表示在應(yīng)力作用下，應(yīng)變不是立即達到彈性應(yīng)變的終值，而是有一個相對落后或滯后過程的現(xiàn)象。它所代表的物體稱為滯彈性體。 用彈性元件和粘性元件并聯(lián)組成，即： K=HN 第11頁，共18頁。地下結(jié)構(gòu)設(shè)計原理與方法 本構(gòu)方程 蠕

6、變方程 模型在加載的情況下 當(dāng)t=0時，加一力 ，則 第12頁，共18頁。地下結(jié)構(gòu)設(shè)計原理與方法 模型在卸載的情況下 當(dāng)t=0時， ，除去荷載，即 ，則本構(gòu)方程變?yōu)椋?凱爾文模型的變形機制，在地質(zhì)上相當(dāng)于直立巖層，且為平行于層面方向受力的巖體。第13頁，共18頁。地下結(jié)構(gòu)設(shè)計原理與方法五、凱爾文-沃伊特模型（又稱廣義凱爾文模型） 是一種線性粘彈性體模型，由一個彈簧與一個凱爾文模型串聯(lián)而成，又稱HK體模型，其結(jié)構(gòu)形式為：HK=H-K=H-(NH) 本構(gòu)方程 第14頁，共18頁。地下結(jié)構(gòu)設(shè)計原理與方法第15頁，共18頁。地下結(jié)構(gòu)設(shè)計原理與方法 蠕變方程 當(dāng)t=0時，加一常應(yīng)力 ，此時 t=0= = 則本構(gòu)方程為： 第16頁，共18頁。地下結(jié)構(gòu)設(shè)計原理與方法 將 、 值代入后，得 式中，當(dāng)t=0