05岩石的蠕变
岩石材料的蠕变实验及本构模型研究
岩石材料的蠕变实验及本构模型研究蠕变是指材料在一定温度和应力条件下，随着时间的推移发生的持续变形。
在地质和工程领域，岩石是一种典型的蠕变材料。
岩石的蠕变行为对工程结构的长期稳定性和可靠性具有重要影响。
因此，对岩石材料的蠕变实验及本构模型研究具有重要的理论和实际意义。
岩石材料的蠕变实验主要分为应力松弛实验和恒定应力蠕变实验两种。
应力松弛实验是通过对材料施加一定的应力后，观察材料的应力随时间的变化，以及应变随时间的变化。
这种实验常常用来研究岩石材料的蠕变速率和蠕变变形的领导指数。
恒定应力蠕变实验则是在一定的应力水平下，观察材料的应变随时间的变化，并且通过实验数据拟合来得到本构模型。
岩石材料的蠕变行为可以通过多种本构模型来描述，其中最常用的是Norton、Burgers、Power-law以及Generalized Kelvin-Voigt模型。
这些模型可以通过实验数据进行参数拟合，从而得到对应的本构关系。
这些本构关系可以用来预测岩石材料在不同应力和温度下的蠕变行为。
此外，还可以通过拟合这些本构模型的参数，来研究岩石材料的蠕变机制。
研究表明，岩石材料的蠕变行为是由多种因素共同影响的，包括温度、应力水平、孔隙水压力、孔隙率等。
因此，在进行蠕变实验时，需要对这些因素进行控制和监测，以保证实验数据的可靠性。
同时，还需要考虑到实际工程环境中的应力和温度条件，从而得到更准确的本构关系。
总之，岩石材料的蠕变实验及本构模型研究对于预测岩石在地下工程中的蠕变行为具有重要的理论和实际意义。
通过研究岩石材料的蠕变行为及其本构关系，可以为地质和工程领域提供重要的科学依据，从而保证工程结构的长期稳定性和可靠性。
岩石材料的蠕变实验及本构模型研究
岩石材料的蠕变实验及本构模型研究引言：岩石是地球上最基础的构造材料之一，其性质的研究对于地质科学以及岩土工程领域具有重要意义。
岩石在地壳中扮演着起支撑与保护作用，因此了解岩石的变形行为以及蠕变性质对于地质灾害的预测与评估具有重要的指导意义。
本文将就岩石材料的蠕变实验及本构模型研究进行详细阐述。
一、岩石材料的蠕变实验蠕变是指物质在长时间内受到持续应力下的变形现象。
岩石材料由于具有多种类型的孔隙和裂隙，因此其蠕变行为比一般材料更为复杂。
蠕变实验是研究岩石材料蠕变性质的主要手段之一，其目的是了解岩石在不同应力、不同温度和不同时间下的蠕变特性。
1.实验设备蠕变实验一般需要使用蠕变试验机，该仪器能够提供连续加载并测量样品的应力和应变，同时控制温度。
实验所需的试样通常需要根据具体需要制备。
此外，还需要一些测量设备，如蠕变计和应变测量仪等。
2.实验过程蠕变实验的过程包括准备试样、加载试样、施加应力、保持应力和测量应变等步骤。
首先，需要根据实验要求制备符合标准的试样。
然后，将试样放置在蠕变试验机上，施加适当的负载并开始加载。
在加载过程中，需要保持恒定的应力并测量试样的应变，常用的应变测量方法有外部应变计和内部传感器等。
最后，根据实验结果绘制蠕变曲线，分析蠕变行为。
本构模型是描述材料力学性质的数学模型，通过建立岩石材料的本构模型，可以预测岩石的变形行为并进行力学仿真研究。
目前常用的岩石本构模型有线性弹性模型、弹塑性模型和粘弹性模型等。
1.线性弹性模型线性弹性模型是最简单的本构模型，它假设岩石材料的应力应变关系是线性的，即满足胡克定律。
这种模型适用于小应变范围内的岩石变形，但无法描述岩石的时间依赖性和非线性特性。
2.弹塑性模型弹塑性模型考虑了岩石在加载时的弹性变形和塑性变形，常用的模型有Mohr-Coulomb模型、Drucker-Prager模型等。
这些模型能够更准确地描述岩石的变形行为，但在蠕变时间很长的情况下，塑性本构模型可能会失效。
岩石蠕变模型研究进展及若干问题探讨
0引言岩石在长时间应力、温度和差应力作用下发生永久变形不断增长的现象，叫做岩石的蠕变。
早在1939年Griggs [1]在对砂岩、泥板岩和粉砂岩等进行大量蠕变试验时就发现，当荷载达到破坏荷载的12.5%~80%时就发生蠕变，它是岩石流变力学中最主要的一种现象，也是岩土工程变形失稳的主要原因。
1980年湖北省盐池磷矿由于岩石的蠕变，160m 高，体积约100万m 3的山体突然崩塌，4层楼被抛掷对岸，造成了巨大的伤亡。
在国外岩石蠕变研究中，Okubo [2]（1991）完成了大理岩、砂岩、花岗岩和灰岩等岩石的单轴压缩试验，获得了岩石加速蠕变阶段的应变-时间曲线，结果表明蠕变应变速率与时间成反比例关系。
E.Maranini [3]（1999）对石灰岩等进行了单轴和三轴压剪蠕变试验，研究表明，石灰岩的蠕变最主要的表现在是低围压情况下的扩张、裂隙，而在高围压状态下，岩石内部则发生孔隙塌陷，得出石灰岩的蠕变对岩石主要影响是其屈服应力的降低。
Hayano K [4]（1999）等进行了沉积软岩的长期蠕变试验。
K.Shina [5]（2005）对日本的6种岩石进行了各种条件下单轴和三轴压缩，拉伸试验，统计了各种蠕变影响参数，如蠕变应力对时间的依赖性参数δ，蠕变寿命相关系数α和β等，并对其强度和蠕变寿命做了分析。
由此可见，研究和开展岩石蠕变特性的研基金项目：安徽建筑工业学院2010年度大学生科技创新基金(20101018)。
作者简介：马珂（1987—），男，安徽安庆人，硕士,主要从事岩石力学方面研究。
收稿日期：2011-05-26责任编辑：樊小舟岩石蠕变模型研究进展及若干问题探讨马珂，宛新林，贾伟风，宛传虎（安徽建筑工业学院土木工程学院，安徽合肥230022）摘要：岩石蠕变是岩土工程变形失稳的主要原因之一。
近年来蠕变研究正处于一个探索阶段，本文从四个方面综述了蠕变模型的研究进展。
研究发现，在岩石蠕变的三个阶段中利用经典本构模型均很难描述加速蠕变阶段，研究者们通过新的元件或者改进的非线性黏弹塑性本构模型可以很好的模拟岩石蠕变实际曲线；基于损伤理论的岩石蠕变模型是近年来发展的主要方向，可以很好的解决岩石微观裂纹所带来的蠕变；随着岩石深部工程的发展，岩体受到周围实际环境下的影响是不可忽略的，从而研究含水量的变化与水力和其它应力耦合下的岩石蠕变也是今后的重点。
岩石蠕变的变形机制及其地质意义
岩石蠕变的变形机制及其地质意义岩石是地壳的主要组成部分，它们在地壳运动中起着重要的作用。
岩石的变形是地质活动的重要表现形式之一，而岩石蠕变则是岩石变形的一种重要机制。
本文将探讨岩石蠕变的变形机制及其在地质研究中的意义。
一、岩石蠕变的概念和表现形式岩石蠕变是指岩石在长期作用下出现持续缓慢变形的现象。
蠕变是一种时间依赖性的现象，其发生需要较长的时间。
岩石蠕变的主要表现形式有蠕变流动、蠕变滑动和蠕变脆性破裂等。
二、岩石蠕变的机制1. 组分改变岩石蠕变过程中，岩石的成分会发生改变。
矿物的晶体结构可能发生变化，新的矿物相形成。
不同的成分改变对蠕变的机制有着重要的影响。
2. 晶体结构变化岩石蠕变过程中晶体结构会发生变化，主要是晶界运动和晶粒内的位错运动。
晶界运动是指晶界的移动和重构，而位错运动是指晶粒内部位错的滑移和传播。
3. 矿物形态变化岩石蠕变过程中，矿物的形态和组织可能会发生变化。
有些矿物会发生晶界迁移和重构，形成新的结构。
这些变化会导致岩石整体的形态和结构发生变化。
三、岩石蠕变的意义岩石蠕变在地质研究中具有重要的意义。
1. 岩石蠕变是地震活动的重要前兆之一岩石蠕变的发生会伴随着能量的积累，当岩石受到足够的应力时，就会引发地震活动。
因此，研究岩石蠕变有助于预测地震的发生，为地震灾害的防范提供科学依据。
2. 岩石蠕变对巨型工程建设有重要影响岩石蠕变的发生会导致岩石的变形和破裂，对于巨型工程建设如水坝、隧道等有着重要的影响。
因此，在工程建设中对岩石蠕变进行充分的研究和评估，对保证工程安全具有重要意义。
3. 岩石蠕变对地质资源的勘查和开发有指导意义岩石蠕变对地质矿产资源的分布和形成有重要影响。
研究岩石蠕变可以了解地壳中不同岩石中矿物形态和组织的变化规律，为地质资源的勘查和开发提供科学依据。
4. 岩石蠕变对地形变的影响岩石蠕变是地壳运动的重要表现形式之一，它对地形变化有重要的影响。
通过研究岩石蠕变，可以了解地壳的变形规律，对地质灾害的预测和防范具有重要意义。
岩石的蠕变
EFG下降，最后e 应变为零。其中EF曲线为瞬时弹性应变 之恢复曲线，
而FG曲线表示应变随时间逐渐恢复为零。 由于卸载后应力立刻消失，而应变却随时间逐渐恢复，所以应力
与应变的恢复不是同步的，即应变总是落后于应力。具有这种特性的 弹性变形称为滞弹性或弹性后效。
5.3 蠕变模型
γ
τ
γ
τ
η η
ηη 1 1
τ τ
b
b
γ
γ
η2η2
cc
γ
ττ
γ
ηη 1 1 η1
η1
γ
ττγΒιβλιοθήκη dde) e)ττ
η2 η2
γ
γ
图5-5 线性粘弹性模型及其蠕变曲线 (a)马科斯威尔模型；(b)伏埃特模型；(c)广义的马科斯威尔模型；
(d)广义的伏埃特模型；(e)鲍格斯模型
5.3 蠕变模型
1(t) A1 exp(ct)
式中，A、C均为实验常数。 第一阶段蠕变应变公式更复杂些也可采用：
1(t) A1 exp(c1t) B1 exp(c2t)
式中，A、B、C1、C2 均为实验常数。
5.2 岩石蠕变经验公式
第二阶段蠕 变经验公式有：
1 ） Nadai (1963) 提出的：
.0 exp( / 0 )
石油工程中的流变现象： 在石油钻井过程中，当钻遇盐膏层时，会发生缩径现象；油田开发过程 中，由于注水，泥页岩部位的套管会受到非均匀外载的作用等都与岩层蠕变 有关。
5.1 蠕变概念和蠕变曲线
蠕变的定义： 岩石在恒定载荷持续作用下，其变形随时间逐渐缓慢 地增长现象称为蠕变(Creep）。 应力松弛的定义： 若控制变形保持不变，应力随时间的延长而逐渐减少 的现象称松驰(Relaxation)或称应力松驰。
4.8 岩石的蠕变
1.0
0.35
0.4 0.45
9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 0 1 2
剪切位移（mm）
0.1Mpa 0.15Mpa 0.2Mpa 0.25Mpa 0.3Mpa
3 剪切历时t(d)
4
5
6
图1 试件P1剪切位移与剪切时间的关系曲线
9 8 7
剪切位移(mm)
6 5 4 3 2 1 0 0 1 2
弹性元件（弹簧）
粘性元件（阻尼器）
E
，如 G
塑性元件（摩擦片）
0 t
s时，＝0
s时，
4.8
岩石的蠕变
2 蠕变模型
2)粘性模型
或称粘性单元
这种模型完全服从牛顿粘性定律，它表示应力与 应变速率成比例，例如剪应力与剪应变速率的关系 为：
4.8
岩石的蠕变
γ
2
蠕变模型
τ
（1）马克斯威尔(Maxwell)模型： 这种模型是用弹性单元和
γ
η
γ
粘性单元串联而成，见图4-11(a)。
当剪应力骤然施加并保持为常量时， τ 变形以常速率不断发展。这个模型用 两个常数G和来描述。
τ
b
γ
a b
a b
η
τ
η 1 图4-11 线性粘弹性模型及其蠕变曲线 c
0.15Mpa 0.2Mpa 0.25Mpa 0.3Mpa 0.35Mpa
3 剪切历时t(d)
4
5
6
图2
14 12
试件P2剪切位移与剪切时间的关系曲线
0.25Mpa 0.3Mpa 0.35Mpa 0.4Mpa 0.45Mpa
岩石流变理论中的蠕变现象
Ｄａ ｍａ ｇ ｅ Ｍｏ ｄ ｅ ｌ ｆ ｏ ｒ Ｃｏ ｎ ｃ ｒ ｅ ｔ ｅ Ｍａ ｔ ｅ ｒ ｉ ａ ｌ ｓ ： Ｐ ａ ｒ ｔ Ｉ Ｉ －Ｉ ｍｐ ｌ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ
．
岩石蠕变现象通常通过蠕变试验 的曲线来 确定。图 １ 所 示 为某岩石进行 岩石 蠕变试验 的岩石蠕 变曲线示 意图。
［ ４ 】李春 旺， 孙 强． 几何相似体 应力一 应 变分布相 同时的载 荷 关 系Ⅱ 】 ． 空军工程大学 学报 （ 自然科 学版） ． ２ ０ １ １ （ ０ ２ ）
ａｎｄＡ ｐｐ１ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏｎ ｔ ｏ Ｃ ｏｎｃｒ ｅ ｔ ｅ ａｎｄ Ｒ ｅｉ ｎｆ ｏｒ ｃ ｅｄ Ｃ ｏｎｃｒ ｅｔ ｅ．
图 １ 石 蠕 变 曲线 示 意 图
Ｉ ｎ ｔ ｅ ｒ ｎ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｌ Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ｌ ａ ｏ ｆ Ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｕ ｒ ｌ ａ Ｃｈ ａ ｎ ｇ ｅ ｓ ｉ ｎ Ｓ ｏ ｌ ｉ ｄ ｓ — — Ｍｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｉ ｃ ｓ
中 ，建 筑 的 土 地 基 的 变形 可 延 续 数 十年 之 久 。 地 下 隧道 竣 工 数 十 年 后 ，仍 可 出现 蠕 变 断 裂 。 因此 ， 土 流 变性 能 和 岩 石 流 变 性
能 的研 究 日益 受 到 重视 。
【 关键词 】 岩石 ；蠕 变；流 变理论
蠕变是指材料在恒定载荷作用下 ，变形 随时间而增大的 过程 。蠕变 是 由材料 的分子 和原 子结构 的重新调 整引起 的 ， 这一过程可用延滞时 间来表征 。当卸去 载荷 时 ，材料的变形 部 分地 回复或完全地 回复 到起始状态 ，这就 是结构重新调整 的另一现象 。 材料在 恒定 应变下 ，应力随着时间 的变化而减小至某个 有 限值 ，这一过程称 为应 力松弛。这是材料 的结构重新调整 的另一种现象 。
构造地质学05第五章岩石力学性质
τｍａｘ＝ τ０ …（１）
τ０为抗剪强度极限
理论上，破裂面应沿最大剪应力面产生，形成棋 盘格式构造。剪裂角＜ ４５０？
库伦解释是岩石抗剪强度与剪应力和正应力有 关，因此将（１）式改为：
De/dt 常量
撤出应力
t0 t1 t2
t3
时间
永久应变
t4 t5
松弛——保持应变不变，应力随时间而减小。 （相当于降低了岩石的弹性极限） （1）、应力随时间减小，松弛速度急剧下降。 （2）、应力经很长时间后可趋于一极限值
实践证明：在地质上岩石能否在很长时间的极 小差异应力下不断变形，需要一定的温度和压 力条件，因为它一般发生在地壳深层或它具备 有利于蠕变之条件的地方，如某些强变形带中。
剪切 脆性
挠曲
压扁
流动 温度
韧性
熔融 围 压
岩石随P-T条件的变化而呈现 变形习性及相应的主要变形机制
显理 示想 了的 各地 构壳 造一 层段 次剖 构面 造， 样剖 式面
三．岩石变形的时间因素
在地质条件下，岩石变形是长期的，通常要 以百万年为单位，因此评价时间因素对岩石变 形的效应具有关键意义。
σｙ＝０
完全塑性材料。没
有载荷，变形继续
增大。
如果超过屈服点，继 续塑性变形，需施加 更大的应力超过屈服 应力，这个过程称应 变硬化或加工硬化。 经过一段应变硬化的 塑性变形后卸载，应 力－应变曲线回到e２ 表明总的永久变形。
应变硬化
σｙ＞０ σｙ＝０
如果将同样应力继续 加上去，应力－应变 曲线则沿以前路径回 到塑性变形Ｐ位置上 ，好像增大了弹性范 围和增高了屈服应力 （σｙ／）。因此应变 硬化可以看作屈服强 度随递进变形而连续 升高。
岩石力学考试试题
岩石力学考试试题一、选择题1. 岩石的强度是指：A. 抵抗外力破坏的能力；B. 抵抗应力引起的变形的能力；C. 抵抗应力集中的能力；D. 抵抗化学侵蚀的能力。
2. 岩石的应力是指：A. 引起岩石变形的力；B. 引起岩石破坏的力；C. 施加在岩石表面的外力；D. 施加在岩石内部的外力。
3. 岩石的变形包括：A. 弹性变形；B. 塑性变形；C. 破坏变形；D. 所有选项都正确。
4. 对于岩石的荷载承载能力来说，以下哪个因素最重要？A. 岩石的强度；B. 岩石的应力；C. 岩石的变形；D. 岩石的密度。
5. 岩石的蠕变是指：A. 岩石在长时间作用下的塑性变形；B. 岩石在受到外力瞬间作用时的弹性变形；C. 岩石在受到化学侵蚀作用时的变化；D. 岩石在受到高温和高压作用时的变形。
二、判断题判断以下说法的正误，正确的写“正确”，错误的写“错误”。
1. 岩石的强度与其含水量无关。
2. 岩石的强度与温度无关。
3. 岩石受到应力时会发生变形。
4. 岩石的蠕变是一种短期变形现象。
5. 蠕变现象只会发生在高温高压环境下。
三、填空题1. 岩石的三轴试验是一种常用的____________________方法。
2. 剪切试验可以测定岩石的____________________。
3. 岩石的变形与应力强度成____________________关系。
4. 岩石的强度是由其____________________决定的。
5. 蠕变现象会导致岩石的____________________。
四、简答题1. 解释什么是岩石的弹性模量？2. 什么是主应力与主应力差？3. 请简述岩石的破裂过程。
4. 简述岩石的蠕变现象及其影响。
五、论述题岩石力学是研究岩石的物理力学性质及其应用的学科。
岩石的强度和变形性质对于工程建设和地质灾害防治等方面具有重要意义，请结合实际案例论述岩石力学在工程建设中的应用和价值。
六、应用题某工程需要选择岩石作为基础材料，假设给出了以下岩石样本的力学参数：抗压强度100 MPa，弹性模量50 GPa，剪切强度60 MPa。
(完整版)论述题-重大-岩石力学-历年
三、论述题1、结合岩石力学与工程实际，简要叙述工程岩体结构面的基本力学属性（2003）（看ppt）结构面是指岩体中存在着的各种不同成因和不同特性的地质界面，包括物质的分界面、不连续面如节理、片理、断层、不整合面等。
其工程力学性质主要包含三个方面：法向变形、剪切变形、抗剪强度。
2、论述岩石的流变性以及蠕变变形曲线特征（2004，2006，2009）或：简要说明岩石的流变性(2005,2008)或：简要论述岩石的蠕变特征（2003）岩石的流变性：就是指岩石的应力-应变关系与时间因素有关的性质，包括蠕变、松弛与弹性后效三个方面。
蠕变：当载荷不变时，变形随着时间而增长的现象；松弛：当应变保持不变时，应力随着时间增长而减小的现象；弹性后效：当加载或卸载时，弹性应变滞后于应力的现象。
当岩石在某一较小的恒定载荷持续作用下，其变形量虽然随时间增长而有所增加，但蠕变变形的速率则随时间增长而减小，最后变形趋于一个稳定的极限值，这是稳定蠕变。
当荷载较大时，蠕变不能稳定于某一极限值，而是无限增长直到破坏。
这是不稳定蠕变，根据应变速率不同，分为以下三个阶段：(附上图)1减速蠕变阶段(ab段)：应变速率随时间增加而减小2等速蠕变阶段(bc段)：应变速率保持恒定3加速蠕变阶段(cd段)：应变速率迅速增加直到岩石破坏稳定蠕变和不稳定蠕变的临界应力为岩石的长期强度。
3、论述岩石在复杂应力状态下的破坏类型，并阐述其在工程岩体稳定性研究中的意义（2004）在关于岩石破裂的所有讨论中，破裂面的性质和描述是最重要的，出现的破裂类型可用下图中岩石在各种围压下的行为来说明。
在无围压受压条件下，观测到不规则的纵向裂缝[见图(a)]，这个普通现象的解释至今仍然不十分清楚；加中等数量的围压后，图(a)中的不规则性态便由与方向倾斜小于45度角的单一破裂面所代替[图(b)]，这是压应力条件下的典型破裂，并将其表述为剪切破坏，它的特征是沿破裂面的剪切位移，对岩石破裂进行分类的Griggs和Handin(1960)称它为断层；因为它符合地质上的断层作用，后来有许多作者追随着他们；然而，更可取的似乎是限制术语断层于地质学范围，保留术语剪切破裂于试验范围更好；如果继续增加围压，使得材料成为完全延性的，则出现剪切破裂的网格[图(c)]，并伴有个别晶体的塑性。
岩石蠕变机理与岩石工程稳定性评估
岩石蠕变机理与岩石工程稳定性评估岩石在地壳深处承受着巨大的地压力和温度变化，长时间的作用下不可避免地发生蠕变。
了解岩石蠕变机理，对于岩石工程的稳定性评估以及地下水、石油、天然气等资源的开采都具有重要意义。
本文将探讨岩石蠕变的机理与岩石工程稳定性评估的相关内容。
岩石蠕变机理是指岩石长时间下受到应力作用而发生塑性变形的过程。
岩石蠕变的主要机制包括粒间滑动、微裂纹扩展以及晶体的位错运动等。
在地质历史长河中，岩石所承受的应力会导致其内部微裂纹的发展与扩展，进而引起岩石中对象的位错运动。
这些位错运动会改变岩石的结构，使得原本坚硬的岩石变得柔软。
此外，岩石中的粒间滑动现象也会导致岩石的蠕变。
这些机制共同作用下，岩石会发生体积变化、孔隙率增加以及强度下降等变化。
岩石蠕变机理的研究对于岩石工程的稳定性评估尤为重要。
在岩石工程中，蠕变引起的岩石体积变化和强度下降可能导致结构的失稳和塌陷。
评估岩石的稳定性需要考虑到岩石的工程应力环境、蠕变产生的变形、岩石的强度特性以及时间尺度等因素。
岩石工程稳定性评估主要可以通过实验和数值模拟两种途径进行。
实验方法是评估岩石蠕变机理和岩石工程稳定性的重要手段之一。
通过在实验室条件下施加不同应力和温度的试验，可以模拟岩石所承受的工程应力环境。
通过观察岩石的变形和强度变化，可以了解岩石蠕变机理的具体过程，并对岩石的工程稳定性进行评估。
实验方法的优势在于可以直接观察和测量岩石的变形和强度特性，但其缺点在于需要耗费大量的时间和资源。
数值模拟方法是另一种评估岩石蠕变机理和岩石工程稳定性的有效手段。
数值模拟方法通过建立岩石蠕变的数学模型，并将其输入到计算机中进行计算，可以模拟岩石在不同应力和温度条件下的变形和强度变化。
数值模拟方法的优势在于可以快速得到大量的结果，并可以模拟不同的应力和温度条件。
但其缺点在于模拟结果的准确性和可靠性需要依靠模型的选择和参数的准确性。
岩石工程稳定性评估涉及到的内容非常广泛，包括岩石的力学性质、应力分布、岩石蠕变特性以及水、温度等外界因素的影响等等。
工程岩土学第五章
但弹性模量与围压的关系随岩石性质（强度） 不同而不同。
a.强度较高的岩石（如辉长岩，白云岩，苏长岩等）， 弹性模量基本为常数，不随围压变化而改变； b.强度较低的弱岩（如砂岩等），弹性模量随围压的 提高而增大。
辉长岩应力差－轴应变曲线
砂岩应力差－轴应变曲线
2.不等围压三轴状态（真三轴状态）
（σ1＞σ2 ＞ σ3 ）
岩石在真三轴状态下的变形特征资料较少，而且 对一些互相矛盾的现象还没有得到统一的解释
3.等压三轴状态（静水压力状态）
（σ1=σ2 = σ3 ） 静水压力状态可看作常规三轴状态的一 种特殊情况。岩石在各向相等的压力作用下 发生体积压缩变形，一般采用体积模量表征 岩石在静水压力下体积变形的特性。
§5.1
概述
一. 岩体的力学性质——岩体在力的作用下
所表现的性质 ①变形性—— 岩体承受力的作用而发生
包括：
变形的性能
②抗破坏性——岩体抵抗力的作用而保持
其自身完整性的性能
注意：1.岩体的变形和破坏不是两个截
然分开的阶段，而是一个统一的、连续的 过程，破坏是累进性的。 2.岩体的力学性质是由结构体（岩石） 和结构面的力学性质共同决定的，二者在岩 体力学性质中各自所占的地位，与岩体的完 整性有关。但当破坏面部分沿已有裂隙，部 分通过完整岩石时，并不能将岩石力学性质 和结构面力学性质按照它们在破坏面中各自 所占的比例简单地进行加权，用以表征岩体 的力学性质。参考《岩石力学》。
σ
B
C
A
0
εa
50 100 150 200
O 0
岩石典型的全应力－应变曲线
并非所有岩石都有以上明显的变形阶段
250 200 150
05岩石的蠕变
2
15
第21页，共22页。
B×1048 5.2 18 5.9 12 6.6 42 4.7
21
★
思考题
什么是岩石的蠕变？岩石蠕变分哪三个阶段？画出 岩石蠕变的典型曲线。
22
第22页，共22页。
第5章 岩石的蠕变
5.1 蠕变概念和蠕变曲线 5.2 岩石蠕变经验公式 5.3 蠕变模型 5.4 岩石蠕变性态的影响因素(加) 5.5 粘弹性常数的室内测定
1 第1页，共22页。
本节教学内容
蠕变的概念 蠕变曲线 岩石蠕变的经验公式
2
第2页，共22页。
本节教学目标
掌握岩石蠕变的概念
掌握典型蠕变曲线含义
5.2 岩石蠕变经验公式
４）Menzel及Schrelner(1975)经验公式
Menzel及Schrelner(1975)在杂盐岩蠕变实验中得出：
恒定应力下的经验公式为：
1
s
B
1 •
S 1
r s 1
1
• t s1
E
在恒定应变速率下的经验公式为：
1
1
s
B
1 •
S 1
r s 1
南喀1井盐层侧钻6次，损失1.2 亿；
套管变形破坏，导致油 井报废
引起固井、完井等复 杂问题
高效钻穿盐膏岩地层是油气藏开发的关键
8
第8页，共22页。
5.1 蠕变概念和蠕变曲线
二、岩石的蠕变性态的实验研究
单轴或三轴压缩蠕变实验 实验表明；在恒定载荷作用下，只要有充分长的
时间，应力低于或高于弹性极限均能产生蠕变现象。 但在不同的恒定载荷下，变形随时间增长的蠕变曲线 却有差异。
应力松弛：
第四章 岩石得蠕变
五、岩石得蠕变1、蠕变特征①岩石蠕变得概念在应力不变得情况下,岩石变形随时间t而增长得现象。
②岩石蠕变类型有两种类型:稳定型蠕变非稳定型蠕变a、稳定型蠕变:应力作用下,随时间递减,零,即,一般在较小应力或硬岩中。
b、非稳定型蠕变:岩石在恒定应力作用下,岩石变形随时间不断增长,直至破坏。
一般为软弱岩石或应力较大。
③蠕变曲线变化特征三个阶段:Ⅰ阶段:初期蠕变。
曲,属弹性变形。
Ⅱ阶段:等速蠕变。
应变－时间曲线近似直线,应变随时间呈近于等速增长。
出现塑性。
Ⅲ阶段:加速蠕变。
应变－时间曲线向上弯曲,其应变速率加快直至破坏。
应指出,并非所有得蠕变都能出现等速蠕变阶段,只有蠕变过程中结构得软化与硬化达到动平衡,蠕变速率才能保持不变。
在Ⅰ阶段,如果应力骤降到零,则－t曲线具有PQR形式,曲线从P点骤变到Q点,PQ＝为瞬时弹性变形,而后随时间慢慢退到应变为零,这时无永久变形,材料仍保持弹性。
在Ⅱ阶段,如果把应力骤降到零,则会出现永久变形,其中TU＝。
变速度变化缓慢,稳定。
应力增大时率增大。
高应力时速,蠕变速率越大,反之愈小。
岩石长期强度:指岩石由稳定蠕变转为非稳定蠕变时得应力分界值。
即,岩石在长期荷载作用下经蠕变破坏得最小应力值(或)岩石极限长期强度:指长期荷载作用下岩石得强度。
2、蠕变经验公式由于岩石蠕变包括瞬时弹性变形、初始蠕变、等速蠕变与加速蠕变,则在荷载长期作用下,岩石蠕变得变形可用经验公式表示为: ＝+++－瞬时变形;－初始蠕变;－等速蠕变;－加速蠕变。
对于前两个阶段,目前得经验公式主要有三种:①幂函数取第一阶段:;第二阶段:,＞、就是试验常数,其值取决于应力水平、材料特性以及温度条件。
②对数函数:B、D就是与应力有关得常数。
③指数函数,或A为试验常数,就是时间t得函数伊文思(Evans)对花岗岩、砂岩与板岩得研究:,C为试验常数,n=0、4; 而哈迪(Hardy)给出经验方程,,A、C为试验常数。
3、蠕变理论模型(理论公式)(1)基本模型由于岩石材料具有弹性、刚性、粘性与塑性,目前采用简单得机械模型来模拟材料得某种性状。
岩石材料的蠕变实验及本构模型研究
岩石材料的蠕变实验及本构模型研究流变学作为力学的一个分支,主要研究材料在应力、应变、温度、辐射等条件下与时间因素有关的变形规律,所涉及的内容包括蠕变、应力松弛和弹性后效等。
蠕变是影响岩体稳定性的一个重要因素。
软弱岩石在受到较低水平的应力作用时,就会产生明显的蠕变现象,如软岩巷道中的底鼓,即使是很坚硬的岩体,在高应力作用下同样会产生蠕变,从而影响到工程的功能和使用。
因此,需要对岩石材料的蠕变行为进行深入研究,力求从本质上揭示其蠕变行为的特征。
本文通过实验研究和理论分析,得到了盐岩的基本力学参数,并研究了盐岩在不同应力条件下的力学特性和蠕变行为。
以经典蠕变模型为基础,结合分数阶微积分理论,构建了一个新的蠕变模型,并利用盐岩、泥岩和煤岩的蠕变实验数据对其进行了验证。
(1)对盐岩材料进行了多组单轴和三轴压缩实验,并在每组实验中选取三个试样重复进行实验,以此来降低实验的随机性和试样个体的差异性。
结果三个试样的测试结果比较接近,此批试样的个体差异性较小。
此外,常规压缩实验的结果还表明随着围压的增大,抗压强度和最大应变会随之增大。
(2)在单轴蠕变实验中,选取了四个轴压水平来进行实验,分析了不同轴压对蠕变的影响。
当轴压水平越大时,加速蠕变阶段就会越早地出现,并且稳定蠕变应变率也会越大。
与单轴蠕变相比,当材料受到一个较小的围压作用时,其蠕变行为也会发生巨大的变化,例如蠕变应变率大幅下降、蠕变时间大幅增长、加速蠕变阶段缺失等。
(3)通过分析不同应力条件下的蠕变应变率可以发现,稳定蠕变应变率与轴压大小呈线性关系,加速蠕变应变率与轴压大小也呈现出正相关性。
此外,蠕变等时曲线表明随着时间的延长,轴压大小对蠕变的影响会越来越明显。
相反,围压会明显地降低蠕变应变率并抑制蠕变行为的发展。
(4)结合分数阶微积分理论构建了一个新的非线性蠕变模型,并利用广义塑性力学理论和张量分析理论对新模型在三轴应力状态下的蠕变方程进行了推导。
以盐岩实验数据为基础,对蠕变模型的参数进行了辨识,并验证了模型的准确性。
岩石蠕变曲线三个特征阶段
岩石蠕变曲线三个特征阶段岩石蠕变是指一种地质现象，它描述了岩石在地下长期受到地质应力作用下的变形和演化过程。
岩石蠕变曲线是用来描述这个变形过程的工具，它可以帮助我们更好地理解岩石在应力作用下的行为，并为地质学家和工程师提供重要的参考。
在岩石蠕变曲线中，我们可以分为三个主要的特征阶段：初级蠕变、次级蠕变和三次蠕变。
每个阶段都有其独特的特征和行为，一起来探讨一下吧。
1. 初级蠕变初级蠕变是岩石蠕变曲线的第一个阶段，也是最明显的阶段。
在初级蠕变阶段，岩石会迅速发生塑性变形，形成明显的蠕变曲线。
这是因为岩石受到应力后，内部的微观结构会发生变化，其晶体结构开始发生位移和滑动，导致整体的形变。
在初级蠕变阶段，岩石的应力与应变之间呈现出非线性关系。
具体来说，初级蠕变曲线呈现为一个指数增长的曲线，应力逐渐增加，岩石的变形也随之增加，但增幅逐渐减小。
这是因为在初级蠕变阶段，岩石中的微观结构发生变化的速率较快，但随着时间的推移，速率逐渐减慢。
初级蠕变还有一个重要的特征是弹性回复。
当应力移除后，岩石会部分地恢复到初始状态，这被称为弹性回复。
然而，需要注意的是，岩石在经历过初级蠕变后，弹性回复的程度会降低，这是因为岩石中的微观结构已经发生了较大的改变。
2. 次级蠕变次级蠕变是岩石蠕变曲线的第二个阶段。
在初级蠕变之后，如果还存在应力的作用，岩石将进入次级蠕变阶段。
在次级蠕变阶段，岩石的变形速率会明显降低，相对稳定地保持在一个较小的水平。
在次级蠕变阶段，岩石中的微观结构仍在发生变化，但速率较初级蠕变时要慢得多。
次级蠕变曲线呈现为一个逐渐平稳的曲线，应力和应变之间存在一个较小的线性关系。
这是因为在次级蠕变阶段，岩石中的微观结构已经部分地调整和重新排列，导致变形速率减缓。
除了变形速率的减缓外，次级蠕变还有一个特征是持续时间的延长。
相较于初级蠕变，次级蠕变可以持续更长的时间，甚至可以维持数小时、数天甚至数年，这取决于岩石的性质和应力的作用。
中国矿业大学北京 采矿工程专业 研究生考试矿山压力与岩层控制专业课考试名词解释
矿山压力0305070809支架工作阻力05071011支承压力03支架初撑力0306支架支护强度09支撑压力06岩石碎胀系数030507081113岩石残余碎胀系数1206岩体051213岩体的变形能0608101113岩体弹性变形能07原岩应力03050607081113岩石蠕变0712岩体龟裂系数07岩石的线弹性07节理迹长09格里菲斯强度理论09岩石的强度理论0813莫尔一库仑强度理论0710岩石的三轴(向)抗压强度05顶板03直接顶0813关键层060910初次来压步距030611冒落带03裂隙带05周期来压050608091013顶板破碎度101112增载系数030507091012冲击矿压03050608091013RQD指标0809101113充分采动081113非充分采动0910巷道松动圈06厚煤层11“砌体梁”11巷道松动围岩应力12地表倾斜变形12井田12近水平煤壁12长壁工作面12 矿山压力显现沿空掘巷端面距矿山压力：由于矿山开采活动的影响，在巷铜周围岩体中形成的和作用在支护物上的力定义为矿山压力。
支架工作阻力：支架受顶板压力作用而反映出来的力称为支架的阻力，又称为工作阻力。
支承压力：岩体内开挖巷道后，巷道围岩必然出现应力重新分布，一般将巷道两侧改变后的切向应力增高部分称为支承压力。
支承压力则是指在岩体中开掘巷道，在煤层内进行采煤时巷道两侧或回采工作面周围煤壁上形成的高于原岩应力的垂直集中应力。
支架初撑力：支架支设时，将活柱升起，拖住顶梁，利用升柱工具和锁紧装置使支柱对顶板产生一个主动力。
这个最初形成的主动力称为支柱的初撑力。
对于液压支架，即是泵压所形成的支柱对顶板的撑力。
支架支护强度：支架对单位面积顶板所提供的工作阻力岩石碎胀系数：岩石破碎后处于松散状态下的体积与岩石破碎前处于整体状态下的体积之比。
岩石残余碎胀系数：岩石破碎后，在自重和外加载荷的作用下逐渐压实，压实后体积与破碎前的原始体积之比。
保研采矿工程专业复试面试题目参考2
岩石力学历年考题(2013考研)一、名词解释1、矿物与岩石（2003，2009）矿物指由地质作用所形成的天然单质或化合物。
岩石是自然界各种矿物的集合体，是天然地质作用的产物，是构成岩体的基本单元。
2、地质体与岩体（2003）岩石与岩体（2004）p75地质体是指地壳内占有一定的空间和有其固有成分，并可以与周围物质相区别的地质作用的产物。
岩体是指在一定的地质条件下，含有诸如节理、裂隙、层理和断层等地质结构面的复杂地质体。
4、岩石的天然含水率（2010），岩石的比重（2010）岩石的天然含水率：天然状态下岩石中的水的质量与岩石的烘干质量的比值。
岩石的比重：岩石固体部分的重量与4摄氏度时同体积纯水重量的比值。
5、岩体完整性（龟裂）系数（2003，2006，2007，2009，2010）p110岩体完整性系数又称裂隙系数，为岩体与岩石的纵波速度平方之比，用来判断岩体中裂隙的发育程度。
(附上书上的公式）6、岩石（芯）质量指标RQD（2003，2004，2005，2006，2007，2009，2010，2011）p119 岩石质量指标（RQD）：将长度在10cm（含10cm）以上的岩芯累计长度占钻孔总长的百分比。
（附上书上公式）7、岩石的流变性（2003，2006，2010，2011）与蠕变、松弛和弹性后效（2003）p198流变性：材料应力—应变曲线关系与时间因素有关的性质，包括蠕变、松弛和弹性后效。
蠕变：应力不变时，变形随时间增加而增长的现象。
松弛：应变不变，应力随时间增加而减小的现象。
弹性后效：加载或卸载时，弹性应变滞后于应力的现象。
8、岩石的透水性与渗透系数（2003）p29岩石的透水性：岩石能被水透过的性能。
透水性的大小可用渗透系数来衡量，它主要取决于岩石中孔隙的大小，方向及相互连通情况。
渗透系数：单位水力梯度下的单位流量，它表示岩体被水透过的难易程度。
9、（岩体）结构面的裂隙度和切割度（2003）p88-89岩体裂隙度:沿取样线方向单位长度上的节理数量。
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5.2 岩石蠕变经验公式
3）Cottell(1953) 经验公式 Cottell(1953)认为蠕变变形是由于分子运动过程引
起的，应由Eying方程所控制，即：
0 exp E / RT sh( / 0 )
.
上式中，E为激活能（activation energy）；
R为气体常数；
基亚克、里海油田等。
有效开发盐膏岩下油气资源是我国石油工业发展的重大需求
7
5.1 蠕变概念和蠕变曲线
钻井井眼缩小、卡钻 南喀1井盐层侧钻6次，损失
1.2亿；
套管变形破坏，导致
油井报废
引起固井、完井等复
杂问题
高效钻穿盐膏岩地层是油气藏开发的关键
8
5.1 蠕变概念和蠕变曲线
二、岩石的蠕变性态的实验研究
单轴或三轴压缩蠕变实验 实验表明；在恒定载荷作用下，只要有充分长的 时间，应力低于或高于弹性极限均能产生蠕变现象。 但在不同的恒定载荷下，变形随时间增长的蠕变曲线 却有差异。
9
5.1 蠕变概念和蠕变曲线
典型蠕变曲线(10MPa、室温)
10
5.1 蠕变概念和蠕变曲线
p
永久应变
典型蠕变曲线的三个阶段
Barre花岗岩进行蠕变实验，发现：这些蠕变曲线与Burgers
流变模型给出的曲线相吻合。因此，提出第一阶段蠕变应变 可采用下式表示：
1 (t ) A1 exp(ct)
式中，A、C均为实验常数。 第一阶段蠕变应变公式更复杂些也可采用：
1 (t ) A1 exp(c1t ) B1 exp(c2t )
T为绝对温度。 上式已包括了温度的效应。
19
5.2 岩石蠕变经验公式
４）Menzel及Schrelner(1975)经验公式 Menzel及Schrelner(1975)在杂盐岩蠕变实验中得出：
恒定应力下的经验公式为：
E
E
1 s B
1 S 1
r s 1
t
1 s 1
第二阶段蠕变经验公式：
5.2 岩石蠕变经验公式
2）Obert及Duvall(1967)提出类似的经验公式： .
2 A
n
表5-1 蠕变实验指数( 应力单位：MPa) 岩石种类 最大应变 最大应力 指数n 0.001 351.6 1.8 板 岩 0.001 344.8 3.3 花岗岩 0.005 19.3 2.0 雪花石膏 0.007 137.9 1.7 石灰岩 0.01 29.0 1.9 岩 盐 0.00001 9.7 1.0 辉长岩 0.0002 9.7 1.0 花岗闪长岩 0.003 96.5 3.0 花岗岩 0.003 9.7 2.7 页 岩
一、岩石的流变性
流变性质：材料(岩石)的应力-应变关系与时间因 素有关的性质； 流变现象：材料的变形过程中具有时间效应的现象。
4
5.1 蠕变概念和蠕变曲线
蠕变：
岩石在恒定载荷持续作用下，其变形随时间逐渐缓慢 地增长现象称为蠕变(Creep）。
应力松弛：
若控制变形保持不变，应力随时间的延长而逐渐减少的
第5章 岩石的蠕变
5.1 蠕变概念和蠕变曲线 5.2 岩石蠕变经验公式 5.3 蠕变模型 5.4 岩石蠕变性态的影响因素(加) 5.5 粘弹性常数的室内测定
1
本节教学内容
蠕变的概念
蠕变曲线
岩石蠕变的经验公式
本节教学目标
掌握岩石蠕变的概念
掌握典型蠕变曲线含义
蠕变经验公式的意义
5.1 蠕变概念和蠕变曲线
a b logt t a b logt1 ct
0 t t1 t1 t t 2
式中：t为时间； a、b、c均为实验常数；a相当于瞬时的弹性应变； blogt为过渡蠕变变形； ct为稳定蠕变。
15
5.2 岩石蠕变经验公式
Hardy(1967)对Indiana石灰岩、Crab Orchard砂岩及
杂岩盐G
5000
2
15
4.7
21
★
思考题
什么是岩石的蠕变？岩石蠕变分哪三个阶段？画
出岩石蠕变的典型曲线。
22
16
式中，A、B、C1、C2 均为实验常数。
5.2 岩石蠕变经验公式
. 0 exp( / 0 ) . . 1）Nadai(1963) 提出： 2 0 sh( / 0 ) . n 0
其中指数n是在1-5之间变化，可由实验确定。
17
11
5.1 蠕变概念和蠕变曲线
25 15
20 18 15 12 10 50 100
12
(10-3)
10 5
石膏的蠕变曲线(在不同轴向压力下，MPa)
★
5.2 岩石蠕变经验公式
蠕变本构关系：经验公式法；模型法。
经验公式法：
(t ) Mt r (t )
13
5.2 岩石蠕变经验公式
现象称松驰(Relaxation)或称应力松驰。
弹性后效：
加载（或卸载）后经过一段时间应变才增加（或减小） 到一定数值的现象。
5
5.1 蠕变概念和蠕变曲线
中国盐膏层下主要油气田分布地区
6
5.1 蠕变概念和蠕变曲线
盐膏岩层是十分理想的石油天然气 藏的盖层；
油气藏
巨厚盐膏岩
我国主要油气后备资源约30%蕴藏在 盐膏层下，如克拉2气田、塔河油田 等； 海外油气田大多在盐膏层下，如肯
；
1 (t ) 为过渡蠕变；
2 (t )为稳定蠕变；
2
为应变率，近似为常数；
14
3 (t ) 为加速蠕变。
5.2 岩石蠕变经验公式
Griggs(1939)曾用石灰岩、页岩试件及某些矿物晶体（如 云母）逐级增加压应力，得出应变曲线。得出的曲线表明：岩
石、矿物中存在蠕变变形的三个阶段，并采用下列公式表示：
在恒定应变速率下的经验公式为：
1 s B
1 S 1
r s 1
t 1 r
1 s 1
公式中的常数E、s、r、B由表5-2 给出。
20
5.2 岩石蠕变经验公式
表5-2 杂岩盐蠕变实验常数
E （ MPa ） 杂岩盐A 杂岩盐B 杂岩盐C 杂岩盐D 杂岩盐E 杂岩盐F 600 650 4000 5000 5000 6200 s 2 2 2 2 2 2 r 15 15 15 15 15 15 B×1048 5.2 18 5.9 12 6.6 42
t 1 (t ) 1 t 1 (t1 ) 2t t 1 (t1 ) 2t 2 3 (t3 )
t
0 t t1 t1 t1 t 2 t2 t
上式中， t 为瞬时弹性应变，
/ E