第五章岩石的流变特性

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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。
第二阶段蠕变经验公式有: 1、Nadai(1963)提出的:
. 0 exp( / 0 ) . . 2 0 sh( / 0 ) . 0 n
第五章 岩石流变特性
第一节 基本概念
一、岩石的流变性
岩石在长期载荷作用下,应力、应变随时间而变化
的性质称为岩石流变性。
岩石是具有流变性的。李四光教授指出:“岩石的 非弹性表象,除了岩石的塑性以外,还牵涉到岩石的弹 塑性,滞弹性以及松驰现象、蠕变现象等问题,在近代, 人们把这些问题统称为流变学问题。因此,岩石是一种
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;
T为绝对温度。 上式已包括了温度的效应。
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:
的BC段。蠕变曲线近似一倾斜直线,即蠕变应变率保持常
量,一直持续到C点。 若在这一阶段中进行卸载,则应变沿曲线HIJ逐渐恢 复趋近于一渐近线,最后保留一定永久应变 p 。 (3)加速蠕变阶段
加速蠕变阶段是蠕变过程中的第三阶段:图 5-1 中
的CD 段。 这一阶段中,应变率由C点开始迅速增加,达到 D点,岩石即发生破坏。
形,应变随时间逐渐趋向一稳定值。
Chugh(1974 ) 对 Indiana 灰 岩 , Tennessee 砂 岩 及 Barre 花岗岩进行了单轴拉伸及压缩蠕变实验。对这三种 岩石的抗拉强度、抗压强度、弹性模量、泊松系数、孔隙 率、渗透性及湿度等进行了测定,如表 5-3 所示。并提出
了下面的应变公式:
二、岩石的蠕变性态的实验研究
岩石的蠕变性态可以通过单轴或三轴压缩、扭转或弯
曲等蠕变实验来进行研究。 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。
典型的蠕变曲线如图 5-1 所示。
当在岩石试件上施加一个恒定载荷时,岩石立即产 生一瞬间弹性应变e (OA段)。这种变形往往按声速完
成,可以近似认为在 t=0 完成,其应变为 e =
此时已进入到蠕变变形阶段。
/E。
若载荷保持恒定且持续作用,应变则随时间缓慢地增长,
一般可将蠕变变形分成三个阶段:过渡蠕变阶段、稳 定蠕变阶段、加速蠕变阶段。
(1)过渡蠕变阶段
过渡蠕变阶段是蠕变过程中的第一阶段:图5-1中的 AB段。
在这个阶段内,蠕变曲线为向下弯曲的形状,也就是 说曲线的斜率逐渐变小,相当于应变率处于本阶段的最小 值。这一阶段的完成时间因岩石种类、温度及应力大小而 各异,可达数小时或数千小时。 若在这一阶段之中(曲线上某一点E)进行卸载,则应
其中指数n是在1-5之间变化,可由实验确定。
2、Obert及Duvall(1967)提出类似的经验公式:
2 A
.
n
对不同的岩石,指数n可以由表5-1给出。
表5-1
岩石种类
板 岩 花岗岩 雪花石膏 石灰岩
岩 盐
蠕变实验指数( 应力单位:MPa)
最大应变
0.001
0.001
最大应力
351.6来自百度文库344.8
a b logt t a b logt1 ct
式中:t为时间;
0 t t1 t1 t t 2
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。
上式中采用对数形式表示第一阶段蠕变,但当t→0时, 过渡蠕变的应变率
蠕变的应变率。
表5-4 实验常数(应力单位:MPa)
岩石 种类 沙岩 沙岩 砂岩 砂岩 砂岩 花岗岩 花岗岩 花岗岩 花岗岩 花岗岩 石灰岩 石灰岩 石灰岩 石灰岩 石灰岩 石灰岩 石灰岩 应力 1.4 2.2 2.9 单轴拉伸 A(10-6) B10-6 0.67 1.08 1.33 8.91 14.02 22.44 C(10-6) 应力 64.7 87.7 122 131 142.5 80 92.4 149.2 183.9 194.4 44.1 49.5 54.8 60.2 单轴压缩 A(10-6) B10-6 0.212 0.182 0.161 0.189 0.164 0.103 0.096 0.089 0.082 0.076 0.185 0.192 0.188 0.182 20.37 17.45 19.37 32.04 30.09 1.81 3.39 3.41 4.42 4.42 4.31 6.51 8.16 14.15 C(10-6)
(t ) A B logt ct
表5-3 三种岩石的物理力学性质
石灰岩 单轴抗拉强 拉伸弹性模 5.17~5.52 33 砂 岩 5.9~6.2 10.3 花岗岩 8.3~9.0 47.6
拉伸泊松比
单轴抗压强 压缩弹性模 压缩泊松比
0.27
48.3~75.8 36 0.3
0.09
s
2 2 2 2 2
r
15 15 15 15 15
B×1048 5.2 18 5.9 12 6.6
杂岩盐F
杂岩盐G
6200
5000
2
2
15
15
42
4.7
第三节 岩石蠕变性态的影响因素
岩石的蠕变性态受到一系列因素的影响,例如应力大
小、性质、围压、周期性载荷、温度、湿度以及岩石的结
构等等。 一、应力对岩石蠕变性态的影响 Griggs (1940) 详 细 测 量 了 浸 入 水 中 雪 花 石 膏 及 Solenhofen石灰岩在不同载荷下的蠕变变形,其实验所得 的曲线如图5-2所示。 作用于雪花石膏上的应力越大,则第二阶段稳定蠕变
/E
1 (t ) 为过渡蠕变;
2 (t ) 为稳定蠕变; 2 为应变率,近似为常数; 3 (t )为加速蠕变。
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:
具有流变性的物体”。
野外所观察的构造形迹是在漫长的地质年代中在长时 期载荷作用下(包括温度、围压等因素),逐渐发展形成
的。遗留的这些痕迹实际上就是地块中流变性的表象。
有些在特定条件下的岩体,如破碎带、软弱夹层、断 层、充填着粘土质的裂隙以及边坡等,在现今构造应力或 自重作用下,随着时间的增长亦会产生显著的蠕变现象。 石油工程中的流变现象:
124~138 36 0.2
0.11
200~214 72.4 0.22
孔隙度
渗透度(达) 湿度(%)
17.2
5.210~2 0.02
6.7
3.710-4 0.50
0.7
5.010-6 0.32
从表5-3中还可以看出,砂岩拉伸时的弹性模量、 泊松系数与压缩时的相差很大。而拉伸时,弹性模量由 于应力加大而减小,但压缩时却增大。 对石灰岩、砂岩及花岗岩在不同应力下确定了系数 A、B、C,如表5-4所示。 上式中的A相当于瞬间弹性变形部分弹性模量的倒 数,而Blogt相当于过渡蠕变阶段的应变,C相当于稳定

为恒定剪应力;
G 为剪切模量; t 为时间(秒); q、a 为实验常数,且a>1。
Hardy(1967)对Indiana石灰岩、Crab Orchard砂岩及
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)
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。
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。
19.3
指数n
1.8 3.3 2.0 1.7
0.005 0.007
0.01
0.00001
137.9 29.0
1.9
1.0
辉长岩
9.7
9.7
花岗闪长岩 花岗岩
页 岩
0.0002
1.0 3.0
2.7
0.003
0.003
96.5
9.7
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
这一阶段完成时间较短,严格地说,这一阶段可分为两
个区间: a.发育着延性变形但尚未引起破坏的阶段(CP段); b.微裂隙剧烈发展导致变形剧增和引起破坏的阶段(PD 段)。
任何一个蠕变变形阶段的持续时间,都取决于岩石类型、
载荷值及温度等因素。同一种岩石,其载荷值越大,在第二 阶段持续的时间也越短,第三阶段破坏出现也就越快。 在载荷很大的情况下,几乎加载之后立即产生破坏。 一般中等载荷,所有的三个蠕变变形阶段表现得十分明显。


E
1 s B
1 S 1

r s 1
t
1 s 1
在恒定应变速率下的经验公式为:


E
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。
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 600 650 4000 5000 5000
典型蠕变变形(图5-1)可采用下式表示:
1 (t ) e 1 1 (t1 ) 2t e (t ) t (t ) 1 1 2 2 3 3
e
0 t t1 t1 t1 t2 t2 t

上式中, e为瞬时弹性应变, e
(t)趋近于无限大,为了克服这一缺点, 1
Lomnitz (1956 )对花岗岩及辉长岩进行恒定扭转蠕变实验:
试件采用45.72cm长,2.22cm直径的圆柱岩石试件,在室温
及通常大气压下进行实验。结果得到下列公式:
(t )

G
1 q log(1 at )
式中, (t ) 为剪应变(弧度);
3.6 5.3
6.1 6.8 7.6 8.4 1.4 2.1 2.8 3.6 4.3 5.0 5.7
0.163 0.161 0.157 0.142 0.228 0.225 0.227 0.215 0.215 0.230 0.204
1.33 1.40 1.68 2.39
0.9 3.3
0.6 1.3
0.73
变形持续的时间越短。很快出现第三阶段即蠕变变形加速
而产生破坏的阶段(如应力为25MPa及20.5MPa的曲线)。 若应力为30MPa时,几乎不出现第二阶段蠕变变形,立即 过渡到第三阶段蠕变变形而产生破坏。
图5-2
雪花石膏在不同应力水平下的蠕变曲线
呈反S形的蠕变曲线(没有第二蠕变阶段)只能在中等 应力下产生(如应力为18.1MPa及15. MPa曲线)。 若应力偏小(如l0MPa),则不出现第三阶段的蠕变变
变沿着曲线EFG下降,最后应变为零。其中EF曲线为瞬时弹
性应变 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

e
之恢复曲线,而FG曲线表示应变随时间逐渐恢复
力。具有这种特性的弹性变形称为滞弹性或弹性后效。
(2)稳定蠕变阶段 稳定蠕变阶段是蠕变过程中的第二阶段:图 5-1 中
1.05 0.66 1.54
在不考虑其它因素影响的前提下,若岩体中的应力小
于蠕变极限应力,随着时间的延长不会产生破坏;
若岩体中的应力等于或大于蠕变极限应力,岩体由于 蠕变变形会导致破坏。 极限应力随着载荷大小、性质、岩石种类及物理环境 的变化而改变。
第二节
矿物、岩石的蠕变经验公式
描述蠕变本构关系的方法有两种,一是经验公式法, 二是模型法。 本节介绍经验公式法,模型法在第三节中介绍。
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