【买球】岩石流变效能

[拼音]:yanshi liubian xingneng

[英文]:rheological behaviour of rocks

指岩石的蠕变、应力松弛、与时间有关的扩容,以及强度的时间效应等特性。通过研究岩石流变效能,可以分析岩石工程的长期稳定性和地学中的许多重要问题。

岩石的蠕变

岩石在恒温和恒定应力作用下,变形随时间而增大的现象。应力状态不同,岩石的蠕变特性也不同。在偏应力作用下的蠕变特性,与偏应力σd和球应力σm 的大小有关。图1为6个相同的岩石样品在温度和球应力不变以及不同恒定偏应力 (σ姈< σ娦<…<σ6)的条件下的典型蠕变曲线。曲线表示的蠕变可分为三种类型,即有限蠕变、对数蠕变和破坏蠕变。它们分别对应于三种不同应力范围。

(1)有限蠕变当施加的偏应力小于下屈服值f1时,偏应变ε随时间的变化是有限的,而且在载入过程中如果解除安装,则偏应变可以逐渐恢复到零。这种蠕变称为有限蠕变,如图1中的σ姈曲线所示。

(2)对数蠕变当施加的偏应力超过f1而小于最高屈服值f3时,则偏应变ε随时间的对数(lgt)线性增加,这种蠕变称为对数蠕变,如图中的σ娦、σ娅和σ忨曲线所示。如在载入过程中解除安装,则偏应变随时间能部分地恢复,但不能全部恢复。解除安装后,应变随时间逐渐恢复的现象称为回覆或回弹。

(3)破坏蠕变当施加的偏应力超过上屈服值f3时,偏应变ε以减速率、恒定的速率增长直至出现加速蠕变而破坏,如图中的σ

、σ

曲线所示。

f1是从有限蠕变过渡到对数蠕变的临界应力值;f3是从对数蠕变过渡到破坏蠕变的又一个临界应力值。当偏应力小于f3时,岩石是处于稳定状态的蠕变;而当偏应力超过f3时,岩石是处于非稳定状态的蠕变。因此,为了确保岩石工程的长期稳定性,若在区域性区域的偏应力超过f3,则应采取加固措施。

若增大球应力,则蠕变速度将减慢,且f1和f3值均可提高,这对增强工程稳定性是有利的。

岩石的应力松弛

在恒温和恒定应变作用下,岩石所承受的应力随时间而减小至某个有限值的现象(见流变学)。

岩石扩容

当施加于岩石上的偏应力超过岩石破坏强度σf的一半左右时,岩石的体积会随偏应力的增大而增加,这一现象叫作岩石扩容。扩容与时间有关,载入时间越长,扩容越大。这一现象叫作与时间有关的扩容。试验证明:

(1)扩容随球应力的增加而减小,但球应力值达到一定数值后,则不产生扩容。

(2)扩容的起始应力值随球应力的增加而增加(图2)。

扩容ed可用下式计算:

式中

为实测的岩石体积应变;ee为线弹性体积应变,即

,E为弹性模量,ν为泊松比,σ1、σ2、σ3分别为主应力。

岩石强度的时间效应

在恒定温度下,岩石强度随载入时间的增加而降低的现象。通过实验,可以推求工程建筑物经历长时间的岩石强度。

研究岩石的流变效能,可以建立岩石的应力-应变-时间关系,即本构关系,计算岩石的应力、应变随时间的变化;而岩石的扩容是岩石破坏的前兆,因而这一现象在工程上可用来预测岩石的破坏。

参考书目

TanTjong-Kie andKang Wen-Fa,Time Dependent Dilatancy Prior toRockfailure and Earthquakes,Proc.of 5th Int. Congr. ISRM, Australia, 1983.

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