单轴压缩下岩石蠕变失稳破坏过程数值模拟

第28卷第9期 岩 土 力 学 V ol.28 No.9 2007年9月 Rock and Soil Mechanics Sep. 2007

收稿日期：2005-09-26 修改稿收到日期：2006-02-08

基金项目: 国家自然科学基金项目（No.50504003, 40638040），中国博士后科学基金（No.20060390985），中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学重点实验室开放课题（No.Z110603），地质灾害防治与地质环境保护国家专业实验室开放基金(No.GZ2006-06)。

作者简介：李连崇，男，1978年生，博士，讲师，主要从事岩石损伤破裂失稳及多场耦合的数值模拟方面的研究。E-mail:li-lianchong@https://www.wendangku.net/doc/874868172.html,

文章编号：1000－7598－(2007) 09－1978－06

单轴压缩下岩石蠕变失稳破坏过程数值模拟

李连崇1，徐 涛1- 3，唐春安1，朱立凯4

（1.大连理工大学 土木水利工程学院，大连 116024； 2.大连大学 材料破坏力学数值试验研究中心，大连 116622；

3.中国科学院岩土力学重点实验室，武汉 430071；

4. 煤炭科学研究总院抚顺分院，抚顺 113001）

摘 要：在岩石破裂过程分析（RFPA 2D ）系统的基础上，考虑岩石损伤过程的时间因素影响，引入岩石细观单元蠕变本构方程，建立了考虑流变效应的岩石破裂过程RFPA 2D 数值模型。应用该模型模拟了恒定荷载作用下岩石的蠕变破坏过程，得到了岩石蠕变破裂的3个典型阶段：初始蠕变阶段、稳定蠕变阶段和加速蠕变阶段，模拟结果同实验室试验所观察到的现象十分吻合。这表明考虑流变效应的RFPA 2D 数值模型适用于模拟岩石的蠕变破坏这一复杂的、非线性演化问题。此外，数值模拟还揭示了岩石的宏观蠕变破坏实质上是细观层次上单元损伤累计的结果，这些结论对岩石工程的长期稳定性研究具有重要的理论指导和实践意义。

关 键 词：岩石；破裂过程；蠕变；单轴压缩；数值模拟 中图分类号：TU 452 文献标识码：A

Numerical simulation of creep induced progressive failure

process of rock under uniaxial compression

LI Lian-chong 1, XU Tao 1- 3, TANG Chun-an 1, ZHU Li-kai 4

（1. School of Civil and Hydraulic Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China; 2. Center for Material Failure Modelling Research, Dalian University, Dalian 116622, China; 3. Key Laboratory of Rock and Soil Mechanics, Chinese Academy of Sciences,

Wuhan 430071, China; 4. Fushun Branch of China Coal Research Institute, Fushun 113001, China)

Abstract ：On the basis of rock failure process analysis （RFPA ）code, together with the time-dependence of the rock progressive damage and the creep constitutive relation of the characteristic elements at a mesoscopic scale, the rheological model of rock in the failure process under loading is further developed. Using the further developed RFPA code, the progressive creep failure of rock specimens under constant loading was numerically simulated and the typical time-dependent deformations: the transient creep, the steady-state creep and the accelerating creep were also represented. The fact that the simulations are well tallied with the observations in laboratory shows that the rheological model is appropriate to investigate the nonlinear complicated creep failure of rocks. The numerical simulations indicate that the macroscopic creep failure is induced by clusters of microfracturing at a meso scale. The above numerical results offer us some important theoretical indications and practical instructions to further investigate the instability failure mechanisms of engineering rockmass and take some precautions to prevent their occurrences of rock hazards in rock engineering. Key words ：rock; failure process; creep; uniaxial compression; numerical simulation

1 引 言

岩石的蠕变性是岩石的重要力学特性之一，很多岩石工程，如能源储存及高放射废物处置的地下洞室、岩石边坡、岩基等的长期不稳定破坏都与岩石蠕变性有密切关系，这些岩石工程的长期稳定性

问题一直以来是人们关注的焦点[1-3]。此外，煤矿开采过程中发生煤与瓦斯的延期突出，也是与煤岩体蠕变变形破坏密切相关的时间效应问题[4,5]，延期突出由于它的突发性而具有严重的危害。因此，开展岩石蠕变特性的研究具有重要的理论和实践意义。人们对岩石蠕变特性的研究多采用理论分析和试

第9期 李连崇等：单轴压缩下岩石蠕变失稳破坏过程数值模拟

验研究的方法[6-12]，并为此付出了巨大的努力。然而，理论分析所建立的岩石蠕变特性方程通常含有较多的不易测定的参数，这使得这些理论成果的应用受到较大的限制；室内试验是进行岩石蠕变特性研究的一个重要手段，但蠕变试验因周期长、工作量大，需要耗费较大的人力和物力，限制了这一研究方法的进一步应用。近年来，随着计算机技术的发展，数值方法已成为岩石蠕变特性分析的有力手 段[13

，14]

。

本文在原有的岩石破裂过程分析（RFPA 2D ）系统的基础上，考虑岩石损伤过程的时间因素影响，引入岩石细观单元蠕变本构方程，进一步发展了考虑流变效应的RFPA

2D

数值模型，并利用该模型对

岩石在恒定载荷作用下岩石的蠕变破坏进行数值试验研究。通过这些研究，以期揭示岩石蠕变破坏的本质，并对一些岩石工程的长期稳定性问题等的研究提供一些参考依据和理论指导。

2 岩石蠕变失稳破裂过程模型

2.1 岩石细观单元弹性本构方程

本文从细观层次上来分析岩石试样的破坏过程，将岩石试样划分成一定尺度的正方体单元，其单元尺度能够反映或者基本反映出岩石的细观特征，这些单元采用具有残余强度的弹-脆性本构模型（如图1），即单元在应力作用下发生弹性变形。在单元达到破坏准则之前，单元保持线弹性的力学性质；当单元达到破坏准则后，单元发生破坏，但仍具有一定的残余强度，可将单元看成是具有残余强度，并随变形增加而弹性模量逐渐降低的弱化单元。弱化单元的弹性模量由下式表达：

0(1)E D E =?

（1）

式中：D 为弱化变量；E 0和E 分别为初始单元的弹性模量和弱化单元的弹性模量。

在本文模型中，假设计算中的压应力为正，拉应力为负。细观单元在应力的作用下可能发生两种形式的破坏：剪切破坏和拉伸破坏，即在压缩（或剪切）应力作用下发生剪切破坏；在拉伸应力作用下发生拉伸破坏，相应的破坏准则分别为带拉伸截断的摩尔-库仑准则[15]（见式（2））和最大拉应力准则（见式（3））。

13c 1sin 1sin f φ

σσφ

+??≥ （2）

3t f σ?≤ （3）

式中：φ为内摩擦角；f c 为单轴抗压强度；t f 为单轴抗拉强度。

图1 细观单元弹性本构模型

Fig.1 Elastic constitutive law for characteristic element

与此相对应，细观单元在压缩（或剪切）和拉伸应力状态下的弱化变量D 分别表示为

00c cr

c r 00

()1 ()

≤ （4） 0

u 0u t tr t t 0t 011f D E εεεεεεεε?>??

=?

≤≤ （5） 式中：f cr 为抗压残余强度；f tr 为抗拉残余强度；0c ε为最大压应变；0t ε为最大拉应变；u t ε为极限拉应变；r ε为残余应变。

同时，考虑到脆性材料的抗拉强度一般远低于其抗压强度，所以模型中拉伸准则具有优先权，若细观单元满足拉伸准则，则不需要再判断该单元是否满足摩尔-库仑准则。只有未满足拉伸准则的单元，才判定其是否满足摩尔-库仑准则。 2.2 岩石细观单元蠕变本构方程

在一般情况下，当载荷达到岩石瞬时强度0

σ（通常指岩石单轴抗压强度）时，岩石发生破坏。在岩石承受荷载低于其瞬时强度的情况下，如持续作用较长时间，由于流变作用，岩石也可能发生破坏。因此，岩石的强度是随外载荷作用时间的延长而降低，通常把作用时间t →∞的强度（最低值）σ∞称之为岩石的长期强度。岩石长期强度是一种极有意义的时间效应指标。当衡量永久性及使用期长的岩石工程的稳定性时，不应以瞬时强度而是以长期强度作为岩石强度的计算指标。

在RFPA 2D 模型中，考虑岩石的长期强度效应，并借鉴瞬时与长期强度这一概念，从细观角度引入了岩石细观单元蠕变本构方程[16]（如图2所示）

： 0()exp()Bt σσσσ∞∞=+?? （6）

岩 土 力 学 2007年

式中：0σ为岩石材料细观单元体的瞬时抗压强度；

σ∞为岩石材料细观单元体的长期强度；B 为由试验

确定的岩石细观单元强度衰减系数。

图2 岩石细观单元蠕变本构关系曲线

Fig. 2 Creep constitutive relation of chrematistic elements

此外，研究表明，岩石弹性模量同岩石强度一样具有时间效应，而且它们的变化规律具有相似性，都随时间的延长而降低[17]。因此，在RFPA 2D 模型中，假定岩石的弹性模量也服从式（6）的变化规律。

3 蠕变破坏过程模拟

3.1 数值模型

如前所述，岩石的蠕变特性研究具有重要的理论和实践意义。在岩石工程中除开展常规的岩石力学参数测试外，还要进行岩石蠕变参数的测试。岩石蠕变试验有多种方法，最常见的有单轴压缩、三轴和剪切蠕变试验等。在工程实际应用中，为了在不太长的时间内通过试验确定岩石的蠕变强度和蠕变参数，大多选择简单易行、能满足工程需要的单轴压缩蠕变试验。在此应用RFPA 对岩石试样进行单轴压缩载荷作用下蠕变损伤破坏过程的数值模拟研究，以期了解蠕变损伤破坏的机制及本质，并对岩石工程的长期稳定性的预测预报提供一些理论指导。

数值模型采用二维平面应力模型，试样尺寸

100 mm×50 mm ，模型划分为200×100个单元（如图（3a ）

）。为了确定压缩蠕变强度与瞬时强度的关系，进行了常规的单轴压缩强度试验，其材料力学参数见表1。模拟过程中在垂直方向对试样施加均布恒定载荷F （大约为其抗压强度的70 %），其值由0逐渐增加到30 MPa ，然后固定保持轴压不变（如图3（b ）所示）。 3.2 模拟结果

图4、图5分别为岩石试样在长时载荷作用下蠕变损伤破坏过程中剪应力场的演化以及对应的

声发射演化过程图。由图可见，岩石试样在长时恒定载荷作用下的变形破坏，实际上是试样内部细观单元损伤的结果，这种损伤可称为蠕变损伤。

(a) (b)

图3 数值模型及模拟长时载荷-时间曲线 Fig.3 Numerical model and numerical

long-term load curve

表1 数值模型参数 Table1 Parameters of numerical model

参数 参数值 参数 参数值 均质度m 2 残余强度系数ξ 0.1 弹性模量均值E 0 / GPa 50 最大拉应变系数 1.5 抗压强度均值σ0 / MPa

200

最大压应变系数 200

摩擦角φ/（°） 30 强度衰减系数B 0.1 压拉比C /T 10 长期强度与瞬时强度的比值0.6 泊松比μ 0.25

图4 数值模拟的试样蠕变破坏过程 Fig. 4 Numerically simulated creep failure

process of model specimen

图5 试样蠕变破坏过程中的声发射

Fig. 5 Numerically simulated AE in creep failure process

图6为数值模拟的岩石试样的典型流变全过程应变-时间曲线。

模拟结果很好地再现了岩石试样流荷载 /M P a

第9期李连崇等：单轴压缩下岩石蠕变失稳破坏过程数值模拟

变破坏的3个典型阶段，即初始蠕变阶段、稳定蠕

变阶段和加速蠕变阶段。数值模拟结果与试验结果

表现出较好的一致性[5]。图7为数值模拟的岩石试

样在常应力作用下蠕变损伤产生的声发射特性曲

线。对照图5和图7可以发现，试样在受到长期载

荷的初期，由于试样在较短的时间内受到一个较大

的长期恒定荷载，在此瞬时产生较多的声发射（损

伤）；其后，随着时间的延长，内部的损伤演化逐

渐减弱，其应变率的演化基本保持稳定。随着岩石

试样强度等力学性质的进一步弱化，在第10 d，岩

石试样内部的细观单元大量拉伸损伤，变形急剧增

加，对应的应变率演化也急剧增大，岩石内部形成

贯通性裂纹并最终导致岩石试样失稳破坏。

Fig.6 Numerically simulated change

curves of strain with time

Fig. 7 Numerically simulated AE evolution curve

此外，同一岩石试样在不同的应力水平下会表

现出不同的蠕变特性。为研究不同应力水平作用下

岩石的蠕变-变形规律，现对另一数值试样分别进行

了不同应力水平下的数值试验，施加的恒定应力大

小分别为试样瞬时单轴抗压强度的72 %，65 %，

55 %，48 %。图8为数值模拟的蠕变特性曲线和对

应的声发射特性曲线。

图9为不同应力水平下数值模拟的蠕变-变形

曲线。从图中可以明显地看出，无论在高应力还是

在较低的应力水平下，在初期蠕变阶段，由于瞬时

压缩造成较多的弱单元发生损伤破坏，有较强的弹

性能释放，随时间推移，声发射逐渐减小，岩石试

样开始趋于硬化阶段。当蠕变进入稳态蠕变阶段，

声发射一直保持在一个较低的水平，没有明显的损

伤出现。在较低的应力水平下，内部结构的细观损

伤积累，还不能导致试样的宏观破坏，因此，逐渐

趋于稳定状态；在较高的应力水平下，试样的宏观

力学特性逐步劣化。细观损伤积累到一定程度，试

样的宏观力学特性以加速蠕变的形式表现出来，声

发射次数明显增多，加速蠕变阶段开始。

时间/d

(a) 应力水平为72 %

时间/d

(b) 应力水平为65 %

时间/d

(c) 应力水平为55 %

时间/d

(d) 应力水平为48 %

图8 蠕变曲线与对应的声发射特性曲线

Fig.8 Numerically obtained creep curve

and AE sequence curves

上述内容只是对岩石试样在常应力作用下的

蠕变破坏过程进行了初步的数值模拟，但本文所采

用的从岩石细观损伤演化过程的角度（即岩石强度

和弹性模量都随时间的延长发生损伤）来揭示岩石

蠕变破坏的研究方法，对于从细观力学的更高层次

上解释荷载作用下岩石渐进破坏过程的流变稳定性问题（如岩石边坡的失稳破坏、煤矿开采过程中自行冲破石门的延期突出）等无疑具有重要的指导意义，同时为推动采矿、水利等岩石工程在复杂应力作用下岩石的动态稳定性研究及失稳预测预报提供了一个可能的途径。

图9 同一试样不同应力水平下的蠕变特征

Fig.9 Numerically obtained creep deformation

curves at different stress levels

4结论

（1）在岩石破裂过程分析RFPA2D系统的基础上，考虑岩石损伤过程的时间因素影响，引入岩石细观单元蠕变特性方程，建立了考虑流变效应的岩石破裂过程作用RFPA2D数值模型。

（2）利用该模型对恒定荷载作用下岩石的蠕变破坏过程进行了数值模拟研究，数值模拟得到了岩石蠕变破裂的典型3个阶段：初始蠕变、稳定蠕变和加速蠕变阶段，模拟结果揭示了岩石宏观蠕变破坏实质上是细观层次上单元损伤累计的结果。（3）在RFPA2D中，尽管细观单元采用了弹脆性本构关系及简单的破坏准则，但数值模拟结果表明，模拟试样在恒定荷载作用下的宏观蠕变破坏是大量细观单元损伤累积的结果，模拟结果同室内试验所观察到的试验现象十分吻合，这表明RFPA2D 系统所采用的细观单元性质演化规则是适用于模拟岩石类材料的蠕变破坏这一复杂的、非线性演化问题。这对于揭示岩石蠕变的本质并对岩石工程的长期稳定性分析研究具有重要的理论指导和实践意义。

参考文献

[1] 徐平，夏熙伦. 三峡工程花岗岩蠕变特性试验研究[J].

岩土工程学报，1996，18（4）：63－67.

XU Ping, XIA Xi-lun. Experimental study of creep characteristics of granite in Three Georges Project[J].

Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 1996，18

（4）：63－67.

[2] Malan D F. Time-dependent behaviour of deep level

tabular excavations in hard rock[J]. Rock Mechanics and

Rock Engineering, 1999, 32 (2): 123－155.

[3] YANG T H, XU T, Rui R Q, et al. Deformation

mechanism of bedding creep slope and associated stability

assessments[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 2004，41(3) : 525. [4] Pricf N J. A study of time-strain behavior of coal-measure

rocks. [J]. International Journal of Rock Mechanics

and Mining Sciences & Geomechanics Abstracts, 1964,

1(2):277－303.

[5] 曹树刚，鲜学福. 煤岩蠕变损伤特性的实验研究[J]. 岩

石力学与工程学报，2001，20（6）：817－821.

CAO Shu-gang, XIAN Xue-fu. Testing study on the

characteristics of creep and damage of coal and other

rocks[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2001, 20(6): 817－821.

[6] Boukharov G N, Chanda M W, Boukharov N G. The three

processes of brittle crystalline rock creep [J].

International Journal of Rock Mechanics and Mining

Sciences, 1995, 32(4): 325－335.

[7] Jin J S, Cristescu N D. An elastic viscoplastic model for

transient creep of rock salt[J]. International Journal of

Plasticity, 1998, 14(1－3): 85－107.

[8] Maranini E, Brignoli M. Creep behaviour of a weak rock:

experimental characterization[J]. International Journal

of Rock Mechanics and Mining Sciences, 1999, 36

(2):127－138.

[9] YANG Chun-he, Daemena J J K, YIN Jian-hua.

Experimental investigation of creep behavior of salt rock[J]. International Journal of Rock Mechanics and

Mining Sciences, 1999, 36 (2): 233－242.

[10] LI Yong-shen, XIA Cai-chu. Time-dependent tests on

intact rocks in uniaxial compression[J]. International

Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 2000,

37(3): 467－475.

[11] 徐卫亚，杨圣奇，杨松林，等.绿片岩三轴流变力学

特性的研究(I)：试验结果[J]. 岩土力学，2005, 26(4) :531

－537.

XU Wei-ya, YANG Sheng-qi, XU Shou-yi, et al.

Investigation on triaxial rheological mechanical properties

of green schist specimen (I): experimental results[J]. Rock

and Soil Mechanics, 2005, 26(5):531－537.

[12] 徐卫亚，杨圣奇，谢守益，等. 绿片岩三轴流变力学特

性的研究(I)：模型分析[J]. 岩土力学，2005, 26(5): 693

－698

XU Wei-ya, YANG Sheng-qi, XU Shou-yi, et al.

下转第1986页

参数，能与试验结果很好地拟合，比开尔文模型要

精确得多，并且能够反映应力松弛现象。当然，分

数导数开尔文固体模型还可以与其他弹簧、黏壶、

摩擦件等元件进行串联和并联，并将软土的塑性考

虑进去。本文旨在提出用分数导数微积分来描述软

土的流变本构关系这一独特的新思路，为岩土工程

界同行提供有益的参考。

致谢：感谢暨南大学力学与土木工程系陈晓平教授、朱

鸿鹄博士的指导和帮助！

参考文献

[1] 陈宗基. 固结及时间效应的单维问题[J]. 土木工程学

报, 1958, 5(1): 1－10.

CHEN Zong-ji. One-dimensional problem with consolidation and time efficiency[J].China Civil Engineering Journal, 1958, 5(1): 1－10.

[2] 赵维炳, 施健勇. 软土固结与流变[M]. 南京：河海大学

出版社, 1997. 200－214.

[3] 龚晓南. 高等土力学[M]. 杭州：浙江大学出版社, 1996.

[4] 詹美礼, 钱家欢, 陈绪禄. 软土流变特性试验及流变模

型[J]. 岩土工程学报, 1993, 15(3): 54－62.

ZHAN Mei-li，QIAN Jia-huan，CHEN Xu-lu. Tests on rheological behavior of soft soil and rheologic

model[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering,

1993, 15(3): 54－62.

[5] 赵维炳, 詹美礼, 顾吉. 软黏土黏弹-黏塑性模型及参

数确定[A].中国青年学者岩土工程力学及其应用讨论

会论文集[C].北京: 科学出版社, 1994.

[6] 余志顽, 赵维炳, 顾吉. 黏弹-黏塑性软基排水预压的

三维有限元分析[J].河海大学学报, 1995, 23(5): 1－7.

YU Zhi-wan, ZHAO Wei-bing, GU Jie. 3-D FEM

analysis of Soft viscoelastic /viscoplastic foundation with

drainage preloading[J]. Journal of Hohai University,

1995, 23(5): 1－7.

[7] 陈晓平, 白世伟. 软土蠕变-固结特性及计算模型研究

[J].岩石力学与工程学报, 2003, 22(5): 728－734.

CHEN Xiao-ping, BAI Shi-wei. Research on

creep-consolidation characteristics and calculating model

of soft soil[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and

Engineering, 2003, 22(5): 728－734.

[8] Yin J H, Graham J. Viscous-elastic-plastic modeling of

one-dimensional time-dependent behavior of clays[J].

Canadian Geotechnical Journal, 1989, 26: 199－209.

[9] Yin J H, Graham J. Equivalent times and elastic

visco-plastic modeling of time-dependent stress-strain

behavior of clays[J].Canadian Geotechnical Journal,

1994, 31: 42－52.

[10] Yin J H, Graham J. Elastic visco-plastic modeling of

one-dimensional consolidation [J]. Geotechnique, 1996,

46(3): 515－527.

[11] 张为民.一种采用分数阶导数的新流变模型理论[J].湘

潭大学自然科学学报，2001，23(1)：30－35.

ZHANG Wei-min. A new rheological model theory

with fractional order derivatives[J]. Natural Science

Journal of Xiangtan University,2001，23(1)：30－35.

[12] SHIMIZU Nobuyuki，ZHANG Wei. Fractional calculus

approach to dynamic problem of viscoelastic materials

[J].JSME International Journal,1999,1(42):827－830.

[13] Koeller R.C. ‘Applications of fractional calculus to the

theory of viscoelasticity’ transactions of the ASME[J].

Journal of Applied Mechanics,1984, 51: 299－307.

[14] 何平笙.高聚物的力学性能[M].合肥：中国科学技术大

学出版社，1997.

上接第1982页

Investigation on triaxial rheological mechanical properties of green schist specimen (II): model analysis[J]. Rock and Soil Mechanics, 2005, 26(5):693

－698.

[13] SHAO J F, ZHU Q Z, SU K. Modeling of creep in rock

materials in terms of material degradation[J].

Computers and Geotechnics, 2003, 30(7): 549－555.

[14] Dahou A, Shao J F, Bederiat M. Experimental and

numerical investigations on transient creep of porous

chalk[J]. Mechanics of Materials, 1995, 21(1):147－

158.

[15] 徐涛，唐春安，王善勇，等. 裂纹连续度对非均质

材料中雁行裂纹扩展的影响[J]. 东北大学学报，

2004，25（2）：167－170.

XU Tao, TAHG Chun-an, WANG Shan-yong, et al.

Influence of crack continuity on propagation of an echelon cracks in heterogeneous materials [J]. Journal

of Northeastern University, 2004, 25(2): 167－170.

[16] 蔡美峰，何满潮，刘东燕. 岩石力学与岩石工程[M].

北京：科学出版社，2000.

[17] 许宏发. 软岩强度和弹模的时间效应研究[J].岩石

力学与工程学报，1997，16（3）：246－251.

XU Hong-fa. Time dependent behaviors of strength and elasticity modulus of weak rock[J]. Chinese

Journal of Rock Mechanics and Engineering, 1997,

16(3)：246－251.

单轴压缩下岩石蠕变失稳破坏过程数值模拟

作者：李连崇， 徐涛， 唐春安， 朱立凯， LI Lian-chong， XU Tao， TANG Chun-an， ZHU Li-kai

作者单位：李连崇,唐春安,LI Lian-chong,TANG Chun-an(大连理工大学,土木水利工程学院,大连,116024)， 徐涛,XU Tao(大连理工大学,土木水利工程学院,大连,116024;大连大学,材料破坏力学数值试验研究中心,大连

,116622;中国科学院岩土力学重点实验室,武汉,430071)， 朱立凯,ZHU Li-kai(煤炭科学研究总院抚顺分院

,抚顺,113001)

刊名：

岩土力学

英文刊名：ROCK AND SOIL MECHANICS

年，卷(期)：2007,28(9)

被引用次数：4次

参考文献(17条)

1.徐涛;唐春安;王善勇裂纹连续度对非均质材料中雁行裂纹扩展的影响[期刊论文]-东北大学学报 2004(02)

2.Dahou A;Shao J F;Bederiat M Experimental and numerical investigations on transient creep of porous chalk[外文期刊] 1995(01)

3.SHAO J F;ZHU Q z;SU K Modeling of creep in rock materials in terms of material degradation[外文期刊] 2003(07)

4.YANG Chun-he;Daemena J J K;YIN Jian-hua Experimental investigation of creep behavior of salt rock[外文期刊] 1999(02)

5.Maranini E;Brignoli M Creep behaviour of a weak rock:experimental characterization 1999(02)

6.Jin J S;Cristescu N D An elastic viscoplastic model for transient creep of rock salt[外文期刊] 1998(1-3)

7.Boukharov G N;Chanda M W;Boukharov N G The three processes of brittle crystalline rock creep 1995(04)

8.曹树刚;鲜学福煤岩蠕变损伤特性的实验研究[期刊论文]-岩石力学与工程学报 2001(06)

9.Pricf N J A study of time-strain behavior of coal-measure rocks 1964(02)

10.YANG T H;XU T;Rui R Q Deformation mechanism of bedding creep slope and associated stability assessments 2004(03)

11.Malan D F Time-dependent behaviour of deep level tabular excavations in hard rock 1999(02)

12.许宏发软岩强度和弹模的时间效应研究 1997(03)

13.蔡美峰;何满潮;刘东燕岩石力学与岩石工程 2000

14.徐卫亚;杨圣奇;谢守益绿片岩三轴流变力学特性的研究(Ⅰ):模型分析[期刊论文]-岩土力学 2005(05)

15.徐卫亚;杨圣奇;杨松林绿片岩三轴流变力学特性的研究(Ⅰ):试验结果[期刊论文]-岩土力学 2005(04)

16.LI Yong-shen;XIA Cal-chu Time-dependent tests on intact rocks in uniaxial compression[外文期刊] 2000(03)

17.徐平;夏熙伦三峡工程花岗岩蠕变特性试验研究[期刊论文]-岩土工程学报 1996(04)

引证文献(4条)

1.秦力.李微.赵援深部高应力巷道岩体蠕变规律数值模拟分析[期刊论文]-煤炭工程 2011(1)

2.NIU Shuangjian.JING Hongwen.HU Kun.YANG Dafang Numerical investigation on the sensitivity of jointed rock mass strength to various factors[期刊论文]-矿业科学技术（英文版） 2010(4)

3.李连崇.唐春安.梁正召.马天辉.张永彬煤层底板陷落柱活化突水过程的数值模拟[期刊论文]-采矿与安全工程学报 2009(2)

4.朱道建.杨林德.蔡永昌柱状节理岩体压缩破坏过程模拟及机制分析[期刊论文]-岩石力学与工程学报 2009(4)

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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。此外,利用泥岩和煤岩的蠕变实验数据对模型的适用性进行了验证,结果表明新模型可以应用于模拟多种岩石材料的蠕变全过程,具有较为广泛的适用性。

浅析岩石单轴压缩变形试验的影响因素

浅析岩石单轴压缩变形试验的影响因素 在实际工作中，由于对岩石力学性质评论是公路、铁路等工程地质勘察不可或缺的要素，因此采取岩石单轴压缩试验这种最通用的试验方法，研究岩石变形，成为岩石力学问题的重要内容之一，这也对实际工程施工原料选择起到一定的参考作用。这个问题的研究由于操作起來比较方便，理论基础比较明显，所以被广泛应用于工程实践和各种科研工作中。作者试图按照这个理论的思路，简单分析岩石单轴压缩变形试验的影响因素，进而为相关科研和实际工程施工提供一些有参考价值的东西。 标签：岩石；单轴压缩变形；影响 引言 岩石单轴压缩变形试验是检验岩石抗压承载力的一种试验，属于物理试验的范畴。文章中提出的试验模型主要是用花岗岩、泥岩两种规则形状的岩石作为试样，用单轴荷载来进行压力作用，来测定其纵向和横向的变形量，进而形成相应的应力—应变曲线，得出弹性模量及泊松比。作者以花岗岩和泥岩两种岩石为试验样本，采取弹性模量试验对两种岩石的受力变形等情况进行对比和分析，来具体总结影响岩石压缩变形试验的主要因素有哪些。 1 弹性模量的概念及其取值方法 1.1 弹性模量的概念 弹性理论是以应力、应变的线性关系为基础的一种理论，其中应力与应变之比就是弹性模量，从力学角度来看它表示岩石材料的坚硬程度，更具体地来说是指岩石材料在压缩或拉伸时，材料对弹性变形的抵抗能力，这是在本类试验中应用的重要基础理论和概念。 1.2 岩石弹性模量的取值方法 根据国际岩石力学学会实验室和现场试验标准化委员会的《岩石力学试验建议方法》，岩石弹性模量的取值方法主要是割线弹性模量及泊松比的取值方法，以抗压强度50%时的变形量为基础，在纵向应力—应变曲线上的原点与应力相应于极限抗压强度50%处的应力点的连线，其斜率为割线模量，横向应变与纵向应变的比值就是泊松比。一般来说，在实际工作中，大多数岩石这个应力水平下仍处于弹性范围内，很少出现细微裂缝扩展乃至断裂破碎等现象。 2 影响岩石弹性模量的主要因素 2.1 构成岩石的矿物及岩石物理性质的影响

岩石单轴压缩实验

实验名称：岩石单轴压缩实验 一实验目的： 1.了解RFPA软件，熟悉软件界面，了解软件用途。 2.掌握软件RFPA的原理及使用方法。 3.了解岩石在外界压力的作用下的破碎情况。 4.掌握RFPA软件模拟岩石单轴压缩的过程。 二实验步骤： 1、熟悉RFPA软件界面，了解软件个部分的作用。见图1-1： 图1-1 2、运用软件进行相关试验 (1)试验模型 试样模型尺寸100mm×50mm ，网个划分为100×100个基元。采用平面应力问题，整个加载过程通过位移加载方式。力学性质参数如下表： 表2-1

（2）网格划分和参数赋值 网格的划分以及其他参数的赋值见下图2-1，2-2： 图2－1 岩石试件及参数设定值 图2－2 岩石试件参数设定 (3)边界条件和控制条件的选定 点击主面板上的控制键Boundary conditions，进行设置边界条件，其具体数据如

图2－3： 图2－3 加载力的数值设置 打开主面板上的Built，选择Control Information进行完成这个实验的步骤设置，具体数据如图2－4： 图2－4 加载步数设定 (4)计算过程以及结果分析 压缩破裂过程见图2-5：

图2-5压缩破裂过程

结果曲线分析，N-S曲线见图2-6 图2-6N-S曲线 从数值试验得到的载荷-位移全过程曲线再现了如下基本的岩石力学性质 ○1.线性变形阶段。在加载的初期，载荷-位移曲线几乎是线性的。 ○2.非线性变形阶段。当载荷达到试件最大承载能力的50%左右时，试件的变形开始偏离线性，部分基元破坏。 ○3.软化阶段。当达到最大载荷之后，使试件进一步变形的载荷越来越小，进入弱化阶段，直至试件产生宏观破坏。 三实验结论及体会 试验数值表明，试件在破坏过程中,开始出现许多小裂纹，再进一步加载的条件下，试件中突发性地出现了由一系列小张裂纹汇集成的一个剪切带。载荷的宏观破裂带是由宏观剪切应力带中的大量细观拉伸微破裂汇聚形成的。同时，试件的宏观破坏并非发生在试件达到峰值应力的瞬间，而是在试件所受的载荷达到峰值应力以后的某个应力降之后。这个结果表明，岩石介质在达到最大承载能力之后，仍具有一定的承载能力。

测定岩石的单轴抗压强度

实验5 测定岩石的单轴抗压强度 一、基本原理 岩石的单轴抗压强度是指岩石试样在单向受压至破坏时，单位面积上所承受的最大压应力: （MPa） 一般简称抗压强度。根据岩石的含水状态不同，又有干抗压强度和饱和抗压强度之分。 岩石的单轴抗压强度，常采用在压力机上直接压坏标准试样测得，也可与岩石单轴压缩变形试验同时进行，或用其它方法间接求得。 二、仪器设备 1、制样设备：钻岩机、切石机及磨片机； 2、测量平台、卡尺、放大镜等； 3、烘箱、干燥箱； 4、水槽、煮沸设备或真空抽气设备； 5、压力机。 三、操作步骤 1、试样制备 试样规格：一般采用直径5cm、高10cm的园柱体，以及断面边长为5厘米，高为10厘米的方柱体，每组试样必须制备3块。 试样制备精度要求同实验四： 2、试样描述 试验前应对试样进行描述，内容同实验四。 3、试样烘干或饱和处理 根据试验要求需对试样进行烘干或饱和处理。 烘干试样：在105~110℃温度下烘干24h。

自由浸水法饱和试样：将试样放入水槽，先注水至试样高度的1/4处，以后每隔2h分别注水至试样高度的1/2和3/4处，6h后全部浸没试样，试样在水中自由吸水48h。 煮沸法饱和试样：煮沸容器内的水面始终高于试样，煮沸时间不少于6h。 真空抽气法饱和试样：饱和容器内的水面始终高于试样，真空压力表读数宜为100kPa，直至无气泡逸出为止，但总抽气时间不应少于4h。 4、测量试样尺寸 按试验二量积法中的要求，量测试样断面的边长，求取其断面面积（A）。 5、安装试样、加荷 将试样置于试验机承压板中心，调整有球形座，使之均匀受载，然后以每秒0.5~1.0MPa的加载速度加荷，直至试样破坏，记下破坏荷载（P）。 6、描述试样破坏后的形态，并记录有关情况。 7、按下式计算岩石的单轴抗压强度 式中：σC――岩石的单轴抗压强度（MPa）； P――破坏荷载（N）； A――垂直于加荷方向试样断面积（mm2）。 计算值取3位有效数字。 四、试验报告内容 1、整理记录表(格式如下表) 月日 2、试样描述资料。 3、思考题：

实验

实验3 常温单轴拉伸实验 马 杭 编写 单轴拉伸实验是研究材料机械性能的最基本、应用最广泛的实验。由于试验方法简单而且易于得到较为可靠的试验数据，在工程上和实验室中都广泛利用单轴拉伸实验来测取材料的机械性能。多数工程材料拉伸曲线的特性介于低碳钢和铸铁之间，但其强度和塑性指标的定义与测试方法基本相同，因此通过单轴拉伸实验分析比较两种材料的拉伸过程，测定其机械性能，在机械性能的试验研究中具有典型的意义，掌握其拉伸和破坏过程的特点有助于正确合理地认识和选用材料，了解静载条件下结构材料的许用应力的内涵。 一、实验目的 1.通过单轴拉伸实验，观察分析典型的塑性材料（低碳钢）和脆性材料（铸铁）的拉伸过程，观察断口，比较其机械性能。 2.测定材料的强度指标（屈服极限S σ、强度极限b σ）和塑性指标（延伸率δ和面缩率ψ）。 二、实验设备 1.电子万能材料试验机WDW-100A(见附录一)。 2.计算机、打印机。 3.游标卡尺。 图3-1 圆棒拉伸试样简图 三、试样 材料性能的测试是通过试样进行的，试样制备是试验的重要环节，国家标准GB6397-86对此有详细的规定。本试验采用圆棒试样，如图1-1所示。试样的工作部分（即均匀部分，其长度为C l ）应保持均匀光滑以确保材料的单向应力状态。均匀部分的有效工作长度0l 称为标距，0d 和0A 分别为工作部分的直径和面积。试样的过渡部分应有适当的圆角以降低应力集中，两端的夹持部分用以传递载荷，其形状与尺寸应与试验机的钳口相匹配。 材料性能的测试结果与试样的形状、尺寸有关，为了比较不同材料的性能，特别是为了使得采用不同的实验设备、在不同的实验场所测试的试验数据具有可比性，试样的形状与尺寸应符合国家标准（GB6397-86）。例如，由于颈缩局部及其影响区的塑性变形在断后延伸

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。最后指出，由于试验仪器的原因，高温高压和各向异性下的岩石蠕变模型研究进行的还不是很多，是今后岩石蠕变研究的难点。 关键词：岩石蠕变；本构模型；非线性黏弹塑性；损伤；各向异性：高温高压中图分类号：TU454 文献标识码：A Advances in Rock Creep Model Research and Discussion on Some Issues Ma Ke,Wan Xinlin,Jia Weifeng and Wan Chuanhu (Civil Engineering Department,Anhui University of Architecture,Hefei,Anhui 230022) Abstract:The rock creep is one of major causes in geotechnical engineering deformation and destabilization.The creep research is just in an exploring stage in recent years,the paper has summed up the progress of creep model research from 4aspects.The research has found,among three stages of rock creep,the accelerated creep stage is hard to describe through classic constitutive models,the researchers have found that through new elements or using modified nonlinear visco-elastoplastic constitutive models can modulate rock creep active curves commendably.Rock creep model based on damage theory is the major development direction in recent years;it can solve the rock creep issues brought by microfissures.Along with development of deep rock engineering,impacts from peripheral practical setting on rock mass should not be ignored,thus to study rock creep under coupled moisture content variation and hydraulic,as well as other stresses is also emphasized from now on.Finally,the paper has point out,in virtue of testing instrument,the studies on rock creep model under high temperature,high pressure and anisotropy are not many thus far,and thus the nodus in rock creep studies henceforth. Keywords:rock creep;constitutive model;nonlinear visco-elastoplastic;damage;anisotropy;high temperature and high pressure 中国煤炭地质 COAL GEOLOGY OF CHINA Vol．23No．10Oct ．2011 第23卷10期2011年10月 文章编号：1674－1803（2011）10－0043－05 doi ：10.3969/j.issn.1674-1803.2011.10.10

实验五__岩石单轴压缩实验

实验五岩石单轴压缩实验 一.实验目的 岩石单轴压缩是指岩石在单轴压缩条件下的强度、变形和破坏特征。通过该实验掌握岩石单轴压缩实验方法，学会岩石单轴抗压强度、弹性模量、泊松比的计算方法；了解岩石单轴压缩过程的变形特征和破坏类型。 二.实验设备、仪器和材料 1.钻石机、锯石机、磨石机； 2.游标卡尺，精度0.02mm； 3.直角尺、水平检测台、百分表及百分表架； 4.YE-600型液压材料试验机； 5.JN-16型静态电阻应变仪； 6.电阻应变片（BX-120型）； 7.胶结剂，清洁剂，脱脂棉，测试导线等。 三.试样的规格、加工精度、数量及含水状态 1. 试样规格：采用直径为50 mm，高为100 mm的标准圆柱体，对于一些裂隙比较发育的试样，可采用50 mm×50 mm×100 mm的立方体，由于岩石松软不能制取标准试样时，可采用非标准试样，需在实验结果加以说明。 2. 加工精度： a 平行度：试样两端面的平行度偏差不得大于0.1mm。检测方法如图5-1所示，将试样放在水平检测台上，调整百分表的位置，使百分表触头紧贴试样表面，然后水平移动试样百分表指针的摆动幅度小于10格。 b 直径偏差：试样两端的直径偏差不得大于0.2 mm，用游标卡尺检查。 c 轴向偏差：试样的两端面应垂直于试样轴线。检测方法如图5-2所示，将试样放在水平检测台上，用直角尺紧贴试样垂直边，转动试样两者之间无明显

缝隙。 3.试样数量： 每种状态下试样的数量一般不少于3个。 4.含水状态：采用自然状态，即试样制成后放在底部有水的干燥器内1～2 d ，以保持一定的湿度，但试样不得接触水面。 四.电阻应变片的粘贴 1.阻值检查：要求电阻丝平直，间距均匀，无黄斑，电阻值一般选用120欧姆，测量片和补偿片的电阻差值不超过0.5Ω。 2.位置确定：纵向、横向电阻应变片粘贴在试样中部，纵向、横向应变片排列采用“┫”形，尽可能避开裂隙，节理等弱面。 3.粘贴工艺：试样表面清洗处理→涂胶→贴电阻应变片→固化处理→焊接导线→防潮处理。 五.实验步骤 1. 测定前核对岩石名称和试样编号，并对岩石试样的颜色、颗粒、层理、 裂隙、风化程度、含水状态等进行描述。 2. 检查试样加工精度。并测量试样尺寸，一般在试样中部两个互相垂直方向测量直径计算平均值。 3. 电阻应变仪接通电源并预热数分钟后, 连接测试导线，接线方式采用公 1—百分表 2-百分表架 3-试样 4水平检测台 图5-1 试样平行度检测示意图 1—直角尺 2-试样 3- 水平检测台 图5-2 试样轴向偏差度检测示意图 图5-3 电阻应变片粘贴

第四章3岩石的蠕变

五、岩石的蠕变 1、 蠕变特征 ① 岩石蠕变的概念 在应力σ不变的情况下，岩石变形随时间t 而增长的现象。 即 dt d ε 随时间而变化。 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， dε 零，即0 = dt 域稳定。 一般在较小应力下或硬岩中。 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。 d 曲，应变速率 dt 小。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，并非所有的蠕变都能出现等速蠕变阶段，只有蠕变过程中结构的软化和硬化达到动平衡，蠕变速率才能保持不变。 在Ⅰ阶段，如果应力骤降到零，则ε－t曲线具有PQR形式，曲线从P 点骤变到Q点，PQ＝ ε为瞬时弹性变形，而后随时间慢慢退到应变为 e 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＝ ε。 e

有直接关系。 变速度变化缓慢， 稳定。 率增大。 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的应力分界值。即，岩石在长期荷载作用下经蠕变破坏的最小应力值(∞σ或∞τ) 岩石极限长期强度：指长期荷载作用下岩石的强度。 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、等速蠕变和加速蠕变，则在荷载长期作用下，岩石蠕变的变形ε可用经验公式表示为： ε＝e ε+)(t ε+t M +)(t T ε e ε－瞬时变形；)(t ε－初始蠕变；t M －等速蠕变；)(t T ε－加速蠕变。

第四章 3 岩石的蠕变

1 / 46 ε σ 五、岩石的蠕变 1、 蠕变特征 ① 岩石蠕变的概念 在应力σ不变的情况下，岩石变形随时间t 而增长的现象。 即 dt d ε 随时间而变化。 ②岩石蠕变类型 有两种类型： 稳定型蠕变 非稳定型蠕变

2 / 46 a 、 稳定型蠕变：在 恒定应力作用下，变形速率随时间递减， 最终趋于零，即 0=dt d ε ，变形区域稳定。 一般在较小应力下或硬岩中。 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。 ε Ⅰ Ⅱ Ⅰ t

一般为软弱岩石或应力较大。 ③蠕变曲线变化特征 岩石的蠕变曲线可分为 三个阶段： Ⅰ阶段：初期蠕变。 应变－时间曲线向下弯 曲，应变速率 dt d 由大变小。属弹性变形。 Ⅱ阶段：等速蠕变。 t ε A B C P Q R εe T U V Ⅰ Ⅲ Ⅱ 3 / 46

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，并非所有的蠕变都能出现等速蠕变阶段，只有蠕变过程中结构的软化和硬化达到动平衡，蠕变速率才能保持不变。 在Ⅰ阶段，如果应力骤降到零，则ε－t曲线具有PQR形式，曲线从P点骤变到Q点，PQ＝ ε为瞬时弹性变形，而后随时间慢慢退到应变 e 为零，这时无永久变形，材料仍保持弹性。 4 / 46

在Ⅱ阶段，如果把应力骤降到零，则会出现永久变形，其中TU＝e 。 ④不同应力下的蠕变 岩石蠕变速率与应力大小 有直接关系。低应力时， 应变速度变化缓慢，逐渐 趋于稳定。应力增大时， 应变速率增大。高应力时，蠕变加速，直至破 t ε a a 10 15 18 20 25 b b b b b a－稳定蠕变(不破坏) b－非稳定蠕变(蠕变破坏) 5 / 46

常温单轴拉伸实验、压缩实验、扭转实验

实验1 常温单轴拉伸实验 马 杭 编写 单轴拉伸实验是研究材料机械性能的最基本、应用最广泛的实验。由于试验方法简单而且易于得到较为可靠的试验数据，在工程上和实验室中都广泛利用单轴拉伸实验来测取材料的机械性能。多数工程材料拉伸曲线的特性介于低碳钢和铸铁之间，但其强度和塑性指标的定义与测试方法基本相同，因此通过单轴拉伸实验分析比较两种材料的拉伸过程，测定其机械性能，在机械性能的试验研究中具有典型的意义，掌握其拉伸和破坏过程的特点有助于正确合理地认识和选用材料，了解静载条件下结构材料的许用应力的内涵。 一、实验目的 1.通过单轴拉伸实验，观察分析典型的塑性材料（低碳钢）和脆性材料（铸铁）的拉伸过程，观察断口，比较其机械性能。 2.测定材料的强度指标（屈服极限S σ、强度极限b σ）和塑性指标（延伸率δ和面缩率ψ）。 二、实验设备 1.电子万能材料试验机WDW-100A(见附录一)。 2.计算机、打印机。 3.游标卡尺。 图1-1 圆棒拉伸试样简图 三、试样 材料性能的测试是通过试样进行的，试样制备是试验的重要环节，国家标准GB6397-86对此有详细的规定。本试验采用圆棒试样，如图1-1所示。试样的工作部分（即均匀部分，其长度为C l ）应保持均匀光滑以确保材料的单向应力状态。均匀部分的有效工作长度0l 称为标距，0d 和0A 分别为工作部分的直径和面积。试样的过渡部分应有适当的圆角以降低应力集中，两端的夹持部分用以传递载荷，其形状与尺寸应与试验机的钳口相匹配。 材料性能的测试结果与试样的形状、尺寸有关，为了比较不同材料的性能，特别是为了使得采用不同的实验设备、在不同的实验场所测试的试验数据具有可比性，试样的形状与尺寸应符合国家标准（GB6397-86）。例如，由于颈缩局部及其影响区的塑性变形在断后延伸

岩石力学(沈明荣)考试重点

一章： 1.叙述岩体力学的定义.：岩体力学主要是研究岩石和岩体力学性能的一门学科，是探讨岩石和岩体在其周围物理环境（力场、温度场、地下水等）发生变化后，做出响应的一门力学分支。 2.何谓岩石？何谓岩体？岩石与岩体有何不同之处？（1）岩石：由矿物或岩屑在地质作用下按一定规律聚集而形成的自然物体。（2）岩体：一定工程范围内的自然地质体。（3）不同之处：岩体是由岩石块和各种各样的结构面的综合体。 3.何谓岩体结构？岩体结构的两大要素是什么？ （1）岩体结构是指结构面的发育程度及其组合关系；或者是指结构体的规模、形态及其排列形式所表现的空间形态。（2）结构体和结构面。 4. 岩体结构的六大类型？ 块状、镶嵌、层状、碎裂、层状碎裂、松散结构。 5.岩体有哪些特征？（1）不连续；受结构面控制，岩块可看作连续。（2）各向异性；结构面有一定的排列趋势，不同方向力学性质不同。（3）不均匀性；岩体中的结构面方向、分布、密度及被结构面切割成的岩块的大小、形状和镶嵌情况等在各部位不同，各部位的力学性质不同。（4）赋存地质因子特性（水、气、热、初应力）都会对岩体有一定作用。 二章：岩石物理力学性质有哪些？ 岩石的质量指标，水理性质指标，描述岩石风化能力指标，完整岩石的单轴抗压强度，抗拉强度，剪切强度，三向压缩强度和各种受力状态相对应的变形特性。影响岩石强度特性的主要因素有哪些？对单轴抗压强度的影响因素有承压板、岩石试件尺寸及形状（形状、尺寸、高径比），加载速率、环境（含水率、温度）。对三相压缩强度的影响因素：侧向压力、试件尺寸与加载速率、加载路径、空隙压力。 什么是岩石的应力应变全过程曲线？所谓应力应变全过程曲线是指在刚性实验机上进行实验所获得的包括岩石达到峰值应力之后的应力应变曲线。 2.4简述岩石刚性实验机的工作原理？：压力机加压（贮存弹性应能）岩石试件达峰点强度（释放应变能）导致试件崩溃。AA′O2O1面积—峰点后，岩块产生微小位移所需的能。ACO2O1面积——峰点后，刚体机释放的能量（贮存的能量）。ABO2O1——峰点后，普通机释放的能量(贮存的能量)。当实验机的刚度大于岩石的刚度，才有可能记录下岩石峰值应力后的应力应变曲线。 莫尔强度理论，格尔菲斯强度理论和E.hoek和E.T.brown提出的经验理论的优缺点？：莫尔强度理论优点是使用方便，物理意义明确；缺点是1不能从岩石破坏机理上解释其破坏特征2忽略了中间主应力对岩石强度的影响；格尔菲斯强度理论优点是明确阐明了脆性材料破裂的原因、破裂所需能量及破裂扩展方向；缺点是仅考虑岩石开裂并非宏观上破坏的缘故。E.hoek和E.T.brown提出的经验理论与莫尔强度理论很相似其优点是能够用曲线来表示岩石的强度，但是缺点是表达式稍显复杂。 典型的岩石蠕变曲线有哪些特征？典型的岩石蠕变曲线分三个阶段第Ⅰ阶段：称为初始蠕变段或者叫瞬态蠕变阶段。在此阶段的应变一时间曲线向下弯曲；应变与时间大致呈对数关系，即ε∝㏒t。第Ⅱ阶段：称为等速蠕变段或稳定蠕变段。在此阶段内变形缓慢，应变与时间近于线性关系。第Ⅲ阶段：称为加速蠕变段非

东北大学岩石力学讲义第二章岩石破坏机制及强度理论.

第二章 岩石破坏机制及强度理论 第一节 岩石破坏的现象 在不同的应力状态下，岩石的破坏机制不同，常见的岩石破坏形式有以下几种 一、拉破坏：岩石试件单向抗压的纵向裂纹，矿柱，采面片帮。特点出现与最大应力方向平行的裂隙。 二、剪切破坏：岩石试件单向抗压的X 形破坏。从应力分析可知，单向压缩下某一剪切面上的切向应力达到最大引起的破坏。 (a ) (b )

三、重剪破坏：即沿原有的结构面的滑动、重剪破坏 主要的机制：岩体受剪切作用或者受拉应力的作用、三向受压情况下多数为剪切应力的作用，侧向压力较小时可能是拉神破坏，实际工程中可能是不同机制的组合，但侧向应力较大时，可以认为剪切应力是岩石重剪破坏的主要破坏机制。 从岩石破坏的现象看，从小到几厘米的岩块到大的工程岩体，破坏形式雷同，并可归纳为两种，拉断与剪坏，因此有一定的规律可寻。 对岩石破坏的研究： 在单向条件下可以从实验得到破坏的经验关系。但是三向受力条件下，不同应力的组合有无穷多种，因此无法仅仅依靠实验得到破坏的经验关系，因此在一般应力状态，对岩石破坏的研究需要结合理论分析和试验研究两个方面。现代关于岩石破坏的理论分析一般归结为、寻求破坏时的主应力之间的关系 123(,)f σσσ= 研究的方法有：理论分析；2、试验研究；3、理论研究结合试验研究。 第二节 岩石拉伸破坏的强度条件 一、最大线应变理论 该理论的主要观点是，岩石中某个面上的拉应变达到临界值时破坏，而与所处的应力状态无关。强度条件为 c εε≤ (2-1) c ε—拉应变的极限值，ε—拉应变。

若岩石在破坏之前可看作是弹性体，在受压条件下σ1>σ2>σ3下， 3ε是最小主应力。按弹性力学有3 3E E σμ εσσ= -12（+），即33E εσμσσ=-12（+）。若3ε<0则产生拉应变。由于E >0，因此产生拉应变的条件是 3σμσσ-12（+）<0，3μσσσ12（+）> 若3ε=0ε<0则产生拉破坏，此时抗拉强度为0t E σε＝?0t E σε＝。 按最大线应变理论30εε≥破坏，即 312()t σμσσσ-+≥ (2-2) 式中0ε是允许的拉应变。 二、格里菲斯理论 格里菲斯理论的主要观点是：材料内微小裂隙失稳扩展导致材料的宏观破坏。 格里菲斯理论的主要依据是：1）、任何材料中总有各种微小微纹；2）、裂纹尖端的有严重的应力集中，即应力最大，并且有拉应力集中的现象；3）、当这种拉应力集中达到拉伸强度时微裂纹失稳扩展，导致材料的破坏。 格里菲斯理论的来源：由玻璃破坏得到的启示。 格里菲斯理论的基本假设为： 1、岩石的裂隙可视为极扁的扁椭圆裂隙； 2、裂隙失稳扩展可按平面应力问题处理； 3、裂隙之间互不影响。 按格里菲斯理论，裂纹失稳扩展条件为 1）、当1330σσ+>时，满足 21313()8()0t σσσσσ-++= (2-2)

单轴压缩

单轴压缩 单轴压缩软件包提供圆柱形岩石和混凝土试件的压缩和变形试验运行用的所有硬件和软件附件。该压缩软件包包括： 力传感器 对低载荷试验--一个661型力传感器。一个把该力传感器附着 到载荷框架上的附着件。对高载荷试验-一个660.23P型元件。 直接安装到作动缸口。一个信号调节器-供每个力传感器用。2 档标定。一个从力传感器到调节器的电缆0到10个间隔片-取 决于载荷序列的构形和附带的硬件。 一个643型压盘夹具 应变传感器 ?一个轴向应变测量元件一个周向应变测量元件一个信号调节器和各传感器的电缆 790.61型岩石力学软件 ?按照ASTM D2938-86, D-3148-86, 4341-84 和4405-84的岩石单轴压缩试验ISRM建议的确定岩石单轴压缩强度和单轴压缩中岩石材料的变形能力的方法。

子。设计高刚度载荷力链，以使脆性 材料试验时贮存在框架和载荷力链 部分的变形能量减到最小。在进行关 于试件破坏后性状的试验时，这特别 关键。对于要求大于1000 kN (220 kip)的压缩试验，可以卸除载荷传感 器，并可用适合框架载荷的差压（P） 传感器测量力。由于作动器摩擦力， 要求的力小于1000 kN (220 kip) 的试验，应当使用一个力传感器。请 注意，315型载荷框架试用的载荷， 超过了该力传感器的范围。该试验区 域前、后的Lexan板（未示出），在 进行单轴压缩强度试验时，确保防护 试件碎片伤人。除了单轴压缩试验的 机械夹具外，提供了790.61型单轴 岩石力学软件，以便执行某些最普通 的压缩试验，并分析得到的数据。这 软件包通过一系列预定步骤，指导你 进行标准的ASTM试验和TSRM建 议的试验方法。该软件在鼠标驱动和点击环境中运行，并使用下拉菜单和图标，提供方便和直观的操作界面。该软件也包括：运行时间率控制（它使你在试验期间增加或减少加载率或应变率，以更好地控制破坏后试验，并充分改进）和实时显示所选择的反馈的运行时间图（使你在运行时监控试验进程）。该分析特 征自动地分析收集的数据，并产生一个完整的专业试验报告。

第四章 3 岩石的蠕变

. . . .. .. 五、岩石的蠕变 1、 蠕变特征 ① 岩石蠕变的概念 在应力σ不变的情况下，岩石变形随时间t 而增长的现象。 即 dt d ε 随时间而变化。 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 0=dt d ε 域稳定。 一般在较小应力下或硬岩中。 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。

dt 小。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，并非所有的蠕变都能出现等速蠕变阶段，只有蠕变过程中结构的软化和硬化达到动平衡，蠕变速率才能保持不变。 在Ⅰ阶段，如果应力骤降到零，则ε－t 曲线具有PQR 形式，曲线从P 点骤变到Q 点，PQ ＝e ε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 ＝e ε。

. . . .. .. 有直接关系。变速度变化缓慢，稳定。率增大。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的应力分界值。即，岩石在长期荷载作用下经蠕变破坏的最小应力值(∞σ或∞τ) 岩石极限长期强度：指长期荷载作用下岩石的强度。 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、等速蠕变和加速蠕变，则在荷载长期作用下，岩石蠕变的变形ε可用经验公式表示为： ε＝e ε+)(t ε+t M +)(t T ε e ε－瞬时变形；)(t ε－初始蠕变；t M －等速蠕变；)(t T ε－加速蠕变。

单轴抗压试验

实验三、岩石单轴抗压强度的测定 一、实验目的 岩石在单轴压缩荷载作用下所能承受的最大压应力称为单轴抗压强度。岩石的单轴抗压强度实验是研究岩石性质的最基本的方法。通过本实验， 要了解标准试件的加工机械、加工过程及检测程序，掌握岩石单向抗压强 度的测试过程及计算方法。 二、实验仪器及工具 （1）试件加工机械。钻石机或车床、锯石机、磨石机或磨床。 （2）检验工具。水平检测台、百分表架及百分表、游标卡尺（精度0.02mm）、直角尺。 （3）材料试验机。 三、实验原理

垂直或平行岩层层理方向对试块进行加载，试件的破坏载荷与试件的横载面积之比即为岩石的单向抗压强度。 四、实验步骤 （1）测定前核对岩石名称和岩样编号，对试件颜色、颗粒、层理、节理、裂隙、风化程度、含水状态以及加工过程中出现的问题等进行描述，并填入记录表内。 （2）检查试件加工精度，测量试件尺寸（应在试件高度中部两个互相垂直的方向测量其直径，取算术平均值）填入记录表内。 （3）选择材料实验机度盘时，一般应满足下式： 0.2P0

实验五岩石单轴压缩实验DOC

实验五岩石单轴压缩实验 一. 实验目的 岩石单轴压缩是指岩石在单轴压缩条件下的强度、变形和破坏特征。通过该实验掌握岩石单轴压缩实验方法，学会岩石单轴抗压强度、弹性模量、泊松比的计算方法；了解岩石单轴压缩过程的变形特征和破坏类型。 二.实验设备、仪器和材料 1.钻石机、锯石机、磨石机； 2.游标卡尺，精度0.02mm； 3.直角尺、水平检测台、百分表及百分表架； 4.YE-600 型液压材料试验机； 5.JN-16 型静态电阻应变仪； 6.电阻应变片（BX-120型）； 7.胶结剂，清洁剂，脱脂棉，测试导线等。 三. 试样的规格、加工精度、数量及含水状态 1.试样规格：采用直径为50 mm高为100 mm的标准圆柱体，对于一些裂隙比较发育的试样，可采用50 mnrK 50 mnrK 100 mm的立方体，由于岩石松软不能制取标准试样时， 可采用非标准试样，需在实验结果加以说明

2. 加工精度: a 平行度：试样两端面的平行度偏差不得大于 0.1mm 检测方法如图5-1所示，将 试样放在水平检测台上，调整百分表的位置，使百分表触头紧贴试样表面，然后水平移动 试样百分表指针的摆动幅度小于10格。 b 直径偏差： 试样两端的直径偏差不得大于 0.2 mm,用游标卡尺检查。 c 轴向偏差： 试样的两端面应垂直于试样轴线。检测方法如图 5-2所示，将试样放 在水平检测台上，用直角尺紧贴试样垂直边，转动试样两者之间无明显缝隙。 3. 试样数量：每种状态下试样的数量一般不少于 3个。 4. 含水状态：采用自然状态，即试样制成后放在底部有水的干燥器内 1?2 d ，以保持 一定的湿度，但试样不得接触水面。 纵向、横向应变片排列采用“T”形，尽可能避开裂隙，节 理等弱面。 3. 粘贴工艺：试样表面清洗处理一涂胶一贴电阻应变片一固化处理一焊接导线一防潮 四.电阻应变片 1.阻值 检查- 克电 阻丝平 阻值一般选用 120欧姆, 测量片和补偿片的电阻差值不超过 0.5 Q o 1—百分表2-百分表架3-试样4 1—直角尺2-试样 2.位置确定：纵向、横向电阻应变片粘贴在试样中部， 的粘贴 F 直，间距均匀，无黄斑， 3-水平检测台

东北大学岩石力学讲义第二章岩石破坏机制及强度理论

精品文档 第二章岩石破坏机制及强度理论 岩石破坏的现象第一节 在不同的应力状态下，岩石的破坏机制不同，常见的岩石破坏形式有以下几种：岩石试件单向抗压的纵向裂纹，矿柱，采面片帮。特点出现与最大应力一、拉破坏方向平行的裂隙。

) (b) (a 形破坏。从应力分析可知，单向压缩下某一剪二、剪切破坏：岩石试件单向抗压的X 切面上的切向应力达到最大引起的破坏。

精品文档． 精品文档 三、重剪破坏：即沿原有的结构面的滑动、重剪破坏 主要的机制：岩体受剪切作用或者受拉应力的作用、三向受压情况下多数为剪切应力的作用，侧向压力较小时可能是拉神破坏，实际工程中可能是不同机制的组合，但侧向应力较大时，可以认为剪切应力是岩石重剪破坏的主要破坏机制。 并可归纳从小到几厘米的岩块到大的工程岩体，破坏形式雷同，从岩石破坏的现象看，为两种，

拉断与剪坏，因此有一定的规律可寻。对岩石破坏的研究：不同应力的组合在单向条件下可以从实验得到破坏的经验关系。但是三向受力条件下，对岩石破因此在一般应力状态，有无穷多种，因此无法仅仅依靠实验得到破坏的经验关系，坏的研究需要结合理论分析和试验研究两个方面。现代关于岩石破坏的理论分析一般归结为、寻求破坏时的主应力之间的关系???)(,?f321、理论研究结合试验研究。、试验研究；3研究的方法有：理论分析；2 岩石拉伸破坏的强度条件第二节 一、最大线应变理论岩石中某个面上的拉应变达到临界值时破坏，而与所处的应力该理论的主要观点是，状态无关。强度条件为(2-1) ???c—拉应变的极限值，—拉应变。??c 精品文档． 精品文档 ?是最小主应力。σ下，σ>σ>若岩石在破坏之前可看作是弹性体，在受压条件下3123??????3，E>0<0则产生拉应变。由于，即。若按弹性力学有?????）?（?+）E?（?+32312133EE因此产生拉应变的条件是 ????????）>（（?++）<0，312132??????t?E＝＝。若则产生拉破坏，此时抗拉强度为= <0

实验五岩石单轴压缩实验

实验五岩石单轴压缩实 验 TPMK standardization office【 TPMK5AB- TPMK08- TPMK2C- TPMK18】

实验五岩石单轴压缩实验 一.实验目的 岩石单轴压缩是指岩石在单轴压缩条件下的强度、变形和破坏特征。通过该实验掌握岩石单轴压缩实验方法，学会岩石单轴抗压强度、弹性模量、泊松比的计算方法；了解岩石单轴压缩过程的变形特征和破坏类型。 二.实验设备、仪器和材料 1.钻石机、锯石机、磨石机； 2.游标卡尺，精度0.02mm； 3.直角尺、水平检测台、百分表及百分表架； 4.YE-600型液压材料试验机； 5.JN-16型静态电阻应变仪； 6.电阻应变片（BX-120型）； 7.胶结剂，清洁剂，脱脂棉，测试导线等。 三.试样的规格、加工精度、数量及含水状态 1. 试样规格：采用直径为50 mm，高为100 mm的标准圆柱体，对于一些裂隙比较发育的试样，可采用50 mm×50 mm×100 mm的立方体，由于岩石松软不能制取标准试样时，可采用非标准试样，需在实验结果加以说明。

2. 加工精度： a 平行度：试样两端面的平行度偏差不得大于0.1mm。检测方法如图5-1所示，将试样放在水平检测台上，调整百分表的位置，使百分表触头紧贴试样表面，然后水平移动试样百分表指针的摆动幅度小于10格。 b 直径偏差：试样两端的直径偏差不得大于0.2 mm，用游标卡尺检查。 c 轴向偏差：试样的两端面应垂直于试样轴线。检测方法如图5-2所示，将试样放在水平检测台上，用直角尺紧贴试样垂直边，转动试样两者之间无明显缝隙。 3.试样数量：每种状态下试样的数量一般不少于3个。 4.含水状态：采用自然状态，即试样制成后放在底部有水的干燥器内1～2 d，以保持一定的湿度，但试样不得接触水面。 四. 超过 1—百分表 2-百分表架 3-试样 4 2. 部，纵向、横向应变片排列采用“┫”形，尽可能避开裂 隙，节理等弱面。