51-3岩石力学与工程岩石本构关系与强度理论hql.pptx

5 岩石本构关系与强度理论5.1 概念 岩石和岩体的物理力学性质，一般可以用弹性、岩石和岩体的物理力学性质，一般可以用弹性、塑性、粘性或三者的组合等模型来描述。塑性、粘性或三者的组合等模型来描述。（11）本构关系）本构关系1.1.弹性本构关系 弹性本构关系 即当岩石在外载荷作用下，岩石变形处于弹性变形 即当岩石在外载荷作用下，岩石变形处于弹性变形阶段时的本构关系。阶段时的本构关系。2.2.塑性本构关系 塑性本构关系 即当岩石在外载荷作用下，岩石变形处于塑性变形 即当岩石在外载荷作用下，岩石变形处于塑性变形阶段时的本构关系。阶段时的本构关系。5/23/2023 13.3.流变本构关系 流变本构关系 如果岩石在外载荷作用条件不变的条件下，岩石的 如果岩石在外载荷作用条件不变的条件下，岩石的应变或应力还随时间而变化，则称该岩石具有流变 应变或应力还随时间而变化，则称该岩石具有流变性，此时的本构关系称为岩石的流变本构关系。性，此时的本构关系称为岩石的流变本构关系。（22）强度理论）强度理论 指采用判断、推理的方法，推测材料在复杂应力状 指采用判断、推理的方法，推测材料在复杂应力状态下破坏的原因，而建立强度准则，所提出的一些 态下破坏的原因，而建立强度准则，所提出的一些假设。假设。总之，岩石的力学性质可分为 总之，岩石的力学性质可分为 变形性质 变形性质 和 和 强度性质 强度性质两类，两类，变形性质主要通过本构关系来反映，而强度 变形性质主要通过本构关系来反映，而强度性质则主要通过强度准则来反映。性质则主要通过强度准则来反映。5/23/2023 25.2 岩石弹性问题的求解（1）岩石弹性问题的求解步骤（2）平衡微分方程5/23/2023 3（33）几何方程）几何方程（44）物理方程（弹性本构关系）物理方程（弹性本构关系）5/23/2023 4（55）边界条件）边界条件 1.1.位移边界条件 位移边界条件2.2.应力边界条件 应力边界条件3.3.混合边界条件 混合边界条件5/23/2023 5（在（在 上）上）（在（在 上）上）5.3 岩石流变理论5.3.15.3.1概念概念（11）研究背景）研究背景1.1.各种岩土工程，无一不和时间因素有关；各种岩土工程，无一不和时间因素有关；2.2.是岩石力学的重要研究内容之一；是岩石力学的重要研究内容之一；3.3.存在的问题尚多，理论与实验研究仍有待进一步 存在的问题尚多，理论与实验研究仍有待进一步加强。加强。（22）流变现象）流变现象 1.1.流变性质：是指材料的应力 流变性质：是指材料的应力-应变关系与时间因素 应变关系与时间因素有关的性质。有关的性质。2.2.流变现象：材料变形过程中具有时间效应的现象。流变现象：材料变形过程中具有时间效应的现象。3.3.岩石的流变包括 岩石的流变包括 蠕变 蠕变、松弛 松弛 和 和 弹性后效 弹性后效。5/23/2023 64.4.蠕变：是当应力不变时，变形随时间的增加而增长 蠕变：是当应力不变时，变形随时间的增加而增长的现象。的现象。5.5.松弛：是当应变不变时，应力随时间增加而减小的 松弛：是当应变不变时，应力随时间增加而减小的现象。现象。6.6.弹性后效：是加载或卸载时，弹性应变滞后于应力 弹性后效：是加载或卸载时，弹性应变滞后于应力的现象。的现象。7.7.粘性流动：即蠕变一段时间后卸载，部分应变永久 粘性流动：即蠕变一段时间后卸载，部分应变永久不恢复的现象。不恢复的现象。（33）研究蠕变的意义）研究蠕变的意义1.1.中硬以下岩石及软岩中开挖的地下工程，大都需要 中硬以下岩石及软岩中开挖的地下工程，大都需要经过半个月甚至半年时间变形才能稳定；或处于无 经过半个月甚至半年时间变形才能稳定；或处于无休止的变形状态，直至破坏失稳。休止的变形状态，直至破坏失稳。2.2.解决地下工程的设计和维护问题。解决地下工程的设计和维护问题。5/23/2023 7（4 4）蠕变的三个阶段）蠕变的三个阶段 如图 如图5-1 5-1 中的 中的abcd abcd 曲线所示，曲线所示，蠕变过程可分为三个阶段：蠕变过程可分为三个阶段：1.1.第一蠕变阶段：如曲线中 第一蠕变阶段：如曲线中ab ab 段 段所示，应变速率随时间增加而减 所示，应变速率随时间增加而减小，故称为减速蠕变阶段或初始 小，故称为减速蠕变阶段或初始蠕变阶段；蠕变阶段；2.2.第二蠕变阶段：如曲线中 第二蠕变阶段：如曲线中bc bc 段所示，应变速率保持不 段所示，应变速率保持不变，故称为等速蠕变阶段；变，故称为等速蠕变阶段；3.3.第三蠕变阶段：如曲线中 第三蠕变阶段：如曲线中cd cd 段所示，应变速率迅速增 段所示，应变速率迅速增加直到岩石破坏，故称为加速蠕变阶段。加直到岩石破坏，故称为加速蠕变阶段。5/23/2023 8dcbat0图5-1 岩石蠕变曲线（55）岩石的长期强度）岩石的长期强度 当岩石的应力超过某一临界值时，蠕变向不稳定蠕 当岩石的应力超过某一临界值时，蠕变向不稳定蠕变发展；当岩石的应力小于该临界值时，蠕变按稳 变发展；当岩石的应力小于该临界值时，蠕变按稳定蠕变发展。通常称此临界应力为岩石的长期强度。定蠕变发展。通常称此临界应力为岩石的长期强度。5.3.2 5.3.2 流变模型理论流变模型理论 流变性主要研究岩石在流变过程中的应力、应变和时间的关系，即通过应力、应变和时间组成的流变方程来表示。流变方程主要包括本构方程、蠕变方程和松弛方程。在一系列的岩石流变试验基础上建立反映岩石流变性质的方程，通常有两种方法：5/23/2023 9（11）经验方程法）经验方程法 即根据岩石蠕变试验结果，由数理统计学的回归拟 即根据岩石蠕变试验结果，由数理统计学的回归拟合方法建立的方程。通常形式为 合方法建立的方程。通常形式为：（22）微分方程法）微分方程法 本方法是将岩石介质理想化，归纳成各种模型，模 本方法是将岩石介质理想化，归纳成各种模型，模型可用理想化的具有基本性能（弹性、塑性和粘性）型可用理想化的具有基本性能（弹性、塑性和粘性）的元件组合而成。通过这些元件不同形式的串联和 的元件组合而成。通过这些元件不同形式的串联和并联得到一些典型的流变模型体，相应地推导出它 并联得到一些典型的流变模型体，相应地推导出它们的有关微分方程。们的有关微分方程。5/23/2023 10（5-10）5.3.3 5.3.3 基本元件基本元件（1 1）弹性元件（虎克体）弹性元件（虎克体H H）1.1.定义 定义 如果材料在载荷作用下，其变形性质完全符合虎克 如果材料在载荷作用下，其变形性质完全符合虎克定律，即是一种理想的弹性体，则称此种材料为虎 定律，即是一种理想的弹性体，则称此种材料为虎克体，用符号 克体，用符号H H 代表。代表。2.2.力学模型 力学模型5/23/2023 11图5-2 虎克体力学模型及其动态3.3.本构方程 本构方程 4.4.虎克体的性能 虎克体的性能 1 1）具有瞬时弹性变形性质，无论载荷大小，只要不）具有瞬时弹性变形性质，无论载荷大小，只要不为零，就有相应的应变，当为零时，也为零，说明 为零，就有相应的应变，当为零时，也为零，说明虎克体没有弹性后效，即与时间无关；虎克体没有弹性后效，即与时间无关；2 2）应变恒定时，应力也保持恒定不变，应力不会因）应变恒定时，应力也保持恒定不变，应力不会因时间增长而减小，故无应力松弛性质；时间增长而减小，故无应力松弛性质；3 3）应力保持恒定时，应变也保持不变，即无蠕变性）应力保持恒定时，应变也保持不变，即无蠕变性质。质。5/23/2023 12（5-11）（2 2）塑性元件（库仑体）塑性元件（库仑体 C C）1.1.定义 定义 当物体所受的应力达到屈服极限时，便开始产生塑 当物体所受的应力达到屈服极限时，便开始产生塑性变形，即使应力不再增加，变形仍然不断增长，性变形，即使应力不再增加，变形仍然不断增长，具有这一性质的物体为塑性体，用符合 具有这一性质的物体为塑性体，用符合Y Y 来代表 来代表。2.2.力学模型 力学模型 5/23/2023 13图5-3 塑性体力学模型及其动态3.3.本构方程 本构方程4.4.塑性体的性能 塑性体的性能1 1）当物体所受的应力小于屈服极限时，模型表现为）当物体所受的应力小于屈服极限时，模型表现为刚形体；刚形体；2 2）当物体所受的应力大于或等于屈服极限时，模型）当物体所受的应力大于或等于屈服极限时，模型表现为理想塑性体，即具有塑性流动的特点。表现为理想塑性体，即具有塑性流动的特点。5/23/2023 14（5-12）（3）粘性元件（牛顿体N）1.1.定义 定义 牛顿流体是一种理想粘性体，即应力与应变速率成 牛顿流体是一种理想粘性体，即应力与应变速率成正比，用符号 正比，用符号N N 表示 表示。2.2.力学模型 力学模型 5/23/2023 15图5-4 牛顿流体力学模型及其动态3.3.本构方程 本构方程 将（将（5-13 5-13）式积分，得：）式积分，得：式中：式中：C C 积分常数，当时，积分常数，当时，C=0 C=0，则：，则：4.牛顿体的性质1 1）从（）从（5-15 5-15）式可以看出，当）式可以看出，当t=0 t=0 时，时，=0=0。当应力。当应力为 为 时，完成其相应的应变需要时间 时，完成其相应的应变需要时间，说明应变，说明应变与时间有关，牛顿体无瞬时变形。与时间有关，牛顿体无瞬时变形。5/23/2023 16或（5-13）（5-14）（5-15）2 2）当）当 时，即 时，即，积分后得，积分后得，表明除，表明除去外力后应变为常数，活塞的位移立即停止，不再 去外力后应变为常数，活塞的位移立即停止，不再恢复，只有再受到相应的压力时，活塞才回到原位。恢复，只有再受到相应的压力时，活塞才回到原位。所以牛顿体无弹性后效，有永久形变。所以牛顿体无弹性后效，有永久形变。3 3）当应变）当应变 时，时，说明当应变保持某，说明当应变保持某一恒定值后，应力为零，即无应力松弛性能。一恒定值后，应力为零，即无应力松弛性能。5/23/2023 175.4 组合流变模型 三种基本元件进行组合时应力、应变的计算规则：三种基本元件进行组合时应力、应变的计算规则：1.1.串联组合体中各元件的应力相等；应变等于各元件应 串联组合体中各元件的应力相等；应变等于各元件应变之和。变之和。2.2.并联组合体中各元件的应变相等；应力等于各元件应 并联组合体中各元件的应变相等；应力等于各元件应力之和。力之和。5.4.1 5.4.1 圣维南体（圣维南体（St.V:H-CSt.V:H-C）（1 1）力学模型）力学模型 5/23/2023 18图5-5 圣维南体力学模型（2 2）本构方程）本构方程 本构图形 本构图形5/23/2023 19（5-16）图5-6 圣维南体本构关系示意图（3 3）卸载特性）卸载特性 如在某一时刻卸载，使 如在某一时刻卸载，使，则弹性变形全部，则弹性变形全部恢复，塑性变形停止，但已发生的塑性变形永久 恢复，塑性变形停止，但已发生的塑性变形永久保留。保留。（4）圣维南体的特性 1.1.代表理想弹塑性体，它无蠕变，无松弛也无弹性 代表理想弹塑性体，它无蠕变，无松弛也无弹性后效。后效。2.2.本构关系与时间 本构关系与时间t t 无关，故不属于流变模型，但 无关，故不属于流变模型，但它是复合体模型中常见的一个组成部分。它是复合体模型中常见的一个组成部分。5/23/2023 205.4.25.4.2马克斯威尔体（马克斯威尔体（M:H-NM:H-N）（1 1）力学模型）力学模型（2 2）本构方程）本构方程 由串联关系可得：由串联关系可得：5/23/2023 21图5-7 马克斯威尔体力学模型 由于 由于所以本构方程为：所以本构方程为：（3 3）蠕变方程）蠕变方程 在恒定载荷 在恒定载荷 作用下，作用下，则 则，其本构方程，其本构方程可化简为：可化简为：解此微分方程，代入初始条件，得蠕变方程：解此微分方程，代入初始条件，得蠕变方程：5/23/2023 22（5-17 5-17）（5-18）（4 4）松弛方程）松弛方程 当保持 当保持 不变时，则有 不变时，则有，因此本构方程可变为：，因此本构方程可变为：解此方程，代入初始条件，可得松弛方程：解此方程，代入初始条件，可得松弛方程：（5 5）松弛时间）松弛时间 令，则（5-19）式可变为：当t=t1时 定义：规定应力降到初始应力的37%时，所需要的时间为松弛时间。5/23/2023 23（5-19）（6 6）马克斯威尔体的特性）马克斯威尔体的特性 1.1.具有瞬时变形 具有瞬时变形，并随着时间增长应变逐渐增大，即 并随着时间增长应变逐渐增大，即具有等速蠕变 具有等速蠕变的性质；2.2.当应变恒定时，应力随时间的增长而逐渐减小，即 当应变恒定时，应力随时间的增长而逐渐减小，即马克斯威尔体模型具有松弛效应。马克斯威尔体模型具有松弛效应。5/23/2023 24图5-8 马克斯威尔体的蠕变曲线和松弛曲线5.4.3 5.4.3 开尔文体（开尔文体（K:H/NK:H/N）（1 1）力学模型）力学模型（2 2）本构方程）本构方程 由于二元并联关系可得：由于二元并联关系可得：因此开尔文体的本构方程为：因此开尔文体的本构方程为：5/23/2023 25图5-9 开尔文体力学模型（5-20）（3 3）蠕变方程）蠕变方程 如果在 如果在 时，施加一个不变的应力 时，施加一个不变的应力 后，保持 后，保持恒定，根据本构方程可得：恒定，根据本构方程可得：解上述微分方程，代入初始条件，可得蠕变方程：解上述微分方程，代入初始条件，可得蠕变方程：（4 4）卸载方程）卸载方程 在 在 时卸载，即 时卸载，即，代入本构方程：，代入本构方程：5/23/2023 26（5-21）解上述微分方程可得：解上述微分方程可得：当 当 时，时，结合本构方程，可得卸载方程，结合本构方程，可得卸载方程：由式 由式（5-21 5-21）和（）和（5-22 5-22）可得如下曲线）可得如下曲线 5/23/2023 27或 或（5-22）图5-10 开尔文体蠕变曲线和弹性后效曲线（5 5）松弛方程）松弛方程 当模型的应变恒定时，即 当模型的应变恒定时，即，此时的本构，此时的本构方程为：方程为：由（由（5-23 5-23）式可以看出，当应变保持恒定时，应力）式可以看出，当应变保持恒定时，应力也保持恒定，并不随时间增加而减小，即本模型没 也保持恒定，并不随时间增加而减小，即本模型没有应力松弛性质。有应力松弛性质。（6）开尔文体的特性 1.1.属于稳定蠕变模型；属于稳定蠕变模型；2.2.具有弹性后效性质，没有松弛性质。具有弹性后效性质，没有松弛性质。5/23/2023 28（5-23）5.4.4 5.4.4 理想粘塑性体（理想粘塑性体（C/NC/N）（1 1）力学模型）力学模型 5/23/2023 29图5-11 理想粘塑性体力学模型（2 2）本构方程）本构方程 根据并联规则：根据并联规则：这两个元件的本构关系为：这两个元件的本构关系为：根据本构关系可知，当 根据本构关系可知，当 时，时，说明此时模，说明此时模型表现为刚体性质。但当 型表现为刚体性质。但当 时，时，此时，此时为理想粘塑性体。因此，本模型的本构方程为：为理想粘塑性体。因此，本模型的本构方程为：5/23/2023 30（5-24）（3 3）蠕变方程）蠕变方程 1.1.当 当 时，本模型属于刚体，没有蠕变性质。时，本模型属于刚体，没有蠕变性质。2.2.当 当 时，设有恒载 时，设有恒载，代入本构方程有：，代入本构方程有：解此微分方程，代入初始条件，可得蠕变方程：解此微分方程，代入初始条件，可得蠕变方程：（4）理想粘塑性体特性 本模型没有弹性和弹性后效，有不稳定蠕变。本模型没有弹性和弹性后效，有不稳定蠕变。5/23/2023 31（5-25）5.4.5 广义开尔文体（广义K:H-K）（1 1）力学模型）力学模型（2 2）本构方程）本构方程 由于串联有：由于串联有：对于弹簧有：对于弹簧有：对于开尔文体有：对于开尔文体有：5/23/2023 32图5-14 广义开尔文体力学模型所以 所以5/23/2023 33化简上式可得广义开尔文体本构方程：化简上式可得广义开尔文体本构方程：（5-26）（3 3）蠕变方程）蠕变方程 在恒定载荷 在恒定载荷 作用下，由于广义开尔文体由弹簧和 作用下，由于广义开尔文体由弹簧和开尔文体两部分组成，其蠕变也是由两部分组成。开尔文体两部分组成，其蠕变也是由两部分组成。对于弹簧只有瞬时变形 对于弹簧只有瞬时变形，对于开尔文体，其蠕变，对于开尔文体，其蠕变方程为 方程为，可应用叠加法，所以广义开，可应用叠加法，所以广义开尔文体在恒定应力作用下的蠕变方程为：尔文体在恒定应力作用下的蠕变方程为：5/23/2023 34（4 4）弹性后效（卸载效应）弹性后效（卸载效应）如果在 如果在 时刻卸载，虎克体产生的弹性变形 时刻卸载，虎克体产生的弹性变形 立即 立即恢复，但是开尔文体的变形则需要经过较长时间才 恢复，但是开尔文体的变形则需要经过较长时间才能恢复到零，其卸载方程和开尔文体的卸载方程相 能恢复到零，其卸载方程和开尔文体的卸载方程相类似，只是 类似，只是 用 用 代替即可。代替即可。其蠕变曲线和弹性后效曲线，如图 其蠕变曲线和弹性后效曲线，如图5-15 5-15 所示。所示。5/23/2023 35蠕变曲线t0弹性后效图5-15 广义开尔文体蠕变曲线和卸载曲线5.4.6 5.4.6 饱依丁饱依丁-汤姆逊体（汤姆逊体（PThPTh：H/MH/M）（1 1）力学模型）力学模型（2 2）本构方程）本构方程 本模型是由马克斯威尔体与虎克体并联而成，由并联规则：5/23/2023 36图5-16 饱依丁-汤姆逊体力学模型 由马克斯威尔体的本构关系可得：由马克斯威尔体的本构关系可得：由虎克体可得：由虎克体可得：即：即：代入化简，即可得到本模型的本构方程：代入化简，即可得到本模型的本构方程：5/23/2023 37则：则：且有 且有（5-28）（3 3）蠕变方程）蠕变方程 当在恒定的应力 当在恒定的应力 作用下，此时 作用下，此时，则本构方，则本构方程变为：程变为：解上述式微分方程，可得：解上述式微分方程，可得：从（从（5-29 5-29）分析可以得出：）分析可以得出：1.1.当 时，；2.当 时，可得：。5/23/2023 38（5-29）由 由1 1、2 2 可知（可知（5-29 5-29）式所表达的蠕变曲线如图）式所表达的蠕变曲线如图5-17 5-17所示，且此蠕变属于稳定蠕变。所示，且此蠕变属于稳定蠕变。（4 4）卸载方程（弹性后效）卸载方程（弹性后效）若本模型在受恒载 若本模型在受恒载 的 的 时刻突然卸载，此时产生 时刻突然卸载，此时产生的蠕变应变为：的蠕变应变为：5/23/2023 390t图5-17 饱依丁-汤姆逊体蠕变曲线 为了研究模型卸载后应变变化情况，因此令此时刻 为了研究模型卸载后应变变化情况，因此令此时刻为零时刻，即 为零时刻，即，并且有，并且有，根据本构方程，根据本构方程可得：可得：解上式微分方程可得：解上式微分方程可得：从（从（5-30 5-30）式可以看出：当）式可以看出：当 时的应变 时的应变；当 当 时，时，。应力在。应力在 时刻就已经为零了，时刻就已经为零了，而应变则需要更长时间才能回零，因而，本模型具 而应变则需要更长时间才能回零，因而，本模型具有弹性后效性质。有弹性后效性质。5/23/2023 40（5-30）（5 5）松弛效应）松弛效应 饱依丁 饱依丁-汤姆逊体是由一个马克斯威尔体和一个虎克 汤姆逊体是由一个马克斯威尔体和一个虎克体并联而成，马克斯威尔体具有松弛效应，因此，体并联而成，马克斯威尔体具有松弛效应，因此，如果保持本模型的 如果保持本模型的 不变，即 不变，即 保持不变，此时 保持不变，此时 保持恒定，而 保持恒定，而 由于松弛效应而减小，使得 由于松弛效应而减小，使得 也减 也减小。由此看来，本模型具有松弛性质。小。由此看来，本模型具有松弛性质。5.4.7宾汉姆体（1 1）力学模型）力学模型 5/23/2023 41图5-18 宾汉姆体力学模型（2 2）本构方程）本构方程 由串联可得：由串联可得：对于虎克体有：对于虎克体有：对于理想粘塑性体有：对于理想粘塑性体有：因此，宾汉姆体的本构方程为：因此，宾汉姆体的本构方程为：5/23/2023 42（5-31）（3 3）蠕变方程）蠕变方程 当模型在恒定应力 当模型在恒定应力 的作用下，此时 的作用下，此时。若。若 时，时，理想粘塑性体没有变形，只有弹簧有变形，但没有 理想粘塑性体没有变形，只有弹簧有变形，但没有蠕变；若 蠕变；若 时，根据本构方程（时，根据本构方程（5-31 5-31）式第二）式第二式可得：式可得：解此微分方程，代入初始条件，得蠕变方程为 解此微分方程，代入初始条件，得蠕变方程为：5/23/2023 43（5-32）（）0图5-19 宾汉姆体蠕变曲线（4 4）松弛方程）松弛方程 如果保持应变恒定，即 如果保持应变恒定，即，则，则。1.1.若应力值 若应力值，则理想粘塑性体为刚体，没有形，则理想粘塑性体为刚体，没有形变，此时的宾汉姆体相当一个虎克体，没有松弛。变，此时的宾汉姆体相当一个虎克体，没有松弛。2.2.若应力值在 若应力值在 的条件下，根据本构方程可知：的条件下，根据本构方程可知：解此微分方程，代入初始条件，可得松弛方程：解此微分方程，代入初始条件，可得松弛方程：5/23/2023 44（5-33）（）5.4.8 四元件组合体伯格斯体（1 1）力学模型）力学模型（2 2）本构方程）本构方程 在推导本构方程时，可将开尔文体 在推导本构方程时，可将开尔文体 和马克斯威 和马克斯威尔体 尔体 看成单个元件，然后应用串联运算规则，看成单个元件，然后应用串联运算规则，即可求出整个模型体的本构方程如下：即可求出整个模型体的本构方程如下：5/23/2023 45图5-21 伯格斯体力学模型（5-34）（3 3）蠕变方程）蠕变方程 在推导蠕变方程时，也可把开尔文体和马克斯威尔 在推导蠕变方程时，也可把开尔文体和马克斯威尔体的蠕变方程进行叠加，就可得出本模型的蠕变方 体的蠕变方程进行叠加，就可得出本模型的蠕变方程：程：（4 4）卸载效应）卸载效应 如果在某一时刻 如果在某一时刻 卸载，马克斯威尔体的弹簧 卸载，马克斯威尔体的弹簧k k2 2产 产生瞬时变形 生瞬时变形，但它的粘性元件，但它的粘性元件 也产生了永久变 也产生了永久变形 形；对于开尔文体卸载后，由于粘性元件；对于开尔文体卸载后，由于粘性元件 的作 的作用，使弹簧 用，使弹簧 的形变不能马上恢复，而只能经过相 的形变不能马上恢复，而只能经过相当一段时间后，才能使这两个元件的变形得以恢复，当一段时间后，才能使这两个元件的变形得以恢复，因此，这就使本模型具有了弹性后效效应。因此，这就使本模型具有了弹性后效效应。5/23/2023 46（5-35）（5 5）伯格斯体的特性）伯格斯体的特性1.1.具有瞬时弹性变形；具有瞬时弹性变形；2.2.具有减速蠕变、等速蠕变、弹性后效以及松弛效应 具有减速蠕变、等速蠕变、弹性后效以及松弛效应等性质；等性质；3.3.比较适合描述软岩的性质。比较适合描述软岩的性质。5/23/2023 47卸载曲线蠕变曲线0图5-22 伯格斯体蠕变和卸载曲线 5.4.9 5.4.9 五元件组合体五元件组合体西原体西原体（1 1）力学模型）力学模型（2 2）本构方程）本构方程 1.本模型在 本模型在 时，理想粘塑性体表现为刚体，没 时，理想粘塑性体表现为刚体，没有形变。因此，它就是广义开尔文体，它具有瞬时 有形变。因此，它就是广义开尔文体，它具有瞬时弹性变形、弹性后效、蠕变和松弛等性质。弹性变形、弹性后效、蠕变和松弛等性质。2.2.当 当 时，它与伯格斯体模型相似，只是应力 时，它与伯格斯体模型相似，只是应力要扣除 要扣除 即可。因此本模型的本构方程为：即可。因此本模型的本构方程为：5/23/2023 48图5-23 西原体力学模型（3 3）蠕变方程）蠕变方程 本模型的蠕变方程也可以应用叠加和变化列出：本模型的蠕变方程也可以应用叠加和变化列出：5/23/2023 49（5-36）（5-37）（4 4）西原体的特性）西原体的特性 1.1.在应力水平较低时具有广义开尔文体的性质，表现 在应力水平较低时具有广义开尔文体的性质，表现出稳定蠕变；出稳定蠕变；2.2.当应力水平超过岩石某一临界值后，理想塑性体的 当应力水平超过岩石某一临界值后，理想塑性体的性质以充分表现出来，本模型逐渐转化为不稳定蠕 性质以充分表现出来，本模型逐渐转化为不稳定蠕变性质；变性质；3.3.本模型比较适合模拟软岩的流变特性。本模型比较适合模拟软岩的流变特性。5/23/2023 505.6 岩石强度理论5.6.15.6.1概述概述（1 1）岩石强度理论）岩石强度理论 是研究岩石在各种应力状态下的强度准则的理论。是研究岩石在各种应力状态下的强度准则的理论。（2 2）强度准则）强度准则 表征岩石在极限应力状态下的应力状态和岩石强度 表征岩石在极限应力状态下的应力状态和岩石强度参数之间的关系。参数之间的关系。（3 3）应力正负号的规定）应力正负号的规定 1.1.以压应力为正，拉应力为负。以压应力为正，拉应力为负。2.2.剪应力使物体产生逆时针转动为正，反之为负。剪应力使物体产生逆时针转动为正，反之为负。3.3.角度以 角度以x x 轴正向沿逆时针方向转动所形成的夹角为 轴正向沿逆时针方向转动所形成的夹角为正，反之为负。正，反之为负。5/23/2023 51（4 4）基本应力公式）基本应力公式 任意角度截面的应力计算公式 任意角度截面的应力计算公式最大主应力和最小主应力的表达式 最大主应力和最小主应力的表达式 最大主应力与作用面的夹角5/23/2023 52图5-25 二维的应力状态 5.6.2 5.6.2 最大正应力强度理论最大正应力强度理论（1 1）实质）实质 材料破坏取决于绝对值最大的正应力。因此，对于 材料破坏取决于绝对值最大的正应力。因此，对于作用于岩体的三个主应力 作用于岩体的三个主应力，只要有一个主应，只要有一个主应力达到岩体或岩石的单轴抗压强度或单轴抗拉强度，力达到岩体或岩石的单轴抗压强度或单轴抗拉强度，岩体或岩石就会破坏。岩体或岩石就会破坏。（2 2）强度条件）强度条件 其中：其中：岩体或岩石单轴抗压强度及单轴抗拉 岩体或岩石单轴抗压强度及单轴抗拉强度的泛称。强度的泛称。5/23/2023 53或 或（3 3）应用条件）应用条件 本理论只适用于岩体单向受力状态或者脆性岩石在 本理论只适用于岩体单向受力状态或者脆性岩石在二维应力条件下的受力状态，所以对于处于复杂应 二维应力条件下的受力状态，所以对于处于复杂应力状态中的岩体不宜采用这种强度理论。力状态中的岩体不宜采用这种强度理论。5.6.3 5.6.3 最大正应变强度理论最大正应变强度理论（1 1）实质）实质 材料破坏取决于最大正应变，材料发生张性破坏的 材料破坏取决于最大正应变，材料发生张性破坏的原因是由于其最大正应变达到或超过一定的极限应 原因是由于其最大正应变达到或超过一定的极限应变所致。所以只要岩体中任意一方向的最大正应变 变所致。所以只要岩体中任意一方向的最大正应变达到其单轴压缩或单轴拉伸破坏时的应变值时，岩 达到其单轴压缩或单轴拉伸破坏时的应变值时，岩体或岩石就会破坏。体或岩石就会破坏。5/23/2023 54（2 2）强度条件）强度条件 式中：式中：根据广义虎克定律求出；根据广义虎克定律求出；由岩体或岩石 由岩体或岩石单轴压缩或单轴拉伸试验确定。单轴压缩或单轴拉伸试验确定。或由广义虎克定律 或由广义虎克定律，可写成如下形式：可写成如下形式：其中：其中：三个主应力；三个主应力；岩体泊松比；岩体泊松比；泛指岩体单轴抗压强度及单轴抗拉强度。泛指岩体单轴抗压强度及单轴抗拉强度。（3 3）应用条件）应用条件 本强度理论只适用于无围压或低围压条件下的脆性 本强度理论只适用于无围压或低围压条件下的脆性岩石或岩体，而不宜用于岩体的塑性变形。岩石或岩体，而不宜用于岩体的塑性变形。5/23/2023 555.6.4 最大剪应力强度理论（1 1）实质）实质 材料的破坏取决于最大剪应力。即当岩体所承受的 材料的破坏取决于最大剪应力。即当岩体所承受的最大剪应力达到其极限剪应力时，岩体便发生剪切 最大剪应力达到其极限剪应力时，岩体便发生剪切破坏。破坏。（2 2）强度条件）强度条件 或者可写成如下解析形式：或者可写成如下解析形式：（3）应用条件 本理论比较适合岩体弹塑性分析，但这种强度理论 本理论比较适合岩体弹塑性分析，但这种强度理论没有考虑中间主应力的影响。没有考虑中间主应力的影响。5/23/2023 56或 5.6.5 5.6.5 库仑准则库仑准则（1 1）实质）实质 岩石的破坏主要是剪切破坏，岩石的强度，即抗摩 岩石的破坏主要是剪切破坏，岩石的强度，即抗摩擦强度等于岩石本身抗剪切摩擦的粘结力和剪切面 擦强度等于岩石本身抗剪切摩擦的粘结力和剪切面上的法向力产生的摩擦力。上的法向力产生的摩擦力。（2 2）强度条件）强度条件库仑准则的莫尔应力圆 库仑准则的莫尔应力圆直观图解 直观图解 应力摩尔圆方程 应力摩尔圆方程 5/23/2023 57图5-26 坐标下库仑准则（3 3）库伦）库伦-摩尔圆的力学意义 摩尔圆的力学意义 1.1.如果应力圆上的点落在强度曲线 如果应力圆上的点落在强度曲线AR AR 之下，则说明 之下，则说明该点表示的应力还没有达到材料的强度值，故材料 该点表示的应力还没有达到材料的强度值，故材料不会破坏；不会破坏；2.2.如果应力圆上的点超过了该区域，则说明该点表示 如果应力圆上的点超过了该区域，则说明该点表示的应力以超过了材料的强度并发生破坏；的应力以超过了材料的强度并发生破坏；3.3.如果应力圆正好与强度曲线相切，则说明材料处于 如果应力圆正好与强度曲线相切，则说明材料处于极限平衡状态，岩石所产生的剪切破坏将可能在该 极限平衡状态，岩石所产生的剪切破坏将可能在该点所对应的平面上发生。点所对应的平面上发生。（4 4）定义）定义 破断角是指最大主应力方向与剪切面间的夹角 破断角是指最大主应力方向与剪切面间的夹角。由图 由图5-26 5-26 可得：可得：5/23/2023 58（5 5）一些重要关系）一些重要关系 由图 由图5-26 5-26 可知 可知 若用平均主应力 若用平均主应力 和最大剪应力 和最大剪应力 表示，则上式变 表示，则上式变为：为：另外还可以得到：另外还可以得到：5/23/2023 59（5-51）（5-52）若令 若令，则极限应力，则极限应力 为岩石的单轴抗压强度 为岩石的单轴抗压强度，即：，即：利用三角恒等式有：利用三角恒等式有：根据（根据（5-53 5-53）式和（）式和（5-54 5-54）式，（）式，（5-52 5-52）式可变成：）式可变成：5/23/2023 60（5-54）（5-55）（5-53）5.6.6 5.6.6 莫尔强度理论莫尔强度理论（1 1）实质）实质 材料性质本身也是应力的函数。且指出 材料性质本身也是应力的函数。且指出“到极限状 到极限状态时，滑动面上的剪应力达到一个取决于正应力与 态时，滑动面上的剪应力达到一个取决于正应力与材料性质的最大值 材料性质的最大值”。可用函数关系表示：。可用函数关系表示：（2 2）函数曲线的力学意义）函数曲线的力学意义 1.1.表示对应于各种应力状态下的破坏莫尔应力圆包 表示对应于各种应力状态下的破坏莫尔应力圆包络线，即各破坏莫尔圆的外公切线，称为莫尔强度 络线，即各破坏莫尔圆的外公切线，称为莫尔强度包络线 包络线。所谓莫尔强度包络线就是指有各极限应力 所谓莫尔强度包络线就是指有各极限应力圆的破坏点所组成的轨迹线。圆的破坏点所组成的轨迹线。5/23/2023 61 2.2.这条曲线可以判断岩石中一点是否发生剪切破坏，这条曲线可以判断岩石中一点是否发生剪切破坏，如果应力圆与包络线相切或相割，则研究点将产生 如果应力圆与包络线相切或相割，则研究点将产生破坏；如果在包络线下方，则不会产生破坏。破坏；如果在包络线下方，则不会产生破坏。3.3.包络线形式有：斜直线型、二次抛物线型、双曲 包络线形式有：斜直线型、二次抛物线型、双曲线型等，其中斜直线型与库仑准则基本一致，可以 线型等，其中斜直线型与库仑准则基本一致，可以说，库仑准则是莫尔准则的一个特例。说，库仑准则是莫尔准则的一个特例。5/23/2023 62图5-27 完整岩石的莫尔强度曲线 a 单向抗拉；b-单向抗压；c-三向受压（3 3）二次抛物线型）二次抛物线型 1.1.包络曲线图 包络曲线图5/23/2023 63图5-28 二次抛物线型强度包络线 2.2.函数形式 函数形式式中：式中：岩石的单轴抗拉强度；岩石的单轴抗拉强度；n n 待定系数 待定系数。利用图 利用图5-28 5-28，有下列关系式：，有下列关系式：并且有：并且有：5/23/2023 64（5-57）（5-58）（5-59）将（将（5-59 5-59）式代入（）式代入（5-58 5-58）式，并消除式中的）式，并消除式中的，得，得二次抛物线型包络线的主应力表达式为：二次抛物线型包络线的主应力表达式为：在单轴压缩条件下，有 在单轴压缩条件下，有 则可根据（则可根据（5-5-60 60）式解得待定系数）式解得待定系数n n，即：，即：因此，利用（因此，利用（5-57 5-57）式、（）式、（5-60 5-60）式和（）式和（5-61 5-61）式，）式，可判断岩石试件是否破坏。可判断岩石试件是否破坏。5/23/2023 65（5-60）（5-61）（4 4）双曲线型）双曲线型 函数表达式：函数表达式：式中：式中：包络线渐近线的倾角，包络线渐近线的倾角，。（5 5）适用范围）适用范围 1.1.二次抛物线形的比较适合岩性为中软以下的岩石，二次抛物线形的比较适合岩性为中软以下的岩石，如泥灰岩、砂岩、泥质页岩等；如泥灰岩、砂岩、泥质页岩等；2.2.双曲线形比较适合岩性为中硬以上的岩石，如砂岩、双曲线形比较适合岩性为中硬以上的岩石，如砂岩、灰岩、花岗岩等。灰岩、花岗岩等。5/23/2023 66（5-62 5-62）（6 6）优缺点）优缺点 1.1.优点：优点：1 1）实质上是一种剪应力强度理论，该理论比较全面的）实质上是一种剪应力强度理论，该理论比较全面的反映了岩石的强度特征，它既适用于塑性岩石也适用于 反映了岩石的强度特征，它既适用于塑性岩石也适用于脆性岩石的剪切破坏；脆性岩石的剪切破坏；2 2）反映了岩石的抗拉强度远小于抗压强度这一特性；）反映了岩石的抗拉强度远小于抗压强度这一特性；3 3）能解释岩石在三轴等拉时会破坏，而在三轴等压时）能解释岩石在三轴等拉时会破坏，而在三轴等压时不会破坏的特点。不会破坏的特点。2.2.缺点：缺点：1 1）忽略了中间主应力的影响，与试验结果有一定的误）忽略了中间主应力的影响，与试验结果有一定的误差；差；2 2）只适用于剪切破坏，受拉区的适应性还有待于进一）只适用于剪切破坏，受拉区的适应性还有待于进一步探讨，不适用于岩石的膨胀和蠕变破坏。步探讨，不适用于岩石的膨胀和蠕变破坏。5/23/2023 675.6.7 5.6.7 格里菲斯（格里菲斯（GriffithGriffith）强度理论）强度理论（1 1）理论的基本思想）理论的基本思想 1 1 在脆性材料的内部存在随机分布的许多扁平的裂 在脆性材料的内部存在随机分布的许多扁平的裂纹，这些微小的裂纹，在数学上可用一个扁平的椭 纹，这些微小的裂纹，在数学上可用一个扁平的椭圆来描述。圆来描述。2 2 根据理论分析，随着作用的外力增大，裂纹将沿 根据理论分析，随着作用的外力增大，裂纹将沿着与最大拉应力成直角的方向扩展，最后逐渐向最 着与最大拉应力成直