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岩石蠕变

2020-04-09 21:02

在应力和温度不变的情况下,岩石变形(或应变)随时间增长的现象,又称岩石徐变。

自然界中岩石蠕变是缓慢而不易察觉的,但这种缓慢变形的积累可造成严重后果,如山崩、洞室坍塌等。岩石蠕变在室内用单轴压缩、三轴压缩和扭转试验研究,以单轴压缩试验用得最广,试验结果用蠕变曲线表示。蠕变曲线有2种类型:①稳定蠕变曲线,如图1中的曲线1和曲线2,蠕变甚小,施加荷载后,短期内变形就趋稳定;②不稳定蠕变曲线,如图1的曲线3,变形达到一定值时就以某种常速率不停地增长,直至破坏。不稳定蠕变主要发生在软弱岩石中,但坚硬岩石的应力超过屈服界限时也可产生不稳定蠕变。岩石不稳定蠕变曲线可分为3个阶段(参见徐变力学):第1阶段曲线向下弯曲,历时较短,这阶段的蠕变称岩石瞬时蠕变,如将所加荷载骤然卸去,应变可随着时间恢复到零,即无残余变形;第2阶段曲线具有近似不变的斜率,这阶段蠕变称岩石稳态蠕变,在该阶段内卸载岩石有残余变形;第3阶段曲线的斜率逐渐变陡,这阶段的蠕变称岩石加速蠕变,蠕变速率增长,最终使岩石脆性断裂或塑性破坏。

图1 在10MPa的常应力和室温下岩石的蠕变曲线

1—花岗岩;2—砂岩;3—页岩

影响岩石蠕变的主要因素有:①应力。如图2所示。当应力小时,蠕变速率缓慢,可能渐趋稳定;当应力大时,蠕变加速,应力愈大,蠕变速率也愈大,可能引起破坏。蠕变速率一般与应力的幂函数(σn)成比例。②温度。温度愈高,蠕变变形愈大。当低温时,蠕变近似地与时间的对数、应力和温度等成比例;在高温时,蠕变近似地与时间幂函数(tm)及应力幂函数(σn)成比例,指数m和n随温度升高而增大。③加载速率。当应力相同时,蠕变变形随着加载速率的减小而增大。此外,岩石蠕变还与湿度有关。

工程上研究岩石蠕变规律常用力学模型。目前有多种力学模型,在平常温度和中等水平的应力作用下,可用鲍格斯(Burgers)四元件模型来描述岩石蠕变特性,见图3(a)。利用这种模型导出的应变(ε)随时间(t)的关系为

图2 雪花石膏在水中的蠕变(曲线上的数字是单轴压应力值,单位:MPa)

式中,σ0为瞬时施加的单轴荷载,MPa;e为自然对数之底;E1、E2为常数,MPa;η1、η2为常数,MPa·s,由实验决定。该模型可模拟岩石的瞬时应变、瞬时蠕变、稳态蠕变[图3(b)],以及卸载后的蠕变[图3(c)]。

图3 鲍格斯四元件蠕变模型和蠕变曲线

(a)四元件模型;(b)蠕变曲线;(c)卸载后的蠕变曲线

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