（岩土工程专业论文）长大深埋隧洞大理岩结构面剪切蠕变试验和本构模型研究.pdf

河海大学硕士学位论文 摘要 结构面( 包括断层，破碎带，泥化夹层，节理和裂隙等) 破坏了岩体的连续性和完 整性，对围岩、边坡、岩基的长期持续稳定性构成潜在的威胁。结构面的流变力 学性质往往控制着岩体的实效变形，对岩石工程进行稳定性评价以及在结构设计 与施工中都必须考虑岩石结构面的流变属性。 锦屏二级水电站利用雅砻江1 5 0 k m 大河弯的巨大天然落差裁弯耿直，开挖 隧洞引水发电，隧洞具有洞线长、洞径大、埋深大的特点，且引水隧洞处于高地 应力区与高外水压力区。隧洞丌挖区岩石结构面的流变特性直接影响着锦屏二级 水电站的长期稳定性。因此，本文结合引水隧洞工程地质情况，选取大理岩洞段 作为研究对象，通过试验手段对大理岩结构面的蠕变特性进行研究，分别进行了 相同结构面在不同应力水平下的剪切蠕变试验和相同应力水平时不同结构面粗 糙度下的结构面剪切蠕变试验。在试验基础上，分析在长期荷载作用下大理岩结 构面的蠕变变形特性，为建立结构面流变特性的力学模型提供试验的依据，结论 如下； 1 大理岩结构面在不同正应力水平和不同粗糙度下都没有出现加速蠕变阶 段，其破坏过程持续的时自j 极为短暂，呈现出明显的瞬态特征。 2 采用对数型经验公式u ( 0 = a + b i n ( 1 + c t ) 对结构面剪切蠕变试验结果进 行拟合，结果表明，该经验模型能很好的反映结构面剪切变形随时间的变化，拟 合相关系数都在0 9 7 以上。且经验模型中的参数a ，b 与所施加的法向正应力， 切应力以及结构面的粗糙度有关。 3 用h - k 模型来描述大理岩结构面的蠕变特性有很大的误差。本文通过两 种方法来改进模型，并取得了理想的拟合效果。一是通过多串联一个k 体来对 弹性后效进行补充，所建立的五元件模型能很好的描述结构面的剪切蠕变特性； 一是通过考虑剪切模量的时间效应来改进蠕变方程，并选用模型中k 体的剪切 模量为非定常参数，所建立的非定常模型对试验结果拟合很好。 4 拟合结果表明，所建立的结构面剪切蠕变模型能有效的描述大理岩结构 面的剪切蠕变特征。 关键词：结构面：剪切蠕变；经验公式；五元件模型；时间效应；非定常参数 河海大学硕士学位论文 a b s t r a c t s t r u c t u r a ls u r f a c e ( i n c l u d i n gf a u l t a g e ，c r u s hb e l t ，a r g i l l i z a t i o ni n t e r l a y e r ，j o i n t s a n df i s s u r e s ，e t c ) d e s t r o y e dt h ec o n t i n u i t ya n di n t e g r i t yo ft h er a c k , a n dl e a da p o t e n t i a lt h r e a tt ot h el o n g - t e r ms t a b i l i t ya n ds e c u r i t yo fr o c k , s l o p ea n dt h er o c k f o u n d a t i o n t h er h e o l c l 百c a la n dm e c h a n i c a lo fs t r u c t u r a ls u r f a c eo f t e ni nc o n t r o lo f t h er o c kd e f o r m a t i o n ，w h i c hm u s tb et a k e ni n t oa c c o u n tt ot h ee v a l u a t i o no ft h e s t a b i l i t y , s t r u c t u r a ld e s i g na n dc o n s t r u c t i o n 1 1 1 ej i n p i n gh y d r a u l i cp o w e rp l a n tc u r v ec u t - o f f t h ey a l o n gr i v eg r e a tf i v e rb e n d w i t l 】l5 0 k ml o n ga n dh u g en a t u r a ld r o pt oe x c a v a t et u n n e lt og e n e r a t ee l e c t r i c i t y t h e t u n n e li sv e r yl o n g ，g r e a ta n dd e e pb u r i e d ，w h i c hi si nt h ea r e ao f h i g ht e r r e s t r i a ls t r e s s a n dh i 【g he x t e r n a lw a t e rp r e s s u r e t h e n , b yt h ee n g i n e e r i n gg e o l o g yo fj i n p i n g h y d r o p o w e rs t a t i o n sd i v e r s i o nt u n n e l ，t h i sp a p e rs e l e c t e dm a r b l ea sas t u d yo b j e c t ， r e s e a r c ht h ec r e e pc h a r a c t e r i s t i c so f m a r b l es t r u c t u r a ls u r f a c et h r o u g h t e s t i i l g ，d os h e a r c r e e pt e s ti nd i f f e r e n ts t r e 鹊l e v e l sb ys a m es t r a c t u r a ls u r f a c e , a n dd oa n o t h e rs h e a r c r e e pt e s tw i t hd i f f e r e n ts t r u c t u r a l 霸舡f h c er o u g h n e s si nt h es 咖es t r e s sl e v e l o nt h e b a s i so fe x p e r i m e n t s ，a n a l y z et h ec r e e pd e f o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i co ft h em a r b l e s t r u c t u r a ls u r f a c ei nt h el o n g - t e r ml o a d t h e np r o v i d et h eb a s i sb ye x p e r i m e n t st o e s t a b l i s ht h er h e o l o g i c a lt h e o r yo ft h es t r u c t u r a ls u r f a c e ，s o m ec o n c l u s i o n sa s f o i l o w $ ： 1 i nd i f f e r e n ts t l 既sl e v e l sa n dd i f f e r e n tr o u g h n e s s ，t h es h e a rc r e e pt e s to fm a r b l e s t r u c t u r a ls u r f a c ei sa l s ow i t h o u ta c c e l e r a t e dc r e e ps t a g e t h ed e s m l c t i o np r o c e s si s e x t r e m e l ys h o r td u r a t i o n , s h o w i n gas i g n i f i c a n tt r a n s i e n tc h a r a c t e r i s t i c s ， 2 u s i n ge m p i r i c a lm o d e lu ( t ) = a + b i n ( 1 + c f ) t 0f i tt h es h e a rc r e e pt e s t r e s u l t s ，i ts h o w st h a tt h ee m p i r i c a lm o d e lc a nb ew e l lr e f l e c t e dt h es h e a rd e f o r m a t i o n c h a n g e sa l o n gw i t l lt i m e t h ef i t t i n gc o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n ta l la b o v e0 9 7 a n dt h e p a r a m e t e r si nt h ee m p i r i c a lm o d e l s u c ha sa a n dbr e l a t e d 埘t i 】t h ed i r e c ts t r e s s , s h e a rs t r e s s ，a n dt h er o u g h n e s so f t h es t r u c t u r a ls u r f a c e 3 h km o d e lu s e dt ud e s c r i b et h et h ec r e e pc h a r a c t e r i s t i c so fm a r b l es t r u c t u r a l s u r f a c eh a dg r e a te i t o 侣i nt h i sp a p e r , t w ok i n d so f m e t h o d sw e r eu s e dt oi m p r o v et h e m o d e l ，a n dh a da c h i e v e ds a t i s f a c t o r yr e s u l t s o n ew a st h r o u g hm u l t i p l es e r i e so fk m o d e lt os u p p l e m e n tt h ee l a s t i ca f t e r e f f e c t ，t h ee s t a b l i s h e dm o d e lo ff i v ec o m p o n e n t s w a sw e l lt od e s e r i p t i o nt h es h e a rc r e e pc h a r a c t e r i s t i c so ft h es t r u c t u r a ls u r f a c e ； a n o t h e rw f l sb yc o n s i d e r i n gt h et i m ee f f e c to fs h e a rm o d u l u st oi m p r o v et h ec r e e p e q u a t i o n , a n du s et h es h e a rm o d u l u so fkm o d e la su n s t e a d yp a r a m e t e r s 。t h e n o n s t e a d ym o d e lf i tt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sv e r yw e l l 4 1 1 抡f i t t i n gr e s u l t ss h o wt h a tt h es h e a rc r e e pm o d e lo fm a r b l es t r u c t u r a ls u r f a c e 1 1 1 w h i c hw a se s t a b l i s h e db yt h i s 彤i p 盯c a bb ee f f e c t i v e l yd e s c r i b e dt h es h e a rc r e e p c h a r a c t e r i s t i c so f m a r b l es m l c m m ls u r f a c e k e y w o r d s ：s t r u c t u r a ls u r f a c e ；s h e a rc r e e p ；e m p i r i c a lf o r m u l a ；f i v ec o m p o n e n t s m o d e l ；u n s t e a d yp a r a m e t e r s 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工 作的同事对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者c 签名，：_ 乒鞋一瑚8 年；月万日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术 期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或 电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子 文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外， 允许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权 河海大学研究生院办理。 敝储c 签鼽型卜一2 8 年丐月西日 河海大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 岩石是一种地质材料，从唯象学的角度看，它应是一种流变介厨“。岩石( 体) 属非均质、不连续、各向异性的流变介质，在长期荷载的作用下，工程岩体的应 力应变状态、变形破坏特征均随时间而不断发生变化，即具有显著的时间效应。 研究岩体的流变特性对于合理解释岩体工程的时效力学行为，掌握其应力和变形 规律，评价岩体与工程结构物的长期稳定和运行安全等皆具有十分重要的意义。 岩石的流变性是指岩石在外界荷载、温度等条件下呈现出与时间有关的变形、流 动和破坏等性质，主要表现在弹性后效、蠕变、松弛、应变率效应、时效强度和 流变损伤断裂等方面 2 1 。岩石流变是岩石地下工程、构筑物基础、边坡及滑坡产 生大变形乃至失稳的重要原因之一，工程实践与研究表明p 。习，岩体的失稳破坏 与时间密切相关，地下隧道工程在竣工数十年后仍可出现蠕变变形和支护结构开 裂等现象”。如座落在法国英丹和巴东纳什之间的弗雷儒斯公路隧道由于页岩流 变导致洞壁收敛变形达4 0 0 m m 以上【。5 】；我国南昆铁路的家竹著隧道有1 1 5 7 m 长 的洞段穿过煤系地层，由于隧洞埋深大，地质条件差，在高地应力作用下软岩的 流变问题十分突出，严重威胁着围岩的稳定及施工安全【1 6 r ”i 。我国首批用新奥法 施工的隧道如下坑、南岭、吴庄、望岭、岭前等经过z 嗡年的时间观测发现，这 些隧道的内衬应力和变形均在逐年上升i l 引。另外，岩质边坡的蠕变破坏也十分常 见，边坡的蠕变变形与失稳同样对工程建设以及修建在边坡内或与边坡相邻的建 筑物安全等构成威胁【l 叼i 】；抚顺西露天矿北帮边坡在每年汛期所产生的蠕动变 形给矿山生产和地面建筑物带来了巨大的损失瞄l ；红水河龙滩水电站位于左岸坝 肩及上游段的蠕变岩体边坡在施工开挖期间一直产生缓慢的倾倒变形，有十多处 发生塌滑或变形开裂，边坡的长期稳定性直接威胁到整个枢纽的安全 2 3 l 。 当前，由于我国国民经济快速发展的需要，导致岩土工程的开挖强度日益增 大，施工设计中充分考虑围岩的这种流变效应尤为重要。锦屏二级水电站位于四 川凉山雅砻江干流之上，装机容量4 4 0 0 m w ，属一级大型工程。电站由首部低闸、 引水隧洞、地下厂房三部分组成。电站利用雅砻江1 5 0 k m 大河弯的巨大天然落 差裁弯取直，开挖隧洞引水发电。隧洞洞长1 6 1 9k m ，洞径l l m ，一般埋深 1 5 0 0 - - 2 0 0 0m ，最大埋深2 5 0 0m ，属洞线长、洞径大、埋深极大的大型引水隧洞。 结构面的流变力学性态往往控制着岩体的实效变形和长期强度。研究各类结构面 的时效特征是岩石流变学的一项重要的内容。由于结构面的流变性态非常复杂， 影响因素也很多，相关的研究成果也很少。因此，对锦屏深埋隧洞围岩进行结构 第一章绪论 面剪切流变实验研究，以期获得对岩石和结构面的时效本构特征及蠕变规律的认 识，建立适合的流变模型，对深入了解围岩的流变力学特性与工程的长期稳定性 具有重大意义。 i 2 国内外研究现状 1 2 1 岩石流变力学特性的试验研究 国外自2 0 世纪以来，即开始对岩石流变特性及其本构关系开展大量试验。 d w h o b b s ( 1 9 0 9 ) 幽1 研究了七种岩石单轴压缩的应力应变时日j 的关系，并给出了 轴向的应变一时间关系式：g r i g g s ( 1 9 3 9 ) 2 5 1 对灰岩页岩和砂岩等岩石进行蠕变试 验，指出砂岩和粉砂岩等岩石中，当载荷达到破坏荷载的1 2 5 8 0 ，就发生蠕 变的观点；m a t s u s h i m “1 9 6 0 ) 1 2 6 和j e a g e r ( 1 9 7 9 ) 1 2 7 】对花岗岩和大理岩进行了单轴 流变试验研究：d m c r u d e n ( 1 9 7 4 ) 1 2 卅提出单轴压缩岩石中的蠕变是由于岩石中己 经存在的裂隙的发育引起的并且给出了应力与时间的关系式；d e s i n g h ( 1 9 7 5 ) 咧 通过试验发现大理石的轴向和侧向的蠕变曲线皆存在三个阶段并且侧向的蠕变 速率远远大于轴向，并且提出当受到高于屈服强度的应力时，幂函数形式的曲线 最适合于大理石蠕变的第二阶段：s e n s e n y ( 1 9 8 1 ) 1 3 0 l 通过室内三轴压缩蠕变试验研 究了盐岩蠕变的尺寸效应及加载历史的影响；v o u i l l e ( 1 9 8 1 ) 3 h 等人系统地开展了 不同温度，偏应力及围压条件下盐岩的单轴、三轴蠕变试验，并通过对其松弛特 性的研究探讨了盐岩的蠕变破坏准则；h u n s c h e u ( 1 9 8 5 ) p 2 1 和p l i s c h k e 1 ( 1 9 8 9 ) 3 3 1 在现场对长1 5 米高4 米的两个岩盐矿柱进行了长期蠕变试验研究，结果表明， 室内小尺寸岩样的蠕变试验结果与两个大矿柱的蠕变试验结果定性上相吻合，即 可用相同的流变力学模型和本构方程来描述；i t o h ( 1 9 8 7 ) 州对花岗岩进行了历时 三十年的弯曲蠕变试验研究，结果表明，花岗岩呈粘滞流动而没有屈服应力； o k u b o ( 1 9 9 1 ) 3 5 j ，等在自行研制的具有伺服控制系统的刚性试验机上完成了大理 岩、砂岩和安山岩等岩样的压缩蠕变曲线的全过程测试，获得了岩石加速蠕变阶 段完整的应变一时间关系曲线，并据此提出描述岩石三阶段蠕变的本构方程； k o r z e n i o w s k i ( 1 9 9 1 ) 1 3 6 1 对白云岩矿柱开展现场承压板法的蠕变试验，采用b u r g e r s 模型拟合了试验结果；m a t s u m o t o ( 1 9 9 6 ) | 3 q 对沉积软岩进行了蠕变特性试验及相 关数学模型的研究；m a l a n ( 1 9 9 7 ，1 9 9 8 ，1 9 9 9 ) 1 3 s - 4 0 1 在研究南非金矿深部开采岩体的 破裂机制时发现对于埋深2 0 0 0 m 以上的岩石，即使是坚硬的石英岩和火成岩， 其流变效应也是十分显著的；m a r a n i n i ( 1 9 9 9 ) 4 j j 对p i e t r al e c c e 辩石灰岩进行了单 轴、三轴压缩蠕变试验，研究表明蠕变变形的机理主要为低围压下裂隙扩展和高 应力下孔隙闭合；他通过不同围压下花岗岩的三轴蠕变试验，基于c r i s t e s c u 理 论提出了描述岩石蠕变的非关联粘塑性本构方程【4 2 1 ；f u j i i y ( 1 9 9 9 ) 4 3 1 对花岗岩和 2 河海大学颐士学位论文 砂岩进行了三轴蠕变试验后，分析了轴向应变、环向应变和体积应变三种蠕变曲 线，同时指出环向应变可以用来作为蠕变试验和常应变速率试验中的判断岩石损 伤的指针： 国内，刘家应( 1 9 8 2 ) 对黄崖不稳定边坡的蠕变特征进行了探讨，得到了黄 崖不稳定边坡变形与时间的回归关系式，最后对黄崖不稳定边坡监测提出了几点 建议；黎克b ( 1 9 8 3 ) 1 4 5 j 对岩体中泥化夹层进行了流变试验研究，提出了其长期强 度的确定方法；吴玉t h ( 1 9 8 6 ) 1 4 6 1 对具有软弱夹层及断层破碎带的不良岩体，进行 了现场流变试验，并根据推广的开尔文模型，确定了有关流变参数；夏才初 0 9 9 0 ) t 47 殖过对锡矿山南矿页岩三组不同尺寸试件进行单轴压缩蠕变试验研究， 对岩石流变性的尺寸效应进行了探讨结果表明，岩石流变特性是具有尺寸效应 的，不同尺寸岩石试件均可用相同的流变力学模型和本构方程来描述，但不同尺 寸岩石之日j 的流变模型参数的数值存在较大差异，岩石的瞬时弹性模量和粘弹性 模量均随试件尺寸增大而呈幂律衰减关系，而岩石的枯性交形能力则随试件尺寸 的增大而增强，据此可以利用模型参数随尺寸的变化规律来外推岩体流变力学模 型参数，从而供岩体工程稳定性分析用；徐平( 1 9 9 2 1 i 【4 8 j 和夏熙伦( 1 9 9 6 ) h 9 j 分别介 绍了有关长江三峡花岗岩及岩体结构面蠕变试验研究成果及基于监测资料的蠕 变参数反演成果，同时分析了船闸高边坡岩体时效特征的长期稳定性，探讨了岩 体流变参数对边坡稳定的敏感性：凌建民( 1 9 9 3 ) 垆0 j 通过单轴或多轴试验证明，岩 体体积应变具有显著的时效特征，是轴向应力和围压之差导致的，同时通过电镜 扫描分析证明，蠕变裂隙扩展既是蠕变变形的重要组成部分，又与损伤的逐渐累 积有关；李晓( 1 9 9 4 ) i5 1 】利用m t s 8 1 5 0 2 电液伺服试验机，采用加载一稳压伺服控 制方式，对泥岩峰后区进行了三轴压缩蠕变试验，首次得到了泥岩试件的峰后蠕 变特性曲线，研究结果表明，岩石峰后蠕变曲线由等速稳态蠕变和加速蠕变两阶 段组成，且属于不稳定蠕变类型，蠕变速率比峰前岩石材料高2 3 个数量级，轴 向和围压的微小改变都将对峰后蠕变特性产生显著影响；邱贤德( 1 9 9 5 ) 1 5 2 1 采用自 行设计的杠杆式流变仪，对长山和乔后岩盐的蠕变、松弛和弹性后效流变力学特 性进行了试验研究，指出长山岩盐的变形受位错及晶侧界面的控制，在长期蠕变 中以位错滑移为主，该岩盐主要呈现脆性破坏，而乔后岩盐是一种复杂的粘弹塑 性体，屈服应力很低，最后基于试验结果，建立了单向应力状态下最大应变破坏 准则；李永盛f 1 9 9 5 ) 1 5 3 】研究了单轴压缩条件下，四种岩石的蠕变和松弛试验，总 结了岩石的变化规律，认为在一定水平的定常应力作用下，岩石材料一般都出现 蠕变速率减小、稳定和增大三个变化阶段，但各阶段的出现与否及其延续的时间， 则与所观测的岩石性质和所施加的应力水平有关；周火明( 1 9 9 8 ) m j 在三峡工程坝 址试验洞内开展了岩体单轴、三轴压缩蠕变试验和岩体剪切蠕变试验，研究表明 第一章绪论 岩体应变曲线以及时间曲线与室内试验结果相一致且在低应力水平下的蠕变特 性仍可用广义开尔文模型来描述，同时还对三峡工程岩体结构蟊进行了现场剪切 蠕变试验，给出了岩体结构面的蠕变模型及相应的蠕变参数：g ：在泉( 1 9 9 9 ) 1 鲇l 对边坡工程中的泥化夹层进行了饱和不排水流变试验，基于流变试验结果，提出 了泥化夹层的流变模型并给出了流变参数确定方法：赵法锁( 2 0 0 1 1 f 删对边坡石 膏角砾岩的流变力学特性进行了单轴和三轴压缩试验研究，提出应注意水和结构 对岩石流变力学特性的影响，同时他还对破坏后的岩样进行了电子显微镜扫描分 析，从微细观分析了石膏角砾岩的流变破坏机理；刘绘新( 2 0 0 2 ) i s 7 】研制了能加温 加压的常规三轴蠕变实验装置，对深层盐岩进行了常规三轴蠕交试验，探讨了温 度和围压对盐岩蠕变特性的影响关系，指出围压越大，变形率越小，进入稳念蠕 变和加速蠕变的时间越晚，第1 i 阶段越明显，越不容易进入加速蠕变阶段，而温 度越高，发生稳定蠕变和加速蠕变的时问越早，岩石的长期强度越低，越容易进 入加速孀变阶段；吕爱钟、丁志坤( 2 0 d 3 ) s & 5 嘲岩石单轴压缩蠕变进行了秸弹性 非定常分析；杨松林( 2 0 0 3 ) 6 0 对节理岩体流变特性进行了剪切试验研究，指出 粘聚力对时间效应的敏感性高于内摩擦系数，相对于节理短期抗剪强度而言，节 理长期抗剪参数中的内摩擦系数降低了2 0 e ，粘聚力降低了6 7 ；沈明荣( 2 0 0 4 ) 1 6 1 】 通过对规则齿形结构面进行双轴应力剪切蠕变试验，分析了规则齿形结构面蠕变 的基本规律，同时以b u r g e r s 模型辨识出模型参数，模型曲线和试验结果吻合很 好；刘光廷( 2 0 0 4 ) 嘟】利用岩五双轴流变试验机，对砾岩进行了多辘流变试验研究。 探讨了干燥和饱水两种状态下以及不同侧压下砾岩的流变力学特性，并将研究成 果应用于拱坝的稳定分析中。 1 2 2 岩石流变本构模型的研究 关于岩石流变本构模型的理论研究，经过几十年的发展，岩石力学与工程界 已经积累了许多研究成果，下面将从流变经验模型和元件模型、损伤流变本构模 型以及流变模型辨识和参数反演等几个方面来评述岩石流变本构模型的研究进 展。 ( 1 ) 经验模型 经验本构模型通常是在岩石流变试验的基础上根据试验数据建立岩石的应 力、应变( 或应变速率) 与时间的函数关系式。几种常见的蠕变经验公式有对数函 数型、幂函数型、指数函数型以及多项式等类型，描述岩石变形一时间曲线全过 程的蠕变方程一股可表示为 6 3 j ： s = + ( f ) + a ，+ 毛，p )( 1 1 ) 式中，占是总应变，是弹性应变，e ( ，) 是描述初始蠕变的函数，a 为常数， 是描述等速蠕变的函数，并( f ) 是描述加速蠕变的函数。 4 河海大学硕士学位论文 吴立新( 1 9 9 7 ) 【删通过对煤岩进行流变试验研究发现，煤岩流变符合对数型经 验公式：张学忠( 1 9 9 9 ) t 6 5 j 基于辉长岩单轴压缩蠕变试验结果，拟合出蠕变曲线的 经验公式；金丰年脚l 采用了他提出的上文所述的流变方程结合有限元法分析隧道 围岩的蠕变变形；丁秀丽等在文 6 7 1 中利用经验方程u ( t ) = a + b i n ( t ) + c t 研究结构面 的蠕变尽管岩石流变经验模型与具体的试验吻合得较好，但它通常只能反映特定 应力路径及状态下岩石的流变特性，难以反映岩石内在机理及特征，若推广到其 它条件时往往会带来较大的误差，甚至得出完全错误的结论。此外岩石流变经验 模型只能描述岩石瞬时流变阶段以及稳态流变阶段，而无法描述加速流变阶段， 这也是目前岩石流变经验模型建立中的一个重要缺陷，这可能是由于岩石在加速 流变阶段完全是荷载长期累积效应所导致破坏的结果，没有确定的流变破坏规律 可寻。然而岩石流变经验模型直观明显，可直接使用，但由于无法给出用于工程 实践的流变力学参数，因而不便于工程应用。 ( 2 ) 元件组合模型 荷兰的g e u z ee c w a 和我国的陈宗基为代表的岩土力学专家首先开始了 这方面的系统研究，尝试以虎克体( h ) 、牛顿体( n ) 和圣维南体( s ) - - 个模型元件组 合而成的模型来模拟岩土材料的基本流变行为嗍，这些元件之间各种组合分别代 表岩石不同的流变特性，如果求解所对应的流变规律或定律，那么需要首先确定 采用何种流变模型，然后根据岩石试验结果只是确定与选定流变模型所对应的元 件组合有关的常数或待定系数。岩石流交元件模型中著名的有m a x w e l l 模型、 k e l v i n 模型、b i n g h a m 模型、b u r g e r s 模型、西原模型等等。还有学者将若干个 相同模型串联或并联构成更复杂的广义模型，如广义马克斯韦尔模型、广义开尔 文模型、广义伯格斯模型等即属于这类模型。此外还有类模型叫层叠模型【6 9 , 7 0 ， 它认为岩石介质是由承受同一应变的若干分层组成，且总应力为各个分层的应力 之和，因此用一定数量的广义开尔文模型层叠，并赋予它们不同的权重，以此来 模拟整体岩石的流变。彭苏萍( 2 0 0 1 ) 【7 “、朱定华( 2 0 0 2 ) 1 7 2 t 、赵永辉( 2 0 0 3 ) 沈明 荣( 2 0 0 4 ) t 6 q 等对岩石流变线性元件模型的做了很多研究。但前述流变元件模型均 是由模型元件线性组合而成，因此无论模型中元件有多少、模型怎样复杂，最终 模型所反映的只能是线弹粘塑性的特征。 然而，自然界岩石的流变往往更多地表现为非线性特性，这一点在实际存在 的岩石流变加速阶段中表现更为明显，上述线性模型往往无法对其进行精确的描 述。于是，又有学者将模型理论中的线性元件改为非线性元件，形成了非线性元 件模型。肖树芳在研究岩体泥化夹层的蠕变时，曾提出用一个具双层带孔活塞、 粘滞系数可随时间改变的牛顿粘缸与开尔文宾哈姆体并联来描述泥化夹层的全 过程非线性蠕变【7 4 】；宋德彰于1 9 9 1 年基于岩石流变时其粘塑性变形部分的等时 第一章绪论 曲线相似的认识，提出基本弹粘塑性元件模型的牛顿体之粘滞系数为剪应力和时 间的函数，以此来反映砂岩和泥岩的非线性剪切流变：邓荣贵根据岩石加速蠕 变阶段的力学特性，提出了一种非牛顿流体粘滞阻尼元件，将该阻尼元件与描述 岩石减速蠕变和等速蠕变特性的传统模型结合，构成了新的综合流变模型【7 6 】；金 丰年( 1 9 9 5 ) 7 j 基于试验结果，结合传统线性粘弹性模型的分析，提出了非线性粘 弹性模型；曹树i 目u ( 2 0 0 2 ) 7 8 , 7 9 采用非牛顿体粘性元件构成五元件的改进西原正夫 模型，探讨了与时间有关的软岩一维和三维的本构方程和蠕变方程；韦立德 ( 2 0 0 2 ) t s o 根据岩石粘聚力在流变中的作用提出了一个新的s o 非线性元件模型， 建立了新的一维粘弹塑性本构模型；陈瓣r ( 2 0 0 3 ) t 8 1 , 8 2 1 提出了蠕交体和裂隙塑性 体两种非线性元件，并将它们和描述衰减蠕变特性的丌尔文体及描述瞬弹性的虎 克体相结合，建立了一种可描述软岩的新的复合流变力学模型；张向东( 2 0 0 4 ) 【8 卅 基于泥岩的三轴蠕变试验结果，建立了泥岩的非线性蠕变方程，并以此分析了围 岩的应力场和位移场。这些模型的提出，初步形成了岩石流变的非线性模型理论。 可见，模型理论中的流变元件能把岩石流变的复杂特性用直观的方法表现出来， 有助于从概念上认识变形的弹性分量和粘塑性分量，并且其数学表达式能直接描 述蠕变、应力松弛及稳定变形，是一种较好的岩石流变模型理论，所以岩石流变 的非线性元件模型，仍是目前岩石流变力学理论研究中的一个重要课题。 ( 3 懒伤流变本构模型 随着固体力学理论的不断发展，损伤力学被引入到岩石力学中来，并形成了 岩石损伤力学，从而丰富和发展了岩石力学理论，同时也加深了人们对节理岩体 变形破坏机制的分析与理解。损伤力学可分为细观损伤力学和宏观损伤力学，宏 观损伤力学是基于连续介质力学与不可逆热力学理论，认为是材料包含各类缺陷 介质的连续体，损伤作为一种均变量在其中连续分布，损伤状态由损伤变量进行 描述，然后在满足力学、热力学基本公式和定理的条件下求出损伤本构模型和损 伤演化方程。岩石损伤与流变耦合的本构模型有一些研究成果。谢和平( 1 9 8 7 ) i 删 对岩石蠕变损伤进行了非线性大变形有限元分析；m r i d e s 等( t 9 8 9 ) a 5 】对损伤材 料在蠕变过程中弹模的变化做了深入分析并给出变化弹模的表达式； a u b e r t i n m ( i 9 9 1 ) i s 6 建立了盐岩以内部状态变量表述的蠕变方程，蠕变方程可推 广到可塑性区域，以适应低孔隙率软岩的半脆性特性。同时引入损伤变量，建立 了新的流变模型，可描述软岩在硬化和软化过程中的半脆性特性，还能用于延性 和脆性范围；c h a r t k s ( 1 9 9 2 ) i 盯】和f o s s u m a f ( 1 9 9 3 ) i 船l 将连续介质损伤力学应用 于盐岩的流变分析中，研究了损伤引起的非弹性流动，从过渡到蠕变阶段开始， 并在加速蠕变阶段损伤累积，直至破坏的过程；徐海滨( 1 9 9 2 ) l 踟等研究了岩体损 伤与扩容变形的关系，并建议了一个损伤演化方程；凌建明( 1 9 9 3 ) 凹l 对脆性岩石 6 河海大学硕士学位论文 在蠕变条件下的细观裂纹损伤特性进行探讨，给出了一种蠕变裂纹发展的损伤模 型；杨延毅( 1 9 9 4 ) 【9 i j 分别就开挖面附近卸荷裂隙扩展特征，建立了相应损伤断裂 力学分析模型，用来描述应力转移及重分布而引起岩体的蠕变断裂性态：陈智纯 ( 1 9 9 4 ) 1 吲和缪协兴( 1 9 9 5 ) 【9 3 l 基于岩石蠕变试验结果，总结出了以能描述损伤历史 的蠕变模量为参数的岩石蠕变损伤方程，由该方程麓方便定出任意蠕变时刻的损 伤状态和测定蠕变损伤；郑永来( t 9 9 7 ) 【蚓等将粘弹性模型与损伤模型相结合，提 出了一种可以统一反映岩石变形与强度应变率效应的粘弹性连续损伤本构模型； 陈卫忠( 1 9 9 9 ) 】等基于损伤力学中应变等效概念建立了反映岩体断裂损伤藕合 效应的弹塑性流变模型，并将其应用于边坡开挖卸荷过程的流变分析中； h o u - l u x ( 2 0 0 0 ) i 吲在l u b b y 2 流变模型基础上，采用连续介质损伤力学，也提出了 考虑盐岩的延展性变形、变位、变形硬化和变形恢复、损伤及损伤复原机制的模 型，并成功应用于有毒及放射性废科存储工程中，但该模型也很复杂，参数也较 多；肖洪天( 2 0 0 0 1 【9 7 】建立了裂隙岩体的损伤流变本构模型，并采用该模型对长江 三峡永久船闸高边坡的稳定性进行了分析；y a h y a ( 2 0 0 0 ) 1 9 5 1 建立了用内变量表述 能够描述盐岩塑性、蠕变和松弛特性的统一表达式，并给出了材料参数的确定方 法；曹树刚( 2 0 0 1 ) 阴】提出了煤岩蠕变损伤的偏应力检测法；浦奎英( 2 0 0 1 ) 【啪j 等以 损伤变形定义损伤变量，在试验的基础上建议了一种非线性流变损伤模型，该模 型能够反映岩石变形的全过程特征，并能模拟岩石损伤破坏过程及裂缝扩展；秦 跃平( 2 0 0 2 ) i l 】等认为岩石的应力应变全过程曲线、蠕变特性曲线以及松弛特性 曲线之间存在着某种本质上的联系，由此提出了两个损伤产生的基本假设，并推 导了适合于任何应交不减小的加载和卸载过程的损伤演化统一微分方程：杨春和 ( 2 0 0 2 ) 1 1 0 2 】采用盐岩蠕变试验及损伤理论分析，得到了盐岩的蠕变损伤变量与变形 的关系，提出种能反映盐岩蠕变全过程的蠕变损伤本构模型，且模型参数较少， 便于从实验中求取。 ( 4 l 流变模型辨识和参教反演 本构模型的辨识，包括模型结构及其参数的确定其原理来自于控制理论中 的系统辨识【1 0 3 1 。国内外学者为此进行了大量的研究。在1 9 7 7 年l j u r i n a 便提出 了这一思想l 】；薛琳在文1 1 0 5 , 1 删中系统地讨论了据实测位移通过最小二乘法确定 岩体粘弹性力学模型的辨识问题：夏才初在文l ”j 中通过岩块蠕变试验获得了各应 力水平下的加卸载曲线，并分析得到了衰减蠕变分量与定常蠕变分量、定常蠕变 速率与应力简的比例关系，据此对各种流交模型及其参数进行了辨识。这种方法 人们习惯称作“试凑法”；刘保国在文【l 盯】中将n 阶线性偏微分方程视为岩石流变 本构的一般数学描述，并将其引入围岩位移的观测方程中，利用最d - 乘法对本 构模型结构及其参数进行了辨识；近年来又出现参数辨识的遗传算法 7 5 , 7 9 1 等等。 7 第一章绪论 随着智能科学的快速发展，人工神经网络由于其既具有对非线性映射函数的无限 逼近能力，又具有优化计算的能力，将其用于岩石流变本构模型辨识的研究目前 还比较少见，有待进一步探索。 1 3 本文的主要内容 本文结合锦屏二级水电站这一重大水电工程，针对岩体工程的时效变形行 为，开展了大理岩结构面蠕变特性的试验研究，基于蠕变试验结果对大理岩流变 本构模型进行了探讨，主要研究工作包括以下几方面内容： ( 1 ) 对相同粗糙度的大理岩结构面丌展不同应力水平下剪切蠕变试验研究， 探讨结构面在不同应力水平下的流变力学性态：对不同粗糙度的大理岩结构面开 展相同应力水平下剪切蠕变试验研究，探讨结构面在不同粗糙度下的流变力学性 态，以期获得大理岩蠕交变形规律及蠕变破坏特征的认识。 ( 2 ) 对试验曲线进行拟合，从而建立大理岩结构面蠕变经验方程，并且分析 了应力水平和结构面的粗糙度对蠕变经验模型中各个参数的影响，给出了相应的 函数关系。 ( 3 ) 根据大理岩结构面的剪切蠕变特性，通过分析已有元件模型的特性，建 立适合于描述结构面蠕变特性的元件组合模型，并根据对试验结果的验证，确定 模型的具体形式。 ( 4 ) 通过引入非定常参数，以h - k 模型为基础，在不增加模型元件的情况下， 通过对非定常参数时阃效应的考虑，并结合试验数据确定非定常参数的函数形 式，从而建立非线性h k 模型来描述大理岩结构面的蠕变特性。 3 河海大学硕士学位论文 第二章室内大理岩结构面剪切蠕变试验研究 2 1 引言 结构面( 包括断层，破碎带，泥化夹层，节理和裂隙等) 破坏了岩体的连续性和完 整性，对围岩、边坡、岩基的长期持续稳定性构成潜在的威胁。结构面的流变力 学性质往往控制着岩体的实效变形，对岩石工程进行稳定性评价以及在结构设计 与施工中都必须考虑岩石结构面的流变属性，研究各类结构面的时效特性是岩石 流变学的一项重要内容。结构面的蠕变性态极其复杂，除了受应力水平、含水量 的变化等外部条件的控制之外，还取决于结构面本身的性状，包括接触状态、有 无充填物、岩体面壁的风化程度等，要弄消这些因素各自对结构面蠕变性质的影 响是一项十分困难的工作，通常需要固定其它的因素，才能对其中的某项影响因 素进行深入分析。 本章结合锦屏二级水电站引水隧洞工程地质情况，选取大理岩洞段作为研究 对象，通过试验手段对大理岩结构面的蠕变特性迸行研究：l 是类似结构面在不 同应力水平下的剪切蠕变试验；2 是相同应力水平时不同结构面粗糙度下的剪切 蠕变试验。在试验基础上，分析在长期荷载作用下大理岩结构面的蠕变变形特性， 为建立结构面流变特性的力学理论提供实验的依据。 2 2 工程背景 锦屏二级水电站位于四川凉山雅砻江干流之上，装机容量4 4 0 0 m w ，按水 利水电枢纽工程等级划分及设计标准，属一等工程，工程规模为大型，隧洞须 按一级建筑物设计。电站由首部低闸、引水隧洞、地下厂房三部分组成。电站利 用雅砻江1 5 0 k m 大河弯的巨大天然落差裁弯耿直，开挖隧洞引水发电。隧洞洞 长1 6 1 9k m ，洞径1 3 m ，一般埋深1 5 0 0 2 0 0 0m ，最大埋深2 5 2 5m 。属洞线长、 洞径大、埋深极大的大型引水隧洞。隧洞围岩岩性组合复杂，断裂构造发育，特 别重要的是该区为高地应力区，同时该区还有高外水压力作用。现己测得最大应 力达4 2 1 1 m p a ，经回归分析沿洞线最大应力可达5 4 m p a 。根据长探洞封堵后的 水压力观测，其最大水压力达l o 2 2 m p a ，而根据三维渗流场计算分析，隧洞最 大外水压力值在1 0 m p a 左右。引水隧洞所穿越的地层则以三迭系中下统的碳酸 盐岩( t 1 、盐塘组t 2 y 、白山组t 2 b 、杂谷脑组t 2 z ) 为主、次为三迭系上统t 3 的砂岩、板岩等。本文结构面剪切蠕变试验的试样取自锦屏水电站引水隧洞的主 要岩石( 大理岩) 。 9 第二章室内大理岩结构萄剪切蟠变试验研究 2 3 大理岩结构面剪切蠕变试验 针对取回的试样，共六块：类似结构面下3 块；不同结构面下3 块。在试验 室切割成1 5 0 咖1 5 0 m i l lx1 1 0 n l l t l 的试样，采用“二次成型”的方法，再 用混凝土浇成1 5 0 衄x 1 5 0 m m 1 5 0 m m 的标准试样尺寸( 如图2 l 所示) 。 图2 - 1 含结构向的大理岩试样 为了探讨结构面表面形态对其流变力学性质的影响，在进行结构面的压剪蠕 变试验之前，应迸行结构面表面租糙度的量测，在待测结构面表面沿剪切方向画 一条直线，并在整条直线上每隔5 m m 定一个表面点，然后利用大行程百分表( 测 量范围：o 3 0 m m ，精度：o o l m m ) 从第一个表面点开始沿该直线移动r 移动方向 应和剪切方向一致) ，顺次测读直线上各表面点的百分表读数( 测读煎应预先定义 一个百分表的基准高度) ，此读数便是该直线上各表面点垂直于面壁方向的高度。 以此读数作为z 坐标第一个表面点位置作原点，各表面点与第一个表面点的距 离作为其x 坐标，在坐标纸上绘出所测直线上的各表面点，然后将它们相互连 接。便可得到所测直线方向的一条结构面表面轮廓线。本此测量对结构面取三条