（岩土工程专业论文）深埋岩石非定常参数蠕变模型研究与工程应用.pdf

摘要 为了满足社会与经济发展日益增长的需求，人类在向空中发展的同时，对地下空间的 开发也不断地向深部发展，使得人们将会面对更多高地应力环境下的岩石地下工程，而这 些工程在建设中要面对新的不同于浅埋工程的岩石力学问题，其中优质硬岩的蠕变就是一 个很重要的岩石力学行为。 本文结合锦屏二级水电站工程对深埋岩石蠕变行为进行研究，论文的主要研究内容 如下： ( 1 ) 介绍了本文的主要研究工具一粒子群算法的基本原理，并研究其在蠕变模型参数 反演和初始地应力反演中的应用。根据本文的需要以及粒子群算法和最小二乘法可以互补 的特点，提出粒子群最小二乘法的优化算法。 ( 2 ) 对锦屏二级水电站的大理岩、板岩及软弱夹层进行剪切蠕变试验，对试验结果进 行初步分析认为，岩石蠕变过程中，蠕变模型的部分参数与应力大小及蠕变时间有关，即， 部分参数在蠕变过程中表现为非定常性。 ( 3 ) 在对试验结果以及广义k e l v i n 和b u r g e r s 模型参数的分析的基础上，提出了非定 常参数蠕变模型，从岩石材料的不均匀性和岩石材料的蠕变机理对该模型进行解释，通过 试验进行验证。 ( 4 ) 由非定常参数剪切蠕变模型导出非定常参数单轴压缩蠕变西原模型，以此为基础 推导出三维非定常参数西原模型，并对三维模型参数的确定方法进行研究。 ( 5 ) 在v c + + 中编制了非定常参数西原模型程序，并编译成可供f l a c 3 d 调用的动态 链接库，对其正确性进行了验证。 ( 6 ) 根据锦屏二级水电站工程的实测地应力位置，建立了以长探洞为中心的地应力反 演模型。采用施加边界应力的方法替代构造应力，并采用粒子群最小二乘法反演构造应 力，由构造应力和重力计算得出工程区域的初始地应力场，为隧洞开挖提供地应力参考。 ( 7 ) 根据现有的试验资料以及初始地应力的反演结果，采用本文编制的模型对锦屏二 级水电站工程区中有监测变形的辅助洞b k l 4 + 2 4 5 b k l 4 + 4 5 段进行模拟开挖，分析围岩 的流变特性，并对隧洞丌挖过程中以及成洞以后围岩的应力变化和位移变化进行分析，并 对隧洞的长期稳定性进行了研究。 关键词：剪切蠕变试验，非定常参数蠕变模型，参数辨识，初始地应力，锦屏二级水电站， 深埋岩石，反演，长期稳定性 a b s t r a c t f o rt 1 1 ei n c r e a s i n gr e q u i r 锄e n t so fs o c i e t ya n de c o n o m i cd e v e l o p m e l l t ，p e o p l ec x p l o i td e e p u n d e 唧u n dw h i l et h e yd e v e l o pa i rs p a c e ，s om o r cu n d e r 争。删de n 百n e e r sw i t hh i g hg r o u n d s t r e s sw i l ib ef 她e d t h e s ep r o j e c t sw i l lm e e tm a n yp r o b l e m st h a td i f f 打行o mt h o s ei nl o w g u n d c r e e pi sa ni m p o n a n tm e c h a n i c a lb e h a v i o ro fd 印一l y i n gr o c k c r e e pb e h a v i o ro fd e 印一l y i n gr o c kw a sr e s e a r c h e da n da p p l i 。di nj i n p i n gc 勰嘞d e2 h y d r o p o w e fs t a t i o np r o j e c ti nt h i sd i s s e i t a t i o n t h ef 0 1 i o 、) l ，i n gc o n t e n t sw e r ea c h i e v e d ： ( 1 ) t h eb a s i ct h e o r yo ft h em a i nm a t h e m a t i ct 0 0 1 - p 叭i c l es w a n l lo p t i m i z a t i o n ( p s o ) a l g o r i m mw a si n t r o d u c e d ，a n dt h e nt h ea p p l i c 撕o no fp s o i ni d e n 6 断n gp a r 啪e t e r so fc r e 印 a n di n v e r t i n gi n i t i a lf o u n ds t r e s sw a ss t u d i e d a c c o r d i n gt ot h er c q u i r e m e n ti nt h i sd i s s e r t a t i o n a n dt h ec h a r a c t e ro fp s oa n dl e a s ts q u a r e ( l s ) o p t i m i z a t i o n ，t h ep s l so p t i m i z a t i o nm e t h o d w a sp r e s e n t e d ，t h es t a b i l i t y ，a c c u r a c ya n dr d i a b i l i t yw e r eb e t t e rt h a np s o ( 2 ) t h es h e a rc r e e pe x p e r i m e n t so fm a r b i e ，s l a t em c ka n di n t e a y e rw e r ec a 州e do u ti n j i n p i n gc a s c a d e2h y d r o p o w e rs t a t i o np r o j e c t t h ep r i m a qa n a l ”e sw e r ep e r f o 肿e d i tw a s f o u n dl h a ts o m em o d e lp a r a m e t e r sa r er e l a t i o nt os t r e s sa n dc r e 印t i m eb ya n a l y z i n gt h e s e p a r 帅e t e r s ，t h a t s ，s 砌ep a r a m e t e r sb e h a v en o n s t a t i o n a r y ( 3 ) an o n - s t a t i o n a r yp a r a m e t e rc r e e pm o d e lw a sp r e s e n t e db a s 。do nt l l ee x p e r i m e n tr e s u l t s t h i sm o d e lc o u l de x p l a i n e db yn o n u n i f o m l i t yo fr o c ka n d 盯e 印m e c h a n i s m t 量l ec a p a c i t yo f d e s c r 主b i n gc r e 印e x p e r i m e n tw a sv a l i d a t e d ( 4 ) an o n s t a t i o n a r yu n i a ) 【i a lc o m p r e s sc r e 印m o d e lw a sd e d u c e d 矗d ms h e a rc r e e po n e a n dt l l e n ，t h r e ed i m e n s i o nn o n s t a t i o n a r ym o d dw a so b t a i n e d ；血em e t l l o do fi d e n t i 姐n g p a r 锄c t e r sw a ss t u d i e d ( 5 ) t h en o n - s t a t i o n a r ) rc r e 印m o d e lp r o g r a mw a sr i t t i nv c h b a s e do nt h eb a l s i cd a 黜 p 】v i d e db yf l a c 3 d ，a n dt h e nc o m _ p i l et od l l f i l ew h i c hc a nb ec a i l 。db yf l a c 3 d ( 6 ) a ni n v e f t i n gm o d e lo fi n i t i a lg r o u n ds t t e s sw a se r e c t e d t h e nt e c t o n i c s 骶s sw a s i n v e r t e di nt h i sm o d e lb yp s l so p t i m i z a t i o nm e t l l o d 1 1 l ei n i t i a l 皋即m l ds t r e s st h a tb eo f f h c d b ye x c a v a t i o nw a st h e nc a l c l l l a t e da te n 画n e e rz o n e ( 7 ) a c c o r d i n gt oe x p e r i m e n t a ld a t aa n dm ei n v e r t e di 血t i a l 印u n ds 仃e s s ，t h ee x c a v a t i o no f s e c t i o nb k l 4 + 2 4 5 b k l 4 + 4 5i nm ea s s i s t a n tt u n n e la tj i n p i n gc a s c a d e2h y d r o p o w e rs t a t i 彻 p 删e c tw 船s i m u l a 重e du s i n gn l en o n s t a t i o n a r yp 铲锄c o m i ) i l e di nm i sd i s s c n a t i o n 1 “yw o r d s ：s h e 盯c 印e x p 耐m e n t ，n o n s t a t i o n a r y 唧m o d e l ，p a n m 乱e ri d e n t i f i c a t i o n ，i n i t i a lg m u d 鹏s ，j i n p i n gc a s c a d e2h y d r o p o w e rs t a “o n ，d e e p - m n gr o c k ，i n v c r s i o n ，l o n g t c n ns t a b i l i t y 1 l j l 刖 青 为了满足社会与经济发展日益增长的需求，人类在向空中发展的同时，对地下空间的开 发也不断向深部发展，使得人们将面对更多高地应力环境下的岩石地下工程，而这些工程 在建设中要遇到新的不同于浅埋工程的岩石力学问题，比如岩体的脆性一延性转化、围岩 分区破裂化、岩体性质改变、变形能的聚集与突然释放、卸荷下的脆性破坏，高边侧墙内 挤拉裂等。此外，在矿山开采中，一般认为优质硬岩不会产生明显的流变，而研究认为在 深部高地应力条件下情况有所不同，具有较强的时间效应，表现为明显的蠕变现象。 本文结合锦屏二级水电站工程，对深埋隧洞围岩的蠕变特性进行了如下研究： ( 1 ) 介绍了本文的主要研究工具一粒子群算法的基本原理及研究其在岩土工程中的 应用，并针对本文的需要对其进行改进，提出粒子群一最小二乘法反演方法。 ( 2 ) 对锦屏二级水电站深埋隧洞的大理岩、板岩及软弱夹层进行剪切蠕变试验，对试 验结果进行初步分析。采用广义k e l v i n 模型和b u r g e r s 模型分别对岩石剪切蠕变试验数据 和软弱夹层蠕变试验数据通过粒子群最小二乘法进行参数辨识和数据拟合，对模型参数 进行研究。研究结果认为岩石蠕变过程中，蠕变模型的部分参数与应力太小及蠕变时间有 关，即，部分参数在蠕变过程中表现为非定常性。 ( 3 ) 在对试验结果以及k e l v i n 和广义b u r g e r s 模型参数的分析的基础上，提出了剪切 模量的非定常性，并导出剪切模量与剪应力和证应力的关系式。 对实验数据、b u r g e r s 模型和广义k e m n 模型的拟合效果的分析认为，岩石受到小于 长期强度的应力作用下，可能会出现较长的一段衰减蠕变过程，而这过程显然不能认为是 初始蠕变( 或者说第期蠕变、瞬态蠕变) ，应该对应与理想蠕变曲线中的稳态蠕变过程。 本文通过研究提出，该过程可以采用非定常参数粘塑性模型进行描述，非定常参数粘塑性 模型认为当岩石受到的荷载大于初始极限强度时，塑性极限在蠕变过程中会随蠕变时间增 加而增大，直到达到塑性强化的停止条件为止。当岩石受到的荷载大于长期强度时，蠕变 破坏过程可以采用粘滞系数按指数衰减的形式进行模拟。非定常参数粘塑性模型可以从岩 石材料的不均匀性和岩石材料的蠕变机理中得到很好地解释。 将非定常参数弹性元件、非定常参数粘塑性模型与k e l v i n 模型串联组成可以描述岩 石蠕变全过程的非定常参数西原模型，试验验证，该模型可以很好地描述岩石蠕变的全过 程。 值得一提的是，本文模型可以采用一组参数来模拟分级荷载试验结果，而不必象 b u r g e f s 等线性模型那样需要采用几组模型才能较好地描述，为工程应用中的参数选取提 供方便，这也是本文模型的主要优点之一。 ( 4 ) 由非定常参数剪切蠕变模型导出非定常参数单轴压缩蠕变模型，以此为基础推导 出三维非定常参数蠕变模型，并对三维模型参数的确定方法进行研究。 ( 5 ) 对非定常参数蠕变模型进行差分，并利用f l a c 3 d 提供的基类，在v c + + 中编制 了非定常参数蠕变模型程序，并编译成可供f l a c 3 d 调用的动态链接库。 ( 6 ) 根据锦屏二级水电站工程的实测地应力点位置，建立了以长探洞为中心的地应力 反演模型。采用施加边界应力的方法替代构造应力，并利用粒子群最小二乘法反演构造 应力，由构造应力和重力计算得出工程区域的初始地应力场，为隧洞开挖提供地应力参考。 ( 7 ) 根据现有的试验资料以及初始地应力的反演结果，采用本文编制的蠕变模型对锦 屏二级水电站工程区中有监测变形的辅助洞b k l 4 + 2 4 5 b k l 4 + 4 5 段进行模拟开挖，分析 围岩的蠕变特性，并对隧洞开挖过程中以及成洞以后围岩的应力变化和位移变化进行分 析，并对隧洞的长期稳定性进行了研究。 本文获得了如下资助： 国家重点工程项目( 编号：2 0 0 5 8 0 5 7 15 ) 国家自然科学重点基金项目( 编号：5 0 5 3 9 0 9 0 ) 国家自然科学基金项目( 编号：5 0 6 7 4 0 4 0 ) 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 何贡献均己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( 签名) ： 学位论文使用授权说明 2 0 0 8 年易月l6 日 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。 论文作者( 签名) ：2 0 0 8 年6 月f 自 第一章绪论 第一章绪论 1 1 选题背景及研究意义 为满足社会与经济发展日益增长的需求，人类在向空中发展的同时，地下空间的开发 也不断地向深部发展，使得人们将面对更多高地应力环境下的岩石地下工程。据不完全统 计，国内外开采超过l 0 0 0 m 的金属矿山已有8 0 多个，其中南非a n 曾。西o d 公司的西部深 水金矿达到了3 7 0 0 m ，k o i a r 金矿区开采深度也有3 2 6 0 m ，俄罗斯克旱沃罗格铁矿区的开 采深度达1 5 7 0 m ，我国铜陵狮子山采矿深度为1 1 0 0 m h 。j ，煤矿开采的最大深度己达1 0 7 0 m ， 据预测，南非在2 0 1 0 年3 0 以上的矿山的开采深度在3 0 0 0 m 以上：正在兴建和今后一段 时问新建的大型水利工程、抽水蓄能工程以及南水北调西线工程等都有涉及到兴建超大规 模地下洞室群和深埋超长距离的地下隧洞工程，多数均需埋深在5 0 0m 以下；我国高放 核废料处置库拟建在深度达7 0 0m 的花岗岩中；国家战略能源储备中大型地下储气库及 制导的首脑指挥工程都建在深地下，以获得很高的防护能力，如美国北美防空司令部为抵 御精确打击将地下指挥中心建造于深部地下空间中，美国航天司令也将在位于科罗拉多州 普林斯市郊夏延山的6 0 0 7 0 0m 岩层下建立储油库 】。 总的看来，涮室的尺度大、地应力偏高是这些地下工程的共同特点，例如，金川镍矿 开采过程中常遇到5 0 m p a 的地应力【4 】：规划中的南水北调西线工程的部分洞段将穿越高 地应力区，开挖时可能会遇到5 0 m p a 左右的挤压应力 5 1 ；已初步完工的拉西瓦水电站地 下厂房洞室群地应力最大主应力高达2 2 2 9 m p a ：锦屏一级水电站地下厂房区的第一主应 力值为2 3 7 5 m p a ；甘肃北山核废料处置场实测地应力达1 7 5 m p a 阻】。 深埋地下工程的上述特点，使其在建设中要面对新的不同于浅埋工程的岩石力学问 题，比如岩体的脆性延性转化、围岩分区破裂化、岩体性质改变、变形能的聚集与突然 释放、卸荷下的脆性破坏，高边侧墙内挤拉裂等。在矿山丌采中，一般认为优质硬岩不会 产生明显的流变，但在深部高地应力条件下情况有所不同，具有较强的时帕效应，表现为 明显的流变或蠕变【7 】。如南非v e n t e r s d o r pc o n t a c t 矿脉和v a a l 河矿脉的采矿场中的坚硬岩 石在爆破以后并不马上发生岩爆等剧烈变形，而是发生随时问变化的缓慢变形悼棚】：南非 采矿行业的研究者认为岩石时问效应很重要。因为它可以导致岩爆，从而解释了岩爆为什 么不仅仅在爆破的时候发生，而且还会在没有外部影响下发生【川。d u s s e a u l t 和f o r d h m a l l 注意到，在采矿： 程中，依赖于时间的持续变形标志着应力重新分布，它阻止了应力的大 集中现象【1 2 1 。 锦屏二级水电站引水隧洞是迄今为止我国岩石工程建设中埋深晟大的地下工程之一， 最大埋深达到2 5 2 5 m ，对长探洞的5 个点进行地应力现场测量结果表明，隧洞工程区处 河海大学博士论文 于高地应力环境中，实测第一主应力的最大值约为4 2 m p a ，工程建设中不可避免地会遇 到高地应力及由其所控制或者诱发的工程问题。监测资料表明，辅助洞的开挖过程中，大 理岩围岩在高地应力下出现了蠕变现象，虽然经过支护可以得到有效控制，但是由于监测 段所处的地应力在整个辅助洞中相对较低( 回归分析表明，引水隧洞的第一主应力最高达 6 0 m p 幻，岩体较为完整，岩石较为坚硬，因此，研究高应力下岩石流变对锦屏二级水电 站深埋地下工程的长期稳定性的影响具有重要的意义。 1 2 国内外研究进展 1 2 1 岩石蠕变特性的试验与理论研究进展 岩石蠕变的研究始于上世纪初，f d a d 锄s 和t t n i c o l s o n 最早于1 9 0 1 年进行了大 理岩的抗压蠕变试验。a a m i c h e l s o n ( 1 9 1 7 ，1 9 2 0 ) 作了岩石的扭转试验，d w p h i l i p p s ( 1 9 3 1 ) 研究了沉积岩的弯曲蠕变特性。1 9 3 9 年d g r i g g s 【1 3 】针对砂岩、泥板岩和粉 砂岩等进行了蠕变试验，开创了对岩石流变特性及其本构关系的理论与试验研究的先河， 在他的研究成果中提出采用对数经验公式来描述岩石流变的本构关系，并且认为当荷载达 到破坏荷载的1 2 5 8 0 时就会产生蠕变。在当时，岩石的蠕变现象尚未引起人们的注 意，直到五十年代由于工程( 如坎基、采矿等) 的需要，岩石材料的试验和理论研究才得到 了快速的发展，室内对岩石的单轴压缩、双轴压缩及三轴压缩等受力条件下的流变特性， 岩体结构面剪切，现场岩体压缩、岩体及结构面剪切蠕变特性研究方面都取得了很大的进 展，有关岩石材料流变性态的资料和成果趋于丰富和完善【1 4 ”】。由于室内试验可以较为 严格地控制试验条件、能够长期观测、重复次数多、试验成本低、耗时短且难度较小等的 优点，在岩石力学的研究当中受到重视，因而岩石流变力学特性的实验研究成果多集中于 此。在1 9 5 5 年的第五届国际大坝会议上，葡萄牙学者r o c h a 发表了安哥拉b i op i o 水电 圆形隧洞中水压法试验的流变资料。1 9 8 3 年，l a d a n v 【m 】等采用长期钻孔膨胀计对盐岩进 行现场流变试验。i t o 【1 7 19 】从1 9 5 7 年起先后对6 根花岗岩、6 根辉长岩试件进行了几十年 的弯曲蠕变试验。o k u b o 【2 0 】等采用自己研制的刚性试验仪器上针对大理岩、砂岩和安山岩 等岩样进行压缩蠕变试验，获得了岩石加速蠕变阶段的完整过程，并由此提出可以描述岩 石三个阶段的蠕变本构方程。k o r z 肌i o w s k i 【2 l 】采用b u r g e r s 模型拟合了其对白云岩的蠕变 试验结果。m a la n 【8 ，2 2 ，2 3 】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，即便是坚硬的石英岩和火成岩，其流变效应也是十分显著。m a r a n i n i 【2 4 j 对 p i e t r a ，l e c c e s e 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空隙闭合，并且通过不同圈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【2 5 】。f u 伍【2 6 】对花岗岩和砂 2 第一章培论 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。盐岩作为 一种特殊的岩石介质，具有显著的蠕变特性，在能源储存、核废料储藏等领域研究十分广 泛，许多学者对其流变力学特性进行了大量的试验与理论研究【2 卜3 4 】。 我国对岩石蠕变进行研究始于l9 5 8 年。陈宗基是最早进行现场岩石蠕变试验者之一， 他当时指导了三峡平峒围岩的蠕变试验研究，提出了岩石的蠕变特性，并认为被普遍采用 的普氏理论不合理。此后，根据对长江葛洲坝工程地基的泥化夹层的研究提出了确定长期 稳定强度的本构方程。 软岩是一种蠕变现象十分明显的岩体，具有变形大、强度低、结构性明显和时间效应 的强烈的特点。软岩的分布较广，在一些工程建设中( 如边坡工程、拱坝、隧洞及采油套 管等) 的稳定性中起控制性作用【3 5 3 8 1 。随着我国诸多的边坡工程、水利水电建设，资源开 采等的展开，我国学对软岩进行了广泛地研究。张永良【37 1 、周祖辉等【3 8 】对大庆泥岩进行 三轴蠕变试验，确定了蠕变模型，并采用回归方法得到了模型的参数。钟时猷等【3 9 】根据 东乡铜矿砂质页岩的单轴压缩蠕变试验结果，提出并论证了即能描述蠕变变形和破坏过 程，又具有工程使用意义的几个特征参数，并建立了它们与作用荷载之问的关系。周德培 【删对1 0 种岩石( 包括软岩和硬岩) 的拉伸蠕变特性进行了研究。陈智纯等【4 1 】通过大量软岩 流变试验发现了软岩蠕变中泊松比出现负值以及蠕变和松弛不能用2 个线性相关的函数 表示的两种超常力学行为。王贵君【4 2 】对硅藻岩的蠕变特性进行了研究；郭志【4 3 4 4 】分析 了软岩流变速度与荷载之间的关系，提出确定临界等速流变应力的方法及流变强度取值原 则；许宏发【4 5 】根据软岩的单轴压缩蠕变试验，指出软岩的强度和弹性模量均为时间的函 数，且都随时间降低，两者随时问的变化规律具有相似性；“a oh o n 鲥a n 【4 8 】对软岩的 时问效应进行了试验研究，并利用三维粘弹塑性模型进行分析；l iy o n g s h e n g m 9 】对大理岩、 红砂岩、粉砂岩和泥岩四种不同岩性的软岩进行了单轴压缩蠕变和松弛试验，指出在恒定 的应力作用下，岩石材料一般都出现蠕变速率减小、稳定和增大三个阶段，但各阶段出现 与否及其延续时间，则与岩性和所施加的应力水平有关，岩石松弛曲线具有连续型与阶梯 型两种典型变化规律；赵法锁【5 0 5 i 】对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；朱定华【5 2 】通过 对南京红层软岩的流变试验，发现红层软岩存在显著的流变性，符合b u r g e r s 模型，并得 到了软岩的流变参数，同时指出长期强度约是其单轴抗压强度的6 3 7 0 ；s u nj u n 【5 3 】对 软岩的非线性流变力学特性进行了试验研究，并提出了一个统一的三维非线性粘弹塑性流 变本构模型，并将其应用于地下工程的丌挖中；陈渠【5 4 j 在不同围压以及不同应力比条件 下，对三种沉积软岩系统地进行了长期三轴蠕变压缩实验研究，分析了多种软岩在不同条 件下的强度和变形特性，探讨了各种软岩的变形、变形速率、时问依存性等影n 向因素，从 而为预测软弱岩体的长期力学稳定性提供了重要依据；刘光廷【5 5 j 利用岩石双轴流变试验 河海大学博士论文 机，对砾岩进行了多轴流变试验研究，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。唐礼忠【5 6 】对峰值荷载变形条 件下的岩石进行了松弛试验研究，指出岩石在峰值荷载变形条件下的应力松弛曲线呈阶梯 式下降特征，是间断的和阵发式的，出现这种原因是由于岩石内部破裂面相互滑动、裂纹 扩展和新裂隙产生的综合作用结果；而且岩石结构的完整性和弹性模量储存能力强弱对岩 石松弛特性具有明显影响，因这些因素的不同，应力下降台阶数及松弛时间也不同。万玲 等【5 刀利用自行研制的岩石三轴流变仪对泥岩进行了三轴蠕变试验。张向东等【5 8 】对泥岩进 行三轴试验，并根据试验结果提出了非线性蠕变方程。姜永东等【5 9 】对砂岩进行单轴蠕变 试验，并建立了经验本构模型和蠕变力学模型。冒海军掣删对南水北调西线工程中的板 岩进行了不同的围压与轴压下的三轴蠕变试验，并提出采用六元件的广义弹粘塑性模型来 描述试验结果。袁海平等【6 1 】对金川i i i 矿区软弱复杂矿岩进行了蠕变试验研究，获得了软 弱复杂矿岩粘弹塑性特性的基本规律。徐卫亚等【6 2 】通过对绿片岩进行三轴试验研究，分 析绿片岩蠕变过程中的三个阶段，认为蠕变加速阶段绿片岩的损伤在急剧增加，并由此提 出蠕变损伤本构模型。李铀等【6 3 】对红砂岩进行了多轴受力状态的蠕变松弛特性研究。范 庆忠等【6 5 】通过引入损伤变量和硬化变量建立了一个软岩非线性蠕变模型。 盐岩是一种特殊类型的岩体，与其他岩体相比，具有诸多有利的地质条件和优良的物 理力学特性。有利的地质条件表现在其分布广、规模大、构造和水文条件简单以及盖层隔 水性能好等；优良的物理力学特性则表现为结构致密、孔隙度低、渗透率小、塑性大等【6 6 】 并且有良好的蠕变行为。因此，除了作为一种宝贵的矿产资源被开采利用外，目前，盐岩 矿床还被世界各国公认为是石油、天然气储备和包括核废料在内的有毒、有害废物处置的 理想场所【6 7 7 0 1 。因而盐岩的力学性质( 特别是蠕变行为) 得到了广泛地研究。周时光等【7 l 】 开展盐岩单轴刚性试验研究，得到盐岩的应力一应变全过程曲线，并研究循环加卸载及不 同加载速率条件下盐岩的力学性质。邱贤德【7 2 】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认为，长山岩盐的变形受位错及晶间界面的控制，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；徐素国等 【7 3 】通过基本的岩石力学行业试验对钙芒硝盐岩的力学特性进行了研究；y a n gc h u n l l e 【7 4 铂】 分析了围压对应力松弛的影响，认为围压为3 m p a 是影响盐岩流变特性的一个临界点，瞬 态蠕变极限可以表述成稳定蠕变率的线性函数，稳定蠕变率仅是应力状态的函数，与加载 历史无关，并指出盐岩在整个应力松弛试验过程中，其横向应变近乎是常数，也即体应变 保持不变，且盐岩预蠕变对应力松弛具有较大的影响，盐岩的最低蠕变极限是存在的；杨 春和1 77 j 通过对单轴、三轴盐岩应力路径的应力松弛与蠕变试验结果分析，研究了应力状 态及加载路径对盐岩时间相关性特征的影响，指出盐岩稳定蠕变率仅是应力状态的函数而 与加载历史无关，初始蠕变极限可以表示成稳态蠕变率的线性函数；杨春和等【7 8 】基于谢 和平提出提出的岩石蠕变损伤力学模型，通过对赫岩蠕变试验研究，分析了盐岩蠕变损伤 4 第一章绪论 的特点，给出了一个反映盐岩蠕变全过程的盐岩非线性蠕变本构方程；刘绘掰例研制了 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变试验，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，进入稳态蠕变和加速蠕 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间越早，岩石的长期强度越低，越容易进入加速蠕变阶段；杨春和拶o j 在大量现场盐岩蠕变力学试验的基础上，对盐岩的蠕变特性进行了研究，分析了稳态蠕变 规律，提出了稳态蠕变三维分析方程，并针对深层盐岩地区石油钻井中的泥浆密度确定难 题，采用f l a c 3 d 软件，给出了优化的泥浆密度图谱，为合理进行钻井密度设计奠定了基 础。梁卫国等【8 l 】进行盐岩的单轴压缩，间接拉伸及变角剪切试验，得到盐岩的强度曲线 方程。陈卫忠等 8 2 】结合金坛储气库盐岩三轴蠕变的研究成果，建立盐岩的三维蠕变损伤 本构方程和损伤演化方程，并将建立的本构方程编制成有限元计算程序应用于工程实践 中。煤岩作为一种特殊的软岩，在煤炭开采安全中起着很重要的作用，其流变性质也受到 了广大学者的重视和研刭8 3 8 8 1 。 相对于软岩，硬岩( 诸如花岗岩，大理岩等) 的蠕变行为没有那么显著，陶振宇【8 9 j 对 石灰岩进行了单轴流变试验研究，结果表明，在5 0 的峰值强度应力水平作用下，4 5 0 天 内，岩石试样缩短了o 0 1 4 ，几乎没有影响。陈宗基等j 系统地研究了岩石在脆性范围 的扩容、蠕变及松弛现状，并指出蠕变和封闭应力是岩石性状中的两个基本因素，在实践 中必须仔细地加以研究；王子潮等 9 l 】简述了高温高压试验条件下采用参数变动法测定岩 石幂次蠕变律常数的理论基础和方法，并给出了居庸关花岗岩的实测结果；王子潮等睇】 通过地壳温度和力条件下岩石半脆性蠕变试验结果的微宏观分析，建立了地壳岩石半脆性 蠕变本构方程。并由此进一步估计了石英岩、花岗岩和辉卡岩在地壳温度压力条件下的流 变特性；陶振宇纠9 3 】采用分级加载的方式对大理岩的流变特性试验研究表明，流变模型 参数在一定程度上受到应力状态的影响，长期强度变现离散得出特性。流变状态的强度参 数c 、t g 伊为快速加载下的7 5 9 2 。徐平【州5 】对三峡花岗岩进行了单轴蠕变试验，得到 了三峡花岗岩的蠕变经验公式，指出三峡花岗岩存在一个门槛值c r s ，当应力水平低于船 时，可采用广义k e l v i n 模型来描述三峡花岗岩的蠕变特性，但当应力水平高于o s 时，需 采用西原模型来描述三峡花岗岩的蠕变特性，并给出了相应的蠕变参数：沈振中等【】对 三峡坝基花岗岩进行了单轴压缩蠕变试验；金丰年【97 j 通过对三城目安山岩进行单轴拉伸 和单轴压缩蠕变试验研究，指出单轴压缩蠕变寿命随蠕变应力水平的提高而缩短，并进行 了单轴压缩和单轴拉伸蠕变试验，两者蠕变寿命随蠕变应力的变化具有十分相似的规律； 陈祖安【9 8 】在关于大理岩等应变率循环加载全过程的试验结果基础上，通过含有强化弱化 函数的弹粘塑性模型与无穷个弹簧链接块并联的力学物理模型，建立了大理岩的流变本构 关系；张学忠【9 9 】对攀钢朱矿东山头边坡辉长岩进行了单轴压缩蠕变试验研究，拟合出蠕 变经验公式，并提出了蠕变理论模型，确定出了岩石的蠕变参数和长期强度；王金星【1 0 0 】 通过对花岗岩进行单轴拉伸和单轴压缩蠕变试验，研究了各向异性对岩石蠕变变形及其速 s 河海大学博士论文 率的影响关系，而且探讨了蠕变应力及变形与蠕变寿命之间的关系；刘泉声等【1 0 1 1 0 2 】通过 高温下的单轴和三轴抗压蠕变试验，研究了三峡花岗岩单轴应变和粘聚力随温度和时间的 变化响应，并以此提出了拟合三峡花岗岩单轴应力应变关系和变形特性的力学模型及其 粘聚力随温度和时间变化的经验公式。赵永辉【m 3 】针对润扬长江大桥北锚基础岩石的流变 力学特性，采用岩石双轴流变试验机进行了单轴压缩蠕变试验，并以广义k e l v i n 模型进 行了参数拟合分析，获得了岩石粘滞系数等流变力学参数。黄炳香、邓广哲等【1 阱1 0 5 】对北 山花岗岩的热粘弹塑性流变特性进行了研究；李化敏等【l 响对大理岩的蠕变特性进行试验 研究认为，蠕变强度为瞬时强度的o 9 倍左右。 岩体作为一种地质体，受不同成因、不同尺度的结构面所切割，结构面的力学性态往 往控制着岩体变形与强度的时效性，是决定不连续岩体流变特征的关键。由于结构面试件 取样困难、易受到扰动，加工和试验难度较大，成本较高。一般情况下，岩体结构面的剪 切蠕变试验中的样品的制作主要是由完整的岩石试件人工制作成节理试件。多伦多大学的 c u r r 锄【1 0 7 1 、b o w d e n 【1 0 8 】发现，岩石不连续面的蠕变性质基本上与完整岩石的蠕变性质相似。 刘家应【1 0 9 】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；黎克f 1 【1 1 0 】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；许东俊】根据现场和室内的剪切松弛以及扭转蠕变试验结果，指出了葛洲坝 工程粘土质粉砂岩、砂岩、粘土岩软弱夹层均具有显著的流变特性，提出了确定岩石长期 强度的方法；孙钧等对三种不同情况下的天然节理和混凝土模型材料中的人工节理面进行 直剪蠕变试验，研究了节理的蠕变特性与节理面的光滑程度，有无充填物的关系。雷承弟 2 】对二滩正长岩蚀变玄武岩进行了现场承压板压缩蠕变试验，拟合得到了蠕变经验公式。 由于岩体在开挖卸荷的过程中，往往引起岩石受拉破坏，并且受拉条件下岩石的流变效应 十分显著。当拉伸应力为岩石抗拉强度的3 0 时，流变变形仍可持续6 个月以上引。丁 秀丽等【1 1 4 】在三峡工程船闸区硬性结构面的试验基础上提出了结构面的剪切蠕变方程。陈 沅江等【1 1 5 1 对软岩结构面进行研究提出一种符合流变力学模型。沈明荣等1 7 】通过规则 齿形结构面进行双轴应力条件下的蠕变试验，并对齿形结构面的蠕变特性进行深入的研 究。 1 2 2 流变模型研究进展 1 2 2 1 岩石流变元件模型理论 岩石流变元件模型也称为元件组合模型，是采用一些元件( 弹性元件 h 】、塑性元件【s 】 和粘性元件 n ) 组合成流变模型来描述岩石流变行为。通过室内蠕变松弛试验得到应力一 应变一时问曲线，根据试验曲线采用适当的元件按照合适的组合方法可以得到适合描述岩 石流变试验的组合模型。这样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 6 第一章绪论 定系数，而并非确定定律本身，通常求取岩石流变模型参数的方法有模式辨识和参数反演 法。元件模型的流变本构方程是一种微分形式的本构关系，通过本构方程的求解就可得到 蠕变方程、应力松弛方程等，其特点是概念直观、简单，物理意义明确，又能较全面地反 映流变介质的各种流变学特性，如蠕变、应力松弛、弹性后效和滞后效应等。因此，组合 模型得到广泛的应用。 岩石流变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 曲舢模型、b u r g e r s 模 型、理想粘塑性体、西原模型、刘宝琛模型、马明军模型、孙钧模型、索费尔德模型等。 这些模型有的呈现瞬态响应，有些却没有；有些是常应力下应变最终趋于某一有限值，因 此呈现固体特性；而有些材料在常应力下出现应变蠕变，因此呈现流变特性。有关岩石流 变线性元件模型的研究文献有很多，如彭苏萍1 、朱定华1 1 1 针、赵永辉【1 2 0 1 、沈明荣等【1 16 1 ， 王崇革等【l2 。】在流变的组合模型基础上，考虑了温度的影响建立了热一粘弹塑性模型。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蠕变的第一和第二阶段，而不能描述蠕变的第三阶段( 即 加速蠕变阶段) ，由于蠕变是岩石流变的力学特征之一，所以可以说流变线性元件模型力 学性质单，通过调整参数有时仍无法定量模拟实测的应力应变时问曲线。流变线性元 件模型只能说明某些现象，不能反映实质。而且岩石材料具有不同的流变特性，如某种岩 石的松弛现象，表明它与m a x w e l l 模型类似，弹性后效性质与k e l v i n 模型相似，而从它的 极限强度特性来看又具有b i n 曲锄模型的特性。所以用岩石流变线性元件模型难以反映岩 石的复杂特性，只能适用于一定的范围。 为了解决组合模型只能描述瞬间弹性变形、初期蠕变和稳态蠕变阶段，不能描述加 速蠕变阶段这一问题，许多学者做出了很多工作，并且获得了一定的效果，如：余启华翻， 陶振宇【8 9 】提出将西原模型中的塑性元件用一个扩裂元件 t 来代替，扩裂元件在加速蠕变 之前与塑性元件作用相同，在进入加速蠕变之后则反映加速蠕变特性，从而形成可以描述 流变全过程的模型。 另外，许多研究者根据岩石材料的非线性特征，发展了一些非线性流变元件模型理 论，通过将非线性元件取代线性元件，并与其它元件的组合得到的新的非线性流变元件模 型。具有代表性的有：g n b o u l ( 1 l a r o v i 坦3 】提出了一种具有一定质量的延迟阻尼器元件， 该元件有一应变门槛值，当应变大于该值时，模型发生加速运动。金丰年【1 2 4 】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，并作出了较圆满的说明； 孙钧【】就岩石材料非线性流变理论作了详细地探讨；邓荣贵f 1 捌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力学模型：曹树刚i 惶7 2 引，边刽啪】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l l 川j 牛艮抛岩石粘聚力在流变中的作用提出了个新的s o 非线性元件模型，建立了新的一维耥弹塑性本构模型；陈沅江( 2 0 0 3 ) 1 5 l 川提出了蠕变体 7 河海大学博士论文 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开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【5 8 1 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。 王来贵【1 3 3 】以文【1 2 7 1 2 9 】改进的西原正夫模型为基础，利用岩石全程应力应变曲线与蠕变 方程中参数的对应关系，建立了参数非线性蠕变模型。徐卫亚【1 3 4 】在对绿片岩三轴流变试 表1 主要的非线性元件模型 元件提出者非线性元件及名称元件模型表达式特点 参考文献 b o u k h a r o v 曛。 当心。时：o ) ：仃三 阻尼器有质量，当优。 7 7 时，模型发生加速运 【1 2 3 】 当优。时：占( f ) = 盯去 动，即：产生加速蠕变 s = 丸d m 值不同时，该模型可 以表现出稳速流变和 【1 2 4 】 金丰年非线性粘弹性模型 2 口仃几 d t 加速流变的特性 彳、b 、c 为常数，由岩 曹树刚 改进粘滞体模型 ，r c 7 7 0 石的力学性质决定，可 【1 2 7 】 o2 a t 2 一蔷t + c s 以反映岩笮i 的加速蠕 【1 2 8 】 【1 2 9 】 变过程。 变截面牛顿阻尼器 当水。时：盯= k 。叠 陈沅江 q 至卜j 当争。时： 刀取值不同时，可以反 【1 1 5 】 伊一 一榭营 映等速流变、加速流变 【1 3 l 】 和减速流变等过程【1 3 2 】 非线性流变元件 ( n r c ) 徐卫亚 oo s o ) ：日p 一吒) f 一 ，2 取不同的值时，该元 件可以反映不同岩石 1 3 4 】 【1 3 5 】 + 掣一卜 刁 的属性 非线性粘滞阻尼器 该模型与其它元仆组 邓荣贵 譬一黼弘g o2 d 合模型仪器可以组成 1 1 4 l i ”删新的模型，并且可以反 1 2 6 】 映加速蠕变过程。 验结果分析研究的基础上，