（岩土工程专业论文）岩体工程流变反馈分析研究.pdf

ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt o itllilllfjllltlllr l r l l l f l l l t r l l l i l l l l l l l l f f i l l 舢 y 18 11 7 0 。 保密- k 2 年 t o n g j iu n i v e r s i t yi nc o n f o r m i t yw i t ht h er e q u i r e m e n t sf o r t h ed e g r e eo fd o c t o ro f p h i l o s o p h y s t u d yo nr h e o l o g i c a lf e e d b a c ka n a l y s i so n r o c ke n q i n e e r i n q 11一 【i s c i e n c ea n dt e c h n o l o g yp r o j e c to fc o m m u n i c a t i o n sd e p a r t m e n t ，z h e j i a n gp r o v i n c e 。 g r a n tn o 2 0 0 6 h 2 1 ) s c h o o l d e p a r t m e n t ：s c h o o lo fc i v i le n g i n e e r i n g d i s c i p l i n e ： c i v i le n g i n e e r i n g 一 一一 m a i o r ：g e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g 一 一一 c a n d i d a t e ：c h u n m a pj i a o s u p e r v i s o r ：p r o f c h u n f e n gz h a o j u l y , 2 0 0 8 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 日 罗 彤弋肌 舞9 佳一年 1 ， 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名： 鲐、 、 p 答年7 月，歹日 摘要 摘要 岩体的流变是影响岩体工程长期稳定性的重要因素之一，因此岩石流变力 学研究具有重要的意义。依据现场量测信息确定岩体流变模型参数的位移反分 析法自提出以来得到了迅速的发展，但由于工程地质的复杂性和多样性以及岩 石工程中出现的大量新问题，工程岩体本构模型与力学参数的定量描述仍然是 多年来岩石力学界的一大难题。本文在前人研究的基础上，继续开展岩体工程 流变反馈分析的理论与应用研究，根据复变函数理论、黏弹性力学理论、反馈 分析理论、优化技术，以探索岩体流变模型参数的确定方法为目的，主要进行 了以下几个方面的研究工作： ( 1 ) 岩体工程黏性流动变形特征现场监测。以浙江省诸永高速括苍山隧道 为工程依托，选择两个断面对岩体节理产状与分布、岩体深部位移、锚杆轴力 等进行调查与监测，以研究岩体工程的流变特性，并应用于验证后文所提出的 理论方法。 ( 2 ) 确定岩体流变模型参数的无边界条件方法研究。在回顾黏弹性位移反 演分析研究进展的基础上，提出确定模型参数的无边界条件方法，并从平面力 学问题、空间力学问题、黏弹性力学理论、参数灵敏度分析、模型参数可辨识 性、岩体流动变形预测、算例验证与工程应用等多个层面全面分析与探讨。结 果表明：确定岩体流变模型参数的无边界条件方法可以不再考虑距离变形测点 较远处的复杂地质情况，也不需要对复杂的应力边界条件和位移边界条件进行 假设与假定，它适用于变形测点附近较大范围内满足均质各向同性假定的工程； 在准则函数极小的充要条件下，可以证明所有待求参数满足参数可辨识条件， 根据量测值能够同时唯一地辨识出所有参数；当将无边界条件方法应用于岩体 工程黏性流动变形预测时，可以引入岩体的本构特征这一先验信息，实现两维 的长期变形预报，而且预测模型对观测数据没有等时性要求，需要的数据量大 小亦能为岩土工程所满足；可以推导得出空间问题的黏弹性力学有限元分析统 一表达式，进而证明在体积弹性变化假定时不能够采用无边界条件方法辨识出 所有流变模型参数，泊松比不变假定时能够采用无边界条件方法同时唯一地辨 识出所有参数。 ( 3 ) 地下隧洞问题随机位移反演分析研究。提出正算过程采用复变函数方 摘要 法，优化方法选用遗传算法的随机位移反分析方法，建立了反演分析的目标函 数，研究了目标函数对参数的灵敏度特征，以及位移观测噪声对识别结果的影 响规律，给出了随机位移反分析的流程。该方法将隧道围岩位移显式地表示， 从根本上解决了采用优化技术进行位移反分析的求解效率问题，而且能够反映 地应力场和实际岩体的不确定性，能够反映观测噪声对反演结果产生的影响规 律。 关键词：岩体工程，流变，反馈分析，可辨识条件，无边界条件方法 i i a b s t r a c t c r e e pb e h a v i o ro fr o c ki so n c o ft h ei m p o r t a n tf a c t o r sw h i c he f f e c tt h er o c k e n g i n e e r i n g sl o n g t e r ms t a b i l i t y , s or h e o l o g i c a lm e c h a n i c sr e s e a r c h i s v e r y s i g n i f i c a n t a l t h o u g hd i s p l a c e m e n tb a c ka n a l y s i sw h i c hd e t e r m i n e si n s t i t u t i v e m o d e lp a r a m e t e r sd e v e l o p sq u i c k l ys i n c ei tw a sp r o p o s e d , r o c ki n s t i t u t i v em o d e l a n dt h ep a r a m e t e r sq u a n t i t a t i v ed e s c r i p t i o ni ss t i l ld i f f i c u l tf o rt h ee n g i n e e r i n g g e o l o g yi sc o m p l e xa n dm u l t i p l ya ss o m en e wp r o b l e m sa p p e a r e di nm o d e m r o c k e n g i n e e r i n g t h i st h e s i ss t u d y so nr h e o l o g i c a lf e e d b a c ka n a l y s i so nr o c ke n g i n e e r i n g c o n t i n u e l yb a s e do nt h ep r e v i o u sr e s e a r c h a i ma td e t e r m i n i n gt h ep a r a m e t e r si n r h e o l o g i c a lm o d e l ，a n db yu s i n g o fc o m p l e xv a r i a b l ef u n c t i o n t h e o r y , v i s c o e l a s t i c i t yt h e o r y , f e e d b a c ka n a l y s i st h e o r y , o p t i m i z a t i o nt e c h n i q u e ，e t c ，t h i s t h e s i sf o c u s e so nt h ef o l l o w i n gc o n t e n t ( 1 ) r h e o l o g i c a l d e f o r m a t i o nm e a s u r e m e n ta tr o c ke n g i n e e r i n g a t k u o c h a n g s h a nt u n n e l o fz h u y o n ge x p r e s s w a yi n z h e - j i a n gp r o v i n c e ，t w o s e c t i o n sw e r es e l e c t e dt oi n v e s t i g a t ea n dm o n i t o rt h ej o i n to c c u r r e n c ea n d d i s t r i b u t i o n ，d e e pd i s p l a c e m e n ta n da x i a lf o r c eo fa n c h o rb o l ti nt h es u r r o u n d i n g r o c km a s s t h ea c h i e v e m e n t sw e r eu s e dt os t u d yt h er h e o l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i c s a n da p p l i e dt ov e r i f yt h ep r o p o s e dt h e o r ya n dm e t h o d ( 2 ) s t u d yo nt h en o b o u n d a r yc o n d i t i o nm e t h o dw h i c hd e t e r m i n i n gt h e r h e o l o g i c a lm o d e lp a r a m e t e r s n o - b o u n d a r yc o n d i t i o nm e t h o dw a sp u tf o r w a r d b a s e do nt h ep r e v i o u sr e s e a r c ho nr h e o l o g i c a lf e e d b a c ka n a l y s i s t h e n ，i tw a s r e s e a r c h e df r o m p l a n e m e c h a n i c a l p r o b l e m s ，s p a c e m e c h a n i c a lp r o b l e m ， v i s c o e l a s t i c i t yt h e o r y , p a r a m e t e rs e n s i t i v i t ya n a l y s i s ，p a r a m e t e r i d e n t i f i c a t i o n c o n d i t i o n ，r h e o l o g i c a l d e f o r m a t i o np r e d i c t i o n ，e x a m p l e v e r i f i c a t i o na n d e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o na n ds o m eo t h e ra s p e c t s t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ep r o p o s e dm e t h o di si n d e p e n d e n to ft h ed i s t a n t c o m p l e xg e o l o g i c a lc o n d i t i o na n dd o e s n tn e e ds i m p l i f ya n da s s u m et h ec o m p l e x i i i s t r e s sb o u n d a r yc o n d i t i o na n dd i s p l a c e m e n tb o u n d a r yc o n d i t i o n i ti ss u i t a b l ef o r t h ee n g i n e e r i n gw h i c hi s h o m o g e n o u sa n di s o t r o p i ci nl a r g er a n g en e a r b yt h e m e a s u r i n gp o i n t s ；i tc a nb ep r o v e dt h a ta l lt h eu n k n o w np a r a m e t e r ss a t i s f yt h e i d e n t i f i c a t i o nc o n d i t i o n ，s ot h ep a r a m e t e r sc a nb ei d e n t i f i e du n i q u e l y ；w h e nt h e p r o p o s e dm e t h o dw a sa p p l i e d t of o r e c a s tt h e o l o g i c a ld e f o r m a t i o ni nr o c k e n g i n e e r i n g , t h er o c kc o n s t i t u t i v ep r o p e r t yw a si n t r o d u c e di n t h ef o r e c a s t i n g m o d e l i tc a np r e d i c tt w o d i m e n s i o n a ll o n g t e r md e f o r m a t i o nw i t h o u tn e e d i s o c h r o n i s m sa n dl a r g eq u a n t i t yd a t a ；t h eu n i f i e df e me x p r e s s i o nf o rs p e c i a l p r o b l e m sw a sd e r i v e d a tl a s t f r o mt h e e x p r e s s i o n ，i t c a l lb ep r o v e dt h a t n o - b o u n d a r yc o n d i t i o nm e t h o dc a nb eu s e dt oi d e n t i f yt h et h e o l o g i c a lm o d e l p a r a m e t e r sn o tu n d e rt h ev o l u m ee l a s t i cc h a n g ea s s u m p t i o n ，b u tp o i s s o n sr a t i o k e e p si n v a r i a n ta s s u m p t i o n ( 3 ) s t u d yo nr a n d o md i s p l a c e m e n tb a c ka n a l y s i so nu n d e r g r o u n dc a v i t y a i m e da tt h et w ok i n d so fp r o b l e m se x i s t i n gi nb a c ka n a l y s i sw h i c hi s l a r g e a m o u n to fc a l c u l a t i o na n dg l o b a lo p t i m a ls o l u t i o nl o s t ，s t o c h a s t i cb a c ka n a l y s i s b yu s eo fc a u c h yi n t e g r a lm e t h o da n dg e n e t i ca l g o r i t h mw a sp r e s e n t e d ，a n dt h e e f f e c to ni d e n t i f i c a t i o nr e s u l t so fo b s e r v a t i o ne r r o rw a ss t u d i e d e n g i n e e r i n g a p p l i c a t i o ni n d i c a t e dt h a tt h ep r e s e n t e dm e t h o dh a dg r e a tf a u l t - t o l e r a n c ea n d g l o b a ls e a r c h i n gp e r f o r m a n c e ，i ti m p r o v e dt h es o l u t i o ne f f i c i e n c yb a s i c a l l ya n d c o u l dr e f l e c tt h eu n c e r t a i n t yc h a r a c t e r i s t i c so fg r o u n ds t r e s sf i e l da n de n g i n e e r i n g r o c km a s s k e yw o r d s ：r o c ke n g i n e e r i n g ，r h e o l o g i c a l ，f e e d b a c ka n a l y s i s ，i d e n t i f i c a t i o n c o n d i t i o n ，n o - b o u n d a r yc o n d i t i o nm e t h o d i v 目录 目录 第1 章绪论1 1 1 引言1 1 2 岩体流变力学特性研究进展4 1 2 1 岩体流变力学特性试验研究进展4 1 2 2 岩体流变本构模型理论研究进展7 1 3 岩体流变力学反馈分析研究进展1 5 1 3 1 岩体流变位移反分析1 6 1 3 2 岩体流变本构模型辨识1 9 1 4 岩体工程流动变形预测研究进展2 0 1 5 论文采用的研究内容、技术路线及创新点2 1 1 5 1 研究内容2 l 1 5 2 技术路线2 2 1 5 3 论文的组织结构2 3 1 5 4 论文的创新点2 4 第2 章岩体工程流变特性现场监测2 6 2 1 工程地质概括2 6 2 2 监测断面概况2 7 2 3 岩体位移收敛监测2 9 2 4 锚杆轴力增长监测3 3 2 5 小结3 7 第3 章确定岩体流变模型参数的无边界条件方法研究3 8 3 1 引言3 8 3 2 线性黏弹性体的本构方程3 9 3 2 1 线性元件型模型及微分型的本构方程3 9 3 2 2 遗传积分型的本构方程4 1 3 2 3 遗传积分型本构方程的两种推演方法及比较4 2 3 3 线黏弹力学的积分算子解法4 5 3 4 岩石力学位移理论的复变函数表示4 7 3 4 1 弹性位移分量的复变函数表示4 7 3 4 2 黏弹性位移分量的复变函数形式推导4 8 3 5 岩体流变模型参数确定的无边界条件方法5 l 3 5 1 反演分析模型：5 1 v 目录 3 5 2 约束条件下多变量函数的最优化技术5 4 3 6 算例验证与工程应用5 6 3 6 1 算例验证5 7 3 6 2 工程应用5 9 3 7 无边界条件方法在岩体工程黏性流动变形预测中的应用研究6 0 3 7 1 黏性流动变形预测的无边界条件方法6 1 3 7 2 黏性流动变形预测算例验证与工程应用6 2 3 8 小结：6 6 第4 章岩体流变模型参数可辨识条件及其灵敏度分析6 8 4 1 引言6 8 4 2 参数可辨识条件6 8 4 3 岩体黏弹性参数可辨识性探讨7 2 4 3 1 蠕变柔量及广义蠕变柔量的l a p l a c e 解答7 2 4 3 2 流变模型参数灵敏系数线性无关性证明7 6 4 4 小结8 1 第5 章空间问题的无边界条件反演理论初探8 2 5 1 引言8 2 5 2 弹性力学空间问题有限元分析的基本方程8 2 5 2 1 有限元分析总体平衡方程8 2 5 2 2 空间问题有限元分析的基本方程8 3 5 3 体积弹性变化假定时无边界条件反演理论初探8 8 5 3 1 积分形式表达的空间问题的黏弹性本构关系8 8 5 3 2 黏弹性力学空间问题的有限元分析统一形式9 0 5 4 泊松比不变假定时无边界条件反演理论研究9 2 5 4 1 黏弹性力学空间问题的有限元分析统一形式9 2 5 4 2 流变模型参数可辨识性研究9 3 5 4 3 流变模型参数反演分析模型9 5 5 5 小结9 6 第6 章基于复变函数方法的地下隧洞问题位移反分析9 7 6 1 引言9 7 6 2 地下隧洞力学分析的复变函数方法9 8 6 2 1 隧洞映射函数9 9 6 2 2 隧道围岩位移的复变函数解答，9 9 6 3 确定性位移反分析1 0 1 6 3 1 两步位移反分析方法1 0 1 6 3 2 反分析的目标函数1 0 1 6 3 3 目标函数对参数的灵敏度分析1 0 2 v i 目录 6 3 4 最优化技术选择一遗传算法( g a ) 1 0 3 6 4 考虑噪声因素的随机位移反分析1 0 3 6 5 算例验证与工程应用1 0 4 6 5 1 算例验证1 0 4 6 5 2 在括苍山隧道工程中的应用：1 0 9 6 6 小结1 1 4 致谢二1 2 0 参考文献1 2 1 个人简历1 3 0 攻读博士期间发表的主要学术论文1 3 0 l m 埔培 望 一一展论一 与结一 论要望结主展璋饥他 第 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 引言 在岩体工程中经常可以观察到一些与时间有关的现象，例如地下隧洞开挖 并远离工作面之后，开始围岩不塌落，但过一段时间后却大量塌落，又如支护 结构上的压力或围岩的位移在远离工作面之后仍然在一段时间内随时间而增 长。工程岩体在开挖、卸荷以及渗流等复杂应力状态下所表现出的流变特性更 加明显，同时对工程的长期稳定也带来了许多不利影响。这些现象用弹、塑性 理论均无法解释，因为这些理论均与时间无关。岩石力学工作者采用流变力学 解释岩石工程中与时间有关的静力学现象，取得了定量解释。 岩石作为自然界的一种复杂工程介质，其流变力学特性，一般指在外部条 件作用下，岩石应力和应变随时间缓慢变化的过程与现象。人们对岩石流变力 学特性的研究，是随着各项岩石工程的大规模兴建而逐渐展开的。在我国，各 类重大岩土工程项目伴随着经济高速发展相继开工建设，涉及到煤炭、石油、 金属矿山、交通、水利枢纽、国防以及核废料储存诸领域。在岩石工程中，充 分考虑岩体的流变特性，对工程的设计、施工、运营均具有极为重要而鲜明的 实际意义。例如，长江三峡工程双线五级梯级船闸( 图l 一1 ) 布置在大坝左 侧的山凹内，整个船闸是在主体花岗岩中开凿成的一条长6 4 4 2m 、宽3 0 0m 、 最大深度1 7 6m 的人造“梯河，船闸上下游最大水头差为1 1 3m ，设5 级闸室 分担水头，其工程规模居世界之最。两侧高陡边坡最大开挖深度达1 7 0m ，其 下部为高约6 0m 的直立墙。两线船闸间保留宽6 0m 的岩石中隔墩，船闸闸室 采用薄混凝土衬砌结构。三峡船闸建设者攻克的第一道难题就是直立高边坡开 挖造成的边坡稳定性问题。若丌挖完成后时效变形量过大，将破坏后期形成的 混凝土结构，尤其是闸首部位岩体变形量超过设计标准，闸门将不能正常开启 和关闭，从而影响其正常运行，因此高陡岩石边坡开挖后的长期变形与持续稳 定性成为长江三峡工程建设中的关键技术难题之一。 第1 章绪论 来源：中国水网( w w w h 2 0 - c h i n a c o m c a ) ，新华网( w w w x i n h u a n c t c o m ) 图1 - 1 山峡- t 程双线五级梯级船闸 f i g 1 - 1d o u b l e - l i n ef i v e - g r a d es h i pl o c ki nt g p 图1 2 意大利瓦依p , ( v a j o n t ) 水库边坡蠕滑破坏 f i g 1 2 t h ev a j o n td a md i s a s t e ri ni t a l y 岩石工程建设史上亦不乏因对岩石特性包括岩石流变特性研究不够，而导 致延误施工甚至工程失败的先例。意大利瓦依昂( v a j o n t ) 水库蠕滑破坏是其中之 2 第1 章绪论 一：1 9 6 3 年1 0 月9 日，主要由白垩纪和上侏罗纪的石灰岩构成的库岸左肩边坡 在蓄水后经过3 年蠕变，突然整体滑动，滑坡体积达2 4 亿立方米，其中1 1 5 亿立方米滑入水库，水库报废，死2 6 0 0 余人，水电厂6 0 余人无一幸免。 如今的地下岩石工程相比昔日规模更大、埋藏更深，如南非多数在产金矿 的开采深度已经大于2 0 0 0m ，其中a n g l og o l d 有限公司的西部深井金矿，采矿 深度达3 7 0 0m ；中国沈阳市采屯煤矿开采深度为11 9 7m 、开滦市赵各庄煤矿开 采深度为1 1 5 9 m ；秦岭终南山特长公路隧道东线近2 2 0m 长隧道段埋深大于 1 2 0 0m 。这些深部岩体工程，处于更复杂的环境场( 应力场、温度场和渗流场) 之中，仅就地应力而言，均处于高地应力区。即使围岩较为坚硬、完整，仍然 显示出显著的流变性，且变形量大，持续时间长，如设计计算不当，对支护结 构可能产生破坏性影响( 图1 3 ) ：导致支护钢架扭曲甚至折断、喷层的开裂和 剥离、锚杆的失效、预制混凝土砌块的挤出或塌落、现浇混凝土村砌的破裂和 剥离、混凝土底板的折断翘起等现象发生。 ( a ) 初衬破碎( b ) 二衬开裂 图1 3 隧道支护结构时效变形破坏 f i g 1 3t i m e d e p e n d m e n td e f o r m a t i o na n df a i l u r eo ft u n n e ll i n i n gs t r u c t u r e 岩土工程流变问题在十九世纪初开始引起岩土工作者的注意，但随后的几 十年间发展缓慢，直到1 9 7 9 年召开的第四次国际岩石力学会议上，岩石的流变 3 第1 章绪论 问题被作为会议主题进行了讨论，进而展开了全面系统地研究岩石流变问题的 新局面。近年来，诸多重大岩石工程项目的兴建极大地促进了岩石力学的发展， 在试验研究方面，发展了多种试验方法和测试设备进行室内和现场测试；在理 论方面，本构模型和数值计算两支并秀，开展了系列流变模型辨识及其参数估 计研究，并引入损伤和断裂等力学理论；在工程应用方面，侧重工程岩体的长 期稳定性分析、变形量预测与支护结构优化设计等方面。 1 2 岩体流变力学特性研究进展 岩石流变是指岩石矿物组构( 骨架) 随时间增长而不断调整重组，导致其应 力、应变状态亦随时间而持续地增长变化，宏观上表现为蠕变、应力松弛、长 期强度降低、弹性后效、滞后效应等特性：( 1 ) 蠕变：在常值应力持续作用下， 岩体变形随时间而持续增长发展的过程。( 2 ) 应力松弛：在常值应变水平条件 下，岩体应力随时间而不断地有一定程度衰减变化的过程。( 3 ) 长期强度：岩 体强度随时间而持续有限降低，并逐渐趋近于一个稳定收敛的低限定值。( 4 ) 弹 性后效和滞后效应( 黏滞效应) ：加荷时继瞬间发生的弹性变形之后，仍有部分 后续的黏性变形呈历时增长；此外，在一定的应力水平持续作用下，在卸荷之 后，这部分黏性变形虽属可恢复的，但其恢复过程却需要一定的滞后时间。以 上部分的变形虽仍属于弹性变形范畴，但对在加荷过程中其变形随时间的逐渐 增长称为滞后效应；而在卸荷之后，其变形随时间的逐渐恢复，则称为弹性后 效，都归属于流变体的黏性特征。 1 2 1 岩体流变力学特性试验研究进展 岩石流变试验是了解其流变力学特性的主要手段，试验研究结果可以揭示 岩石在不同条件下的流变特性，作为建立流变本构模型的依据，并为进行工程 岩体流变数值分析提供有关流变参数。岩石流变试验根据加载条件可以划分为： 压缩试验、扭转试验、剪切试验、梁弯曲试验、应力松弛、真三轴应力变温度 试验、蠕变扰动试验等；根据试验环境可以分为室内试验与现场实测两种，其 4 第1 章绪论 中室内试验受控条件较好、可重复性强、费用低，因而得到广泛应用，但它不 能够完全真实地模拟现场环境，而现场试验的结果能够综合反映各因素的影响。 最早的岩石流变力学特性试验研究可以追溯到p f a f f 、a d a m s 、n i c o l s o n 等于 1 9 0 1 年进行的静水压力作用下灰岩的变形与破坏特征观测，它从地质学角度探 讨了岩石的变形与流动性质n 1 g r i g g s ( 1 9 3 9 ) 对灰岩、页岩和粉砂岩等类软弱岩石分别进行了蠕变试验，指 出砂岩和粉砂岩等中等强度岩石，仅当加载达到破坏荷载的1 2 5 - - 一8 0 0 时， 就发生了一定程度的蠕变圆。 日本伊藤( 1 9 8 7 ) 对花岗岩试件进行了历时3 0 年的梁弯曲蠕变试验，研究结 果表明，岩性为硬岩的花岗岩同样显示出黏滞流动特征1 。 陈宗基是我国岩土流变力学学科的先驱和奠基人，在岩土力学学科和工程 应用领域取得了十分突出的成绩。于1 9 9 1 年以火成岩、变质岩和某些沉积岩的 多种矿物和多晶体结构为基础，对岩石的变形特性做了微观流变分析；然后考 虑了砂岩类岩石的多颗粒结构，对岩石形成和构造运动的历史也做了适当的考 虑；最后从一些典型的试验结果入手，就“封闭应力 的起源和形成提出了一 种假说，并着重指出：蠕变和封闭应力是岩石性状中的两个基本因素h ，。 在加载方法方面，陈宗基等提出和发展了“陈氏加载法”，它利用真实的流 变介质对加载史具有记忆效应这一特征，通过采用适当的实验技术与方法，用 作图法建立真实变形过程的叠加关系。由于这种方法可以从单一的试体采用适 当的加载程序得到更多的试验资料，因而在国内外的岩土流变学研究中得到广 泛应用。 孙钧在岩土介质材料流变性态及其工程应用两个方面均进行了系统地研 究，用室内试验方法研究了岩体流变特性，并在岩体黏弹一黏塑性本构模型辨识 和参数估计以及岩体流变问题的工程应用取得系列开拓性成果嘲。孙钧等( 1 9 9 7 ) 对三峡花岗岩进行的劈裂拉伸蠕变试验，试验表明蠕变拉伸强度与加荷速率有 关，同时研究了水对岩石拉伸蠕变特性的影响。陈有亮、孙钧( 1 9 9 6 ，2 0 0 3 ) 对三点弯曲条件下细粒砂岩的断裂和蠕变断裂特性进行了室内试验研究，对蠕 变条件下岩石裂纹的起裂和扩展的机理、准则进行了试验研究和理论分析，试 5 第1 章绪论 验结果表明，岩石裂纹常常在初始应力强度因子小于断裂韧度的情况下，经 过一段时间的持续蠕变变形产生裂纹起裂和扩展阻m 。 李永盛、夏才初( 1 9 9 5 ) 嗍嘲n 们采用伺服刚性机对粉砂岩、大理岩、红砂岩 和泥岩4 种不同岩性的岩石进行了单轴压缩条件下的蠕变和松弛试验，观察和 分析了岩石与一般连续介质不同的蠕变和松弛规律，以及其它时效变形特点。 指出在一定的常应力作用下，岩石材料一般都出现蠕变速率减小、稳定、增大 三个阶段，但各阶段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；岩石的松弛曲线具有连续型和阶梯型两种典型的变化规律， 前者和一般的连续介质比较接近，而后者则具有非连续性和突变性的特征。 徐平、夏熙伦( 1 9 9 6 ，1 9 9 7 ) 对取自三峡工程船闸区的岩体试样进行了室内 单轴压缩蠕变试验，试验表明即使处于弱风化带以下的坚硬岩石，其强度仍存 在时间效应，并建议用广义开尔文模型来描述应力水平低于屈服应力时的本构 特征1 。此外，对长江三峡施工开挖卸荷对边坡岩体的扰动影响作了系统的研 究，介绍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，并进行了岩体蠕变参数随开挖过程变 化的流变量值分析n 2 1 3 “劓。 任建喜、杨更社、葛修润( 1 9 9 8 2 0 0 2 ) 等利用c t 技术( 计算机断层识别技 术) 无扰动、可多层面分析和能采用国际标准试件等优点，通过c t 图像、c t 数 大小和c t 数定量地与岩石损伤变量和损伤扩展联系起来，建立岩石蠕变损伤扩 展本构关系，对岩石蠕变破坏机理进行了较深入的研究，得到了岩石蠕变损伤 演化的初步规律n 5 1 1 6 1 1 7 1n 8 1 1 9 1 。 e m a r a n i n i 、m b r i g n o l i ( 1 9 9 9 ) 对石灰岩进行了单轴压缩和三轴压剪蠕 变试验，研究表明，灰岩蠕变的变形机制主要为低围压下的裂隙扩展和高应力 下的孔隙塌陷，蠕变对灰岩本构行为的主要影响为其屈服应力降低啪1 。 f u j i iy ，k i y a m at ( 1 9 9 9 ) 等对花岗岩和砂岩进行了三轴蠕变试验，得 到轴向应变、环向应变和体积应变等三种蠕变曲线，指出环向应变可以作为蠕 变试验和常应变速率试验中用以判断岩石损伤的一项重要指标乜。 6 第1 章绪论 周火明( 2 0 0 1 ) 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面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嘲。 g a s c b a r b i e r ( 2 0 0 4 ) 对黏土质岩进行了大量不同加荷方式、不同温度下的三 轴蠕变试验，结果表明，应变率和应变大小均随偏应力和温度增高而增大；蠕 变率则还与加载历史有关，试验1 0 天后应变率已趋稳定值，但经过2 年后其应 变量却仍保持该速率而没有衰减。 沈明荣( 2 0 0 4 ) 通过规则齿形结构面在双轴应力条件下的剪切蠕变试验，研 究规则齿形结构面剪切蠕变特性，分析了规则齿形结构面蠕变的基本规律，在 分析对比的基础上选取b u 略e r s 模型作为研究的重点来反映岩体的蠕变特性啪1 。 徐卫亚、杨圣奇等( 2 0 0 6 ，2 0 0 7 ) 利用岩石剪切流变仪对龙滩水电站泥板 岩进行了剪切流变试验，分析了泥板岩剪切位移随时间的变化规律，探讨了不 同应力状态下剪切流变速率的变化趋势，讨论了岩石剪切强度随时间的变化规 律1 ；利用岩石全自动流变伺服仪对饱和状态下坚硬大理岩和绿片岩进行了三 轴压缩流变试验，研究了硬岩在不同围压作用下的轴向应变以及侧向应变随时 间的变化规律，然后研究了硬岩轴向变形与侧向变形之间的关系嘲1 ；采用岩石 全自动流变伺服仪对锦屏一级水电站坝基绿片岩进行了三轴压缩流变试验，研 究绿片岩在不同围压作用下的轴向应变以及侧向应变随时间的变化规律，以及 不同围压下流变的破裂机制嘲。 1 2 2 岩体流变本构模型理论研究进展 几十年来，各国学者所建立的岩土体本构模型已达数百种，从它们的形式 上看，这些本构模型可以大致分为四类：经验流变模型、内时模型、蠕变损伤 断裂模型和元件组合模型。 1 2 2 1 经验流变模型 经验模型是根据不同试验条件及不同岩石种类求得的数学表达式，也称为 第1 章绪论 流变体的经验方程。按其形式分，目前关于材料介质蠕变的经验公式主要有3 种类型：幂函数型，多用来反映初始蠕变阶段的性质；对数型，常用来反映加 速蠕变阶段的性质；指数型，多用来描述等速蠕变阶段性质。 ( 1 ) 幂函数型 其基本形式为 占( f ) - a t “( o n 1 ) ( 1 1 ) 式中，a 与刀是试验常数，其值取决于应力水平、材料特性以及温度条件。 ( 2 ) 对数型 其基本形式为 e ( t ) 一s o + b l o g t + d f ( 1 2 ) 式中，岛为瞬时弹性应变，b 和d 对不同的研究者有不同的定义。 罗伯逊( r o b e r s t s o n ) 根据开尔文( k e l v i n ) 粘弹性模型通过试验曲线修正 得到了岩石在恒定荷载下的半经验公式 占( t ) = + a i n t ( 1 3 ) 式中，气为瞬时弹性应变，a 为蠕变系数。 ( 3 ) 指数型 其基本方程为 ( f ) 一彳 1 一p ( 巾) ) 】 ( 1 4 ) 式中，a 为试验常数，( t ) 是时间f 的函数。例如，伊文思( e v a n s ) 对花 岗岩、砂岩和板岩的研究得到 g ( f ) 一彳 1 一e x p ( 1 一c t “) 】( 5 ) 式中，a 和c 均为试验常数，n 一0 4 。而哈迪( h a r d y ) 给出了下面的经验 方程 e ( t ) - b 1 一e x p ( 1 - c f ) 】 ( 1 6 ) 式中的b 和c 均为试验常数。 上述一些经验公式的特点是简单实用，对特定的岩石而言，可以很好地吻 合试验结果。但是，这些公式是对具体的岩石试验得出的蠕变公式，确切地说 8 第1 章绪论 它并不是严密的本构模型，它不能描述应力松弛等流变特性。 1 2 2 2 内时模型 内时理论由v a l a n i s ( 1 9 7 1 ) 提出，其最基本的概念是：塑性和粘塑性等耗 散材料内任一点的现时应力状态是该点邻域内整个变形和温度历史的泛函；变 形历史用取决于变形中材料特性和变形程度的内蕴时间而不是采用牛顿时间来 度量，可更准确、简便地建立起所研究材料的本构关系；通过对由内变量表征 的材料内部组织的不可逆变化必须满足热力学约束条件的研究，得出内变量的 变化规律，从而给出显式的本构方程。该理论建立在以内变量理论为其基本网 络的不可逆热力学基础上，通过对变量的材料内部组织不可逆变化所必须满足 的热力学约束条件的研究，得出内变量变化所必须满足的规律，从而给出了具 体材料在具体条件下不可逆热力学变量的演化途径，并以显式的本构泛函形式 表达出材料的本构响应特性剐。 范镜泓与v a l a n i s ( 1 9 8 3 ) 提出了增量型内时弹塑性本构方程，并发展了一 套有限元算法和决定材料函数的工程方法，使内时理论能用于分析非均匀应力 应变场的复杂边值问题。范镜泓等( 1 9 8 7 ) 发展了v a l a n i s “材料本构不变性的 概念的思想，在以内变量理论的方法和概念为其重要组成的不可逆热力学基 础上提出了一个本构方程的形式不变性定律，并在数学上给予了严格的证明 3 l