（工程力学专业论文）温度对深部软岩蠕变特性的影响研究.pdf

摘要 采掘及国防工程向地下深部的推进过程中带柬了一系列以“三高一扰 动”为特征的深部岩体力学问题。就温度而言，其产生的影响已对生产和安 全构成了极大的威胁。本文主要研究温度对软岩蠕变特性的影响。 软岩的蠕变是流变的一种形式，要研究流变大变形就不可避免地要研究 其蠕变性质。本文在对的人流变模型理论研究基础上，建立了能反映荷载水 平影响又能描述加速蠕变的流变模型，同时，对传统的多孔介质模型进行改 进，引入温度因素，建立了考虑温度的多孔介质流变模型，应用到软岩中， 得到考虑温度的深部软岩流变模型。 通过单轴温度蠕变实验得到温度对软岩蠕变特性的部分影响规律，同 时，验证了前述模型，并将模型应用到变形预测方向；通过三轴实验对单轴 实验部分结论重新验证，并得出结论：温度升高，蠕变量和蠕变速率均增大， 温度的影响程度与所承受载荷有关。 用a n s y s 软件对某一工程算例进行数值模拟，可视化地呈现了蠕变现 象，并再次验证了实验结论。 关键词：软岩；蠕变；温度；多孔介质；流变模型 a b s t r a c t t h ea d v a n c eo fu n d e r g r o u n de x c a v a t i o na n dn a t i o n a ld e f e n c ec o n s t r u c t i o nt o w a r d sd e e p p a r tb r i n g sas e r i e so fp r o b l e m so fr o c km e c h a n i c s ，w h i c h a r ec h a r a c t e r i z e db y h i g h t e m p e r a t u r e ，h i g hg r o u n ds t r e s s ，h i g hp o r ep r e s s u r ea n dm i n i n gd i s t u r b a n c e f o rt e m p e r a t u r e ， i ti sag r e a tm e n a c et op r o d u c t i o na n ds e c u r i t y t h ea u t h o rs t u d i e sm a i n l yo ne f f e c to f t e m p e r a t u r et oc r e e po f s o f tr o c kt h i sp a p e r c r e e pf o r m sp a r to fr h e o l o g yo fs o f tr o c k ，i ti su n a v o i d a b l ef o rr e s e a r c h i n gl a r g e r d e f o r m a t i o nt or e s e a r c hc h a r a c t e r i s t i co fc r e e p b a s e do nt h e o r yo fc r e e pm o d e ls t u d i e d p r e v i o u s l y , an e wc r e e pm o d e lw h i c hi sc a p a b l eo fn o to n l ys h o w i n gi n f l u e n c eo fl o a d i n g l e v e l ，b u ta l s os h o w i n ga c c e l e r a t i n gc r e e pp h a s ei se s t a b l i s h e d a tt h es a m et i m e ，at r a d i t i o n a l m o d e lo fp o r o u sm e d i u mi si m p r o v e d a n dt e m p e r a t u r ea saf a c t o ri si n t r o d u c e d ac r e e p m o d e lo fp o r o u sm e d i u mi n c l u d i n gt e m p e r a t u r ei se s t a b l i s h e d ，w h i c hi sa p p l i e dt os o f tr o c k a n dac r e e pm o d e lo f d e e ps o f tr o c ki n c l u d i n gt e m p e r a t u r ei sg o t b yd o i n gu n i a x i a lc r e e pe x p e r i m e n t si n c l u d i n gt e m p e r a t u r e ，s o m el o w so fe f f e c to f t e m p e r a t u r et oc r e e po fs o f tr o c ki sg o t ，f u r t h e r m o r e ，t h em o d e le s t a b l i s h e dp r e v i o u s l yi s v e d f i e da n d g e n e r a l i z e dt op r e d i c td e f o r m a t i o n b yd o i n g t f i a x i a lc r e e pe x p e r i m e n t si n c l u d i n g t e m p e r a t u r e ，t h ep a r t i a lr e s u l t sf r o mu n i a x i a le x p e r i m e n t si sv e r i f i e da g a i n ac o n c l u s i o ni s d r a w nt h a tw i t ht e m p e r a t u r ei n c r e a s i n g ，c r e e pd e f o r m a t i o na n dc r e e pv e l o c i t yi n c r e a s e s ，a n d t h ee x t e n to f a f f e c to f t e m p e r a t u r ei sd e p e n d e do nl o a d i n g a h y p o t h e t i ce n g i n e e r i n gc a s ei ss i m u l a t e db ya n s y s ，t h ep h e n o m e n o no fc r e e pi s p r e s e n t e dv i s u a l l y , a n dt h ec o n c l u s i o np r e v i o u s l yi sv e r i f i e da g a i n k e y w o r d ：s o f tr o c k ；c r e e p ；t e m p e r a t u r e ；p o r o u sm e d i u m ：c r e e pm o d e l 辽宁工程技术大学硕士学位论丈 1 前言 1 1 选题依据和研究意义 1 9 世纪是桥的世纪，2 0 世纪是高层建筑的世纪，2 1 世纪则是人类丌发 地下空问的世纪。近几十年来，随着地下电站( 水电、火电、核电、地热电) ， 地下城市，地下储能( 热能、超导电能、石油、天然气、压缩空气) ，地下 铁道及轻轨建设，深部矿山及深海石油丌采，放射性核废料地下储存，国防、 人防工程的发展，岩石力学的研究重点只益转向地下，研究者不但注意人工 洞室的丌挖，而且注意利用天然洞室或废旧矿井做地下工程。从某种意义上 迎束了岩石工程的“第四次浪潮”。然而，随着世界能源和安全局势的r 趋紧张，越来越多的地下工程陆续展开，以战略能源储备为目的的地下燃料 库和以国防为目的的地下军事设施由于弹导技术的进步相继转入深部地下， 而原来单纯以能源丌采为目的的油井、气井、矿井等则由于浅表资源的枯竭 从原来的深部转向更深。 据中国矿业大学何满潮教授等人对国内外深部矿井的研究，采掘工程向 深部发展的深度要高于其他地下工程。国外丌采超千米深的金属矿山有8 0 多座，其中最多为南非，其a n g l o g o l d 有限公司的西部深井金矿，采矿深度 达3 7 0 0 m 。印度的k o l a r 会矿区，已有三座金矿采深超2 4 0 0 m ，其中钱皮恩 里夫会矿总深3 2 6 0 m 。俄罗斯的克罩沃罗格铁矿区，已有8 座矿山采准深度 达9 1 0 m ，丌拓深度到15 7 0 m ，预计将来达到2 0 0 0 2 5 0 0 m 。另外，加拿大、 美国、澳大利亚的一些有色会属矿山采深办超过1 0 0 0 m 。 国内的煤炭丌采方面，沈阳采屯矿开采深度为1 1 9 7 m 、丌滦赵各庄矿丌 采深度为1 1 5 9 m 、徐州张小楼矿丌采深度为1 1 0 0 m 、北票冠山矿丌采深度为 1 0 5 9 m 、新汶孙村矿丌采深度为1 0 5 5 m 、北京门头沟丌采深度为1 0 0 8 m 、长 广矿丌采深度为1 0 0 0 m 。会属矿丌采方面，红透山铜矿目前丌采己进入9 0 0 1 1 0 0 m 深度，央皮沟会矿二道沟坑口矿体延深至1 0 5 0 m 。此外，还有寿王 坟铜矿、儿口铅铂矿、金川镍矿、乳山金矿等许多矿山鄢将进行深部玎采。 可以1 = | ；f 计。在今后1 0 2 0 a 内，我国会属和有色金属矿山将进入1 0 0 0 一2 0 0 0 m 辽宁工程技术大擘；士学位论丈 深度丌采”。 这些直接建造在深部岩体中的工程带束了一系列不同于浅表的岩石力 学问题。对深部岩体工程的力学特点，国内学者基本形成了共识，就是所谓 的“三高一扰动”( 高地温，高地压，高岩溶水压及采矿扰动) 。深部巷道围 岩也因此表现出其特有的力学特征现象：围岩应力场更趋复杂，围岩的大变 形和强流变性明显，动力响应突变，深部岩体脆一延转化，深部岩体丌挖岩 溶瞬时突水。关于深部工程中的这些特点在最近召丌的第九届全国岩石力学 与工程学术会议上已得到广泛认同。 根扼量测，越往地下深处，地温越高。地温梯度( 从恒温带以下垂深每 增加1 0 0 m 的岩温增量) 一般为3 0 一5 0 k m 不等，常规情况下的地温梯度 为3 0 k m 。有些地区如断层附近或导热率高的异常局部地区，地温梯度有 时高达2 0 0 k m 2 1 。 国内外许多深部矿井中都有高地温纪录。据国家安全生产科技发展规 划煤矿领域研究报告( 2 0 0 4 2 0 1 0 ) ：截至1 9 9 9 年，我国7 0 处大中型生产 井工煤矿的采掘工作面最高气温超过煤矿安全规程( 规定采掘工作面的 空气温度不得超过2 6 ，机电硐室的空气温度不得超过3 0 。c ) 的要求，其 中2 6 处超过3 0 ，最高达到3 7 。c 。近期资料显示：山东新汶矿业集团孙村 矿，采深1 0 5 5 m 的工作面最高温度3 6 ；沈阳煤业集团红阳三矿，采深8 0 0 m 的工作面温度达到3 8 以上；徐州三河尖矿，采深7 3 6 m ，岩温3 7 ；北票 台吉矿，采深8 7 3 m ，岩温3 3 4 ；长广煤炭公司七矿，采深9 2 0 m ，岩温4 0 ；丰城建新矿，采深6 5 0 m ，岩温4 2 。南非罗宾逊金矿丌采深度2 7 0 0 m ， 岩温4 1 1 ：捷克深部煤矿部分矿井在采深1 2 5 0 m 时，岩温4 2 6 ；联邦德 国鲁尔煤阡| 采深1 0 0 0 1 2 0 0 m 处，岩温已达5 0 一6 0 。如此高的岩温对井工 人员的身体健康及安全生产构成极大的威胁，另一方面，岩体在超出常规温 度环境下，表现出的力学、变形性质与普通环境条件下具有很大差别。地温 变化引起的热损伤可以使岩体热胀冷缩破碎，而且岩体内温度变化l 可产 生o 4 一o 5 m p a 的地应力变化。岩体温度升高产生的地应力变化对工程岩体 的力学特性会产生显著的影响，从而导致以这些岩体为主要承载体的地下工 程在设汁和维护方丽曩三加困难。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 另外，由于进入深部以后显现出来的高地压和高岩溶压，使得原本在浅 部环境不发生显著塑性变形的较硬岩石转化为工程软岩，加上原来就存在的 地质软岩，使得地下工程变得极不稳定。大变形，难支护等特点，对人员和 设备安全构成严重威胁，也使得支护成本成倍的增加。本文将就高温度对深 部软岩蠕变特性的影响进行研究( 涉及的温度范围不在地球物理研究之高温 高压系列，办不在高寒地表常年冻土之低温低压系列，而是深部丌采中所能 涉及到的币常温度范围) 。 综上所述，地下工程向深部推进后，将进入比浅部更复杂的物理力学环 境，软岩工程会进一步增多，温度效应也显得不可忽略；温度变化导致的温 度梯度，随着时间推移，将使岩石的物理力学性质发生变化，从而导致以其 为主体的岩体工程力学性能发生变化。然而直至现在考虑温度效应的岩石力 学理论仍然不够深入，传统的支护设计大都采用工程类比，这种人为的忽略 对于直接关系到生产安全的采掘工程将是一种潜在的威胁，随着深部工程的 推进，把温度效应考虑到岩体工程的施工设计中已势在必行。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 考虑温度效应的岩石力学研究 国内外学者的研究包含温度的主要集中在两个方面的应用，一个是地下 能源存储场，一个是地下核废料处理场，前者涉及到的主要是岩茄，而后者 主要是花岗岩。 考虑温度影响的岩虢方面的研究。s k r o t z k i 的研究结果显示：在一定温度 下，纯德岩在拉伸实验中表现出强烈的脆一延转化特性。当低于某一特定温 度时，其断裂应变非常小而难以产生晶格的滑移；当高于某一特定温度时， 大应变将使品格产尘波浪状滑移n 1 。h u n s c h e 对立方体靛岩试样( 实验温度为 2 5 3 0 0 c ) 进行的断裂强度的实验研究结果表明：盐岩的强度随温度的增加而 降低。在商温下盐岩的强度很难确定，主要原因是高温时盐岩强度受其延性 破坏所影q ”。固内的郭丌元、彭向和等人通过船岩的三轴压缩蠕变实验， 并模拟不同的环境条件，对赫岩进行了不同围压及温度台阶蠕变特性的实验 辽宁工程技术大学硕士学位论文4 研究和分析，得到温度的改变埘能岩的强度及蠕变应变率等的影响旧1 ；高小 平，杨春和等人在类似的实验基础上导出了以蠕变时间为自变量的损伤率演 化方程和用损伤表示的蠕变模量演化方程“1 。 考虑温度影响的花岗岩方面的研究。1 9 6 0 年后，国际上刀：始对岩石的基 本力学性质如抗压强度、变形模量、泊松比、粘度和热膨胀系数等随温度的 变化规律进行了大量的研究。v a n d e rm o l e n 对国际上1 9 8 0 年以i ； 的主要研 究成果做了系统的总结”1 ，此外，h e u e c k e lt 利用声发射技术研究了岩石的 热裂化问题冲1 ；席道瑛研究了温度对花岗岩、大理石的模量和波速的影响阳】； 王靖涛对花岗岩断裂韧度的高温效应做了探讨”：张静华对花岗岩在高温下 的脆一韧性转交行为进行了分析1 。刘亚晨等从岩体中的裂隙和岩块在温 度、饱和流体作用下的基本力学性质出发，用实验和理论分析相结合的方法， 探讨了单、正交裂隙花岗岩体在温度、饱和流体条件下的三轴压缩状态下主 要力学参数的变化规律，建立了该状态下弹性模量和温度的关系“”。刘泉声 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，反映了温度和时间对三峡花岗岩变形特性和强 度特性的影响规律；提出了拟合三峡花岗岩单轴应力一应变关系和变形特性 的力学模型及其粘聚力随温度和时问变化的经验公式”“。徐锡昌、刘泉声从 基本力学性质的研究入手，通过实验研究了花岗岩在单轴压缩状态下的主要 力学参数随温度的变化规律1 。 考虑温度影响的软岩方面的研究。彭向和等人进行了计及温度的泥岩三 轴蠕变研究，基本上验证了一般岩石的三阶段蠕变曲线“”。 此外还有地球物理方面的高温高压岩石力学的研究，如国外的 t u r n e r f j 等和国内的王绳祖、张流、施良骐，孙天泽等人的研究 们涉及到的高温度都不是本文研究的深部工程的作用范围 1 2 2 岩石流变特性的研究“” r u m m e l f ，但是他 1 9 5 0 年以i j i ，主要采用弹性和弹塑性理论分析和计算围岩的应力 形和稳定性。1 9 2 8 年山b i n g h a m 建议，于1 9 2 9 年成立了美困流变学 被公认为流变学历史的新纪元。1 9 3 9 年，荷兰早家科学院成立了以m b u 教授为酊的流变 i j f 究小组。l 刊年g r i g g s 发表了他的研究成果提出砂 、变 r g e r s 石 辽宁工程技术大学硕士学位论文 泥板岩和粉砂岩等类岩石当荷载达到破坏荷载的1 2 5 一8 0 时，就发生蠕 变的观点。l9 4 0 年英国出现了流变学家学会。1 9 5 0 年之后，人们认识到岩 石的流变现象，将流变理论引入到岩石力学，使之成为工程力学的独立分支。 自1 9 6 6 年以柬的历次国际岩石力学会议上，都有不少关于岩石流变性研究 的论文。s h 1 z 在1 9 6 8 年研究了脆性岩石，认为脆性岩石的蠕变现象主要 是时问效应的岩石微破裂过程。b u r t o n 研究了结晶岩石扩散蠕变。a d r a g o n ( 1 9 7 9 年) 和d m c r u d e n ( 19 8 7 年) 对常温下脆性岩石蠕变进行分析，引入了 裂纹密度概念，认为蠕变主要是由于时日j 效应的微破裂过程。s o k u b o ( 1 9 9 1 年) 等利用自己研制的试验机和计算机辅助测量系统，得到了三种岩石和砂 浆材料蠕变全过程资料，得出结论：获得岩石工程的三阶段蠕变资料可用来 预测岩体工程的破坏时涮。 在国内，1 9 4 8 年陈宗基教授首先丌始对土流变学进行了系统的科学研 究，应用实心圆柱土样的扭转试验，提出b i g h a m 粘滞塑性流动定律对土的 适用性。刘雄于8 0 年代用试验验证了岩石蠕变本构方程，进一步探讨了结 晶岩石内部缺陷扩散的蠕变机制。谷耀君在分析细砂岩蠕变试验结果时，利 用激活应力和激活能的概念束解释其蠕变现象。王子潮结合蠕变不同阶段的 试验观察与分析，对相应蠕变阶段微观蠕变机制的变化进行了具体描述。刘 宝琛、孙钧等建立了不同的蠕变模型，并阐述了确定模型蠕变参数的方法。 王来贵等提出了岩石蠕变失稳的概念，在建立模型的基础上进行了初步的应 用。朱合华、叶斌通过对饱水状态下隧道岩石蠕变力学性质的实验研究，证 明岩石的时效性会随含水率的增加而增加。刘泉声等将温度效应引入到模型 中，建立了考虑温度影响的热、粘弹塑性的岩石流变模型。彭向和等人做了 深地层岩赫蠕变特性的研究。李建林对岩石进行拉剪蠕变断裂试验，研究了 花岗岩在拉剪应力作用下蠕变变形规律等。朱维申等通过对多裂隙岩体内的 应力、应变的体积平均，应用损伤力学和断裂力学理论，建立了多裂隙岩体 的蠕变损伤演化方程和本构关系。邓广哲对花岗岩、大理岩、青砂岩、砂泥 岩等在室内完成裂隙岩体蠕变物理过程测试，得到裂隙般规律，并对岩体 裂嬲c 机雕、判掘、转换条件以及裂隙岩体非线性蠕变断裂损伤演化觇律及其 蠕变4 二拗关系j 韭行理沦研究。 辽宁工程技术是学硕士学位论文 6 1 2 3 深部工程的研究” 早在2 0 世纪8 0 年代仞，国外已经丌始注意对深井问题的研究。19 8 3 年，原苏联的权威学者就提出对超过1 6 0 0 m 的深( 煤) 矿井丌采进行专题研 究。当时的西德还建立了特大型模拟试验台，专门对1 6 0 0 m 深矿井的三维 矿压问题进行了模拟试验研究。1 9 8 9 年岩石力学学会曾在法国专门召丌“深 部岩石力学”问题国际会议，并出版了相关的专著。近2 0 a 束，国内外学者 在岩爆预测、软岩大变形机制、隧道涌水量预测及岩爆防治措施( 改善围岩 的物理力学性质、应力解除、及时施作锚喷支护、合理的施工方法等) 、软 岩防治措施( 加强稳定掌子面、加强基脚及防止断面挤入，防止丌裂的锚、 喷、支，分断面丌挖等) 等各方面进行了深入的研究，取得了很大的成绩。 一些有深井开采矿山的国家，如美国、加拿大、澳大利亚、南非，波兰等， 政府、工业部门和研究机构密切配合，集中人力和财力紧密结合深部丌采相 关理论和技术丌展基础问题的研究。南非政府、大学与工业部门密切配合， 从1 9 9 8 年7 月丌始启动了一个“d e e pm i n e ”的研究计划，耗资约合1 3 8 亿 美元，旨在解决深部的金矿安全、经济| 丌采所需解决的一些关键问题。加拿 大联邦和省政府及采矿工业部门合作丌展了为期l o a 的2 个深井研究计划， 在微震与岩爆的统计预报方面的计算机模型研究，以及针对岩爆潜在区的支 护体系和岩爆危险评估等进行了卓有成效的探讨。美国i d a h o 大学、密西根 工业大学及西南研究院就此展丌了深井丌采研究，并与美国国防部合作，就 岩爆引发的地震信号和天然地震或化爆与核爆信号的差异与辨别进行了研 究。西澳大利亚大学在深井丌采方面也进行了大量工作。 近些年来，随着我国国民经济和科学技术的发展，对复杂地质条件下一 些长深铁路、公路隧道的修建，深部丌采事故的预防，应用和发展了许多先 进的科学技术和理论。出现了钱七虎、谢和平、何满潮等一批对深部工程力 学有研究的科学家。在软岩支护、岩爆防治、超前探测、信息化施工等方面， 隧道工程部门、中匪：i 矿业大学、中南大学、东北大学，重庆大学、同济大学、 西南交通大学等进行了大量的研究和实践，彰l 累了丰富的。实践经验，且具有 丌展相关研究的丛 l ： 与条件。 辽宁工程技术走学硕士学位论文7 1 3 本文主要工作 本文主要研究温度变化下的地下深部工程中软岩流变规律，建立考虑 温度影响的流变模型，实施地下工程的考虑温度的稳定性分析。具体如下： 1 、软岩蠕变的相关理论分析。 2 、建立考虑温度的流变模型。 3 、进行包含温度的单轴流变实验。 4 、进行包含温度的三轴流变实验。 5 、整理数据，拟合考虑温度的模型参数。 6 、考虑温度效应的巷道田岩蠕变计算仿真。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 2 基本理论 2 1 软岩相关理论们 2 1 1 软岩的概念及分类 从2 0 世纪6 0 年代到9 0 年代初，关于软岩的概念在国内外一直争论不 休，产生的软岩定义多达几十种。总括起来，大体上可分为描述性定义、指 标性定义和工程定义三类。目前，人们普遍采用的软岩定义基本上可归于地 质软岩的范畴，即强度低、孔隙度大、胶结程度差、受构造面切割及分化影 响显著或含有大量膨胀性粘土矿物的松、散、软、弱岩层，该类岩石多为泥 岩、页岩、粉砂岩和泥质矿岩，是天然形成的复杂的地质介质。然而，随着 深部工程的陆续展丌，人们发现许多地质上不属于软岩的岩石在较高应力下 表现出软岩的性质，于是提出了工程软岩的概念。即：工程软岩是指在工程 力作用下能产生显著变形的工程岩体。该定义不仅重视软岩的强度特性，而 且强调软岩所承受的工程力载荷大小，揭示了软岩的相对性实质。 根据软岩强度特性，泥质含量、结构面特点及其塑性变形力学特点的差 异及产生显著塑性变形的机理，软岩可分为四大类，即膨胀性软岩、高应力 软岩、节理化软岩和复合型软岩，见表2 - 1 。 表2 - 1 软岩i ：榉分类与分级总表 软岩分类分类指标软岩分级分级指标 垣缝塑翌巫盔结丝查 膨胀性( 2 5 2 5 少 吼 软岩 弱膨胀件软 5 0 2 5 软岩 节理化 低一中 软岩 2 5 少 商麻力软岩 超离心力软 极高廊力软 小龠多纽 较破碎软岩 破碎软岩 极i i 噍碎软岩 复台型低扇龠少一多 根掘羁f 粜h j 且行分套和分级 节理问雕 o 2 一o 4 o 1 一o 2 o 1 2 o r 2枷。偿o；地龇批灿必h籼 深仉l 光 辽宁工程技拳走学硕士学位论之9 注：鸭为干燥饱和吸水率：g 为单轴抗压强度，盥皮单位m p a 。 本文实验部分使用的软岩材料为地质软岩，膨胀r t 较弱，无节理，泥质 含量较商，抗压强度较低。 2 1 2 软岩的流变性 软岩具有可塑性、膨胀性、崩解性、分散性、流变性、触变性和离子交 换性。这些软岩的工程力学特性决定了软岩不同于其他岩石材料的力学行 为。 严格地说，岩石的流变性是指岩石在外界荷载、温度、辐射等条件下呈 现的与时间有关的变形、流动和破坏等性质，即时间效应。其主要表现在蠕 变、松弛、流动、弹性后效、长期强度与闭合和滑移等方面。 1 ) 蠕变是在恒量载荷作用下，总应变随时间发展而增长的现象，用蠕 变方程和蠕变曲线来表示。 2 ) 应力松弛是在保持应变恒量的情况下，应力随时间发展而逐渐衰减 的现象，用松弛方程和松弛曲线来表示。 3 ) 流动是一种随时间延迟而发生的塑性变形( 永久变形) ，其中粘性流 动是指微小外力作用下发生的塑性变形( 永久变形) ，塑性流动是指外力发 生达到极限后j 。丌始发生的塑性变形。 4 ) 弹性后效是弹性应变随着时间变化的现象，即加载( 卸载) 后弹性 变形逐渐增加( 减少) 到某一极限值。 5 ) 长期强度是在长期受载蘅作用下，岩石的强度随受载荷时阁的增 长而改变的性质。 6 ) 闭合和滑移是岩体中结构面的压缩变形和结构面白j 的错动，也属 塑性变形。 加强流变学研究，对软岩工程问题非卷必要。这一方面是出于软岩工程 岩体本身的结构和组成反映出明显的流变性质，另一方面是由于受力条件 ( 长期受力，三向应力状念) 使流变性质更为突出。 2 1 3 软岩的蠕变性 辽宁工程技术大学l 士学位论乏 o 蠕变是流变的一种，足指在恒定倚载作用下，发生的流变性质，通常用 蠕变方程和蠕变曲线来表示”。1 。h a r d y ( 哈迪) 等指出，如果在单向压缩试件 的微裂阶段作用一个保持恒定的载荷，那么试件将从施加恒载丌始持续产生 变形，而且还存在着持续的微震活动，该活动的积累数与试件的应变称为蠕 变应变1 。 以 岛瞬 o 时问t 图2 - 1 不同戍力条什f 软岩的典型蠕变曲线 典型软岩的蠕变曲线如图2 - 1 ，可分为四个阶段： 1 瞬时变形阶段o d 。为软岩加载后瞬时发生的变形，属于弹性应变。 2 衰减蠕变阶段d a 。蠕变曲线的斜率逐渐变小，其应变率随时自j 迅 速递减，变形以减速发展。 3 稳定蠕变阶段a b 。蠕变曲线近似一倾斜直线，应变速率大体恒定不 变，一直随时问发展持续一段长度。 4 加速蠕变阶段b c 。应变率丌始迅速增加，达到极限值，导致岩石最 终发生破坏( 脆性的或是粘滞性的破坏) 。 任一蠕变阶段的持续时间，决定于软岩的性质和载荷值。同种软岩，载 荷越大，稳定蠕变阶段持续的时间越短，加速蠕变阶段出现越快。无论是衰 减蠕变还是非衰减蠕变，界限关键在于软岩的蠕变极限应力，即长期强度。 在应力小于长期强度时蠕变具有衰减的特征，应变随时间趋向一稳定值( 曲 线1 ) ：在应力大于长期搬度时，具有非衰减蠕变特征。在非衰减蠕变曲线 上，具有亵减的、稳定的和加速的三个变形阶段( 曲线3 ) 。若应力略大于 辽宁工程技术大学硕士学位论文 长期强度，稳定蠕变阶段将持续相当长一段时问，甚至只出现衰减蠕变和等 速蠕变两个阶段( 曲线2 ) ；若应力稍大，则具有明显的三个阶段；随着应 力的增大，则稳定蠕变变形持续的时i n j 越来越短，很快出现第三阶段而产生 破坏( 曲线4 ) ；应力极大时，几乎不出现稳定蠕变阶段，而进入加速蠕变 阶段而破坏( 曲线5 ) 。 2 1 4 软岩工程力学理论的研究方法 软岩一般是由固体相、液体相、气体相三相组成的多相体系。但是，各 相之间不是彼此孤立地、机械地混在一起、而是经过了漫长的地质过程的建 造和改造作用使其相互联系，相互作用，共同形成软岩的物质基础，并决定 软岩的力学特性。内在的不均匀性和孔隙性是其物理结构的主要特点。这些 特点使得对软岩的研究，可以借用渗流力学中的多孔介质的概念，近年柬的 许多研究者都把软岩作为多孔介质来研究，并得到一些有价值的结论，可以 说用多孔介质理论束研究软岩f 成为软岩工程力学的新途径。 此外，更多的研究者把工程地质学研究和工程力学研究相结合，通过软 岩微观s e m 和x 射线分析技术、细观偏光显微技术和宏观现场调查分析手段， 探索软岩的微观、细观和宏观变形力学机制、支护破坏机理以及巷道支护一 围岩相互作用的规律，总结软岩巷道支护理论。 2 2 蠕变基础理论 对软岩蠕变现象定量化的研究，通常采用蠕变模型。一类为用函数表 示的数学模型，另一类为由元件组成的物理模型。 2 2 1 蠕变数学模型1 为使求解简便，又满足于实用要求，在流变力学中，常在实验的基础上， 通过假设一实验一理论的方法，建立岩土的流变方程式。 1 老化理论 老化理论又称陈化理论，以假设应变、应力和时j 之口j 关系具有某种函 数关系柬表示流变方程。即蠕变应变为： 只2 1 ( r ，) 或= f ( g ，) ( 2 1 ) 总应变为弹性应变和虹i ：；变应变的总和 辽宁工程技术走学硕士学位论丈 ，= 以= 吉坝喇，( f ) ( 2 - 2 ) 若取尸，。2 g = 恒量，解2 - 2 式，得应力松弛方程 f2 一g f c r ) 妒( ，) ( 2 3 ) 函数庐鼍) 表征应变的增长随时i 日j 发展而减缓。 应用老化理论方程式描述的应力、应变和时间之间，仅具有某种简单的 函数关系，数学计算比较简单，求解问题方便。老化理论仅可用于应力是恒 量或应力变化很缓慢的情况，在此试验条件下，老化理论能得到较满意的结 果。 2 流动理论 流动理论认为蠕变的应变速率与应力、时间之刚存在着某种简单的函 数关系，即 户= z ( ，f ) 或屯= z p ，f ) ( 2 4 ) 假设材料的蠕变方程和粘滞流动方程具有引用变形速率时的相似性质。 总变形速率是弹性变形速率与蠕变变形速率的总和，即 ，2 以+ 以 ( 2 - 5 ) 当应力未超过弹性极限时，弹性应变速率和蠕变应变速率分别为 九= 石1 石d r 和丘= 砟h ( f ) 则得 尹= m 加) 咭鲁 ( 2 6 ) 流动理论的应用范围，与老化理论同样有相似的限制。流动理论方程 明显地包括时h j 因素形式，起始时刻若有变化，则流动理论的方程也相应变 化。流动理论方程适用于应力平缓变化的条件下。 3 硬化理论 硬化理论又称强化理论：认为应变速率、应力和应变本身之f h j 存在某 种函数关系，即 辽宁工程技术大学硕士学位论乏 矗= ( 川( 2 - 7 、 由试验结果表明蠕变应变速率、应力和应变本身之问的关系用如下形， 式表示： 矗= 厂g ) ，伊一) ( 2 8 ) 蠕变应变速率不仅与应力有关，而且随着应变的增加，应变速率减小， 材料仿佛被硬化。 硬化理论能够描述材料在变应力作用下的流变性质。但它应用时涉及到 的数字计算比其它理论困难。 4 继效理论 继效理论又称记忆理论或遗传蠕变理论。它认为应考虑既往载荷和变形 的历史过程，通常采用积分方程来表示。b o l t z m a n n ( 1 8 7 4 ) 首先提出了线 性继效理论的物理方程。对材料的基本假设为： 1 ) 介质为均质体，各向同性； 2 ) 蠕变应变与应力之间关系为线性； 3 ) 应用叠加原理作为推导蠕变应变继效理论的基础。 线性继效理论的物理方程的积分方程形式蠕变方程为 仆扣) + f k ”v 州v 沙 9 ) 方程右边第一项表示随时间变化的应力盯( f ) 所引起的在时刻t 产生的瞬 时变形岛，而在第二项为随时间变化的应力盯( v ) 产生的随时自j 发展的变形。 式中 f ( ，) 一一时间 的总应变： 盯( f ) 一一时mf 的应力； k ( t v ) 一一蠕变继效函数，即瞬时v 作用的应力对时i 日jf 的变形的影响函 数，蠕变速度随时| h j 变化的函数； 卜时刻r 时弹性模量。 对应力解积分蠕变方程2 - 9 ，得到松地方程为： 辽宁工程技术失学硕士学位论丈 盯( ，) = e f ( ，) + f r ( ，一v ) f ( v ) d r ( 2 一l 。) 继效理论适用于加载方式是在随时问变化的载倚作用下的蠕变；在复杂 的加载条件下的蠕变；以及考虑卸载的情况和岩土的特性随时间而改变的现 象。 2 2 2 蠕变物理模型 描述岩石内部应力、应变和时间函数关系的方程，称为流变本构方程。 模拟软岩流变本构关系通常采用组合模型。它的原理是按照岩石弹性、塑性 和粘性性质设定一些基本元件，然后根据具体的岩石性质将其组合成能基本 反映各类岩石流变属性的本构模型。最常用的基本元件有三种：弹性元件、 塑性元件和粘性元件。弹性元件又称为虎克( h o o k e ) 体，简称为体，用 一根服从虎克定律的弹簧来表示，它的应力一应变关系如图2 2 ( a ) 所示。 塑性元件又称为圣维南( s t v e n a n t ) 体，简称为s t v 体，用一对摩擦片来表 示，它的应力一应变关系如图2 2 ( b ) 所示。粘性元件又称为牛顿( n e w t o n ) 体，用一个充满牛顿流体的粘壶来表示，它的应力一应变关系如图2 - 2 ( c ) 所示。 e 幽2 - 2 基本元什 上述几种模型都只能反映岩石的某种特性，对于一般的岩石来说，其性 质和实验曲线不会表现的那么理想，所以应该是这几种基本模型的组合。 事实上，将上面几个基本元件串联或并联，元件串联用符号“一”表示， 并联用符号“0 ”表示，就可以得到各种各样的组合模型。模型组合规则： o d 卟，如明丫i矗 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 ) 串联：组合体总应力等于串联中任何元件的单个应力。组合体总应 变等于串联中任何元件的应变之和。 2 ) 并联：组合体总应力等于并联中任何元件的应力之和。组合体总应 变等于串联中任何元件的单个应变。 3 ) 组合体所需方程：本构方程，蠕变方程，松弛方程，卸载方程，弹 性后效。 下面是一些常见的流变组合模型( 如图2 3 ) ，这些模型可用于模拟不同 蠕变及松弛特征的各阶段蠕变曲线。 车 白 i m 体( h - n ) 寄 p t h 体( h m ) b u 体( m - k ) 幽2 - 3 常见的组合模璀 上边几种组合模型对应的蠕变曲线如图2 - 4 。 of0 0 t 0 l c l( d j l 列2 - 4 升【台楼州对应的蠕变曲线 v 嗍 辽宁工程技术大学硕士学位论之 曲线( a ) 有瞬时弹性变形，但蠕变随着时m 线性增长，蠕变速率也为 常量，只能模拟稳念蠕变阶段；曲线( b ) 可以模拟衰减蠕变阶段，最终最 大应变值趋于模型的瞬时弹性应变；曲线( c ) 有瞬时弹性变形，也有应变 速率的衰减，可以模拟瞬时变形和衰减蠕变阶段；曲线( d ) 有瞬时弹性变 形，有应变速率的衰减，应变速率的大致恒定，可以模拟瞬时变形、衰减蠕 变和稳念蠕变阶段。显然这几种模型不能模拟典型的软岩蠕变三阶段曲线， 尤其是第三阶段。 事实上，实际工程中的蠕变研究是在实验的基础上，拟合出实验蠕变曲 线，与标准的模型曲线对照，尝试用几个或者几个以上的模型组合来模拟， 然后通过后续实验数据逐步修讯模型，并确定模型参数。 2 3 软岩的温度蠕变机理 软岩的固体相( 山矿物或类似矿物的物质( 如有机质、玻璃、非晶质等) 按不同排列方式组成的固体集合体) 是构成软岩的主体，决定着软岩的力学 特性，而其中的各种矿物颗粒( 结晶体或者非结晶体) 由于化学成分与分子 结构的不同，又具有不同的热学和力学性能，所以研究软岩热力学性能之前， 必须先明白其主体成分的微观热力学机理。 2 3 1 矿物的微观温度蠕变机理”胡 1 ) 热传导的微观机理 气体的传热是依靠分子的碰撞来实现的，但固体的热传导却并非如此。 在矿物中，质点都处在一定位置上，且只能在平衡位置附近作微振动，不能 像气体那样依靠质点问的直接碰撞来传递热能。所以固体中的导热主要是由 品格振动的格波和自由电子的运动来实现。对于会属矿物，由于有大量的自 由电子存在，所以能迅速地实现热量的传递，因此一般部具有较大的热传导 率。但对于非会属矿物，品格中自由电子极少，所以品格振动是它们的主要 导热机构。 如果品格中某一质点处于较高温度状念，它的热振动就较为强烈，而邻 近质点所处的温度较低，热振动就较弱。由于质点蚓存在相互作用力，振动 辽宁工程技术大学硕士学位论文 较弱的质点在振动较强的质点的影响下，振动就会加剧，热振动能量也就增 加，所以热量就能转移和传递，使整个晶体中热量从温度较高处传向温度较 低处，产生热传导现象。假如系统是热绝缘的，当然振动较强的质点，也要 受到邻近振动较弱的质点的牵制，振动会弱下来，使整个晶体最终趋于平衡 状念。 2 ) 热膨胀的微观机理 事实上，晶格中质点的振动不是简单的简谐振动，其平衡位置会发生改 变，原因是相邻质点间的作用力是非线性的，质点在平衡位置两侧受力并不 对称，温度越高，振幅越大，质点在两侧受力不对称情况越显著，平衡位置 向受力大的一侧移动，相邻质点的平均距离也相应增大，以至于晶胞参数增 大，晶体热膨胀。 3 ) 蠕变的微观机理 矿物的蠕变变形机理主要有位错滑移、原子扩散和晶界滑动。温度的升 高给原子和空位提供了热激活的可能，借助于外力，位错可以克服某些障碍 得以运动，自扩散激活能降低，扩散运动趋于活跃，晶界相对滑动引起明显 的塑性变形。当温度升高到矿物的玻璃化温度以上，蠕变现象非常明显。 在蠕变第一阶段，由于蠕变变形逐渐产生形变硬化，使位错源丌动的阻 力和位错滑动的阻力逐渐增大，致使蠕变速率不断降低，因此形成了减速蠕 变阶段。 在蠕变的第二阶段，由于变形硬化的不断发展，促进了动态回复的发生， 使材料不断软化。当形变硬化和回复软化达到动念平衡时，蠕变速率遂为一 常数，因此形成了恒速蠕变阶段。 在蠕变的第三阶段，由于热力的持续，晶内及晶界强度降低，同时晶体 热膨胀使品界部位出现滑动和应力集中产生裂纹形成加速蠕变阶段，最终 导致破坏。 2 3 2 软岩的微观温度蠕变机理”3 2 “”“+ ”t ”1 矿物的热力学行为反映了软岩的部分热力学特性，然而软岩不是简单的 矿物集台休，它足吲体丰| 4 、液体相、气体相三年t 组成的多十t | 体系，这种多 辽宁工程技术大学硕士学位论之 相体系决定了软岩的i 巧个基本特征：非均匀性和孔隙性。它们的存在使得软 岩受力变形过程中的内部应力状态极端复杂，当受到一定的外力作用时，其 内部矿物颗粒形成了复杂的受力结构，但各种矿物颗粒由于其非均匀性，受 力和变形各不相同。在力的传递与分配过程中，一些处于力的传递路径上， 刚度大的矿物颗粒起着主要受力作用，它们成为受力单元，组成了岩石的“受 力骨架”。但由于矿物颗粒分布的随机性，受力骨架中也央杂着某些软弱矿 物及微裂纹，使得受力骨架各处的应力及强度也不尽相同，组成受力骨架的 单元在一定的应力水平下也会相继屈服，承载力降低( 并非完全丧失承载能 力) ，最终破裂。故可以看作是由一系列不同屈服应力及峰值强度的弹塑性 单元并联所组成的受力骨架。另一方面，同样由于应力和变形的不均匀分布， 使得还有一些矿物颗粒，尽管其强度和变形刚度都大，但由于并不处于受力 骨架的主要传力途径上，或是由于受到裂纹的阻割，这部分的矿物颗粒并未 受到很大的应力，它们抵抗外力和变形作用的能力被暂时地“储存”起来。 这样，对于每个受力横剖面来说，软岩实际承载的有效面积应为受力骨 架的主要传力途径上所受单元的传力接触面积总和，它小于软岩试件的横断 面积。随着受力骨架中某些最薄弱环节( 承载能力最低的单元) 首先发生屈 服，软岩内的应力将发生重新分碲，其结果会使某些未屈服单元的应力集中 程度增高，超过其屈服强度，于是又导致一些承载力相对较低的单元发生屈 服，这种连锁式的反应将不断进行下去，直到部分单元过载破裂。在不断屈 服的过程中，软岩的受力骨架会不断地被局部削弱，有效弹性模量相应减小。 若考虑温度因素的影响，当温度升高时，矿物颗粒与液体相接触的部分，会 发生化学反应，而且会朝着有利于吸热的方向进行，从而导致接触边界的腐 蚀，增强软岩的裂隙性。然而，温度因素的介入不止是对化学反应产生影响， 温度升高导致的固相颗粒晶体膨胀，由于各种矿物颗粒的不同膨胀率以及各 向异性，会引起跨固体颗粒边界的热膨胀不协调，从而造成颗粒i 兀j 或颗粒内 部的拉或压应力。当温度持续升高，颗粒问或粒内应力不断增大，大到足以 产生微小裂纹或使原有裂纹扩展。这便是软岩受力变形过程中不断累积的 “弱化作 j ”。 辽宁工程技术大学硕士学位论丈 然而，在上述应力重新分和的过程中，由于力的传递途径，受力骨架的 单元组成以及矿物颗粒所承担应力大小都会产生变化，从而可使原束被“储 存”的矿物颗粒变为起主要受力作用，形成新的受力结构。从这个意义上来 说，一些最薄弱的受力单元最先被淘汰，而有的受力单元虽然也比较脆弱， 但由于应力尚未超过它的强度而被保留下束，将随着应力的继续增长而逐渐 屈服破裂。因此，应力转移的后果是发挥了另一部分矿物颗粒的潜在能力， 调整和充实了受力骨架，使之能与相应的应力水平相抗衡，这对于软岩来说， 是一种“强化作用”。另一方面，如前所述，有温度介入后，由于矿物晶体 的膨胀以及各矿物颗粒的膨胀不协调，会产生膨胀应力，这些颗粒问或颗粒 内部的膨胀应力，能抵消部分来自传递途径上的应力，不但能造成微小的裂 纹的闭合，而且还可以增大颗粒粘结强度，同时，孔隙中液体的膨胀，增加 了孔隙压力，相当于为受力单元施加围压，其强度增加。从总体上增强了“强 化作用”。下图中阴影部分代表强度刚度大的矿物颗粒，在初始受力时，因 不在主受力路径上，所以其承载力被“储存”；后期因部分单元( 虚线轮廓) 过载变形，受力骨架上应力重新调整，使之处于主受力路径，“储存”的能 力被释放出来。 羹蒌 b 蒌 幽2 - 5 弹塑性并联单元及i 受力途径的凋辂 然而，这种“强化作用”是有限的，因为这些储存的矿物颗粒的强度是 有限的。软岩的