（采矿工程专业论文）岩石蠕变机理研究.pdf

岩石蠕变机理研究 摘要 岩石的蠕变机理是岩石力学重要的基础理论之一，国内外对此问题的 研究较少。本文在分析已有岩石蠕变机理研究成果的基础上，指出了现有 岩石蠕变机理研究中存在的不足。 以南宁盆地泥岩为研究对象，进行了一系列的单轴压缩无侧限蠕变试 验和有侧限蠕变试验，探讨泥岩的蠕变特性，特别是配合扫描电镜，着重 探讨泥岩蠕变过程中的细观和微观结构的变化，在此基础上深入分析岩石 的蠕变机理。 本文通过室内试验和理论分析，获得了以下一系列研究分析结论。 通过无侧限的单轴压缩蠕变试验发现：泥岩瞬时形变之后较快地进入 稳定蠕变阶段，由过渡蠕变阶段向稳定蠕变阶段过渡的界线并不明显，但 在材料破裂前出现比较明显的征兆，在持续很短时间后发生失稳破坏；随 着荷载的增大，单位应力增量下的蠕变变形增量逐渐稳定，在出现加速蠕 变前应力的增加对轴向蠕变速率影响有限；泥岩蠕变瞬时变形量随着应力 的增加而减小；泥岩试件的轴向压缩模量增大，出现了硬化现象。通过有 侧限的单轴压缩蠕变试验，并将试验结果与无侧限的蠕变试验相对比发现： 泥岩在有侧限条件下的蠕变只出现了过渡蠕变和稳态蠕变两个阶段，主要 表现为稳态蠕变阶段；出现了体积随时间变化的现象，即发生了体积蠕变； 有侧限下的蠕变硬化效应强于无侧限下蠕变硬化效应。 i 通过蠕变试验及电镜扫描试验结果发现，岩石的蠕变机理是结构损伤 与硬化效应，熵增与内部调整共同作用的结果。经过总结前人经验以及试 验结果分析，构建蠕变、结构损伤因子及硬化因子综合曲线图，并结合此 图对岩石蠕变全过程的机理作了阐述。 关键词：岩石蠕变试验结构损伤硬化效应 i l t h em e c h a n i s ms t u d yo nc r e e po fr o c k s a b s t r a c t t h ec r e e pm e c h a n i s mo fr o c ki sa ni m p o r t a n tt h e o r yi nr o c km e c h a n i c s ， a n dt h e r ea r eo n l yaf e wr e s e a r c h e so nt h i si s s u eb o t ha th o m ea n da b r o a d t h i s p a p e rw i l l b eb a s e do nt h ea n a l y s i so ft h es t u d y i n gr e s u l to fr o c kc r e e p m e c h a n i s mw h i c hh a sb e e nd o n e ，a n dt h e np o i n to u tt h ed e f e c t so ft h ee x i s t i n g s t u d yo fc r e e pm e c h a n i s m t h i st h e s i s m a i n l yt a k e s t h em u d s t o n eo fn a n n i n gb a s i ni n t ot h e r e s e a r c h i n gt a r g e ta n dh a su n d e r t a k e nas e r i e so ft e s t so fu n c o n f i n e du n i a x i a l c o m p r e s s i o na n dc o n f i n e du n i a x i a lc o m p r e s s i o nt od e e p l y d i s c u s st h ec r e e p p r o p e r t yo fm u d s t o n ea n de s p e c i a l l ys t u d yt h ec r e e pc h a n g e so fm e s o - a n d m i c r o s t r u c t u r eb yt h et e s to fs e m a n dt h e no nt h i sb a s i so fr e s e a r c h ，i tw i l l d e e p l ya n a l y z et h ec r e e pm e c h a n i s mo fr o c k t h i sp a p e rc a l lc o m et ot h ef o l l o w i n gc o n c l u s i o n sb ym e a n so ft h et e s t sa n d t h e o r e t i c a la n a l y s i s t h r o u g ht h et e s t so fc r e e pu n d e r u n c o n f i n e du n i a x i a lc o m p r e s s i o n ，i tc a nb e f o u n dt h a tm u d s t o n ee n t e rw i l la s t a b l yc r e e p i n gs t a g e a f t e ri th a sb e e n i n s t a n t a n e o u s l yd e f o r m e dq u i c k l y t h eb o u n d a r yo fc r e e pt r a n s i t i n gs t a g e t u m i n gi n t oas t a b l es t a g eo fc r e e pi sn o tv e r ya p p a r e n t h o w e v e r , i ta p p e a r sa i i i m o r eo b v i o u ss i g nb e f o r et h ed a m a g eo fm a t e r i a l s t h er a t eo fc r e e pi n c r e a s e s r a p i d l ya n dt h e ni sd e s t r o y e du n s t a b l ya f t e ri tl a s t sf o rav e r ys h o r tt i m e w i t h t h el o a d si n c r e a s i n g ，t h ei n c r e m e n t a li n c r e a s eo fc r e e pd e f o r m a t i o nu n d e rt h e u n i ti n c r e m e n t a ls t r e s st u r n st ob es t a b l eg r a d u a l l y a n db e f o r et h ea p p e a r a n c eo f c r e e p sc a n c e l a t i o n ，t h er a t eo fa x i a lc r e e pi sl i m i t e d l ya f f e c t e db yt h es t r e s s s i n c r e a s i n g t h ei n s t a n t a n e o u sd e f o r m a t i o no fr o c kc r e e pw i l lb er e d u c e dw i t h i n c r e a s eo fs t r e s s ；h a r d e n e dp h e n o m e n o nh a p p e n sw i t ht h ei n c r e a s en u m b e ro f t h ea x i a lc o m p r e s s i v em o d u l u s t h ef o l l o w i n gc o n c l u s i o n sc a nb ef o u n do u t t h r o u g ht h et e s t s o fc r e e pu n d e rc o n f i n e du n i a x i a lc o m p r e s s i o na n dt h e c o m p a r i s i o nb e t w e e nt e s t i n gr e s u l ta n dt h et e s to fc r e e pu n d e r u n c o n f i n e d u n i a x i a lc o m p r e s s i o n u n d e rt h ec o n d i t i o no fc o n f i n e du n i a x i a lc o m p r e s s i o n ，i t o n l ya p p e a r st w os t a g e s ，t h a ti s ，t r a n s i t i n gc r e e pa n ds t e a d yc r e e ps t a g ed u r i n g t h et e s t so f c r e e p ，b u ti tm a i n l yr e p r e s e n t st h es t e a d yc r e e ps t a g e ；t h ev o l u m e o f m u d s t o n ev a r i e sw i t ht i m e ，t h a ti st os a y , t h ec r e e po fv o l u m eh a p p e n s t h e h a r d e n e de f f e c to ft h et e s t so fc r e e pu n d e rc o n f i n e du n i a x i a lc o m p r e s s i o ni s m u c hs t r o n g e rt h a nt h a to ft h et e s t so fc r e e pu n d e r u n c o n f i n e du n i a x i a l c o m p r e s s i o n t h r o u g ht h et e s t so fc r e e pa n ds e m ，i tc a nb er e v e a l e dt h a tt h ec r e e p m e c h a n i s mo fr o c kr e s u l t sf r o mt h es t r u c t u r a ld a m a g e ，h a r d e n e de f f e c t ，e n t r o p y , a n di n t e r n a la d j u s t m e n t a f t e rs u m m a r i z i n gt h ep r e v i o u se x p e r i e n c ea n dt h e a n a l y s i so ft e s t i n gr e s u l t ，t h i sp a p e rc o n s t r u c t st h ed a m a g eo fc r e e pa n ds t r u c t u r e a n dd r a w sac o m p r e h e n s i v ec u r v eo f h a r d e n e df a c t o rw h i c hi sc o m b i n e di n t o i v i l l u s t r a t et h em e c h a n i s mi nt h ew h o l ep r o c e s so fr o c kc r e e p k e y w o r d s ：r o c k ；c r e e p ；s t r u c t u r ed a m a g e ；h a r d e n i n ge f f e c t v 广西大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成果和相 关知识产权属广西大学所有，本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文 的研究内容。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发表过的研究成果，也不包含 本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提供过重要帮助的个人和集 体，均已在论文中明确说明并致谢。 论文作者签名：7 | 屯争 学位论文使用授权说明 1 每6 其f 尹日 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 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，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： 口即时发布口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 论文作者签名：7 曰诱 导师签名：匆铆勿弘产多月，尹日 广西大掌硕士学位论文 第一章绪论 岩石流变力学是研究岩石矿物组成( 骨架) 随时间不断调整，导致其应力、应变状 态亦随时间而持续增长变化，进而探讨其力学性状和行为的科学【1 】。岩石流变力学是研 究材料力学形态的新的力学分支，主要是考查岩石在应力、应变、湿度、温度、辐射等 条件下，岩石的应力应变随时间的变化规律，并根据所建立的时效本构法则去解决 工程实际中遇到的与流变有关的问题。在常应力条件下，应变随时间增长而发展的现象 就是蠕变。 1 1 工程背景及研究意义 岩石的流变性是岩石的重要力学特性之一，陈宗基教授就曾指出，一个工程的破坏 往往是有时间过程。即是由岩石的流变性控制的。尤其是深埋于地下的洞室或巷道，其 围岩具有随时间的增长而缓慢变形的明显特征，包括地压、破坏等都与时间有关。随着 地下工程规模的扩大，尤其是采矿工程向深部的推进，使岩体工程处于更为复杂的环境 场之中。现在我国许多矿井的开采深度己经超过8 0 0m ，最深的超过了1 0 0 0m 。南非的 金矿开采深度达3 8 0 0m 。据预测，南非在2 0 1 0 年，深度达3 0 0 0m 的矿井将占3 0 t 2 1 。 在大采深条件下，即使是中等强度的巷道围岩，其应力状态也接近了岩石强度极限，巷 道稳定性差，很容易因掘进和开采扰动作用而产生大变形。 在众多岩石中泥岩的流变特性尤为突出，常因其特殊性而导致大量的地质灾害的发 生。例如南昆铁路那丽至百色段、南宁枢纽邕宁至长岗岭段边坡滑塌，以及南防线通过 那罗站时由于填料引起系列问题，如路堤多次坍滑，低矮边坡的失稳等。由于泥岩特殊 的流变性质，使得泥岩边坡的破坏机理不同于一般的硬岩土，从而使得设计依据不足， 导致工程事故多雎1 。 综上所述，随着各类岩石工程建设规模的扩大以及对岩石介质与其工程特征认识的 深入，在描述和处理岩石材料的时间效应与其流变属性方面沿用弹性理论将存在明显的 缺陷和困难【1 】。大量的现场量测和室内试验都表明，对于软弱岩石以及含有泥质充填物 广西大掌硕士掌位论文 和夹层破碎带的岩体，其流变属性都是非常显著的。即使是比较硬的岩体，由于多组节 理受到发育裂隙的切割，其剪切蠕变也会达到较大的量值。因此，在工程建设中经常会 遇到岩体的变形随时间而增长变化，充分考虑岩石的流变特性，研究产生这些现象的原 因及其力学机制，无论对于岩石力学理论研究，还是对于实际岩石工程应用都具有十分 重要的意义。 1 2 国内外研究现状 岩石流变力学的创立是由材料流变学发展而来的，是材料流变学的一个重要分支。 一般认为，1 9 2 2 年b i n g h a m 出版他的名著流动和塑性和1 9 2 9 年美国创建流变协会， 标志着流变学成为- - f q 独立的学科【1 】。 1 9 3 9 年g f i g g s 4 发表了他的研究成果，提出砂岩、泥板岩和粉砂岩等类岩石中，当 荷载达破坏荷载的1 2 5 8 0 时，就发生蠕变的观点。s c h o l z l 5 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由于时间效应的岩石微破裂过程。l a n g e r 6 】于1 9 7 9 年在第四届国际岩石力学大会上系统阐述了岩石流变的基本概念、规律及相关的工程问 题。c m d e ndm l 7 】于1 9 8 7 年对常温下脆性岩石蠕变的分析认为，主要是由于时间效应 的微破裂过程，为了从数学上模拟这一过程，引入了一个裂纹密度参数，它的发展控制 着蠕变速率，由此建立岩石的粘塑性模型，来描述岩石的蠕变，并假定裂纹密度参数达 到临界值后，蠕变速率迅速增加，导致最终破坏。1 9 9 1 年o l ( u b os 【8 】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，表明蠕变 应变速率与时间成反比例下降，并且应变速率与试件的剩余寿命成反比的增加，所以通 过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间。 在国内，陈宗基早在2 0 世纪5 0 年代就将流变学应用于土力学中，提出了微观流变 学基本原理、“粘土结构力学 学说和土的三向固结流变理论。在1 9 5 9 年，陈宗基就把 流变理论引入岩石力学，在长江三峡水利枢纽现场平洞围岩中指导进行了流变试验【1 1 ； 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的微观蠕 变机制9 1 。谷耀君【1 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来解 释其蠕变现象。王子潮掣1 1 】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。李永盛【1 2 】对四种不同强度的岩石材料进行了单轴压缩 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， 2 以及其它时效变形特点。在此基础上探讨了岩石的蠕变机制及其对岩体工程变形和稳定 的影响。范秋雁【1 3 】提出岩石的蠕变机理是岩石的裂隙扩展与内部应力场不断发展与调整 的过程。陈有亮、孙钧1 4 , 1 5 1 提出了判断岩石起裂的流变断裂准则以及裂纹时效扩展机理。 任建喜及葛修润【1 3 1 等通过对单轴或三轴压缩岩石蠕变损伤扩展特性c t 实时分析试 验，得到了岩石蠕变损伤演化全过程的细观机理。 1 3 本文研究的主要内容 从已有岩石蠕变机理研究工作可以看出，目前国内外对岩石蠕变机理的研究尚处于 发展阶段，尚未形成一套完整而成熟的体系解释岩石蠕变全过程的机理问题。要进一步 系统的研究岩石蠕变的机理，有必要对岩石蠕变前后细微观结构的变化进行分析。本文 沿着这一思想，开展以下几方面工作。 1 、为弄清岩石蠕变性质，进行室内蠕变试验； 2 、对试验岩石的蠕变特性，进行分析总结； 3 、参考已有的岩石蠕变的研究成果，并结合室内试验的结果，分析宏观蠕变三阶 段特性的细观或微观机理。 广西大掌硕士掌位论文 第二章岩石蠕变理论基础 固体材料力学介质大致可分为两种类型：具有某种构造规律的单晶体或多晶复合 体，如岩石，矿物、金属、合金；晶粒结构方向杂乱，晶体粒径与所研究的对象的特征 尺寸相l l o y d , 的玻璃体，可视为高粘性固态材料，如玻璃。岩石作为一种多晶复合介质， 如图2 1 所示，可将材料的内部空间划分为三种类型：晶粒内部、晶粒介面、晶粒间隙。 这三类空间区域的力学性质及对岩石力学性态响应所起的作用有较大的差别。研究不同 类型岩石的变形强度理论，必须研究这些区在力场作用下的力学反应特征及它们之间的 耦合影响。这就是岩石的力学性质远较其它固态材料复杂的根本原剧9 1 。 2 1 晶体变形性能 晶间孔隙 图2 1 岩石结构示意图 f i g 2 - 1t h es t r u c t u r eo fr o c k 内部 晶问胶结物 晶粒边界 作为结晶材料变形研究的基础，首先必须对组成材料的晶体变形进行一般性的研 究。对于完整体，f r e n l ( e l 曾经提出过一个简单的估计其理论切变强度的方法。如图2 2 所示： 4 广西大掌硕士掌位论文 6 图2 - 2 完整晶体的场变模型 f i g 2 - 2 t h em o d e lo ff i e l dc h a n g ei nc o m p l e t ec r y s t a l 考虑两排无限延展的原子平面彼此间作相对切变位移6 ，所需的剪应力为t ，由于 位移时上下两排原子的相对位置是呈周期变化的，其应力与位移的关系可用以下方程表 示： f = ( 旦、s l 。n 2 z r d j ( 丝a ) 陆) f = l ll if 2 一n ll 、 式中：g 为晶体剪切模量；d 为两排原子层间的间距；a 为相邻原子之间的距离。 当s i n ( 2 z r t $ a ) = l 时，有极大值，即 t m a x = g a 2 z r d( 2 - 2 ) 这一应力极大值，可视为使晶体点阵变为不稳定的剪应力，即临界剪应力f 。若对 f ，作粗糙的量级估计，可假定a 和d 大小有相同的数量级，即d 1 ，因此近似有 f 。g 2 乃( 2 3 ) 这一结果表明，若上述的晶体材料失稳的模式是正确的，则其临界剪应力大约应为 晶体剪切模量g 的1 6 。这一结果与某些金属结晶材料的试验结果进行比较，理论值和实 验值之间相差最大达1 0 4 量级，最小也可达1 0 2 量级。m a c k e n z i e 考虑到原子间作用力的 更实际的形式以及点阵在切变中其它可能的力学稳定组态对理论估计作修正，计算出的 理想剪切强度降低到约为g 3 0 ，情况也未获得根本性的改善。 广西大掌硕士掌位论文 这一矛盾表明，若不考虑晶体的实际存在的缺陷，就不可能解释材料强度低的原因。 晶体缺陷的存在，为材料力学特性柔弱的根源，材料的变形、流动与强度的特性，必然 与这种缺陷的存在、发展与运动关联。 固体物理学定义的所谓缺陷，是指晶体内任何一种与完整周期性点阵或结构的某种 偏离。根据这一定义，在材料力学性质的微观特性研究中，一般将晶体材料缺陷分为点 缺陷、线缺陷和面缺陷三种类型。 2 2 晶体的内部缺陷 2 1 1 晶体内的点缺陷 在晶体形成过程或一定的物理力学条件f ，如高能辐射或热激活，晶体内易于形成 点缺陷。点缺陷有两种类型：s c h o 衄缺陷，记为s 缺陷和f r e n k l e 缺陷，记为f 缺陷。 两种缺陷如图2 3 所示。 劐 o 责io oo 吵 o 口oo oooo 图2 - 3 晶体内s c h o t t k y 缺陷和f r e n l ( 1 e 缺陷示意图 f i g 2 - 3t h ed i a g a mo fs c h o t t k yd e f e c t sa n dc 巧s t a lf r e 瑚ed e f e c t s 1 、s 缺陷 s 缺陷是晶体点阵上失去一个原子或离子，因而形成晶格点阵空位，如图2 3 中的 小方框所示。它由晶体内一个原子或离子迁移到晶体表面，从而在晶体内造成晶格空位 而形成。晶体在热平衡条件下，单位时间内产生空位数目和空位捕获原子或离子而消失 的数目是相等的，一个指定的阵点成为空位的概率与热平衡的玻耳兹曼因子 p = e x p ( 一毋k 丁) 成正比，其中，风是将一个原子从晶体内部阵点移到表面上所需的能 量；k 为玻尔兹曼常数；丁为绝对温度。 6 广西大掌硕士掌位论文 如果晶体存在个原子，则平衡条件下空位数为 万n 写= e x p ( 一e v k r )n n 若n 刀，则近似有 刀= n e x p ( 一e v k t ) ( 2 4 ) ( 2 - 5 ) 从( 2 5 ) 式看出，空位的平衡浓度随温度的降低而减小，如果晶体在高温条件下急 骤冷却，空位尚未捕获游离状态的原子或离子即被冻结，它的实际浓度会高于的估计。 火成岩和变质岩在成岩过程中由于冷却条件不同而导致其结构晶粒内部的空位浓度的 差别，也是同种岩石的力学性质会出现较大的差异的物理根源之一。 2 、f 缺陷 如图2 3 所示，当原子从阵点转移到间隙位置，即形成f 缺陷。若f 缺陷数目n 远 小于阵点数目以及间隙位置数目，则f 缺陷数目n 为 疗( 删) e x p ( - e i 2 k t ) ( 2 6 ) 局为将一个原子从阵点移到间隙位置所需的能量。 2 1 2 晶体内的线缺陷位错 在应力作用下，晶体的变形借助于位错的运动而传输，最简单的位错可分为两种类 型：刃型位错和螺旋位错，其区别是和位错线的走向和在外力作用下位错的运动方向相 联系的。 刃型位错的结构如图2 4 所示，设为简单立方晶体，在其晶面a b c d 上半部存在有 多余的半排原子面e f g h ，这个半原子面中断于a b c d 面上的e f 处，它好像一把刀刃 插入晶体中，使a b c d 面上下两部分晶体之间产上了原子错排，故称“刃型位错，多 余半原子面与滑移面的交线e f 就称作刃型位错线。 7 广西大掌硕士学位论文 ( a ) 立体模型 c o ) 平面图 图2 _ 4 含有刃型位错的晶体结构 f i g 2 - 4t h ec r y s t a ls t r u c t u r ew i t he d g ed i s l o c a t i o n 螺型位错是另一种基本类型的位错，它的结构特点可用图来加以说明。设立方晶体 右侧受到切应力t 的作用，其右侧上下两部分晶体沿滑移面a b c d 发生了错动，如图 2 5 所示。这时已滑移区和未滑移区的边界线b b ( 位错线) 不是垂直，而是平行于滑移 方向。图是其6 6 。附近原子排列的顶视图。图中以圆点“”表示滑移面a b c d 下方的 原子，用圆圈“o ”表示滑移面上方的原子，可以看出，在a a 右边晶体的上下层原子 相对错动了一个原子间距，而在6 6 和a a 之间出现了一个约有几个原子间距宽的、上下 层原子位置不相吻合的过渡区，这里原子的正常排列遭到破坏。如果以位线6 6 为轴线， 从a 开始，按顺时针方向依次连接此过渡区的各原子是按螺旋形排列的，所以把这种位 错称为螺型位错。 b 。 ( c ) 图2 5 螺型位错 f i g 2 - 5t h es c r e wd i s l o c a t i o n 8 o 上层原予 下j ；荽琢予 ( b ) 广西大掌硕士掌位论文 当滑移方向平行于位错线，如图2 - 6 所示，则为螺旋位错。若滑移区边界为一曲线 ( 在a 点) 的螺旋位错，也有垂直于曲线( 在c 点) 的刃型位错以及既有平行分量， 也有垂直分量的混合型的运动，叫混合位错。 i - ii i i i i i ：【i 工上土工五占j j l 上占每夺夺夺夺与 y 一 _ 一 一卜一 1- 一卜一 卜一 、- 一 l i ： 1 琴和 匕一 - 一f 一 ， , - - 6 - 令? 1 占争q 一 占一 。厶- # - 审一 寸y 9t - 0 - 9 丫1 牟伞t t ： ： 。 。上a 彩劢曩 形：形後彭穷髟彩钐彰髟 2 1 3 位错运动与相互作用 图2 6 混合型位错 f i g 2 - 6t h em i x e dd i s l o c a t i o n 在力场、温度激活或高能辐照作用下的晶体材料的力学性态，与材料内部的位错运 动特性、位错相互作用和位错与其它粒子或空位的作用有关。 1 、位错滑移 位错的滑移是在外加切应力的作用下，通过位错中心附近的原子沿柏氏矢量方向在 滑移面上不断地作少量的位移( 小于一个原子间距) 而逐步实现。图2 7 是位错的滑移 过程。 ( a ) 位错滑移时周围原子的位移( b ) 滑移过程 图2 7 位错滑移 f i g 2 - 7t h ed i s l o c a t i o ns l i p 9 广西大学硕士掌位论文 2 、位错与晶体缺陷的相互作用 两位错的相互作用的特性，实质上也是位错与缺陷作的一种情况。若将极细微的第 二相粒子引入晶体点阵，则能对位错运动产生机械阻塞。其作用机理为：溶质原子在其 基体( 晶体材料) 的晶格中，会在其周围激发应力场，它与位错的弹性应力之间会发生 相互作用；若溶质原子扩散到刃型位错附近或刃型位错运动到溶质附近，溶质原子会被 吸附到位错线附近，使系统的应变能降低，位错运动阻力增加，若溶质原子与位错相互 作用非常强，且溶质原子浓度也相当大，则它们可能会在刃型位错的下侧排列，使位错 非常稳定而形成位错“钉扎 。晶体材料即被强化，此即为c o t t r e l l 效应。 3 、位错攀移 由于位错与空位之间存在位场作用力，位错可以在作滑移动动时吸收空位作垂直于 滑移面方向的运动，如图2 8 所示为一刃型位错作攀移运动情况，这种攀移运动使位错 遇到杂质后，易于绕过它继续滑移。 一一一 ( a ) 未攀移的位错 ( b ) 空位运动引起的正攀移( c ) 间隙原子引起的负攀移 图2 8 位错的攀移运动模型 f i g 2 - 8t h em o d e lo fd i s l o c a t i o nc l i m bm o t i o n 位错与空位作用的攀移与斜滑机制，增大了位错传递变形的功能，同时也可避免在 障碍之前发生浓度过高的位错塞积而产生高应力集中，即有利于晶体材料内的微观或亚 微观的局部应力松弛。 2 1 4 晶体内的面缺陷晶界 晶体表面是一个天然的面缺陷。岩石是一种多晶复合介质。多晶体中不同取向晶粒 的界面，如图2 1 所示，称为晶界；晶粒内部往往由许多位向差较小的晶块组成，晶块 间的界面称为亚晶界。晶界的位向差一般较大，大都在3 0 。4 0 。之间；亚晶界一般不超 过2 。它们之间不只是取向程度上的差别，它们的结构性质也不同。小角晶界可用位错 模型得到较好的解释，大角晶界结构比较复杂，尚无完美的模型解释。 晶体材料的变形与流动，除晶粒本身变形以外，还由晶界滑移所造成。晶界滑移并 1 0 g - 西大掌硕士掌位论文 不单纯是黏性流体的滑移。试验证明：晶界蠕变是不连续发生的；两个晶间的方位相差 越大，滑移量越大；滑移不一定只在晶界面间产生，也可在晶界附近的一定厚度层内发 生，并且若温度或应力增高，滑移层则增厚；若两结晶面方位差越小，则滑移层厚度越 大，滑移层的增厚，意味着蠕变速度减小。晶界蠕变有关的部分，是由两侧的原结晶方 向显著不同的亚晶粒构成。 晶界变形过程为：在应力作用下，晶界附近的结晶体首先发生局部弯曲。为使弯曲 应力松弛，在这一区域会形成亚晶粒，结果，由于结晶方向变化而产生晶界蠕变。由此 可以看出，蠕变会引起材料内部结构发生局部的变化，这种亚微观结构变化又将反过来 影响蠕变变形。 结晶材料的亚微观力学性质研究还表明：“微孔 或“裂纹 的成核现象是材料变 形与断裂具有时间效应的主要原因。 2 3 物理流变机制分类 以广义流变学概念分析，可将材料的流变机制分为以下4 种： 1 、理论剪切流动 理论上的剪切强度为材料在无位错滑动的条件下，晶体内部的某一晶面相对另一晶 面作相对错动，其理论强度大约为g 3 0 量级( g 为剪切模量) ，由此可以确定，其流动 速度并不明显的随温度而变化。在这一区域的定义是，在应力t 3 r 曲作用下，材料发生流 动，仃胁为对应于理论剪切强度的拉应力。 2 、位错滑移 位错滑移易于在面心结构和密排六方结构晶体材料中发生，对体心结构和金钢石立 方晶系刚情况更为复杂。对于( f c c ) 和( h c p ) 应用本构方程为 乞2e oe x p也型k t e 22o ；c r o o ( 2 - 7 ) 式中：o o 为截止应力、位错滑移在( f c c ) 和( h c p ) 结构的晶体内进行。若不存在 粒子沉淀、晶粒边界、其它位错和溶解原子这类障碍，它可以发生在非常低的应力作用 广西大学硕士掌位论文 下。若存在有平均间距为l 的障碍，其流动应力将为g 6 肛的函数，其中b 为伯格斯矢 量。在绝对温度为零时，流动应力为g 6 ，但在较高温度，由于热激活作用，位错将 有一定的概率越过障碍，导致材料蠕变即为式( 2 7 ) 。 3 、扩散蠕变 扩散蠕变的本质是外力迫使晶体内的空位从一个渊点流向另一个渊点，外力可以驱 动晶体内的点缺陷发生穿晶扩散或沿晶界扩散。n a b a r o 和h e m n g 提出了穿晶扩散的蠕 变方程。对纯金属，空位流的穿晶扩散和绕晶粒边界扩散，可以引起材料在拉应力作用 下发生沿拉伸向的伸长。 4 、位错蠕变 在一定的温度与应力范围内，位错运动所引起的应变大于扩散蠕变所引起的应变。 在固态晶体材料中，流动应力对温度的依懒性较小，其原因为晶体材料的激活面积大， 而且流动应力由位错网络的网眼大小控制。液态材料的流动应力随温度发生相当急剧的 变化，这一现象已归因于激活面积为一个原子大小或一群原子大小。 2 4 损伤破坏机制 材料的损伤和断裂过程的研究一直是力学界研究的热点和难点。损伤力学是近几十 年发展起来的一门新学科，它是材料与结构的变形与破坏理论的重要组成部分。1 9 5 8 年k a c h a n o v 首先提出“连续性因子和“有效应力”的概念；1 9 6 3 年r a b o t n o v 提出“损 伤因子 的概念；1 9 7 7 年法国的l e m a i t r e 和c h a b o c h e 等学者应用连续介质力学方法， 基于不可逆过程热力学原理，建立损伤力学这门学科2 4 1 。 2 4 1 损伤及其分类 一般认为，损伤是材料在加载条件下其黏聚力呈渐进性减弱，进而导致其体积元劣 化和破坏的现象，它不属于某种独立的物理性质，而是作为一种材料的劣化因素被结合 到弹性、塑性和黏性等介质力学性质中去一并考虑和分析的。 固体材料的破坏是一种累积损伤过程，在物理上体现为微结构变化的累积过程，在 力学上是宏观缺陷的产生与扩展的累积过程。这个过程伴随着能量耗散或熵增加，导致 材料的性能劣化，包括刚度、强度、韧度、稳定性以及寿命的降低。 对于岩土介质来说，损伤既是一种现象也是一个过程。岩体中存在的节理裂隙( 不 1 2 广西大掌硕士学位论文 是指定向大断裂) 就可以视为是一种初始损伤。损伤与岩石的破坏变形密不可分，按照 岩石的变形机理，岩石损伤的主要类型有：弹性损伤、弹塑性损伤、蠕变损伤、疲劳损 伤、动力损伤、蠕变一疲劳损伤、卸载损伤、腐蚀损伤、核辐射损伤、碳化损伤、初始 损伤等。 2 4 2 损伤力学及其分类 从研究方法来分，损伤力学总体上可分为宏观损伤力学、细观损伤力学和微观损伤 学。 宏观损伤力学基于连续介质力学和不可逆热力学理论，认为含有缺陷体的材料是一 种连续体，损伤是一种均匀变量在其中分布，由损伤变量确定损伤状态，在满足力学、 热力学基本公设和定理的条件下，根据一定的假设，唯象地推导出损伤本构模型和损伤 演化方程。唯象学模型并不能有效地处理材料损伤的细观过程。 微观损伤力学的方法是从分子、原子层次上研究材料损伤的物理过程，用量子力学、 统计力学方法确定损伤对微观结构的影响，并推求其宏观力学效果。这一方法因其理论 尚不完善和统计量繁重而仅能处理某些损伤现象。 细观损伤力学是从材料内的颗粒、晶体、微裂纹等细观结构层次上研究损伤的形态、 分布及其演化特征。细观损伤力学的研究方法有t a y l o r 方法、自洽方法、微分法、模拟 法和有效场法等。 细观损伤扩展规律的研究可以为宏观损伤学的研究提供重要的试验基础，现已受到 广泛重视，宏细观相结合的研究方法已成为岩石损伤力学研究的重要手段。 2 4 3 蠕变损伤理论的发展 d o u g i l l t 2 5 1 在岩石损伤力学进行了开创性的工作，他最早于1 9 7 6 年将损伤力学引入 岩石材料。随后，d r a g o n t 2 6 】于1 9 7 9 年根断裂面的概念，研究了岩石的脆塑性损伤行为， 建立了相应的连续介质模型。k r a j c i n o v i c l 2 7 2 8 - 于1 9 8 1 年运用热力学等理论对岩石类脆性 材料的本构方程进行了较为全面的研究。a u b e r t i n 2 9 】等在本构方程中引入损伤内变量以 描述软岩非弹性特性，受压蠕变和损伤扩展的耦合作用被引入本构方程。c h e n 等【3 0 】对 盐岩蠕变失效的研究导出了多机制变形耦合本构方程。软岩的试验研究表明，蠕变模量 与加载率相关。 损伤理论在我国也取得了一定的发展，并应用于很多领域。谢和平最早从事岩石损 广西大掌硕士掌位论文 伤力学方面的研究。他基于岩石微观断裂机理和蠕变损伤理论的研究，把岩石蠕变大变 形有限元分析和损伤分析结合起来，形成了岩石损伤力学的思想体系【3 1 】。陈智纯等【3 2 】 于1 9 9 4 年建立了软岩蠕变损伤方程。凌建吲”】对岩石蠕变裂变裂纹起裂与扩展进行了 损伤力学初步分析。随后孙均等【3 4 】于1 9 9 7 年对三峡船闸闪云斜长花岗岩的细观损伤特 性进行了研究，依依据脆性岩体的细观损伤理论，分析了岩石细观时效损伤对高边坡岩 体稳定性的影响。1 9 9 9 年肖洪天等【3 5 , 3 6 1 结合三峡工程对岩石裂纹的流变损伤扩展问题进 行了较深入的研究。 2 5 岩石的流变性质 2 5 1 岩石的蠕变性质 岩石的蠕变性质是岩石应力、应变的时效性质，岩石蠕变是指在应力恒定的情况下， 总应变随时间发展而增长的现象。蠕变特性随岩石的性质、应力状态及环境条件不同而 不同。当应力水平较低时，多数岩石表现为黏弹性固体特性，变形随着时间而不断增长， 但变形速率逐渐减小并最终趋于稳定，岩体将只会发生过渡蠕变和稳态蠕变。初期蠕变 时岩石内微裂纹随机地发生发展，裂纹数目大量增加，以后裂纹发生停止；裂纹扩展至 一定长度，或长短趋于均匀而停止扩展，此时蠕变变形趋于稳定或停止，进入稳态蠕变 阶段。 典型岩石蠕变通常情况可分为以下三阶段： ( 1 ) 蠕变第一阶段，加载后迅速完成瞬时弹性变形后，蠕变变形开始，在这个阶 段内蠕变速率是递减的，称过渡蠕变阶段。 ( 2 ) 蠕变第二阶段，在这个阶段蠕变速率保持不变，称稳定蠕变阶段。 ( 3 ) 蠕变第三阶段，此阶段内蠕变速率迅速增加，直至破坏阶段。称加速蠕变阶 段。 1 4 广西大掌硕士掌位论文 图2 - 2 不同应力下岩石蠕变曲线1 3 】 f i g 2 - 2t h ec u l w e so fc r e e pu n d e rd i 艉r e n tl o a d i n g 图2 2 是蠕变曲线中应力q 吼变形的对应曲线。q 点对应的应力值低，故试件在 应力仉作用下的蠕变变形仅产生一、二阶段蠕变，甚至蠕变速率s 为零，不产生第三阶 段蠕变，即不导致试件的失稳破坏，如曲线1 所示。设矾对应的应力值为长期强度，当 岩石中的应力水平a 矾时，不会出现加速蠕变变形，在此情况下，岩石是不会发生破 坏的。当试件所受的应力仃 仉时，岩石在单轴应力状态下，则由黏弹性向黏塑性转化， 变形量和变形速率随时间而不断增大，可发生加速蠕变变形，可导致蠕变失稳。当应力 水平增高时，岩石经历了减速和稳态蠕变后，裂纹继续发生、发展、贯通、搭接形成宏 观裂缝，进入了加速蠕变阶段。由第二阶段蠕变进入第三阶段蠕变的持续时间的长短与 岩石的物理力学性质、蠕变速率、应力水平有关。应力水平越接近峰值强度极限、蠕变 速率越大，持续时间越短。如对应的曲2 ，尽管经历时间长，但最终发生第三阶段蠕 变。如果应力处于更高的水平，产生蠕变失稳所需的时间更短，即并非所有都会出现蠕 变三阶段，如正对应的曲线3 ，并没有或者很短暂的出现稳定蠕变阶段，而几乎从过渡 蠕变段直接进入加速蠕变阶段。更甚者如曲线4 和5 ，蠕变过程中只出现加速蠕变阶段。 实际外力长期作用下能够导致试样发生蠕变失稳破坏的应力值要比峰值强度要低，即只 要应力水平大于长期强度，岩石均可能发生蠕变失稳。 2 5 2 岩石蠕变性质的影响因素 岩石蠕变性质的最明显、最重要的特征是它们与结构状态有关，这主要是由于岩石 广西大掌硕士学位论文 通常是由多种结晶矿物组成，再由于不同类型的岩石( 岩浆岩、沉积岩和变质岩) 的成岩 过程存在本质的差异，以及经历过多次的地质构造运动和长期地质外营力的作用，使得 岩石或岩体具有：( 1 ) 存在晶体内陷和不同类型晶粒间的微孔隙或微裂隙；( 2 ) 存在有原 生的与次生的层理、节理、微裂隙或大裂隙；( 3 ) 裂隙周壁岩面被风化，并往往被低强 度结晶体或胶结物，如像方解石、绿泥石、斑脱石、高岭石等所胶结或充填，形成软弱 结构面或延续性良好的软弱夹层。( 4 ) 岩石或岩石内部具有残余应力。所以岩石或岩体 的力学介质的性态与其它材料相比，就显得更为复杂。 岩石蠕变试验表明，岩石蠕变性质主要与以下几个因素有关9 ，3 7 】： 1 、应力状态 大多数蠕变试验都在单轴压应力条件下进行，也有某些研究者进行过弯曲试验、扭 转试验和单轴拉伸试验。试验结果表明，蠕变与应力性质有关，w a w e r s i k 等于1 9 7 3 对花岗岩进行单轴抗压试验，发现压缩试验在试件破裂前会出现延续一定时间的蠕变加 速阶段，预示破坏将发生，而拉伸试验的加速蠕变时间非常短，即发生突然性的破坏。 1 9 7 4 年c h u 曲研究了在拉应力和压应力作用下灰岩的蠕变。发现灰岩在拉应力状态下 的应变率比在压应力状态下约高6 倍9 1 。 岩石在任一瞬时的应变率和应变大小与作用应力相对于该岩石的屈服应力的大小 有关。g r i g g s 曾对浸在水中的雪花膏与灰岩进行过详细的测量，并发现按马克斯威尔模 型计算的粘性系数与应力量级有关，稳态蠕变速率。的值与应力有以下关系： s 产a s i n b ( a s ) ( 2 8 ) 式中：a 、b 和s 均为常数；o 为压应力。按照马克斯威尔模型s ，= a 3 0 ，故有 ol 华= = c ，但按照s 。