岩石流变模型及其应用.doc

1、摘 要流变是岩石材料的重要力学特征，许多岩土工程与岩石的流变特性都有紧密联系，例如，矿井开采，隧洞开挖以及核废料储存等。随着国内岩石工程迅猛发展，越来越多的水利、交通、能源和国防工程在岩石地区相继展开，其设计、施工、运营、稳定性和加固等都直接依赖于节理岩体的强度、变形及破坏等特征，而且这些特性都与间相关。为确保岩体工程在长期运营过程中的安全与稳定，这就需要对岩石流变力学特性作进一步深入研究。因而在岩石工程中，充分考虑岩石的流变力学特性，对于岩石力学的理论研究和实际工程应用都具有重要的实践与指导意义。近年来，关于流变方面的论文很多，但岩石流变力学理论还不很成熟，许多重大岩石工程的建设为岩石流变力

2、学理论研究带来了严峻的挑战，当前岩石流变力学特性和本构模型理论的研究仍是其难点和热点问题。鉴于此，本文采用试验研究、理论分析和数值模拟相综合的研究方法，对岩石流变力学特性进行了深入研究。本文的主要研究工作如下： (1) 对板岩软弱夹层进行剪切流变试验，根据裂纹扩展特点，建立了能描述剪切加速破坏的非线性流变模型；(2) 基于蠕变损伤理论，深入研究软岩流变破坏机理，在此基础上建立了新的损伤因子；(3) 在岩石(岩体)非线性流变损伤的基础上，引进新的损伤因子，建立了岩石(岩体)非线性蠕变损伤本构模型；(4) 从损伤力学出发,通过在内蕴时间中引入牛顿时间、损伤变量，建立了内时流变本构方程，由于该本构方

3、程具有不可逆热力学的根基，并且避开了经典粘弹塑性力学所作的“屈服面”假设，故其可用来有效描述耗散性地质材料特别是软岩、土等的复杂的非线性流变特性。（5）根据flac3d软件特点，用户通过c+语言编写本构模型导入到flac3d中，通过简化验证本构模型的正确性以及可靠性。将岩石流变力学特性的试验和理论研究成果应用于锦屏二级水电站引水隧洞中，预测隧洞围岩长期稳定性，为引水隧洞的长期稳定与安全性提供合理评价与建议。关键词 剪切流变试验，损伤力学，非线性流变模型，模型辨识，蠕变损伤，内时理论，锦屏二级水电站，引水隧洞abstractrheology is one of the most importan

4、t mechanical characteristics of rock and rock-like materials, many geotechnical engineering projects and the rock rheology characteristic have the close relations, for example, mining, tunnel extraction, storage of resources and radioactive wastes, etc. great progress has been made at rock projects

5、in china, more and more water conservations, the transportation, the energy and the defense project develop one after another in the rock area, its design, the construction, the operation, the stability and the reinforcement and so on directly rely on jointing rock strength, distortion and destructi

6、on,etc, and these characteristics relate time. in order to guarantee the rock engineering insecurity and the stability in the long-term operation process, which need deeply research rock rheology mechanics characters. therefore, the author considers fully the rock the rheology mecha rock rheology ni

7、cs characteristic in the rock project, which has the important practice and the guiding sense for theory research of rock mechanics and the actual project application. in recent years, there are many articles about rheology aspect, however, rheological model theory of rock material has not been very

8、 mature up to now. many great rock engineering are being or will be designed or built in recent decade, which will bring severe challenge for theoretical research on rock rheology model. research results that can reflect the accelerative rheological model of rock material are not very ideal. nowaday

9、s, study on rheological properties of rock and constitutive model theory is still the difficult and hot problem. therefore, the comprehensive method of experimental investigation, theoretical analysis and numerical simulation is adopted in this thesis,which conduct to deeply research rock rheology m

10、echanics characteristic. main research work of the article is as follows: (1) doing the shear rheology test of slate weak interlayer，according to the characteristic of fracture growth, establishes non-linear rheology model which can reflect soft rock shear accelerated damage; (2) based on the theory

11、 of creep damage, deep researches rhrology destroy mechanism of soft rock, and build a new damage factor ;(3) based on non-linear rheology damage of the rock (rock mass), introduces the new damage factor, and establishes non-linear creep damage constitutive equations of the rock (rock mass); (4) fro

12、m the damage mechanics, introducing the newtonian time and damage variable at the endochronic time, and building constitutive equations of endochronic rheology. because constitutive equation has the irreversible thermodynamics foundation and avoids the presumption yield surface of classical visc-ela

13、stic-plastic mechanics, therefore it may use to describe the dissipative geologic material that have the character of non-linear rheology, for example, soft rock, soil,etc;(5) according to the software characteristic of flac3d, the user compiles the constitutive model by c+ language that are inducte

14、d to flac3d. it confirms the model accuracy and reliability by the simplification. experimental and theoretical investigation results on rheological mechanical properties of rock are applied to the jinping second stage hydropower derivation tunnel. the long-term stability of rock engineering under c

15、omplex stress state is predicted, which brings forward reasonable evaluation and suggestion for long-term stability and safety of rock engineering. keywords: shear rheology test, damage mechanics, non-linear rheological model, model identification, creep damage, endochronic theory, jinping second st

16、age hydropower station, derivation tunnel.目 录摘 要1目 录3第一章 绪论71.1选题背景和研究意义71.2岩石流变力学特性的试验研究101.2.1岩石材料流变力学特性的试验研究101.2.2岩体流变力学特性的试验研究151.2.3岩石流变试验设备与试验方法评述171.3岩石流变本构模型的理论研究211.3.1元件组合模型211.3.2经验模型261.3.3经典粘塑性理论模型291.3.4细观物理模型311.3.5不可逆热力学模型351.3.6基于内时理论流变模型361.4岩石流变模型辨识与参数反演研究391.5岩石流变力学特性研究中存在不足431.

17、6本文主要研究内容44第二章 岩石流变试验及本构模型研究462.1引言462.2岩石流变特性472.3岩石蠕变试验492.4岩石的长期强度552.5板岩剪切流变试验562.5.1实验设备及试样制作562.5.2试验步骤572.5.3试验结果分析592.5.4试验研究结论612.6板岩软弱夹层非线性粘弹塑性模型研究612.6.1非线性粘弹塑性模型612.6.2变尺度法及参数反演692.7本章小结73第三章 岩石蠕变损伤机理研究753.1前言753.2蠕变损伤过程中硬化和软化机制763.3蠕变损伤基本理论793.3.1单轴应力的蠕变损伤方程793.3.2三维蠕变损伤方程813.3.3岩石蠕变本构关

18、系823.4考虑蠕变损伤因子的研究843.5岩石的蠕变机制分析873.6本章小结89第四章 岩石非线性粘弹塑性流变损伤模型研究904.1前言904.2岩石非线性流变损伤机理914.3岩石非线性蠕变损伤模型924.4模型验证964.5本章小结97第五章 基于内时理论软岩损伤流变模型研究985.1引言985.2建立流变本构方程的基本思想985.3软岩内时损伤流变模型的建立1005.3.1内时理论简介1005.3.2建立软岩内时损伤流变模型时应遵循的公理1025.3.3空间中损伤弹塑性不可逆过程的热力学描述1035.3.4岩石损伤和破坏机理1055.3.5本构模型的建立1075.4试验验证1125.

19、5本章小结115第六章 岩石流变力学特性在工程中应用1166.1前言1166.2 flac 3d软件简介1176.3 flac3d计算步骤及二次开发环境1176.3.1 计算步骤1176.3.2 二次开发环境1186.4岩石非线性蠕变损伤模型及其差分格式1196.4.1岩石非线性蠕变损伤模型1196.4.2 三维情况下差分形式的本构方程1206.5程序编程概要及加载运行1246.5.1flac3d本构模型开发的编程概要1246.5.2非线性蠕变损伤模型dll的载入及运行1276.6算例验证及工程应用1286.6.1算例验证1286.6.2锦屏二级水电站深埋长大引水隧洞围岩流变分析1296.7本

20、章小结139第七章 总结与展望1407.1全文总结1407.2展望141第一章 绪论在矿山开采、隧洞开挖过程中，经常可以看到一些与时间有关的现象，例如，硐室开挖初期，围岩不塌落，一段时间后却大量塌落；又如支架上的压力或围岩上的位移在一段时间内随时间增长。沿用经典的弹性模型、弹塑性模型均无法解释这些现象，这就需要发展新的流变力学理论来研究产生这种现象的原因及其力学机制。岩石是一种地质材料，从唯象学的角度看，它应是一种流变介质。流变一般指在外部条件作用下其应力和应变随时间缓慢变化的过程或现象。岩石作为边坡、围岩的介质，建筑物的基础，其力学特征及稳定性直接影响结构和建筑物的安全。岩石的流变性是指岩石

21、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。岩石流变是岩土工程围岩变形失稳的重要原因之一。工程实践与研究表明1：在许多情况下岩土工程的破坏与失稳不是在开挖完成或工程完工后立即发生，而是随着时间的推移，岩体的变形与应力不断调整、变化与发展，变形趋于稳定往往需要延续一个较长的时间。1.1选题背景和研究意义“流变”一词，源与古希腊哲学家 heractitus的理念，意即“万物皆流”。简而言之，所有的工程材料都具有一定的流变特性，岩土类材料也不例外。岩石流变是研究应力、应变状态的规律及其

22、随时间的变化，并根据所建立的本构规律去解决工程实践中所遇到的与岩石流变有关的问题。国外岩石流变力学特性试验研究最早可以追溯到 20 世纪 30 年代末期，griggs(1939)2对灰岩、页岩和粉砂岩等类软弱岩石进行了蠕变试验，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 12.5%80%时，就发生了一定程度的蠕变。随着新奥法的广泛应用，以及诸如瓦依昂水坝库岸的蠕滑破坏造成的惨重损伤等，岩石流变力学特性的研究备受岩石力学研究工作者的重视。1966年国际岩石力学会议上3，就有学者提出了适合岩石的流变模型，并指出岩石蠕变在边坡稳定中起的重要作用；1979年第四次国际岩石力学会议4，岩石的

23、流变问题被作为会议主题进行了讨论，langer教授对岩石流变问题的基本概念、岩石流变力学的研究方法、岩体流变特性规律以及岩石工程中的流变问题进行了全面概述，同时阐述了岩石流变特性的研究状况及其重大意义。日本伊藤5(ito，1987)对花岗岩试件进行了历时 30 a的弯曲蠕变试验，研究表明，花岗岩同样呈粘滞流动但未观测到屈服应力。大量室内试验和现场量测已充分表明610，对于软弱岩石以及含有泥质充填物和夹层破碎带的岩体，其流变特性是非常显著的。因此，在工程实践中经常会遇到岩体变形随时间而增长变化的现象。由于隧洞围岩变形随时间的变化，地下建筑物可能会引起衬砌破坏或丧失使用条件等等。研究岩石材料和岩体

24、流变理论的主要内容是寻求其应力应变与时间的本构模型，引用数学描述的材料强度和变形法则来解释导致材料失效而破坏的时间历程以及确定有关的材料参数，在此基础上，采用流变力学的方法来解决各类岩体工程中的有关强度、变形、稳定和破坏问题。近年来，随着岩石力学理论与工程实践的迅猛发展，对岩石流变力学特性规律的理论研究、岩石流变力学特性的试验研究、从微细观角度研究岩石的流变以及岩体稳定性的时间效应研究等等，均得到了很快的发展11，23。然而，一方面，由于我国室内岩石流变试验仪不完备，所得到的岩石流变力学参数可靠性不是很高；另一方面，当前岩石工程所涉及的应力状态更加趋于复杂化，从而使得现有岩石流变力学特性试验研

25、究成果很难满足岩石工程实践的需要，因而有必要对复杂应力状态下岩石流变力学特性进行试验研究。此外，目前在岩石流变本构模型研究方面，尚无一个比较满意的、适用性较广的岩石流变本构模型，存在的各种流变模型很大程度上都只是针对某一具体岩石采用各种不同元件加以模拟，这方面仍有许多研究工作要做。同时，当前损伤力学和断裂力学的迅速发展，给岩石流变力学特性的研究带来了前所未有的机遇和挑战；岩石流变力学与断裂以及损伤力学的相互耦合，从而使得岩石流变力学特性的理论研究领域更加开阔。随着西部大开发，西电东送以及南水北调工程发展，这些工程大都涉及到复杂岩体。又如锦屏一、二级水电站工程，这些工程岩体，均具有明显的流变特性

26、。这就为岩石流变力学进一步发展提供广阔的空间。因为岩土工程规模和投资愈来愈大，相应的岩石力学状态也变得愈来愈复杂，这就为岩石力学系统研究提出了更高的要求，如何建立恰当的流变本构模型来描述和模拟岩石力学特性与时间之间的关系，从而为进行此类工程问题的长期稳定和安全性提供解决措施和方法，已成为当务之急。目前许多岩石力学研究工作者正在努力寻找合适的岩石流变本构模型来描述和模拟岩石材料的变形破坏与时间之间的演化规律，但由于岩石介质的复杂性，内部存在不同类型以及不同尺度的微缺陷，这些微缺陷的产生、扩展以及汇合对岩石材料的变形破坏有着极大的影响，确切描述岩石变形破坏的流变本构模型仍未被建立起来，因而在岩石流

27、变力学本构模型的理论研究中仍有许多工作要做。 综上所述，“锦屏二级水电站深埋长大隧洞岩体力学特性与围岩稳定性分析研究”这一研究课题具有十分重要的理论价值和工程意义，对此进行深入研究，将有助于明确复杂应力条件下岩石流变的力学特性以及岩石流变破坏机理，从而为今后预测岩体工程的长期稳定与安全提供参考依据，丰富和完善岩石流变力学理论的研究。1.2岩石流变力学特性的试验研究1.2.1岩石材料流变力学特性的试验研究在流变工程中，经常分析岩体的蠕变性能，工程岩体是由完整岩石和结构面组成，岩体的长期强度一般取决于两者的流变特性，而在对岩石进行室内蠕变试验时，由于所用试件尺寸比较小，不能完全反映岩体的蠕变性能，

28、故需对结构面和含结构面的岩体进行蠕变试验。岩石室内和现场流变试验是研究岩石时效特征和变形规律的最重要手段，试验研究成果是流变本构模型研究的基础。但由于室内试验具有能够长期观测、较严格控制试验条件、重复次数多等优点，而备受岩石力学研究工作者的青睐和重视。对岩石流变力学特性的试验研究成果也主要集中在室内试验方面，而由于现场流变试验耗资费时、难度较大，再加上现场流变试验所选取的研究区域也并不具有明显的代表性，因而对现场岩体流变力学特性的试验研究成果相对较少。下面将从岩石材料流变力学特性的试验研究、岩体流变力学特性的试验研究以及岩石流变试验设备和试验方法三个方面评述岩石流变力学特性的试验研究进展，力图

29、明确今后岩石流变力学特性试验研究的发展方向。对岩石流变力学特性进行试验研究，最早的是griggs(1939)2，他对灰岩、页岩和砂岩等类岩石进行蠕变试验，指出砂岩和粉砂岩等类岩石中，当荷载达到破坏荷载的125%80%，就发生蠕变的观点；haupt(1991) 17研究了盐岩的应力松弛特性，指出在整个应力松弛过程中，其岩石内部的细观结构仍保持不变，而应力松弛则在另一侧面反映了盐岩内部组构受力后的粘性效应；e. maranini 和m. brignoli18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

30、响为其屈服应力降低；y.fujii 等19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 3 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。早在 20 世纪 90 年代初，陈宗基(1991)21首次对宜昌砂岩进行了扭转蠕变试验，研究了岩石的封闭应力和蠕变扩容现象，并指出蠕变和封闭应力是岩石性状中的两个基本因素；曹树刚和鲜学福16对煤岩蠕变损伤特性进行了实验研究，得到了有意义的成果；缪协兴(1995)22总结了以描述岩石损伤历史并以蠕变模量为参数的岩石蠕变损伤方程；杨建辉(1995)23描述了砂岩单轴受压蠕变试验中其纵横向变形随时

31、间的增长发展规律，指出岩石内部裂纹的扩展是产生横向变形的主要原因；徐 平(1995)24以长江三峡船闸区闪云斜长花岗岩为工程依托，开展了三点弯曲蠕变断裂试验，并首次进行了四点弯曲 iii 复合型断裂试验，得到了不同风化程度岩石的蠕变断裂韧度；李永盛(1995)25分别对大理岩、红砂岩、粉砂岩和泥岩 4 种不同强度的岩石材料，采用具有伺服控制系统的 instron 刚性试验机进行了单轴压缩条件下的蠕变与应力松弛试验，指出岩石材料随时间增长在不同应力水平条件下一般都出现蠕变速率减小、稳定和增大三个变化发展阶段，并具有应力松弛非连续性变化的特点，由此建立了旨在描述岩石材料应力应变时间的非线性本构方程

32、；陈智纯(1995)26通过大量软岩流变试验发现了两种非常规的流变力学行为：软岩蠕变中泊松比出现负值；蠕变和松弛不能用两个线性相关的函数表示；陈有亮(1996) 27采用直接拉伸试验方法，对红砂岩进行了拉伸断裂和拉伸流变断裂的对比试验，得到了该类岩石的流变断裂准则；杨淑碧(1996) 28对侏罗系沙溪庙组砂岩和泥岩的流变特性进行了系统的流变试验研究，认为砂岩和泥岩的流变特性主要都受岩性和风化程度控制，砂岩在压缩条件下具有较高的长期强度，而在拉伸条件下的长期强度与蠕变断裂的极限变形量都较低，松弛现象相对于蠕变言则更为突出；泥岩在压缩及剪切条件下的长期强度相对都比较低，而强度的时间效应则很显著，蠕

33、变现象相对于松弛而言似乎更为突出。长江三峡工程建设也为岩石流变的试验研究提供了新的契机，夏熙伦(1996) 29 和徐平(1996) 30 分析了三峡船闸区花岗岩的蠕变试验，研究结果表明：三峡船闸区闪云斜长花岗岩的时效特性存在一个门槛值，在低应力水平下，其蠕变变形相对较小，但当应力超过门槛值时，变形随时间增加的趋势则急剧增大。研究试验也认为：船闸区岩石的蠕变特性，当应力水平低于屈服应力时，可采用广义 kelvin 模型来描述；当应力水平高于屈服应力时，则可采用西原模型来描述；孙钧(1997) 31对三峡花岗岩进行了劈裂拉伸蠕变试验，表明蠕变拉伸强度与加荷速率有关，同时还研究了水对岩石拉伸蠕变特

34、性的影响；张向东(1997) 32对硅藻岩进行了室内蠕变试验，结果表明：硅藻岩蠕变性强，其蠕变变形量为瞬时变形量的 200%以上；硅藻岩强度则随时间而弱化，荷载作用时间越长，其强度越低，建议硅藻岩的长期强度可用下式来描述：，硅藻岩的流变特性符合 burgers 模型；z.chen(1997) 33分析了盐岩蠕变试验结果，在热力学限制的基础上提出了一套具有相应积分体系的本构框架，并用以描述包括加速蠕变在内的蠕变响应。进入 21 世纪之初，岩石流变试验研究更趋活跃；李建林(2000) 34根据三峡工程永久船闸区岩体微新花岗岩受拉及拉剪流变的试验结果，研究了岩石受拉和拉剪流变特性，给出了岩石受拉、剪

35、的破坏强度曲线，研究了岩石流变等效抗拉强度和等效流变变形模量；陈有亮(2000) 35用三点弯曲试验方法对层状岩石的流变断裂特性进行了试验研究与理论分析，得到了一种岩石流变断裂准则，验证了直接拉伸试验所得到的试验结果，分析了层理的存在对断裂扩展的影响，并用重正化变换理论对岩石的流变断裂机制进行了定量分析；杨春和(2002) 36基于谢和平提出的岩石蠕变损伤力学模型，通过对盐岩蠕变试验研究，给出了一个能以反映盐岩蠕变全过程的盐岩非线性蠕变本构方程；孙钧(2002) 37对软岩的非线性流变力学特性进行了试验研究，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中；朱定华(200

36、2) 38通过对南京红层软岩的流变试验，发现红层软岩存在有比较明显的流变属性，它符合 burgers 本构模型，试验得出长期强度约是其单轴抗压强度的63%70%；陈有亮(2003) 39还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试验研究，结果表明，岩石裂纹通常在初始应力强度因子ki 小于断裂韧度 kic 的情况下，经过一段时间的持续蠕变变形后才产生裂纹起裂和扩展；邱贤德(2003) 40在其前述的对长山和乔后两类盐岩矿进行蠕变试验研究的基础上，又通过进一步的试验建议了一种盐岩的蠕变模型，并分析了两类盐岩蠕变过程其蠕变损伤差别的原因，主要是 nacl 含量高低、晶粒尺寸大小和胶结性质不

37、同，造成两种岩样在蠕变过程中发生的现象不同，其盐岩力学性质也有差异；其次，由于在盐岩晶粒结晶过程中，因地质、环境等因素的影响，使晶粒内部存在着大量缺陷，晶粒之间的交界面极不规则，这时位错在一些晶体内占有重要地位，位错基本控制了该晶粒的流变力学性质；徐 平(2003) 41通过对溪洛渡坝址区玄武岩弱风化含屑角砾型错动带岩体所作现场柔性承压板的蠕变试验研究，显示该类岩体的变形特性具有较明显的时效特征，其流变属性可以采用广义 kevin 模型描述，岩体长期模量与瞬时模量的比值约为 0.62；孙钧、赵永辉(2003) 42研究了润扬长江大桥北锚碇基础区域基岩的流变力学属性，采用岩石双轴流变试验机进行了

38、单、双轴的压缩与压剪蠕变试验，选用了广义 kelvin 模型进行了流变参数的拟合分析，获得了粘滞系数等相关的流变力学参数，并应用于锚碇结构的流变数值计算；丁志坤(2004) 43在泥页岩蠕变试验的基础上，分析了岩石粘弹性变形随应力水平不同和时间的发展变化，从元件型本构方程出发验证了引入非定常流变参数的必要性；建立了一维情况下非定常粘弹性模型的蠕变方程，通过理论计算与试验结果的对比，发现非定常粘弹性模型比定常粘弹性模型能更为准确地反映泥页岩的非线性粘弹性变形性能；宋飞(2005) 44对石膏角砾岩进行了单轴和三轴蠕变试验，结果表明：其蠕变具有非线性和加速蠕变特性，而且不同围压对蠕变的影响很大；根

39、据试验结果还按遗传蠕变理论建立了石膏角砾岩的非线性蠕变方程；严仁俊(2005) 45利用三轴压缩蠕变试验装置对四川三叠系盐岩试样进行了各种温度、压力条件下的常规三轴压缩蠕变试验研究，得到了在不同温度条件下盐岩材料随时间变形发展的一些规律：岩样的变形率随其所处温度的增高而加大，温度越高，发生稳态蠕变和加速蠕变的时间则越早，而岩石的长期强度越低，愈容易进入加速蠕变阶段，在温度较高时，其加速蠕变阶段非常短。徐卫亚(2005) 46从绿片岩三轴流变试验结果，研究了不同围压条件下绿片岩的流变力学特性。1.2.2岩体流变力学特性的试验研究岩体中存在着大量断层、节理以及软弱夹层等不连续面，正是这些不连续面造

40、成了岩体与岩石材料的巨大区别，岩体结构控制岩体变形、破坏及其力学特性，岩体变形是由岩石材料变形和岩体结构变形共同组成，这些特性决定了岩体本质上是不连续体。岩体中的断层、裂隙及节理，由于挤压破碎以及地下水的活动，经常会形成软弱带或泥化带，即软弱夹层，软弱夹层的强度较低，且变形量大，具有显著的时间效应，因而软弱夹层的流变力学特性，直接影响着岩体工程的长期稳定性。刘家应(1982)47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；黎克日(1983)48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(1

41、983)49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；吴玉山(1986)50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。雷承弟(1989)51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30%时，流变变形仍可持续6个月以上52。郭志(1994) 53论述了岩体软弱夹层充填物的流变变形特性，

42、根据流变过程曲线分析了初始流变与等速流变之间的关系，并指出软弱夹层的临界等速流变变形始终存在，还提出了一种临界等速流变剪应力的确定方法。张奇华(1997) 55进行了链子崖危岩体软弱夹层的室内剪切流变试验，根据蠕变曲线的特征，建议可采用以 burgers复合粘弹性模型和 kelvin-voigt 模型来分别描述当剪应力大于和小于其长期强度时的两种蠕变曲线。朱子龙(1998)56根据三峡工程永久船闸地质勘探的花岗岩采样，模拟了现场岩体节理情况，进行了岩石拉剪蠕变断裂的试验研究，研究结果表明，在拉剪应力作用下，当应力比大于0.7 时，将产生不稳态蠕变；而当应力比小于 0.6 时，则产生稳态蠕变。邓

43、广哲(1998) 57从岩体不连续裂隙介质的三轴蠕变试验结果，研究了裂隙起裂机制及其蠕变扩展规律，讨论了岩体裂隙损伤断裂全过程与裂隙岩体蠕变全过程间的耦合相互作用关系，并由此建立了一种相应的本构模型。王在泉(1999)58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。丁秀丽(2000)59介绍了三峡工程船闸区硬性结构面的蠕变试验结果，提出了结构面蠕变的剪切蠕变方程。研究结果表明，花岗岩硬性结构面的剪切蠕变位移不仅是加载持续时间的函数，且与所施加的法向压应力及剪切应力大小有关。周火明(2001)60介绍了三峡船闸边坡现场岩体

44、蠕变试验的技术与成果，与实验室完整的岩块蠕变试验成果相比，包含众多裂隙的较大尺寸岩体较之小尺寸岩样具有更为明显的蠕变特征，其岩体蠕变参数显著降低，并建议船闸边坡岩体蠕变可采用广义kelvin模型来描述。陈沅江(2005)61对湖南某煤矿350 m 以下采场煤层的砂页岩顶板进行了软岩结构面的压剪蠕变试验，认为软岩结构面蠕变与结构体(岩块)一样也具有瞬弹、瞬塑、粘弹和粘塑性等多种应变成分；但在不发生剪切蠕变破坏的情况下，其瞬时变形远大于粘性变形，结构面蠕变在应力水平不太高的条件下，其变形只具有衰减蠕变和稳态蠕变两个阶段，且后一阶段其变形速率很小而持续时间则很长，研究中没有考虑结构面的蠕变剪胀效应。

45、沈明荣(2004) 62通过规则齿形结构面在双轴应力条件下的蠕变试验，对规则齿形结构面的剪切蠕变特性进行了深入研究，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 burgers 模型来反映凿槽的剪切蠕变特性。1.2.3岩石流变试验设备与试验方法评述试验设备是进行岩石流变特性研究的必备条件，然而由于岩石工程问题往往处于复杂应力状态下，因而很多情况下，简单应力状态下的蠕变特性试验研究，并不能完全反映实际工程中的岩石性态。这样，复杂应力状态下岩石蠕变试验研究及其试验设备的研制显得非常必要并不断地得到发展。石油开采和深部采矿需要考虑岩石处于高温高压的环境，因而对高温高压多功能的三轴蠕变仪

46、的研制最为重视。黄炳香(2003) 63利用改进的三点弯曲试验对甘肃北山花岗岩在温度影响下的蠕变断裂特性进行了试验研究，得到了 200 下北山花岗岩的蠕变全过程曲线，并研究了北山花岗岩断裂韧度随温度的变化规律，在 75 时其断裂韧度出现极值，在 200以后则呈下降趋势。remvik(1995)64介绍了一个特别设计的三轴蠕变室，它与轴向加压活塞相连成一个系统，不需要高刚度的加载框，能达到温度150度，轴压、孔隙压力50mpa。针对水利水电工程抗滑稳定问题居多的特点，徐平(1992，1996)65， 66介绍了ryj-15型软岩剪切流变仪和lyj系列结构面剪切流变仪，该设备采用了气液加载，避免了

47、停电的影响；而且采用了贮能器进行稳压，当变形增加引起压力降低时，贮能器可起到自动调节补压作用，效果很好。为长时间真实记录岩石蠕变变形，还配备了多信道计算机采集系统。此外，孙钧(1999)67研制了rv-84型岩体弱面直剪蠕变仪。陈沅江(2002)68研制了用于软岩流变的蠕变-松弛耦合试验仪，探讨了利用单级加载和逐级加载两种方式确定软岩流变参数和长期强度的蠕变-松弛耦合试验原理。邱贤德(1995) 69用自行设计的杠杆式流变仪，对长山、乔后两类盐岩的蠕变、松弛和弹性后效流变力学特性进行了试验研究，研究成果表明，长山盐岩的变形受位错及晶粒间界面控制，在长期蠕变中以位错滑移为主，主要呈现脆性破坏；而

48、乔后盐岩是一种复杂的粘弹塑性体，其屈服应力很低，根据试验结果，还建立了单向应力状态下的最大应变破坏准则。岩石流变试验，无论是室内的还是现场的，最主要的特点是试验条件处在一定的可控制状态。但由于流变试验设备所限，一般只能进行完整岩石试件的流变试验。正是由于这个特点，岩石流变试验所得出的结果，实质上只是岩石流变特性在该试验条件下的一种宏观表现形式，而不能看成是岩石流变性状的完全真实的再现，这主要在于室内岩石材料和岩体地质条件和物理状态的差异，以及所处的力学条件的不同，室内岩石试样经历的加卸载过程和工程岩体地应力的作用完全不同。尽管存在着这些局限性，岩石流变力学试验仍是当前人们认识岩石流变力学特性的

49、主要方法，而且室内岩石流变试验能够对岩石蠕变和松弛作长期的全过程观测，但现场流变试验要做到此，则是非常困难的一件事。对岩石材料和岩体进行流变试验，所采取的方法基本上是相同的。目前对岩石流变力学特性进行试验研究，采用较多的方法是分级加载方法，也就是说在施加某一应力水平后，观测岩石的流变变形，一般在观测一定的时期或者岩石流变变形基本上趋于稳定后，再施加下一级应力水平，并观测其流变变形，其余类推，直至岩石试样破坏；另一种是分别加载方法，也就是说在某一恒定的应力水平下，对同一组岩石试样进行流变试验，观测岩石试样流变变形与时间的关系，直至岩石试样破坏。通常而言，采用分级加载方式，可以避免岩样的离散性对岩

50、石流变变形的影响，但上一级加载的应力水平会对岩样造成不同程度的损伤，而随着应力水平的逐级增多，这种损伤会有增加的趋势；而采用分别加载方式，可以避免前期加载历史的影响，但需要一组同样的岩石试样，难以避免岩石材料的非均质性对流变试验结果的影响。因而岩石流变试验的两种方法各有优缺点，需要根据试验时所选用的材料进行合理选取。若岩石试样完整性较差，如材料内部裂隙或者节理面明显时，应以分别加载方式为宜，这样能反映岩石内在不连续面对流变破坏力学特性的影响；但若岩石试样的完整性较好，则不同岩样之间的差异就较小，这样刚好能克服分别加载方式中材料非均质性对流变试验结果的影响，以分级加载方式进行流变试验的效果可能会

51、更好。通常对岩石流变试验采用分级加载方式进行，是根据线性迭加原理整理得到的流变试验结果，从而得到不同应力水平级对应的岩石流变曲线。然而，岩石流变是非线性的，它往往并不满足线性迭加原理，因而按线性迭加原理得到的岩石流变曲线将有一定的偏差，有必要改用其它的方法。一种可能的尝试就是采用分别加载方式，直接得到岩石流变试验曲线，但由于试验条件所限，一般不容易得到分别加载所要求的所有条件；第二种是保持分级加载方式，但对所得到的阶梯型流变曲线不按线性迭加原理直接整理得到岩石完整流变曲线，而采用非线性流变理论来研究分级加载下的岩石流变，考虑非线性高次项及交叉项对流变方程的影响，找出每级应力增量下各非线性流变参

52、数，从而得到非线性流变参数随应力和时间的变化情况，最终建立分级加载下岩石的非线性流变本构模型，但这种方法工作量较大，而且不便于工程应用。 岩石流变研究的途径通常有两种：一是从微细观角度出发，以微细观构造的变化与机理来推导整体的流变特性。近些年来，高倍扫描电子显微镜以及ct试验机的出现，促进了岩石流变微细观机理的研究，但限于目前研究手段、设备的不成熟与不完善，这种方法仍只能对流变力学特性作定性的描述，定量的研究成果极为少见；二是从宏观角度出发，根据流变试验结果，采用粘弹性以及粘弹塑性理论，损伤与断裂力学理论等等，来建立新的流变本构模型。但这种方法对岩石流变机理方面的认识尚不充分。因此，对岩石流变

53、力学特性进行研究，必须综合以上两种研究方法，将微细观与宏观相结合，理性与物性相统一，探讨岩石材料内部的微观与宏观流变特性之间的内在联系与相关规律，从机理上进一步认识岩石流变的发生与发展条件。岩石非线性流变元件的发展，以及损伤与断裂力学理论的深化，均为岩石流变微细观与宏观的结合研究提供了强有力的理论工具。李化敏(2004) 70利用自行研制的 uct1 型蠕变试验装置，采用单调连续加载和分级加载方式，对南阳大理岩进行了单轴压缩蠕变试验研究。试验结果表明，大理岩虽然属于坚硬岩石，但在持续高应力作用下仍然会出现较强的时间效应，产生了较大的蠕变变形，其蠕变强度与瞬时强度之比为 0.9 左右；拟合得出了

54、蠕变曲线的经验公式，认为蠕变试验曲线接近对数规律变化，还建立了大理岩蠕变的 burgers 理论模型，得到了相应的蠕变参数。张向东(2004) 71在前述流变试验的基础上采用自行研制的重力杠杆式岩石蠕变三轴试验机，对泥岩进行了三轴蠕变试验，试验结果表明，在高应力水平条件下泥岩的蠕变具有非线性，其蠕变变形量可达到瞬时弹性变形量的 300%以上，且当等效正应力 时为稳态定常蠕变；而当 后则为非稳态的非定常蠕变。巫德斌(2004) 72也通过自制试验装置对泥板岩的流变特性进行了研究，得出了符合该泥板岩流变特性的流变本构模型。刘建忠(2004) 73使用 xtr01型微机控制电液伺服试验机，采用梯级加

55、载法，对煤岩进行了三轴蠕变试验，利用五参数的西原模型，探讨了依附于时间发展的煤岩三维蠕变本构方程，并利用最小二乘法对蠕变试验结果进行了分析，获得了有关煤岩的流变力学参数。任建喜(2002) 74采用自行研制的ct扫描仪专用三轴加载试验设备，完成了单轴压缩荷载作用下岩石蠕变细观损伤演化的 ct 扫描实时试验，从 ct 数和 ct 图象的变化规律出发，对岩石蠕变损伤三阶段的细观扩展机制进行了分析，完成了裂纹宽度和长度随时间发展变化规律的定量研究，并建议用 ct 数下降速度的概念来判断岩石蠕变损伤第 3 阶段的门槛值。1.3岩石流变本构模型的理论研究鉴于岩石流变本构模型在岩土工程围岩稳定性分析中的重

56、要性，国内外岩石力学工作者对其进行了大量的研究，归纳起来，大致分为如下六个方面:1.3.1元件组合模型元件组合模型由模型元件线性组合而成，力学性质单一，通过调整参数有时仍无法定量模拟实测的应力-应变-时间曲线，因此有些学者便将多个相同模型串联或并联构成更复杂的广义模型。研究岩石的流变特性时，采用流变元件模型是为了把复杂的性质用直观的方法表现出来，因为流变元件模型有助于从概念上认识变形的弹性分量和塑性分量，并且其数学表达式能直接地描述蠕变应力、松弛及稳定变形，所以很多研究者用流变元件模型解释岩石的各种特性。然而元件模型只能说明某些现象，不能反映实质。实际岩石类材料具有各种不同的流变性质，在用元件

57、模型说明材料的复杂性质时有困难，所以它只适用于一定的范围。元件模型虽然较直观，但自然界的岩石更多地表现出非线性特性，而这三种基本线性元件不能描述岩石工程普遍存在的加速蠕变现象，于是发展了非线性理论将弹性元件用非线性弹性元件代替。早在1948年，以荷兰的geuze e.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三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75。随后，国外许多学者也相继提出了各自的岩石流变元件组合模型，我国在50年代也开始了此类研究，早期以陈宗基教授为首的试验岩石流变学学派76。表1列出了国内外有代表性的较著名的组合模型。表1.1经典粘弹塑性模型table1.1 clasical viscoelastic-plastic model序号模型结构模型符号流变性能提出者文献出处1h/n/s粘弹塑性村山和柴田jutam，sympgrenoble，19642（h-s）n粘弹塑性v。loonen和hofer3（h-n）h/s粘弹塑性刘宝琛中国科学院矿冶研究所报告，19644m-k-(n/s)粘弹塑性孙钧同济大学学报，19835k-k（k-k）s（n-s）粘弹塑