岩石蠕变特性研究的进展

1、矿业工程学科前沿进展姓名：冯文林 学号：211402010016 班级：矿业工程学硕岩石蠕变特性研究的进展冯文林1（1. 河南理工大学能源科学与工程学院，河南 焦作 454003）摘要：岩石蠕变是岩土工程围岩变形失稳的重要原因。从岩石单轴压缩流变试验、多轴压缩流变试验、以及流变试验中的各种影响因素等来评述岩石流变试验的研究进展。同时从经验模型、元件模型、损伤断裂模型、基于内时理论的流变模型以及弹粘塑性模型等来对岩石流变本构模型的发展进行了回顾,以及数值模拟做流变的研究。最后,指出各向异性的岩石流变等方面是今后需要进一步深入研究的问题。Progress of Creep Properties o

2、f RocksFeng Wen-lin1（1 School of Energy Science and Engineering, He Nan Polytechnic University,He Nan Jiao-zuo 454003)Abstract：Rock creep is an important reason for the deformation instability of rock surrounding rocks in geotechnical engineering. The development in the rock rheological test has bee

3、n summarized from uniaxial rheological compression tests, multi-axial rheological compression tests, and structure planes and various influence factors in rheological tests. Inaddition, the development in the rock rheological model was reviewed from the empirical model,component model, damage and fr

4、acture model, endochronic theory-based rheological model and elasticvisco-plasticiy model,And the study of numerical simulation for rheology. Finally，It is pointed out that the anisotropy of rock rheology is a problem in the future.0 引言岩石的流变性是指岩石在外界荷载、温度等条件下呈现出与时间有关的变形、流动和破坏等性质,主要表现在弹性后效、蠕变、松弛、应变率效应

5、、时效强度和流变损伤断裂等方面1岩石蠕变性研究可追溯到本世纪三十年代。1939年Griggs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12.5% 80%时,就发生蠕变的观点2。在此以后的几十年里,很多研究者相继从各个不同方面进行了岩石蠕变研究。随着岩石力学理论与实践的不断发展,岩石蠕变研究越来越引起广泛重视3。但岩石流变力学理论至今还不很成熟,许多重大岩石工程的建设为岩石流变力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4。岩石流变力学试验不仅是了解岩石流变力学特性的最重要手段,而且是构建岩石流变本构模型的重要基础5。

6、一方面由于复杂应力状态下蠕变模型的构建需要更深的理论基础；另一方面，在三向应力状态下的蠕变试验技术才刚刚兴起，而且开展的现场试验也不多，有赖于在工程实践中不断地积累经验、现场测试手段的改进与提高，以及理论方法上的创新与突破6。本文将会从岩石的单轴、三轴流变试验的研究以及流变本构模型的研究数值模拟的研究（PFC）等方面来说明岩石蠕变特性的研究进展。1蠕变试验研究1.1单轴蠕变 岩石单轴压缩蠕变试验的研究成果比较丰富,对于煤样蠕变的研究如杨逾等通过煤样的单轴压缩蠕变实验,取得相关实验数据,然后利用数值分析软件Matlab将实验所得数据与理论研究结果进行拟合分析,得出其吻合程度较高,说明该模型能很好

7、的反映实际情况,并弥补了西原模型不能够反应蠕变第3阶段的不足7；孙超群等基于SPH(光滑粒子流体动力学)数值计算方法,研究了非均质煤岩材料的单轴压缩试验声发射效应,揭示了煤岩的声发射效应随着均质度m的变化规律8。岩石蠕变的研究也是十分丰富的，如林斌描以娄庄盐矿第16层岩盐为研究对象,采用单试件多级加载方式,试验研究了该岩盐的单轴蠕变变形特征。结果表明,岩盐的蠕变变形可以采用形如y=a(1-e-bx)的指数函数描述,蠕变参数a和b可以用蠕变应力的幂函数来描述。岩盐的长期强度约为瞬时单轴强度的68%9。;钟晶晶等以淮南杨村矿副井井筒冻结施工为工程背景,以副井井筒穿越的含盐度钙质粘土为代表,进行常温

8、(+27)和(-20)不同含盐度钙质粘土条件下的单轴抗压强度试验。通过对饱和含盐冻结钙质粘土单轴抗压强度试验,得到了试验条件下土体在相同温度下单轴抗压强度与结冰温度随含盐量变化的强度特性。为低温条件下含盐钙质粘土力学特性和煤矿冻结壁设计施工提供设计基础10;茅献彪等学者采用美国MTS810电液伺服材料试验机和其配套设备MTS652.02高温环境炉试验系统,对常温及700高温状态下泥岩进行了分级加载蠕变试验的研究,得到了相应的蠕变曲线,给出了泥岩蠕变经验方程,并初步建立了考虑温度效应的泥岩蠕变本构模型11;韩立军等通过泥质砂岩单轴压缩蠕变试验,揭示岩石蠕变变形与破坏的特点,反映了不同应力路径下的

9、岩石蠕变速率与发展过程,建立了泥质砂岩的非线性蠕变模型,并通过对试件施加侧向刚约束和锚固约束,以反映地下工程围岩在平面应变状态和支护状态下的蠕变特性12;刘小军等基于不同含水状态下浅变质板岩单轴蠕变特性的试验研究结果,考虑水对浅变质板岩蠕变参数的劣化效应,分析蠕变参数随饱和度的变化规律并建立数学关系式。研究表明:饱和度越大,瞬时弹性模量、黏性模量以及黏滞系数越小,其中瞬时弹性模量与饱和度线性负相关,而黏性模量和黏滞系数与饱和度呈负指数相关13;王兴宏等采用MTS815多功能岩石试验机对岩样进行24 h单轴压缩蠕变试验,得到岩石轴向应变-时间曲线。分析岩石应变-时间曲线,发现茅口灰岩具有弹性-弹

10、粘性之流变特性,与Poyting-Thomson model相似。用Origin软件对流变试验数据用Poyting-Thomson model方程进行拟合,得到低应力下流变拟合曲线,该拟合曲线能较好反应试验数据14。 王春萍等将高温损伤流变元件代替经典西原模型中Newton元件的方法,构建了能够描述不同温度条件下花岗岩蠕变全过程的本构模型。分析了不同温度条件下花岗岩单轴蠕变试验结果,确定了模型参数,获得了温度对花岗岩蠕变关键参数的影响规律15;单仁亮等对-10的冻结红砂岩进行了单轴蠕变试验,应力水平依次为0.36、0.45和0.54,发现当应力水平为0.36和0.45时,红砂岩蠕变为稳定蠕变,

11、当应力水平为0.54时,蠕变为不稳定蠕变。应力水平越高,蠕变达到稳定的时间越长。对蠕变曲线的导函数进行分析,发现红砂岩不稳定蠕变的加速阶段门槛值为13 h16;李金和等采用分级加载方式进行单轴压缩蠕变试验,获得大理岩的单轴压缩蠕变曲线。对比发现五元件Kelvin模型能较好的拟合蠕变试验曲线,取其作为大理岩蠕变模型17;韩铠屺等通过单轴压缩蠕变试验研究含水率以及颗粒组成对粗粒土蠕变的影响规律,分析砂质板岩粗粒土在不同影响因素(含水状态、颗粒组成)下的蠕变特性,并基于与试验结果相符的H-K蠕变模型,探讨含水率、细颗粒含量、应力与蠕变参数之间的关系18;王瑞甫利用单轴压缩蠕变试验,并基于与试验结果相

12、符的H-K蠕变模型,探讨细颗粒含量与蠕变参数之间的关系,分析砂质板岩粗粒土中细颗粒含量对其蠕变特性的影响规律191.2三轴蠕变 近年来岩石多轴压缩蠕变试验的研究成果也不少,如杨江伟等采用RLW-2000M微机控制煤岩流变仪，重点分析了孔隙水压力分级加载时蠕变条件下岩石的应变、渗流体积演化曲线，同时对不同渗流水压力分级加载条件下的岩石蠕变演化曲线进行了模型分析和对比20; 王鹏程采用分级增量循环加卸载方式,利用SR-6型三联式三轴蠕变仪对陕西省泾阳县某边坡原状黄土进行了三组室内三轴固结排水蠕变试验,着重研究了黄土黏弹塑性的基本规律,以此建立了黏弹塑性九元件蠕变模型21; 单仁亮等以鄂尔多斯梅林庙

13、矿500600 m处红砂岩为研究对象,分别对不同冻结温度(10,-5,-10,-15)、不同围压(0,4,8,12 MPa)条件下饱水红砂岩进行三轴压缩试验，研究不懂温度对岩石蠕变特性的影响22;张龙云采用三轴流变试验机,开展硬脆性辉绿岩不同应力路径下的三轴流变试验研究，卸荷流变和加载流变都存在门槛效应;加载流变破坏的侧向应变为轴向应变的23倍,卸荷流变破坏时为17倍;加载流变破坏形态主要为剪切破坏,而卸荷流变破坏形态主要为劈裂破坏;轴向应力1恒定卸围压流变时岩样表现出的脆性比偏应力(1-3)恒定卸围压流变更为剧烈;二者的流变破坏破坏强度均比常规三轴强度低23;殷琪等选取了金沙江向家坝水电站坝

14、基的典型砂岩试样,采用三轴压缩试验对砂岩蠕变特性进行研究,分析了流变失稳破坏时的特征及砂岩的轴向、侧向和体积应变的全过程蠕变曲线异同点,对砂岩的长期强度进行预测分析24;王俊光等为研究水对油页岩蠕变规律的影响,以不同含水状态下油页岩三轴压缩蠕变实验数据为依据,对水作用下油页岩蠕变3个阶段各自的力学特征进行了分析25;蒋海飞等基于高围压高水压条件下砂岩三轴压缩蠕变试验结果,分析岩石蠕变规律,选取Burgers模型对低应力水平下的蠕变特性进行描述，运用通用全局优化算法,对提出的非线性黏弹塑性蠕变模型参数进行了辨识,辨识结果验证了新构建模型的正确性与合理性26;刘建锋等通过分析盐岩在三轴应力状态下的

15、变形,说明了较高围压下盐岩的大变形特性,提出了三轴应力状态下,利用轴向荷载除以试件初始横截面面积得到应力-应变关系存在的问题,据此对工程应变和对数应变进行了分析和对比,阐明了这两种应变的适用条件,并开展了不同围压下的试验测试和对试验结果对比分析27;熊良宵等对绿片岩试样进行双轴压缩蠕变试验,采用六元件黏弹性流变模型对试验曲线进行拟合分析,研究试样宽度尺寸对蠕变变形规律的影响28;左永振等为降低深厚覆盖层上坝基的工后变形,常需要对大坝基础进行固结灌浆处理。采用大型三轴蠕变试验仪,对固结灌浆前后的砂砾石试样进行三轴蠕变试验,通过计算蠕变量和相关蠕变参数对固结灌浆效果进行分析29;杨奇等研究高速铁路

16、桥梁桩底砂土层的蠕变变形规律,获取其蠕变模型和模型参数,开展桩底砂土的蠕变试验。针对超长桩桩端高应力环境,通过室内侧限高压单向压缩试验获得桩底土样在多级荷载作用下的应力应变时间关系曲线30;王伸远等通过将试样等向固结再冻结,然后保持轴压不变进行径向卸载的实验方法,获得深部冻结黏土在复杂应力状态下的蠕变变形规律.对冻黏土进行了大量的三轴蠕变试验,得到了在冻结温度不同和固结围压不同条件下的蠕变试验结果31。 大量的单轴与三轴压缩流变试验都可以验证岩石在流变全过程的三个阶段，而这些阶段的应力-应变确是研究岩石破坏的重要的依据，也是解释岩石各种变形的很好的凭证，但是由于岩石蠕变强度的难于确定，以至于很

17、多蠕变的试验很难做成功，找到一种可靠地方法来确定岩石的蠕变强度是很多工作者迫切想要完成的，也会是以后研究蠕变的重点与难点。2 PFC模拟 由于做岩石蠕变试验的成功率不是特别的高，而且做实验又非常的耗时，所以许多研究者为了能够准确的获得蠕变的特性而选择利用数值模拟来研究岩石的特性，因而出现了很多软件例如PFC，FLAC，RFPA等一系列的模拟软件，而笔者仅介绍利用PFC做岩石蠕变的模拟。PFC（partice flow code in 2 dimension）即颗粒流程序，是离散单元软件，不同于有限元软件，主要用于模拟离散元颗粒球体间的运动与相互作用,非常适用于散体颗粒介质的力学性质，可以对固体

18、力学和颗粒流方面等问题进行有效的解决。介质由相互独立的单元颗粒组成，其中，颗粒之间通过接触模型传递外力荷载，整个介质体系中的力和位移随着运动和接触作用的循环不断地更新，最终达到稳定状态。PFC可以通过两个或更多颗粒间的连接生成各种各样形状的颗粒体；它也可以模拟有弹性性质脆性材料，使颗粒与周围的颗粒粘结在一起；当达到一定承载力时，颗粒间粘结会被破坏。PFC中包含有强大的逻辑运算，可以使颗粒紧密的联系在一起(用PFC内置fish语言编写的函数 fishtank应用了大部分逻辑运算关系)32。 David O. Potyondy教授等首先利用PFC在BMP模型的基础上，又引入了PSC模型，成功的做出

19、了流变的数值模拟并解决了在做模拟工程中遇到的参数调整与细观参数确定等问题33；刘宁利用PSC模型对锦屏深埋大理岩破裂扩展的时间效应的模拟，分析在不同驱动应力比作用下大理岩的变形特征、裂纹特征和破裂特征， 试验结果证明随着驱动比的提高，裂纹数目也相应地提高。只有超过损伤强度，才会出现剪切裂纹，而剪切裂纹是试件最终破坏的主控因素。同时随着驱动应力比的降低，裂纹数目随时间也表现出一定的蠕变的 3 个阶段特征34.孙金山教授等对岩石的蠕变损伤和断裂是岩石流变效应的重要表现形式,但其损伤演化过程往往难以直观观测,为此,采用二维颗粒流数值模拟方法(PFC2D)对岩石的蠕变损伤和断裂的细观力学机制进行了分析

20、，在锦屏大理岩室内试验基础上,利用颗粒流应力腐蚀模型(PSC),建立了能反映其短期和长期强度特征的柱状岩样数值模型,并开展了大量数值试验35;蒲成志博士在PFC数值计算平台上,基于fish语言改编了白带Fish Tank模型程序,实现了增强Fish Tank模型的开发,然后在程序自带Fish Tank程序和增强Fish Tank程序上分别进行了多裂隙与单裂隙模型的计算和分析工作,并将数值计算结果与实测结果相对比,表明了滑动裂纹模型理论在解释张开裂隙尖端微裂纹发育模式与扩展机制方面局限性的存在36；岑夺丰等,通过细观颗粒平行黏结模型(PBM)的模拟,分析了高应变率单轴压缩条件下单裂隙岩样的损伤演

21、化及细观位移场。高应变率大小对岩样最终破裂形态影响不大,但随应变率的增大,细观裂纹越多且局部化程度越强37；丁秀丽等通过引入BPM模型和超级单元clump技术,并依据锦屏一级地下厂房大理岩的SEM矿物成份检测结果,建立基于矿物形状的大理岩细观结构模型,在对细观力学参数敏感性分析的基础上,根据室内单轴和三轴压缩试验结果确定大理岩的细观力学参数,构建大理岩的细观力学数值模型,对不同应力状态和应力路径下大理岩的变形破裂演化及扩容孕育过程进行数值模拟分析38。4 结论 本文从岩石单轴流变试验、多轴流变试验试验、岩体及结构面的剪切流变试验、以及流变试验中的各种影响因素来评述岩石流变试验的研究进展。又从国

22、内外对流变本构模型的研究，以及利用PFC颗粒流模拟软件进行的一系列流变模拟等方面来评述岩石流变研究的进展。从上述研究的成果中可以得到以后国内外流变研究可以从以下方面入手：(1) 岩石流变试验是一个较长时间的过程，进行较长时间流变试验时室内和现场温度和湿度条件的变化必然会影响试验的结果。由于国内实验室往往不易具备室内恒温和恒湿条件，对这些因素的影响作出定量估计尚有待今后深化研究。 (2) 对于实际工程岩体的流变问题如何在室内小尺寸岩样的流变试验中得到较为有效的反映，如在室内流变的试验方式方面(包括试件的受力状态、试验的边界条件和加荷方式，以及试样的尺寸效应等)，也都是须进一步深入研究的问题。(3

23、) 岩石的室内蠕变试验一般均采用分级加载的方式进行，并按线性叠加原理整理蠕变试验结果，从而得到岩石连续的蠕变曲线。然而，在高压应力水平条件下软岩的蠕变往往是高度非线性的，它并不满足线性叠加原理。因此，沿用上述常规方法得到的岩石蠕变曲线视应力水平增高将有一定偏差，有必要改用其他更合适的方法。(4) 对于确定工程岩体普遍适用的模型参数，目前的研究和试验都还远远不够，更大量的研究和试验工作亟需进行，进而形成一套结合具体工程更为完善、准确而可靠的岩体流变试验规程，以利在不同工程情况下选用。（5）岩石是一种各向异性、不均质的物质，很多模拟的软件只是考虑在各项同性的条件下进行模拟，这与真实是不太相符的，在

24、以后的数值模拟中应当考虑这些条件，并且不断地改进现有的模拟软件，以达到符合真实的目的。(6）为了从机制和本质上对岩体的非线性蠕变特性有更加清楚的认识，必须对岩体的颗粒组构进行细微观分析，从考察岩体的细微观晶粒得出岩体的细微观组构对岩体蠕变的影响以及岩体蠕变过程中其内部细微观组构的动态变化，进而从岩体的细微观角度来更好解释岩体的宏观蠕变特性。岩石细微观流变力学的试验研究工作亟待展开。（7）岩石的破坏是一个非常复杂的过程涉及断裂力学与损伤力学等许多力学行为，并不可以单纯从某一单个方面进行分析，在以后的研究中应该充分的结合这些方面，及早的探究出岩石破坏的真实的面目。参考文献：1 王德胜，宋勇军. 岩

25、石流变力学研究现状及其发展趋势J. 四川建筑科学研究,2015,6.2 杨圣奇. 裂隙岩石力学特性研究及时间效应分析M. 北京：科学出版社，2011.3 王萍，曲展，刘易非等. 泥页岩水化膨胀的非线性蠕变模型J. 西北大学学报( 自然科学版),2015,2.4 杨圣奇. 岩石流变力学特性研究及其工程应用博士学位论文D. 南京：河海大学，2010.5 沈明荣，谌洪菊，张清照. 基于蠕变试验的结构面长期强度确定方法J. 岩石力学与工程学报，2012，1.6 刘晓燕，曾海钊，何江达，谢红强.锦屏二级引水隧洞大理岩强度参数研究J. 中国农村水利水电，2013，5. 7 杨逾，曾海钊，李盈，周小科.基于

26、西原加速模型的煤岩蠕变试验研究J.煤炭学报，2014,11. 8 孙超群，程国强，李术才等.基于SPH的煤岩单轴加载声发射数值模拟J.煤炭学报,2014,11. 9林斌.岩盐的蠕变变形规律及参数试验研究J.工程与实验,2013,4.10 钟晶晶， 程桦， 曹广勇， 怀亚.饱和含盐冻结钙质粘土单轴压缩试验研究J.安徽建筑工业学院学报，2013,6.11 茅献彪，张连英，刘瑞雪.高温状态下泥岩单轴蠕变特性及损伤本构关系研究J.岩土工程学报,2013, s2.12 韩立军,王延宁，蒋斌松等.泥质砂岩蠕变特性与锚固控制效应试验研究J.岩土力学, 2012, 01.13 刘小军,刘新荣，王铁行，王军保.

27、考虑含水劣化效应的浅变质板岩蠕变本构模型研究J.岩石力学与工程学报, 2014,12.14 王兴宏,万文,王超林.茅口灰岩单轴压缩条件下的流变特性试验研究J.湖南工业大学学报，2014，3.15 王春萍，陈亮，梁家玮.考虑温度影响的花岗岩蠕变全过程本构模型研究J.岩土力学, 2014,09.16 单仁亮,宋立伟,李东阳等.冻结红砂岩非线性蠕变模型的研究J.岩土力学,2014, 6.17 李金和,陈文玲,王洪旭.大理岩单轴蠕变模型参数J.世界地质, 2014, 02.18 韩铠屺,刘群，宋晓东.砂质板岩粗粒土蠕变特性影响因素试验研究J.铁道科学与工程学报, 2014, 04.19 王瑞甫.细粒含量对粗粒土蠕变特性影响的试验研究J.公路交通技术, 2014, 05.20 杨江伟,许江,聂闻,彭守建等.渗流水压力分级加载岩石蠕变模型 J.宜宾学院学报, 2015, 06.21 王鹏程,骆亚生，张希栋等.分级加卸载条件下Q3黄土三轴蠕变特性