岩体流变性及其工程应用

岩体流变性及其工程应用
岩体是多孔不连续介质，工程中抗剪强度的常规计算往往采用经典的摩尔库伦理论，根据该
理论，岩体的强度与时间无关，而实际岩土体的强度、变形会随时间发生变化，这种随时间
变化的特性称为流变性。

1,岩体流变的基本概念
岩体的流变性主要包括：蠕变、松弛、弹性后效和长期强度四个方面。

蠕变是指应力不变时，应变随时间增长的现象；松弛是指应变不变时，应力随时间下降的现象；岩体加荷瞬间发生
变形之后，仍有部分的粘性变形随时间增长；在一定的应力水平持续作用之下，卸载之后，
这部分粘性变形虽可恢复，但恢复过程却需要一定的滞后时间，加载过程中变形随时间的增
长称为“滞后效应”，而在卸载时，其变形随时间的逐步恢复称为“弹性后效”，二者统称为岩
体的粘滞效应；由于岩体的流变性，其强度随着时间的降低而逐渐趋于一个稳定值，称为岩
体的长期强度。

2，岩体流变力学的研究
常规条件下（不考虑时间因素），对岩体的强度和破坏的研究主要应用于解决岩体开挖过程
中或外荷载作用下的岩体力学特性。

岩体工程在使用过程中，岩体随时间变化甚至破坏的特
性是考虑工程安全与寿命的关键问题。

例如，边坡的某些缓慢弯曲变形，鼓胀破坏，隧道变
形问题，高坝坝基长期稳定性问题、临边建筑的稳定性问题等正是岩体流变变形的研究范畴，这些人类工程活动的需求，推动了岩体长期变形的流动特性和时效强度问题研究，把岩体力
学问题由强度和变形推向了时效流变研究。

国外，格里格斯[1]（1939）首先对灰岩、页岩、粉砂岩等软弱岩石进行了蠕变试验；
Ito(1987)对花岗岩试件进行了长达30年的弯曲蠕变试验； E.Maranini[2] 等对岩石进行了单轴
压缩和三轴压剪蠕变试验。

陈宗基[3]（1991）对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，指出蠕变和封闭应力是岩石性状中的两个基本要素。

陈有亮[4]（1996）采用直接拉伸试验法，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。

夏熙伦、徐平、孙均等[5]一批学者对岩石的流变性进行了大量
的试验研究。

为了描述工程中遇到的复杂岩体的蠕变特性，需要借助计算机来完成，流变特性的数值分析
就应运而生。

数值计算中常采用不同的力学原件根据流变曲线将岩体抽象成一系列弹簧、阻
尼器、以及滑块等力学原件组成的受力体系，对岩体变形表现出的不同性质进行模拟，然后
将这些基本元件采用串联、并联、串并联等不同的组合形式得到不同的蠕变本构方程，用以
描述岩体结构表现出的不同蠕变特性。

著名的元件模型有Maxwell模型、Kelvin模型、Binghan模型、Burgers模型、理想粘塑性模型、西原模型、刘宝琛模型等。

由于岩体材料具有非线性特征，近年来发展了一些非线性流变元件模型理论[6]。

如：金丰年（1995）年基于试验成果，结合传统线性粘弹性模型的研究，提出了非线性粘弹性模型，并
作出了较圆满的说明；邓荣贵（2002）根据岩石加速蠕变阶段的力学特性，提出了一种非牛
顿流体粘滞阻尼元件，结合描述岩石减速蠕变和等速蠕变特性的传统模型，提出了新的综合
流变力学模型。

岩体的非线性流变课题已成为目前岩体流变研究的一个重要课题。

3，岩体流变特性在工程中的应用
岩体流变性对地下工程特别是高地应力作用下的深部软岩洞室的围岩变形和长期稳定性有着
至关重要的作用。

洞室的开挖将产生卸荷回弹，当岩体有足够的强度时，卸荷变形就小，甚
至可以忽略其影响，不采取支护措施，洞室都能保持稳定；而在软岩洞室中，由于岩体强度
较低，当卸荷应力大于岩体强度时，就会在较大的围岩变形，甚至产生围岩破坏，就需对围
岩设置衬砌支护，围岩和衬砌上的变形都会出现流变现象，这种现象在大量的工程实践中得
到证实。

影响隧道围岩变形和支护安全主要有两方面的因素，衬砌的支护时间和支护刚度，
他们是决定系统流变力学形态的主要参数。

为此，需计入围岩粘塑性流变变形导致岩体屈服
强度降低及流变的时效作用，有效的利用围岩的自稳能力，使岩石流变力学研究成果更有效
的应用于隧道工程中。

岩体的流变性对边坡稳定性和变形的影响。

众所周知，重力坝，拱坝大多是永久性工程，为
保障人民的生命财产安全，其重要性不言而喻。

为了保证坝基的稳定性，往往需要对工程影
响范围的地质体做充分详实的勘察论证，在岩体参数取值上更是慎之又慎，往往由勘察，设计，施工联合讨论、多番论证后才能执行，可见其重要性。

三峡大坝是我们国家乃至世界上
最宏伟的水利工程，在永久船闸的设计中，不仅要考虑岩体的稳定性，还要充分考虑边坡开
挖后的时效变形，必须限制在允许范围内，一旦产生过大的变形，不仅在支护结构上产生额
外的内力造成混凝土结构的过大变形或破坏，更重要的时会影响闸门的正常运行，一旦发生，将产生不可估量的经济损失，所以在设计之初，岩体的流变性对岩体变形的影响就是个被特
别考虑的问题。

岩体流变性的另一特性是松弛现象。

地下洞室、高边坡、大坝坝基在开挖过程中由于岩体卸
荷损伤而形成应力松弛带，岩体的工程形状将受到一定的削弱。

岩体的松弛主要表现为岩爆、葱皮、出现延伸范围较大与开挖面大体平行的张性裂隙。

岩体的松弛问题一直以来受到工程
界的广泛关注，目前在松弛机理、力学模型与参数，分析方法等方面取得了丰富的研究成果。

哈秋舲[7]等建立了一系列能反应岩体松弛的力学模型，这些模型大多以损伤力学为理论基础，考虑节理裂隙的几何统计特征，通过损伤张量来反映裂隙的各向异性，然后用宏观损伤力学
的方法建立节理裂隙岩体的弹性损伤模型，这些模型比较复杂且力学参数获取较难，不便于
实际工程的应用。

周华等[8]采用主拉应变准则作为松弛的判据，根据相应的松弛效应有限元
算法，对松弛后岩体内部应力-应变状态进行合理描述，但是岩石材料的极限拉应变不便于开展。

可见，关于岩体的松弛问题研究还不成熟，难以寻求合适的算法和判据来明确判断松弛
发生的部位、范围和严重程度。

4、结论
岩体的流变性对岩体的长期强度、整体稳定性、岩体变形等有着密切的相关性，目前采用的
试验往往是将蠕变和松弛进行分开考虑；而实际工程中岩体的流变性表现出极其复杂的蠕变、松弛交叉融合效应，往往还存在叠加、卸载的交替作用。

建立综合考虑岩体蠕变、松弛效应，且能反映反复加、卸载效应的非线性流变本构模型，是岩土工程界的迫切需求，因为它能更
合理的分析出作用在岩体支挡结构上的荷载效应随时间的变化，有利于设计出受力合理，经
济安全的支挡结构，将对实际工程具有非常重大的现实意义。

参考文献
【1】Griggs D.Creep of Rocks[J].1939，JournalofGeology,47(3):225-251
【2】MARANINIE Creep behavior of weak rock. experimental characterization[J].international Journal of Rock Mechanics and mining science 1999
【3】陈宗基，康文法岩石的封闭应力、蠕变和扩容及本构方程[J] 岩石力学与工程学报 1991【4】陈有亮，孙钧.岩石的流变断裂特性[J].岩石力学与工程学报 1996
【5】夏熙伦，徐平，丁秀丽.岩石流变特性及高边坡稳定性流变分析[J] 岩石力学与工程学报1996
【6】谢强，赵文岩体力学与工程西南交通大学出版社 2011
【7】哈秋舲、李建林、张永兴等节理岩体卸荷非线性岩体力学[M] 北京：中国建筑工业出版社，1998
【8】周华，汪卫明，陈胜宏.岩体开挖松弛判据与有限元分析[J] 华中科技大学学报，自认科学出版社 2009。