岩石流变力学的研究现状

岩石流变力学的研究现状

姓名：刘强

学号：TS15020130P2

老师：季明

摘要:从岩石单轴压缩流变试验、多轴压缩流变试验、拉伸断裂流变试验、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。最后,指出复杂应力路径下岩石的非线性流变、水力-应力耦合情况下的岩石流变、考虑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。

1、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、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。比如地下工程在竣工数十年后仍可出现蠕变变形和支护结构开裂现象,尤其是在软岩中成洞的地下工程由于围岩显著的流变性给结构设计、施工工艺带来了一系列特殊问题。岩质边坡的蠕变破坏也十分常见,如软岩坡体中常发生蠕动型滑坡,滑面的形成和坡体滑动都是缓慢进行的。最适合储存核废料的盐岩和花岗岩,在压力、高温、核辐射、污水等条件下同样会产生流变,从而影响储藏洞室的稳定性。而近年来,西部大开发大型水利水电工程涉及到的复杂岩体,如向家坝、龙滩水利工程、小湾、锦屏一级和二级水电站工程等这些工程岩体,均具有明显的流变特性,尤其是在开挖、卸荷以及渗流等复杂应力状态下所表现出的流变特性更加显著和复杂,在工程设计和施工中充分考虑其流变效应显得尤为重要。由此可见,开展岩石流变特性研究,深入了解岩石流变变形及其破坏规律,对于岩石工程建设具有十分重大的现实意义和经济价值。

事实上,国外学者Griggs早在1939年便对灰岩、页岩和砂岩等类岩进行了蠕变试验。在此后的几十年里,很多研究者相继从各个不同方面进行了岩石流变特性研究。而自20世纪50年代末起,特别是近20年来国内许多大型工程的兴建,也极大促进了我国同行对岩石流变特性的研究。进入21世纪初,我国岩石流变特性的研究更趋活跃,在岩石流变试验、岩石流变本构方程等方面均取得了显著的研究成果。然而,岩石的复杂性和多样性,使岩石材料与岩体的流变特性研究仍然存在若干亟待解决的问题。因此,本文将对这些研究成果进行简单的回顾,并阐述当今岩石流变特性研究中存在的问题和今后的发展方向。

2、岩石流变试验的研究现状

岩石流变试验主要分为岩石室内流变试验和岩体现场流变试验两类。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,因而受到广泛应用,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。而现场流变试验由于耗资费时、难度较大,因而对现场岩体流变力学特性的试验研究成果相对较少。下面将主要从岩石单轴压缩蠕变试验、岩石多轴压缩蠕变试验、岩石拉伸断裂流变试验、岩体及结构面剪切蠕变试验、岩石蠕变试验中的影响因素等方面,并按照时间顺序来阐述近几十年岩石流变试验的研究成果。

岩石单轴压缩蠕变试验的研究成果比较丰富,如Okuboetal.(1991)等利用自行研制的具有伺服控制系统的刚性试验机上完成了大理岩、砂岩、安山岩、凝灰岩和花岗岩的单轴压缩曲线的全过程测试,获得了岩石加速蠕变阶段完整的应变-时间关系曲线,并据此提出了可描述岩石三阶段蠕变的本构方程；李永盛(1995)采用伺服刚性机对粉砂岩、大理岩、红砂岩和泥岩4种不同岩性的岩石进行了单轴压缩条件下的蠕变和松弛试验,指出在恒定的应力作用下,岩石材料一般都出现蠕变速率减小、稳定和增大三个阶段,但各阶段出现与否及其延续时间,则与岩性和所施加的应力水平有关,岩石松弛曲线具有连续型与阶梯型两种典型变化规律。杨建辉(1995)描述了砂岩单轴受压蠕变试验中纵横向变形发展规律,指出岩石内部裂纹的发展是横向变形独立发展的原因；徐平等(1996)对三峡花岗岩进行了单轴蠕变试验,认为三峡花岗岩存在一个应力门槛值σs,当应力水平低于σs时,采用广义Kelvin模型来描述三峡花岗岩的蠕变特性;当应力水平高于σs时,采用西原模型描述,并给出了相应的蠕变参数；许宏发(1997)通过对软岩进行单轴压缩蠕变试验,指出软岩的弹模随时间的延长而降低,与强度的变化规律具有相似性；王贵君等(1996)对硅藻岩进行了单轴压缩蠕变试验,结果表明硅藻岩蠕变变形很大,长期强度与瞬时强度相比很小；沈振中等(1997)对三峡大坝地基花岗岩进行了单轴压缩蠕变试验,并采用Burgers模型来描述三峡大坝基岩的粘弹性性质；张学忠等(1999)对某边坡辉长岩进行了单轴压缩蠕变试验研究,结果表明虽然花岗岩坚硬、强度较高,但在高应力状态下仍有较大的蠕变变形,并拟合出蠕变曲线的经验公式；朱定华等(2002)对南京红层软岩进行了单轴压缩蠕变试验,发现红层软岩存在显著的流变性符合Burgers模型,并得到了软岩的流变参数,同时指出红层软岩的长期强度约是其单轴抗压强度的63%～70%；赵永辉等(2003)对润杨长江大桥北锚基础的弱风化或微风化花岗岩进行了单轴压缩蠕变试验,并以广义Kelvin模型进行了参数拟合分析,获得了岩石粘滞系数等流变力学参数；李化敏等(2004)利用自行研制的UCT-1型蠕变试验装置,对南阳大理岩进行了单轴压缩蠕变试验,得出了蠕变强度与瞬时强度之比为0.9左右的结论,并用Burgers模型对压缩蠕变曲线进行了拟合；范庆忠等(2005)以山东东部的红砂岩为例,采用重

力加载式流变仪,在分级加载条件下对岩石的蠕变特性进行了单轴压缩蠕变试验,并重点观察和分析了蠕变条件下岩石的弹性模量和泊松比的变化效应；姜永东等(2005)对重庆某滑坡体下盘的砂岩进行了单轴压缩蠕变试验,并研究了应力水平对岩石蠕变特性的影响；袁海平等(2006)采用分级增量循环加卸载方式,对某矿区软弱复杂矿岩进行了单轴压缩蠕变试验,试验数据按可恢复的瞬时弹性应变与滞后黏弹性应变,以及不可恢复的瞬时塑性应变与黏塑性应变进行分析,并得出软弱复杂矿岩黏弹塑性特性的基本规律；崔希海等(2006)利用重力驱动偏心轮式杠杆扩力加载式流变仪,对红砂岩进行了单轴压缩蠕变试验,重点观察和分析了岩石横向蠕变规律和轴向蠕变规律的差异,并根据试验结果对岩石长期强度的确定进行分析。

岩石多轴压缩蠕变试验的研究成果也不少,如李晓(1995)用MTS815.02电液司服试验机,采用加载-稳压伺服控制方式,对泥岩峰后区进行了三轴压缩蠕变试验,首次得到了泥岩试件的峰后蠕变特性曲线,研究结果表明岩石峰后蠕变曲线由等速稳态蠕变和加速蠕变两阶段组成,且属于不稳定蠕变类型,蠕变速率比峰前岩石材料高2～3个数量级；Fujiietal.(1999)对Inada花岗岩和Kamisunagawa砂岩进行了三轴蠕变试验,分析了轴向应变、横向应变和体积应变三种蠕变曲线,并指出横向应变可以作为蠕变试验和常应变速率试验中判断岩石损伤的指标；Maraninietal.(1999)对Pietra Leccese石灰岩进行了单轴压缩和三轴压缩蠕变试验,研究表明蠕变的变形机理主要为低围压下裂隙扩展和高应力下孔隙塌陷；彭苏萍等(2001)针对某煤层巷道的泥岩进行了三轴压缩流变试验,结果显示每一围压下均对应着一个起始流变强度；赵法锁等(2002)对某工程边坡软岩进行了三轴压缩蠕变试验,提出应注意水对岩石的结构、岩石力学性质的影响；陈渠等(2003)对三种沉积软岩进行了三轴蠕变试验,探讨了岩石在不同条件下的强度、变形特征,以及变形、变形速率和时间依存性等的影响因素；万玲(2004)利用自行研制的岩石三轴蠕变仪,对泥岩进行了系统的三轴蠕变试验,并利用非经典粘塑性损伤本构模型对泥岩的蠕变现象进行了分析计算；张向东等(2004)利用自行研制的重力杠杆式岩石蠕变试验机,配备三轴压力室,对泥岩进行了三轴蠕变试验,并建立了泥岩的非线性蠕变方程；刘建聪等(2004)利用XTR01型微机控制电液伺服试验机,采用梯级加载法对煤岩进行了三轴蠕变试验,利用西原模型探讨了与时间有关的煤岩三维蠕变本构方程；徐卫亚等(2005)利用岩石全自动流变伺服仪对锦屏一级水电站坝基绿片岩进行了三轴压缩流变试验,结果表明围压对流变变形存在很大的影响,围压越大相应的轴向流变变形量越小,流变对岩石应力-应变曲线也有着重要影响；冒海军等(2006)利用XRT01型高温高压三轴流变仪,对南水北调西线工程中的板岩进行了不同围压与轴压下的三轴蠕变试验,结果表明板岩的三