岩石流变及其工程应用综述

岩石流变及其工程应用综述

摘要：讨论岩石流变及其工程应用，主要内容包括：岩石流变概述，岩石流变模型理论，岩石流变试验，岩石流变研究展望。

关键词：岩石力学；流变特性；流变试验；

The Rock Rheology and Engineering Applications Summary

Ma Cheng-hao Bai Chen-guang

（Technology Center of China State Construction Engrg Corp.Ltd, Beijing 101300, China）

Abstract: The rock rheology and its engineering applications are discussed, the main contents are listed as follows: a comprehensive introduction of the rock rheology, the theory of rheological model on rock, the experimental of rock rheology, study and prospect of rock rheology.

Key Words: rock mechanics; rheological behavior; rheological test;

1岩石流变概述

岩石流变力学是研究岩石应力应变随时间的变化的规律，并根据所建立的本构规律去解决工程实践中遇到的与岩石流变有关的问题。其具体含义是指岩石矿物组骨架随时间增长而不断调整重组，导致其应力、应变状态亦随时间而持续地增长变化。

2岩石流变模型理论

2.1 岩石流变本构模型的理论研究进展

通常而言，建立岩石流变本构模型主要是采用如下两种方法来进行:一种是通过岩石或岩体的流变试验，直接将岩石流变试验曲线用经验方程法来拟合，或者根据流变试验结果，通过采用模型元件的串并联组合，来建立岩石流变本构模型，然后通过对元件模型进行辨识以及参数反演等方法，确定出待定的流变元件模型参数；另一种是采用非线性流变元件理论、内时理论、断裂力学以及损伤力学理论来建立岩石流变本构模型，根据这种方法建立的流变本构模型能较好地描述岩石的加速流变阶段。关于岩石流变本构模型的理论研究，在经过数十年的研究，岩石力学与工程界已经积累了许多研究成果，下面将从流变经验模型和元件模型、流变模型辨识和参数反演、内时流变本构模型以及断裂损伤流变本构模型四个方面评述岩石流变本构模型的研究进展。

2.2 岩石流变经验及元件模型理论研究进展

岩石流变经验模型是指通过对岩石在特定的条件下进行一系列流变试验，在获取流变试验数据后，利用试验曲线进行拟合，从而建立岩石流变经验模型。对每种不同的岩石材料，甚至不同的条件，可以求得各种各样的流变经验模型。通常采用的岩石流变经验模型型式主要有如下几种:幂律型、对数型、指数型以及三者的混合方程。尽管岩石流变经验模型与具体的试验吻合得较好，但它通常只能反映特定应力路径及状态下岩石的流变特性，难以反映岩石内在机理及特征。若推广到其它条件时往往会带来较大的误差，甚至得出完全错误的结论。此外岩石流变经验模型只能描述岩石瞬时流变阶段以及稳态流变阶段，而无法描述加速流变阶段，这也是目前岩石流变经验模型建立中的一个重要缺陷。这可能是由于岩石在加速流变阶段完全是荷载长期累积效应所导致破坏的结果，没有确定的流变破坏规律可寻。然而岩石流变经验模型直观明显，可直接使用，亦为工程设计人员乐意采用。但由于无法给出用于工程实践的流变力学参数，因而不便于工程应用。

岩石流变元件模型是根据流变试验曲线将岩石抽象成一系列弹簧、阻尼器以及滑块等元件组成的体系。这些元件之间各种组合分别代表岩石不同的流变特性，如果求解所对应的流变规律或定律，那么需要首先确定采用何种流变模型，然后根据岩石试验结果只是确定与选定流变模型所对应的元件组合有关的常数或待定系数，而并非确定定律本身。通常求取岩石流变模型参数的方法有模型辨识和参数反演，元件模型法适应性较经验模型法好，尤其是适用于工程数值分析。岩石流变元件模型中著名的有Maxwell模型、Kelvin模型、Bingham模型、Burgers 模型、理想粘塑性体、西原模型、刘宝深模型等等。这些模型有的呈现瞬态响应，有些却没有；有些是常应力下应变最终趋于某一有限值，因此呈现固体特性；而有些材料在常应力下出现应变蠕变，因此呈现流变特性。但前述流变元件模型均是由模型元件线性组合而成，因此无论模型中元件有多少、模型怎样复杂，最终模型所反映的只能是线弹粘塑性的特征，不能描述加速流变阶段。所以流变线性元件模型力学性质单一，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。流变线性元件模型只能说明某些现象，不能反映实质。而且岩石材料具有不同的流变特性，如某种岩石的松弛现象，表明它与Maxwell模型类似；弹性后效性质与Kelvin模型相似；而从它的极限强度特性来看又具有Bingham模型的特性。所以用岩石流变线性元件模型难以反映岩石的复杂特性，只能适用于一定的范围。

2.3 岩石流变模型辨识与参数反演研究进展

随着数值计算方法的普及，岩石工程施工设计安全可靠的重要保障归结到了岩石本构模型和输入参数的正确性，这在考虑岩石流变问题时尤以为甚。岩石流变经验和元件模型选择好后，如何确定相应的流变参数，这就涉及到流变模型辨识和参数反演的问题。长期以来，这也一直是岩石流变本构模型的理论研究中的重要前沿课题。众所周知，由于岩石材料的非均质性、各向异性、不连续性以及各种工程条件与施工因素的影响，由室内岩石试验或现场原位试验所获得的

岩体力学参数往往不能很好地反映实际的岩石性态，这在很大程度上将影响岩石工程的数值分析计算结果的正确性与合理性。自从Sakurai (1983)提出弹性岩体等效弹性模量和原岩地应力场的有限元位移反分析算法以来，采用工程现场得到的某些物理量如应变、位移和应力等等，反演岩体流变参数取得了较多的研究成果。而且实际工程中岩体位移量测较易实现，故以位移为基础信息的位移反分析法用得最为广泛。位移反分析方法按其采用的计算方法可分为数值法和解析法。由于工程中许多问题很难得到解析解，所以多采用数值解。就数值法的求解过程而言，可分为逆解法、直接法、摄动法、多项式回归法以及神经网络法。[5]

3岩石流变试验

岩石的流变试验是认识岩石流变性质的主要途径和最重要的手段，是不可缺少的重要资料。室内试验工作具有可长期观察、严格控制试验条件、排除次要因素、重复次数多和耗资少等特点，因而受到广泛应用。岩石的蠕变性试验研究最早可追溯到二十世纪三十年代。1939年Griggs发表了他的研究成果，提出砂岩、泥板岩和粉沙岩等类岩石中，当荷载达破坏荷载的12.5% ～80%时，就发生蠕变的观点。此后的几十年里，有关岩石材料流变性态的资料和成果越来越趋于丰富和完善。