蠕变

1 蠕变的概念
岩石的变形不仅表现出弹性和塑性，而且也具有流变性质，岩石的流变包括蠕变、松弛和弹性后效。

岩石的流变性是指岩石应力应变关系随时间而变化的性质。

蠕变是当应力不变时，变形随时间增加而增长的现象。

2 岩石的蠕变曲线
通常用蠕变曲线（ε-t 曲线）表示岩石的蠕变特性。

图中三条蠕变曲线是在不同应力下得到的，其中C B A σσσ>>。

蠕变实验表明，当岩石在较小的恒定力作用下，变形随时间增加到一定程度后就趋于稳定，不再随时间增加而变化，应变保持为一个常数，这种蠕变称为稳定蠕变；当岩石承受的恒定荷载较大，当岩石应力超过某一临界值时，变形随时间增加而增大，其变形速率逐渐增大，最终导致岩体整体失稳破坏，这种蠕变称为不稳定蠕变。

不稳定蠕变(典型蠕变)可分为三个阶段：
第一蠕变阶段：如曲线AB 所示，应变率随时间增加而减小，故又称为减速蠕变或初始蠕变阶段。

第二蠕变阶段：如曲线中的BC 段所示，应变速率保持不变，故又称为等速蠕变阶段。

第三蠕变阶段：如曲线中的CD段所示，应变速率迅速增加直到岩石破坏，故又称为加速蠕变阶段。

一种岩石既可以发生稳定蠕变也可发生不稳定蠕变，这取决于岩石应力的大小。

超过某一临界应力时，蠕变向不稳定蠕变发展；小于此临界应力时，蠕变按稳定蠕变发展。

通常称此临界应力为岩石的长期强度。

3实例
3.1 层状岩坡蠕变破坏
综合工程地质条件、力的作用方式及边坡具体破坏形式，在考虑时间效应的基础上，杨晓华，陈沅江[1] 对层状岩质边坡的蠕变破坏类型及其所致因素进行了分析探讨，将层状岩质边坡的蠕变破坏分为如下五种主要类型。

3.1.1 水平层状边坡座落式剪切蠕变破坏
该类蠕变破坏发生在构造活动区水平或近水平岩层边坡中。

当边坡最终形成后，由于其高度很大，上部破碎岩体的自重应力亦很大，边坡在该自重应力的作用下时常会发生沿边坡下部的水平或近水平软弱夹层蠕动滑移的座落式滑坡。

故这种边坡的蠕变破坏一般首先表现为边坡上部岩体的较大水平剪切位移，当边坡开挖到一定深度时又将表现为垂直剪切位移，
一定时间后便将发生沿边坡后缘已形成的滑移面的座落式剧滑。

3.1.2 缓倾层状边坡顺层剪切蠕变破坏
缓倾层状边坡是指岩层走向和倾向基本与边坡面走向和倾向一致，岩层倾角小于或等于边坡角的一类边坡。

此种条件最容易出现蠕变滑破坏，特别对深、高边坡常出现高速滑坡。

当这类边坡开挖后，作用在软弱层面上的垂直力与水平力都将发生作用，但首先是水平应力释放，岩体松弛，出现水平位移。

随着时间的延长，水平应力逐渐减小，垂直力在层面上的作用逐渐增强。

在长期的重力荷载作用下，边坡将发生沿层面的剪切蠕变。

3.1.3 陡倾层状边坡顺层逆向剪切蠕变倾倒破坏
陡倾层状边坡是指岩层倾向与边坡倾向接近一致，而倾角却比边坡角大的一类边坡。

一般情况下这种边坡比较稳定。

但当层理或层间错动面发育时，边坡开挖后沿层理面产生变形破坏的现象还是较普遍的。

该类边坡开挖后，首先岩体构造水平应力释放，岩体松弛，沿层理面产生张裂。

水平应力逐渐减小或消失后，边坡上部的岩体自重逐渐发挥作用，其过程可大致分三个阶段:一是初期受力阶段，二是剪切蠕变变形阶段，三是倒转变形至倾倒阶段，当剪切变形相当大时，变形体本身的重力作用可使岩层弯曲倒转。

3.1.4 反倾层状边坡逆向剪切蠕变倾倒破坏
该类边坡的岩层倾向与边坡倾向相反，两者走向接近一致。

一般情况下，这种边坡也是比较稳定的。

但在构造复杂地区或新构造活动区，褶皱断裂，层间错动发育，边坡在外力作用下，沿软弱层面(层间错动带、泥化夹层等)易产生蠕变破坏。

3.2 层状岩坡蠕变破坏的主要致因分析
由以上的分析可知，边坡变形按其出现的先后顺序可分为两类:一类是减速变形，它是由于边坡开挖导致岩体残余构造应力释放的时间效应而产生的，其特点是变形开始阶段速度快，随时间的延长逐渐减慢，最终趋于停止;另一类是增速变形，其力学根源是岩体的自重应力，变形特点类似于岩石的蠕变过程，即存在衰减蠕变、稳定蠕变和加速蠕变三个阶段[2]，其中加速蠕变是边坡破坏的起点。

边坡由减速蠕变向增速蠕变转变，是其发生蠕变破坏必经的过程，而导致这种破坏的因素是多方面的。

以下就几种主要的因素进行分析。

3.2.1 边坡岩体的结构面与质量
岩体的质量及其中存在的各种结构面的空间展布和自然特性直接影响着岩体的变形、破坏等力学性质，故它是岩质边坡蠕变破坏灾害的背景条件。

层状岩质边坡岩体中既有沉积作用形成的岩层面，又有构造活动形成的节理、断层面等，故结构面的形态和特性更为复杂多变，其可以用结构面的方位、形态、规模、间距或密度、隙宽、粗糙度、充填度等几何特征来表征。

性质，故它是岩质边坡蠕变破坏灾害的背景条件。

3.2.2层状岩体中的软弱夹层
由于弱层往往是由粘土质矿物构成的页岩、泥岩等组成，遇水容易软化，物理力学性质恶化，并且具有明显的流变性质，它不但控制了边坡的变形、失稳，而且还制约着蠕动边坡滑坡灾害的发生。

弱层变形过程、破坏应变参量是蠕动边坡失稳破坏研究的基础，弱层蠕动变形的剪应力剪应变关系非线性特性不仅仅只与时间有关，还与时间对应的剪应力水平有关[3]。

3.2.3 边坡中的地下水[4]
在边坡失稳的诱发因素中，地下水的影响最为复杂。

其对边坡的作用效应包括物理化学效应和力学效应。

其中地下水对软弱夹层的物理化学作用主要包括软化、崩解、酸碱浸蚀等，它是随着时间的增长而逐渐增强的。

地下水的力学效应主要表现为其渗透静水压和渗透动水压对边坡岩体破坏作用。

静水压力是指静止水对其接触面上所作用的法向压力，它在岩体的结构面上产生上浮力，相对增大了导致滑坡的主动荷载。

另外，它还使岩体裂隙发生扩展的劈裂作用，使裂隙宽度增大，产生结构面的剪切位移或变形。

动水压力是指在地下水水头差的作用下，地下水沿岩体裂隙运动产生阻力，为克服阻力而产生的对裂隙壁及裂隙内充填物质的作用力，其方向与地下水流动的方向一致。

动水压力对有大量充填物的裂隙，将引起机械管涌现象，使岩体结构面的胶结程度大大降低，减小了抗剪强度。

4 软岩的支护[5]
控制围岩过量蠕变变形的根本途径是改善围岩应力状态。

围岩的破坏总是从表面开始，逐步向围岩深部发展。

因此，提高围岩的表面强度，可缓解或阻止围岩因表面强度不足，局部破坏蹋落而破坏围岩的承载结构。

一般情况下，可采用超前锚杆加固围岩，围岩暴露后及时喷射混凝土或钢
纤维混凝土等。

如采用锚喷作为初期支护时，应提高锚杆或锚索的初始预应力和锚固力，并增大托盘的尺寸。

运用二次支护理论，并采用信息反馈设计方法，合理设计二次支护结构的强度(承载能力)和二次支护的最佳时机。

二次支护应有足够的强度和刚度，防止围岩继续产生过量的有害变形而引起整个支护系统的失败。

另外，一次支护完成后，应进行围岩收敛量和表面位移等的观测，二次支护应在围岩变形趋于平稳且一次支护没有丧失承载能力之前施作，以便形成统一的支护系统。

5 结论
综合考虑工程地质条件、力的作用方式以及变形破坏的形式，层状岩质边坡的蠕变破坏有水平层状边坡座落式剪切蠕变破坏、缓倾层状边坡顺层剪切蠕变破坏、陡倾层状边坡顺层逆向剪切蠕变倾倒破坏、反倾层状边坡逆向剪切蠕变倾倒破坏以及复杂层状结构边坡采动沉陷蠕滑组合失稳破坏等五种主要类型。

6 参考文献
[1] 杨晓华，陈沅江. 层状岩坡蠕变破坏及其致因分析. 黄金,2002,23(12):
12-16.
[2] 范广勤. 岩土工程流变力学. 北京:煤炭工业出版社,1993.
[3] 芮勇勤. 露天煤矿边坡中软弱夹层的蠕动变形特性分析.东北大学学报,
1999,20(6) :612～614.
[4] 杨天鸿. 露天矿边坡岩体渗流与排水控制技术研究. 北京:煤炭科学研
究总院,1998.
[5] 张向东,李永靖,张树光,霍宝荣. 软岩蠕变理论及其工程应用. 岩石力学
与工程学报. 2004,23(10)：1635～1639.。