岩石流变力学的研究现状及其发展方向.pdf

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1、第l4卷第3期地质力学学报Vo1．14No32008年9月JOURNALOFGEOMECHANICSSep．2008文章编号：1006．6616(2008)03．0274．12岩石流变力学的研究现状及其发展方向张尧，熊良宵(1．同济大学岩土及地下工程教育部重点实验室，上海2000922．同济大学地下建筑与工程系，上海200092)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

2、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、水力一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。关键词：流变试验；流变模型；非线性流变；水力一应力耦合；各向异性中图分类号：P584；P313．1文献标识码：A0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

3、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～33。由此可见，开展岩石流变特

4、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Gfiggs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、收稿日期：2008—05．10作者简介：张尧(1982．)，男，硕士研究生，主要从事岩石力学研究。E-mail：tj-zhangyao@163．corn。

5、第3期张尧等：岩石流变力学的研究现状及其发展方向275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b。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。1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

6、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Okuboeta1．(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一时间关系曲线，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

7、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，当应力水平低于时，采用广义Kelvin模型来描述三峡花岗岩的蠕变特性；当应力水平高于时，采用西原模型描述，并给出了相应的蠕变参数