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1、岩石流变学学习心得对一种新的岩石非线性流变损伤模型研究一文的学习总结院（系）名称：土木建筑工程学院专业名称：岩土工程学生姓名：*,、 F = I d”. 不不不不不不不不不课程教师：*0 前言岩石流变力学是研究岩石矿物组构(骨架)随时间不断调整，导致其应力、 应变状态亦随时间而持续地增长变化，进而探讨其力学性状和行为的科学。它的 基本任务是研究岩石的应力-应变随时间的变化规律，并根据所建立的时效本构 法则去解决工程实际中遇到的与流变有关的问题。随着各类岩石工程建设规模的扩大以及对岩石介质与其工程特征认识的深 入，在描述和处理岩石材料的时间效应与其流变属性方面沿用弹性或弹塑性理论 将存在明显的缺
2、陷和困难。大量的现场量测和室内试验都表明，对于软弱岩石以 及含有泥质充填物和夹层破碎带的岩体，其流变属性都是非常显著的。即使是比 较坚硬的岩体，由于多组节理或受到发育裂隙的切割，其剪切蠕变也会达到较大 的量值。因此，在工程建设中经常会遇到岩体的变形随时间而增长变化。由隧洞 围岩变形、围岩与支护共同作用随时间的发展及岩体强度随时间的降低可看出， 充分考虑岩石的流变特性，研究产生这些现象的原因及其力学机制，无论对于岩 石力学理论研究，还是对于实际岩石工程应用都具有十分重要的意义。岩石流变力学的创立是由材料流变学发展而来的，是材料流变学的一个重要 分支。一般认为，1922年Bingham出版他的名著
3、流动和塑性和1929年美 国创建流变协会，标志着流变学成为一门独立的学科。在岩土流变学研究方面， 我国岩土流变学科的奠基人陈宗基先生(19221991)提出的一系列创造性研究 成果，得到了国际流变学界的广泛承认。陈宗基早在20 世纪50 年代就将流变学应用于土力学中，提出了微观流变学 基本原理、“粘土结构力学”学说和土的三向固结流变理论。“陈氏粘土卡片结 构”学说被挪威学者用电子显微镜的观察所证实，并被写入国外教科书。他发现 了粘土存在有三个变形阶段和三个屈服值，建议在工程设计中采用第三屈服值进 行土体稳定计算。这一观点已被国际学术界所承认，该屈服值已被称为“陈氏屈 服值”。他在土流变学方面的
4、研究方法和许多研究成果也可推广应用于软弱岩体 及坚硬岩体中的软弱结构面。在1959 年，陈宗基就把流变理论引入岩石力学，在长江三峡水利枢纽现场 平洞围岩中指导进行了流变试验。 1961 年，他将岩体流变理论推广到各向异性 岩体。 1965 年，他根据对节理岩层的试验研究，从理论上解答了层状岩体中隧 洞围岩应力分布课题，提出了围岩应力场随时间而变化的概念，并指出当时普遍 采用的普氏理论的不合理性。上世纪70年代，他又从岩石微观结构研究出发，考 虑岩体的成因和历史，提出了岩体内应力的来源与释放学说，指出天然岩体必然 存在位错、裂隙和地应力，从而导致岩体具有流变特性。他还根据实验观察与理 论分析，提
5、出了岩石扩容及其本构方程。20世纪80年代，他对新奥法隧道施工进 行了创造性的研究，重点涉及到围岩蠕变、扩容和构造应力等课题；进一步发展 了流变扩容理论，并用流变学的观点研究了膨胀岩的变形机理和岩石突出等动力 学问题；主持设计制造了 8000K N伺服控制多功能三轴流变仪和岩石动力三轴流 变仪，系统地研究了岩石在脆性范围内确定扩容参数的新方法，分析了与时间有 关的扩容过程。陈宗基以岩土流变学的观点，解决了一系列国民经济建设中的重 要问题。涉及的主要工程有：长江三峡、葛州坝、雅砻江二滩、沅水五强溪等水 利枢纽，南京长江大桥、湖北大冶铁矿、甘肃金川镍矿、辽宁抚顺露天煤矿、甘 肃天水麦积山石窟文物保
6、护以及一些大型国防工程。陈宗基在岩土流变学方面撰 写了70多篇论文，代表性论文集中反映在陈宗基论文选中。也是在1959年，安欧在论述岩石的应变和断裂与应力的基本关系及其实验证 明时也论及蠕变、松弛和弹性后效等概念，并报道了含石英绢云母片岩在高温下 的拉伸蠕变试验成果。在20世纪60年代，廖国华和刘宝琛开展了弯曲流变实验和 流变理论研究，刘雄等报告了岩石扭转流变仪的研究情况，李四光曾在冰层中发 现石英岩、砂岩及石英砂岩卵石有明显的流变变形实例。孙钧总结了自己和本单位二十余年来对岩土材料流变问题的学术与技术研 究成果，于1999年发表了关于该子学科领域近120万字的专门论著。此外，几十 年来他在岩
7、土流变学方面还先后发表了学术论著60余篇。在岩土流变的学术研究 方面，他对流固耦合流变、三维流变、非线性流变、蠕变损伤与断裂，以及流变 参数与模型辨识和岩土流变细观力学实验研究等复杂科学问题均有相当的开拓 和进取；对岩土流变属性在工程中的应用方面，有如，软基粘土的流变特征、岩 土时效强度与稳定性及其在施工过程中地层位移、沉降等随时间的增长变化，节 理裂隙发育和软岩洞室施工开挖、围岩支护系统的历时稳定性以及岩质高边坡 流变效应等等也都有展开的研究分析，积累有比较丰富和翔实的大量第一手非常 规岩土流变实验、测试数据逾万个和一批工程实践应用资料，一些成果多年来已 在长江三峡工程、江阴长江大桥、广州虎
8、门大桥和润扬长江大桥等几座特大型公 路悬索大桥的锚碇基础工程，以及宝钢三期建设、上海和北京市地下铁道工程以 及许多处大型水电站地下厂房与水工隧洞和淮南煤矿井下开采等国家重点建设 项目中成功采用。他还在同济大学建设了岩土流变专业实验室。20世纪70年代起，软岩成为我国矿山、交通和水利工程中的突出问题，人们 开始关注将岩石流变力学应用到软岩力学和软岩工程的研究中。众多的科技攻关 和科学基金项目的开展，使我国的岩石流变力学的研究获得丰硕的成果。这些成 果包括：岩石流变实验设备的研制和岩土材料流变试验，室内井巷（隧洞）流变 模型（模拟）试验，岩石流变理论和分析计算方法，考虑热能的流变理论，岩石 蠕变损
9、伤、断裂的时效特征研究，岩石工程中的岩体流变监测，流变性围岩支 护相互作用理论，井巷（隧洞）围岩流变问题解析，岩石工程流变问题的数值方 法等等。在我国，岩石流变理论和分析方法在诸如：软岩井巷（隧洞）支护与变 形控制、节理裂隙发育的大断面地下厂房洞室工程、大型水利水力高边坡工程以 及石油深井工程中近年来都得到了广泛应用，已有相当厚实的实践经验，取得了 较好的技术、经济效益和社会效益，使我国的岩石流变力学的研究在国际学术界 占有重要的地位。1岩石流变的力学特性通常都说，软岩和软粘土以及节理裂隙发育的岩体才有明显的流变属性，这 话是不全面的。岩土流变的大小，不仅取决于其抗压、抗剪强度，而且还与它所
10、承受的应力水平有关；当应力水平（一般为地应力值）的赋存值较高时，甚至如 长江三峡工程那样的闪云斜长花岗岩，沿其节理裂隙软弱结构面和断裂带也会有 一定的剪切蠕变，这已由实践所证实。1.1 岩石流变的基本性质岩石的流变力学特性一般包括以下几个方面：（1）蠕变：在常应力作用下，变形随时间发展增大的过程。（2）应力松弛：在恒应变水平下，应力随时间衰减直至某一限值的过程。（3）弹性后效和滞后效应：加载过程中弹性变形随时间的增长称为滞后效应 它也包括在蠕变中；卸载后弹性变形随时间的逐渐恢复称为弹性后效。也可将弹 性后效和滞后效应统称为弹性后效。（4）长期强度：强度随时间延长的降低，即在长期荷载作用下的强度
11、。（5）流动：随时间延续而发生的塑性变形，反映应变速率随应力的变化。流 动分为粘性流动和塑性流动，粘性流动是指微小外力作用下发生的流动，塑性流 动是指外力达到某一极限值后才开始的流动。岩石的蠕变可用蠕变方程和蠕变曲 线表示。在较高应力水平下，蠕变历程一般可分为1（初始衰减蠕变）、11（稳 态/等速蠕变）和111（加速蠕变）三个阶段。蠕变曲线的性状随着岩石自身的属 性、应力状态以及环境条件等的不同，也可分为三种类型：稳定蠕变、亚稳定蠕 变和不稳定蠕变。岩石的应力松弛特性也可划分三种类型：立即松弛、完全松弛和不完全松弛。 在同一变形条件下，不同岩石具有不同类型的松弛特性。同一岩石，在不同变形条件下
12、也可能表现 为不同类型的应力松弛特性。加载后的弹性变形的滞后效应属于蠕变，一般只有在辨识岩石的蠕变模式时 才予区分。某岩石在某种应力水平下的蠕变包含滞后效应与否，只有通过卸载后 的弹性后效加以验证。在较低应力水平下，卸载后变形也可能不能恢复到零而留 有残余应变，此应变系由粘性流动造成。在高应力水平下，卸载后残余应变较大， 其中可能包括塑性应变、粘塑性应变、粘性流动和塑性流动。岩石的屈服极限（强度）随时间的延长而衰减，这已为众多实验室和现场试 验所证实。岩石长期强度的确定方法有多种，可以在岩石蠕变试验中将稳定蠕变 速度为零时的最大荷载值定为岩石的长期强度；或者在蠕变曲线族中选取各曲线 上骤然上升
13、的拐点作为流动极限，相应地找到经历各时间后的流动极限值，从而 得到流动极限的衰减曲线。当流动极限不再随时间的增长而降低时，即为岩石的 长期强度。1.2 节理岩体的流变 节理裂隙岩体的流变也和节理裂隙岩体的瞬时变形一样，主要受节理性状（节理空间位置、节理厚度、贯通程度、有无充填物及充填物属性）的影响、制 约和控制，呈现比较明显的各向异性性态。闭合节理岩体受法向压应力作用时， 岩体的压缩蠕变变形较小，长期强度较高。节理岩体在受较高剪切应力作用时， 节理剪切蠕变相对于时间和应力的非线性特性明显，蠕变变形较大，呈现强烈的 流动特征，长期强度较低。1.3 岩体损伤、断裂的时效特性从微观、细观到宏观的角度
14、研究，节理裂隙岩体的变形和破坏不仅受自身的 性状和所处环境影响，而且是其内部原（初）始细微观缺陷（微裂隙）、宏观缺 陷（裂隙或结构面）的演化、发展和贯通的结果。几乎所有的工程岩体破坏失稳 都不是一开始就出现的，一般是在岩体工程建设和运营过程中，岩体变形在某些 结构面或其间的薄弱部位随时间增长发展；或者因水文地质、工程地质条件逐渐 恶化，致使岩体中内在裂纹（裂隙）随时间不断蠕变、演化，进而产生宏观断裂 扩展，最终导致岩体由局部破坏发展到整体失稳。这就是岩体损伤、断裂的时效 特性。可以借鉴多晶材料扩散断裂机制研究岩体损伤和断裂的时效特征43。如多 晶材料蠕变时扩散机制所控制的微孔或微裂隙聚集成核并
15、继续发展成长，将导致 亚微观裂纹的形成，并最终导致断裂。材料内的微孔可由于空位扩散而成核，并 最后聚集而成为断裂轨迹，这一过程确定了蠕变断裂的时间。也可以借鉴固体力学中的损伤和断裂理论研究岩体在变形破坏过程中初始 细观缺陷与初始宏观缺陷的演化发展。这种演化发展虽然也存在着阶段性，但不 具备明确界限：在宏观裂纹的扩展阶段，细观裂纹仍在不断增长和发展，尤其在 宏观扩展裂纹端部附近。将岩体中业已存在的各种节理裂隙视为分布缺陷（损伤） 而这种损伤的尺度可从微、细观到宏观变化。岩体损伤与断裂的概念还具有明显 的相对性，同样尺度的节理裂隙，因研究尺度的不同可以表现为奇异缺陷（断裂）， 也可以表现为分布缺陷
16、（损伤）。研究表明，节理岩体的破坏是一个渐进过程，节理岩体的力学性能以及在荷 载或环境条件下的破坏都具有显著的时效特征。岩体由局部破坏到总体失稳是损 伤累积和断裂发展的过程，岩体在蠕变时效条件下的渐近破坏也是起源于其损伤 随时间的逐渐累积，并伴随有宏观主裂纹的蠕变时效扩展。根据单裂隙岩体中蠕 变裂纹扩展模型，能估算裂纹扩展前的孕育时间和随后裂纹扩展到最大的可容许 值的时间，这些计算结果对预言有缺陷的结构物的寿命都很有用。1.4 岩石流变的温度效应温度不仅对岩石的瞬时变形和强度特性而且对岩石的流变特性有很大的影 响。一般地说，当岩石所受荷载恒定时，随着温度的增长，在蠕变时间相同的条 件下，蠕变变形也增大。对不同的岩石，温度对流变的影响程度差别很大11,45。 盐岩试件在同一应力水平下（如。=10MPa），试验温度从50C升高到250C,蠕变速率提高6个数量级。1.5 岩
