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;

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。

近年来，岩石的流变试验得到了进一步的发展，取得了一些新的成果。李永盛、夏才初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，指出在一定的常应力作用下，岩石材料一般都出现蠕变速率减小、稳定、增大三个阶段，但各阶段出现与否及其延续的时间，则与所观测的岩石性质和所施加的应力水平有关。金丰年利用伺服控制刚性试验机，采用应力反馈控制方法获得了多种岩石单轴拉伸试验的全应力- 应变曲线，通过对岩石单轴拉伸、单轴压缩及其荷载速度效应和蠕变实验的研究，首次提出了岩石受拉和受压力学特征具有相似性的理论观点。徐平、杨挺青、夏熙伦对三峡花岗岩进行了单轴蠕变试验，给出了三峡花岗岩的蠕变经验公式，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，采用西原模型来描述，并给出了相应的蠕变参数。吴刚根据与工程实际相对应的原则，对红砂岩试样进行了四种类型的卸荷破坏试验。[6-9]

文献[ 11 ]用三点弯曲试验方法对层桩岩石的流变断裂特性进行了试验研究与理论分析得到了岩石得流变断裂准则。文献[ 12 ]以一类红砂岩为例对蠕变条件下岩石裂纹起裂和扩展的机理、准则进行了试验研究和理论分析，指出蠕变断裂韧度是岩石工程设计和计算的重要参数。文献[ 13 ]综述评介了岩石裂纹(缺陷)演化及其力学特性研究的近期进展，内容包括微细观裂纹演化及其力学特性、时间相关性、裂纹扩展与岩石破坏，并结合某些工程问题进行了讨论，指明深部矿井由于岩石特性的软化，岩石流变损伤断裂的研究将是极为重要的领域。

另外，近年来计算机断层识别技术即CT(computerized tomography)技术以其无扰动、可多层面分析和能采用国际标淮试件等优点受到岩土力学研究者的关注。CT识别岩石损伤不但可以无扰动岩样损伤检测，更重要的是通过CT图像、CT数大小和CT数定量地与岩石损伤变量和损伤扩展联系起来，为建立岩石蠕变损伤扩展本构关系奠定基础。杨更社、葛修润、任建喜等利用这一技术对岩石蠕变破坏机理进行了较深入的研究，得到了岩石蠕变损伤演化的初步规律。

5 岩石流变研究展望

岩石流变理论发展已经有60多年，在此期间众多科学家不断探索取得了丰硕的成果，然而由于岩体的复杂性，多变性，还有不少方面理论有所欠缺，不能正确的指导工程实践。今后的研究方向有以下几方面：

①试验设备的发展与改进

由于岩石流变试验是一个较长时间的过程，进行较长时间流变试验时室内和现场温度和湿度条件的变化必然会影响试验的结果。由于国内实验室往往不易具备室内恒温和恒湿条件，对这些因素的影响作出定量估计尚有待今后深化研究。

②非线性理论的发展

目前，流变问题分析中其本构模型中的力学参数一般都是定常的，认为所有岩体力学参数并不随时间增长而变化，即所谓线性流变问题。但实际上，岩体这种复杂材料在地质构造运动、地下水渗流和自然风化等诸多因素的作用下，其某些力学参数随时间而变化是十分明显的，这样我们得到的试验数据与实际往往不符，有时偏差很大，对工程实践起到误导作用。因此，非线性理论的发展仍旧是今后的主要研究方向。

③模型参数估计

对于确定工程岩体普遍适用的模型参数，目前的研究和试验都还远远不够，更大量的研究和试验工作急需进行，进而形成一套结合具体工程更为完善、准确而可靠的岩体流变试验规程，以便在不同工程情况下选用。

以上三个方面是流变发展的主要方向，当然还有不少方面仍处于盲区，这就需要我们在理论与实践中不断发现，思考，在此基础上继续前进。

参考文献(References)：

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[2] 范广勤.岩土工程流变力学[M].北京：煤炭工业出版社，1992.

[3] 杨圣奇.岩石流变力学特性的研究及其工程应用[博士学位论文][D].南京，河海大学，2006.

[4] 丁香丽.岩体流变特性的试验研究及模型参数辨识[博士学位论文][D].武汉，中国科学院武汉岩土力学研究所，2005.

[5] 范庆忠，王素华，高延法.岩石流变试验与本构模型研究进展[J].山东农业大学学报，2006， 37 (1)：136-140.

[6] 崔希海，付志亮.岩石流变特性及长期强度的试验研究[J].岩石力学与工程学报，2006，25(5)：1021-1024.

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[8] 刘世君，徐卫亚，邵建富.岩石黏弹性模型辨识及参数反演[J].水利学报，2006，(6)：101-10.

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[10] 陈有亮，孙钧.岩石的蠕变断裂特性分析[J].同济大学学报，1996，24 (5) ：504 - 508.

[11] 陈有亮，刘涛.岩石流变断裂扩展的力学分析[J].上海大学学报， 2000， 6 (6) ：491 - 496.

[12] 陈有亮.岩石蠕变断裂特性的试验研究[J].力学学报，2003，33 (4)：480 - 484.

[13] 张晓春，杨挺青，谬协兴.岩石裂纹演化及其力学特性的研究进展[J].力学进展， 1999， 29(1) ：97 - 104.

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