巖石蠕變特性研究的進展

1、礦業(yè)工程學科前沿進展姓名：馮文林 學號：211402010016 班級：礦業(yè)工程學碩巖石蠕變特性研究的進展馮文林1（1. 河南理工大學能源科學與工程學院，河南 焦作 454003）摘要：巖石蠕變是巖土工程圍巖變形失穩(wěn)的重要原因。從巖石單軸壓縮流變試驗、多軸壓縮流變試驗、以及流變試驗中的各種影響因素等來評述巖石流變試驗的研究進展。同時從經驗模型、元件模型、損傷斷裂模型、基于內時理論的流變模型以及彈粘塑性模型等來對巖石流變本構模型的發(fā)展進行了回顧,以及數(shù)值模擬做流變的研究。最后,指出各向異性的巖石流變等方面是今后需要進一步深入研究的問題。Progress of Creep Properties o

2、f RocksFeng Wen-lin1（1 School of Energy Science and Engineering, He Nan Polytechnic University,He Nan Jiao-zuo 454003)Abstract：Rock creep is an important reason for the deformation instability of rock surrounding rocks in geotechnical engineering. The development in the rock rheological test has bee

3、n summarized from uniaxial rheological compression tests, multi-axial rheological compression tests, and structure planes and various influence factors in rheological tests. Inaddition, the development in the rock rheological model was reviewed from the empirical model,component model, damage and fr

4、acture model, endochronic theory-based rheological model and elasticvisco-plasticiy model,And the study of numerical simulation for rheology. Finally，It is pointed out that the anisotropy of rock rheology is a problem in the future.0 引言巖石的流變性是指巖石在外界荷載、溫度等條件下呈現(xiàn)出與時間有關的變形、流動和破壞等性質,主要表現(xiàn)在彈性后效、蠕變、松弛、應變率效應

5、、時效強度和流變損傷斷裂等方面1巖石蠕變性研究可追溯到本世紀三十年代。1939年Griggs發(fā)表了他的研究成果,提出砂巖、泥板巖和粉砂巖等類巖石中,當荷載達破壞荷載的12.5% 80%時,就發(fā)生蠕變的觀點2。在此以后的幾十年里,很多研究者相繼從各個不同方面進行了巖石蠕變研究。隨著巖石力學理論與實踐的不斷發(fā)展,巖石蠕變研究越來越引起廣泛重視3。但巖石流變力學理論至今還不很成熟,許多重大巖石工程的建設為巖石流變力學理論研究帶來了嚴峻的挑戰(zhàn),當前巖石流變力學特性和本構模型理論的研究仍是其難點和熱點問題4。巖石流變力學試驗不僅是了解巖石流變力學特性的最重要手段,而且是構建巖石流變本構模型的重要基礎5。

6、一方面由于復雜應力狀態(tài)下蠕變模型的構建需要更深的理論基礎；另一方面，在三向應力狀態(tài)下的蠕變試驗技術才剛剛興起，而且開展的現(xiàn)場試驗也不多，有賴于在工程實踐中不斷地積累經驗、現(xiàn)場測試手段的改進與提高，以及理論方法上的創(chuàng)新與突破6。本文將會從巖石的單軸、三軸流變試驗的研究以及流變本構模型的研究數(shù)值模擬的研究（PFC）等方面來說明巖石蠕變特性的研究進展。1蠕變試驗研究1.1單軸蠕變 巖石單軸壓縮蠕變試驗的研究成果比較豐富,對于煤樣蠕變的研究如楊逾等通過煤樣的單軸壓縮蠕變實驗,取得相關實驗數(shù)據(jù),然后利用數(shù)值分析軟件Matlab將實驗所得數(shù)據(jù)與理論研究結果進行擬合分析,得出其吻合程度較高,說明該模型能很好

7、的反映實際情況,并彌補了西原模型不能夠反應蠕變第3階段的不足7；孫超群等基于SPH(光滑粒子流體動力學)數(shù)值計算方法,研究了非均質煤巖材料的單軸壓縮試驗聲發(fā)射效應,揭示了煤巖的聲發(fā)射效應隨著均質度m的變化規(guī)律8。巖石蠕變的研究也是十分豐富的，如林斌描以婁莊鹽礦第16層巖鹽為研究對象,采用單試件多級加載方式,試驗研究了該巖鹽的單軸蠕變變形特征。結果表明,巖鹽的蠕變變形可以采用形如y=a(1-e-bx)的指數(shù)函數(shù)描述,蠕變參數(shù)a和b可以用蠕變應力的冪函數(shù)來描述。巖鹽的長期強度約為瞬時單軸強度的68%9。;鐘晶晶等以淮南楊村礦副井井筒凍結施工為工程背景,以副井井筒穿越的含鹽度鈣質粘土為代表,進行常溫

8、(+27)和(-20)不同含鹽度鈣質粘土條件下的單軸抗壓強度試驗。通過對飽和含鹽凍結鈣質粘土單軸抗壓強度試驗,得到了試驗條件下土體在相同溫度下單軸抗壓強度與結冰溫度隨含鹽量變化的強度特性。為低溫條件下含鹽鈣質粘土力學特性和煤礦凍結壁設計施工提供設計基礎10;茅獻彪等學者采用美國MTS810電液伺服材料試驗機和其配套設備MTS652.02高溫環(huán)境爐試驗系統(tǒng),對常溫及700高溫狀態(tài)下泥巖進行了分級加載蠕變試驗的研究,得到了相應的蠕變曲線,給出了泥巖蠕變經驗方程,并初步建立了考慮溫度效應的泥巖蠕變本構模型11;韓立軍等通過泥質砂巖單軸壓縮蠕變試驗,揭示巖石蠕變變形與破壞的特點,反映了不同應力路徑下的

9、巖石蠕變速率與發(fā)展過程,建立了泥質砂巖的非線性蠕變模型,并通過對試件施加側向剛約束和錨固約束,以反映地下工程圍巖在平面應變狀態(tài)和支護狀態(tài)下的蠕變特性12;劉小軍等基于不同含水狀態(tài)下淺變質板巖單軸蠕變特性的試驗研究結果,考慮水對淺變質板巖蠕變參數(shù)的劣化效應,分析蠕變參數(shù)隨飽和度的變化規(guī)律并建立數(shù)學關系式。研究表明:飽和度越大,瞬時彈性模量、黏性模量以及黏滯系數(shù)越小,其中瞬時彈性模量與飽和度線性負相關,而黏性模量和黏滯系數(shù)與飽和度呈負指數(shù)相關13;王興宏等采用MTS815多功能巖石試驗機對巖樣進行24 h單軸壓縮蠕變試驗,得到巖石軸向應變-時間曲線。分析巖石應變-時間曲線,發(fā)現(xiàn)茅口灰?guī)r具有彈性-彈

10、粘性之流變特性,與Poyting-Thomson model相似。用Origin軟件對流變試驗數(shù)據(jù)用Poyting-Thomson model方程進行擬合,得到低應力下流變擬合曲線,該擬合曲線能較好反應試驗數(shù)據(jù)14。 王春萍等將高溫損傷流變元件代替經典西原模型中Newton元件的方法,構建了能夠描述不同溫度條件下花崗巖蠕變全過程的本構模型。分析了不同溫度條件下花崗巖單軸蠕變試驗結果,確定了模型參數(shù),獲得了溫度對花崗巖蠕變關鍵參數(shù)的影響規(guī)律15;單仁亮等對-10的凍結紅砂巖進行了單軸蠕變試驗,應力水平依次為0.36、0.45和0.54,發(fā)現(xiàn)當應力水平為0.36和0.45時,紅砂巖蠕變?yōu)榉€(wěn)定蠕變,

11、當應力水平為0.54時,蠕變?yōu)椴环€(wěn)定蠕變。應力水平越高,蠕變達到穩(wěn)定的時間越長。對蠕變曲線的導函數(shù)進行分析,發(fā)現(xiàn)紅砂巖不穩(wěn)定蠕變的加速階段門檻值為13 h16;李金和等采用分級加載方式進行單軸壓縮蠕變試驗,獲得大理巖的單軸壓縮蠕變曲線。對比發(fā)現(xiàn)五元件Kelvin模型能較好的擬合蠕變試驗曲線,取其作為大理巖蠕變模型17;韓鎧屺等通過單軸壓縮蠕變試驗研究含水率以及顆粒組成對粗粒土蠕變的影響規(guī)律,分析砂質板巖粗粒土在不同影響因素(含水狀態(tài)、顆粒組成)下的蠕變特性,并基于與試驗結果相符的H-K蠕變模型,探討含水率、細顆粒含量、應力與蠕變參數(shù)之間的關系18;王瑞甫利用單軸壓縮蠕變試驗,并基于與試驗結果相

12、符的H-K蠕變模型,探討細顆粒含量與蠕變參數(shù)之間的關系,分析砂質板巖粗粒土中細顆粒含量對其蠕變特性的影響規(guī)律191.2三軸蠕變 近年來巖石多軸壓縮蠕變試驗的研究成果也不少,如楊江偉等采用RLW-2000M微機控制煤巖流變儀，重點分析了孔隙水壓力分級加載時蠕變條件下巖石的應變、滲流體積演化曲線，同時對不同滲流水壓力分級加載條件下的巖石蠕變演化曲線進行了模型分析和對比20; 王鵬程采用分級增量循環(huán)加卸載方式,利用SR-6型三聯(lián)式三軸蠕變儀對陜西省涇陽縣某邊坡原狀黃土進行了三組室內三軸固結排水蠕變試驗,著重研究了黃土黏彈塑性的基本規(guī)律,以此建立了黏彈塑性九元件蠕變模型21; 單仁亮等以鄂爾多斯梅林廟

13、礦500600 m處紅砂巖為研究對象,分別對不同凍結溫度(10,-5,-10,-15)、不同圍壓(0,4,8,12 MPa)條件下飽水紅砂巖進行三軸壓縮試驗，研究不懂溫度對巖石蠕變特性的影響22;張龍云采用三軸流變試驗機,開展硬脆性輝綠巖不同應力路徑下的三軸流變試驗研究，卸荷流變和加載流變都存在門檻效應;加載流變破壞的側向應變?yōu)檩S向應變的23倍,卸荷流變破壞時為17倍;加載流變破壞形態(tài)主要為剪切破壞,而卸荷流變破壞形態(tài)主要為劈裂破壞;軸向應力1恒定卸圍壓流變時巖樣表現(xiàn)出的脆性比偏應力(1-3)恒定卸圍壓流變更為劇烈;二者的流變破壞破壞強度均比常規(guī)三軸強度低23;殷琪等選取了金沙江向家壩水電站壩

14、基的典型砂巖試樣,采用三軸壓縮試驗對砂巖蠕變特性進行研究,分析了流變失穩(wěn)破壞時的特征及砂巖的軸向、側向和體積應變的全過程蠕變曲線異同點,對砂巖的長期強度進行預測分析24;王俊光等為研究水對油頁巖蠕變規(guī)律的影響,以不同含水狀態(tài)下油頁巖三軸壓縮蠕變實驗數(shù)據(jù)為依據(jù),對水作用下油頁巖蠕變3個階段各自的力學特征進行了分析25;蔣海飛等基于高圍壓高水壓條件下砂巖三軸壓縮蠕變試驗結果,分析巖石蠕變規(guī)律,選取Burgers模型對低應力水平下的蠕變特性進行描述，運用通用全局優(yōu)化算法,對提出的非線性黏彈塑性蠕變模型參數(shù)進行了辨識,辨識結果驗證了新構建模型的正確性與合理性26;劉建鋒等通過分析鹽巖在三軸應力狀態(tài)下的

15、變形,說明了較高圍壓下鹽巖的大變形特性,提出了三軸應力狀態(tài)下,利用軸向荷載除以試件初始橫截面面積得到應力-應變關系存在的問題,據(jù)此對工程應變和對數(shù)應變進行了分析和對比,闡明了這兩種應變的適用條件,并開展了不同圍壓下的試驗測試和對試驗結果對比分析27;熊良宵等對綠片巖試樣進行雙軸壓縮蠕變試驗,采用六元件黏彈性流變模型對試驗曲線進行擬合分析,研究試樣寬度尺寸對蠕變變形規(guī)律的影響28;左永振等為降低深厚覆蓋層上壩基的工后變形,常需要對大壩基礎進行固結灌漿處理。采用大型三軸蠕變試驗儀,對固結灌漿前后的砂礫石試樣進行三軸蠕變試驗,通過計算蠕變量和相關蠕變參數(shù)對固結灌漿效果進行分析29;楊奇等研究高速鐵路

16、橋梁樁底砂土層的蠕變變形規(guī)律,獲取其蠕變模型和模型參數(shù),開展樁底砂土的蠕變試驗。針對超長樁樁端高應力環(huán)境,通過室內側限高壓單向壓縮試驗獲得樁底土樣在多級荷載作用下的應力應變時間關系曲線30;王伸遠等通過將試樣等向固結再凍結,然后保持軸壓不變進行徑向卸載的實驗方法,獲得深部凍結黏土在復雜應力狀態(tài)下的蠕變變形規(guī)律.對凍黏土進行了大量的三軸蠕變試驗,得到了在凍結溫度不同和固結圍壓不同條件下的蠕變試驗結果31。 大量的單軸與三軸壓縮流變試驗都可以驗證巖石在流變全過程的三個階段，而這些階段的應力-應變確是研究巖石破壞的重要的依據(jù)，也是解釋巖石各種變形的很好的憑證，但是由于巖石蠕變強度的難于確定，以至于很

17、多蠕變的試驗很難做成功，找到一種可靠地方法來確定巖石的蠕變強度是很多工作者迫切想要完成的，也會是以后研究蠕變的重點與難點。2 PFC模擬 由于做巖石蠕變試驗的成功率不是特別的高，而且做實驗又非常的耗時，所以許多研究者為了能夠準確的獲得蠕變的特性而選擇利用數(shù)值模擬來研究巖石的特性，因而出現(xiàn)了很多軟件例如PFC，F(xiàn)LAC，RFPA等一系列的模擬軟件，而筆者僅介紹利用PFC做巖石蠕變的模擬。PFC（partice flow code in 2 dimension）即顆粒流程序，是離散單元軟件，不同于有限元軟件，主要用于模擬離散元顆粒球體間的運動與相互作用,非常適用于散體顆粒介質的力學性質，可以對固體

18、力學和顆粒流方面等問題進行有效的解決。介質由相互獨立的單元顆粒組成，其中，顆粒之間通過接觸模型傳遞外力荷載，整個介質體系中的力和位移隨著運動和接觸作用的循環(huán)不斷地更新，最終達到穩(wěn)定狀態(tài)。PFC可以通過兩個或更多顆粒間的連接生成各種各樣形狀的顆粒體；它也可以模擬有彈性性質脆性材料，使顆粒與周圍的顆粒粘結在一起；當達到一定承載力時，顆粒間粘結會被破壞。PFC中包含有強大的邏輯運算，可以使顆粒緊密的聯(lián)系在一起(用PFC內置fish語言編寫的函數(shù) fishtank應用了大部分邏輯運算關系)32。 David O. Potyondy教授等首先利用PFC在BMP模型的基礎上，又引入了PSC模型，成功的做出

19、了流變的數(shù)值模擬并解決了在做模擬工程中遇到的參數(shù)調整與細觀參數(shù)確定等問題33；劉寧利用PSC模型對錦屏深埋大理巖破裂擴展的時間效應的模擬，分析在不同驅動應力比作用下大理巖的變形特征、裂紋特征和破裂特征， 試驗結果證明隨著驅動比的提高，裂紋數(shù)目也相應地提高。只有超過損傷強度，才會出現(xiàn)剪切裂紋，而剪切裂紋是試件最終破壞的主控因素。同時隨著驅動應力比的降低，裂紋數(shù)目隨時間也表現(xiàn)出一定的蠕變的 3 個階段特征34.孫金山教授等對巖石的蠕變損傷和斷裂是巖石流變效應的重要表現(xiàn)形式,但其損傷演化過程往往難以直觀觀測,為此,采用二維顆粒流數(shù)值模擬方法(PFC2D)對巖石的蠕變損傷和斷裂的細觀力學機制進行了分析

20、，在錦屏大理巖室內試驗基礎上,利用顆粒流應力腐蝕模型(PSC),建立了能反映其短期和長期強度特征的柱狀巖樣數(shù)值模型,并開展了大量數(shù)值試驗35;蒲成志博士在PFC數(shù)值計算平臺上,基于fish語言改編了白帶Fish Tank模型程序,實現(xiàn)了增強Fish Tank模型的開發(fā),然后在程序自帶Fish Tank程序和增強Fish Tank程序上分別進行了多裂隙與單裂隙模型的計算和分析工作,并將數(shù)值計算結果與實測結果相對比,表明了滑動裂紋模型理論在解釋張開裂隙尖端微裂紋發(fā)育模式與擴展機制方面局限性的存在36；岑奪豐等,通過細觀顆粒平行黏結模型(PBM)的模擬,分析了高應變率單軸壓縮條件下單裂隙巖樣的損傷演

21、化及細觀位移場。高應變率大小對巖樣最終破裂形態(tài)影響不大,但隨應變率的增大,細觀裂紋越多且局部化程度越強37；丁秀麗等通過引入BPM模型和超級單元clump技術,并依據(jù)錦屏一級地下廠房大理巖的SEM礦物成份檢測結果,建立基于礦物形狀的大理巖細觀結構模型,在對細觀力學參數(shù)敏感性分析的基礎上,根據(jù)室內單軸和三軸壓縮試驗結果確定大理巖的細觀力學參數(shù),構建大理巖的細觀力學數(shù)值模型,對不同應力狀態(tài)和應力路徑下大理巖的變形破裂演化及擴容孕育過程進行數(shù)值模擬分析38。4 結論 本文從巖石單軸流變試驗、多軸流變試驗試驗、巖體及結構面的剪切流變試驗、以及流變試驗中的各種影響因素來評述巖石流變試驗的研究進展。又從國

22、內外對流變本構模型的研究，以及利用PFC顆粒流模擬軟件進行的一系列流變模擬等方面來評述巖石流變研究的進展。從上述研究的成果中可以得到以后國內外流變研究可以從以下方面入手：(1) 巖石流變試驗是一個較長時間的過程，進行較長時間流變試驗時室內和現(xiàn)場溫度和濕度條件的變化必然會影響試驗的結果。由于國內實驗室往往不易具備室內恒溫和恒濕條件，對這些因素的影響作出定量估計尚有待今后深化研究。 (2) 對于實際工程巖體的流變問題如何在室內小尺寸巖樣的流變試驗中得到較為有效的反映，如在室內流變的試驗方式方面(包括試件的受力狀態(tài)、試驗的邊界條件和加荷方式，以及試樣的尺寸效應等)，也都是須進一步深入研究的問題。(3

23、) 巖石的室內蠕變試驗一般均采用分級加載的方式進行，并按線性疊加原理整理蠕變試驗結果，從而得到巖石連續(xù)的蠕變曲線。然而，在高壓應力水平條件下軟巖的蠕變往往是高度非線性的，它并不滿足線性疊加原理。因此，沿用上述常規(guī)方法得到的巖石蠕變曲線視應力水平增高將有一定偏差，有必要改用其他更合適的方法。(4) 對于確定工程巖體普遍適用的模型參數(shù)，目前的研究和試驗都還遠遠不夠，更大量的研究和試驗工作亟需進行，進而形成一套結合具體工程更為完善、準確而可靠的巖體流變試驗規(guī)程，以利在不同工程情況下選用。（5）巖石是一種各向異性、不均質的物質，很多模擬的軟件只是考慮在各項同性的條件下進行模擬，這與真實是不太相符的，在

24、以后的數(shù)值模擬中應當考慮這些條件，并且不斷地改進現(xiàn)有的模擬軟件，以達到符合真實的目的。(6）為了從機制和本質上對巖體的非線性蠕變特性有更加清楚的認識，必須對巖體的顆粒組構進行細微觀分析，從考察巖體的細微觀晶粒得出巖體的細微觀組構對巖體蠕變的影響以及巖體蠕變過程中其內部細微觀組構的動態(tài)變化，進而從巖體的細微觀角度來更好解釋巖體的宏觀蠕變特性。巖石細微觀流變力學的試驗研究工作亟待展開。（7）巖石的破壞是一個非常復雜的過程涉及斷裂力學與損傷力學等許多力學行為，并不可以單純從某一單個方面進行分析，在以后的研究中應該充分的結合這些方面，及早的探究出巖石破壞的真實的面目。參考文獻：1 王德勝，宋勇軍. 巖

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26、西原加速模型的煤巖蠕變試驗研究J.煤炭學報，2014,11. 8 孫超群，程國強，李術才等.基于SPH的煤巖單軸加載聲發(fā)射數(shù)值模擬J.煤炭學報,2014,11. 9林斌.巖鹽的蠕變變形規(guī)律及參數(shù)試驗研究J.工程與實驗,2013,4.10 鐘晶晶， 程樺， 曹廣勇， 懷亞.飽和含鹽凍結鈣質粘土單軸壓縮試驗研究J.安徽建筑工業(yè)學院學報，2013,6.11 茅獻彪，張連英，劉瑞雪.高溫狀態(tài)下泥巖單軸蠕變特性及損傷本構關系研究J.巖土工程學報,2013, s2.12 韓立軍,王延寧，蔣斌松等.泥質砂巖蠕變特性與錨固控制效應試驗研究J.巖土力學, 2012, 01.13 劉小軍,劉新榮，王鐵行，王軍保.

27、考慮含水劣化效應的淺變質板巖蠕變本構模型研究J.巖石力學與工程學報, 2014,12.14 王興宏,萬文,王超林.茅口灰?guī)r單軸壓縮條件下的流變特性試驗研究J.湖南工業(yè)大學學報，2014，3.15 王春萍，陳亮，梁家瑋.考慮溫度影響的花崗巖蠕變全過程本構模型研究J.巖土力學, 2014,09.16 單仁亮,宋立偉,李東陽等.凍結紅砂巖非線性蠕變模型的研究J.巖土力學,2014, 6.17 李金和,陳文玲,王洪旭.大理巖單軸蠕變模型參數(shù)J.世界地質, 2014, 02.18 韓鎧屺,劉群，宋曉東.砂質板巖粗粒土蠕變特性影響因素試驗研究J.鐵道科學與工程學報, 2014, 04.19 王瑞甫.細粒含量對粗粒土蠕變特性影響的試驗研究J.公路交通技術, 2014, 05.20 楊江偉,許江,聶聞,彭守建等.滲流水壓力分級加載巖石蠕變模型 J.宜賓學院學報, 2015, 06.21 王鵬程,駱亞生，張希棟等.分級加卸載條件下Q3黃土三軸蠕變特性