巖石流變力學(xué)的研究現(xiàn)狀

1、巖石流變力學(xué)的研究現(xiàn)狀姓名：劉強學(xué)號：TS15020130P2老師：季明巖石力學(xué)結(jié)課作業(yè)摘要：從巖石單軸壓縮流變試驗、多軸壓縮流變試驗、拉伸斷裂流變試驗、巖體及結(jié)構(gòu)面的剪切流變試驗、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(jīng)驗?zāi)Ｐ?、元件模型、損傷斷裂模型、基于內(nèi)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(gòu)模型的發(fā)展進行了回顧。最后，指出復(fù)雜應(yīng)力路徑下巖石的非線性流變、水力-應(yīng)力耦合情況下的巖石流變、考慮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。1、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(guān)的變形、流動和破壞等性質(zhì)，主要表現(xiàn)在彈

2、性后效、蠕變、松弛、應(yīng)變率效應(yīng)、時效強度和流變損傷斷裂等方面。巖石流變是巖土工程圍巖變形失穩(wěn)的重要原因之一。比如地下工程在竣工數(shù)十年后仍可出現(xiàn)蠕變變形和支護結(jié)構(gòu)開裂現(xiàn)象，尤其是在軟巖中成洞的地下工程由于圍巖顯著的流變性給結(jié)構(gòu)設(shè)計、施工工藝帶來了一系列特殊問題。巖質(zhì)邊坡的蠕變破壞也十分常見，如軟巖坡體中常發(fā)生蠕動型滑坡，滑面的形成和坡體滑動都是緩慢進行的。最適合儲存核廢料的鹽巖和花崗巖，在壓力、高溫、核輻射、污水等條件下同樣會產(chǎn)生流變，從而影響儲藏洞室的穩(wěn)定性。而近年來，西部大開發(fā)大型水利水電工程涉及到的復(fù)雜巖體，如向家壩、龍灘水利工程、小灣、錦屏一級和二級水電站工程等這些工程巖體，均具有明顯的

3、流變特性，尤其是在開挖、卸荷以及滲流等復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下所表現(xiàn)出的流變特性更加顯著和復(fù)雜,在工程設(shè)計和施工中充分考慮其流變效應(yīng)顯得尤為重要。由此可見，開展巖石流變特性研究，深入了解巖石流變變形及其破壞規(guī)律，對于巖石工程建設(shè)具有十分重大的現(xiàn)實意義和經(jīng)濟價值。事實上，國外學(xué)者Griggs早在1939年便對灰?guī)r、頁巖和砂巖等類巖進行了蠕變試驗。在此后的幾十年里，很多研究者相繼從各個不同方面進行了巖石流變特性研究。而自20世紀50年代末起，特別是近20年來國內(nèi)許多大型工程的興建，也極大促進了我國同行對巖石流變特性的研究。進入21世紀初，我國巖石流變特性的研究更趨活躍，在巖石流變試驗、巖石流變本構(gòu)方程等方面

4、均取得了顯著的研究成果。然而，巖石的復(fù)雜性和多樣性，使巖石材料與巖體的流變特性研究仍然存在若干亟待解決的問題。因此，本文將對這些研究成果進行簡單的回顧，并闡述當(dāng)今巖石流變特性研究中存在的問題和今后的發(fā)展方向。2、巖石流變試驗的研究現(xiàn)狀巖石力學(xué)結(jié)課作業(yè)巖石流變試驗主要分為巖石室內(nèi)流變試驗和巖體現(xiàn)場流變試驗兩類。由于室內(nèi)試驗具有能夠長期觀測、較嚴格控制試驗條件、重復(fù)次數(shù)多等優(yōu)點，因而受到廣泛應(yīng)用，對巖石流變力學(xué)特性的試驗研究成果也主要集中在室內(nèi)試驗方面。而現(xiàn)場流變試驗由于耗資費時、難度較大，因而對現(xiàn)場巖體流變力學(xué)特性的試驗研究成果相對較少。下面將主要從巖石單軸壓縮蠕變試驗、巖石多軸壓縮蠕變試驗、巖

5、石拉伸斷裂流變試驗、巖體及結(jié)構(gòu)面剪切蠕變試驗、巖石蠕變試驗中的影響因素等方面，并按照時間順序來闡述近幾十年巖石流變試驗的研究成果。巖石單軸壓縮蠕變試驗的研究成果比較豐富,如Okuboetal.（1991）等利用自行研制的具有伺服控制系統(tǒng)的剛性試驗機上完成了大理巖、砂巖、安山巖、凝灰?guī)r和花崗巖的單軸壓縮曲線的全過程測試，獲得了巖石加速蠕變階段完整的應(yīng)變-時間關(guān)系曲線，并據(jù)此提出了可描述巖石三階段蠕變的本構(gòu)方程；李永盛（1995）采用伺服剛性機對粉砂巖、大理巖、紅砂巖和泥巖4種不同巖性的巖石進行了單軸壓縮條件下的蠕變和松弛試驗，指出在恒定的應(yīng)力作用下，巖石材料一般都出現(xiàn)蠕變速率減小、穩(wěn)定和增大三個

6、階段，但各階段出現(xiàn)與否及其延續(xù)時間，則與巖性和所施加的應(yīng)力水平有關(guān)，巖石松弛曲線具有連續(xù)型與階梯型兩種典型變化規(guī)律。楊建輝（1995）描述了砂巖單軸受壓蠕變試驗中縱橫向變形發(fā)展規(guī)律，指出巖石內(nèi)部裂紋的發(fā)展是橫向變形獨立發(fā)展的原因；徐平等（1996）對三峽花崗巖進行了單軸蠕變試驗，認為三峽花崗巖存在一個應(yīng)力門檻值（7瑞應(yīng)力水平低于（7時，采用廣義Kelvin模型來描述三峽花崗巖的蠕變特性；當(dāng)應(yīng)力水平高于（7時,采用西原模型描述，并給出了相應(yīng)的蠕變參數(shù)；許宏發(fā)（1997）通過對軟巖進行單軸壓縮蠕變試驗，指出軟巖的彈模隨時間的延長而降低，與強度的變化規(guī)律具有相似性；王貴君等（1996）對硅藻巖進行了

7、單軸壓縮蠕變試驗，結(jié)果表明硅藻巖蠕變變形很大長期強度與瞬時強度相比很??；沈振中等（1997）對三峽大壩地基花崗巖進行了單軸壓縮蠕變試驗，并采用Burgers模型來描述三峽大壩基巖的粘彈性性質(zhì)；張學(xué)忠等（1999）對某邊坡輝長巖進行了單軸壓縮蠕變試驗研究，結(jié)果表明雖然花崗巖堅硬、強度較高，但在高應(yīng)力狀態(tài)下仍有較大的蠕變變形，并擬合出蠕變曲線的經(jīng)驗公式；朱定華等（2002）對南京紅層軟巖進行了單軸壓縮蠕變試驗，發(fā)現(xiàn)紅層軟巖存在顯著的流變性符合Burgers模型，并得到了軟巖的流變參數(shù)，同時指出紅層軟巖的長期強度約是其單軸抗壓強度的63%70%;趙永輝等（2003）對潤楊長江大橋北錨基礎(chǔ)的弱風(fēng)化或微

8、風(fēng)化花崗巖進行了單軸壓縮蠕變試驗，并以廣義Kelvin模型進行了參數(shù)擬合分析，獲得了巖石粘滯系數(shù)等流變力學(xué)參數(shù)；李化敏等（2004）利用自行研制的UCT-1型蠕變試驗裝置，對南陽大理巖進行了單軸壓縮蠕變試驗，得出了蠕變強度與瞬時強度之比為0.9左右的結(jié)論，并用Burgers模型對壓縮蠕變曲線進行了擬合；范慶忠等（2005）以山東東部的紅砂巖為例，采用重巖石力學(xué)結(jié)課作業(yè)力加載式流變儀，在分級加載條件下對巖石的蠕變特性進行了單軸壓縮蠕變試驗并重點觀察和分析了蠕變條件下巖石的彈性模量和泊松比的變化效應(yīng)；姜永東等（2005）對重慶某滑坡體下盤的砂巖進行了單軸壓縮蠕變試驗，并研究了應(yīng)力水平對巖石蠕變特性

9、的影響；袁海平等（2006）采用分級增量循環(huán)加卸載方式，對某礦區(qū)軟弱復(fù)雜礦巖進行了單軸壓縮蠕變試驗，試驗數(shù)據(jù)按可恢復(fù)的瞬時彈性應(yīng)變與滯后黏彈性應(yīng)變，以及不可恢復(fù)的瞬時塑性應(yīng)變與黏塑性應(yīng)變進行分析，并得出軟弱復(fù)雜礦巖黏彈塑性特性的基本規(guī)律；崔希海等（2006）利用重力驅(qū)動偏心輪式杠桿擴力加載式流變儀，對紅砂巖進行了單軸壓縮蠕變試驗，重點觀察和分析了巖石橫向蠕變規(guī)律和軸向蠕變規(guī)律的差異，并根據(jù)試驗結(jié)果對巖石長期強度的確定進行分析。巖石多軸壓縮蠕變試驗的研究成果也不少,如李曉（1995）用MTS815.02電液司服試驗機，采用加載-穩(wěn)壓伺服控制方式，對泥巖峰后區(qū)進行了三軸壓縮蠕變試驗，首次得到了泥巖

10、試件的峰后蠕變特性曲線，研究結(jié)果表明巖石峰后蠕變曲線由等速穩(wěn)態(tài)蠕變和加速蠕變兩階段組成，且屬于不穩(wěn)定蠕變類型，蠕變速率比峰前巖石材料高23個數(shù)量級；Fujiietal.（1999）對Inada花崗巖和Kamisunagawa砂巖進行了三軸蠕變試驗，分析了軸向應(yīng)變、橫向應(yīng)變和體積應(yīng)變?nèi)N蠕變曲線，并指出橫向應(yīng)變可以作為蠕變試驗和常應(yīng)變速率試驗中判斷巖石損傷的指標；Maraninietal.（1999）對PietraLecceseH灰?guī)r進行了單軸壓縮和三軸壓縮蠕變試驗，研究表明蠕變的變形機理主要為低圍壓下裂隙擴展和高應(yīng)力下孔隙塌陷；彭蘇萍等（2001）針對某煤層巷道的泥巖進行了三軸壓縮流變試驗，結(jié)

11、果顯示每一圍壓下均對應(yīng)著一個起始流變強度；趙法鎖等（2002）對某工程邊坡軟巖進行了三軸壓縮蠕變試驗，提出應(yīng)注意水對巖石的結(jié)構(gòu)、巖石力學(xué)性質(zhì)的影響；陳渠等（2003）對三種沉積軟巖進行了三軸蠕變試驗，探討了巖石在不同條件下的強度、變形特征,以及變形、變形速率和時間依存性等的影響因素；萬玲（2004用J用自行研制的巖石三軸蠕變儀，對泥巖進行了系統(tǒng)的三軸蠕變試驗，并利用非經(jīng)典粘塑性損傷本構(gòu)模型對泥巖的蠕變現(xiàn)象進行了分析計算；張向東等（2004）利用自行研制的重力杠桿式巖石蠕變試驗機，配備三軸壓力室，對泥巖進行了三軸蠕變試驗，并建立了泥巖的非線性蠕變方程；劉建聰?shù)龋?004）利用XTR01型微機控制

12、電液伺服試驗機,采用梯級加載法對煤巖進行了三軸蠕變試驗，利用西原模型探討了與時間有關(guān)的煤巖三維蠕變本構(gòu)方程；徐衛(wèi)亞等（2005）利用巖石全自動流變伺服儀對錦屏一級水電站壩基綠片巖進行了三軸壓縮流變試驗，結(jié)果表明圍壓對流變變形存在很大的影響，圍壓越大相應(yīng)的軸向流變變形量越小，流變對巖石應(yīng)力-應(yīng)變曲線也有著重要影響；冒海軍等（2006）利用XRT01型高溫高壓三軸流變儀，對南水北調(diào)西線工程中的板巖進行了不同圍壓與軸壓下的三軸蠕變試驗，結(jié)果表明板巖的三巖石力學(xué)結(jié)課作業(yè)軸蠕變曲線與煤巖、花崗巖等蠕變曲線相似，存在衰減蠕變、穩(wěn)態(tài)蠕變階段，但板巖的蠕變變形不大；楊圣奇等(2006)對飽和狀態(tài)下堅硬大理巖和

13、綠片巖進行了三軸壓縮流變試驗，結(jié)果表明圍壓對硬巖流變變形存在很大的影響，圍壓越大巖石相應(yīng)的軸向流變變形量越小，流變加載對不同巖性的巖石變形特性的影響規(guī)律也存在很大的差異；范慶忠等(2007)利用重力加載式三軸流變儀，在低圍壓條件下對龍口礦區(qū)含油泥巖的蠕變特性進行三軸壓縮蠕變試驗研究，結(jié)果表明含油泥巖存在一個起始蠕變應(yīng)力閥值,該閥值隨圍壓的加大呈線性增加，蠕變破壞應(yīng)力也大致與圍壓成比例關(guān)系。上述試驗都以研究巖體的壓縮蠕變特性為主，而實際巖體工程在開挖卸荷過程中，往往引起巖石產(chǎn)生拉裂破壞。因此，也有學(xué)者對巖石進行了拉伸斷裂流變試驗，如陳有亮等(1996)對紅砂巖進行了直接拉伸流變斷裂試驗，得到了該

14、類巖石的流變斷裂準則及相關(guān)斷裂參數(shù)；Sunetal.(1997對三峽花崗巖進行了劈裂拉伸蠕變試驗,結(jié)果表明巖石蠕變拉伸強度與加荷速率有關(guān)，同時也受試件含水量的影響；李建林(2000)研究了花崗巖在軸向受拉和拉剪應(yīng)力狀態(tài)下的流變特性，結(jié)果表明巖石拉伸蠕變破壞與拉應(yīng)力大小有關(guān)，在高應(yīng)力下巖石受拉流變發(fā)展較快，時間短，呈現(xiàn)出脆性斷裂的特征，在低應(yīng)力下則表現(xiàn)出較好的流變性，時間發(fā)生斷裂前流變變形可達6個月以上。工程巖體由完整巖塊和節(jié)理面組成，巖體的長期強度一般取決于兩者的流變特性，節(jié)理面的流變性更為重要。近幾十年對結(jié)構(gòu)面的剪切流變研究也取得了不少成果,比如Wawersik(1974床用三軸流變儀對含有

15、人工節(jié)理面的圓柱體花崗巖試樣進行了剪切流變試驗；Amadei&Curran(1980)進行了一系列節(jié)理面的三軸和剪切流變試驗,試驗巖性包括花崗巖、砂巖、石灰?guī)r以及大理巖，探討了剪應(yīng)力比對流變特性的影響，結(jié)果表明隨著剪應(yīng)力比的增加結(jié)構(gòu)面的流變變形也急速增加，而在低剪應(yīng)力比的情況下，結(jié)構(gòu)面的流變變形量可以忽略不計；Schwartz&Kolluru(1982)基于人造石膏材料的節(jié)理面進行了流變試驗，發(fā)現(xiàn)剪應(yīng)力比和正向應(yīng)力都是影響節(jié)理面流變特性的關(guān)鍵因素；孫鈞等(1984)對三種不同情況下的天然節(jié)理面和混凝土模型材料中的人工節(jié)理面進行了直剪蠕變試驗，結(jié)果表明在應(yīng)力水平相同的條件下，表面

16、平整光滑、無起伏度，并有薄層粘土類充填物的節(jié)理面，在恒定荷載作用下產(chǎn)生較大的蠕變量，其蠕變曲線呈連續(xù)分布，蠕變穩(wěn)定歷時較長而表面粗糙、起伏度雖較小但沒充填物夾雜的節(jié)理面，蠕變量較小，并隨節(jié)理面突起部分應(yīng)力集中的發(fā)展，蠕變曲線呈一定的波動跳躍狀；徐平等(1992)對三峽工程巖體結(jié)構(gòu)面進行了室內(nèi)剪切蠕變試驗，提出了一種廣義Burgers的模型；周火明等(1997)在三峽工程壩址試驗洞內(nèi)開展帶結(jié)構(gòu)面巖體剪切蠕變試驗,結(jié)果表明巖體應(yīng)變曲線以及時間曲線與室內(nèi)試驗結(jié)果相一致，且在低應(yīng)力水巖石力學(xué)結(jié)課作業(yè)平下的蠕變特性仍可用廣義Kelvin模型來描述；陳沅江等（2003）對湖南某煤礦砂巖結(jié)構(gòu)面進行了壓剪蠕變

17、試驗，并得到一種可以真實反映軟巖結(jié)構(gòu)面蠕變的新復(fù)合流變力學(xué)模型；沈明榮等（2004）通過對規(guī)則齒形結(jié)構(gòu)面進行雙軸應(yīng)力剪切蠕變試驗，分析了不同的爬坡角、正應(yīng)力和剪應(yīng)力對剪切蠕變的影響，同時以Burgers模型辨識出模型參數(shù)，模型曲線和試驗結(jié)果吻合很好；來結(jié)合等（2004）利用雙面直推式剪切流變儀對錦屏電站的綠片巖結(jié)構(gòu)面進行了剪切流變試驗，并利用西原模型模擬了其蠕變特性，通過數(shù)值方法得出了模型的蠕變參數(shù)；徐衛(wèi)亞等（2005）利用直剪流變儀對龍灘水電站的節(jié)理巖石進行了剪切流變試驗，得到了節(jié)理巖石長期抗剪強度參數(shù)，與快速剪切試驗獲得的短期抗剪強度參數(shù)進行比較，發(fā)現(xiàn)長期抗剪強度參數(shù)有所降低，且粘聚力對時

18、間的敏感性高于內(nèi)摩擦角。水是影響巖石和結(jié)構(gòu)面流變性質(zhì)的一個重要因素。孫鈞（1999心對脆彈粘性紅砂巖試驗后發(fā)現(xiàn)，水對巖石的長期強度有很大影響，飽和狀態(tài)下紅砂巖的長期抗壓強度是干燥狀態(tài)下的46.3%,長期抗拉強度是干燥狀態(tài)下的96.3%,并且飽和狀態(tài)下巖石的破壞時間也比干燥狀態(tài)下顯著提前了。趙法鎖等（2002）對仁義河特大南橋臺邊坡的石膏角礫巖進行了單軸和三軸壓縮蠕變試驗時發(fā)現(xiàn)，水的作用影響著巖石的起始流變應(yīng)力，浸水試件往往在很小的應(yīng)力下就會產(chǎn)生流變。朱合華等（2002）通過干燥和飽水兩種狀態(tài)下凝灰?guī)r蠕變試驗結(jié)果的對比，探討了巖石蠕變受含水狀態(tài)影響的規(guī)律性，研究結(jié)果表明，含水量對巖石的極限蠕變變

19、形量的影響極為顯著，干燥試樣和飽和試樣兩者可以相差56倍；含水量還將影響巖石達到穩(wěn)定蠕變階段的時間，飽和試樣進入穩(wěn)定蠕變階段的時間要比干燥試樣長得多。李鈾等（2003）開展了花崗巖在飽水狀態(tài)下流變特性的試驗研究，并與風(fēng)干狀態(tài)做了對比，研究結(jié)果表明，飽水后花崗巖長期強度會有明顯的降低，流變速率和變形量會有明顯增大。劉光廷等（2004）在進行雙軸蠕變試驗時，對比分析了干燥和泡水試件兩者流變變形的差異，試驗結(jié)果表明，相同條件下，泡水礫巖流變變形相當(dāng)于干燥狀態(tài)的10倍。李鈾等（2006）還研究了飽水和風(fēng)干狀態(tài)下紅砂巖多軸受力狀態(tài)下蠕變松弛特性的差異；楊彩紅等（2007）通過對不同含水狀態(tài)頁巖三軸蠕變實

20、驗結(jié)果和與實驗結(jié)果相符合的蠕變模型參數(shù)進行分析，得出了含水狀態(tài)對巖石蠕變影響的規(guī)律。巖石和結(jié)構(gòu)面流變特性也與加載路徑有很大關(guān)系。Bowdenetal.（1984利用直剪儀對頁巖的節(jié)理面進行了兩種正向流變試驗，一是在正向加卸載作用下產(chǎn)生的正向流變試驗，二是固定正向應(yīng)力，依次改變切應(yīng)力而產(chǎn)生切向流變試驗，結(jié)果表明節(jié)理面在正向加卸載條件下法向流變變形不可忽略；FeiYin（1998）對鹽巖進行了一系列的單軸增量加載蠕變試驗和單軸加卸載蠕變試驗,通過比較側(cè)向應(yīng)變、軸向應(yīng)變、體積應(yīng)變和相應(yīng)的應(yīng)變速率，來闡明加載歷史對鹽巖蠕變變形的影響；Malan（1998）對充填物厚度為2mm的結(jié)構(gòu)面進行了兩巖石力學(xué)結(jié)

21、課作業(yè)組切向卸載流變，首先將切向荷載加到剪切強度的80%,第一組4小時后將切向荷載卸載至零，第二組48小時后將切向荷載卸載至零，研究發(fā)現(xiàn)這兩種情況下卸載后恢復(fù)的剪切位移均比較少；楊春和等（2000）研究了不同應(yīng)力路徑對鹽巖時效的影響，主要對比了四種加載應(yīng)力路徑，即：等圍壓條件下分步加載；保持軸壓，逐級減少圍壓，直至圍壓為零；蠕變一段時間后，將圍壓突然卸載至零，后重新加載到原有應(yīng)力水平進行蠕變試驗；蠕變與應(yīng)力松弛試驗交錯進行，結(jié)果表明鹽巖蠕變率僅是應(yīng)力狀態(tài)的函數(shù)而與加載歷史無關(guān)，初始蠕變極限可以表示成穩(wěn)態(tài)蠕變率的線性函數(shù)；蔡立盛（2006）采用了純剪應(yīng)力路徑的方法，對臺灣某砂巖進行了三軸壓縮蠕變

22、試驗，并研究了剪應(yīng)力與體積應(yīng)變、體積應(yīng)力與剪應(yīng)變之間的耦合關(guān)系。各向異性也是影響巖石流變變形的重要因素。王金星（2000）通過對花崗巖進行單軸拉伸和單軸壓縮蠕變試驗，研究了各向異性對巖石蠕變變形及其速率的影響關(guān)系,并探討了蠕變應(yīng)力及變形與蠕變壽命之間的關(guān)系；付志亮等（2007）通過對含油泥巖進行了分級加載三軸蠕變試驗，研究結(jié)果表明含油泥巖的側(cè)向蠕變具有明顯的各向異性，橫向蠕變有明顯的加速，并且比軸向加速蠕變階段出現(xiàn)提前，瞬時彈性模量和泊松比也具有明顯的各向異性；GeraldineFabreetal.（2006對三種橫觀各向同性的含粘土巖進行了單軸壓縮蠕變試驗，并研究了軸向應(yīng)變、側(cè)向應(yīng)變、體積應(yīng)

23、變與時間的關(guān)系。溫度對巖石的流變特性也有很大的影響。劉泉聲等（2001）通過對7種溫度下三峽花崗巖試件的單軸壓縮蠕變試驗獲得了巖石蠕變速率隨溫度增加的關(guān)系曲線，結(jié)果表明對于不同的巖石，溫度對流變的影響程度差別很大；高小平等（2005）對經(jīng)歷不同溫度后的鹽巖蠕變特性進行了實驗，研究了應(yīng)力強度和溫度對鹽巖蠕變特性的影響，分析結(jié)果表明偏應(yīng)力和溫度對鹽巖穩(wěn)態(tài)蠕變率影響較大，穩(wěn)定蠕變應(yīng)變率本構(gòu)方程是鹽巖上的偏應(yīng)力量的幕次函數(shù)和能量與溫度的指數(shù)函數(shù)。綜上所述，目前在關(guān)于巖石流變特性的試驗研究方面已取得了很多成果，包括單軸、雙軸、三軸壓縮蠕變試驗，巖石拉伸蠕變試驗，巖石的松弛試驗，巖體結(jié)構(gòu)面的剪切蠕變試驗，

24、并在試驗過程中考慮了加載路徑、水、各向異性和溫度的影響。但這些試驗研究成果還是存在不可回避的問題，并且對于某些方面，如加載路徑的影響研究還不夠深入。另外，目前關(guān)于滲流作用下的流變試驗成果還比較少，僅有的也幾乎是先將巖石在清水中浸泡一段時間，再研究飽水和干燥狀態(tài)下蠕變試驗曲線的差異，而工程巖體往往是同時在受到滲透水壓的作用下隨時間發(fā)生蠕變變形。當(dāng)然,造成在這些方面的試驗研究尚不充分的現(xiàn)象有很多原因，比如試驗儀器功能的限制等，這些都有待在后續(xù)的研究中加以改進。巖石力學(xué)結(jié)課作業(yè)3、巖石流變模型的研究現(xiàn)狀巖石流變模型的研究是巖石流變力學(xué)理論研究的重要組成部分，也是當(dāng)前巖石力學(xué)研究中的難點和熱點之一。近

25、年來，隨著一些新的理論和方法逐漸被采用，巖石流變模型理論也得到了一定程度的發(fā)展。下面將從流變經(jīng)驗?zāi)Ｐ?、元件模型、損傷斷裂流變模型、內(nèi)時流變模型以及彈粘塑性模型來評述巖石流變模型的研究進展。3.1 經(jīng)驗?zāi)Ｐ蛶r石流變經(jīng)驗?zāi)Ｐ褪侵竿ㄟ^對巖石在特定條件下進行一系列流變試驗，在獲取流變試驗數(shù)據(jù)后，利用試驗曲線進行擬合，從而建立巖石流變經(jīng)驗?zāi)Ｐ?。?jīng)驗?zāi)Ｐ椭兄饕欣匣碚?、遺傳流變理論、流動理論和硬化理論等幾種流變方程理論。老化理論中，常用幕函數(shù)型、對數(shù)型、指數(shù)型以及三種混合的經(jīng)驗公式來描述巖石的衰減蠕變和等速蠕變。關(guān)于經(jīng)驗?zāi)Ｐ偷难芯砍晒延泻芏?，如徐平等?996）采用了對數(shù)型經(jīng)驗公式對花崗巖的蠕變試驗結(jié)

26、果進行了擬合；張學(xué)忠等（1999課于輝長巖單軸壓縮蠕變試驗結(jié)果，擬合出蠕變曲線的經(jīng)驗公式；張向東等（2004）采用老化理論，并假設(shè)等時曲線相似，變形函數(shù)采用幕次函數(shù)關(guān)系，建立了泥巖的非線性蠕變方程。雖然經(jīng)驗?zāi)Ｐ团c具體的試驗吻合得較好，但它通常只能反映特定應(yīng)力路徑及狀態(tài)下巖石的流變特性，難以反映巖石內(nèi)部機理及特征。此外,經(jīng)驗?zāi)Ｐ椭荒苊枋鰩r石瞬時流變階段以及穩(wěn)態(tài)流變階段，而無法描述加速流變階段。3.2 元件組合模型元件組合模型是采用模型基本元件，包括虎克彈性體（H）、牛頓粘性體（N）和圣維南塑性體（S）進行組合來模擬巖石的流變力學(xué)行為。巖石流變元件模型中著名的有Maxwell模型、Kelvin模型

27、、Bingham模型、Burgers模型、理想粘塑性體、西原模型等。由于線性流變模型的組合元件是線性的，無論其組合形式如何復(fù)雜，模型均無法描述巖石流變的非線性特征，而且也不能反映巖石的加速蠕變階段。于是，一些學(xué)者將組合模型中的線性元件改為非線性元件，形成了非線性元件模型。如宋德彰等（1991）基于巖石蠕變過程中粘塑性變形部分的等時曲線相似的假設(shè),得到了粘滯系數(shù)隨加載應(yīng)力6或t以及加載時間t的變化規(guī)律，由此在廣義賓漢姆模型的基礎(chǔ)上對線性牛頓粘滯體進行修正，建立了反映巖石蠕變?nèi)A段的非線性流變本構(gòu)模型；金豐年等（1995）基于試驗結(jié)果，結(jié)合傳統(tǒng)線性粘彈型模型的分析,提出了非線性粘彈性模擬；鄧榮貴等

28、（2001）根據(jù)巖石加速蠕變階段的力學(xué)特性，提出了一種牛頓流體粘滯阻尼元件，將該阻尼元件與描述巖石減速蠕變和等速蠕變特性的傳統(tǒng)模型組合，構(gòu)成了新的綜合流變力學(xué)模型；曹樹剛等（2002）巖石力學(xué)結(jié)課作業(yè)采用非牛頓體粘性元件構(gòu)成五元件的改進西原模型，建立了新的一維粘彈塑性本構(gòu)模型；韋立德等（2002汁艮據(jù)巖石粘聚力在流變中的作用提出了一個新的SO非線性元件模型，建立了新的一維粘彈塑性本構(gòu)模型；陳沅江（2003）提出了蠕變體和裂隙塑性體兩種非線性元件，并將它們和描述衰減蠕變特性的開爾文體及描述瞬彈性的虎克體相結(jié)合，建立了一種可描述軟巖的新復(fù)合流變力學(xué)模型；張貴科等（2006）在分析巖體變形特點和常用

29、流變模型變形特性的基礎(chǔ)上，提出與應(yīng)力狀態(tài)和時間相關(guān)的非線性黏性體；徐衛(wèi)亞等（2006）通過將提出的非線性黏塑性體與五元件線性黏彈性模型串連，建立一個新的巖石非線性黏彈塑性流變模型，該模型可以充分反映巖石的加速流變特性。3.3 損傷斷裂流變模型隨著損傷斷裂力學(xué)方法在巖石力學(xué)研究中的不斷發(fā)展，在巖體損傷斷裂流變模型的研究與應(yīng)用方面，也取得了不少進展。陳智純等（1994）和繆協(xié)興等（1995）基于巖石蠕變試驗結(jié)果，總結(jié)出了以能描述損傷歷史的蠕變模量為參數(shù)的巖石蠕變損傷方程；楊延毅（1994）通過研究節(jié)理巖體的損傷流變斷裂過程，提出了在恒定持續(xù)荷載作用下，巖體節(jié)理的延遲起裂、持續(xù)擴展與延遲失穩(wěn)準則，在

30、此基礎(chǔ)上建立了節(jié)理巖體的損傷演化方程和具有損傷演化耦合效應(yīng)的粘彈塑性本構(gòu)關(guān)系；凌建明（1995）對脆性巖石在蠕變條件下的習(xí)慣裂紋損傷特性進行探討，給出了一種蠕變裂紋發(fā)展的損傷模型；鄭永來等（1997）等將粘彈性模型與損傷模型相結(jié)合，提出了一種可以統(tǒng)一反映巖石變形與強度應(yīng)變率效應(yīng)的粘彈性連續(xù)損傷本構(gòu)模型；陳衛(wèi)忠等（1999）基于損傷力學(xué)中應(yīng)變等效概念，建立了反映巖體斷裂損傷耦合效應(yīng)的彈塑性流變模型；楊春和等（2002）采用鹽巖蠕變試驗及損傷理論分析，得到了鹽巖的蠕變損傷變量與變形的關(guān)系，提出一種能反映鹽巖蠕變?nèi)^程的蠕變損傷本構(gòu)方程。盡管損傷力學(xué)和斷裂力學(xué)分別在巖石力學(xué)特性研究中得到了應(yīng)用，促進了巖石流變力學(xué)理論的發(fā)展，但由于損傷力學(xué)和斷裂力學(xué)都有各自的局限性，如斷裂力學(xué)難以處理密集型的微觀裂紋、而損傷力學(xué)難以處理宏觀裂紋的擴展過程，因而損傷或者斷裂單獨與流變的耦合本構(gòu)模型不可避免地存在諸多不足。3.4 基于內(nèi)時理論的巖石流變本構(gòu)模型內(nèi)時理論最初是