岩石流变力学研究现状及其发展趋势

流变性是岩石的重要力学特性之一,与岩体工程的长期稳定性紧密相关。阐述了我国近年来岩石流变研究的若干进展,主要包括岩石在水力、温度等不同环境下的流变试验、锚固岩石蠕变试验以及应力松弛试验研究和岩石长期强度以及岩石非线性流变模型研究等当前岩石流变力学研究的热点问题,并就今后需进一步研究和解决的问题提出了几点看法。     

关于“对‘岩石非线性黏弹塑性流变模型(河海模型)及其应用’的讨论”答复

1引言作者发表在《岩石力学与工程学报》2006年第3期的“岩石非线性黏弹塑性流变模型（河海模型）及其应用研究”等引起了尤明庆先生的讨论,作者就岩石流变力学研究中的有关问题,与尤明庆先生商榷。     

岩石流变试验与本构模型辨识

岩石与岩体的流变性对结构、建筑物特别是大型水利水电和地下工程有很重要的影响。结合实践阐述岩石流变试验、模型辨识与参数反演以及流变模型的工程应用,提出岩石与岩体流变研究中若干亟待解决的重要问题。     

煤岩流变特生及其微观影响特征初探

以煤试块流变试验及其在显微镜岩组分与微观组织损伤的图象分析测试为例，介绍了煤岩作为一种复杂的特殊力学材料的流变特性，初步探讨了显微煤岩组分及其含量，煤岩内部微观损伤裂缝含量（裂面面积率）对煤岩强度的影响规律，煤的流变系数低于岩石材料，且煤的单轴抗压强度与煤的显微组分含量和微观损伤密切相关。     

人工神经网络与遗传算法在岩石力学中的应用

岩石力学与岩石工程问题包含极其丰富的内容，实际工程问题又不断地提出各种新的要求，致使很多问题利用传统的方法难于解决。借鉴其他相关学科的先进思想与技术来解决岩石力学研究中的难点问题，已经成为当前岩石力学研究领域的一个热门课题。计算智能中有关模型与方法的利用有助于我们更深入地研究与解决岩石力学中的某些问题。参考近年来人工神经网络与遗传算法在岩石力学应用中的某些问题，对有关课题的研究状况与进展做了介绍，对计算智能在岩石力学与岩石工程中的应用研究做了展望。     

用统一流变力学模型理论辨识流变模型的 方法和实例

 M. Reiner用弹簧、摩擦片和黏壶这3个元件分别模拟岩石的弹性、塑性和黏性,且用其并联组合可组成7个不同的模型。其中与黏壶并联的有4个(包括黏壶本身),称为基本流变力学模型,对应于与时间有关的4种基本流变力学性态。用这4个基本流变力学模型进行串联组合,可以形成15个流变力学模型(包括4个基本流变力学模型和11个复合流变力学模型)。将包含全部4种基本流变力学性态的模型称为统一流变模型,它包括了其他14个模型,也即其他14个模型都是统一流变模型的特例。根据岩石在不同应力水平下的加卸载蠕变曲线的特性,可以全面地辨识出与15种流变力学性态相对应的15个流变力学模型,且15个流变力学模型与15种流变力学性态是一一对应的关系,对模型的辨识具有惟一性。虽然,在其他文献中有一些模型与这15个模型有差异,但可以通过等效变换转化成为这15个模型之一。根据所提出的统一流变力学模型及其性质,详细论述了用不同应力水平下的加卸载蠕变试验结果辨识与岩石流变性态对应的流变力学模型的方法,并采用2种岩石的相应蠕变试验结果,给出了辨识其流变力学模型的例子。     

统一流变力学模型参数的确定方法

统一流变力学模型同时包含黏弹性、黏塑性、黏性、黏弹塑性4种基本流变力学性态,根据岩石在不同应力水平下的加卸载蠕变试验曲线特性,可以全面地对统一流变力学模型及其14个特殊情况下的模型进行辨识.以采用统一流变力学模型对流变模型进行辨识的方法为基础,对流变力学模型参数的确定方法进行研究.先介绍黏弹性、黏塑性、黏性、黏弹塑性这4个基本流变力学模型模型参数的确定方法.然后,将蠕变试验数据中的蠕变应变量分离成衰减蠕变应变分量(其蠕变曲线函数可表示为指数函数)和定常蠕变应变分量(其蠕变曲线形函数可表示为与时间成比例的线性函数)2部分.并分别介绍衰减蠕变应变分量中同时含有黏弹性和黏弹塑性2种应变,以及定常蠕变应变分量中同时含有黏性和黏塑性2种应变这2种情况的流变力学模型参数确定方法.最后,通过锡矿山页岩和东乡铜矿红砂岩2种岩石在不同应力水平下加卸载蠕变试验结果,给出2个流变模型参数确定的实例.     

煤岩流变特性及其微观影响特征初探

以煤试块流变试验及其显微煤岩组分与微观损伤的图象分析测试为例，介绍了煤岩作为一种复杂的特殊力学材料的流变特性；初步探讨了显微煤岩组分及其含量、煤岩内部微观损伤裂隙含量（裂面面积率）对煤岩强度的影响规律。煤的流变系数低于岩石材料，且煤的单轴抗压强度与煤的显微组分含量和微观损伤密切相关。     

巷道/隧道围岩非线性流变数学力学模型及其初步应用

研制了三轴巷道／隧道围岩流变试验台，并进行了多年的试验观测。从岩石长期强度的衰减特征和岩石的应变能守恒原则出发，建立了非弹塑粘性元件组合模型的岩石非线性流变数学力学模型，在此基础上建立了巷道／隧道围岩非线性流变数学力学模型。应用线性莫尔强度理论将单轴应力极限转换为三轴应力极限，从而由所测的单轴全应力一应变曲线参数来求围岩三轴应变。依据该模型计算的巷道围岩流变值与试验值拟合较好，该模型在预测巷道破坏圈方面得到初步的成功应用。     

热力耦合作用下花岗岩流变模型的本构关系研究

 热力耦合作用下岩石的微观结构的变化是引起宏观力学变化的主要原因,从热力耦合作用下花岗岩的流变机制研究出发,建立热力耦合作用下花岗岩的流变模型,从而推导流变本构方程是一种可行的方法。通过热力耦合作用下花岗岩的流变机制研究可知：(1) 花岗岩是一种由多种成分构成的具有多晶复合介质特点的脆性坚硬岩石,具有很大的非均质性,内部微观结构可分为晶粒、晶粒边界、晶间胶结物及晶间孔隙,这样的组分和结构将决定花岗岩在热力耦合作用下的流变特性。(2) 热力耦合作用下花岗岩流变现象主要是热力耦合作用下岩体内晶间胶结物及晶粒内部产生的位错及微破裂过程,即温度产生的热破裂和应力产生损伤破裂的复合破裂过程,微观结构上的变化使得标志着热力耦合作用下宏观力学特性的力学参数成为温度的函数。因此,将岩石现象流变学与物理流变学结合起来,提出热力耦合作用下岩石热黏弹塑性流变元件力学元件,在广义西原模型的基础上建立热力耦合作用下花岗岩流变模型,推导出可描述150 MPa及600 ℃以内花岗岩的流变本构方程,用试验结果验证了其适用性和合理性。热力耦合作用下花岗岩流变模型的本构方程的建立为高温岩体地热开发钻井施工及其稳定性研究提供了依据。     

岩体结构面流变特性研究进展

在综述国内外关于岩体流变特性研究现状的基础上,着重探讨了有关岩体流变试验及流变理论中的若干问题,指出岩体结构面的蠕变特性研究对解决岩石力学实际问题具有很重要的意义,最后提出了岩体流变今后研究发展的方向以及可以引进的研究新手段。     

深部软岩隧道施工性态时空效应分析

随着我国交通事业的迅速发展,在深部岩体中修筑隧道工程已必不可少,随之而来的深部岩体所具有的特殊工程地质问题也更加突出。主要对深部软岩隧道工程中施工力学性态和变形时空效应进行三维非线性黏弹性数值模拟,并将计算结果与现场实测数据进行比较验证。研究结果表明,计入围岩流变效应,考虑深部软岩隧道时空效应影响,在作业面影响范围内,开挖面空间效应占主导因素,围岩应力随距作业面距离的加大而逐步释放;在此范围外,软弱岩体流变属性得以充分发挥。通过分析和施工实践证明,对于深埋软岩隧道应尽早施作衬护,以改善承载环范围内围岩受力,减少扰动,提高围岩自承能力;由于软岩流变效应显著,必须适时设置二次衬砌以承受来自围岩的后期流变压力,限制围岩大变形。研究成果丰富了地下工程施工力学理论,可应用于工程实践。     

岩石锚固界面剪切流变试验及模型研究

 大量的试验和工程实践表明：锚固系统的失效多是发生在岩土体和注浆体的锚固界面上。为此开展锚固系统界面力学特性的剪切流变试验,以研究注浆体与岩石交界面的受力机制以及锚杆锚固力在界面剪切流变过程中的变化特征。通过试验表明：在剪切面方向,随着时间的增长,同级剪应力荷载水平下剪切变形有所增加;当剪切应力水平较低时,试样剪切流变表现出初期和稳态流变,当剪切应力值超过某一界限时,剪切流变还表现出加速流变破坏阶段;随着流变时间的增加,锚杆轴向应变值有一定的增加,锚固力呈现缓慢回升的趋势;在此基础上,提出一种基于经验的非线性剪切流变模型,该模型特别考虑法向应力对剪切流变的影响,并将流变模型参数定义成剪应力水平的函数,从而能很好地描述剪切流变的初期、稳态和加速流变整个过程;为进一步验证锚固界面本构模型的正确性,采用此界面流变模型对试样3进行数值仿真的剪切流变试验51 h,计算结果与试验数据非常接近,表明采用此模型是合理而有效的。     

乌鞘岭隧道F7断层施工力学行为研究

结合软岩隧道工程地质和支护特点,对乌鞘岭隧道F7断层软岩施工中的力学性态进行了计算分析.对于施工中出现的软岩挤压大变形问题,从岩体流变学和隧道施工力学的观点与方法出发研究围岩的受力和变形,分析了隧道施工过程的三维时空效应,有机地耦合了作业面的空间效应和软岩时效特性.考虑围岩流变特性,分析了围岩-支护系统变形、受力随时间发展规律,并将计算成果和现场实测数据进行了比较验证,以使力学计算更好地参与到隧道信息化设计和施工中.     

饱和状态下硬岩三轴流变变形与破裂机制研究

利用岩石全自动流变伺服仪对饱和状态下坚硬大理岩和绿片岩进行了三轴压缩流变试验,基于得到的硬岩三轴流变试验结果,研究了硬岩在不同围压作用下的轴向应变以及侧向应变随时间的变化规律,从而为岩石工程流变数值分析时参数的辨识提供了可靠的试验依据。然后研究了硬岩轴向变形与侧向变形之间的关系,探讨了围压与粒径对岩石轴向以及侧向变形特性的影响规律,分析了岩石三轴流变过程中的塑性变形特性,讨论了流变应力水平对岩石侧向-轴向变形特性的影响规律。最后对不同围压作用下岩石流变破裂断口微细观特征进行了分析。     

节理岩体黏弹塑性流变破坏模型研究

 针对岩块与节理面的黏弹塑性流变破坏模型问题开展研究。首先提出流变瞬时强度概念,以此为基础建立岩石和节理面的非线性黏塑性流变破坏模型的一般形式,并以岩石单轴压缩蠕变破坏试验为例,分析模型描述黏塑性变形破坏的特点。然后,建立岩石完整的黏弹塑性流变破坏模型,分析其描述蠕变和松弛的特性;研究参数 对于调节岩石流变破坏过程的作用,显示模型模拟脆性–延性流变破坏的特点。与大理岩单轴压缩蠕变破坏试验进行对比,结果表明提出的模型与试验结果吻合很好,可以很好地反映岩石蠕变破坏过程。进一步对节理面的黏弹塑性流变破坏模型进行讨论,并与灌水泥浆大理岩节理的剪切蠕变试验对比,结果表明模型也能很好地反映节理面蠕变破坏特点。最后,将建立的流变破坏模型应用于大岗山引水隧洞的流变破坏分析,确定其流变破坏过程和流变破坏时间,可为进一步喷锚支护设计提供依据。针对岩石和节理面所建立的黏弹塑性流变破坏模型概念明确,能正确模拟岩石和节理面的流变破坏过程和判断破坏时间,且参数为常规试验所得,将具有良好的应用前景。     

全风化花岗岩流变特性试验研究

全风化花岗岩物理力学性质十分复杂,水稳定性极差,具有明显的软岩流变特征,且具有显著的地区性差异。为掌握贵广线全风化花岗岩的流变特性以便指导工程施工,以东科岭隧道进口全风化花岗岩段为工程背景,现场取样,室内加工成不同含水率的3组试件,进行室内流变试验,采用分级加载,最终得到各试件在不同应力水平下的蠕变曲线。结果表明,各组试件流变特征基本符合Burgus粘弹性模型,加载方法和应力水平对试件的流变参数有影响;随含水率提高试件剪切模量下降,过渡蠕变段变短,蠕变速率加快,中等含水率以下时流变参数变化较小,接近饱和时流变参数变化显著。     

含弱面砂岩非线性黏弹塑性流变模型研究

 利用CSS–3940YJ型岩石剪切流变试验机,对向家坝水电站左岸坝基挤压带含弱面砂岩进行剪切流变试验。试验结果表明：该岩石属于典型的软岩,在恒定剪应力水平下具有显著的亚稳定蠕变特性。在应力达到一定水平时,岩石经过衰减和亚稳定蠕变之后发生加速蠕变破坏。根据含弱面砂岩剪切蠕变特性,对非线性流变元件进行改进,定义其在应力阈值前后分别等同于牛顿黏壶和非线性黏塑性体。将改进的元件与广义Kelvin模型串联,组合成四元件流变模型。该模型可以充分反映岩石亚稳定蠕变和加速蠕变特征,并具有结构简单、参数少的优点。推导四元件流变模型的本构方程,从理论上对岩石非线性蠕变特性进行分析。采用所建立的模型对岩石进行剪切流变力学参数辨识,并研究应力水平超过阈值后的参数辨识方法。通过模型计算结果与试验结果的比较,对提出的非线性黏弹塑性流变模型进行验证,显示所建模型的正确性与合理性。     

超大跨度悬索桥隧道锚承载特性的岩石力学综合研究

 针对四渡河特大桥宜昌岸隧道锚承载特性问题,采用基于岩石力学的综合研究方法,从围岩地质与力学特性、隧道锚1∶12实体模型试验及隧道锚承载特性数值分析等方面,对隧道锚与围岩岩体变形机制、时效特征及超载安全性等方面开展系统研究。结果表明,通过岩石力学试验及基于实体模型试验获得的隧道锚围岩弹塑性及流变参数符合实际;在设计水平下,隧道锚锭围岩变形在mm级水平;隧道锚极限抗拉拔力≥7.6倍设计载荷,满足锚固安全系数＞4.0的设计要求;实桥隧道锚碇的长期安全系数≥2.6。通过工程实际施工过程中的监测实施,对研究成果和结论的合理性进行验证。研究技术路线及成果可供山区类似桥梁建设借鉴。