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有关当前水环境影响下岩石流变力学的探究

2020-01-08 212 上传者：管理员

摘要：水是影响岩石流变力学性能的一个非常重要的因素。流变性是岩石的重要力学特性之一，本文对近年来国内外学者针对岩石在水环境影响下开展的流变试验和本构模型方面的研究成果进行了阐述，并明确了今后的流变研究方向。

关键词：
岩石
本构模型
流变力学
流变试验
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关于岩石的流变，孙钧（1999）将其定义为岩石（体）在应力、温度、水等因素影响下表现出的与时间有关的变形和流动的规律，主要体现在蠕变、应力松弛、长期强度折减、弹性后效和滞后效应等方面。研究表明，岩石（体）在水环境影响下的流变行为是众多岩体工程失稳的重要原因之一。因此，在隧道、边坡、大坝基础等岩体工程的设计建造过程中，针对其长期稳定性而言工程设计人员不仅仅要考虑在荷载作用下岩石本身的流变性能，还应该考虑地下水对岩体流变过程的影响作用。

1、水环境影响下岩石流变试验研究

近年来，国内外学者关于水环境影响下的岩石流变研究均取得了一定的成果。Lama（1978）通过试验研究表明地下水侵入岩体以后，一方面会使岩体矿物颗粒间的摩擦力和黏聚力减小，另一方面还会改变岩体的微细观结构和矿物组成，使其产生孔隙、溶洞及溶蚀裂隙等，最终引起岩体软化，强度大幅度降低。Wawersik（1972）和Brown（1994）分别针对花岗岩和砂岩两种岩样，通过单轴压缩蠕变试验发现两者的蠕变变形和蠕变速率随着含水量的增高而增大，且饱和试样的稳态蠕变率比干燥试样的稳态蠕变率高大约两个数量级。

朱合华（2002）对隧道凝灰岩分别在干燥和饱和状态下的单轴蠕变试验结果进行了对比，干燥试样和饱和试样的极限蠕变变形量可以相差5~6倍，而且干燥试样在较短时间内就进入稳定蠕变阶段，而饱和试样则需要很长一段时间才进入稳定蠕变阶段。李铀（2003）分别通过对干燥和饱和状态下的花岗岩进行单轴流变试验，发现饱水后岩石的抗压强度和长期强度均明显降低，且蠕变变形量和蠕变速率明显增大。黄小兰（2007）对大庆泥岩进行不同含水率条件下的单轴抗压强度试验和压缩蠕变试验，试验结果指出：泥岩的单轴抗压强度和弹性模量随着含水率的提高显著降低，而泥岩的蠕变变形量和稳态蠕变速率随着含水率的提高显著增加。李鹏（2008）对砂岩的软弱结构面开展剪切蠕变试验，结果表明，随着含水率的提高，软弱结构面的蠕变强度逐渐降低，蠕变变形显著提高，同时软弱结构面达到稳定蠕变的时间也不断提高。李男（2012）分别对干燥和饱水条件下的砂岩开展剪切蠕变试验，研究表明：水能够增大岩石的蠕变变形和蠕变速率，并降低蠕变初始和破坏时的强度值。康文献（2016）分别对干燥和饱和状态下的粉砂质泥岩开展三轴压缩蠕变试验，结果表明：含水率的增加，使得粉砂质泥岩更难稳定下来，岩石的稳态蠕变速率也在显著增大。

综上可以看出，目前流变研究成果比较丰富，然而，大多数研究只考虑干燥和饱和两种状态，通过三轴压缩流变试验开展多种含水率条件下岩石的流变特性研究并不完善。

2、岩石流变本构模型研究

目前，建立岩石流变本构模型的方法主要有两种：经验模型和元件模型。经验模型是指利用经验方程对岩石的蠕变试验曲线进行拟合而建立的模型。Cruden（1987）将岩石蠕变过程分为减速和加速两个阶段，并采用幂函数对每个阶段的蠕变试验数据进行拟合。张学忠（2004）通过开展辉长岩单轴压缩蠕变试验，拟合出其蠕变曲线的经验公式。然而，经验模型只能描述岩石衰减流变阶段和稳态流变阶段，而无法描述加速流变阶段，且难以反映岩石内部的流变机理及特征，因此这种方式目前较少使用。元件模型是根据流变试验曲线将岩石抽象成由一系列弹簧、粘壶及滑块等线性元件，通过串联或者并联这些元件来构建本构模型。著名的模型有Maxwell模型、Kelvin模型、Bingham模型、Burgers模型、理想粘塑性体、西原模型等。这些元件模型同样存在缺陷，它们均是由元件通过线性组合而成的，只能描述岩石的衰减流变和稳态流变，同样无法描述岩石的加速流变。于是，国内外一些学者在此基础之上引入能够描述加速流变特性的非线性元件，从而构建了广义的非线性元件模型。例如早期，国际学者Findley（1976）通过多种流变试验深入研究了非线性粘弹性材料的流变性态，并且推导出材料在不同时刻的非线性流变方程。ChnaKS（1992）、BoidyE（2002）等学者也做了相关研究。

在国内，邓荣贵（2001）在描述岩石减速流变和稳定流变特性的线性元件模型基础之上，引进一种非线性粘滞阻尼器，从而构建了新的能够描述加速流变的非线性流变模型。陈沅江（2003）采用开尔文体描述衰减蠕变特性，用虎克体描述瞬时弹性，同时引进蠕变体和裂隙塑性体两种非线性元件来描述加速蠕变特性，通过串并联组合，建立了新的流变模型。宋勇军（2013）在Burgers流变模型基础上，串联一个非线性粘塑性体，构建了七元件非线性粘弹塑性流变模型，并导出了该流变模型的三维形式。巨能攀（2016）在Burgers模型中提出了一个包含含水率参数的粘弹性模量，并且引入一个非线性黏塑性体，从而构建了考虑含水率影响的改进Burgers蠕变模型。

3、展望

综上所述，关于岩石在水环境影响下的流变研究已经取得了很大的进步，也获得了较多的成果，部分学者也有一定的创新理论。然而，大多数流变试验还是仅仅考虑岩石在单一因素影响下的流变特性，缺乏考虑耦合条件影响下的流变特性研究。因为在实际的岩体工程实践中，岩体的流变行为更多的是在水、地应力、温度等多重复杂环境共同作用下产生的。因此，考虑水-应力-温度等多重因素耦合条件下的流变试验和流变本构模型应该是未来需要深入开展研究的问题。

参考文献：

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