金川三矿区软岩流变试验研究.pdf

中南大学 硕士学位论文 金川三矿区软岩流变试验研究 姓名汪为巍 申请学位级别硕士 专业采矿工程 指导教师王文星 20060301 中南大学硕十论文摘要 摘要 岩石流变是岩土工程踊岩失稳破坏的重要原因之一。近二十年来，在岩石力学领 域中，对岩石流变的研究引起人们广泛的兴趣。岩体随时『日J 变化的流变力学特性，对 于坚硬完整的岩体或许在大多数情况下可以忽略。但是，位于青藏高原东北缘走廊过 渡带与中朝准地台两大构造单元的复合部位的金川矿地处高应力区，节理裂隙发育， 矿岩破碎，且具有显著流变性。因此，对于会川矿和类似金川矿条件的软弱复杂矿岩 条件的工程建设，只有掌握了岩体的流变特性，爿能对工程进行合理的设计，确保工 程施工安全，减少维护和管理的费用。 本文共分七章，第一章是绪论，说明了进行本次试验研究的目的和意义；第二章 是岩石流交特性研究的发展，阐述了流变学发展的历史，对于岩石流交学的主要理论 和模型进行了比较详尽的描述；第三章是金川三矿区岩石蠕变试验研究，介绍了本次 试验的一些基本情况，该试验在中南大学岩土力学流变试验室进行，采用的是长春朝 阳公司生产的R Y L 一6 0 0 微机控制岩石流变仪，对金川三矿区的五种岩石共1 5 个试样 进行了历时近半年的蠕变试验。这五种岩石类型分剔是A 2 贫矿，二辉橄榄岩，混合 岩，氧化矿，大理岩 蛇纹石化 。为了更好的反映施工过程中岩体所受荷载或围岩应 力随旌工进度或程序逐渐改变的这个事实，本次试验采用分级增量循环加卸载的方式 进行；第四章是试验数据处理与分析，为了真实的反映岩石试件本身的实际力学行为， 在进行数据处理时，考虑了加载历史的影响。同时由于数据量大，所以编制了相关程 序来对数据进行筛选；第五章是蠕变模型分析及参数拟合，经过对蠕变试验数据和蠕 变试验曲线特征的深入分析和研究发现，该矿岩石的蠕变特性可以采用改进的西原正 夫模型进行描述。分析了该模型的特点，并编制了相关试验数据处理程序，对蠕变模 型参数进行了最小二乘拟合，并将所得的理论曲线与实验曲线相比较。结果表明，矿 岩蠕变理论曲线与金川三矿区矿岩蠕变试验曲线基本吻合，该蠕变模型能较好的描述 该矿岩石的蠕变特性；第六章是蠕变破坏机理电镜实验研究，为了对岩样的蠕变破坏 机理进行更加深入的研究，对岩样蠕变试验破坏断口进行了电镜扫描分析，经过对电 镜扫描图像的分析比较，得到了岩石的细观破坏的多种力学机制；第七章是结论。 由于金川矿围岩条件的特殊性，研究金川矿山岩体力学问题，无疑会对金川乃至 我国矿山岩体力学理论的发展与工程经验的积累起到积极的推动和促进作用。 关键词流变模型，蠕变，扫描电镜，断裂机理 中南人学硕{ 论文 A B S T R A C T A B S T R A C T T h er o c kr h e o l o g yi so n eo fi m p o r t a n tr e a s o n st h a tt h er o c km a s sp r o j e c t s l o s et h e i rs t a b i l i t y ．I nt h er e c e n t2 0y e a r s ，i nr o c km e c h a n i c sf i e l d 。t h es t u d y o fr o c kr h e o l o g ya r o u s e st h ep e o p l e ’Sw i d e s p r e a di n t e r e s t ．T h er h e o l o g i c a l m e c h a n i c sc h a r a c t e r i s t i c so f t h er o c ks y s t e ma l o n gw i t hi t Sv a r i a t i o nw i t ht i m e ． m a yb en e g l e c t e df o rh a r da n di n t e g r i t yr o c ki nt h em a j o r i t ys i t u a t i o n ．B u t ， J i n c h u a no r eb o d yi ss i t u a t e da tt h eh i ds t r e s sa r e a , t h e r ea r em a n yi o i n t sa n d c r e v a s s e s ，t h eo r e b e a r i n gr o c k sw e r ec r a s h e d ，a n dt h er o c km a s sr e v e a l e s r e m a r k a b l e r h e o l o g i c a l c h a r a c t e r i s t i c s ．T h e r e f o r e ．t h er o c k p r o j e c t s o f J i n c h n a i lm i n ea n ds i m i l a rm i n e sw i t ht h ew e a kc o m p l e xo r e ．b e a r i n gr o c k s c o n d i t i o n ，C a l lo n l y b e r e a s o n a b l yd e s i g n e d t o g u a r a n t e e t h ep r o j e c t c o n s t r u c t i o ns e c u r i t ya n dt or e d u c e se x p e n s eo fm a i n t a i n a n t ea n dm a n a g e ． T h i sa r t i c l ei sd i v i d e ds e v e nc h a p t e r s ．C h a p t e r1i sa ni n t r o d u c t i o n ， e x p l a i n e dt h eg o a la n dt h es i g n i f i c a n c eo ft h i se x p e r i m e n t a ls t u d y ；C h a p t e r2 e l a b o r a t e dt h eh i s t o r yo fr o c kr h e o l o g i c a lr e s e a r c ha n di t sd e v e l o p m e n t ．i t d e s c r i b e st h em a i nt h e o r ya n dt h em o d e lr e g a r d i n gt h er o c kr h e o l o g y ；C h a p t e r 3i st h er o c kr h e o l o g ye x p e r i m e n t a ls t u d yo f t h et h i r dm i n i n ga r e a so f J i n c h u a n m i n e ，t h et e s ti sp e r f o r m e du s i n gt h eR Y L ．6 0 0m i c r o c o m p u t e rc o n t r o lr o c k r h e o m e t e rw h i c hm a d ei nC h a n g c h u nZ h a o y a n gc o m p a n yi nt h ec e n t r a ls o u t h u n i v e r s i t y , f i v ek i n do fr o c k sa l t o g e t h e r 15s p e c i m e n sh a sb e e nt e s t e df o r n e a r l yh a l fy e a r ．T h e s ef i v ek i n d o fr o c kt y p ei s A 2 l e a no r e ，l h e r z o l i t e ， m i g m a t i t e ，o x i d i z e do r e ，m a r b l e s e r p e n t i n i z a t i o n ．I no r d e rt og e tb e t t e r r e f l e c t i o no ft h ef a c tt h a tt h e1 0 a da n ds t r e s su n d e r t a k e nb yr o c km a s sc h a n g e g r a d u a l l yw i t ht h ec o n s t r u c t i o np r o g r e s so r t h ep r o c e d u r e ，A l lo f t h et e s t sw e r e c a r r i e dO U tb yu s i n gt h ew a yo fs t e pl o a d i n ga n du n l o a d i n gc i r c u l a r l y , t h a ti s t h el o a dw a si n c r e a s e ds t e p l y ．C h a p t e r4i st e n t a t i v ed a t ap r o c e s s i n ga n dt h e a n a l y s i si nw h i c ht h ei n f l u e n c eo fl o a d i n gh i s t o r yW a sc o n s i d e r e dt og e tt h e r e a Ir e f l e c t i o no fa c t u a lm e c h a n i c a lb e h a v i o ro fr o c k ．B e c a u s eo ft h eb i gd a t a ． ap r o g r a mh a sb e e nw r i t t e nt of i l t e rt h ed a t a ；C h a p t e r5i st h er h e o l o g ym o d e l a n a l y s i sa n dt h ep a r a m e t e rf i t t i n g ．F r o ma n a l y s i so fc r e e pt e s td a t aa n dc r e e p c a l v ec h a r a c t e r i s t i c ，i th a sb e e nf o u n dt h a tt h em o d i f i e dX i y u a nm o d e lm a yb e u s e dt od e s c r i b et h eb e h a v i o ro ft h er o c k ．W eh a v ea n a l y z e dt h ec h a r a c t e r i s t i c o f t h i sm o d e l ，a n de s t a b l i s h e dt h ec o r r e l a t i v et e n t a t i v ed a t ad i s p o s a lp r o c e d u r e ， a n do b t a i n e dt h e i rr h e o l o g i c a lp a r a m e t e r sb yu s i n gl e a s t s q u a r e sm e t h o d ． Ⅱ 生童叁堂堕至塞 垒呈 旦坠竺 C o m p a r i n g t h et h e o r e t i c a lc u r v ea n dt h ee x p e r i m e n t a lc u r v e ，w ef o u n dt h a tt h e t h e o r e t i e a ic u l w ea n dt h er e a lc u r v eo ft h er o c k sa r eb a s i c a l l yt h es a m e ．T h e r e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h i sc r e e pm o d e lc a nb et h eg o o dd e s c r i p t i o no f t h e c r e e pc h a r a c t e r i s t i c so ft h eo r er o c ki nJ i n c h u a nm i n e ；C h a p t e r6s t u d i e dt h e s l o wf a i l u r em e c h a n i s mb ye l e c t r o n i cs c a n n i n gm i c r o s c o p es c a nm e t h o d ． F r o mt h es c a n n i n gi m a g ea n a l y s i so ft h er u p t u r ef a c e ，s o m eo f t h ec r e e p b r e a km e c h a n i s mh a sb e e no b t a i n e d ．C h a p t e r7g a v et h ec o n c l u s i o no ft h i s P a p e f ． A sp a r t i c u l a r i t yo ft h ew a l lr o c ki nJ i n c h u a nm i n e ，s t u d i e sw i t ht h e J i n c h u a nm i n er o c km e c h a n i c s ，i ti s n od o u b tt h a tt h ed e v e l o p m e n to f J i n c h u a nm i n ea n de v e nt h er o c km e c h a n i c st h e o r yo fo u rc o u n t r yw i l lb e p r o m o t e d 。 ‘ K E YW O R D S t h e o l o g i c a lm o d e l ，c r e e p ，e l e c t r o ns c a n n i n gm i c r o s c o p e ， f r a c t u r em e c h a n i s m ， I l l 中南人学硕t 沦史第一章绪论 第一章绪论 人类工稃活动主要在地球表面的岩体圈内进行，与岩体的物理力学特性密切 相关。为了更好地利用岩体为人类服务，防止岩体工程灾害的发生，人们从不同 的角度研究和揭露岩体的各种物理力学特性。 流变特性和时效特征足岩石材料的固有力学属性。在边坡、隧洞、基坑、油 井、公路和铁路路基等岩体工程中，有关岩体开挖导致的岩体流变破坏的现象， 有过很多报道1 1 训。近年来，在结合能源开发和环境保护所进行的天然气，液化 气，油料以及核废料地下储藏课题的研究中，将岩石材料在不同荷载水平和不同 温度条件下的长期变形与稳定问题的研究提到了十分紧迫和重要的高度1 5 l 。 由此，在岩体力学领域中，对岩石流变的研究引起人们广泛的兴趣。岩体随 时『B J 变化的力学特性，即流变特性，对于不良地质条件下的岩体工程建设，这个 因素是不能忽略的。在这种情况下，只有掌握了岩体的流变特性，才能做出合理 的岩体工程设计，安全地对岩体工程进行施工和经济地进行维护和管理。因此， 对岩石流变特性的研究具有十分重要的意义。 岩石流变试验研究为期不长，最早的试验为P f h 仃’A d a m s 、N i c o l s o n 于1 9 0 1 年利用灰岩进行静水压作用下的变形与破坏观测，其目的是从地质学角度探讨岩 石的变形与流动性质。其后，由于岩体工程的发展，特别是涉及能源、资源开发 利用的大型岩体工程；某些岩土工程、特别是水利水电工程的失事，地质灾害如 地震、山崩、滑坡的预测预报；核能利用中的放射废料及其它有害的医疗或工业 废弃物的处理以及人类生活圈保护，推动了岩体力学的发展，逐步将岩石长期变 形研究推进到流变学的时效研究。岩体力学研究，随着岩土工程的发展和测试条 件的改善，越来越接近岩石所处的工程地质环境的实际条件。 为了了解现场岩体的流变性质，在国内，以陈宗基教授为首的学者，根据工 程的重要性，注重岩体原位流变试验，从5 0 年代开始，先后在三峡坝址现场、 大冶铁矿矿山高边坡、葛渊坝坝址、金川镍矿地下开采的巷道稳定等重大工程研 究中进行过大尺寸试件的剪切流变和三轴流变试验，推动了岩石流变学向工程应 用方向的发展，并使岩石流变学的基本概念与学术思想，得到更为广泛的传播。 岩石 或岩体 的变形、流动与强度是它们的最明显、也是最重要的基本力 学特性，这些特性与岩石的结构构造状态有关。岩体有两个最基本的特征第一 个基本特征是作为研究对象的岩石通常由多种结晶矿物所组成，其矿物组成和 晶体的粒径千差万别，它们导致岩石力学特性的离散性；岩体被节理、裂隙切割， 中南大学硕十论文第一章绪l 宅 其组成岩块的尺寸为厘米级、米级，甚至更大，如要考虑岩体力学效应的尺寸影 响，则要求的试体尺寸可能栩当丈；岩体的第二个基本特征是，组成地壳的名体 受有多次的、长期的地质构造应力作用，这种长期作用的应力的滞后效应是非常 复杂的，实验表明，岩体内的应力不但在岩体尚未脱离母体 地壳 时存在，即 使脱离了母体而成为孤立岩块也有部分应力残留下来，也就是说，岩石具有封闭 应力 L o c k e dS t r e s s 陈宗基，1 9 8 0 。在力学特性上，岩石在循环加载过程巾 往往出现负变形效应，这种效应也在流变试验中观测到 刘雄，1 9 7 8 1 6 1 ．所以， 从严格意义上考虑，岩石为一种具有封闭应力的不相容的非连续介质，岩石流变 学本质上是一种构造流变学。 岩石试件具有尺寸效应、应力松驰 或变形滞后 时问很长、以及某些岩类 具有相当高的强度的特性，因此，要求试验设备能保持长期，稳定的高载衙输f f 』， 需要特殊的加载装置和测量仪表同时，在试验时问上，不能在短期内取得成果， 因此与其它材料的流变试验相比，如金属、高聚物、土体相比，成果较少，进展 缓慢，使流变理论的研究和工程应用受到很大的限制。显然，要发展岩石流变学， 探讨新的试验理论和方法，是非常重要的一个方面。 为克服这一困难，目前主要在以下方面进行工作 1 ．以B o l t z m a r m 叠加原理为基础导出的积分型蠕变方程和松驰方程表明， 蠕变试验与松驰试验是等价的；用蠕变型试验与松驰型试验均可确定流变模型的 有关流变参数，因此，在试验设备上，主要发展易于制造并能实现载荷控制的岩 石蠕变仪；在测试技术上，由于蠕变试验可直接测定变形，远比松驰试验测定试 件内部应力的变化容易；目静设计的仪器主要是蠕变型的，面很少进行松驰试验。 2 ．研究新的试验方法，如采用以变形叠加原理为基础，利用对单一岩样分 级加载的流变试验方法，即“陈氏加载法’ 陈宗基，1 9 6 5 。由于它能快速而经 济的获得流变试验成果，该方法目前已在国内外广泛采用。 3 ．对某些类型的岩石来说，可利用流变体的时温等效原理，进行控制温度 的蠕变试验，以缩短试验时间；同时也可将不同温度下所作的试验结果，转变为 同一温度条件下不同时间的试验结果作为时间衔接。 4 ．从蠕变试验与松驰试验的等价性，可引伸出两种试验思路若考虑岩石 蠕变试验远较松弛简单，可用蠕变曲线作出相应的松弛曲线；若考虑岩石松弛型 试验所需的时问远较蠕变时问短 一般短1 ～2 个数量级 ，则可先进行松驰试验， 然后用试验成果推断岩石的蠕变特性。 5 ．将有限时『日J 与空『日J 所获得的流变试验成果，作某种预测性的时空延拓， 以扩大试验成果所应用的时问和空问的范围。可供使用的预测原理很多，如灰色 系统分析法即是其中己被证明较为有效的方法【7 J 。 中南人学硕十论文 第一章绪论 岩石流变是岩石地下] ‘程、建筑物或构筑物基础、．i 左坡等产生大变形乃年失 稳的重要原因之一。许多大型岩石工程项目，其服务年限都在几十年甚至上百年 的时间，在工程设计中不仅要考虑施工期的安全，而且要确保在日后长期运营过 程中的安全⋯。开展岩体 石 流变性质及其对工程稳定性的影响研究，具有重要 的理论意义及工程应用价值。 自2 0 世纪3 0 年代以来，国内外在岩石流变特性研究方面已经取得了许多重 要的成果【9 芒”。随着我国土木和水电工程建设向高山峡谷的拓展，岩石工程所面 I 临的地质条件与环境条件也愈来愈复杂，在许多情况下岩石的流变效应将会对工 程设计和施工产生很大影响。 金川有色金属 集团 公司是国内最大的镍生产基地，矿区位于青藏高原东北 缘走廊过渡带与中朝准地台两大构造单元的复合部位，为构造运动强烈的高地应 力区，矿区地层为前震且纪中深度变质岩系，含矿超基性岩侵入大理岩、混合岩、 片麻岩中，形成矿区复杂的岩石组合f 2 8 J 。 金川矿区岩体特性通常表现为碎裂、节理裂隙发育，单块岩石强度较高，但 整体强度却较低。另外，现场监测资料表明1 2 9 - 3 0 1 ，金川矿区地下巷道围岩应力分 布具有显著的时问效应，随着时间推移，围岩应力显示出明显的阶段性，即初始 来压期、应力调整期和平衡期。总体上表现出是来压快、初期压力大，之后为应 力调整期，应力随时间不断增加，但增加速率降低，最后，围岩应力进入平衡期， 持续时间较长。上述特征反映出围岩具有显著的流变性，显示出软岩的特征，因 此有关学者视之为软岩或特殊软岩【3 l I 。 金川镍矿是我国特大型硫化铜镍矿床，其储量丰富、矿体集中居全国之首， 而地质构造发育，矿岩破碎，地应力高，矿岩稳定性差，开采难度居全国之首。 而金川三矿区的地质构造发育更为突出，伴随着频繁的构造变动，大量的岩脉侵 入，致使岩石经受了一次又一次的深化变质，节理发育，岩层产状紊乱，软硬夹 层不均，加之地下水在高压作用下，沿软弱结合面的活动，共同促成了岩矿体不 稳定的因素。矿体及顶底板围岩稳定性比较差，在含矿超基性岩体和围岩中还发 育了较多小型的断裂错动和节理裂隙。其由于围岩流变造成的影响更为严重。 本文通过大量的蠕变试验，对金川软岩的岩石流变的本构规律进行了研究。 为进一步了解岩石的蠕变破坏机理，在蠕变试验研究后，对五种软岩在蠕变破坏 情况下岩石破坏断口进行了微观扫描电镜试验研究，分析了岩石微观破坏形貌特 征和微观破坏力学机制。通过试验研究和理论分析，给出了五种软岩在蠕变受力 情况下岩石破坏的微观破坏机制。 岩石的流变特性是岩石类材料重要的力学特性之一，国内外学者对岩石的流 变模型和流变特性进行了大量的研究【3 2 - 3 7 ] ，在理论与实践上取得了很多研究成 中南人中硕} 论文第一章绪论 果。然而这螳研究的对象主要是针对完整岩石，对于炎似会川特定条件下软弱复 杂矿岩的蠕变特性研究则相对较少。相信本文的研究成果能够在实际的设计施工 和推进岩石的流变理论的发展起到一定的作用。 中南大学硕十论文 第一二章岩石流变特件研究的发展 第二章岩石流变特性研究的发展 2 。1 流变学的发展 “流变”一词来源于希腊语“P eu ”，意为流动。流变学是研究物质在外 力场或其它的物理场作用下，物质的变形和流变的科学。 流变学以研究真实物体的力学性质为基本目的，充分反映力学介质的多样性 及个性，更多地重视探讨力学性态与物质结构之间的关系，即建立所研究的力学 介质的本构方程 C o n s t i t u t i v e ，故在方法论上，以实验研究作为其发展的基础， 推动其在工程领域和学科上的应用，并促使自身理论得以发展”1 。 流变学形成于1 9 世纪3 0 年代，但在公元前1 5 0 0 年，人们对液态介质的流 变性就已经有了肤浅的认识。直到1 6 世纪以前，流变学的发展都十分缓慢。1 6 世纪后，流变学得到快速的发展。继G a l i l e o 提出液体具有内聚粘性概念后， W e b e r 研究抽丝发现弹性后效；1 8 6 5 年，K e l v i n 发现锌具有粘性性质；1 9 6 9 年 M a x w e l l 发现材料可以是弹性的也可以是粘性的；1 8 7 4 年，B o l t z m a n n 发展了线 性粘弹性理论。之后许多国家纷纷开展了对材料流变性的研究，开始建立流变学 会。在第四届国际流变学会议上T r u e s d e l l 介绍了流动和变形的理性力学，为流 变学奠定了严格的理论基础。 流变学的发展同世界经济和工业化进程关系密切，深深的渗透到化学工业、 医学、核工业等诸多行业，形成非常多的新兴学科，例如辐射流变学。在地球科 学中，人们很早就知道时间效应这一重要因素，许多的地质现象如层状岩石的褶 皱、冰川的流动、造山运动等都和流变学密切相关。 流变学研究材料力学性态的时效特征，其主要的研究领域是 I 静态过程中的蠕变与应力松弛； 2 蠕变断裂或蠕变破坏； 3 变形与破坏强度的加载率或应变率效应 4 应力波在固体中的传递特性； 5 疲劳； 6 环境因素对固体长期变形与破坏的影响。 目前，固体流变学的理论发展正在向研究离散介质、非均匀介质以及非相容 介质的流变性方向前进。 } ，南人’≯硕I 沦文 第二串岩IJ 流变特性研究的发展 2 ．2 岩石流变学的发展 岩石是一种地质材料，从唯象学的角度看，它应是一种流变介质p 川。岩石 的流变性足指岩石在外界荷载、温度、辐射等条件下呈现的与时问有关的变形、 流动和破坏等性质，即时间效应。其主要表现在弹性后效、蠕变、松驰、应变率 效应、时效强度和流变损伤断裂等方面i 4 0 J 。 岩石流变学目前主要研究材料的蠕变与松弛以及岩体的蠕变断裂现象，即研 究在不同环境中的岩石的变形与强度的时间效应方法是通过实验与基本理论分 析建立流变模型，并从数学上建立其本构方程。流变本构方程是指在不同物理场 作用下，以应力、应变和时间的物理变量束定量描述所研究的材料状态方程，这 种方稃将由具体材料的本质与结构决定，也称作流变状态方程。流变本构方程应 遵守五个物理学原则坐标变换不变性原则；决定性原则；局部作用原则；客观 性原则作用后效衰减原则。其中坐标变换不变性原则是指所建立的本构关系应 与坐标系的选择无关；决定性原则反应的是现时应力与应变关系和以前的所有作 用史延续至今的影响，即它们的本构关系应由其作用的全部过程所决定；局部作 用原则指介质内质点仅受到无限小的邻域内其它质点从无限久远的过去到现在 的力学影响，而与有限久远的其它质点的影响无关；客观性原则指本构方程必须 不依赖于物体作为一个整体在空I ’日J 所作的平移和转动；作用后效衰减原则，对于 流变介质，其重要特征是现时以I j { 『介质所受到的影响可延续至今，并可继续延续。 但远期的活动经历对现时的影响远比近期的影响要小的多，即这种滞后性的影响 是随时间衰减的。 流变模型分为力学模型和物理模型。力学模型的研究主要是现象学的研究， 主要通过三个基本元件进行组合来建立材料的本构关系，并进行预测。而物理模 型主要从事机制方面的研究，主要研究材料内部的物理化学特性，并研究固体内 部晶体和晶粒边界存在的缺陷在应力和温度或幅射作用下对于材料流变性能的 影响，从固体物理力学的角度建立材料的流变本构关系。 岩石流变是岩土工程围岩变形失稳的重要原因之一。土基变形可延续数十 年；地下隧道在竣工数十年后仍可出现蠕变变形和断裂【4 “，如座落在法国英丹 和巴东纳什之间的弗雷儒斯公路隧道由于页岩流变导致洞壁收敛变形达4 0 0 m m 以上1 4 2 ] ；岩质边坡的蠕变导致破坏1 4 3 删等。当静，由于我国国民经济快速发展 的需要，岩土工程的开挖强度日益增大，施工设计中充分考虑围岩的这种流变效 应尤为重要，举世瞩目的长江三峡工程便是这方面最突出的例子【4 5 I 。由此可见， 开展岩石流变性研究，深入了解岩石流变破坏过程的规律，在矿山、道路交通、 p 南人7 硕士论文 第一章岩0 I 流变犄件研究的发展 水利水电、民用建筑、核能工程等领域的岩土工稃建设中奠柯十分重大的现实意 义。这其中，最基本且最重要的课题是岩石流变的本构规律，即岩石在流变过程 中内部应力一应变一时间三者之『日J 相互关系的状态方程的研究。 2 ．3 材料蠕变全过程曲线及力学特性分析 当作用于材料的应力变化时，材料显示出“瞬间”发生的弹性与塑性两类应 变，紧接着将发生与时间有关的蠕变。下图2 - I 为某种材料受一恒定应力的典型 蠕变曲线图，一般称变形图。 ， 加载图 ” r ￡ ■ ≥．。一 m ，J P 张 鼎翼痊i 函纛艘。永r 应 蠕变变形图恒 图2 - 某种材料受一恒定应力的典型蠕变曲线图 设作用于材料的初始应力为零，当t - - O 时作用有大小为oo 的应力，并一直 延续到卢t B 瞬问全部卸载。如图2 ．1 所示，材料相应的应变一时间曲线表明，材 料受到oo 作用瞬间，材料发生瞬时应变，这一应变由两部分组成，一部分为弹 性应变，它在作用应力完全卸除瞬间f ，可全部恢复；另一部分为塑性应变，它 是与时间无关的变形不可恢复部分，只要第二阶段蠕变速度不为零，真实力学介 质的这一塑性变形部分总是存在的，塑性应变可以由材料的瞬时应变与蠕变过程 中瞬时完全卸载时的瞬时回复弹性应变的差值来确定。由于这类变形是瞬时完成 的，从广义流变学的时间模式作统一考虑，可以认为在1 “ - - 0 时，材料的应变率e 0 一一。随时间t 的延续，在A A ’区域蠕变减速，这一区域叫初始蠕变阶段或 过渡蠕变阶段，意为蠕变速度以一过渡到有限值；若在此一阶段的时间区间任一 点卸载，可发生弹性和粘弹性恢复而只保留瞬塑性变形。A B 区域蠕变速度保持 为常数，叫第二蠕变阶段或稳态蠕变阶段。若在此一阶段A ’B 时间区间的任一 中南大学硕十论文 第二章岩石流变特性研究的发腱 点卸载，则会有较大的永久性的残余变形，残余变形的组成除瞬时塑性变形外， 还有第二蠕变阶段所积累的粘塑性变形。变形到达B 点 即延续到时间t s ，将逐 渐转为加速，到达某一点F ，可能发生突发性的破坏 蠕变断裂 。区域B F 叫第 三蠕变阶段或加速蠕变阶段。 ， 。 并非材料在任何加载条件下均有三个蠕变阶段。材料蠕变属何种情况与作用 应力。的量级有关，而各阶段过渡的时问是十分模糊的，这与所采用的应变测 量方法的精确度有关。如图2 ．2 所示有一组通过单轴压缩获得的石膏蠕变曲线， 每一根曲线代表一种常应力。可以看出，蠕变与所加常应力的大小有很大关系。 在低应力时，蠕变可以渐渐趋于稳定，材料不致破坏；在高应力时，蠕变加速， 引起破坏。应力愈大，蠕变速率愈大，反之愈小，这一现象也说明蠕变试验中的 应力精确控制是很团难的。 石膏蠕变曲线曲线上的数。手表示以M P a 计的单轴向件力[ 格力格斯 G r l g 笋 资料] 图2 - 2 石膏蠕变曲线 2 ．4 岩石流变本构模型 鉴于岩石流变本构模型在岩土工程围岩流变稳定性分析中的重要作用，国内 外岩石力学工作者对其进行了大量的研究，总结起来，大致分为如下几种类型 2 ．4 ．1 元件组合模型和叠层模型 1 ．元件组合模型 早在1 9 4 8 年，以荷兰的G E U Z EE ．C ．W ．A 和我国的陈宗基为代表的岩土力学 专家首先开始了这方面的系统研究，尝试以虎克体 H 、牛顿体 N 、和圣维南体 中南人7 硕I 论文 第一章岩I I 流变犄竹研究的发展 S 三个模型元件组合而成的模型来模拟岩土材料的基本流变行为m 3 。随后，国 外许多学者也相继提出了各自的岩石流变元件组合模型，我国在5 0 年代也开始 了此炎研究，且发端于陈宗基教授为首的试验岩石流变学学派”1 。表2 一l 列出了 国内外有代表性的较著名的组合模型。 表2 - 1 国内外有代表性的较著名的组合模型 流变陵犁力黜所固孺雏拓i 麒 研究昔提出年盼文黻 中村体} Lm I I m粘弹眭中净凹i I i l 觑i中对1 9 4 9[ 4 6 ] ．[ 别 开自坟体K HI I N 糊单眭般新iS a l u s t o w i c zl g j 8 [ 嬲] ．【蚓．豳] 马克脚劫钵I H H 【粘弹性深部营百S M u s t c w l c zl 蛎8m ] ．[ 蝈] t 岫0 a a e t 雨J 伯格斯体胁趣K籼右赌、页氨砂页岩等1 9 6 0[ 蜘．[ 蝴 L i b e r t m n R L V V a 血和 波蔸垂畅姆‘逊体Hl I M粘弹性砂春页氨喷嘴 1 9 6 0 [ 5 0 ] ．[ 5 1 ] L i b e m n n 甜I I S - 1 0 一稍} D糊孰黼软岩曲嗽1 9 6 l【蜘．D 5 0 ] 乱9 N粘籼黼 L o o n e n t 和I t o f e r1 9 6 2 [ 4 6 ] ．[ 4 9 ] ．[ 5 2 ] 黑自赠、大鲤岩j 砂岩 M I I H I I S 耗弹塑性刘訇菊璁眶I 1 9 6 4 [ 5 1 ] 等 H I I N I I S粘籼 邛粥 柿姊赚田 1 9 6 4[ 蜘 H ∑l ‘粘弹眭自若虽粘垲j 獬k 峭1 9 j 6[ 4 6 ] ．[ 4 9 ] k 滞弹洼炭质岩K i d y b i n s k i 1 9 6 9 [ 3 8 3 l 卜 X龇标任咱雠k 岍1 9 田[ 4 6 1 ．[ 4 9 ] 修出瓢自f 删 粘弹牲 煤B o l x u v1 研0[ 嚣3 R H 们S 粘燃 岩体 建曹胡I k 嶝 1 9 7 2[ 蚯] S e h o f i e l d ＆S c o t t I 卜m l I Sl l 砷- s0 吣稿龇岩盐1 钾9[ 翻 b l a i r ⅡK 们l I S 粘魁 地R 眠镯岩石孑j _ 均 1 9 眩[ 毋] 0 10 N l I S ．G I I N 粘魁砂踹赠 马明军 1 9 8 6嘲 K 耗 ⅫI I S ．甜I I S 粘籼㈣t a l g e r 均9 0[ 蚯] m I l 吣．o { IJ N I IS ．稍I I 9 粘塑陛软岩索氏 1 9 9 0嘲 Hm IJ N I IS ．N S粘雠软岩及6 舭黼1 9 9 l嘲 中南人学硕十论文第 二章岩石流变特性研究的发艘 由该表2 - 1 可见，掐述岩石流变的基本组合元件模型可分为四种，即弹粘件 体 M A X W E L L 体 、弹粘塑性体 B I N H A M 体、粘弹性体 K E L V I N 体 和粘弹塑性体。 其它的元件模型大多是它们的变种或组合。采用基本流变元件来建立岩石的流变 模型，一般是首先通过室内蠕变、松弛等试验获得岩石的应力一应变一