《岩石流变学学习》心得

1、武汉大学土木建筑工程学院岩石流变学学习心得对一种新的岩石非线性流变损伤模型研究一文的学习总结院（系）名称：土木建筑工程学院专业名称：岩土工程学生姓名：*学 号：*课程教师：*0 前言岩石流变力学是研究岩石矿物组构（骨架）随时间不断调整，导致其应力、应变状态亦随时间而持续地增长变化，进而探讨其力学性状和行为的科学。它的基本任务是研究岩石的应力-应变随时间的变化规律，并根据所建立的时效本构法则去解决工程实际中遇到的与流变有关的问题。随着各类岩石工程建设规模的扩大以及对岩石介质与其工程特征认识的深入，在描述和处理岩石材料的时间效应与其流变属性方面沿用弹性或弹塑性理论将存在明显的缺陷和困难。大量的现场

2、量测和室内试验都表明，对于软弱岩石以及含有泥质充填物和夹层破碎带的岩体，其流变属性都是非常显著的。即使是比较坚硬的岩体，由于多组节理或受到发育裂隙的切割，其剪切蠕变也会达到较大的量值。因此，在工程建设中经常会遇到岩体的变形随时间而增长变化。由隧洞围岩变形、围岩与支护共同作用随时间的发展及岩体强度随时间的降低可看出，充分考虑岩石的流变特性，研究产生这些现象的原因及其力学机制，无论对于岩石力学理论研究，还是对于实际岩石工程应用都具有十分重要的意义。岩石流变力学的创立是由材料流变学发展而来的，是材料流变学的一个重要分支。一般认为，1922 年Bingham 出版他的名著流动和塑性和1929 年美国创

3、建流变协会，标志着流变学成为一门独立的学科。在岩土流变学研究方面，我国岩土流变学科的奠基人陈宗基先生(19221991)提出的一系列创造性研究成果，得到了国际流变学界的广泛承认。陈宗基早在20 世纪50 年代就将流变学应用于土力学中，提出了微观流变学基本原理、“粘土结构力学”学说和土的三向固结流变理论。“陈氏粘土卡片结构”学说被挪威学者用电子显微镜的观察所证实，并被写入国外教科书。他发现了粘土存在有三个变形阶段和三个屈服值，建议在工程设计中采用第三屈服值进行土体稳定计算。这一观点已被国际学术界所承认，该屈服值已被称为“陈氏屈服值”。他在土流变学方面的研究方法和许多研究成果也可推广应用于软弱岩体

4、及坚硬岩体中的软弱结构面。在1959 年，陈宗基就把流变理论引入岩石力学，在长江三峡水利枢纽现场平洞围岩中指导进行了流变试验。1961 年，他将岩体流变理论推广到各向异性岩体。1965 年，他根据对节理岩层的试验研究，从理论上解答了层状岩体中隧洞围岩应力分布课题，提出了围岩应力场随时间而变化的概念，并指出当时普遍采用的普氏理论的不合理性。上世纪70年代，他又从岩石微观结构研究出发，考虑岩体的成因和历史，提出了岩体内应力的来源与释放学说，指出天然岩体必然存在位错、裂隙和地应力，从而导致岩体具有流变特性。他还根据实验观察与理论分析，提出了岩石扩容及其本构方程。20世纪80年代，他对新奥法隧道施工进

5、行了创造性的研究，重点涉及到围岩蠕变、扩容和构造应力等课题；进一步发展了流变扩容理论，并用流变学的观点研究了膨胀岩的变形机理和岩石突出等动力学问题；主持设计制造了8000KN伺服控制多功能三轴流变仪和岩石动力三轴流变仪，系统地研究了岩石在脆性范围内确定扩容参数的新方法，分析了与时间有关的扩容过程。陈宗基以岩土流变学的观点，解决了一系列国民经济建设中的重要问题。涉及的主要工程有：长江三峡、葛州坝、雅砻江二滩、沅水五强溪等水利枢纽，南京长江大桥、湖北大冶铁矿、甘肃金川镍矿、辽宁抚顺露天煤矿、甘肃天水麦积山石窟文物保护以及一些大型国防工程。陈宗基在岩土流变学方面撰写了70多篇论文，代表性论文集中反映

6、在陈宗基论文选中。也是在1959年，安欧在论述岩石的应变和断裂与应力的基本关系及其实验证明时也论及蠕变、松弛和弹性后效等概念，并报道了含石英绢云母片岩在高温下的拉伸蠕变试验成果。在20世纪60年代，廖国华和刘宝琛开展了弯曲流变实验和流变理论研究，刘雄等报告了岩石扭转流变仪的研究情况，李四光曾在冰层中发现石英岩、砂岩及石英砂岩卵石有明显的流变变形实例。孙钧总结了自己和本单位二十余年来对岩土材料流变问题的学术与技术研究成果，于1999年发表了关于该子学科领域近120万字的专门论著。此外，几十年来他在岩土流变学方面还先后发表了学术论著60余篇。在岩土流变的学术研究方面，他对流固耦合流变、三维流变、非

7、线性流变、蠕变损伤与断裂，以及流变参数与模型辨识和岩土流变细观力学实验研究等复杂科学问题均有相当的开拓和进取；对岩土流变属性在工程中的应用方面，有如，软基粘土的流变特征、岩土时效强度与稳定性及其在施工过程中地层位移、沉降等随时间的增长变化，节理裂隙发育和软岩洞室施工开挖、围岩支护系统的历时稳定性以及岩质高边坡流变效应等等也都有展开的研究分析，积累有比较丰富和翔实的大量第一手非常规岩土流变实验、测试数据逾万个和一批工程实践应用资料，一些成果多年来已在长江三峡工程、江阴长江大桥、广州虎门大桥和润扬长江大桥等几座特大型公路悬索大桥的锚碇基础工程，以及宝钢三期建设、上海和北京市地下铁道工程以及许多处大

8、型水电站地下厂房与水工隧洞和淮南煤矿井下开采等国家重点建设项目中成功采用。他还在同济大学建设了岩土流变专业实验室。20世纪70年代起，软岩成为我国矿山、交通和水利工程中的突出问题，人们开始关注将岩石流变力学应用到软岩力学和软岩工程的研究中。众多的科技攻关和科学基金项目的开展，使我国的岩石流变力学的研究获得丰硕的成果。这些成果包括：岩石流变实验设备的研制和岩土材料流变试验，室内井巷（隧洞）流变模型（模拟）试验，岩石流变理论和分析计算方法，考虑热能的流变理论，岩石蠕变损伤、断裂的时效特征研究，岩石工程中的岩体流变监测，流变性围岩支护相互作用理论，井巷（隧洞）围岩流变问题解析，岩石工程流变问题的数值

9、方法等等。在我国，岩石流变理论和分析方法在诸如：软岩井巷（隧洞）支护与变形控制、节理裂隙发育的大断面地下厂房洞室工程、大型水利水力高边坡工程以及石油深井工程中近年来都得到了广泛应用，已有相当厚实的实践经验，取得了较好的技术、经济效益和社会效益，使我国的岩石流变力学的研究在国际学术界占有重要的地位。1 岩石流变的力学特性通常都说，软岩和软粘土以及节理裂隙发育的岩体才有明显的流变属性，这话是不全面的。岩土流变的大小，不仅取决于其抗压、抗剪强度，而且还与它所承受的应力水平有关；当应力水平（一般为地应力值）的赋存值较高时，甚至如长江三峡工程那样的闪云斜长花岗岩，沿其节理裂隙软弱结构面和断裂带也会有一定

10、的剪切蠕变，这已由实践所证实。1.1 岩石流变的基本性质岩石的流变力学特性一般包括以下几个方面：(1) 蠕变：在常应力作用下，变形随时间发展增大的过程。(2) 应力松弛：在恒应变水平下，应力随时间衰减直至某一限值的过程。(3) 弹性后效和滞后效应：加载过程中弹性变形随时间的增长称为滞后效应，它也包括在蠕变中；卸载后弹性变形随时间的逐渐恢复称为弹性后效。也可将弹性后效和滞后效应统称为弹性后效。(4) 长期强度：强度随时间延长的降低，即在长期荷载作用下的强度。(5) 流动：随时间延续而发生的塑性变形，反映应变速率随应力的变化。流动分为粘性流动和塑性流动，粘性流动是指微小外力作用下发生的流动，塑性流

11、动是指外力达到某一极限值后才开始的流动。岩石的蠕变可用蠕变方程和蠕变曲线表示。在较高应力水平下，蠕变历程一般可分为（初始/衰减蠕变）、（稳态/等速蠕变）和（加速蠕变）三个阶段。蠕变曲线的性状随着岩石自身的属性、应力状态以及环境条件等的不同，也可分为三种类型：稳定蠕变、亚稳定蠕变和不稳定蠕变。岩石的应力松弛特性也可划分三种类型：立即松弛、完全松弛和不完全松弛。在同一变形条件下，不同岩石具有不同类型的松弛特性。同一岩石，在不同变形条件下也可能表现为不同类型的应力松弛特性。加载后的弹性变形的滞后效应属于蠕变，一般只有在辨识岩石的蠕变模式时才予区分。某岩石在某种应力水平下的蠕变包含滞后效应与否，只有通

12、过卸载后的弹性后效加以验证。在较低应力水平下，卸载后变形也可能不能恢复到零而留有残余应变，此应变系由粘性流动造成。在高应力水平下，卸载后残余应变较大，其中可能包括塑性应变、粘塑性应变、粘性流动和塑性流动。岩石的屈服极限（强度）随时间的延长而衰减，这已为众多实验室和现场试验所证实。岩石长期强度的确定方法有多种，可以在岩石蠕变试验中将稳定蠕变速度为零时的最大荷载值定为岩石的长期强度；或者在蠕变曲线族中选取各曲线上骤然上升的拐点作为流动极限，相应地找到经历各时间后的流动极限值，从而得到流动极限的衰减曲线。当流动极限不再随时间的增长而降低时，即为岩石的长期强度。1.2 节理岩体的流变节理裂隙岩体的流变

13、也和节理裂隙岩体的瞬时变形一样，主要受节理性状（节理空间位置、节理厚度、贯通程度、有无充填物及充填物属性）的影响、制约和控制，呈现比较明显的各向异性性态。闭合节理岩体受法向压应力作用时，岩体的压缩蠕变变形较小，长期强度较高。节理岩体在受较高剪切应力作用时，节理剪切蠕变相对于时间和应力的非线性特性明显，蠕变变形较大，呈现强烈的流动特征，长期强度较低。1.3 岩体损伤、断裂的时效特性从微观、细观到宏观的角度研究，节理裂隙岩体的变形和破坏不仅受自身的性状和所处环境影响，而且是其内部原（初）始细微观缺陷（微裂隙）、宏观缺陷（裂隙或结构面）的演化、发展和贯通的结果。几乎所有的工程岩体破坏失稳都不是一开始

14、就出现的，一般是在岩体工程建设和运营过程中，岩体变形在某些结构面或其间的薄弱部位随时间增长发展；或者因水文地质、工程地质条件逐渐恶化，致使岩体中内在裂纹（裂隙）随时间不断蠕变、演化，进而产生宏观断裂扩展，最终导致岩体由局部破坏发展到整体失稳。这就是岩体损伤、断裂的时效特性。可以借鉴多晶材料扩散断裂机制研究岩体损伤和断裂的时效特征43。如多晶材料蠕变时扩散机制所控制的微孔或微裂隙聚集成核并继续发展成长，将导致亚微观裂纹的形成，并最终导致断裂。材料内的微孔可由于空位扩散而成核，并最后聚集而成为断裂轨迹，这一过程确定了蠕变断裂的时间。也可以借鉴固体力学中的损伤和断裂理论研究岩体在变形破坏过程中初始细

15、观缺陷与初始宏观缺陷的演化发展。这种演化发展虽然也存在着阶段性，但不具备明确界限：在宏观裂纹的扩展阶段，细观裂纹仍在不断增长和发展，尤其在宏观扩展裂纹端部附近。将岩体中业已存在的各种节理裂隙视为分布缺陷（损伤），而这种损伤的尺度可从微、细观到宏观变化。岩体损伤与断裂的概念还具有明显的相对性，同样尺度的节理裂隙，因研究尺度的不同可以表现为奇异缺陷（断裂），也可以表现为分布缺陷（损伤）。研究表明，节理岩体的破坏是一个渐进过程，节理岩体的力学性能以及在荷载或环境条件下的破坏都具有显著的时效特征。岩体由局部破坏到总体失稳是损伤累积和断裂发展的过程，岩体在蠕变时效条件下的渐近破坏也是起源于其损伤随时间的

16、逐渐累积，并伴随有宏观主裂纹的蠕变时效扩展。根据单裂隙岩体中蠕变裂纹扩展模型，能估算裂纹扩展前的孕育时间和随后裂纹扩展到最大的可容许值的时间，这些计算结果对预言有缺陷的结构物的寿命都很有用。1.4 岩石流变的温度效应温度不仅对岩石的瞬时变形和强度特性而且对岩石的流变特性有很大的影响。一般地说，当岩石所受荷载恒定时，随着温度的增长，在蠕变时间相同的条件下，蠕变变形也增大。对不同的岩石，温度对流变的影响程度差别很大11,45。盐岩试件在同一应力水平下（如 =10MPa），试验温度从50升高到250，蠕变速率提高6个数量级。1.5 岩石的膨胀和流变岩石的膨胀和流变是指两个方面的现象：岩石蠕变过程伴随

17、的侧向蠕变与岩石膨胀效应；含有高岭石、蒙脱石和伊利石的岩石的吸水膨胀变形随时间的增长。在蠕变试验时，轴向蠕变通常伴随有侧向蠕变。岩石的轴向蠕变和侧向蠕变属于同一种类型曲线。在低应力作用下，侧向蠕变很小；当荷载超过某一量值（比如三轴条件下作用应力差的大小达到岩石瞬时抗压强度的1/3到2/3，单轴条件下应力达到岩石瞬时抗压强度的50% 70%）时，岩石体积由压缩转为膨胀（扩容）；当应力接近岩石强度时，侧向蠕变速率远较轴向蠕变速率大16。此时，岩体处于塑性流变，并可能导致破坏。含有高岭石、蒙脱石和伊利石的岩石的吸水膨胀变形随时间的增长虽然不属于蠕变，机理也不相同，但其现象却与蠕变相似，膨胀应变与时间

18、的关系曲线与蠕变曲线相似。很多岩体的膨胀既包含塑性流变时的膨胀，也包含物理化学作用的膨胀。实际岩石工程中岩体的膨胀变形与流变（蠕变）变形或膨胀压力与流变压力往往难以严格区分。应当指出，地下水、施工水的渗透作用不但会使膨胀岩石发生膨胀，还会在岩石中产生渗透压力。2 文章简介该文由江苏省中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室杨圣奇和徐鹏两人编写，发表于岩土工程学报第36卷第10期（1845-1855）。文章认为，传统的岩石流变模型不能很好地描述流变过程中的加速流变阶段，故通过分析流变过程中微裂纹的压闭合扩展过程，将损伤力学引入流变模型中，采用Kachanov提出的损伤律，将岩石流变过程分

19、为阶段一（衰减、稳态蠕变阶段）和阶段二（加速蠕变阶段）两个部分，推导了岩石在两阶段中损伤演变方程，通过参数敏感性分析发现应力水平的大小对损伤演变过程有较大影响。结合有效应力观点建立了岩石非线性损伤流变模型，该模型能较好的描述岩石的衰减、稳态和加速流变阶段，同时简要分析了模型的松弛特性。采用该岩石非线性损伤流变模型对泥岩在围压为5MPa与轴向偏应力水平为43MPa的蠕变实验结果进行了模拟，验证了损伤流变模型的合理性，保持其他参数不变，更改应力水平的大小，得到不同应力水平的非线性损伤蠕变模型曲线，并与实验结果进行了比较。3 文章的研究目的岩石流变是岩石工程围岩变形是问的重要原因之一，研究岩石的流变

20、特性对于保障重大岩石工程的长期稳定与安全运营具有重要的理论意义与实践价值。通常而言，建立流变本构模型的方法主要有两种：一种是通过岩体或岩石的流变实验，直接将岩石流变实验曲线用经验方程来拟合，这种方法拟合效果较好，但模型的物理意义并不明确；或者根据流变实验结果，通过采用传统模型元件串并联而成，然后通过对元件模型进行辨识以及参数反演法等，确定出待定的流变模型元件参数。陶波等对西原模型的适应性进行了研究，给出了模型参数的确定方法，夏才初等提出了同时包含黏弹性、黏塑性、黏性和黏弹塑性4种基本流变力学性态的统一流变力学模型，给出了模型辨识方法，尽管如此，由于传统流变模型是由线性元件组合而成的，因此，无论

21、模型中元件有多少，模型多么复杂，最终模型只能反映线粘弹性的特征，不能描述加速流变阶段，因此越来越多的非线性流变模型被提出。邓贵荣等提出一种非线性粘滞阻尼器，该阻尼器所受应力与其蠕变速度大小成正比，用该模型描述加速流变阶段取得了较好效果；宋勇军等提出了一种含分数阶的软体元件FC元件，来反映掩饰的粘弹性质；张圣奇等通过假定岩石非线性剪切流变模型是时间的Weibull分布函数，提出一个性的非线性流变元件NRC模型，并与时间函数结合来描述加速流变阶段；杨圣奇等考虑剪切流变试验中粘聚力和内摩擦系数的非线性粘塑性体（FC-NVPB），并据此提出了非线性粘弹塑性模型，取得了较好效果；张治亮等对徐卫亚等提出的

22、NRC模型进行改进，与传统Kelvin模型结合组成四元件非线性粘弹塑性流变模型。另一种是采用内时理论，断裂力学以及损伤力学理论来建立岩石流变本构模型，根据这种方法建立的流变本构模型能较好的描述岩石的加速流变阶段。秦跃平等在两条基本假定的基础上改进了Kachanov提出的蠕变损伤模型，推导了适用于任何应变不减小的加载和卸载过程的损伤演化统一微分方程；朱昌星等在非线性粘弹塑性流变模型的基础上，根据时效损伤加速门槛值得特点，建立了非线性入编损伤模型；徐卫亚等通过对绿片岩全程蠕变曲线的分析，定义了绿片岩入编损伤变量随时间变化的分段函数，认为蠕变损伤仅出现在加速流变阶段，将损伤变量引入广义Bingham

23、模型得到绿片岩的蠕变损伤本构模型；朱杰兵等、黄耀英等将岩石的蠕变损伤变量假定为负值书函数形式，采用损伤Burgers模型来描述掩饰的蠕变特性；流桃根等将Kachanov提出的蠕变损伤模型改进为分段函数，用于描述加速流变阶段；张耀平等在传统的Burgers模型基础上引入软化函数和硬化函数，建立了一个统一的非线性蠕变方程。Kachanov提出的蠕变损伤模型能反映岩石蠕变损伤的稳态、加速蠕变阶段，但不能反映衰减蠕变阶段特性，实质上，衰减蠕变阶段的蠕变特性是由于损伤的不断增加，有效应力随之增大，从而使应变速率不断增加的结果，而传统的模型流变方程只能描述衰减和稳态蠕变阶段，无法较好的描述加速里边阶段。在

24、加速流变阶段引入蠕变损伤能较好的完整描述岩石的流变过程，因此该文将损伤力学引入岩石流变模型中，通过探究岩石流变过程中损伤变量的变化，得到岩石的统一损伤流变模型，该模型能够较好的描述不同应力水平下岩石的衰减、稳态和加速流变特性。4 文章所采用的研究方法该文的研究方法主要为采用理论推导加试验验证的研究方法进行研究。理论推导方面主要是对损伤变量的提出以及将损伤变量引入至岩石蠕变过中。岩体是基于孔隙基质并含有多节理、多裂隙的非连续体，孙钧等通过观察单轴和三轴压缩蠕变实验的结果，认为低应力水平下岩石的蠕变变形主要由戒指的挤密压实、原始裂纹的压闭等引起，随时间增长几乎没有任何新的细观损伤产生，较高水平的持

25、续应力作用下，岩石的细观组构随时间不断变化，不仅表现在蠕变变形过程中大量细观裂纹的产生和扩展，而且可以逐渐形成习惯住裂纹并持续发展。文章中引入损伤变量D来描述岩石的裂扩展及损伤变化情况。由于原岩中含有不同尺度的厨师裂隙和损伤，可以认为，在不同的应力水平下，岩石在加在瞬间产生的损伤变量初始值不为零，即在t=0时，D不等于零。在岩石蠕变过程中，应力作用下微裂纹的产生和发展会引起损伤变量的增加，反过来，在较底应力作用下，岩石的挤密压式、原始裂纹的压闭可以使损伤变量的值逐渐减小。通过分析岩石的流变实验曲线，根据岩石的应变变化率以及岩石的损伤变量随时间的变化规律可以将岩石流变曲线分为两个阶段。阶段一即衰

26、减、稳态蠕变阶段，在阶段一中，岩石应变变化率随时间逐渐减小，岩石内部发生挤密压实，原始裂纹压缩闭合，损伤变量减小；阶段二即加速蠕变阶段，在阶段二中，岩石应变变化率随时间逐渐增大，岩石内部的初始裂隙已经基本压缩闭合，新的裂纹或损伤随时间逐渐产生，因此损伤变量逐渐变大。因此，对两个阶段分别建立损伤演化方程，即衰减与稳态蠕变过程中的损伤演化方程和加速蠕变过程中的损伤演化方程。在两种损伤演化方程的基础上，建立了非线性流变损伤模型，包括衰减与稳态过程中的损伤模型和加速蠕变过程中的损伤模型。为验证文章中提出的岩石损伤非线性流变模型的正确性和合理性，作者采用泥岩三轴压缩蠕变实验结果来对其进行验证，其中泥岩岩样围压为5MPa、偏应力水平为43MPa时，其流变全程曲线具有明显的衰减、稳态和加速蠕变阶段。根据泥岩的三轴压缩蠕变实验结果，采用文章前面提出的非线性流变损伤模型进行拟合，为了减少因模型参数过多而带来的拟合误差，文章中取m=n。拟合结果表明，在模型破坏时间为37.27h时，与实验所得的破坏事件相比略大，作者分析这是由于岩石在加速阶段最后部分发生了脆性破坏，缩短了试样的破坏时间。拟合曲