硬巖流變點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本流變變形是巖石的基本力學特性，許多人工邊坡和自然斜坡破壞失穩(wěn)，巖體工程失效或破壞，都與巖石的流變變形有關，地殼孕震和斷裂過程也與巖石流變具有一定關系，大型巖體工程項目可行性論證都需要對巖石的流變特性進行研究。巖石流變模型是巖石流變力學理論研究中重要的組成部分。巖石流變模型理論至今還不很成熟，許多重大巖石工程均為巖石流變模型理論的研究帶來了嚴峻的挑戰(zhàn)。當前巖石流變模型理論尤其是能反映巖石加速流變特性的模型理論仍是巖石流變力學研究中的熱點和難點問題之一。然而由于巖石流變試驗設備的限制，對巖石流變模型理論仍有許多值得探討的地方。重大巖體工程建設均迫切需要了解巖石流變特性，以促進工程建設的順利進行，并確保巖體工程在長期運營過程中的安全與穩(wěn)定性，這就需要對巖石流變模型理論進行進一步的深入研究。點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本目前建立巖石非線性流變模型的方法主要有如下兩種：一是采用非線性流變元件代替常規(guī)的線性流變元件，建立熊夠描述巖石加速流變階段的流變本構模型；二是采用內時理論、損傷斷裂力學等新的理論，建立巖石流變本構模型。這兩種方法建立的流變本構模型均能較好地描述巖石的加速流變階段。點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本近年來，巖石力學中發(fā)展了一些非線性流變模型理論，較有代表性的有：韋立德等根據(jù)巖石黏聚力在流變中的作用提出了一個新的SO非線性元件模型，建立了新的一維黏彈塑性本構模型；金豐年和浦奎英基于試驗結果，結合傳統(tǒng)線性黏彈性模型的分析，提出了非線性黏彈性模型；鄧榮貴等根據(jù)巖石加速蠕變階段的力學特性，提出了一種非牛頓流體黏滯阻尼元件，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)模型結合，構成了新的綜合流變力學模型；曹樹剛等采用非牛頓體黏性元件構成五元件的改進西原正夫模型，探討了與時間有關的軟巖一維和三維本構方程和蠕變方程；陳沅江等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時彈性的虎克體相結合，建立了一種可描述軟巖的新的復合流變力學模型；張向東等基于泥巖的三軸蠕變試驗結果，建立了泥巖的非線性蠕變方程，并以此分析了圍巖的應力場和位移場；王來貴等以曹樹剛等改進的西原正夫模型為基礎，利用巖石全程應力-應變曲線與蠕變方程中參數(shù)的對應關系，建立了參數(shù)非線性蠕變模型。點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本由于巖石非線性流變元件模型有助于從概念上認識變形的彈性分量和塑性分量，且表達式通常能直接描述蠕變與松弛，所以許多巖石力學研究工作者用非線性流變元件模型來解釋巖石的各種力學特性。當前巖石非線性流變元件模型仍是目前巖石流變力學理論研究中的一個重要課題。點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本幾種流變模型點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本韋立德提出的一維粘彈塑性本構模型該模型能描述軟巖的多種形式的蠕變，其在恒定應力0σ=σ作用下的蠕變狀態(tài)方程式（1），（2）得點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本韋立德提出的一維粘彈塑性本構模型圖1巖石在恒定應力作用下的理想蠕變曲線圖2SO元件及其應力應變關系點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本韋立德提出的一維粘彈塑性本構模型韋立德經(jīng)過長時間研究流變現(xiàn)象后發(fā)現(xiàn)，一種巖石產(chǎn)生流變能力主要由巖石的凝聚力C決定，粘性系數(shù)η隨凝聚力的增大而增大；不可恢復的永久的粘塑性變形主要由顆粒間的滑動距離決定。韋立德在這兩個發(fā)現(xiàn)基礎上提出了以下粘彈塑性本構模型。假設：（1）巖石流變過程中瞬時產(chǎn)生的彈性應變由巖石顆粒間擠壓產(chǎn)生的相對位移而得；（2）蠕變應變因顆粒間剪切作用發(fā)生的位移而得，力由顆粒間凝聚力和剪切摩擦力共同承擔；（3）因存在顆粒間凝聚力而存在流變特性粘性系數(shù)的失效率隨流變應變呈均勻概率分布；（4）顆粒間的摩擦力和應變關系在流變應變比較小時是彈性關系，在應變超過某一量值后顆粒間發(fā)生滑動摩擦，因此，可以用一個彈性元件和一個塑性元件串聯(lián)所成的馬克斯韋爾模型描述；（5）顆粒間的凝聚力和應變關系可以用一個粘性元件和一個SO元件并聯(lián)構成的模型描述。則可得到如圖3所示的巖石粘彈塑性本構模型。點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本韋立德提出的一維粘彈塑性本構模型圖3粘彈塑性模型點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本韋立德提出的一維粘彈塑性本構模型

點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本金豐年和浦奎英提出的非線性黏彈性模型

點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本金豐年和浦奎英提出的非線性黏彈性模型

定應變速度試驗點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本金豐年和浦奎英提出的非線性黏彈性模型

定應變速度試驗點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本金豐年和浦奎英提出的非線性黏彈性模型定應變速度試驗圖4不同m值情況下的應力-應變曲線圖5不同應變速度下的應力-應變曲線點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本金豐年和浦奎英提出的非線性黏彈性模型蠕變試驗

點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本金豐年和浦奎英提出的非線性黏彈性模型蠕變試驗圖6不同m值情況下的蠕變曲線點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本鄧榮貴等提出的一種非牛頓流體黏滯阻尼元件根據(jù)巖石的蠕變試驗資料可知，當巖石進入加速蠕變階段時，蠕變速率隨應力和時間的增加而逐漸變大。傳統(tǒng)的流變模型之所以不能描述巖石加速蠕變階段，原因在于將巖石流變視為理想的牛頓流體。實際上，巖石的流變不僅具有普通流體的特性，由于其結構的特殊性，還具有非牛頓流體的特性。因此，不妨引進一種如圖7所示的非線性粘滯阻尼器，該粘滯阻尼器所受應力與其蠕變加速度大小成正比，即圖7非線性粘滯阻尼器點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本鄧榮貴等提出的一種非牛頓流體黏滯阻尼元件

點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本曹樹剛等采用非牛頓體黏性元件構成五元件的改進西原正夫模型利用流變學中的基本模型。通過組合可以得到很多模型來描述巖土的流變特性．但它們絕大多數(shù)只能描述衰減蠕變．而無法描述非衰減蠕變。由巖石的全應力-應變曲線知．受力以后，巖石最初發(fā)生裂隙閉合及彈性變形；隨著應力增加，叉產(chǎn)生新的裂隙．并且裂隙越來越多．不斷擴展，巖體最終發(fā)生破壞。因此．可以看作巖石的粘滯系數(shù)在開始隨裂隙的閉合逐漸增大，很快達到最大值：隨著裂隙的擴展，其粘滯系數(shù)逐漸變小．當巖石因裂隙擴展發(fā)生破壞時．其粘滯系數(shù)達到最小值。所以，巖石的粘滯系數(shù)是先增大，后減小。不過。因為彈性變形過程和裂隙閉合過程很短，因此，其粘滯系數(shù)的變化過程也很短暫。點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本曹樹剛等采用非牛頓體黏性元件構成五元件的改進西原正夫模型

點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本曹樹剛等采用非牛頓體黏性元件構成五元件的改進西原正夫模型

點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本曹樹剛等采用非牛頓體黏性元件構成五元件的改進西原正夫模型

點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本曹樹剛等采用非牛頓體黏性元件構成五元件的改進西原正夫模型圖8改進的西原正夫體模型及其蠕變曲線點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本陳沅江等提出的蠕變體和裂隙塑性體兩種非線性元件

蠕變體點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本陳沅江等提出的蠕變體和裂隙塑性體兩種非線性元件

蠕變體點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本陳沅江等提出的蠕變體和裂隙塑性體兩種非線性元件

蠕變體圖10軟巖的復合流變模型點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本陳沅江等提出的蠕變體和裂隙塑性體兩種非線性元件蠕變體(a)蠕變體(b)蠕變曲線圖9蠕變體及其蠕變曲線點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本陳沅江等提出的蠕變體和裂隙塑性體兩種非線性元件裂隙塑性體由于巖石中存在大量微觀裂隙，故其在一定大小的外界荷載作用的初期會有一個裂隙有限壓密閉合階段，這種微觀裂隙的壓密閉合在宏觀上將表現(xiàn)為巖石的瞬時塑性變形。對頁巖的蠕變試驗發(fā)現(xiàn)：在荷載增長到某一水平時，巖石中因微裂隙壓密閉合而導致的瞬時塑性變形開始明顯產(chǎn)生，此后，隨應力的增加而有限增加。也就是說，巖石受載瞬時因微裂隙的壓密閉合而表現(xiàn)出塑性變形存在一門檻應力值。當外界荷載水平低于該門檻值時，巖石裂隙的壓密閉合效應甚微，可以認為，其表現(xiàn)的宏觀塑性變形沒有產(chǎn)生，反之則反。不同巖性的巖石該門檻值的大小是不一樣的，如對硬巖來說，該值可能較大，故在通常的荷載水平下其只表現(xiàn)彈性變形；而對于軟巖，該值較低，裂隙的壓密閉合效應在較低的應力水平下便表現(xiàn)明顯，砂質頁巖在應力低于其長期強度時，其彈性應變和塑性應變之比可達7:1～4:1。點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本陳沅江等提出的蠕變體和裂隙塑性體兩種非線性元件裂隙塑性體

點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本陳沅江等提出的蠕變體和裂隙塑性體兩種非線性元件裂隙塑性體

點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本陳沅江等提出的蠕變體和裂隙塑性體兩種非線性元件裂隙塑性體圖11由雙回旋懸臂粱抽象成的裂隙塑性體及其本構曲線點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本幾個流變實驗點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本大別山超高壓榴輝巖流變強度實驗材料和程序

點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本大別山超高壓榴輝巖流變強度點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本大別山超高壓榴輝巖流變強度實驗材料和程序

點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本大別山超高壓榴輝巖流變強度實驗材料和程序圖12高壓實驗樣品裝置點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本大別山超高壓榴輝巖流變強度實驗材料和程序圖13實驗原始榴輝巖(a)和實驗變形榴輝巖(b)的顯微構造比較點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本大別山超高壓榴輝巖流變強度實驗結果

點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本大別山超高壓榴輝巖流變強度實驗結果

點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本大別山超高壓榴輝巖流變強度實驗結果

點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本大別山超高壓榴輝巖流變強度實驗結果從圖14c實驗力學資料求得活化能(Q)為480kJ/mol(圖14d).榴輝巖高溫高壓流變學實驗條件和力學強度資料見表2.為了查明組成榴輝巖主要礦物(石榴石和綠輝石)體積分數(shù)比例不同對榴輝巖流變的影響,在溫度1500K,圍壓3.0GPa,應變速率4.6×10-4s-1條件下分別對榴輝巖(石榴石(50%)、綠輝石(40%)、石英(10%)),石榴石巖(石榴石(90%)、綠輝石和石英(10%))和綠輝石巖(綠輝石(90%)、石榴石和石英(10%))進行流變強度比較實驗(圖15).石榴石巖流變強度是榴輝巖流變強度的兩倍,是綠輝石巖流變強度的4倍.在同樣變形條件下含0.3%水濕榴輝巖的流變強度是干榴輝巖流變強度的二分之一.點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本大別山超高壓榴輝巖流變強度實驗結果圖14榴輝巖高溫蠕變力學資料(圍壓3.0GPa)點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本大別山超高壓榴輝巖流變強度實驗結果點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本錦屏一級水電站壩基綠片巖的流變力學特性巖性特征

圖16綠片巖微觀結構示意圖點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本錦屏一級水電站壩基綠片巖的流變力學特性試驗裝置

圖16巖石流變伺服儀自平衡三軸壓力室系統(tǒng)點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本錦屏一級水電站壩基綠片巖的流變力學特性試驗條件三軸流變試驗類型為等圍壓三軸壓縮試驗，采用分級加載試驗方法，軸向加載應力水平取5-8級。試驗前對綠片巖進行了常規(guī)三軸壓縮試驗，獲得綠片巖三軸壓縮瞬時強度，再根據(jù)該瞬時強度，確定出每級圍壓下綠片巖三軸流變分級加載試驗的應力水平。三軸流變試驗在具有恒溫和恒濕條件的蠕變專用實驗室，室內溫度始終控制在(20±0.3)℃。采用在巖樣表面粘貼應變片來測量巖石軸向變形和側向變形。為了防止巖樣的非均勻變形破壞和各向異性對流變試驗結果的影響，分別在巖樣中部沿不同方位粘貼了4個應變片，如圖17所示。圖17巖石軸向和側向應變片粘貼方式點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本錦屏一級水電站壩基綠片巖的流變力學特性試驗程序

點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本錦屏一級水電站壩基綠片巖的流變力學特性變試驗結果分析在不同圍壓作用下，綠片巖典型的流變試驗結果如圖18和圖19所示。以下基于三軸流變試驗曲線，分析不同應力狀態(tài)下綠片巖的軸向應變和側向應變隨時間變化的規(guī)律以及軸向和側向流變速率隨時間的變化規(guī)律。圖18不同圍壓下綠片巖軸向應變與時問的關系圖19不同圍壓下綠片巖側向應變與時間的關系點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本錦屏一級水電站壩基綠片巖的流變力學特性軸向應變規(guī)律

點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本錦屏一級水電站壩基綠片巖的流變力學特性軸向應變規(guī)律

點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本錦屏一級水電站壩基綠片巖的流變力學特性側向應變規(guī)律

點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本錦屏一級水電站壩基綠片巖的流變力學特性側向應變規(guī)律表2為同等應力水平條件下圍壓5MPa和15MPa平均側向流變變形量的對比情況。由表2可知，圍壓對側向流變變形亦存在很大的影響。但圍壓與側向流變變形量之問沒有明確關系。點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本錦屏一級水電站壩基綠片巖的流變力學特性流變對應力-應變曲線的影響在圍壓作用下綠片巖流變對應力．應變曲線典型的影響規(guī)律如圖20所示。圖20中與應變軸近乎平行的曲線為流變變形，其它為壓縮變形。顯然，在應力水平較低時巖樣沒有流變變形，但在較大應力時，巖樣流變變形顯著，這與前述軸向應變以及側向應變與時間關系的分析結論完全吻合.圖20流變對應力．應變曲線典型的影響規(guī)律點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本錦屏一級水電站壩基綠片巖的流變力學特性流變對應力-應變曲線的影響由圖20可見，應力-軸向應變以及應力．側向應變曲線可以劃分為4個階段：OA段(裂隙壓密)：由于巖石經(jīng)歷了漫長的成巖和改造歷史，并賦存在一定的地質和應力環(huán)境中，因而巖石材料內部存在裂紋、孔隙、位錯以及節(jié)理等初始損傷，而巖性不同的巖石，其初始損傷亦存在很大差異。對于綠片巖而言，明顯存在裂隙壓密階段，應力．應變曲線呈上凹型，與軸向應變相比而言，側向應變較小，但增加的速率較快。AB段(彈性變形)：荷載作用下巖石發(fā)生彈性變形，軸向應變和側向應變曲線均為直線型，但線性并不意味著彈性。本階段內盡管受到流變的作用，但巖石整體變形基本不受流變的影響，在某一應力水平下，對巖樣進行流變試驗后，再繼續(xù)加載，曲線基本上仍沿原來的應力路徑繼續(xù)發(fā)展，這與低應力水平作用時的巖石疲勞試驗相類似，流變試驗對巖石整體彈性變形特性不構成明顯的損傷。這表明，低應力水平作用下巖石材料僅存在原有裂隙壓密以及孔洞閉合等局部結構的調整，隨時間的增長，幾乎沒有任何新的細觀損傷產(chǎn)生。點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本錦屏一級水電站壩基綠片巖的流變力學特性流變對應力-應變曲線的影響B(tài)C段(裂隙擴展)：荷載作用下，巖樣內微裂隙開始發(fā)展，本階段曲線偏離直線，材料出現(xiàn)不可逆非線性變形，由于受到流變效應長期積累作用，巖石承載結構逐漸弱化，材料塑性變形增加，因而經(jīng)過流變作用以后，曲線不能再沿原來路徑繼續(xù)擴展，而是發(fā)生偏離應力軸更大的非線性變形。這表明在較高應力水平時，巖石組構開始隨時問不斷變化，在流變過程中有大量細觀裂紋產(chǎn)生與擴展，并逐步形成細觀主裂面，巖石與周圍介質變形不協(xié)調并出現(xiàn)許多分支細觀裂紋，從而使得塑性變形增大。CD段(宏觀破裂)：巖石中微裂隙的進一步擴展，裂隙在試樣某部位加密及橋接，從而形成宏觀裂紋，而宏觀裂紋又通過裂紋的階梯狀連接，形成具有強烈應變集中的裂隙帶，且不斷向試樣端部延伸，直至試樣破裂，此階段比不涉及流變作用的應力一軸向應變以及應力．側向應變曲線變化更快，變形幾乎以與應變軸相平行的趨勢迅速擴展。該階段內流變損傷累積和細觀主裂紋迅速擴展演化，從而使得流變破裂具有突變性和分叉特點。點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本錦屏一級水電站壩基綠片巖的流變力學特性流變速率規(guī)律計算圖18和圖19中綠片巖流變曲線對應的各時刻的斜率，就可以得到巖石材料流變過程中流變速率與時間的關系曲線。低應力水平時，由于流變性能不明顯，軸向應變速率以及側向應變速率均只表現(xiàn)了2個階段，即初期流變速率階段：流變速率隨著時間的增長，很快衰減為零；穩(wěn)態(tài)流變速率階段：流變速率隨著時問的增長基本保持不變，對應的流變速率為穩(wěn)態(tài)流變速率，對低應力水平而言，穩(wěn)態(tài)流變速率接近為零，而在高應力水平時，流變速率表現(xiàn)的特征與低應力水平時基本等同，所不同的是穩(wěn)態(tài)流變速率是大于零的常量。當然，由于局部非均勻破裂的影響，某些應力水平條件下的流變速率變化不是很明顯。但是，在出現(xiàn)破裂的最后一級應力水平時，巖石的軸向和側向流變速率表現(xiàn)出與前面應力水平時不同的特征，圖21給出了圍壓15MPa時綠片巖在最后一級應力水平100MPa時的軸向和側向流變速率與時間的關系。點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本錦屏一級水電站壩基綠片巖的流變力學特性流變速率規(guī)律圖21綠片巖軸向和側向流變速率與時間的關系點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本點擊添加文本錦屏一級水電站壩基綠片巖的流變力學特性流變速率規(guī)律由圖21可見，巖石軸向變形經(jīng)歷了初期流變、穩(wěn)態(tài)流變以及加速流變3個階段，相應的軸向應變速率的變化也經(jīng)歷了3個階段，即初期流變速率階段：流變速率隨著時間的增長，很快衰減至某一常量；穩(wěn)態(tài)流變速率階段：流變速率隨著時間的增長，流變速率基本保持不變；加速流變速率階段：流變速率隨著時間的增長，迅速增大，巖樣發(fā)生流變破裂。而巖石側向變形僅經(jīng)歷了穩(wěn)態(tài)流變和加速流變2個階段，巖樣初期流變以及初期流變速率階段幾乎沒有，相應的流變速率僅經(jīng)歷了穩(wěn)態(tài)流變速率及加速流變速率階段，即巖樣的流變速率從瞬時時刻始，隨著時間的增長，很長的一段時問里，流變速率基本為恒定值，即穩(wěn)態(tài)流變速率，此后便迅速增加，巖樣發(fā)生流變破裂。以上分析表明，流變速率的變化明顯受到應力水平的影響，在破裂應力水平時，巖石的軸向和側向流變速率明顯具有不同的特征，而且在出現(xiàn)加速流變階段的破裂應力水平時，巖樣的軸向和側向流變速率均更為迅速，從而使得巖樣破裂也更為短暫，因而此階段的流變速率應更引起特別的注意和慎重，工程實踐中一旦發(fā)生這樣的加速流變，造成的后果也是相當嚴重的。點擊添加文本