岩土流变力学

岩石流变力学的研究现状姓名：刘强学号：TS15020130P2老师：季明摘要:从岩石单轴压缩流变试验、多轴压缩流变试验、拉伸断裂流变试验、岩体及结构面的剪切流变试验、以及流变试验中的各种影响因素等来评述岩石流变试验的研究进展。

同时从经验模型、元件模型、损伤断裂模型、基于内时理论的流变模型以及弹粘塑性模型等来对岩石流变本构模型的发展进行了回顾。

最后,指出复杂应力路径下岩石的非线性流变、水力-应力耦合情况下的岩石流变、考虑各向异性的岩石流变等方面是今后需要进一步深入研究的问题。

1、引言岩石的流变性是指岩石在外界荷载、温度等条件下呈现出与时间有关的变形、流动和破坏等性质,主要表现在弹性后效、蠕变、松弛、应变率效应、时效强度和流变损伤断裂等方面。

岩石流变是岩土工程围岩变形失稳的重要原因之一。

比如地下工程在竣工数十年后仍可出现蠕变变形和支护结构开裂现象,尤其是在软岩中成洞的地下工程由于围岩显著的流变性给结构设计、施工工艺带来了一系列特殊问题。

岩质边坡的蠕变破坏也十分常见,如软岩坡体中常发生蠕动型滑坡,滑面的形成和坡体滑动都是缓慢进行的。

最适合储存核废料的盐岩和花岗岩,在压力、高温、核辐射、污水等条件下同样会产生流变,从而影响储藏洞室的稳定性。

而近年来,西部大开发大型水利水电工程涉及到的复杂岩体,如向家坝、龙滩水利工程、小湾、锦屏一级和二级水电站工程等这些工程岩体,均具有明显的流变特性,尤其是在开挖、卸荷以及渗流等复杂应力状态下所表现出的流变特性更加显著和复杂,在工程设计和施工中充分考虑其流变效应显得尤为重要。

由此可见,开展岩石流变特性研究,深入了解岩石流变变形及其破坏规律,对于岩石工程建设具有十分重大的现实意义和经济价值。

事实上,国外学者Griggs早在1939年便对灰岩、页岩和砂岩等类岩进行了蠕变试验。

在此后的几十年里,很多研究者相继从各个不同方面进行了岩石流变特性研究。

而自20世纪50年代末起,特别是近20年来国内许多大型工程的兴建,也极大促进了我国同行对岩石流变特性的研究。

岩石流变力学特性的研究及其工程应用岩石流变力学试验不仅是了解岩石流变力学特性的最重要手段,而且是构建岩石流变本构模型的重要基础。

水利水电工程高坝坝基大多建于硬岩岩基上,高坝的建设往往伴随着岩石高陡边坡和大型地下洞室群的岩石工程问题,为了预测岩石工程的长期稳定性,有必要开展硬岩的流变力学特性研究尤其是三轴流变试验研究。

岩石流变力学理论作为岩石力学中的前沿课题,近年来,研究工作进展较快,特别是利用实测试验资料反演流变模型参数、进而发展到对未知模型的辨识等。

但岩石流变力学理论至今还不很成熟,许多重大岩石工程的建设为岩石流变力学理论研究带来了严峻的挑战,当前岩石流变力学特性和本构模型理论的研究仍是其难点和热点问题。

有鉴于此,本文采用试验研究、理论分析和数值模拟相综合的研究方法,基于岩石的三轴流变试验,运用非线性力学与损伤力学理论探讨岩石流变力学特性,主要研究硬岩在不同围压作用下的流变力学特性,建立岩石非线性流变本构模型,并将岩石流变力学特性的研究成果应用到重大水利水电岩石工程实践中。

本文的主要研究工作如下: (1)基于在伺服试验机上得到的不同尺寸岩石单轴压缩瞬时力学特性试验结果,分析了岩石材料力学参数与尺寸之间的关系,采用损伤力学理论,考虑微元体破坏以及弹性模量与尺寸之间的非线性关系,建立了考虑尺寸效应的岩石损伤统计本构模型。

采用伺服试验机对岩石进行了三轴压缩试验,从强度、变形以及能量角度,研究了围压对岩石三轴压缩瞬时力学特性的影响规律,分析了岩石三轴压缩瞬时破坏机理。

(2)采用岩石全自动三轴流变伺服仪,对坚硬大理岩与绿片岩进行了三轴流变试验,研究了岩石在不同围压作用下的轴向应变以及侧向应变随时间变化规律,探讨了不同应力水平下的轴向以及侧向流变速率变化趋势,分析了岩石三轴流变过程中的变形特性,讨论了岩石体积流变及流变速率规律,掌握了坚硬大理岩与绿片岩三轴流变特性的基本规律,为流变数值分析时参数的辨识提供了可靠试验依据。

岩土工程中土体流变特性研究岩土工程中，土体的流变特性是一个非常重要的研究领域。

土体的流变特性可以影响工程的稳定性、坚固度和耐久性等因素。

因此，对土体流变特性的研究是非常重要的。

土体的流变特性是指在外力作用下，土体会产生变形或结构损伤等现象。

土体的流变特性与许多复杂因素相关，如固体颗粒形状、颗粒大小、结构、含水率、应力状态等因素。

在比较流行的岩土工程实践中，土体流变特性常被描述为剪切特性。

土体的流变学模型可以用来描述土体的流变性能。

这些模型可以根据其应用领域分为不同类型。

在工程中，常用的模型有线性弹性模型、弹塑性模型、本构模型和流固耦合模型等。

线性弹性模型是土体流变性研究中的基础理论模型。

它可以被简要地表述为应变呈线性增长而应力保持线性递增。

即，当地基面受到一定的荷载或扰动时，土体的弹性恢复是在一定的限度内的，而没有存在塑性变形。

这种模型在工程领域中长期以来都是非常常见的。

弹塑性模型是退步性的模型，具有比线性弹性模型更好的表现能力。

在当地基面受到一定大小的荷载或扰动时，土体会发生一定的塑性变形，而应力和应变的关系则保持线性递增。

这个模型在许多土体力学领域中得到了广泛应用。

本构模型是描述土体流变性能的经典模型之一。

在该模型中，土体的应力-应变关系用一些椭圆方程来描述。

这个模型在复杂土体和软岩的研究中得到了广泛的应用。

流固耦合模型是最新的土体流变性研究领域的模型之一。

在该模型中，因为流体和固体之间有相互作用关系，所以包括土体的稳定性和流动性等都可以同时考虑。

这个模型在岩土工程的深层开发、地下水流动的研究等领域都有广泛的应用。

总之，土体的流变特性对岩土工程来说至关重要。

在岩土工程中，各种模型和方法都被广泛应用于土体的流变特性研究中。

但是，在真实的工程项目中，土体的流变特性仍然是一个复杂的问题，需要联合多种不同的分析方法来加以处理。

3.4岩石的流变性质在上节中所讨论的岩石变形特性都是在加载后瞬时的变形特性，这些变形特性与时间是无关。

但实际上，种类岩土工程的变形都不同程度上与时间有关。

例如，在中硬以下岩石及软岩中开掘的隧道、矿山巷道等地下工程，经常出现顶板下沉、边墙挤进和底板隆起等工程使用空间缩小现象。

这就是岩石流变性质的显现。

研究岩石流变性质，对解决岩土工程的维护设计和长期稳定性问题有十分重要的意义。

岩石流变现象的组成定义如下：厂蠕变：应力为常量，应变随时间延长而增大的现象。

流变Y弹性后效：加载（或卸载）后经一段时间应变才增加（或X 减小）到一定值的现象。

粘性流动：卸载后，部分应变永久不恢复的现象。

I松弛：应变为常量，应力随时间延长而减小的现象。

其中，蠕变现象是岩土工程中显现最明显，对工程稳定性影响最大的流变现象，是岩石流变理论研究中的常规内容。

341典型蠕变曲线特征以应变；为纵座标，时间t为横座标，作应变与时间的关系曲线（如图 3.24所示），该曲线就是蠕变曲线。

它的形状和特性与岩石性质、加载水平等多种因素有关，各种蠕变曲线的形状和特性不尽相同。

图 3.24是一条典型的蠕变曲线。

从曲线形态上看，可将该曲线分成三个阶段：I .AB阶段，称作为瞬态蠕变阶段（或称初始蠕变阶段）。

加载：首先岩石特产生瞬时的弹性应变，这一应变是与时间无关的，如图中所示的0A 段。

当外荷载维持一定的时间后，岩石将产生一部分随时间而增大的应变，此时的应变速率将随时间的增长远渐减小，曲线呈下凹型，并向直线状态过渡。

卸载：岩石的瞬时弹性应变最先恢复，如图中的PQ段。

之后，随着时间的增加，其剩余应变亦能逐渐地恢复，如图中的QR段。

QR段曲线的存在，说明岩石具有随时间的增长应变逐渐恢复的特性，这一特性被称作为弹性后效。

n .BC阶段，被称作为稳定蠕变阶段（或称等速蠕变阶段）。

加载：在这一阶段最明显的特点是应变与时间的关系近似地呈直线变化，应变速率为一常数，该应变率与作用的外荷载的大小和介质的粘滞系数有关。

岩石流变力学及其工程应用研究的若干进展
岩石流变力学是一门研究岩石在受到外力作用时其结构、性质和变形行为的学科,可以应用于岩石力学、岩土工程、矿产资源勘查等领域。

以下是岩石流变力学及其工程应用研究的若干进展:
1. 流变学与岩石力学的交叉研究:流变学和岩石力学的交叉研
究涉及到多相流变学、热力学、动力学、数值模拟等学科,通过将流变学和岩石力学相结合,可以更好地理解岩石的变形行为和性质,为
岩石力学的应用提供理论支持。

2. 岩石流变力学在工程应用中的进展:岩石流变力学在岩土工程、矿产资源勘查和建造工程等领域得到了广泛应用,如岩石力学分析、岩石破裂分析、岩土工程的风险评估和岩石力学稳定性分析等。

3. 人工岩石的应用:人工岩石是一种由人工合成材料构成的岩
石制品,如人工混凝土、人工石材、人工陶瓷等。

这些人工岩石制品在建筑、道路、桥梁、隧道、水利等领域得到了广泛应用。

4. 岩石流变力学在矿山中的应用:岩石流变力学在矿山中的应
用包括矿山爆破、矿山挖掘、矿山工程设计等。

通过分析岩石的流变行为,可以更好地理解岩石的性质和行为,为矿山工程的设计和施工
提供理论依据。

5. 岩石流变力学在地质灾害预警中的应用:地质灾害是指由于
地形地貌变化、地质条件变化等原因引起的土地利用变化或地质环境变化所引发的灾害,如滑坡、泥石流、地面塌陷等。

岩石流变力学在地质灾害预警中的应用包括地质灾害预测和预警、岩土工程的稳定性
分析和变形预测等。

总之,岩石流变力学是一门不断发展的学科,其应用领域正在不断拓展,为岩石力学的应用提供了重要的理论支持。

岩体流变性及其工程应用成都建筑材料工业设计研究院有限公司成都 610000岩体是多孔不连续介质，工程中抗剪强度的常规计算往往采用经典的摩尔库伦理论，根据该理论，岩体的强度与时间无关，而实际岩土体的强度、变形会随时间发生变化，这种随时间变化的特性称为流变性。

1,岩体流变的基本概念岩体的流变性主要包括：蠕变、松弛、弹性后效和长期强度四个方面。

蠕变是指应力不变时，应变随时间增长的现象；松弛是指应变不变时，应力随时间下降的现象；岩体加荷瞬间发生变形之后，仍有部分的粘性变形随时间增长；在一定的应力水平持续作用之下，卸载之后，这部分粘性变形虽可恢复，但恢复过程却需要一定的滞后时间，加载过程中变形随时间的增长称为“滞后效应”，而在卸载时，其变形随时间的逐步恢复称为“弹性后效”，二者统称为岩体的粘滞效应；由于岩体的流变性，其强度随着时间的降低而逐渐趋于一个稳定值，称为岩体的长期强度。

2，岩体流变力学的研究常规条件下（不考虑时间因素），对岩体的强度和破坏的研究主要应用于解决岩体开挖过程中或外荷载作用下的岩体力学特性。

岩体工程在使用过程中，岩体随时间变化甚至破坏的特性是考虑工程安全与寿命的关键问题。

例如，边坡的某些缓慢弯曲变形，鼓胀破坏，隧道变形问题，高坝坝基长期稳定性问题、临边建筑的稳定性问题等正是岩体流变变形的研究范畴，这些人类工程活动的需求，推动了岩体长期变形的流动特性和时效强度问题研究，把岩体力学问题由强度和变形推向了时效流变研究。

国外，格里格斯[1]（1939）首先对灰岩、页岩、粉砂岩等软弱岩石进行了蠕变试验；Ito(1987)对花岗岩试件进行了长达30年的弯曲蠕变试验；E.Maranini[2]等对岩石进行了单轴压缩和三轴压剪蠕变试验。

陈宗基[3]（1991）对砂岩进行了扭转蠕变试验，研究了岩石的封闭应力和蠕变扩容现象，指出蠕变和封闭应力是岩石性状中的两个基本要素。

陈有亮[4]（1996）采用直接拉伸试验法，对红砂岩进行了拉伸断裂和拉伸流变断裂的对比试验，得到了该类岩石的流变断裂准则。

岩石流变力学特性略析1.前言在进行岩体边坡，巷道围岩等工程的长期稳定性评价时，则需要考虑岩石或岩体结构的应力应变随时间变化的这一特殊力学特性。

由于岩石的流变性极大地影响到工程的安全性，因而这一方面的研究早已引起了国内外学者的广泛关注。

[1]一般来说，关于岩体介质的流变性研究包括裂隙岩体的流变性，含夹层的软弱岩体的流变性研究等。

所谓流变性，从宏观上看，是指当岩石所受的应力水平超过其所能承受的流变下限，其产生随时间变化的流变变形；而从微观上看，既是岩石内部组构随时间不断调整，重组的过程，导致应力应变的分布不断出现变化。

2.研究内容岩石流变性一般包括几个方面：一是蠕变，即在应力水平为常量时，其变形随时间增长的过程；二是应力松弛，相反，在应变水平保持恒定时，岩体应力随时间一定程度上不断衰减的过程；三是长期强度，即岩体强度随时间不断降低的过程，并逐渐衰减至一个稳定值；四为弹性后效与粘滞效应，在加载完成后瞬时弹性变形完成，此后部分粘性变形随时间增长，并趋于稳定，此部分的变形值在卸荷后仍然可以恢复，但徐经理一定的时间，这两个过程分别称之为滞后效应与弹性后效，或统称为粘滞效应。

3.试验方法与数据分析3.1试验仪器现阶段在岩石室内流变试验应用较为广泛的是全自动岩石三轴流变试验伺服控制系统，该试验设备能够长时期的保持轴向及侧向压力的稳定，并能通过计算机自动记录，采集实时数据。

[2]3.2试验方法与数据分析蠕变试验的加载方式一般分为分别加载及分级加载。

分别加载指在理想条件下岩石试件，试验条件及试验设备等完全相同的条件下，对几个试件施加不同的荷载，从而得到不同应力水平下的蠕变曲线。

但由于实际试验条件的限制，一般岩石蠕变试验只能通过采取分级加载的方式，在一个岩石试件上逐级施加不同荷载来观察岩石不同应力下的蠕变特性。

要得到不同应力水平下独立的蠕变曲线，需要利用基于Boltzmann线性叠加原理的"坐标平移法"，由原始阶梯状的蠕变历时曲线得到分级加载条件下的蠕变曲线，以便分析蠕变应变与不同应力水平之间的关系；其次，由于蠕变的应力应变关系在不同时刻下是不同的，为了从直接获取的蠕变曲线中近似的得到同一时刻岩石蠕变的应力应变关系及其随时间的变化规律，并观察屈服强度的近似值，可以根据蠕变曲线中选取相同时间t，用其所对应的应力水平σ和应变值ε所组成的应力应变等时曲线，同时可近似的得到等时弹性模量等。

第四章岩土体流变模型理论4.1 流变学概念4.1.1 弹塑性理论和流变理论流变学是力学的一个新分支，它主要研究物理材料在应力、应变、温度湿度、辐射等条件下与时间因素有关的变形和流动的规律。

●弹性理论：假定物体的形变与所受的力成正比，形变值的大小与加荷的历程无关，不会随时间变化；●塑性理论：应力-应变关系为非线性，若荷载本身不便，也是假设所得的新形变在以后维持不变，同样与时间无关；●流变理论：⏹荷载不变，形变值并非永远是常数；⏹荷载逐渐增大，形变取决于加荷速度⏹应力与应变关系的本构模型中包含时间。

4.1.2 流变学的发展简史⏹流变学出现在20世纪20年代。

学者们在研究橡胶、塑料、油漆、玻璃、混凝土，以及金属等工业材料；岩石、土、石油、矿物等地质材料；以及血液、肌肉骨骼等生物材料的性质过程中，发现使用古典弹性理论、塑性理论和牛顿流体理论已不能说明这些材料的复杂特性，于是就产生了流变学的思想。

⏹麦克斯韦在1869年发现，材料可以是弹性的，又可以是粘性的。

对于粘性材料，应力不能保持恒定，而是以某一速率减小到零，其速率取决于施加的起始应力值和材料的性质。

这种现象称为应力松弛。

许多学者还发现，应力虽然不变，材料棒却可随时间继续变形，这种性能就是蠕变或流动。

⏹经过长期探索，人们终于得知，一切材料都具有时间效应，于是出现了流变学，并在20世纪30年代后得到蓬勃发展。

1929年，美国在宾厄姆教授的倡议下，创建流变学会；1939年，荷兰皇家科学院成立了以伯格斯教授为首的流变学小组；1940年英国出现了流变学家学会。

当时，荷兰的工作处于领先地位，1948年国际流变学会议就是在荷兰举行的。

法国、日本、瑞典、澳大利亚、奥地利、捷克斯洛伐克、意大利、比利时等国也先后成立了流变学会。

⏹在土木工程中，建筑的土地基的变形可延续数十年之久。

地下隧道竣工数十年后，仍可出现蠕变断裂。

因此，土流变性能和岩石流变性能的研究日益受到重视。

4.1.3 流变学的研究内容流变学研究内容是各种材料的蠕变和应力松弛的现象、屈服值以及材料的流变模型和本构方程。

岩土材料流变及其工程应用
岩土材料流变及其工程应用是指研究岩土材料在受外力作用下
的变形与流动特性，并将其运用于地质工程、建筑工程和交通工程等领域的一门学科。

岩土材料流变性质的研究涉及到岩土的物理力学性质、化学性质和结构性质等方面，是岩土力学和材料力学的重要分支之一。

岩土材料流变的研究内容包括岩土材料的变形特性、流动特性、粘塑性、黏弹性、破坏机理、孔隙结构、渗透性等方面。

其中，岩土材料的变形特性是指其在外力作用下的弹性、塑性和损伤性变形，流动特性是指岩土材料在外力作用下的渐进变形和瞬时变形，粘塑性是岩土材料在长时间作用下的变形特性，黏弹性是岩土材料在短时间作用下的变形特性。

岩土材料流变性质在工程应用中具有重要的地位。

首先，在地质工程领域中，岩土材料的流变性质可以用于预测地震、岩溶、泥石流等自然灾害的发生和发展；其次，在建筑工程中，岩土材料的流变性质可以用于设计建筑物的基础和地基，以提高建筑物的稳定性和安全性；最后，在交通工程中，岩土材料的流变性质可以用于设计公路、铁路和隧道等地下工程，以提高工程的耐久性和安全性。

总之，岩土材料流变及其工程应用是一个涉及领域广泛、应用价值高的重要学科，在地质工程、建筑工程和交通工程等领域中都具有重要的应用价值。

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