陈宗基讲座岩石流变力学及其工程应用研究的若干进展FONT.pdf

第 26 卷 第 6 期 岩石力学与工程学报 Vol.26 No.6 2007 年 6 月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering June，2007 收稿日期：收稿日期：20070115；修回日期：修回日期：20070509 作者简介：作者简介：孙 钧(1926)，男，1949 年 5 月毕业于上海国立交通大学土木工程系，现任同济大学地下建筑与工程系资深荣誉教授、中国科学院院士，长期从事岩土力学与工程、隧道与地下工程等方面的教学与研究工作，并培养博士研究生与博士后。E-mail： 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及其工程应用研究的若干进展 孙 钧(同济大学 岩土及地下工程教育部重点实验室，上海 200092)摘要：摘要：讨论岩石流变力学及其工程应用研究近年来的若干进展，主要内容包括：对岩石工程流变学问题的综述性介绍、软岩和节理裂隙发育岩体的流变试验研究、流变模型辨识与参数估计、流变力学手段在收敛约束法及隧道结构设计优化中的应用、高地应力隧洞围岩非线性流变及其对洞室衬护的力学效应，以及岩石流变损伤与断裂研究。此外，还对土力学与土工流变方面的一些进展作了简要介绍，并就今后岩土工程流变研究的展望阐述了一点认识。关键词：关键词：岩石力学；流变特性；试验研究；黏弹塑性；非线性；隧洞围岩支护系统；流变损伤与断裂；土体流变 中图分类号：中图分类号：TU 45 文献标识码：文献标识码：A 文章编号：文章编号：10006915(2007)06108126 ROCK RHEOLOGICAL MECHANICS AND ITS ADVANCE IN ENGINEERING APPLICATIONS SUN Jun(Key Laboratory of Geotechnical and Underground Engineering of Ministry of Education，Tongji University，Shanghai 200092，China)Abstract：The recent development in some aspects on the research of rock rheology and its engineering applications are discussed；the main contents are listed as follows：a comprehensive introduction of the rock engineering rheology problems，laboratory as well as in-situ study on the soft rock and rock mass of rich growth with joints and fissures，identification of rheological models and their parameters estimation，applications of rheological mechanics to the convergence-confinement method and its applications to the design optimization of tunnel structures，nonlinear rheological behavior of tunnel surrounding rocks in high earth stress region and its mechanical effect of tunnel lining-support，study on rock rheological damage and fracture mechanics.Besides，this paper gives a brief discussion on the rheology problem in soil mechanics and soil engineering.Finally，several understandings on the research work are presented in prospect of the rheological mechanics in geotechnical engineering in the future.Key words：rock mechanics；rheological behavior；test study；viscous elastoplasticity；nonlinearity；lining support system for tunnel surrounding rocks；rheological damage and fracture；rheology in soft soils 1 引引 言言 陈宗基先生生前是中国岩石力学与工程学会的创始人和学会第一届理事长，他是我国岩土流变力学学科的先驱和奠基人，在岩土力学学科和工程应用领域取得了十分突出的成绩，为学科发展和国家建设事业做出了卓越的贡献。陈宗基讲座陈宗基讲座 1082 岩石力学与工程学报 2007 年 岩石力学与工程学报 在陈先生谢世 15 周年之际，发起创办这次“陈宗基学术讲座”，以缅怀先哲、激励后人，是十分有意义的。本文作者追随陈先生之后，结合承担国家基金和各个五年计划重大科技攻关项目，学习并致力于岩土流变力学方面的研究工作已近 30 a。此次应岩石力学与工程学报编委会邀约，不揣简陋，探讨一点这一子学科领域的若干研究进展，试以综述与评价相结合的方式阐述，以供广大同行切磋交流，共同提高。下文仅是作者们(见致谢栏)多年来在各该相关子学科领域所接触到的一些主要侧面，而未敢奢求涉猎岩石流变学诸多问题的全面；限于篇幅，只在文后另立一节，试对土力学与土工方面流变力学问题的若干方面也稍加阐介，而未容展开，是祈谅察并指教。2 对岩石工程流变学问题的综述性介绍对岩石工程流变学问题的综述性介绍 2.1 岩石流变的研究内容岩石流变的研究内容“流变”一词，源自于古希腊哲学家 Heractitus的理念，意即“万物皆流”。简而言之，所有的工程材料都具有一定的流变特性，岩土类材料也不例外。大量的现场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松散岩体，其流变属性则更为显著；即使是比较坚硬的岩体，如受多组节理或发育裂隙的切割，其剪切蠕变也会达到相当的量值。用学术语言概括地说，只要岩土介质受力后的应力水平值达到或超过该岩土材料的流变下限，将产生随时间而增长发展的流变变形。因此，在岩土工程建设中，就经常遇到岩体压、剪变形的历时增长变化情况，即为岩土体流变性态的具体反映。众所周知，岩石流变是指岩石矿物组构(骨架)随时间增长而不断调整重组，导致其应力、应变状态亦随时间而持续地增长变化。对岩石工程流变学的研究1，诸如在岩基、边坡和隧道与地下工程等有重要实用价值的领域，总的说来常包括有以下方面的研究内容：(1)蠕变：在常值应力持续作用下，岩体变形随时间而持续增长发展的过程。(2)应力松弛：在常值应变水平条件下，岩体应力随时间而不断地有一定程度衰减变化的过程。(3)长期强度：岩体强度随时间而持续有限降低，并逐渐趋近于一个稳定收敛的低限定值。(4)弹性后效和滞后效应(黏滞效应)：加荷时继瞬间发生的弹性变形之后，仍有部分后续的黏性变形呈历时增长；此外，在一定的应力水平持续作用下，在卸荷之后，这部分黏性变形虽属可恢复的，但其恢复过程却需要一定的滞后时间。以上部分的变形虽仍属于弹性变形范畴，但对在加荷过程中其变形随时间的逐渐增长称为“滞后效应”；而在卸荷之后，其变形随时间的逐渐恢复，则称为“弹性后效”。二者统称“黏滞效应”，都归属于流变岩体的黏性特征。就上述 4 个方面的岩体流变属性而言，其第(1)方面，即岩体蠕变与岩石工程和隧道设计施工的关系最为密切，这一方面的研究工作也最具重要性和工程实用价值。2.2 工程流变研究的重要性工程流变研究的重要性 就隧道和地下工程为例，其洞室围岩的受力和变形只有从上述岩体流变学的观点和方法出发，才能对诸如毛洞施工期失稳、围岩变形位移及其对支衬结构形变压力的历时持续增长发展，以及衬砌支护与围岩的时效相互作用等工程实际问题作出有说服力的合理解释。对此试稍作展开说明：若不计岩体的上述黏性流变特征，则洞体开挖后洞周附近围岩的应力重分布和弹性或弹塑性的收敛变形是以弹性或弹塑性波的传播速度进行的，以弹性波而言即为按声波波速传播，则应视为在成洞的瞬间就已全部完成。如果该瞬间围岩的应力不超过其强度值，则认为毛洞将是永远稳定的，嗣后其变形将不会进一步增长发展。然而，对毛洞体的长期观察和量测都充分表明，许多在成洞之初呈稳定的岩体，如不及时支护，则在经过一段时间之后，洞体才可能局部或整体失稳而导致坍塌、破坏。这说明洞周围岩变形的增长与时间因素密切相关。又如：用岩体流变的观点来解释，作用在衬护结构上的围岩压力，对软岩而言，主要是因围岩蠕变、因而在衬护受力以后又增长发展的形变压力(也可能包括小部分的地层松动压力)。此外，当“隧洞围岩支护系统”的变形逐步趋于稳定以后，由于岩体的应力松弛使作用于隧洞衬护上的围岩压力以及围岩对支护的约束抗力，仍会有少量的波动变化，并还将再持续相当一段时间。上述这些分析，都已经过对许多隧洞的试验和实测所充分证实。再从隧第 26 卷 第 6 期 孙 钧.岩石流变力学及其工程应用研究的若干进展 1083 洞支护与围岩相互作用的认识而言，一般都于毛洞开挖若干时日之后进行衬护，再待衬护(二衬)混凝土强度达到足以参与围岩共同受力，都需要有相当的时间间隔。如果不考虑岩体的上述黏性流变特征，则认为在衬护发挥作用之前，毛洞的弹(弹塑)性变形已早就全部释放完成，这样，支护与围岩之间就不可能有任何相互作用和共同受力，即衬砌结构将谈不上参与围岩相互受力作用而形同虚设，这显然不是事实。此处，除非是坚硬致密的 I，II 级岩体，其二次衬砌受力不很明显以外，对一般中等和软弱岩体的内衬而言，都与后述论点不相符合。因此，只有在围岩变形随时间而不断增长发展的情况下，才能充分阐明它与支护间的相互作用受力机制呈时效变化特征的实质。由此可知，在隧洞及其他岩石工程中，充分考虑岩体的上述流变特性，对工程的设计施工均具有极为重要而鲜明的实际意义1。2.3 对岩体流变的进一步认识对岩体流变的进一步认识 这里应该指出的一点是，岩土体的上述流变效应，不仅与岩土材料的压、剪强度密切有关，同时也取决于受荷后岩土体内的应力水平的大小。在受力状态下，岩土材料的压、剪应力都存在一个能以最小程度地产生流变时效的应力下限值，称作“流变下限”。该下限值视围压情况均可由流变试验具体确定；只要外载作用下岩体的应力水平值达到或超过了上述流变下限的条件，就将产生流变效应；反之，如应力水平值小于其流变下限，则不会产生流变。因而，这里纠正了一般认为的只有软岩和软黏土才具有流变特征的不正确理念；相反，在高地应力水平(特别是没有或较小围压作用下)状态下，即便是中等强度岩石或节理发育的硬岩，也会产生一定程度的流变效应，特别是沿岩体结构弱面扩展的剪切流变2，3。2.4 黏弹性流变与线弹性应变间的对应法则黏弹性流变与线弹性应变间的对应法则 另外需说明的一点是：对收敛型的线性黏弹性流变，可从相对应定理(correspondence principle)中由线弹性的本构关系简单地经如下换算得到。此时，就一维问题而言，对线弹性应变情况：E1=(1)而对线性黏弹性应变率情况：1=&(2)式中：E和均为不变的常数。由式(1)，(2)可知，若“相对应地”将式(1)中的置换为式(2)中的&，将式(1)中的E置换为式(2)中的，则可方便地将线弹性问题的解换化为线性 黏弹性问题的解。在这种情况下，采用黏弹性法则来描述问题，可以了解其变形发展的时间历程，但其最终的变形达到稳定的收敛值时将与按线弹性问题的解所得的相应结果完全相同。但是，黏弹塑问题的最终解则与按弹塑性问题求出的结果不会相同。2.5 非线性流变问题及其求解的几种处理非线性流变问题及其求解的几种处理 图1所示为从一组岩石试样蠕变试验得到的随时间发展的非线性流变曲线簇。由图1可知，岩石非线性流变应变值的大小，随其应力水平、应力应变状态和应力持续作用时间三者呈非线性增长变化。对非线性流变：)(1t，=&(3)式中：为黏滞系数，为应力水平、应力应变状态(可以是压、剪、拉、弯曲，或其他复杂应力状态)和流变时间历程t的非线性函数，此时已不再是一个常数。对上项非线性流变问题的求解，有以下几种常见的处理方案2，4：第1种方案：在非线性流变的发展程度不高，即所谓低度非线性问题的情况下，仍可以以线性流变的西原模型(弹黏弹黏塑性模型)为基础，而只在其黏塑性部分内再串加上一项非线性的经验黏性元件作为对线性流变模型的一点修正，非线性黏性元件的经验系数可由相应的流变试验确定。这种近似处理，对量大面广的一般性工程问题的研究是比较适用的。非线性流变本构模型的通用表述如图2所示。第2种方案：采用由试验拟合的经验本构关系式，式中的诸待定系数可由试验结果逐一拟合确定。如对非线性黏弹性问题，其经验公式可写为一种幂律型的蠕变方程：mntA=&(4)式中：&为蠕应变率；为等效应力，三轴状态下31=；t为蠕变时间；A，n，m均为需要由试验测定后作拟合的蠕变参数。这种处理方法较适合在一些特定的重大工程中采用。在当前广泛通用的ANSYS程序软件文本中，已列有10余种各种类型的经验蠕变本构方程关系式，可供选择采用。1084 岩石力学与工程学报 2007 年 (b)应力应变等时曲线 (a)蠕变曲线 图 1 非线性流变曲线簇 Fig.1 Curve families of nonlinear rheological behavior 图 2 非线性流变本构模型 Fig.2 Constitutive models of nonlinear rheological behavior 第3种方案：将值视为非定常的变数值，而由试验确定，再进行非线性流变本构关系的分析计算。这种处理方案较为理想，学术理念上也较为严格，但计算处理则比较繁复和困难。2.6 岩石流变力学的工程应用岩石流变力学的工程应用 岩石流变力学研究的目的是，在全面反映岩体流变本构属性的基础上，通过试验分析和数值解析计算，求得岩体内随时间增长发展的应力、应变及其作用的时间历程，为流变岩体的稳定性做出符合工程实际的正确评价。试仍以隧道和地下工程为例，其洞室围岩自身的自承和自稳能力对隧洞围岩支护系统相互作用以及洞体的持续稳定都起着重要的作用。在开挖、地震或其他外力作用下洞体丧失稳定，主要是由于岩体介质及其软弱结构面发生因过大黏塑性变形导致的岩体应变软化，使其自承和自稳能力降低而最终坍塌破坏所造成的。如何合理地考虑隧洞围岩支护系统的流变相互作用，最大限度地利用其自承和自稳能力的历时变化，已成为隧道和地下工程中急待解决的首要问题之一。对于高地应力大变形软岩地下洞室而言，围岩与支护衬砌的变形都是流变型的，这已为众多的工程实践、实测和试验所证实。只有考虑岩体介质及其支衬系统的流变效应，用黏弹塑性理论对该系统进行深入细致的研究，才能对隧洞围岩支护系统的受力机制做出充分和有说服力的阐明，并给出合理的、有理论依据的解释，最后得出与工程实际相符的正确结论2。相对于坚硬岩石而言，软弱围岩的力学属性受一般节理裂隙的影响相对比较小，而主要由岩石自身的力学性质来决定，但其流变效应则尤为显著。若节理裂隙呈随机性分布，且无明显的定向大裂隙存在，则在这种软弱围岩中修建深层隧洞时，宏观上可视为各向同性、匀质、连续的黏弹塑性介质来对待。此时，影响隧洞稳定和支护安全主要有两个因素：二次衬砌设置的时间及其衬砌刚度，它们是决定系统流变力学性态的主要参数。为此，计入围岩黏塑性流变变形导致岩体屈服强度降低及其流变Mlve线性黏弹性模型；Mlvp线性黏塑性模型；Mnve非线性黏弹性模型；Mnvp非线性黏塑性模型 第 26 卷 第 6 期 孙 钧.岩石流变力学及其工程应用研究的若干进展 1085 时效作用，着重考虑上述两个因素，以探讨二衬结构如何合理受力，更加有效地利用围岩的自承和自稳能力，将是使岩石流变力学的研究成果更有效地应用于隧道工程实际的核心问题。3 软岩和节理发育岩体的流变试验研究软岩和节理发育岩体的流变试验研究 岩石室内流变试验527是了解其流变力学特性的主要手段，与现场实测相比，它具有便于长期观测、严格控制试验条件、排除次要因素、重复试验次数多而又耗资较少等优点。试验研究结果可以揭示岩石在不同应力水平条件下的流变力学属性，为建立合适的流变本构模型、并为进行工程岩体流变数值分析提供有关流变参数。它是岩石工程流变学研究的重要方面，藉流变试验成果来深刻阐明其力学表现上的本质与机制，不可或缺。在国外，岩石流变力学特性试验研究可以追溯到20世纪30年代末。Griggs(1939)最先对灰岩、页岩和粉砂岩等类软弱岩石进行了蠕变试验，指出砂岩和粉砂岩等中等强度岩石，仅当加载达到破坏荷载的12.5%80%时，就发生了一定程度的蠕变。日本伊藤(Ito，1987)对花岗岩试件进行了历时30 a的弯曲蠕变试验，研究结果表明，花岗岩同样呈黏滞流动但未观测到屈服应力。近年来，软岩作为重大建(构)筑物地基的情况愈益多见，其变形大、强度低，常具有更为显著的流变特性。因而研究覆盖我国广大地域的软岩的流变力学属性具有重要的工程实用价值。Haupt(1991)研究了盐岩的应力松弛特性，指出在整个应力松弛过程中，其岩石内部的细观结构仍保持不变，而应力松弛则在另一侧面反映了盐岩内部组构受力后的黏性效应25。E.Maranini和M.Brignoli23对石灰岩进行了单轴压缩和三轴压剪蠕变试验，研究表明，灰岩蠕变的变形机制主要为低围压下的裂隙扩展和高应力下的孔隙塌陷，蠕变对灰岩本构行为的主要影响为其屈服应力降低。Y.Fujii等19对花岗岩和砂岩进行了三轴蠕变试验，得到轴向应变、环向应变和体积应变等3种蠕变曲线，指出环向应变可以作为蠕变试验和常应变速率试验中用以判断岩石损伤的一项重要指标。Gasc-Barbier(2004)对黏土质岩进行了大量不同加荷方式、不同温度下的三轴蠕变试验，结果表明，应变率和应变大小均随偏应力和温度增高而增大；蠕变率则还与加载历史有关，试验10 d后应变率已趋稳定值(1011 s1)，但经过2 a后其应变量却仍保持该速率而没有衰减。本文限于篇幅，对国外方面近年来所进行的岩体流变试验研究，只能如上列举一些代表性工作以说明其发展概况与动向。自20世纪50年代末起，特别是近20 a来国内许多大型工程的兴建，极大地促进了我国同行对岩石力学基本特性的研究，开展了大量的岩石流变力学试验，积累了十分丰富的、涵盖软岩、节理发育的硬岩和软弱夹层等方面的流变试验资料，获得了各类岩石随时间增长发展的黏性流变规律及其相应的流变力学参数。其中应该指出的是，对于富含节理的岩体，研究岩体沿节理面的剪切流变特性十分重要。由于施工开挖扰动和开挖卸荷也会在围岩近毛洞附近派生次生裂隙，而地下水的渗透又会使岩体节理弱面软化，或形成有、无充填和胶结的各种软弱夹层。岩体软弱夹层的强度低、变形量大，其流变力学属性直接影响着岩石工程的长期持续稳定性。在以上方面，多年来已引起国内业界同仁们的极大关注，相应地进行了许多有关的流变试验研究。此处挂一漏万，就已见到的资料文献按见刊先后列序简介如后。相关文献不难在国内期刊网获得，限于篇幅，不作具体著录。早在20世纪90年代初，陈宗基(1991)首次对宜昌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，并指出蠕变和封闭应力是岩石性状中的两个基本因素。郭 志(1994)论述了岩体软弱夹层充填物的流变变形特性，根据流变过程曲线分析了初始流变与等速流变之间的关系，并指出软弱夹层的临界等速流变变形始终存在，还提出了一种临界等速流变剪应力的确定方法。陈智纯(1994)给出了以材料模量为参数的岩石流变损伤方程。缪协兴(1995)总结了以描述岩石损伤历史并以蠕变模量为参数的岩石蠕变损伤方程。杨建辉(1995)描述了砂岩单轴受压蠕变试验中其纵横向变形随时间的增长发展规律，指出岩石内部裂纹的扩展是产生横向变形的主要原因。徐 平(1995)以长江三峡船闸区闪云斜长花岗岩为工程依托，开展了三点弯曲蠕变断裂试验，并首次进行了四点弯曲III复合型断裂试验，得到了不同风化程度岩石的蠕变断裂韧度。李永盛(1995)分别对大理岩、红砂岩、粉砂岩和泥岩4种不同强度的岩石材料，采用具有伺服控制系统的Instron刚性试验机进行了单轴压缩条件下的1086 岩石力学与工程学报 2007 年 蠕变与应力松弛试验，指出岩石材料随时间增长在不同应力水平条件下一般都出现蠕变速率减小、稳定和增大三个变化发展阶段，并具有应力松弛非连续性变化的特点，由此建立了旨在描述岩石材料应力应变时间的非线性本构方程。陈智纯(1995)通过大量软岩流变试验发现了两种非常规的流变力学行为：软岩蠕变中泊松比出现负值；蠕变和松弛不能用两个线性相关的函数表示。邱贤德(1995)用自行设计的杠杆式流变仪，对长山、乔后两类盐岩的蠕变、松弛和弹性后效流变力学特性进行了试验研究，研究成果表明，长山盐岩的变形受位错及晶粒间界面控制，在长期蠕变中以位错滑移为主，主要呈现脆性破坏；而乔后盐岩是一种复杂的黏弹塑性体，其屈服应力很低，根据试验结果，还建立了单向应力状态下的最大应变破坏准则。陈有亮(1996)采用直接拉伸试验方法，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。杨淑碧(1996)对侏罗系沙溪庙组砂岩和泥岩的流变特性进行了系统的流变试验研究，认为砂岩和泥岩的流变特性主要都受岩性和风化程度控制，砂岩在压缩条件下具有较高的长期强度，而在拉伸条件下的长期强度与蠕变断裂的极限变形量都较低，松弛现象相对于蠕变言则更为突出；泥岩在压缩及剪切条件下的长期强度相对都比较低，而强度的时间效应则很显著，蠕变现象相对于松弛而言似乎更为突出。长江三峡工程建设也为岩石流变的试验研究提供了新的契机。夏熙伦(1996)结合三峡船闸高边坡开挖，对取自船闸区的闪云斜长花岗岩开展了岩石流变特性试验研究。试验结果经分析表明，三峡船闸区岩石弱风化以下虽属坚硬岩石，但其强度仍存在有相当的时间效应，蠕变强度与瞬时强度之比，对弱风化岩石约为0.837，微风化岩石约为0.900，强度的时间效应随岩石风化程度增强而更为明显；船闸区岩石的蠕变特性，当应力水平低于屈服应力时，建议采用广义Kelvin模型来描述；而当应力水平高于屈服应力时，则可采用西原(弹黏弹黏塑)模型来描述。徐 平(1996)分析了三峡船闸区花岗岩的蠕变试验，研究结果表明：三峡船闸区闪云斜长花岗岩的时效特性存在一个门槛值，在低应力水平下，其蠕变变形相对较小，但当应力超过门槛值时，变形随时间增加的趋势则急剧增大。研究试验也认为：船闸区岩石的蠕变特性，当应力水平低于屈服应力时，可采用广义Kelvin模型来描述；当应力水平高于屈服应力时，则可采用西原模型来描述。孙 钧(1997)对三峡花岗岩进行了劈裂拉伸蠕变试验，表明蠕变拉伸强度与加荷速率有关，同时还研究了水对岩石拉伸蠕变特性的影响。李建林(2000)根据三峡工程永久船闸区岩体微新花岗岩受拉及拉剪流变的试验结果，研究了岩石受拉和拉剪流变特性，给出了岩石受拉、剪的破坏强度曲线，研究了岩石流变等效抗拉强度和等效流变变形模量。周火明(2001)介绍了三峡船闸边坡现场岩体蠕变试验的技术与成果，与实验室完整的岩块蠕变试验成果相比，包含众多裂隙的较大尺寸岩体较之小尺寸岩样具有更为明显的蠕变特征，其岩体蠕变参数显著降低，并建议船闸边坡岩体蠕变可采用广义Kelvin模型来描述。丁秀丽(2000)介绍了三峡工程船闸区硬性结构面的蠕变试验结果，提出了结构面蠕变的剪切蠕变方程。研究结果表明，花岗岩硬性结构面的剪切蠕变位移不仅是加载持续时间的函数，且与所施加的法向压应力及剪切应力大小有关。张奇华(1997)进行了链子崖危岩体软弱夹层的室内剪切流变试验，根据蠕变曲线的特征，建议可采用以Burgers复合黏弹性模型和Kelvin-Voigt模型来分别描述当剪应力大于和小于其长期强度时的两种蠕变曲线。张向东(1997)对硅藻岩进行了室内蠕变试验，结果表明：硅藻岩蠕变性强，其蠕变变形量为瞬时变形量的200%以上；硅藻岩强度则随时间而弱化，荷载作用时间越长，其强度越低，建议硅藻岩的长期强度可用下式来描述：tBA+=et，硅藻岩的流变特性符合Burgers模型。Z.Chen(1997)分析了盐岩蠕变试验结果，在热力学限制的基础上提出了一套具有相应积分体系的本构框架，并用以描述包括加速蠕变在内的蠕变响应。朱子龙(1998)根据三峡工程永久船闸地质勘探的花岗岩采样，模拟了现场岩体节理情况，进行了岩石拉剪蠕变断裂的试验研究，研究结果表明，在拉剪应力作用下，当应力比大于0.7时，将产生不稳态蠕变；而当应力比小于0.6时，则产生稳态蠕变。邓广哲(1998)从岩体不连续裂隙介质的三轴蠕变试验结果，研究了裂隙起裂机制及其蠕变扩展规律，讨论了岩体裂隙损伤断裂全过程与裂隙岩体蠕变全过程间的耦合相互作用关系，并由此建立了一种相应的本构模型。进入21世纪之初，岩石流变试验研究更趋活跃。陈有亮(2000)用三点弯曲试验方法对层状岩石第 26 卷 第 6 期 孙 钧.岩石流变力学及其工程应用研究的若干进展 1087 的流变断裂特性进行了试验研究与理论分析，得到了一种岩石流变断裂准则，验证了直接拉伸试验所得到的试验结果，分析了层理的存在对断裂扩展的影响，并用重正化变换理论对岩石的流变断裂机制进行了定量分析。陈有亮(2003)还对三点弯曲条件下细粒砂岩的断裂和蠕变断裂特性进行了试验研究，结果表明，岩石裂纹通常在初始应力强度因子IK小于断裂韧度ICK的情况下，经过一段时间的持续蠕变变形后才产生裂纹起裂和扩展。任建喜(2002)采用自行研制的CT扫描仪专用三轴加载试验设备，完成了单轴压缩荷载作用下岩石蠕变细观损伤演化的CT扫描实时试验，从CT数和CT图象的变化规律出发，对岩石蠕变损伤三阶段的细观扩展机制进行了分析，完成了裂纹宽度和长度随时间发展变化规律的定量研究，并建议用CT数下降速度的概念来判断岩石蠕变损伤第3阶段的门槛值。杨春和(2002)基于谢和平提出的岩石蠕变损伤力学模型，通过对盐岩蠕变试验研究，给出了一个能以反映盐岩蠕变全过程的盐岩非线性蠕变本构方程。孙 钧(2002)对软岩的非线性流变力学特性进行了试验研究，提出了一个统一的三维非线性黏弹塑性流变本构模型，并将其应用于地下工程中。朱定华(2002)通过对南京红层软岩的流变试验，发现红层软岩存在有比较明显的流变属性，它符合Burgers本构模型，试验得出长期强度约是其单轴抗压强度的63%70%。朱合华(2002)通过干燥和饱水两种状态下凝灰岩蠕变试验结果的对比，探讨了岩石蠕变受含水状态影响的规律性：含水量对岩石瞬时弹性变形模量的影响很小，但含水量对岩石的极限蠕变变形量的影响则极其显著，干燥试样和饱和试样两者的相应值可以相差56倍；含水量还会影响岩石达到稳态蠕变阶段的时间，干燥试样在较短的时间内就进入了稳态蠕变阶段，而饱和试样进入稳态蠕变阶段则需要很长的一段时间。邱贤德(2003)在其前述(1995)的对长山和乔后两类盐岩矿进行蠕变试验研究的基础上，又通过进一步的试验建议了一种盐岩的蠕变模型，并分析了两类盐岩蠕变过程其蠕变损伤差别的原因，主要是NaCl含量高低、晶粒尺寸大小和胶结性质不同，造成两种岩样在蠕变过程中发生的现象不同，其盐岩力学性质也有差异；其次，由于在盐岩晶粒结晶过程中，因地质、环境等因素的影响，使晶粒内部存在着大量缺陷，晶粒之间的交界面极不规则，这时位错在一些晶体内占有重要地位，位错基本控制了该晶粒的流变力学性质。徐 平(2003)通过对溪洛渡坝址区玄武岩弱风化含屑角砾型错动带岩体所作现场柔性承压板的蠕变试验研究，显示该类岩体的变形特性具有较明显的时效特征，其流变属性可以采用广义Kevin模型描述，岩体长期模量与瞬时模量的比值约为0.62。孙 钧、赵永辉(2003)研究了润扬长江大桥北锚碇基础区域基岩的流变力学属性，采用岩石双轴流变试验机进行了单、双轴的压缩与压剪蠕变试验，选用了广义Kelvin 模型进行了流变参数的拟合分析，获得了黏滞系数等相关的流变力学参数，并应用于锚碇结构的流变数值计算。黄炳香(2003)利用改进的三点弯曲试验对甘肃北山花岗岩在温度影响下的蠕变断裂特性进行了试验研究，得到了200 下北山花岗岩的蠕变全过程曲线，并研究了北山花岗岩断裂韧度随温度的变化规律，在75 时其断裂韧度出现极值，在200以后则呈下降趋势。李化敏(2004)利用自行研制的UCT1型蠕变试验装置，采用单调连续加载和分级加载方式，对南阳大理岩进行了单轴压缩蠕变试验研究。试验结果表明，大理岩虽然属于坚硬岩石，但在持续高应力作用下仍然会出现较强的时间效应，产生了较大的蠕变变形，其蠕变强度与瞬时强度之比为0.9左右；拟合得出了蠕变曲线的经验公式，认为蠕变试验曲线接近对数规律变化，还建立了大理岩蠕变的Burgers理论模型，得到了相应的蠕变参数。沈明荣(2004)通过规则齿形结构面在双轴应力条件下的蠕变试验，对规则齿形结构面的剪切蠕变特性进行了深入研究，分析了规则齿形结构面蠕变的基本规律，在分析对比的基础上选取Burgers 模型来反映凿槽的剪切蠕变特性。张向东(2004)在前述流变试验的基础上采用自行研制的重力杠杆式岩石蠕变三轴试验机，对泥岩进行了三轴蠕变试验，试验结果表明，在高应力水平条件下泥岩的蠕变具有非线性，其蠕变变形量可达到瞬时弹性变形量的300%以上，且当等效正应力i1.5 MPa 时为稳态定常蠕变；而当i2.4 MPa后则为非稳态的非定常蠕变。巫德斌(2004)也通过自制试验装置对泥板岩的流变特性进行了研究，得出了符合该泥板岩流变特性的流变本构模型。刘建忠(2004)使用XTR01型微机控制电液伺服试验机，采用梯级加载法，对煤岩进行了三轴蠕变试验，利用五参数的西原模型，探讨了依附于时间发展的煤岩三维蠕变本构方程，并利用最小二乘法对蠕变1088 岩石力学与工程学报 2007 年 试验结果进行了分析，获得了有关煤岩的流变力学参数。丁志坤(2004)在泥页岩蠕变试验的基础上，分析了岩石黏弹性变形随应力水平不同和时间的发展变化，从元件型本构方程出发验证了引入非定常流变参数的必要性；建立了一维情况下非定常黏弹性模型的蠕变方程，通过理论计算与试验结果的对比，发现非定常黏弹性模型比定常黏弹性模型能更为准确地反映泥页岩的非线性黏弹性变形性能。H.J.Liao(2004)通过软岩的固结不排水三轴试验，证明软岩存在显著的应变率效应，软岩强度随应变率加大而增高，并利用殷建华的3D EVP模型描述了软岩的应变软化和应变率效应。陈沅江(2005)对湖南某煤矿350 m以下采场煤层的砂页岩顶板进行了软岩结构面的压剪蠕变试验，认为软岩结构面蠕变与结构体(岩块)一样也具有瞬弹、瞬塑、黏弹和黏塑性等多种应变成分；但在不发生剪切蠕变破坏的情况下，其瞬时变形远大于黏性变形，结构面蠕变在应力水平不太高的条件下，其变形只具有衰减蠕变和稳态蠕变两个阶段，且后一阶段其变形速率很小而持续时间则很长，研究中没有考虑结构面的蠕变剪胀效应。宋 飞(2005)对石膏角砾岩进行了单轴和三轴蠕变试验，结果表明：其蠕变具有非线性和加速蠕变特性，而且不同围压对蠕变的影响很大；根据试验结果还按遗传蠕变理论建立了石膏角砾岩的非线性蠕变方程。严仁俊(2005)利用三轴压缩蠕变试验装置对四川三叠系盐岩试样进行了各种温度、压力条件下的常规三轴压缩蠕变试验研究，得到了在不同温度条件下盐岩材料随时间变形发展的一些规律：岩样的变形率随其所处温度的增高而加大，温度越高，发生稳态蠕变和加速蠕变的时间则越早，而岩石的长期强度越低，愈容易进入加速蠕变阶段，在温度较高时，其加速蠕变阶段非常短。徐卫亚(2005)从绿片岩三轴流变试验结果，研究了不同围压条件下绿片岩的流变力学特性，得到如下结论：围压对流变变形存在很大的影响，围压越大，相应的轴向流变变形量也越小，即岩样不易发生轴向流变；岩石局部化的非均匀破坏不会对轴向流变变形构成明显影响，但对侧向变形则影响比较大；流变对岩石应力应变曲线有着重要影响，流变加载能增加岩石的塑性变形，从而使岩样破裂更趋迅速；流变速率随着应力水平而变化，低应力和较高应力水平时，其轴向和侧向流变速率均只表现为初期和稳态流变速率2个阶段；但达到破裂应力水平时，其轴向流变速率将出现初期、稳态和加速流变速率3个阶段，而侧向流变速率则只表现为稳态和加速流变速率2个阶段。孙 钧、靖洪文(2005)还通过电磁辐射试验研究了长江三峡船闸工程边坡岩体在不同含水状态(饱水、自然、干燥)、不同受载大小和不同应力水平条件下，闪云斜长花岗岩流 变属性与其电磁辐射脉冲强度之间的依附关系，以及岩石破碎、断裂程度与其电磁辐射脉冲之间的关系；较深入地探究了在各个不同加载环境下岩石蠕变变形孕育、发生和发展过程中的电磁辐射效应及其现象规律，以获求岩石蠕变断裂的电磁辐射信息特征。通过电磁辐射与声发射信息试验研究，确定了不同含水状态及应力变化与电磁辐射强度间的关系，为建立三峡工程流变岩体稳定性评价的电磁辐射判据提供了更确切的理论支撑。4 流变模型辨识及其参数确定流变模型辨识及其参数确定 岩土介质材料与时间参量有关并与黏壶元件相并联的基本流变力学性态共有：纯黏、黏弹、黏塑和黏弹塑等4种，将它们再与瞬弹(E)和塑性F元件作串、并联组合，则共可派生15种不同的复合流变本构模型(对已见报导的有些流变力学模型在形式上会有一定差异，但可以通过等效变换为15种模型中的其中一种，具体的等效变换法则和方法可参见夏才初28的研究成果)。其时，对某一特定的岩土体言，如何从中选用其中合适的某1，2种模型并进而确定其模型参数，是工程中急待解决的一个问题2832。众所周知，通过岩石蠕变试验以选定上述中的某一种或二种岩石流变力学模型在某一特定工程场合的适用性，并进而得出其模型参数的研究，称之岩石流变的模型辨识与其参数估计，其辨识方法通常是：列举几个有限的模型的蠕变曲线，逐个与该特定岩样的蠕变试验曲线作比较，以辨识该类岩石所适合的流变力学模型。但近年来的研究认为，这种方法存在着一定的局限性和理论上的不严密性。通过对岩石流变力学性态及其所对应的流变力学模型的研究，建议运用各种流变力学模型间的相互关系，以及流变力学模型与流变力学性态之间的对应关系，可以提出用岩石的加、卸载蠕变试验结果，从上述15个模型中系统地辨识出适合于该种特定岩石蠕变试验结果的流变力学模型，并可相应地从第 26 卷 第 6 期 孙 钧.岩石流变力学及其工程应用研究的若干进展 1089 试验逐一确定得各个模型参数。理论上，即使对最复杂的流变性态所对应的复合流变力学模型也可作唯一性辨识，并唯一地确定其所有的模型参数。夏才初28列举了几个有关模型辨识的方法应用实例。4.1 岩石流变模型辨识岩石流变模型辨识 将各种复合流变力学模型作统一化处理(见图3)，可以得到前述15种理论流变力学模型中最复杂的流变力学模型。通过分析可以对各种流变性态的变形分量进行辨识和分离，并分别确定其流变力学模型参数，所以，用岩石试件在不同应力水平下的蠕变加、卸载试验曲线，可按如下步骤辨识各种流变性态(见表1)，从而可以从全部15种流变力学模型中辨识出适合于该种特定岩石的流变力学模型：(1)观察不同应力水平下的蠕变曲线类型；(2)分离蠕变曲线中的衰减蠕变分量与定常蠕变分量，并分析衰减蠕变分量与滞后回弹曲线关系；(3)判断定常蠕变分量的蠕变速率是否与应力成正比。通过以上3个步骤的辨识，则上述15种模型均唯一地对应于15种不同的流变性态情况，因而模型辨识也是唯