岩石流变力学及其工程应用研究的若干进展FONT

第26卷第6期岩石力学与工程学报Vol.26No.62007年6月ChineseJournalofRockMechanicsandEngineeringJune，2007收稿日期：2007–01–15；修回日期：2007–05–09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：[e-mail]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：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：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：TU45文献标识码：A文章编号：1000–6915(2007)06–1081–26ROCKRHEOLOGICALMECHANICSANDITSADVANCEINENGINEERINGAPPLICATIONSSUNJun(KeyLaboratoryofGeotechnicalandUndergroundEngineeringofMinistryofEducation，TongjiUniversity，Shanghai200092，China)Abstract：Therecentdevelopmentinsomeaspectsontheresearchofrockrheologyanditsengineeringapplicationsarediscussed；themaincontentsarelistedasfollows：acomprehensiveintroductionoftherockengineeringrheologyproblems，laboratoryaswellasin-situstudyonthesoftrockandrockmassofrichgrowthwithjointsandfissures，identificationofrheologicalmodelsandtheirparametersestimation，applicationsofrheologicalmechanicstotheconvergence-confinementmethodanditsapplicationstothedesignoptimizationoftunnelstructures，nonlinearrheologicalbehavioroftunnelsurroundingrocksinhighearthstressregionanditsmechanicaleffectoftunnellining-support，studyonrockrheologicaldamageandfracturemechanics.Besides，thispapergivesabriefdiscussionontherheologyprobleminsoilmechanicsandsoilengineering.Finally，severalunderstandingsontheresearchworkarepresentedinprospectoftherheologicalmechanicsingeotechnicalengineeringinthefuture.Keywords：rockmechanics；rheologicalbehavior；teststudy；viscouselastoplasticity；nonlinearity；liningsupportsystemfortunnelsurroundingrocks；rheologicaldamageandfracture；rheologyinsoftsoils1引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·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30a。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2.1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昀为密切，这一方面的研究工作也昀具重要性和工程实用价值。2.2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昀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(correspondenceprinciple)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：σεE1=(1)而对线性黏弹性应变率情况：σηε1=&(2)式中：E和η均为不变的常数。由式(1)，(2)可知，若“相对应地”将式(1)中的ε置换为式(2)中的ε&，将式(1)中的E置换为式(2)中的η，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，但其昀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，黏弹塑问题的昀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：σσηε)(1tΩ，，=&(3)式中：η为黏滞系数，为应力水平σ、应力应变状态Ω(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η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