高地硬岩流变特性分析

流变性质是指材料的应力－应变关系随时间变化的性质、材料变形与强度特性随时间变化的现象，简称为流变。大量的工程现场测量与试验结果表明，软弱岩石以及含有泥质充填物和夹层破碎带的岩体，其流变特性通常比较显著。坚硬岩体，若受多组节理裂隙切割，或在高应力作用下，也需要考虑岩体流变的影响，因此，岩石流变性质的研究是岩石力学特性研究的重要内容。孙钧就岩石流变力学及其工程应用研究的若干进展问题，围绕软岩和节理发育岩体的流变试验、流变模型辨识及其参数确定，对高应力隧洞围岩非线性流变岩石流变、损伤与断裂及其相关应用等进行了系统梳理和总结。近年来，围绕锦屏水电站等高应力条件下的岩石流变力学问题，在高应力条件下复杂加卸载路径室内流变力学试验现场流变试验岩石流变力学特性、非线性流变模型研究及参数辨识等方面，取得了一些研究进展，尤其是针对深部岩石的流变特性，开展流变规律的非线性描述和考虑卸荷特点的流变试验等方面成果较多。曹树刚等［88］针对岩石的全应力－应变试验过程，分析岩石试验裂隙的扩展与破坏，反映岩石黏滞系数由大到小的变化规律，据此将常参数流变模型中的黏滞系数改为与岩石变形特性及时间相关的变量，构建相应的非线性黏塑性流变模型；徐卫亚等［89］将非线性黏塑性体与5元件线性黏弹性模型串联，建立了2个由7元件组成的非线性黏弹塑性流变模型，通过改变参数取值，可以反映岩石流变3个阶段的流变特性，并基于试验得到了绿片岩三轴流变试验曲线，验证了模型的合理性。

岩石流变力学理论的核心内容就是建立描述应力－应变－时间关系的流变本构模型，这也是当前岩石力学研究的重点和难点之一。关于岩石流变本构模型的理论研究，在长期的研究工作中，人们已提出许多种适合岩土材料的蠕变（或流变）本构模型。这些模型按建立的方法大体可以分为3类：经验模型、元件组合模型以及基于断裂力学和损伤力学等建立的岩石流变本构模型。

（1）经验模型

经验模型通常是在岩石流变试验的基础上，根据不同试验条件及不同岩石种类求得的岩石的应力、应变（应变率）与时间的函数关系式。关于经验模型的研究文献已有很多，经验模型中主要有老化理论、遗传流变理论、流动理论和硬化理论等，模型形式主要有幂率型、对数型、指数型以及三者结合的混合型。

（2）元件组合模型(www.xing528.com)

元件模型采用基本模型元件，包括虎克弹性体（H）、牛顿黏性体（N）和圣维南塑性体（S），根据室内或现场试验得到的试验曲线进行组合来模拟岩石的流变力学行为。元件模型适应性较经验模型好，具有概念直观、简单形象、物理意义明确等优点，同时也能较全面地反映岩石的各种流变特征，如蠕变、应力松弛、弹性后效等，因而是在实际工程中应用最为广泛的模型。

（3）基于断裂力学和损伤力学的岩石流变本构模型

由于岩体内部包含了从微观到细观并到宏观的各种尺度的缺陷，岩体的变形与破坏不可避免地受到这些内在缺陷的影响和制约，其破坏过程总是伴随着原生裂隙的演化、发展和贯通。但根据岩石的宏观流变现象建立的经验模型和元件模型不能充分反映这一内在机制。因此，有学者便尝试从岩石流变的物理机理出发，利用损伤、断裂等理论来建立岩石流变的本构模型。