第1章　绪论

1.1　岩石工程中的流变现象

目前，我国正处于重要的发展战略机遇期;随着社会经济的高速发展，各类灾害风险日益凸显，严重影响社会的可持续发展及国家目标的实现。《国家综合防灾减灾规划》报告中明确要求强化防灾减灾工作，将防灾减灾作为公共服务领域的重要任务之一;为全面提高国家防灾减灾能力，国家已将防灾减灾的理念从“被动救灾”向“主动防灾”转变，指出需充分发挥科技创新对防灾减灾工作的支撑和引领作用。

岩石流变力学是岩石力学中的重要课题之一，是研究在应力、应变、湿度、温度、辐射等条件下岩石材料与时间因素有关的变形、流动和破坏的规律，也称作岩石的时效特性;它包括岩石的蠕变、松弛、弹性后效等力学现象。近年来，岩石工程的规模越来越大，所面临的岩石力学问题也越来越复杂，岩土工程稳定性的时效特性问题日益引人注重，其中在已建成的工程中出现的岩土时间效应问题更为突出，很多岩土工程的变形与失稳破坏并不是即刻就发生的，而是随时间的增长逐渐酝酿、发展最终完成的。

当前所规划建设的很多大型岩土工程项目的服务使用年限一般都超过几十年的时间，故既需要保证工程项目在施工建设期间的安全可靠性，同时还需要对其在长期使用与运营期间的安全稳定性进行评估;工程项目从开工建设到完成服务年限期间，其关键部位的变形是否会随时间的增长，是否在允许范围内，是否会逐渐产生破裂、失稳等，这一系列的问题均是岩石流变力学研究的对象与任务。目前越来越多的工程项目事故、现场的监测资料和相关的室内岩石力学试验都表明，在长期恒定外荷载作用下，随着时间的推移岩石会发生流变现象;特别是强度较低的软弱岩石或是含有大量节理、裂隙和强风化后的粉泥物质以及软弱夹层破碎帯的岩石材料在较高的地应力作用下其表现出来的流变特征更为明显。许多铁路、公路的隧道穿越存在大量软岩的山脉时，即使经过初期的支护加固措施后隧道围岩的变形速率也可以达到3～4cm/d，围岩的变形过大会严重威胁着隧道施工的安全性。随着水利水电工程的规模越来越大，地下洞室群的规模也逐渐增大，主厂房的宽能够达到几十米，高能够超过上百米。当地下洞室所处位置的地质条件不理想，存在有较大的断层或是软弱夹层等，洞室顶拱和边墙的变形的时间效应将十分显著。当隧道新奥施工法引入到我国初期时，在下坑、吴庄、岭前等工程中投入施工应用后，对建成的工程变形状况进行持续观测，两年后隧道的支护加固的衬砌应力与变形都随时间的推移而逐渐增加。位于广西红水河上的龙滩水电站在施工开挖期间内，其左岸坝肩高陡边坡的岩体慢慢地发生滑移倾倒，其中许多部位甚至发生开裂、坍塌，水电站枢纽区边坡的长期变形与安全稳定性对工程项目的施工及运行有着巨大的影响。三峡工程的五级巨型船闸在开挖后，其边坡与底槽在卸荷后的变形不是即刻就发生完成的，具有较强的时间效应;对边坡的加固支护的一部分钢筋锚索在经过一段时间后被拉断或是失去加固效果;船闸对其表层所建造的钢筋混凝土结构有着较高的要求，尤其是闸门部位附近的精度则要求更为苛刻;工程岩体变形量过大的话，混凝土结构会破坏，闸门滑道变形超过允许范围，闸门就无法正常升降工作。

岩土工程的时间效应现象普遍存在于实际工程中，如图1.1所示。例如，高速公路、铁路及大型建筑物的地基沉降变形过程可延续几十年;地下隧道可以在运营使用数十年后发生流变断裂或大变形洞型收敛;在采矿和水电工程中的岩石高边坡由于变形与蠕动，而引起的灾害性滑坡破坏过程可持续数十年时间。目前，在岩石实际工程计算与设计中常采用的本构模型与参数仍然是线弹性和弹塑性的，这对于日趋多样化和复杂化的重大工程来说是不能很好满足要求的;在高应力围岩强度比的地质条件下，地下工程软弱围岩开挖卸荷后的二次支护时间极为重要，如果支护时间过早，围岩卸荷回弹所产生的巨大应变能量无法得到有效释放，支护结构将难以抵抗围压变形能而发生失效破坏，如果支护时间过晚，围岩卸荷回弹变形过大，岩体将产生松动破裂，形成非稳定塑性区，使得围岩丧失自承能力而破坏。

图1.1　工程实际中的流变现象

因此，在岩石工程中充分考虑时间效应的影响，明确工程岩体的蠕变变形、弹性后效及破裂机理，建立能够描述岩石时效特性的本构模型，探讨蠕变力学参数非定常规律与长期强度的确定方法，分析岩体工程的最佳支护时间与长期稳定性，无论从经济合理的角度还是从安全稳定的角度来说都是十分必要的。