1.3　岩石流变力学的产生与发展

流变学是研究物质的流动和变形的科学。在古代，人们在日常生活、建筑物的构筑、控制河流的流动中，已经获得关于物质的流动和变形的知识。公元前6世纪就流传着希腊哲学家赫拉克里的名言:“一切在流，一切在变。”流变学源于希腊语rheos(流动之意)，由其演化为英语的Rheology(流变学)，流变学一词即由此而来。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的过程中，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。英国物理学家麦克斯韦尔和开尔文很早就认识到材料的变化与时间存在紧密联系的时间效应。

经过长期探索，人们终于得知，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。1922年Bingham出版了著作《流动和塑性》，并于1929年倡议美国创建流变学会，标志着流变学成为一门独立的学科。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。

在地球科学中，人们较早就意识到时间过程这一重要因素。流变学为研究地壳中的地球物理现象提供了物理、数学工具，如冰川期以后的上升、层状岩层的褶皱、造山作用、地震成因以及成矿作用等。对于地球内部流变过程，如岩浆活动、地幔热对流等，现在则可利用高温、高压岩石流变试验来模拟，从而发展了地球动力学。

岩石流变力学的创立是由材料流变学发展而来的，是材料流变学的一个重要的分支。起初，材料的流变学形成于19世纪30年代，是探讨材料在应力、应变、温度、湿度、辐射等条件下，材料与时间因素相关的变形、流动和破坏的规律性，即时间效应。之后，岩石力学研究工作者开始探讨岩石流变力学性质的相关问题。在第一届国际岩石力学特性研讨会上就有相关的研究人员探讨了能够较为准确地反映岩石流变力学性质的本构模型。于1979年召开了第四次国际岩石力学研讨会，该会议首次把岩石流变力学特性的相关问题作为讨论的主题，这也使得对岩石流变力学特征的研究掀开了新的一页。我国著名土力学、岩石力学、流变力学和地球动力学家陈宗基先生1954年首创了土流变学，提出了“陈氏固结流变理论”、发明了“陈氏流变仪”等，并于1988年成功研制了800kN高温高压伺服三轴流变仪，为我国岩土流变力学研究的奠基人。陈宗基先生利用岩土流变学的观点解决了一系列国民经济建设中的所遇到的重要问题，涉及的主要工程有:长江三峡、葛洲坝、雅砻江二滩等水利枢纽工程，南京长江大桥、湖北大冶铁矿、辽宁抚顺露天煤矿以及其他一些大型国防工程，为岩石流变力学在我国的发展指明了方向，并有越来越多的专家学者参与其中，一些基于岩土体流变的理论专著相继出版。其中具有代表性的著作，例如，范广勤(1993)的《岩土工程流变力学》、刘雄(1994)的《岩石流变学概论》、金丰年(1998)的《岩石的非线性流变》、孙钧(1999)的《岩土材料流变及其工程应用》、高延法等编著的《岩石流变及其扰动效应试验研究》、王芝银等编著的《岩体流变理论及其数值模拟》、丁秀丽等编著的《岩体流变特性的试验研究及模型参数辨识》等。

近年来，国内外学者从不同层次、角度及时空尺度上对岩石在长期恒载下的时效特性开展了大量的研究工作，并且取得了一定的进展和成效。涉及的主要内容有以下几个方面:

(1)岩石流变试验研究，包括岩石单轴压缩、单轴拉伸、三轴压缩、弱面剪切等类型的流变和松弛试验，还有弯曲试验、扭转试验、现场压缩蠕变试验等。在岩石时效特性试验方面，国内外已有试验研究成果中大部分成果是针对盐岩、煤岩以及泥岩等软岩的，并且研究对象多为相对完整的岩石，对含有节理岩石的三轴流变力学特性试验罕有文献报道;且在有关岩石流变力学特性的试验研究中，关于岩石蠕变与松弛的试验开展的相对较多，成果中瞬时弹性变形、初期以及稳态蠕变经常被观测到，而岩石加速蠕变阶段变形特征、弹性后效特性以及复杂应力路径条件下的研究成果较少有相关文献报道，该方面的研究工作有待加强。

(2)岩石流变模型与参数辨识研究，包括岩石流变元件模型、岩石流变经验模型、基于内时理论流变模型及其本构方程、流变特性的研究，流变模型辨识，以及依据先进数据处理手段确定相应的流变模型参数。尽管在岩石流变模型方面已经取得了一些相关研究成果，但岩石非线性流变本构模型理论的研究远没有达到成熟，特别是在描述岩石非线性加速流变阶段方面的理论需要更加深入的研究。已有的经典流变力学模型和大部分改进的流变本构模型相应的力学参数为一成不变的定值，不随应力水平、围压以及节理的空间分布形态等改变而相应变化，这与岩体实际受力状态不相吻合，不能很好地描述岩石非线性流变的规律。

(3)岩石长期强度确定方法研究，岩土体长期流变强度是进行工程设计及长期运行稳定分析的重要参数，如何准确、便捷地确定长期强度的方法一直是岩土工程中十分棘手的问题。目前对于岩石长期强度的研究并不多，而对于长期强度的确定方法研究则少之又少。长期强度的确定方法有直接法和间接法，直接法费时而昂贵，目前大部分采用室内试验进行的间接法确定岩石的长期强度。过渡蠕变法、等时曲线法、应变速率法及第一拐点法等间接确定长期强度的方法，对岩石蠕变试验曲线的规整性要求较高，当蠕变特征不明显，变形量不够大的情况下，其在选取曲线的拐点时，需要人为判断，含有一定的主观性和随意性。对其进行系统研究具有重要的理论价值和工程意义。

(4)岩石流变的数值模拟和工程应用，包括数值解析方法、数值模拟软件的开发与应用等;如何根据工程岩体长期变形特性选取适宜的流变模型，选用合适的流变参数是分析具体工程实际长期稳定性的关键。

(5)其他一些问题的研究，包括岩石流变损伤断裂力学特性、各向异性流变特性、考虑不同含水量的岩石流变、热流变、多场耦合流变、流变电磁效应等问题。