巖體流變力學(xué)特性研究

費(fèi) 大 軍， 詹 候 全， 戴 祺 云

(中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司 監(jiān)測(cè)及試驗(yàn)研究所，四川 成都 610072)

巖體流變力學(xué)特性研究

費(fèi) 大 軍， 詹 候 全， 戴 祺 云

(中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司 監(jiān)測(cè)及試驗(yàn)研究所，四川 成都 610072)

巖體屬于非均質(zhì)、不連續(xù)、各向異性的地質(zhì)介質(zhì)，在長(zhǎng)期荷載作用下，工程巖體的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)、變形破壞特征均隨時(shí)間而不斷發(fā)生變化，具有顯著的時(shí)效特性，巖體表現(xiàn)出的流變特性對(duì)工程安全影響重大。當(dāng)認(rèn)識(shí)不到位、處理不及時(shí)時(shí)施工、運(yùn)行期的工程可能會(huì)出現(xiàn)事故或留下安全隱患。因此，深入、系統(tǒng)地開(kāi)展高拱壩壩基巖體的流變力學(xué)特性與工程穩(wěn)定性研究十分必要。淺談了對(duì)巖體流變特性研究的認(rèn)識(shí)，總結(jié)了目前的研究成果，以期為其它工程提供借鑒與參考。

流變；松弛；蠕變；彈性后效；模型

1 概 述

眾所周知，巖石(體)力學(xué)是一門(mén)既富理論內(nèi)涵、實(shí)踐性又很強(qiáng)的應(yīng)用學(xué)科。巖體被廣泛作為建筑物的基礎(chǔ)以及邊坡和圍巖的介質(zhì)，其自然屬性及工程穩(wěn)定性直接影響到建筑物的運(yùn)行與安全。雖然高拱壩要求建基于堅(jiān)硬、較完整的巖體上，但其壩基巖體往往存在一些地質(zhì)缺陷，如斷層、擠壓錯(cuò)動(dòng)帶、軟弱夾層、蝕變巖帶等軟弱巖帶，以及堅(jiān)硬、性脆、隱微裂隙發(fā)育的“硬、脆、碎”巖體，對(duì)壩基巖體穩(wěn)定不利。同時(shí)，壩基巖體在開(kāi)挖卸荷、大壩荷載及高滲透水壓的長(zhǎng)期作用下將呈現(xiàn)出與時(shí)間有關(guān)的力學(xué)特性，主要表現(xiàn)為：時(shí)效強(qiáng)度和流變損傷斷裂等。這些時(shí)效性的應(yīng)力降低與變形在很大程度上與壩基軟弱巖帶和“硬、脆、碎”巖體在開(kāi)挖卸荷和長(zhǎng)期荷載作用下產(chǎn)生的應(yīng)力松弛和流變變形密切相關(guān)。不連續(xù)性、非均質(zhì)性和隨時(shí)間的變化是工程巖體的基本特點(diǎn)，由此帶來(lái)了巖體力學(xué)性質(zhì)的復(fù)雜性、多變性和獨(dú)特性，因而認(rèn)識(shí)巖體力學(xué)性質(zhì)最直接、最可靠的途徑只能是對(duì)巖體(包括巖塊和結(jié)構(gòu)面)進(jìn)行力學(xué)特性試驗(yàn)研究和變形監(jiān)測(cè)，特別是與時(shí)間有關(guān)的巖體流變力學(xué)特性及其機(jī)理的研究。

2 研究意義

我國(guó)水電資源的總量位居世界第一，其中西部水電資源占81%，但其開(kāi)發(fā)率較低。因此，大力開(kāi)發(fā)西部水電，實(shí)施“西電東送”是我國(guó)西部大開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略的重要組成部分，也符合我國(guó)開(kāi)發(fā)清潔、可再生能源的可持續(xù)發(fā)展國(guó)策。在西部大開(kāi)發(fā)過(guò)程中，我國(guó)西部地區(qū)涌現(xiàn)出了一大批已建、在建和籌建的高拱壩，如已建成的雅礱江二灘拱壩(壩高240 m)、黃河李家峽拱壩(壩高160 m)、烏江構(gòu)皮灘拱壩(232.5 m)、黃河拉西瓦拱壩(壩高250 m)、瀾滄江小灣拱壩(壩高294.5 m)，金沙江溪洛渡拱壩(壩高285.5 m)、雅礱江錦屏一級(jí)拱壩(壩高305 m)、大渡河大崗山拱壩(壩高210 m)；在建的烏東德拱壩(壩高265 m)、金沙江葉巴灘拱壩；籌建的金沙江白鶴灘拱壩(壩高289 m)。此外，正在勘測(cè)設(shè)計(jì)的、壩高200 m以上的拱壩有雅礱江孟底溝、旭龍、怒江同卡、怒江橋、羅拉、松塔、馬吉等。這些高拱壩工程規(guī)模巨大，均要求建基于堅(jiān)硬、較完整的巖體上，但其壩基往往存在一些地質(zhì)缺陷，如斷層、擠壓錯(cuò)動(dòng)帶、軟弱夾層、蝕變巖帶等軟弱巖帶，以及堅(jiān)硬、性脆、隱微裂隙發(fā)育的“硬、脆、碎”巖體，對(duì)壩基穩(wěn)定不利。同時(shí)，壩基巖體在開(kāi)挖卸荷、壩體荷載及高滲透水壓的長(zhǎng)期作用下，將可能呈現(xiàn)出與時(shí)間有關(guān)的變形特性，主要表現(xiàn)為松弛、蠕變、彈性后效、時(shí)效強(qiáng)度和流變損傷斷裂等，對(duì)高拱壩的施工安全及長(zhǎng)期運(yùn)行穩(wěn)定產(chǎn)生不利影響，因此，需要對(duì)其加深勘察設(shè)計(jì)論證力度，并采取有針對(duì)性的基礎(chǔ)處理措施。當(dāng)認(rèn)識(shí)不到位、處理不當(dāng)時(shí)，施工、運(yùn)行期的工程可能會(huì)出現(xiàn)事故或留下安全隱患。如法國(guó)馬爾帕賽拱壩壩高66.5 m，其右岸上部發(fā)育平行壩基的斷層，大壩于1959年12月2日突然潰決，造成400余人死亡[1]；我國(guó)安徽省梅山連拱壩壩高88 m，1962年11月6日其右岸壩基突然出現(xiàn)大量滲漏水，壩體出現(xiàn)幾十條裂縫而處于危險(xiǎn)狀態(tài)，被迫放空水庫(kù)進(jìn)行加固[2]；陳村重力拱壩壩高76.3 m，1977～1979年低水位運(yùn)行時(shí)，發(fā)現(xiàn)大壩下游面105 m高程處水平向大裂縫明顯擴(kuò)展，拱冠部位裂縫擴(kuò)展1.39 mm，河床10個(gè)壩段的縫深超過(guò)5 m，壩體出現(xiàn)嚴(yán)重缺陷[3]；佛子嶺連拱壩壩高75.9 m，1993年11月下旬河床13個(gè)垛墻頂向下游的位移量均超過(guò)歷史最大值，被迫控制水位運(yùn)行[4]。這些拱壩出現(xiàn)的較大變形與破壞在很大程度上均與壩基巖體軟弱巖帶等在荷載長(zhǎng)期作用下產(chǎn)生的流變變形密切相關(guān)。因此，深入、系統(tǒng)地開(kāi)展高拱壩壩基巖體流變力學(xué)特性與工程穩(wěn)定性研究是十分必要的，其研究成果不僅對(duì)高拱壩設(shè)計(jì)具有直接的應(yīng)用和推廣價(jià)值，而且對(duì)高拱壩施工開(kāi)挖安全、運(yùn)行長(zhǎng)期穩(wěn)定具有重大的工程意義和社會(huì)意義；同時(shí)，其極大地豐富了巖體流變力學(xué)特性研究的理論與實(shí)踐，具有重大的理論意義。

3 研究現(xiàn)狀

國(guó)外自20世紀(jì)30年代以來(lái)開(kāi)始對(duì)巖石流變特性及其本構(gòu)關(guān)系開(kāi)展了試驗(yàn)與理論研究。1939年，Griggs根據(jù)對(duì)砂巖、泥巖、粉砂巖等進(jìn)行的蠕變?cè)囼?yàn)，提出了采用對(duì)數(shù)型經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)描述巖石流變本構(gòu)關(guān)系。

我國(guó)的巖石流變力學(xué)研究始于20世紀(jì)50年代末期，巖石力學(xué)界的先驅(qū)者陳宗基先生對(duì)砂巖進(jìn)行過(guò)8 400 h的蠕變?cè)囼?yàn)，研究了巖石的封閉應(yīng)力、蠕變和擴(kuò)容現(xiàn)象，建立了巖石流變擴(kuò)容方程[5]。

中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司早在20世紀(jì)80年代即在二灘水電站對(duì)壩基蝕變玄武巖進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)柔性承壓板(直徑1 000 mm)巖體壓縮蠕變?cè)囼?yàn)；2000年在溪洛渡水電站對(duì)壩基層間層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)帶開(kāi)展了現(xiàn)場(chǎng)柔性承壓板(直徑1 000 mm)巖體壓縮蠕變?cè)囼?yàn)[6]；2003年在錦屏一級(jí)水電站對(duì)壩基綠片巖、層間擠壓帶進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)柔性承壓板(直徑1 000 mm)巖體壓縮蠕變和室內(nèi)中型剪切流變?cè)囼?yàn)；2006年在大崗山水電站對(duì)壩基輝綠巖脈及斷層破碎帶進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)中心孔剛性承壓板(直徑1 000 mm)巖體壓縮蠕變?cè)囼?yàn)[7]；2010年在錦屏一級(jí)水電站對(duì)壩址左岸f42-9斷層開(kāi)展了現(xiàn)場(chǎng)剛性承壓板(直徑500 mm)巖體壓縮蠕變和室內(nèi)中型剪切流變?cè)囼?yàn)。2009年，中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司在白鶴灘水電站對(duì)壩基柱狀節(jié)理玄武巖進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)柔性雙枕法(30 cm×50 cm)巖體壓縮蠕變和層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)帶剪切流變?cè)囼?yàn)。通過(guò)上述一系列現(xiàn)場(chǎng)原位巖體壓縮蠕變?cè)囼?yàn)、室內(nèi)巖石流變力學(xué)試驗(yàn)、理論分析、數(shù)值仿真和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)等，取得了一批具有較高價(jià)值的成果，在對(duì)高拱壩壩基巖體流變力學(xué)特性與工程穩(wěn)定性的研究中進(jìn)行了有益的探索，并將其初步應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)軟巖、軟弱巖帶進(jìn)行了不同加載條件下的單、三軸壓縮蠕變?cè)囼?yàn)。但針對(duì)堅(jiān)硬、性脆、隱微裂隙發(fā)育的“硬、脆、碎”巖體尚未開(kāi)展其在不同應(yīng)力路徑下的室內(nèi)三軸壓縮蠕變?cè)囼?yàn)；對(duì)巖石流變力學(xué)特性的試驗(yàn)研究也主要集中在室內(nèi)試驗(yàn)方面，而由于現(xiàn)場(chǎng)流變?cè)囼?yàn)耗資、費(fèi)時(shí)、難度較大，僅開(kāi)展了少量現(xiàn)場(chǎng)巖體壓縮蠕變?cè)囼?yàn)及現(xiàn)場(chǎng)巖體剪切流變?cè)囼?yàn)，尤其針對(duì)“硬、脆、碎”巖體的研究更是處于空白狀態(tài)[8]。

巖石(體)流變力學(xué)特性的研究現(xiàn)狀具有以下顯著特點(diǎn)：

(1)研究對(duì)象。

①流變?cè)囼?yàn)的研究對(duì)象仍以巖石為主，僅在少數(shù)工程進(jìn)行過(guò)巖體壓縮蠕變?cè)囼?yàn)，其試驗(yàn)結(jié)果不能全面反映巖體流變的實(shí)際特性。工程巖體由結(jié)構(gòu)面分割并形成一定的結(jié)構(gòu)類(lèi)型，其蠕變變形和長(zhǎng)期強(qiáng)度受結(jié)構(gòu)面和結(jié)構(gòu)體兩方面流變特性的影響。因此，有必要進(jìn)行結(jié)構(gòu)面和含結(jié)構(gòu)面巖體的流變?cè)囼?yàn)。

②流變?cè)囼?yàn)主要集中在軟巖流變力學(xué)特性研究方面，而對(duì)于堅(jiān)硬巖石(花崗巖、灰?guī)r、輝綠巖)流變力學(xué)特性的研究相對(duì)較少。這主要是人們對(duì)軟巖和軟弱巖帶具有明顯的流變特性認(rèn)識(shí)較深，而對(duì)堅(jiān)硬巖石流變特性的認(rèn)識(shí)還有待深化。

(2)研究?jī)?nèi)容。

①對(duì)變形進(jìn)行的研究較多，對(duì)強(qiáng)度進(jìn)行的研究少。已有的巖體流變?cè)囼?yàn)研究以壓縮蠕變?cè)囼?yàn)為主，剪切流變?cè)囼?yàn)開(kāi)展的較少。

②尚無(wú)人開(kāi)展“硬、脆、碎”巖體的流變力學(xué)試驗(yàn)，包括巖石室內(nèi)三軸壓縮蠕變?cè)囼?yàn)、巖體現(xiàn)場(chǎng)壓縮蠕變?cè)囼?yàn)及剪切流變?cè)囼?yàn)。

③對(duì)巖體卸荷松弛時(shí)間效應(yīng)研究的少。

通過(guò)大量加載試驗(yàn)的進(jìn)行及理論分析，目前已建立起反映巖體在加載條件下發(fā)生變形破壞的、較為完整的理論。然而，由于卸荷松弛與連續(xù)加載具有完全不同的應(yīng)力路徑，兩者所引起的巖體變形和破壞特性無(wú)論在力學(xué)機(jī)理還是力學(xué)響應(yīng)上都有很大差異，故沿用連續(xù)加載強(qiáng)度理論來(lái)預(yù)測(cè)工程巖體在開(kāi)挖卸荷作用下的力學(xué)特性及其穩(wěn)定性顯然會(huì)產(chǎn)生明顯的誤差。

在工程界，對(duì)巖體松弛及時(shí)效變形測(cè)試的主要方法有：地震聲波法、超聲波測(cè)井法、探地雷達(dá)、微地震監(jiān)測(cè)、鉆孔全景圖像測(cè)試及多點(diǎn)位移計(jì)監(jiān)測(cè)等。國(guó)內(nèi)利用長(zhǎng)觀孔聲波及鉆孔全景圖像測(cè)試對(duì)壩基巖體的松弛情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)是最近幾年才發(fā)展起來(lái)的。

(3)研究設(shè)備與方法、手段。

①早期的流變力學(xué)試驗(yàn)設(shè)備與方法較落后，試驗(yàn)條件僅能在一定程度上還原巖體原始賦存環(huán)境，其隨科技水平的發(fā)展正在逐漸改進(jìn)。

②研究方法和手段的不足主要體現(xiàn)在：

a.僅開(kāi)展了少量現(xiàn)場(chǎng)巖體壓縮蠕變?cè)囼?yàn)，未開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)巖體剪切流變?cè)囼?yàn)。由于現(xiàn)場(chǎng)巖體流變?cè)囼?yàn)人力物力投入大、技術(shù)難度大、試驗(yàn)周期長(zhǎng)；而室內(nèi)巖石流變?cè)囼?yàn)條件易控制、成本較低，故對(duì)室內(nèi)巖石流變力學(xué)試驗(yàn)研究開(kāi)展的較多。

b.宏觀研究多，微觀研究少。由于目前測(cè)試技術(shù)的制約及研究方法的不完善，在微細(xì)觀上對(duì)巖石流變特性大多進(jìn)行的是定性的研究，而定量化的研究成果較為少見(jiàn)。

c.巖體流變力學(xué)特性與其內(nèi)在的地質(zhì)機(jī)理研究結(jié)合的少。壩基巖體作為地質(zhì)體的一部分，其地質(zhì)本質(zhì)應(yīng)包括物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)構(gòu)造、賦存環(huán)境(地應(yīng)力、地下水、溫度)等。如在高地應(yīng)力條件下，巖石自然埋藏中擠壓緊密，巖石結(jié)構(gòu)效應(yīng)淡化，其物理力學(xué)性能強(qiáng)于低應(yīng)力條件下的巖石。當(dāng)巖石從高應(yīng)力向低應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)化時(shí)，聚集的應(yīng)變能釋放，伴隨著體積膨脹、結(jié)構(gòu)松弛、結(jié)構(gòu)效應(yīng)顯化，同時(shí)其物理力學(xué)性能下降，甚至比長(zhǎng)期低地應(yīng)力條件下的巖石更差。

通過(guò)宏觀巖石流變?cè)囼?yàn)，得到了各種巖石的流變力學(xué)特性，但由于缺少對(duì)巖石所處宏觀地質(zhì)環(huán)境及流變微細(xì)觀物質(zhì)、結(jié)構(gòu)變化的研究，對(duì)巖石流變機(jī)理無(wú)法解釋清楚。因此，既要對(duì)巖石流變的力學(xué)現(xiàn)象進(jìn)行深入的認(rèn)識(shí)，還要對(duì)巖石流變的本質(zhì)進(jìn)行深入研究，才能從巖石賦存環(huán)境及微細(xì)觀結(jié)構(gòu)變化的角度把握巖石流變力學(xué)特性及其規(guī)律。

(4)理論水平尚未成熟。

國(guó)內(nèi)對(duì)巖石流變力學(xué)特性的研究隨著葛洲壩、二灘、三峽等大型水電工程的興建而成為巖石力學(xué)研究的熱點(diǎn)，但至今其理論水平尚不成熟。國(guó)內(nèi)外流變研究重視巖石流變力學(xué)試驗(yàn)的設(shè)計(jì)與研究及在此基礎(chǔ)上的流變本構(gòu)模型的建立與參數(shù)選取，而相對(duì)忽視從地質(zhì)科學(xué)的角度作出流變力學(xué)行為的解釋?zhuān)溲芯坷碚撊鄙俚刭|(zhì)機(jī)理的分析。

(5)工程應(yīng)用。

巖石流變的本構(gòu)模型研究是巖石流變力學(xué)理論研究中最基本、也是最重要的組成部分，同時(shí)也是將試驗(yàn)研究成果用于工程實(shí)踐的必經(jīng)環(huán)節(jié)。經(jīng)過(guò)數(shù)十年的研究，巖石力學(xué)與工程界已經(jīng)積累了許多關(guān)于巖石流變本構(gòu)模型的理論研究成果。

但是，現(xiàn)有的巖石流變模型主要是通過(guò)對(duì)流變?cè)囼?yàn)結(jié)果進(jìn)行分析、建立符合試驗(yàn)曲線(xiàn)的元件組合模型或經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，而元件組合模型和經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ褪菬o(wú)法描述加速流變階段的，盡管有些學(xué)者也提出了一些可以描述巖石加速流變階段的非線(xiàn)性流變?cè)Ｐ?，但由于這些模型方程復(fù)雜，模型參數(shù)多，目前多停留在理論研究階段，離實(shí)際應(yīng)用尚遠(yuǎn)，與工程應(yīng)用結(jié)合甚微。

4 結(jié) 語(yǔ)

(1)巖石流變特性的研究必須由外及內(nèi)、從現(xiàn)象到本質(zhì)、將宏觀與微觀相結(jié)合才能將巖石流變特性研究透徹，掌握其內(nèi)在規(guī)律，提高理論水平，從而對(duì)其進(jìn)行有效地控制和利用，更好地為工程建設(shè)服務(wù)。

(2)高拱壩工程規(guī)模巨大，且其均要求建基于堅(jiān)硬、較完整的巖體上，但其壩基往往存在一些地質(zhì)缺陷，如斷層、擠壓錯(cuò)動(dòng)帶、軟弱夾層、蝕變巖帶等軟弱巖帶，以及堅(jiān)硬、性脆、隱微裂隙發(fā)育的“硬、脆、碎”巖體，對(duì)壩基穩(wěn)定不利。為揭示巖體流變力學(xué)特性，根據(jù)筆者多年的工作體會(huì)，總結(jié)出以下巖體流變力學(xué)研究的技術(shù)路線(xiàn)(圖1)。

圖1 研究技術(shù)路線(xiàn)圖

(3)根據(jù)巖體流變力學(xué)試驗(yàn)研究成果，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，指導(dǎo)施工。不僅能夠豐富和拓寬巖石力學(xué)學(xué)科研究領(lǐng)域的內(nèi)容，而且可以為實(shí)際巖體工程提供有價(jià)值的成果，具有重要的理論意義，為其它工程類(lèi)似問(wèn)題的處理提供重要的借鑒與參考。

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(責(zé)任編輯：李燕輝)

2016-12-24

TV7;TU192;[TV221.2];TV522

B

1001-2184(2017)01-0004-04

費(fèi)大軍(1974-)，男，四川仁壽人，高級(jí)工程師，學(xué)士，從事巖土工程方面的試驗(yàn)研究工作;

詹候全(1984-)，男，四川眉山人，高級(jí)工程師，學(xué)士，從事水工混凝土試驗(yàn)研究及試驗(yàn)室管理工作；

戴祺云(1984-)，男，四川成都人，工程師，學(xué)士，從事巖土工程試驗(yàn)研究工作.