前言

岩石力学特性的时间效应是岩石力学研究中的重要课题之一，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，也称作岩石的流变特性;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愈来愈复杂，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、发展并最终完成的。当前所规划建设的许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力学时效特性研究的对象与任务。因此，在岩石工程中充分考虑流变现象，明确岩石力学特性的时间效应与破裂机理，建立能够描述岩石流变力学特性的本构模型，探讨流变力学参数的非定常规律与长期强度的确定方法，无论从经济合理的角度还是从稳定安全的角度来说都是十分必要的。

本书采用岩石全自动三轴流变伺服试验系统，针对砂岩、泥岩、蚀变岩、片麻岩、软硬互层岩等，开展了较为系统的单轴、三轴、剪切流变试验，研究了岩石蠕变、弹性后效、应力松弛特性。分析了不同围压作用下岩石变形随时间的变化规律，研究了不同种类岩石流变过程中的变形特性，探讨了加速流变阶段岩石变形的发展趋势和特征;同时通过对岩石流变破裂断口进行微细观电镜扫描实验，分析了岩石流变破裂形式与机制。将优化算法嵌入到普通最小二乘法中，得到一种能快速准确地逼近精确解，并且不易收敛于局部极小点的算法。基于获得的岩石流变试验结果，采用优化后的算法，对流变模型参数进行辨识，探讨了流变参数与围压、应力水平的非定常性规律。综合分析了不同的岩石长期强度确定方法，并基于岩石稳态流变阶段的流变速率与应力水平的关系，提出了一种应力区间的稳态蠕变速率岩石长期强度确定方法，该方法便捷直观，适用于稳态流变阶段较为显著岩石来确定其长期强度。提出了一种非线性牛顿体，并结合其他元件组合得到了一个能较好反映岩石流变的非线性特征的黏弹塑性流变模型，利用试验得到的流变曲线对非线性流变力学本构模型的参数进行辨识。认为岩石加速流变过程中的流变损伤定义为与应力水平和时间有关，提出相应的损伤演化方程，将提出的非线性硬化函数和损伤演化方程引入到Maxwell流变模型中去，得到了一个能够较好地反映岩石非线性流变的三个阶段损伤流变模型。假定岩石非线性加速流变变形过程中，岩石内部的损伤量服从时间的Weibull分布，利用统计损伤来描述加速流变阶段的非线性流变变形，在Burgers流变模型中加入统计损伤，得到相应的损伤流变模型。利用岩石流变力学试验数据作为神经网络系统的输入和输出的分析样本，通过神经网络内部一个高度非线性的动态模拟系统，对学习样本的自学习来掌握岩石流变力学特性，从而建立神了经网络岩石流变本构模型。基于第一级应力水平所对应的蠕变参数，根据相对卸荷量的变化引入损伤来描述其他各级蠕变参数的弱化规律，得到了通过一组参数与基于相对卸荷量的损伤演化方程来统一描述卸荷蠕变特性的参数取值方法。基于三维Burgers蠕变本构模型，引入相对卸荷量及蠕变时间相关的损伤演化方程，得到可以统一反映分级加载条件下蠕变特性，且能够描述加速蠕变变形阶段非线性特征的岩石卸荷非线性损伤蠕变模型。依据岩石蠕变变形不同阶段的力学特征，划分出了岩石由变形发展至破裂需经历的不同黏弹塑性状态，并给出了相应状态的蠕变力学特性;假定岩石在三轴压缩试验条件下，发生延性剪切破坏，推导了应变空间Drucker-Prager准则的临界状态转化的最大剪应变判别式;基于Perzyna黏塑理论，考虑后继屈服硬化作用，引入统计损伤因子，构建了能描述非线性加速蠕变特性的黏弹塑性损伤演化模型。将提出的岩石非线性黏弹塑性流变本构与经典的Mohr-Coulomb模型进行相应的串联，并用基于Mohr-Coulomb准则确定的岩石长期强度作为开始进入非线性加速流变阶段的阀值，构建出一个既能反映岩石弹塑性变形特性又能很好地描述岩石流变阶段变形的复合非线性黏弹塑性流变模型。

依托小湾水电站坝基与向家坝地下厂房长期稳定性工程实际，开展了相关研究工作。基于三维非线性数值分析方法，采用黏弹塑性流变本构模型，模拟了小湾水电站长期运营条件下的流变力学行为，并与弹塑性计算条件下进行了对比分析。结果表明:小湾水电站拱坝及坝肩岩体长期流变变形明显大于弹塑性变形;考虑岩石流变作用使得应力场随时间增长发生重分布，局部应力集中现象有所缓解;坝肩岩体受力初期表现出较为显著的流变特性，流变一定时间后，流变速率变得恒定平稳，流变变形趋于稳定。模拟了向家坝水电站地下洞室围岩的流变力学行为，根据主厂房顶拱位移变化率规律确定出了开挖洞室二次支护的时间;对比分析了瞬时弹塑性条件下与考虑流变特性条件下洞室开挖后，围岩的位移变形，应力场及塑性区的分布;数值模拟结果表明，由于着软弱夹层的影响，洞室围岩发生较大的变形，特别是在开挖洞室与软弱夹层的交汇处围岩随着时间的长期变形量会更大，这对洞室的稳定性有着一定的影响;对于水电站地下洞室的长期稳定性分析，充分考虑岩体流变效应是非常重要和必要的。

本书所包含的研究成果，得到了国家自然科学基金项目(No.51579017，No.51479102，No.51109014)、长江科学院基本科研业务费项目(CKSF2016008/YT)、长江科学院院级创新团队及培育期创新团队建设项目(CKSF2017066/YT)、防灾减灾湖北省重点实验室(三峡大学)开放基金项目(2016KJZ01)的资助。在撰写过程中得到了长江科学院、河海大学、三峡大学等有关单位和个人的支持和帮助，在此表示衷心地感谢。

由于本书完成时间紧迫，作者水平有限，书中难免有错误和不当之处，恳请读者与专家批评指正。

作　者

2017年1月