岩石的封闭应力_蠕变和扩容及本构方程

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1、1。,,([991)42。。一312ChineseJourualofoekMeehaniesRCSRMEandEngineering力二知扣农饿o.0o41日grVl一N岩石的封闭应力、蠕变和扩容及本构方程’}巫囚(中国科学院地球物理研究所,北京1。。101)提要、以火成岩,变质岩和某些沉积岩的多种矿物和多晶体结构为基础本文对岩石的变形特性做了微观流变分析,此外还考虑了砂岩类岩石的多颗粒结构.对岩石形成和构造运动的历史也做了适当的考虑.,:文中给出并分析了宜昌砂岩的扭转蠕变试验结果并介绍了一种新的试验方法这种方法是对岩

2、石样品施加一个阶梯状加载函数并量测其变形随时间的变化.采取这种方式,只需.在,从一些典型的一个样品上进行试验就可以很容易地得出蠕变与应力及时间的函数关系”,.,“试验结果入手就封闭应力的起源和形成提出了一种假说并研究了内应变能的释放resspets,:“论述了这些应力包裹体(Stock)在实际中的重要性并着重指出蠕变和封闭应力是岩石性状中的两个基本因素,在实践中必须仔细地加以研究.,;ra在实验结果和物理推理的基础上建立了本构方程它们是Giggs的实验方程丫~+c..blogt十t的三维推广在所,建立的本构方程中各材料

3、参数都是应力不变量的标量函数一、引言岩体的蠕变是岩石工程中的一种不可忽视的重要性能.作用于地下结构物衬砌上的载荷会随着时间而增长,大型边坡和地下洞室的变形会逐渐加大,有时并会引起灾难性的后果;;坝肩要发生蠕变;所有这些矿柱的长期强度以及其他一些类似的现象引起了许多科学家和工程师的关注.一个岩体可视为一个被多组裂隙和断层所切割的连续介一“Roeoe称nie,’,x3,5一22,1080,,.本文曾发表于kMh今译成中文发表以飨读者_岩石力学与工程学报Vol10邻.质一个岩体的变形是其中的各个岩块之间沿裂隙面的相对位移与岩

4、块自身的变形发生复.杂的相互作用的结果我们所面临的一个巨大的挑战是要提出一个能反映地质资料的.,力学模型值得称赞的是以Moller(1974)为首的奥地利学派提出了他们关于岩体.eeeean的概念并发展了构造力学(Gfogmhik):“”本文将论述迄今尚未得到充分注意的两个问题岩石样品的流变性能和封闭应力,.,,(M以ler1974)在含节理的岩石中蠕变变形可能主要受节理的流变性所控制因o,,此必须大力推进对节理力学性能(Godman,976)和节理蠕变(Tan,965)的杯.,tera讨关于在地壳与地慢条件下的蠕变研

5、究现已积累了大量的实验资料(Carnd,,,Kirby1978);相比之下工程岩石力学中的蠕变研究则仍处于开始阶段但却日益受到重视.应力和应变张量可以进一步分为偏张量和静水张量两个分量。有关蠕变的大部分研,son,;究工作都是探讨在恒定载荷作用下应变偏量的变化其中有扭转(Michel1917,、,,Lomnitz2956)单轴和(或)三轴压缩(Griggs一939;Robertson;1963;Priee,,,2964:Hendron1965:AfrouzandHarvey1974;LoeknerandByerlee1

6、977;a,、,WillimsandEllizi1976)以及弯曲(熊谷直一桩呜贞雄和伊藤英文2978;,.,,,Price1964)通常观测到的都是对数蠕变但据日本的文章中报导在花岗岩中,出现了定常蠕变.首次对一个隧洞的蠕变试验是于1959继10年的过渡蠕变之后年在.当时,IA,以我国进行的本文第一作者创议开挖了一个形状和尺寸如图所示的隧洞.隧洞顶板的下垂运动随时验证他关于花岗岩在工程应力作用下能够发生流变的想法间的变化如图IB.这一结果足以驳倒流行的地压理论.这些结果表明,必须把坚牢所示的岩石视为弹粘塑性材料,它能

7、通过向内运动而把它的内应变能释放掉一部分.于是,合,,先让岩石最大限度地把这种能量释放出来.这样一乎逻辑的做法是在加衬砌之前,采用更经济又轻便的衬砌便可满足.来N43OW时间(刁对)101001000—10000100000引川刁引日州’l30245月10.0.0.0.0..i,只滚可订汀价J东{蒸:铃划()的;奖音1.0】‘11.21。3._一~孟.14:石二,,一】一J气.‘的为习一二’一,。l5一1.61.71.8图l某隧洞的蠕变.Fig1Creepofatuonel、.:No4陈宗基等岩石的封闭应力塌变和扩容及

8、本构方程岩爆的发生;以及边坡和隧洞的向内运动都与残余应力有关大型边坡在蠕变过程中逐,,.渐解体而成为块体则是众所周知的事实(Emery1964;Voight1966)尽管残余,.应力在实用中是很重要的但这方面的研究却很少这些初始应力一般被定义为在经历了复杂的岩石形成和构造运动的历史之后迄今仍残留下来的应力.本文将对“封闭”应力、它