田 佳

(楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 陜西 楊凌 712100)

深埋軟巖供水隧洞蠕變特性研究進展

田 佳

(楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 陜西 楊凌 712100)

水利水電建設(shè)及跨區(qū)域調(diào)水工程最為常見；具有強度低，孔隙率高，吸水性好，易風(fēng)化，且具有突出的水理性(遇水軟化、膨脹、崩解)和顯著的流變特性。結(jié)合水利工程及深部軟巖工程災(zāi)變規(guī)律及控制難題，詳述了供水隧洞軟巖的水理特性、力學(xué)特性、蠕變機理、蠕變量計算及本構(gòu)模型研究進展，梳理了軟巖力學(xué)特性研究現(xiàn)狀，展望了相關(guān)有待研究的方向。

軟巖；水理特性；彈塑性；蠕變；本構(gòu)模型

軟巖是地球表面分布最為廣泛的一種巖石，具有強度低，孔隙率高，滲水、吸水性好，易風(fēng)化，易崩解，尤其是其顯著的流變特性[1]。據(jù)統(tǒng)計約有2/3水電工程項目不同程度的涉及到軟巖工程地質(zhì)問題[2]。位于烏倫古河右岸臺地的北疆供水隧洞圍巖為泥質(zhì)砂巖和泥巖、砂質(zhì)泥巖夾少量含礫砂巖，出現(xiàn)了大變形和底部裂縫災(zāi)害。東深供水工程通過泥質(zhì)軟巖，出現(xiàn)軟化和蠕變現(xiàn)象。甘肅引洮供水一期工程總干渠3號隧洞穿越三疊系青灰色變質(zhì)砂與泥鈣質(zhì)板巖互層，建設(shè)階段即出現(xiàn)洞室收斂變形較大，大部分洞段出現(xiàn)噴混凝土裂縫、鼓包、掉塊和鋼拱架變形及塌方等險情；二期工程渠線主要穿越在黃土覆蓋的中新生代凹陷盆地內(nèi)，廣泛分布紅色碎屑巖，是一種特殊的極軟巖類，隧洞開挖后，出現(xiàn)向洞內(nèi)擠入的剪切滑移、底鼓及洞縮現(xiàn)象。美國圣弗蘭西斯壩，因黏土膠結(jié)的砂礫巖被水浸潤軟化而引起滑動；印度的堤格拉壩在砂頁巖互層中發(fā)生滑動[3]?？梢?，深部軟巖工程災(zāi)變規(guī)律及控制問題已成為關(guān)系到國家財產(chǎn)和人民生命安全的重大問題，也是國內(nèi)外巖石力學(xué)與地下工程領(lǐng)域研究的焦點問題。開展深埋軟巖供水隧洞蠕變機理、發(fā)展規(guī)律及防治技術(shù)研究具有深刻的科學(xué)和工程意義。本文結(jié)合現(xiàn)有研究，詳述了軟巖的水理特性、力學(xué)特性、蠕變機理、蠕變量計算及本構(gòu)模型研究進展。

1 軟巖的水理特性

軟巖最突出的特點是其敏感的水理性，絕大數(shù)軟巖具有遇水易泥化鼓脹，巷道開挖遇水后出現(xiàn)很大的鼓脹性、流變性，穩(wěn)定性極差；原因是多數(shù)軟巖為多種黏土礦物的組合體，礦物組合及黏土礦物含量影響著膨脹與崩解性，膠結(jié)物成分及含量、膠結(jié)程度影響軟化崩解特性。明世祥等[4]以錫鐵山鉛鋅礦深部圍巖為對象，通過軟化、崩解和膨脹性實驗，測定了其在水的作用下發(fā)生的軟化、膨脹和崩解等特性。楊林德等[5]通過瞬態(tài)壓力脈沖法，測試了泥質(zhì)粉砂巖和褐紅色泥巖2種典型軟巖全應(yīng)力-應(yīng)變過程中的滲透系數(shù)及變化特征。軟巖隨巖性和成巖礦物的不同，其水理特性(滲透系數(shù)、膨脹系數(shù)、崩解系數(shù)、軟化系數(shù))各異。

軟巖遇水后會軟化，力學(xué)性質(zhì)會發(fā)生較大變化，其強度及剛度均大幅度降低[6]。軟巖軟化的機制問題是涉及到軟巖力學(xué)變異性和工程設(shè)計的重要問題，常用研究手段主要有掃描電鏡、偏光顯微鏡、能譜分析、粉晶X射線衍射以及巖石的物理力學(xué)測試等，以測定軟巖微觀結(jié)構(gòu)、礦物成分、物理力學(xué)性質(zhì)、水溶液的化學(xué)成分及其隨時間的變化特點，進而揭示軟巖性質(zhì)軟化的動態(tài)變化規(guī)律，以從微觀角度探究其軟化機制。周翠英等[7]針對華南地區(qū)廣為分布的“紅層”——紅色砂巖、泥巖以及炭質(zhì)泥巖等特殊軟巖，結(jié)合廣東省東深供水改造工程建設(shè)，應(yīng)用綜合研究手段得出軟巖中黏土礦物吸水膨脹與崩解機制、離子交換吸附機制及軟巖與水相互作用的微觀力學(xué)作用機制在該類軟巖軟化中起主導(dǎo)作用。黃宏偉等[8]通過掃描電鏡與X射線衍射儀對不含蒙脫石的華北中生代煤系地層泥巖的微觀結(jié)構(gòu)與物質(zhì)組成進行了分析，研究了該泥巖遇水軟化過程中微觀結(jié)構(gòu)隨時間變化的動態(tài)特征。何滿潮等[9]采用自主研發(fā)的軟巖水理作用測試儀對深井泥巖進行吸水試驗，并建立了泥巖吸水過程函數(shù)，揭示吸水特性在時間序列上分為減速吸水和等速吸水兩個階段，吸水量和吸水時間雙對數(shù)關(guān)系曲線呈上凸、下凹和直線3種類型。將軟巖的軟化定量化應(yīng)是重要研究方向之一。

軟巖的膨脹是礦物晶胞間吸收不定量水分子造成的“粒內(nèi)膨脹”和礦物顆粒擴散層厚度增大造成的“粒間膨脹”的綜合表現(xiàn)，初始含水率影響著軟巖浸水后能夠產(chǎn)生的最大膨脹量(見圖1)[10]。膨脹性機理主要有兩種機制說[11]：分子膨脹機制認(rèn)為這是因為有些種類的黏土礦物的晶體構(gòu)造是活動的，稱為膨脹晶格構(gòu)造，水分子能夠進入晶層之間，形成水化膜夾層引起晶格擴張，從而導(dǎo)致巖土體宏觀體積膨脹；膠體膨脹機制認(rèn)為，結(jié)合水形成水化膜，使黏粒的體積膨脹，由于黏粒極小，表面積很大，因此這種吸附作用極其明顯；這時的黏粒將形成膠體，黏粒表面形成很厚的水化膜吸附層，使得黏土在宏觀上產(chǎn)生膨脹?？傊泿r遇水膨脹、失水收縮與其軟化以及崩解相互影響，機制復(fù)雜，定量研究頗具難度。

圖1 軟巖體積變化率與含水率關(guān)系[10]

軟巖的崩解受黏土礦物含量及類型、膠結(jié)物類型及固結(jié)程度等因素的綜合影響。一般膨脹礦物高的巖石浸水后巖石結(jié)構(gòu)易遭受破壞產(chǎn)生崩解，鈣質(zhì)膠結(jié)的巖石具有一定的穩(wěn)定性。軟巖巖石完整性也控制著其崩解性能，裂隙越發(fā)育，裂隙兩側(cè)的巖石越易發(fā)生崩解、膨脹?，F(xiàn)階段，研究軟巖崩解的室內(nèi)方法主要有室內(nèi)浸水崩解和耐崩解試驗。王浪等[12]基于不同崩解性試樣比較了兩種實驗方法的差異性，并提出了三種崩解機制。劉長武等[13]通過掃描電子顯微鏡、X射線衍射儀等測試，結(jié)合泥巖遇水后宏觀物理-力學(xué)性質(zhì)的變化規(guī)律，從泥巖的微觀結(jié)構(gòu)及物質(zhì)組成等方面，闡述了泥巖遇水的崩解軟化機理?？紤]受荷條件等軟巖真實賦存環(huán)境的崩解研究有必要開展。

2 軟巖常規(guī)力學(xué)特征

何滿潮[3]提出了工程軟巖的概念，工程軟巖是指在工程力作用下能產(chǎn)生顯著塑性變形的工程巖體。常規(guī)地質(zhì)軟巖指“強度低，孔隙大，膠結(jié)程度差，受構(gòu)造切割面及風(fēng)化影響顯著或含有大量膨脹黏土礦物的松、散、軟、弱巖層”。

國外對軟巖力學(xué)特性的實驗和理論研究相對較早[14]，從20世紀(jì)80年代就已經(jīng)進行了諸多研究。Kwan Y L等[15]對取于卡爾加里市中心的軟弱泥巖巖樣進行了較全面的強度和變形室內(nèi)試驗研究，測取了巖樣的彈性參數(shù)和強度指標(biāo)。Lee D H等[16]基于工程角度，通過現(xiàn)場足尺試驗研究了新型土工技術(shù)對維護和提高泥巖邊坡穩(wěn)定性的有效性。周翠英等[17]通過對華南地區(qū)的紅色砂巖、泥巖及黑色炭質(zhì)泥巖等不同類型的典型軟巖在不同飽水狀態(tài)下的試驗研究，探討了軟巖軟化的力學(xué)規(guī)律。廖紅建等[18]對硅藻質(zhì)軟巖試樣進行了不同圍壓和不同加載速率的固結(jié)不排水三軸試驗，指出硅藻質(zhì)軟巖具有明顯的應(yīng)變速率效應(yīng)，并在試驗研究的基礎(chǔ)上，應(yīng)用三維彈黏塑性模型研究了硅藻質(zhì)軟巖的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的時間依存性，模擬了軟巖的應(yīng)變速率效應(yīng)。李杭州等[19]通過應(yīng)變控制式固結(jié)不排水三軸試驗，研究了膨脹性泥巖的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系以及強度變化特性。丁祖德等[20]通過循環(huán)三軸試驗研究了動應(yīng)力水平、靜偏應(yīng)力大小及加載頻率對富水砂質(zhì)泥巖塑性應(yīng)變累積特征的影響規(guī)律。

總之，國內(nèi)外對于軟巖力學(xué)特性在試驗、理論方面均進行了相應(yīng)研究，其力學(xué)基礎(chǔ)仍是彈塑性理論。摩爾庫侖屈服準(zhǔn)則確定的主應(yīng)力空間的屈服面為不規(guī)則六棱錐。

D-P(廣義Mises)模型，就是在Mises準(zhǔn)則上加上一項考慮靜水壓力的項，將其屈服面進行三維圖形化，可見D-P屈服準(zhǔn)則確定的屈服面為圓錐形。

1963年英國劍橋大學(xué)的Roscoe等提出了Cam Clay模型，建立了變形與強度之間的關(guān)系，進一步完善了土力學(xué)的理論基礎(chǔ)，它標(biāo)志著現(xiàn)代土力學(xué)的開端；對于富水泥巖及黏土類巖土介質(zhì)，劍橋模型更為適合。修正劍橋模型屈服面是一個橢球形。

近年來，針對劍橋模型理論進行了不同方面的改進或擴展，Ronaldo基于劍橋模型，從常規(guī)各向同性小應(yīng)變模型[21-22]到各向異性、有限應(yīng)變[23]和非飽和模型[24]進行了系統(tǒng)研究。Carter J P等[25]考慮了循環(huán)荷載作用下多種應(yīng)力路徑的影響，通過引入初始屈服面的概念并假定卸載時刻發(fā)生收縮，發(fā)展了劍橋動力本構(gòu)模型。但總的來說，劍橋模型在描述復(fù)雜軟巖和土體力學(xué)特性方面缺陷還是明顯的[26]，偏平面的屈服軌跡為一個Mises圓，屈服準(zhǔn)則為D-P準(zhǔn)則，只反映壓縮狀態(tài)下的屈服特性，不能反映拉壓不等特性(different yield strengths in tension and compression performance，簡稱S-D effect)；只能反映剪切體縮，不能反映剪切體積膨脹；只能反映硬化，不能反映軟化；不能考慮土的結(jié)構(gòu)性的影響等等復(fù)雜情況；不能考慮各向異性和主軸旋轉(zhuǎn)；不能考慮時間的變化和溫度變化。

Hashiguchi、Asaoka等人近年發(fā)展的上、下加載面(上下負荷面)模型對于描述土體超固結(jié)和結(jié)構(gòu)性特征具有不可比擬的優(yōu)勢[27-30]?？琢恋萚31-32]于2003年最早將下加載面的概念引入國內(nèi)，并基于其改進了殷宗澤橢圓-拋物線雙屈服面模型。

從上可見，巖土介質(zhì)各個基本特性的理論研究方法各異，新型本構(gòu)模型不斷涌現(xiàn)。研究指出在20世紀(jì)，上百種巖土的本構(gòu)關(guān)系模型被提出[33]，但得到工程界普遍認(rèn)可的卻極少。然而隨著超高層建筑、高重的土工構(gòu)造物和深埋大跨地下工程的大量興建產(chǎn)生的學(xué)科需求，計算機技術(shù)的飛速發(fā)展提供的科學(xué)支撐技術(shù)，使得探求巖土介質(zhì)在荷載甚至環(huán)境作用下相對精確的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系又成為巖土工程學(xué)科亟待研究的基本熱點問題。

3 軟巖蠕變特性研究現(xiàn)狀

1922年Bingham《流動和塑性》名著的出版，及于1928年在他的倡議下流變協(xié)會的成立標(biāo)志著流變學(xué)成為一門獨立的學(xué)科。1979年第四次國際巖石力學(xué)會議上巖石流變問題被作為會議主題，Langer教授從巖石流變問題的基本概念、研究方法、流變規(guī)律及巖石工程中的流變問題進行了全面的論述，并闡述了這一工作的研究狀況及重大意義，巖土流變的研究從此踏上了快車道。

3.1 軟巖蠕變特性試驗研究進展

材料的流變性能主要表現(xiàn)在蠕變和應(yīng)力松弛兩個方面。狹義的蠕變是指不考慮環(huán)境等因素時材料在恒定載荷作用下，變形隨時間而增大的過程。

巖土蠕變試驗主要分為室內(nèi)蠕變試驗和現(xiàn)場蠕變試驗兩類。由于現(xiàn)場試驗耗資費時、難度較大、且容易受到外界干擾，而室內(nèi)流變試驗具有便于長期觀測、嚴(yán)格控制試驗條件、排除次要因素、重復(fù)試驗次數(shù)多而又耗資較少等優(yōu)點，因此，目前的蠕變試驗主要以室內(nèi)試驗為主。國外試驗研究開展得較早，20世紀(jì)30年代，Griggs D[34]通過對灰?guī)r、頁巖和砂巖等類巖石進行蠕變試驗，提出了砂巖和粉砂等巖石中，當(dāng)荷載達到破壞荷載的12.5%～80%即發(fā)生蠕變的觀點。

Cristescu N D等[35]在其專著《Time effects in rock mechanics》中系統(tǒng)地研究了蠕變的試驗裝備及試驗程序、蠕變的力學(xué)機理與本構(gòu)模型以及蠕變損傷斷裂等問題。Mariacristina Bonini等[36]對Tectonised泥巖進行了不排水流變試驗，試樣表明當(dāng)應(yīng)力達到破壞應(yīng)力的50%時試樣發(fā)生明顯的流變現(xiàn)象。Gase-Barbier M等[37]對黏土質(zhì)巖進行了大量不同加荷方式、不同溫度下的三軸蠕變試驗，研究了蠕變應(yīng)變率和應(yīng)變大小與偏應(yīng)力、溫度及加載歷史的相關(guān)關(guān)系，尤其是得到了試驗10 d后應(yīng)變率就穩(wěn)定下來(10-11s-1)，但經(jīng)過2 a后它仍然保持該速度發(fā)展而沒有衰減這樣一個重要試驗現(xiàn)象。Geraldine Fabre等[38]對泥巖進行了蠕變試驗，得出蠕變第二階段與第三階段存在著應(yīng)力閾值；并指出在蠕變黏塑性變形的過程中，體積發(fā)生變化，并且力學(xué)屬性劣化。Le T M等[39]通過總結(jié)試驗結(jié)果、綜述相關(guān)文獻基礎(chǔ)上指出了巖土蠕變產(chǎn)生的5大機理，為學(xué)者和工程師們從事巖土蠕變的理論發(fā)展和數(shù)學(xué)模型建立提供了更廣闊的思路。

國內(nèi)許多學(xué)者進行了室內(nèi)蠕變試驗和理論研究，取得了豐碩的成果。李永盛[40]在單軸壓縮條件下對大理巖、紅砂巖、粉砂巖和泥巖四種不同巖石材料采用具有伺服控制系統(tǒng)的剛性試驗機進行了蠕變和松弛試驗，指出巖石材料一般都出現(xiàn)蠕變速率減小、穩(wěn)定和增大三個變化階段，并建立了巖石材料應(yīng)力-應(yīng)變-時間的非線性本構(gòu)方程。楊淑碧等[41]對侏羅系沙溪廟組砂巖、泥巖的流變特性進行了系統(tǒng)的流變試驗，指出砂巖、泥巖的流變特性主要受巖性和風(fēng)化程度控制，砂巖松弛現(xiàn)象相對于蠕變更為突出，泥巖蠕變現(xiàn)象相對于松弛更為突出。彭蘇萍等[42]以顯德汪礦主輸送大巷的泥巖為研究對象，進行了三軸壓縮流變試驗，獲取了泥巖的流變參數(shù)，指出在每一個圍壓下都有一個起始流變強度，作用力小于此強度不發(fā)生流變，當(dāng)作用力大于此強度時，試件產(chǎn)生流變。范慶忠等[43]以元件組合模型為基礎(chǔ)，通過引入損傷變量和硬化變量，建立了軟巖非線性蠕變模型；所建立的非線性蠕變模型可以用一個統(tǒng)一的方程描述軟巖蠕變過程三個階段的變形特征。蔣昱州等[44]基于巖石加速蠕變階段的力學(xué)狀態(tài)特征，提出了一個非線性黏滯系數(shù)的牛頓體，建立了一個新的能全面反映巖石衰減、穩(wěn)態(tài)和加速3個蠕變階段的非線性黏彈塑性蠕變模型，并通過三軸蠕變試驗，對所提模型參數(shù)進行了辨識研究。范秋雁等[45]在分析已有巖石蠕變機制研究成果的基礎(chǔ)上，對南寧盆地泥巖進行了一系列單軸壓縮無側(cè)限蠕變試驗和側(cè)限蠕變試驗，分析了泥巖的蠕變特性，配合掃描電鏡，著重分析泥巖蠕變過程中細觀和微觀結(jié)構(gòu)的變化，并提出了泥巖的蠕變機制。熊詩湖等[46]對構(gòu)皮灘水電站第二級升船機基礎(chǔ)的薄層狀頁巖進行了現(xiàn)場原位流變試驗研究，并給出了流變模型。

總之，巖土的蠕變試驗主要基于固結(jié)儀和三軸試驗儀進行，但由于蠕變試驗研究的特點和難度是試驗時間長，應(yīng)變變化量小，對試驗儀器的測量精度和穩(wěn)定性要求相比常規(guī)固結(jié)試驗和剪切試驗要高很多，因而長達數(shù)月以及更長加載歷時的蠕變試驗開展的非常少，有必要開展長加載歷時的蠕變試驗以更為客觀真實的進行蠕變規(guī)律研究。

3.2 蠕變本構(gòu)模型研究進展

如何建立能客觀正確的反映試驗現(xiàn)象和工程監(jiān)測所得的應(yīng)力、應(yīng)變、時間之間關(guān)系即蠕變本構(gòu)模型是巖土流變研究中的關(guān)鍵所在和最終目標(biāo)。巖土蠕變特性理論研究的途徑通常有兩種：一是從微細觀角度出發(fā)，基于高倍掃描電子顯微鏡以及CT試驗機，進行巖石流變微細觀機理的研究，通過微細觀構(gòu)造的變化與機理來推導(dǎo)整體的流變特性[47-48]，但目前看來，這種方法仍只能對流變力學(xué)特性作定性的描述，定量的研究成果極為少見；二是從宏觀角度出發(fā)，根據(jù)蠕變試驗結(jié)果，采用黏彈性以及黏彈塑性理論，損傷與斷裂力學(xué)等理論來建立蠕變本構(gòu)模型[49]；此類從宏觀表現(xiàn)出發(fā)建立流變本構(gòu)方程是蠕變研究的主流。宏觀巖土蠕變模型主要有經(jīng)驗?zāi)Ｐ?、元件模型、屈服面模型等?/p>

3.2.1 經(jīng)驗?zāi)Ｐ?/p>

經(jīng)驗?zāi)Ｐ屯ㄟ^對巖樣在特定的條件下進行一系列流變試驗后，據(jù)所獲試驗曲線擬合而建立。

Griggs D[34]于1939通過試驗得出試驗巖樣存在蠕變變形的三個階段，并可采用下列公式表示：

(1)

式中：t為蠕變時間；a、b、c均為實驗常數(shù)；a相當(dāng)于瞬時的彈性應(yīng)變；blogt為過渡蠕變變形；ct為穩(wěn)定蠕變。

式(1)中采用對數(shù)形式表示第一階段蠕變，但當(dāng)t→0時，過渡蠕變的應(yīng)變率ε(t)趨近于無限大，為了克服這一缺點，Lomnitz C[50]對花崗巖及輝長巖進行恒定扭轉(zhuǎn)蠕變實驗，結(jié)果得到下列公式：

(2)

式中：γ(t)為剪應(yīng)變(弧度)；τ為恒定剪應(yīng)力；G為剪切模量；t為時間；q、a為實驗常數(shù)，且a>1。

Hardy對Indiana石灰?guī)r、Crab Orchard砂巖等進行蠕變實驗提出第一階段蠕變應(yīng)變可采用下式表示：

ε1(t)=A[1-exp(-ct)]

(3)

也可采用更復(fù)雜的公式：

ε1(t)=A[1-exp(-c1t)]+B[1-exp(c2t)]

(4)

式中：A、B、C均為實驗常數(shù)。

第二階段蠕變經(jīng)驗公式有Obert及Duvall提出類似的經(jīng)驗公式：

(5)

對不同類型的巖土介質(zhì)，指數(shù)n有不同取值。

孫均等[51]總結(jié)指出巖石變形-時間曲線全過程的蠕變一般方程為

ε=εe+ε(t)+At+εT(t)

(6)

式中：ε是總應(yīng)變；εe是彈性應(yīng)變；ε(t)是描述初始蠕變的函數(shù)；A為常數(shù)；At和εT(t)分別為描述等速和加速蠕變的函數(shù)。

張學(xué)忠等[52]根據(jù)遺傳繼效理論建立了3參數(shù)冪函數(shù)蠕變模型：

(7)

可見常見的蠕變經(jīng)驗公式有對數(shù)函數(shù)型、冪函數(shù)型、指數(shù)函數(shù)型以及多項式等類型，由于其結(jié)構(gòu)簡單，易被現(xiàn)場工程師所接受而得到了相關(guān)學(xué)者的青睞，但此類公式是對具體巖樣和特定實驗得出的，難以推廣到較為廣泛工況，也不易應(yīng)用到多軸復(fù)雜加載的情形。根據(jù)流變試驗得到的經(jīng)驗?zāi)Ｐ屯ǔＶ环从硯r石流變的外部表象。

3.2.2 元件模型

彈性、塑性和黏性是連續(xù)介質(zhì)的三種基本性質(zhì)，各自在一定條件下反映材料本構(gòu)關(guān)系的一方面的特性。理想彈性模型、理想塑性模型和理想黏性模型是反映這三種性質(zhì)的理想模型，通常稱為簡單模型或者基本的元件模型，其基本特性如表1所示。國內(nèi)外學(xué)者提出了許多著名的組合模型，見表2。

表1 巖土流變基本元件

表2 巖土介質(zhì)流變組合元件模型[53]

3.2.3 屈服面模型

應(yīng)用于巖土工程中的另外一類非線性蠕變模型是屈服面流變模型，是在經(jīng)典彈黏塑性理論的基礎(chǔ)上，研究彈塑性理論三要素(屈服面、關(guān)聯(lián)準(zhǔn)則和硬化定律)隨時間的變化規(guī)律，是一種真正意義上的三維模型，其理論基礎(chǔ)主要為過應(yīng)力理論和非穩(wěn)態(tài)流動面理論[54]。目前根據(jù)屈服面的不同，有單屈服面模型、雙屈服面模型以及邊界面模型和連續(xù)面模型等，一般多以體積應(yīng)變?yōu)橛不瘏?shù)，并可考慮應(yīng)力各向異性和主應(yīng)力軸的旋轉(zhuǎn)。

Penzyna于1966年提出了過應(yīng)力理論來研究黏塑性項[55]。KavazanjianJE等[56]第一次整合體積蠕變和偏態(tài)蠕變規(guī)律，認(rèn)為蠕變變形由體積蠕變與偏態(tài)蠕變組成，體積蠕變與偏態(tài)蠕變各自又可分為瞬時蠕變和延遲蠕變。延遲體積變形采用體積蠕變規(guī)律，延遲偏態(tài)變形采用偏態(tài)蠕變規(guī)律，瞬時偏態(tài)變形采用Kondner的雙曲線模型，較全面地反映了蠕變性狀，成為了建立屈服面流變模型的基礎(chǔ)。AdachiT[57]采用劍橋蓋帽型屈服函數(shù)得出蠕變速率，并給出了黏塑性變形的流動法則。BorjaRI等[58]認(rèn)為，修正劍橋模型屈服面中的硬化參數(shù)不僅是塑性應(yīng)變也是時間的函數(shù)，時間相關(guān)的塑性部分用時間比例系數(shù)通過體積蠕變規(guī)律或偏態(tài)蠕變規(guī)律求取，體現(xiàn)了塑性變形與黏塑性變形的耦合作用。詹美禮等[59]直接將殷宗澤提出的雙屈服面模型中體變硬化參數(shù)和塑性剪應(yīng)變置換成黏塑性體積變形和黏塑性剪切變形，得到一個黏彈塑性雙屈服面模型，該模型既可反映土體剪縮、剪脹特性，又可反映流變性質(zhì)。VermeerPA等[60]利用修正劍橋模型與黏塑性的概念將一維蠕變模型推廣到了三維應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)。廖紅建等[61]采用非關(guān)聯(lián)準(zhǔn)則，屈服面和塑性勢面都為修正劍橋模型形式，提出了考慮時間效應(yīng)、剪脹性的彈黏塑性模型，反映了蠕變試驗中應(yīng)力點接近臨界狀態(tài)線時體應(yīng)變的剪脹現(xiàn)象。殷建華等[62-63]通過引入等效時間的概念，提出了基于劍橋模型屈服面的蠕變本構(gòu)模型，較好的解決了蠕變模型中顯含時間的缺陷并實現(xiàn)了真正意義上的三維蠕變模型；房震[64]在其博士論文中詳細給出了殷氏蠕變模型的推導(dǎo)及數(shù)值實現(xiàn)過程，并應(yīng)用該模型和程序進行了深層水泥土攪拌加固軟土地基的固結(jié)蠕變分析。尹振宇[65]比較系統(tǒng)的闡述了由一維到三維、由非結(jié)構(gòu)性到結(jié)構(gòu)性屈服面蠕變模型的構(gòu)建，所建模型蠕變特性基于常規(guī)壓縮次固結(jié)系數(shù)，仍然難以反映流變過程的非線性和靜水壓力條件下蠕變量的有限性等特點。

4 結(jié) 論

本文針對水利工程和供水項目常遇到的突出的軟巖水理特征、較大的流變變形等工程地質(zhì)問題，著重介紹了軟巖軟化、膨脹及崩解特性研究現(xiàn)狀，綜述了軟巖常規(guī)力學(xué)特性實驗及彈塑性理論研究進展，并就蠕變特性和主要蠕變計算及本構(gòu)模型研究進行了總結(jié)和梳理，基本概況了該領(lǐng)域研究的新進展和主流方向。

(1) 隨成巖礦物、膠結(jié)物成分及含量、膠結(jié)程度影的不同，其水理特性(滲透系數(shù)、膨脹系數(shù)、崩解系數(shù)、軟化系數(shù))各異。軟巖軟化的定量化應(yīng)研究及考慮真實賦存環(huán)境的崩解研究將是有待進一步開展的重要研究方向；軟巖遇水膨脹、失水收縮與其軟化以及崩解相互影響，機制復(fù)雜，定量研究頗具難度。

(2) 軟巖常規(guī)力學(xué)特性試驗主要采用各類三軸試驗(應(yīng)變控制式、循環(huán)動三軸及現(xiàn)場原位大三軸)展開，以測取其在不同動/靜應(yīng)力水平、偏應(yīng)力大小及加載頻率等條件下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系以及強度變化特性；所用本構(gòu)模型主要是Mohr-Coulomb、Druker-Prager模型以及劍橋模型?；谏舷录虞d面概念的改進劍橋模型能考慮巖土材料的拉壓不等特性、結(jié)構(gòu)性、超固結(jié)土及塑性累積變形等，在富水泥巖等軟巖分析中具有突出優(yōu)勢。

(3) 當(dāng)前針對軟巖的蠕變的研究主流方法是基于蠕變實驗測試和結(jié)果分析，采用某理論分析提出或改進蠕變模型。試驗主要以室內(nèi)單軸和三軸試驗為主。軟巖蠕變在一定應(yīng)力水平范圍發(fā)生，相關(guān)實驗給出了當(dāng)荷載達到破壞荷載的約12%～80%即發(fā)生蠕變的觀點。但由于蠕變試驗研究的特點和難度是試驗時間長，對試驗儀器的測量精度和穩(wěn)定性要求相比常規(guī)固結(jié)試驗和剪切試驗要高很多，因而長達數(shù)月以及更長加載歷時的蠕變試驗開展的非常少，有必要開展長加載歷時的蠕變試驗以更為客觀真實的進行蠕變規(guī)律研究。

(4) 軟巖蠕變本構(gòu)模型研究，基于宏觀蠕變實驗，從宏觀表現(xiàn)出發(fā)建立流變本構(gòu)方程是蠕變研究的主流。宏觀巖土蠕變模型主要有經(jīng)驗?zāi)Ｐ?、元件模型、屈服面模型等，元件模型和屈服面模型因其良好的物理意義近年來為廣大研究者最為青睞。

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Progress in the Deep Soft Rock Creep Characteristics of Water Tunnel

TIAN Jia

(YanglingVocational&TechnicalCollege,Yangling,Shaanxi712100,China)

Soft rock is a fine grained sedimentary rock which is the most widely distributed stratum on the surface of the earth whose original constituents are clays or muds. Water conservancy and hydropower construction have been or will be constructed over it. It’s noticed by the characteristics of low strength, high porosity, absorption, easy to weathering, prominent water physical characteristics (water softening, swelling, disintegration) and significant rheological properties. This paper considers the disaster rule and the control difficult questions of hydraulic engineering and the deep soft rock engineering, the water physical characteristics, mechanical properties, creep mechanism, calculation of creep variables and creep constitutive model of soft rock are described in detail. Finally the present state of study on the mechanical properties of soft rock is reviewed and the related research directions are discussed.

soft rock; water physical property; elastoplastic; creep; constitutive model

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.04.036

2017-03-12

2017-04-25

田 佳(1983—)，男，陜西戶縣人，碩士，講師，主要從事水環(huán)境、水資源及給排水管網(wǎng)等方面的教學(xué)與研究工作。 E-mail:1161055331@qq.com

P584

A

1672—1144(2017)04—0182—08