前言

巖石力學特性的時間效應是巖石力學研究中的重要課題之一，是研究在應力、應變、濕度、溫度、輻射等條件下巖石材料與時間因素有關的變形、流動和破壞的規律，也稱作巖石的流變特性;它包括巖石的蠕變、松弛、彈性后效等力學現象。近年來，巖石工程的規模越來越大，所面臨的巖石力學問題也愈來愈復雜，巖土工程穩定性的時效特性問題日益引人注重，其中在已建成的工程中出現的巖土時間效應問題更為突出，很多巖土工程的變形與失穩破壞并不是即刻就發生的，而是隨時間的增長逐漸醞釀、發展并最終完成的。當前所規劃建設的許多大型巖土工程項目的服務使用年限一般都超過幾十年的時間，故既需要保證工程項目在施工建設期間的安全可靠性，同時還需要對其在長期使用與運營期間的安全穩定性進行評估;工程項目從開工建設到完成服務年限期間，其關鍵部位的變形是否會隨時間的增長，是否在允許范圍內，是否會逐漸產生破裂、失穩等，這一系列的問題均是巖石力學時效特性研究的對象與任務。因此，在巖石工程中充分考慮流變現象，明確巖石力學特性的時間效應與破裂機理，建立能夠描述巖石流變力學特性的本構模型，探討流變力學參數的非定常規律與長期強度的確定方法，無論從經濟合理的角度還是從穩定安全的角度來說都是十分必要的。

本書采用巖石全自動三軸流變伺服試驗系統，針對砂巖、泥巖、蝕變巖、片麻巖、軟硬互層巖等，開展了較為系統的單軸、三軸、剪切流變試驗，研究了巖石蠕變、彈性后效、應力松弛特性。分析了不同圍壓作用下巖石變形隨時間的變化規律，研究了不同種類巖石流變過程中的變形特性，探討了加速流變階段巖石變形的發展趨勢和特征;同時通過對巖石流變破裂斷口進行微細觀電鏡掃描實驗，分析了巖石流變破裂形式與機制。將優化算法嵌入到普通最小二乘法中，得到一種能快速準確地逼近精確解，并且不易收斂于局部極小點的算法。基于獲得的巖石流變試驗結果，采用優化后的算法，對流變模型參數進行辨識，探討了流變參數與圍壓、應力水平的非定常性規律。綜合分析了不同的巖石長期強度確定方法，并基于巖石穩態流變階段的流變速率與應力水平的關系，提出了一種應力區間的穩態蠕變速率巖石長期強度確定方法，該方法便捷直觀，適用于穩態流變階段較為顯著巖石來確定其長期強度。提出了一種非線性牛頓體，并結合其他元件組合得到了一個能較好反映巖石流變的非線性特征的黏彈塑性流變模型，利用試驗得到的流變曲線對非線性流變力學本構模型的參數進行辨識。認為巖石加速流變過程中的流變損傷定義為與應力水平和時間有關，提出相應的損傷演化方程，將提出的非線性硬化函數和損傷演化方程引入到Maxwell流變模型中去，得到了一個能夠較好地反映巖石非線性流變的三個階段損傷流變模型。假定巖石非線性加速流變變形過程中，巖石內部的損傷量服從時間的Weibull分布，利用統計損傷來描述加速流變階段的非線性流變變形，在Burgers流變模型中加入統計損傷，得到相應的損傷流變模型。利用巖石流變力學試驗數據作為神經網絡系統的輸入和輸出的分析樣本，通過神經網絡內部一個高度非線性的動態模擬系統，對學習樣本的自學習來掌握巖石流變力學特性，從而建立神了經網絡巖石流變本構模型。基于第一級應力水平所對應的蠕變參數，根據相對卸荷量的變化引入損傷來描述其他各級蠕變參數的弱化規律，得到了通過一組參數與基于相對卸荷量的損傷演化方程來統一描述卸荷蠕變特性的參數取值方法。基于三維Burgers蠕變本構模型，引入相對卸荷量及蠕變時間相關的損傷演化方程，得到可以統一反映分級加載條件下蠕變特性，且能夠描述加速蠕變變形階段非線性特征的巖石卸荷非線性損傷蠕變模型。依據巖石蠕變變形不同階段的力學特征，劃分出了巖石由變形發展至破裂需經歷的不同黏彈塑性狀態，并給出了相應狀態的蠕變力學特性;假定巖石在三軸壓縮試驗條件下，發生延性剪切破壞，推導了應變空間Drucker-Prager準則的臨界狀態轉化的最大剪應變判別式;基于Perzyna黏塑理論，考慮后繼屈服硬化作用，引入統計損傷因子，構建了能描述非線性加速蠕變特性的黏彈塑性損傷演化模型。將提出的巖石非線性黏彈塑性流變本構與經典的Mohr-Coulomb模型進行相應的串聯，并用基于Mohr-Coulomb準則確定的巖石長期強度作為開始進入非線性加速流變階段的閥值，構建出一個既能反映巖石彈塑性變形特性又能很好地描述巖石流變階段變形的復合非線性黏彈塑性流變模型。

依托小灣水電站壩基與向家壩地下廠房長期穩定性工程實際，開展了相關研究工作。基于三維非線性數值分析方法，采用黏彈塑性流變本構模型，模擬了小灣水電站長期運營條件下的流變力學行為，并與彈塑性計算條件下進行了對比分析。結果表明:小灣水電站拱壩及壩肩巖體長期流變變形明顯大于彈塑性變形;考慮巖石流變作用使得應力場隨時間增長發生重分布，局部應力集中現象有所緩解;壩肩巖體受力初期表現出較為顯著的流變特性，流變一定時間后，流變速率變得恒定平穩，流變變形趨于穩定。模擬了向家壩水電站地下洞室圍巖的流變力學行為，根據主廠房頂拱位移變化率規律確定出了開挖洞室二次支護的時間;對比分析了瞬時彈塑性條件下與考慮流變特性條件下洞室開挖后，圍巖的位移變形，應力場及塑性區的分布;數值模擬結果表明，由于著軟弱夾層的影響，洞室圍巖發生較大的變形，特別是在開挖洞室與軟弱夾層的交匯處圍巖隨著時間的長期變形量會更大，這對洞室的穩定性有著一定的影響;對于水電站地下洞室的長期穩定性分析，充分考慮巖體流變效應是非常重要和必要的。

本書所包含的研究成果，得到了國家自然科學基金項目(No.51579017，No.51479102，No.51109014)、長江科學院基本科研業務費項目(CKSF2016008/YT)、長江科學院院級創新團隊及培育期創新團隊建設項目(CKSF2017066/YT)、防災減災湖北省重點實驗室(三峽大學)開放基金項目(2016KJZ01)的資助。在撰寫過程中得到了長江科學院、河海大學、三峽大學等有關單位和個人的支持和幫助，在此表示衷心地感謝。

由于本書完成時間緊迫，作者水平有限，書中難免有錯誤和不當之處，懇請讀者與專家批評指正。

作　者

2017年1月