第1章　緒論

1.1　巖石工程中的流變現(xiàn)象

目前，我國正處于重要的發(fā)展戰(zhàn)略機遇期;隨著社會經濟的高速發(fā)展，各類災害風險日益凸顯，嚴重影響社會的可持續(xù)發(fā)展及國家目標的實現(xiàn)。《國家綜合防災減災規(guī)劃》報告中明確要求強化防災減災工作，將防災減災作為公共服務領域的重要任務之一;為全面提高國家防災減災能力，國家已將防災減災的理念從“被動救災”向“主動防災”轉變，指出需充分發(fā)揮科技創(chuàng)新對防災減災工作的支撐和引領作用。

巖石流變力學是巖石力學中的重要課題之一，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(guī)律，也稱作巖石的時效特性;它包括巖石的蠕變、松弛、彈性后效等力學現(xiàn)象。近年來，巖石工程的規(guī)模越來越大，所面臨的巖石力學問題也越來越復雜，巖土工程穩(wěn)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(xiàn)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(wěn)破壞并不是即刻就發(fā)生的，而是隨時間的增長逐漸醞釀、發(fā)展最終完成的。

當前所規(guī)劃建設的很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(wěn)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(wěn)等，這一系列的問題均是巖石流變力學研究的對象與任務。目前越來越多的工程項目事故、現(xiàn)場的監(jiān)測資料和相關的室內巖石力學試驗都表明，在長期恒定外荷載作用下，隨著時間的推移巖石會發(fā)生流變現(xiàn)象;特別是強度較低的軟弱巖石或是含有大量節(jié)理、裂隙和強風化后的粉泥物質以及軟弱夾層破碎帯的巖石材料在較高的地應力作用下其表現(xiàn)出來的流變特征更為明顯。許多鐵路、公路的隧道穿越存在大量軟巖的山脈時，即使經過初期的支護加固措施后隧道圍巖的變形速率也可以達到3～4cm/d，圍巖的變形過大會嚴重威脅著隧道施工的安全性。隨著水利水電工程的規(guī)模越來越大，地下洞室群的規(guī)模也逐漸增大，主廠房的寬能夠達到幾十米，高能夠超過上百米。當?shù)叵露词宜幬恢玫牡刭|條件不理想，存在有較大的斷層或是軟弱夾層等，洞室頂拱和邊墻的變形的時間效應將十分顯著。當隧道新奧施工法引入到我國初期時，在下坑、吳莊、嶺前等工程中投入施工應用后，對建成的工程變形狀況進行持續(xù)觀測，兩年后隧道的支護加固的襯砌應力與變形都隨時間的推移而逐漸增加。位于廣西紅水河上的龍灘水電站在施工開挖期間內，其左岸壩肩高陡邊坡的巖體慢慢地發(fā)生滑移傾倒，其中許多部位甚至發(fā)生開裂、坍塌，水電站樞紐區(qū)邊坡的長期變形與安全穩(wěn)定性對工程項目的施工及運行有著巨大的影響。三峽工程的五級巨型船閘在開挖后，其邊坡與底槽在卸荷后的變形不是即刻就發(fā)生完成的，具有較強的時間效應;對邊坡的加固支護的一部分鋼筋錨索在經過一段時間后被拉斷或是失去加固效果;船閘對其表層所建造的鋼筋混凝土結構有著較高的要求，尤其是閘門部位附近的精度則要求更為苛刻;工程巖體變形量過大的話，混凝土結構會破壞，閘門滑道變形超過允許范圍，閘門就無法正常升降工作。

巖土工程的時間效應現(xiàn)象普遍存在于實際工程中，如圖1.1所示。例如，高速公路、鐵路及大型建筑物的地基沉降變形過程可延續(xù)幾十年;地下隧道可以在運營使用數(shù)十年后發(fā)生流變斷裂或大變形洞型收斂;在采礦和水電工程中的巖石高邊坡由于變形與蠕動，而引起的災害性滑坡破壞過程可持續(xù)數(shù)十年時間。目前，在巖石實際工程計算與設計中常采用的本構模型與參數(shù)仍然是線彈性和彈塑性的，這對于日趨多樣化和復雜化的重大工程來說是不能很好滿足要求的;在高應力圍巖強度比的地質條件下，地下工程軟弱圍巖開挖卸荷后的二次支護時間極為重要，如果支護時間過早，圍巖卸荷回彈所產生的巨大應變能量無法得到有效釋放，支護結構將難以抵抗圍壓變形能而發(fā)生失效破壞，如果支護時間過晚，圍巖卸荷回彈變形過大，巖體將產生松動破裂，形成非穩(wěn)定塑性區(qū)，使得圍巖喪失自承能力而破壞。

圖1.1　工程實際中的流變現(xiàn)象

因此，在巖石工程中充分考慮時間效應的影響，明確工程巖體的蠕變變形、彈性后效及破裂機理，建立能夠描述巖石時效特性的本構模型，探討蠕變力學參數(shù)非定常規(guī)律與長期強度的確定方法，分析巖體工程的最佳支護時間與長期穩(wěn)定性，無論從經濟合理的角度還是從安全穩(wěn)定的角度來說都是十分必要的。