1.3　巖石流變力學的產生與發展

流變學是研究物質的流動和變形的科學。在古代，人們在日常生活、建筑物的構筑、控制河流的流動中，已經獲得關于物質的流動和變形的知識。公元前6世紀就流傳著希臘哲學家赫拉克里的名言:“一切在流，一切在變?！绷髯儗W源于希臘語rheos(流動之意)，由其演化為英語的Rheology(流變學)，流變學一詞即由此而來。流變學出現在20世紀20年代。學者們在研究橡膠、塑料、油漆、玻璃、混凝土以及金屬等工業材料，巖土、石油、礦物等地質材料，以及血液、肌肉骨骼等生物材料的性質的過程中，發現使用古典彈性理論、塑性理論和牛頓流體理論已不能說明這些材料的復雜特性，于是就產生了流變學的思想。英國物理學家麥克斯韋爾和開爾文很早就認識到材料的變化與時間存在緊密聯系的時間效應。

經過長期探索，人們終于得知，材料都具有時間效應，于是出現了流變學，并在20世紀30年代后得到蓬勃發展。1922年Bingham出版了著作《流動和塑性》，并于1929年倡議美國創建流變學會，標志著流變學成為一門獨立的學科。1939年，荷蘭皇家科學院成立了以伯格斯教授為首的流變學小組;1940年英國出現了流變學家學會。當時，荷蘭的工作處于領先地位，1948年國際流變學會議就是在荷蘭舉行的。法國、日本、瑞典、澳大利亞、奧地利、捷克斯洛伐克、意大利、比利時等國也先后成立了流變學會。

在地球科學中，人們較早就意識到時間過程這一重要因素。流變學為研究地殼中的地球物理現象提供了物理、數學工具，如冰川期以后的上升、層狀巖層的褶皺、造山作用、地震成因以及成礦作用等。對于地球內部流變過程，如巖漿活動、地幔熱對流等，現在則可利用高溫、高壓巖石流變試驗來模擬，從而發展了地球動力學。

巖石流變力學的創立是由材料流變學發展而來的，是材料流變學的一個重要的分支。起初，材料的流變學形成于19世紀30年代，是探討材料在應力、應變、溫度、濕度、輻射等條件下，材料與時間因素相關的變形、流動和破壞的規律性，即時間效應。之后，巖石力學研究工作者開始探討巖石流變力學性質的相關問題。在第一屆國際巖石力學特性研討會上就有相關的研究人員探討了能夠較為準確地反映巖石流變力學性質的本構模型。于1979年召開了第四次國際巖石力學研討會，該會議首次把巖石流變力學特性的相關問題作為討論的主題，這也使得對巖石流變力學特征的研究掀開了新的一頁。我國著名土力學、巖石力學、流變力學和地球動力學家陳宗基先生1954年首創了土流變學，提出了“陳氏固結流變理論”、發明了“陳氏流變儀”等，并于1988年成功研制了800kN高溫高壓伺服三軸流變儀，為我國巖土流變力學研究的奠基人。陳宗基先生利用巖土流變學的觀點解決了一系列國民經濟建設中的所遇到的重要問題，涉及的主要工程有:長江三峽、葛洲壩、雅礱江二灘等水利樞紐工程，南京長江大橋、湖北大冶鐵礦、遼寧撫順露天煤礦以及其他一些大型國防工程，為巖石流變力學在我國的發展指明了方向，并有越來越多的專家學者參與其中，一些基于巖土體流變的理論專著相繼出版。其中具有代表性的著作，例如，范廣勤(1993)的《巖土工程流變力學》、劉雄(1994)的《巖石流變學概論》、金豐年(1998)的《巖石的非線性流變》、孫鈞(1999)的《巖土材料流變及其工程應用》、高延法等編著的《巖石流變及其擾動效應試驗研究》、王芝銀等編著的《巖體流變理論及其數值模擬》、丁秀麗等編著的《巖體流變特性的試驗研究及模型參數辨識》等。

近年來，國內外學者從不同層次、角度及時空尺度上對巖石在長期恒載下的時效特性開展了大量的研究工作，并且取得了一定的進展和成效。涉及的主要內容有以下幾個方面:

(1)巖石流變試驗研究，包括巖石單軸壓縮、單軸拉伸、三軸壓縮、弱面剪切等類型的流變和松弛試驗，還有彎曲試驗、扭轉試驗、現場壓縮蠕變試驗等。在巖石時效特性試驗方面，國內外已有試驗研究成果中大部分成果是針對鹽巖、煤巖以及泥巖等軟巖的，并且研究對象多為相對完整的巖石，對含有節理巖石的三軸流變力學特性試驗罕有文獻報道;且在有關巖石流變力學特性的試驗研究中，關于巖石蠕變與松弛的試驗開展的相對較多，成果中瞬時彈性變形、初期以及穩態蠕變經常被觀測到，而巖石加速蠕變階段變形特征、彈性后效特性以及復雜應力路徑條件下的研究成果較少有相關文獻報道，該方面的研究工作有待加強。

(2)巖石流變模型與參數辨識研究，包括巖石流變元件模型、巖石流變經驗模型、基于內時理論流變模型及其本構方程、流變特性的研究，流變模型辨識，以及依據先進數據處理手段確定相應的流變模型參數。盡管在巖石流變模型方面已經取得了一些相關研究成果，但巖石非線性流變本構模型理論的研究遠沒有達到成熟，特別是在描述巖石非線性加速流變階段方面的理論需要更加深入的研究。已有的經典流變力學模型和大部分改進的流變本構模型相應的力學參數為一成不變的定值，不隨應力水平、圍壓以及節理的空間分布形態等改變而相應變化，這與巖體實際受力狀態不相吻合，不能很好地描述巖石非線性流變的規律。

(3)巖石長期強度確定方法研究，巖土體長期流變強度是進行工程設計及長期運行穩定分析的重要參數，如何準確、便捷地確定長期強度的方法一直是巖土工程中十分棘手的問題。目前對于巖石長期強度的研究并不多，而對于長期強度的確定方法研究則少之又少。長期強度的確定方法有直接法和間接法，直接法費時而昂貴，目前大部分采用室內試驗進行的間接法確定巖石的長期強度。過渡蠕變法、等時曲線法、應變速率法及第一拐點法等間接確定長期強度的方法，對巖石蠕變試驗曲線的規整性要求較高，當蠕變特征不明顯，變形量不夠大的情況下，其在選取曲線的拐點時，需要人為判斷，含有一定的主觀性和隨意性。對其進行系統研究具有重要的理論價值和工程意義。

(4)巖石流變的數值模擬和工程應用，包括數值解析方法、數值模擬軟件的開發與應用等;如何根據工程巖體長期變形特性選取適宜的流變模型，選用合適的流變參數是分析具體工程實際長期穩定性的關鍵。

(5)其他一些問題的研究，包括巖石流變損傷斷裂力學特性、各向異性流變特性、考慮不同含水量的巖石流變、熱流變、多場耦合流變、流變電磁效應等問題。