《高邊坡岩體流變試驗與流變理論及工程套用》系統研究了高壩高邊坡軟弱岩帶和硬脆性岩體的壓縮蠕變特徵、剪下流變特性和流變破壞機制，提出了岩體大尺寸原位壓縮蠕變試驗和原位剪下流變試驗的載入、測試與分析方法，揭示了軟弱岩帶和硬脆性岩體的流變力學特性和流變強度的變化規律；建立了軟弱岩帶的變參數流變損傷模型和硬脆性岩體的非線性黏彈塑性流變模型，構建了高邊坡岩體流變參數的解析反演、解析-智慧型反演和改進二次粒子群反演方法；開發了先進的高邊坡監測智慧型分析網路系統，實現了對大型水電站高邊坡監測信息和觀測數據的遠程實時動態管理和智慧型化自動分析處理。《高邊坡岩體流變試驗與流變理論及工程套用》注重理論、方法與工程實踐的緊密結合，提出的流變試驗方法、建立的流變理論模型、編制的流變計算程式以及開發的監測智慧型分析網路系統皆成功套用於大型水電站高邊坡工程，並有效指導工程實踐。
基本介紹
- 書名：高邊坡岩體流變試驗與流變理論及工程套用
- 出版社：科學出版社
- 頁數：392頁
- 開本：5
- 作者：張強勇 等
- 出版日期：2014年9月11日
- 語種：簡體中文
- 品牌：科學出版社
圖書目錄,文摘,
圖書目錄
目
錄《
岩石力學與工程研究著作叢書》序《
岩石力學與工程研究著作叢書》編者的話前言
主要符號說明
第
1章 緒論1
1.1 引言1
1.2 國內外研究現狀2
1.3 本書主要研究成果12 第
2章 高邊坡軟弱岩帶的原位流變試驗與分析研究14
2.1 引言14
2.2 軟弱岩帶原位壓縮蠕變試驗及分析14
2。2.1 試驗對象和試驗點地質條件1
4
2。2.2 原位壓縮蠕變試驗的載入與測試方法1
6
2。2.3 原位壓縮蠕變試驗結果分析1
9
2.3 軟弱岩帶壓縮蠕變長期承載能力分析24
2。3.1 等時應力-應變曲線2
4
2。3.2 壓縮荷載-變形等時簇曲線2
5
2。3.3 壓縮蠕變長期承載力2
5
2.4 軟弱岩帶原位剪下流變試驗及分析27
2。4.1 試驗對象與試驗點地質條件2
7
2。4.2 試驗設備安裝與試驗程式2
8
2。4.3 原位剪下流變試驗結果分析2
9
2.5 軟弱岩帶的長期抗剪強度35
2。5.1 剪下流變長期強度3
5
2。5.2 剪下流變試驗抗剪強度4
0
2。5.3 長期抗剪強度4
2
2.6 小結44 第
3章 軟弱岩帶的變參數流變損傷模型與計算程式開發45
3.1 引言45 ----Page 2-----------------------
3.2 軟弱岩帶的蠕變變形特徵45
3。2.1 黏彈性性質4
5
3。2.2 黏塑性性質5
0
3。2.3 流變損傷性質5
0
3.3 軟弱岩帶的流變損傷演化方程51
3。3.1 流變損傷演化方程5
1
3。3.2 流變損傷判別條件5
2
3.4 軟弱岩帶的變參數流變損傷模型53
3。4.1 流變損傷模型的本構方程5
3
3。4.2 流變損傷模型的蠕變方程5
5
3。4.3 流變損傷模型的鬆弛方程5
6
3。4.4 流變損傷模型的三維表達式5
8
3.5 軟弱岩帶的變參數流變損傷計算程式60
3。5.1 流變損傷模型的差分形式6
1
3。5.2 流變損傷計算程式的開發6
2
3。5.3 流變損傷計算程式的驗證6
2
3.6 小結66 第
4章 高邊坡硬脆性岩體的原位流變試驗與分析研究67
4.1 引言67
4.2 硬脆性岩體原位壓縮蠕變試驗及分析67
4。2.1 試驗對象與試驗點地質條件6
7
4。2.2 試驗載入分級與設備安裝6
8
4。2.3 原位壓縮蠕變試驗結果分析6
9
4。2.4 壓縮蠕變長期承載能力分析7
5
4.3 硬脆性岩體原位剪下流變試驗及分析77
4。3.1 試驗對象與試驗點地質條件7
7
4。3.2 試驗設備安裝與試驗流程7
8
4。3.3 原位剪下流變試驗結果分析7
9
4。3.4 硬脆性岩體的長期抗剪強度8
8
4。3.5 硬脆性岩體的剪下流變經驗方程9
8
4。3.6 硬脆性岩體的剪下流變模型1
25
4.4 硬脆性岩體的三軸蠕變試驗及分析134
4。4.1 常規三軸試驗1
35 高邊坡岩體流變試驗與流變理論及工程套用
----Page 3-----------------------
4。4.2 不同加卸載應力路徑的三軸蠕變試驗1
43
4。4.3 硬脆性岩體的三軸蠕變長期強度1
91
4。4.4 三軸蠕變試驗結論2
04
4.5 硬脆性岩體的三軸蠕變破壞機制205
4。5.1 常規三軸試驗破壞形式2
05
4。5.2 三軸蠕變破壞形式2
06
4。5.3 三軸蠕變破壞機制2
09
4。5.4 研究結論2
18
4.6 小結218 第
5章 硬脆性岩體的非線性流變模型與計算程式開發219
5.1 引言219
5.2 考慮載入歷史的蠕變曲線處理方法219
5.3 硬脆性岩體的非線性黏彈塑性流變模型222
5。3.1 非線性流變模型的建立2
22
5。3.2 非線性流變模型的本構方程2
24
5。3.3 非線性流變模型的蠕變方程2
25
5。3.4 非線性流變模型的鬆弛特性2
27
5。3.5 非線性流變模型的三維表達形式2
30
5。3.6 蠕變分段函式判別準則2
32
5.4 硬脆性岩體的非線性黏彈塑性流變計算程式234
5。4.1 流變模型的差分形式2
35
5。4.2 流變模型計算程式的開發2
39
5。4.3 非線性流變計算程式的驗證2
40
5.5 小結245 第
6章 高邊坡岩體流變參數的反演分析研究247
6.1 引言247
6.2 岩體黏彈性變形的解析分析250
6。2.1 剛性承壓板下岩體的黏彈性變形計算2
50
6。2.2 柔性承壓板下岩體的黏彈性變形計算2
58
6.3 岩體流變參數的解析反演方法261
6。3.1 設計變數與目標函式2
61
6。3.2 解析反演的基本方法2
62
6。3.3 解析反演的技術路線2
62 目
錄----Page 4-----------------------
6.4 岩體流變參數的解析-智慧型反演方法263
6。4.1 解析-智慧型反演的基本方法2
64
6。4.2 解析-智慧型反演的技術路線2
64
6。4.3 解析-智慧型反演方法的具體套用2
64
6.5 岩體流變參數的改進二次粒子群反演方法275
6。5.1 粒子群算法原理2
75
6。5.2 流變參數改進二次粒子群反演2
79
6。5.3 改進二次粒子群反演方法的驗證2
81
6。5.4 大崗山軟弱岩帶流變參數的改進二次粒子群反演2
83
6.6 小結286 第
7章 大崗山高邊坡開挖穩定三維非線性流變數值計算分析287
7.1 引言287
7.2 計算條件288
7.3 壩區初始地應力場的反演293
7.4 邊坡開挖流變數值計算結果分析295
7。4.1 邊坡開挖位移場變化規律2
95
7。4.2 邊坡開挖應力場變化規律3
02
7。4.3 邊坡開挖塑性區分布規律3
10
7。4.4 邊坡開挖損傷區分布規律3
12
7.5 小結314 第
8章 高邊坡監測智慧型分析網路系統開發及套用316
8.1 引言316
8.2 系統開發目標與總體設計要求316
8。2.1 系統研發目標3
16
8。2.2 系統總體設計要求3
17
8.3 系統開發流程319
8.4 系統運行模式與架構320
8。4.1 C/S結構3
20
8。4.2 SQLServer2000資料庫系統3
22
8。4.3 ADO資料庫訪問技術3
22
8.5 系統構成及主要功能323
8。5.1 系統構成3
24
8。5.2 系統主要功能3
24 高邊坡岩體流變試驗與流變理論及工程套用
----Page 5-----------------------
8.6 邊坡變形預測分析模型及在系統中的實現331
8。6.1 邊坡變形預測分析模型3
32
8。6.2 邊坡變形預測的逐步回歸分析及系統實現3
33
8.7 邊坡監測智慧型分析網路系統的工程套用336
8。7.1 系統在龍灘水電站高邊坡工程中的套用3
36
8。7.2 系統在錦屏一級水電站高邊坡工程中的套用3
51
8.8 小結359 參考文獻
360 目
錄
錄《
岩石力學與工程研究著作叢書》序《
岩石力學與工程研究著作叢書》編者的話前言
主要符號說明
第
1章 緒論1
1.1 引言1
1.2 國內外研究現狀2
1.3 本書主要研究成果12 第
2章 高邊坡軟弱岩帶的原位流變試驗與分析研究14
2.1 引言14
2.2 軟弱岩帶原位壓縮蠕變試驗及分析14
2。2.1 試驗對象和試驗點地質條件1
4
2。2.2 原位壓縮蠕變試驗的載入與測試方法1
6
2。2.3 原位壓縮蠕變試驗結果分析1
9
2.3 軟弱岩帶壓縮蠕變長期承載能力分析24
2。3.1 等時應力-應變曲線2
4
2。3.2 壓縮荷載-變形等時簇曲線2
5
2。3.3 壓縮蠕變長期承載力2
5
2.4 軟弱岩帶原位剪下流變試驗及分析27
2。4.1 試驗對象與試驗點地質條件2
7
2。4.2 試驗設備安裝與試驗程式2
8
2。4.3 原位剪下流變試驗結果分析2
9
2.5 軟弱岩帶的長期抗剪強度35
2。5.1 剪下流變長期強度3
5
2。5.2 剪下流變試驗抗剪強度4
0
2。5.3 長期抗剪強度4
2
2.6 小結44 第
3章 軟弱岩帶的變參數流變損傷模型與計算程式開發45
3.1 引言45 ----Page 2-----------------------
3.2 軟弱岩帶的蠕變變形特徵45
3。2.1 黏彈性性質4
5
3。2.2 黏塑性性質5
0
3。2.3 流變損傷性質5
0
3.3 軟弱岩帶的流變損傷演化方程51
3。3.1 流變損傷演化方程5
1
3。3.2 流變損傷判別條件5
2
3.4 軟弱岩帶的變參數流變損傷模型53
3。4.1 流變損傷模型的本構方程5
3
3。4.2 流變損傷模型的蠕變方程5
5
3。4.3 流變損傷模型的鬆弛方程5
6
3。4.4 流變損傷模型的三維表達式5
8
3.5 軟弱岩帶的變參數流變損傷計算程式60
3。5.1 流變損傷模型的差分形式6
1
3。5.2 流變損傷計算程式的開發6
2
3。5.3 流變損傷計算程式的驗證6
2
3.6 小結66 第
4章 高邊坡硬脆性岩體的原位流變試驗與分析研究67
4.1 引言67
4.2 硬脆性岩體原位壓縮蠕變試驗及分析67
4。2.1 試驗對象與試驗點地質條件6
7
4。2.2 試驗載入分級與設備安裝6
8
4。2.3 原位壓縮蠕變試驗結果分析6
9
4。2.4 壓縮蠕變長期承載能力分析7
5
4.3 硬脆性岩體原位剪下流變試驗及分析77
4。3.1 試驗對象與試驗點地質條件7
7
4。3.2 試驗設備安裝與試驗流程7
8
4。3.3 原位剪下流變試驗結果分析7
9
4。3.4 硬脆性岩體的長期抗剪強度8
8
4。3.5 硬脆性岩體的剪下流變經驗方程9
8
4。3.6 硬脆性岩體的剪下流變模型1
25
4.4 硬脆性岩體的三軸蠕變試驗及分析134
4。4.1 常規三軸試驗1
35 高邊坡岩體流變試驗與流變理論及工程套用
----Page 3-----------------------
4。4.2 不同加卸載應力路徑的三軸蠕變試驗1
43
4。4.3 硬脆性岩體的三軸蠕變長期強度1
91
4。4.4 三軸蠕變試驗結論2
04
4.5 硬脆性岩體的三軸蠕變破壞機制205
4。5.1 常規三軸試驗破壞形式2
05
4。5.2 三軸蠕變破壞形式2
06
4。5.3 三軸蠕變破壞機制2
09
4。5.4 研究結論2
18
4.6 小結218 第
5章 硬脆性岩體的非線性流變模型與計算程式開發219
5.1 引言219
5.2 考慮載入歷史的蠕變曲線處理方法219
5.3 硬脆性岩體的非線性黏彈塑性流變模型222
5。3.1 非線性流變模型的建立2
22
5。3.2 非線性流變模型的本構方程2
24
5。3.3 非線性流變模型的蠕變方程2
25
5。3.4 非線性流變模型的鬆弛特性2
27
5。3.5 非線性流變模型的三維表達形式2
30
5。3.6 蠕變分段函式判別準則2
32
5.4 硬脆性岩體的非線性黏彈塑性流變計算程式234
5。4.1 流變模型的差分形式2
35
5。4.2 流變模型計算程式的開發2
39
5。4.3 非線性流變計算程式的驗證2
40
5.5 小結245 第
6章 高邊坡岩體流變參數的反演分析研究247
6.1 引言247
6.2 岩體黏彈性變形的解析分析250
6。2.1 剛性承壓板下岩體的黏彈性變形計算2
50
6。2.2 柔性承壓板下岩體的黏彈性變形計算2
58
6.3 岩體流變參數的解析反演方法261
6。3.1 設計變數與目標函式2
61
6。3.2 解析反演的基本方法2
62
6。3.3 解析反演的技術路線2
62 目
錄----Page 4-----------------------
6.4 岩體流變參數的解析-智慧型反演方法263
6。4.1 解析-智慧型反演的基本方法2
64
6。4.2 解析-智慧型反演的技術路線2
64
6。4.3 解析-智慧型反演方法的具體套用2
64
6.5 岩體流變參數的改進二次粒子群反演方法275
6。5.1 粒子群算法原理2
75
6。5.2 流變參數改進二次粒子群反演2
79
6。5.3 改進二次粒子群反演方法的驗證2
81
6。5.4 大崗山軟弱岩帶流變參數的改進二次粒子群反演2
83
6.6 小結286 第
7章 大崗山高邊坡開挖穩定三維非線性流變數值計算分析287
7.1 引言287
7.2 計算條件288
7.3 壩區初始地應力場的反演293
7.4 邊坡開挖流變數值計算結果分析295
7。4.1 邊坡開挖位移場變化規律2
95
7。4.2 邊坡開挖應力場變化規律3
02
7。4.3 邊坡開挖塑性區分布規律3
10
7。4.4 邊坡開挖損傷區分布規律3
12
7.5 小結314 第
8章 高邊坡監測智慧型分析網路系統開發及套用316
8.1 引言316
8.2 系統開發目標與總體設計要求316
8。2.1 系統研發目標3
16
8。2.2 系統總體設計要求3
17
8.3 系統開發流程319
8.4 系統運行模式與架構320
8。4.1 C/S結構3
20
8。4.2 SQLServer2000資料庫系統3
22
8。4.3 ADO資料庫訪問技術3
22
8.5 系統構成及主要功能323
8。5.1 系統構成3
24
8。5.2 系統主要功能3
24 高邊坡岩體流變試驗與流變理論及工程套用
----Page 5-----------------------
8.6 邊坡變形預測分析模型及在系統中的實現331
8。6.1 邊坡變形預測分析模型3
32
8。6.2 邊坡變形預測的逐步回歸分析及系統實現3
33
8.7 邊坡監測智慧型分析網路系統的工程套用336
8。7.1 系統在龍灘水電站高邊坡工程中的套用3
36
8。7.2 系統在錦屏一級水電站高邊坡工程中的套用3
51
8.8 小結359 參考文獻
360 目
錄
文摘
第
1章 緒 論1。1 引 言岩體作為一種複雜的地質體，流變特性是其重要的力學特性之一。工程實踐與研究表明，岩體工程的破壞與失穩,在許多情況下並不是在開挖完成後立即發生的，它是岩體的應力、變形隨時間變化而不斷發展和調整,需要延續較長一段時期。由於岩體的非均質性
、不連續性和各向異性,在長期荷載作用下,工程岩體的應力應變狀態
、變形破壞特徵均隨時間而不斷發生變化,具有顯著的流變時效特性。對高邊坡軟弱岩帶來說，由於其強度低、質地軟弱,在較小荷載作用下,極易出現顯著的流變變形，並隨荷載增大最後產生破壞。對高邊坡硬脆性岩體來說,由於其強度較高，一般認為其不會產生流變,但許多實際監測結果表明,即使是質地比較堅硬的岩體，因為受到大量節理裂隙的切割,在開挖卸荷和高地應力的長期作用下也會產生明顯的流變變形。如三峽船閘花崗岩高邊坡在開挖完成後,其邊坡與底槽在卸荷後的變形不是即刻完成的，而是具有較強的時效特性,並導致邊坡支護的一部分錨桿
、錨索在經過一段時間後被拉斷和失去加固效果；錦屏二級水電站引水隧洞和輔助交通洞的圍岩主要為質地堅硬的大理岩，輔助洞的現場監測資料表明,隧洞開挖過程中大理岩隨時間增加而持續變形，出現明顯的蠕變現象。國內外許多高拱壩工程在運行過程中出現失事和變形破壞在很大程度上是與
壩肩壩基邊坡岩體的時效變形特性有關。例如,1963年10月9日發生的義大利瓦依昂
(Vajont)水庫庫岸邊坡的蠕滑破壞,是一次震驚世界的大壩失事,巨大的深層滑動岩體
(據估計為2.8億m3),從峽谷左岸快速滑落到庫底,產生的涌浪超過壩高
267m的雙曲拱壩的壩頂,沖向下遊河谷,下游朗加隆鎮的大部分房屋、道路在
7min後蕩然無存,死亡近3000人[1,2]。1959年12月,壩高60m的法國馬爾帕賽
(Malpasset)拱壩突然潰決,造成400人死亡。我國的部分拱壩在運行過程中出現的破壞問題也較普遍，如1962年11月6日,安徽省梅山連拱壩右岸壩基邊坡大面積漏水，最大漏水量達70L/s,部分壩基出現20mm以內不同程度的剪下錯動和陡裂隙，部分帷幕受損。12#垛、13#垛、14#垛和15#垛發生不同程度的偏移,其中1
3#垛向左偏移較大,達42.04mm,同時壩基上抬,右岸壩基、壩體許多部位出現了裂縫，最嚴重的15#垛所在位置的拱冠部位拉開了一條長28m、最寬2mm的大裂縫。後經放空水庫檢查,發現大壩上游面沿拱台前緣與基岩接觸面有一條延伸百----Page 2-----------------------
余米的連續裂縫，1963年3月至1965年5月,梅山水庫被迫放空進行修復加固
；1971年冬至1972年春,陳村混凝土重力拱壩下游面出現許多水平向裂縫,其中
105m高程附近水平向裂縫規模最大,它不僅橫跨5～28壩段,大部分壩段被水平向裂縫貫穿，且部分壩段有2～3條水平向裂縫,累計延伸總長約450m,裂縫縫口寬度最大達
7mm；佛子嶺鋼筋混凝土連拱壩在1954年大壩建成蓄水後不久壩體即出現大量裂縫，隨著運行時間的延長,裂縫不斷增多,至1995年達到856條
。這些拱壩出現較大變形與破壞,在很大程度上都與壩肩壩基邊坡軟弱岩帶和硬脆性岩體在長期荷載作用下的流變時效變形密切相關。由此可見,開展水電高邊坡岩體的流變試驗與流變理論研究對於保證高壩工程的設計和施工安全以及
長期運行穩定具有十分重大的理論意義
、工程意義和工程套用價值。在水電站高邊坡的施工開挖與運行過程中，為了監測邊坡的變形和運行安全狀況，需要在邊坡岩體內部埋設大量變形和內力監測儀器,面對高邊坡大量的監測信息和呈海量級增加的觀測數據，目前大部分水電高邊坡工程仍主要依靠人工進行監測信息管理和觀測數據的計算分析處理，因而勞動強度大、分析處理效率低、人為影響因素多，數據分析因人為因素造成的錯誤機率也非常大。同時,落後的人工處理觀測數據的狀況常常導致監測資料的整理
、分析與評價往往滯後於工程運行的需要，不能及時發現和預報工程的安全隱患,因而直接影響高壩工程的施工穩定與運行安全。因此,開發高邊坡監測智慧型分析網路系統對於保證高壩邊坡的長期運行安全
、規避其設計和施工風險具有重要的工程套用價值。基於上述背景，本書在國家自然科學基金面上項目(51279093、41172268)、“
973”項目課題(2009CB724607)、山東省自然科學基金項目(Y2007F52)以及中國水電顧問集團公司科技支撐項目的支持下，系統開展了高壩高邊坡軟弱岩帶和硬脆性岩體的流變試驗
、流變理論和流變數值計算分析研究；建立了高邊坡岩體大尺寸原位壓縮蠕變試驗
、原位剪下流變試驗和不同加卸載應力路徑的室內三軸蠕變試驗方法，揭示了軟弱岩帶和硬脆性岩體的壓縮蠕變特徵、剪下流變特性、流變破壞機制以及流變強度的變化規律；建立了軟弱岩帶的變參數流變損傷模型和硬脆性岩體的非線性黏彈塑性流變模型；提出岩體流變參數的解析反演、解析-智慧型反演和改進二次粒子群反演方法；套用先進的計算機軟硬體技術開發出高邊坡監測智慧型分析網路系統，並在大型水電高邊坡工程中得到成功套用。1。2 國內外研究現狀人們對岩石流變力學性質的研究始於
20世紀初,Griggs於1939年首先通過使用梁式試件對石灰岩
、頁岩、雲母以及類岩石材料在室溫條件下進行了蠕變試驗，採用對數經驗公式來描述岩石的流變行為,並且認為不同岩石的長期強度各不·
----Page 3-----------------------
相同，砂岩和粉砂岩當荷載達到破壞荷載的12.5～80就會產生蠕變。日本的Ito
等對尺寸為215cm×12.3cm×6.8cm的花崗岩進行了歷時10年的彎曲蠕變試驗。結果表明,花崗岩呈黏滯流動而沒有屈服應力。目前,國內外許多學者相繼對岩石流變特性從各個方面進行了試驗和理論分析研究
[7～17]。我國的岩石流變學研究開始於
20世紀50年代,陳宗基是我國岩土流變力學學科的先驅和奠基人。1991年,陳宗基等對宜昌砂岩進行了扭轉流變試驗,提出了採用單個岩樣進行分級載入的試驗方法，研究了岩石在流變變形過程中的封閉應力和擴容等特徵，並著重指出“蠕變和封閉應力是岩石性狀中的兩個基本要素。”近20年來,隨著國內許多大型水電工程的興建,極大促進了我國同行對岩石流變特性的研究。進入21世紀初,我國岩石流變力學的研究更趨活躍,在岩石室內流變試驗
、現場流變試驗以及理論研究和數值模擬等方面也取得了顯著的研究成果
[19～21]。下面分別就岩石(體)流變試驗、理論研究、流變參數反演以及岩體邊坡監測數據分析系統開發等方面的研究現狀做一全面介紹。1。岩石(體)的流變試驗研究現狀1
)室內流變力學試驗岩石材料的室內流變試驗是研究其流變力學性質的主要手段和重要依據。室內試驗具有能夠嚴格控制試驗的環境條件
、可以進行長期觀測、可以排除次要的影響因素
、允許物資設備多次重複使用及花費相對較少等優點。因此,室內流變試驗可以為岩石流變特性的研究提供寶貴數據，已被研究人員廣泛接受,也成為研究岩石流變力學性質的重要手段。(
1)單軸壓縮蠕變試驗。岩石單軸壓縮蠕變試驗的研究開展得較早，成果也比較豐富。例如,Okubo等
研製開發了剛性流變試驗機,並採用該設備對大理岩、砂岩和安山岩等岩樣進行了壓縮蠕變試驗，獲得了岩石加速蠕變階段的完整應變-時間關係曲線,並建立了相應的蠕變方程；Tsai等對Mushan砂岩進行了多級載入—蠕變—卸載—再載入的試驗，並把應變分為彈性應變和黏塑性應變,認為黏塑性流動的方向與時間相關，黏塑性勢函式與塑性勢函式類似,只是形狀與時間具有相關性。陶振宇
通過對岩石流變試驗與現場觀測的比較分析,認為現場流變觀測資料常常缺失初期變形資料，需要結合流變試驗資料來分析,對於不趨穩定的蠕變情況，可根據ε-lgt曲線上的拐點估計蠕變破壞時間；谷耀君進行了黃河小浪底細砂岩單軸壓縮蠕變試驗，以梯級載入方式進行,對試驗數據進行了疊加處理,得出蠕變隨時間的變化滿足
ε=A+Blgt+Ct這樣一個規律,並指出岩石的變形經歷了壓縮
、擴容和破壞的過程；鐘時猷等對東鄉銅礦砂質頁岩進行了6個荷載大小不同的單軸壓縮蠕變破壞試驗和三個荷載大小不同的穩定蠕變試驗，提出了確定·
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長期強度的公式，初步提出定常蠕變階段和加速蠕變階段產生的應變之和近乎一個
常數；王子潮等簡述了高溫高壓實驗條件下採用參數變動法測定岩石冪次蠕變律常數的理論基礎和方法，該法可以利用較少數量的岩石試件得到較大溫壓範圍內的蠕變常數；李永盛對粉砂岩、紅砂岩、泥岩、大理岩4種不同強度的岩石進行了單軸壓縮條件下的蠕變和鬆弛試驗，指出在定常應力作用下,岩石材料一般都出現蠕變速率減小
、穩定和增大三個變化階段,但各階段出現與否及其延續時間與所觀測的岩石性質和所施加的應力水平有關；王貴君等通過硅藻岩的單軸蠕變試驗，發現其長期強度與瞬時強度的比值為1/5～1/4,並採用多項式逐步回歸分析很好地模擬了加速蠕變階段；許宏發通過對軟岩的單軸壓縮蠕變試驗,指出軟岩的彈性模量和強度變化規律具有相似性，都隨時間的延長而降低；沈振中等
進行了三峽大壩壩基花崗岩的單軸壓縮蠕變試驗,建議用Burgers模型來描述其黏彈性性質；朱合華等通過對凝灰岩乾燥和飽水狀態下的單軸壓縮試驗,探討了岩石蠕變受含水狀態影響的規律性，研究表明含水量對岩石瞬時彈性模量影響較小，對極限蠕變數影響較大,還影響岩石達穩定蠕變階段的時間；李鈾等開展了花崗岩飽水和風乾狀態下單軸流變特性試驗，得到飽水後花崗岩長期強度明顯降低及流變速率和變形量明顯增大的結論；李化敏等利用自行研製的蠕變試驗裝置，採用單調連續載入和分級載入方式,對南陽大理岩進行了單軸壓縮蠕變試驗，認為蠕變強度與瞬時強度之比為0.9左右,並用Burgers模型來描述蠕變曲線；范慶忠等採用重力載入式流變儀,對山東東部紅砂岩在分級載入條件下進行了單軸壓縮蠕變試驗，重點觀察和分析了蠕變條件下岩石的彈性模量和泊松比的變化效應；袁海平等對金川有色金屬公司Ⅲ礦區軟弱複雜礦岩採用分級增量循環加卸載方式進行了蠕變試驗，分析了礦岩黏彈塑性特性的基本規律；范秋雁等
以南寧盆地泥質軟岩為研究對象,進行了一系列單軸壓縮無側限和有側限蠕變試驗，配合掃描電鏡,分析了泥岩蠕變過程中細觀和微觀結構的蠕變機制,構建蠕變
、損傷及硬化綜合曲線說明蠕變三階段的形成機制；張明等結合錦屏一級水電站地下廠房洞室群施工
、運行期圍岩的長期穩定性需要,對廠區大理岩進行了單軸和雙軸蠕變試驗。(
2)三軸壓縮蠕變試驗。Fujii
等對Inada花崗岩和Kamisunagawa砂岩進行了三軸蠕變試驗,分析了軸向
、橫向和體積應變三種蠕變曲線,並指出橫向應變可用來作為蠕變試驗和常應變速率試驗中判斷岩石損傷的指針；Maranini等對PietraLeccese石灰岩進行了單軸和三軸壓縮蠕變試驗，研究表明蠕變變形機理主要為低圍壓下裂隙擴展和高應力下孔隙塌陷；彭蘇萍等對某煤層巷道的泥岩進行了三軸壓縮蠕變試驗，結果表明每一級圍壓下均對應一個起始流變強度；趙法鎖等對某工程邊坡軟岩進行了三軸壓縮蠕變試驗，提出水對岩石的結構和岩石力學性質的影響；陳渠·
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等
對三種沉積軟岩進行了三軸蠕變試驗,探討了不同條件下岩石的強度和變形特
征；劉光廷等利用岩石雙軸流變試驗機,對礫岩進行了多軸流變試驗,探討了乾燥和飽水兩種狀態下以及不同側壓下礫岩的流變力學特性，並套用於拱壩的穩定分析中；徐衛亞等採用全自動流變伺服儀研究了錦屏
1章 緒 論1。1 引 言岩體作為一種複雜的地質體，流變特性是其重要的力學特性之一。工程實踐與研究表明，岩體工程的破壞與失穩,在許多情況下並不是在開挖完成後立即發生的，它是岩體的應力、變形隨時間變化而不斷發展和調整,需要延續較長一段時期。由於岩體的非均質性
、不連續性和各向異性,在長期荷載作用下,工程岩體的應力應變狀態
、變形破壞特徵均隨時間而不斷發生變化,具有顯著的流變時效特性。對高邊坡軟弱岩帶來說，由於其強度低、質地軟弱,在較小荷載作用下,極易出現顯著的流變變形，並隨荷載增大最後產生破壞。對高邊坡硬脆性岩體來說,由於其強度較高，一般認為其不會產生流變,但許多實際監測結果表明,即使是質地比較堅硬的岩體，因為受到大量節理裂隙的切割,在開挖卸荷和高地應力的長期作用下也會產生明顯的流變變形。如三峽船閘花崗岩高邊坡在開挖完成後,其邊坡與底槽在卸荷後的變形不是即刻完成的，而是具有較強的時效特性,並導致邊坡支護的一部分錨桿
、錨索在經過一段時間後被拉斷和失去加固效果；錦屏二級水電站引水隧洞和輔助交通洞的圍岩主要為質地堅硬的大理岩，輔助洞的現場監測資料表明,隧洞開挖過程中大理岩隨時間增加而持續變形，出現明顯的蠕變現象。國內外許多高拱壩工程在運行過程中出現失事和變形破壞在很大程度上是與
壩肩壩基邊坡岩體的時效變形特性有關。例如,1963年10月9日發生的義大利瓦依昂
(Vajont)水庫庫岸邊坡的蠕滑破壞,是一次震驚世界的大壩失事,巨大的深層滑動岩體
(據估計為2.8億m3),從峽谷左岸快速滑落到庫底,產生的涌浪超過壩高
267m的雙曲拱壩的壩頂,沖向下遊河谷,下游朗加隆鎮的大部分房屋、道路在
7min後蕩然無存,死亡近3000人[1,2]。1959年12月,壩高60m的法國馬爾帕賽
(Malpasset)拱壩突然潰決,造成400人死亡。我國的部分拱壩在運行過程中出現的破壞問題也較普遍，如1962年11月6日,安徽省梅山連拱壩右岸壩基邊坡大面積漏水，最大漏水量達70L/s,部分壩基出現20mm以內不同程度的剪下錯動和陡裂隙，部分帷幕受損。12#垛、13#垛、14#垛和15#垛發生不同程度的偏移,其中1
3#垛向左偏移較大,達42.04mm,同時壩基上抬,右岸壩基、壩體許多部位出現了裂縫，最嚴重的15#垛所在位置的拱冠部位拉開了一條長28m、最寬2mm的大裂縫。後經放空水庫檢查,發現大壩上游面沿拱台前緣與基岩接觸面有一條延伸百----Page 2-----------------------
余米的連續裂縫，1963年3月至1965年5月,梅山水庫被迫放空進行修復加固
；1971年冬至1972年春,陳村混凝土重力拱壩下游面出現許多水平向裂縫,其中
105m高程附近水平向裂縫規模最大,它不僅橫跨5～28壩段,大部分壩段被水平向裂縫貫穿，且部分壩段有2～3條水平向裂縫,累計延伸總長約450m,裂縫縫口寬度最大達
7mm；佛子嶺鋼筋混凝土連拱壩在1954年大壩建成蓄水後不久壩體即出現大量裂縫，隨著運行時間的延長,裂縫不斷增多,至1995年達到856條
。這些拱壩出現較大變形與破壞,在很大程度上都與壩肩壩基邊坡軟弱岩帶和硬脆性岩體在長期荷載作用下的流變時效變形密切相關。由此可見,開展水電高邊坡岩體的流變試驗與流變理論研究對於保證高壩工程的設計和施工安全以及
長期運行穩定具有十分重大的理論意義
、工程意義和工程套用價值。在水電站高邊坡的施工開挖與運行過程中，為了監測邊坡的變形和運行安全狀況，需要在邊坡岩體內部埋設大量變形和內力監測儀器,面對高邊坡大量的監測信息和呈海量級增加的觀測數據，目前大部分水電高邊坡工程仍主要依靠人工進行監測信息管理和觀測數據的計算分析處理，因而勞動強度大、分析處理效率低、人為影響因素多，數據分析因人為因素造成的錯誤機率也非常大。同時,落後的人工處理觀測數據的狀況常常導致監測資料的整理
、分析與評價往往滯後於工程運行的需要，不能及時發現和預報工程的安全隱患,因而直接影響高壩工程的施工穩定與運行安全。因此,開發高邊坡監測智慧型分析網路系統對於保證高壩邊坡的長期運行安全
、規避其設計和施工風險具有重要的工程套用價值。基於上述背景，本書在國家自然科學基金面上項目(51279093、41172268)、“
973”項目課題(2009CB724607)、山東省自然科學基金項目(Y2007F52)以及中國水電顧問集團公司科技支撐項目的支持下，系統開展了高壩高邊坡軟弱岩帶和硬脆性岩體的流變試驗
、流變理論和流變數值計算分析研究；建立了高邊坡岩體大尺寸原位壓縮蠕變試驗
、原位剪下流變試驗和不同加卸載應力路徑的室內三軸蠕變試驗方法，揭示了軟弱岩帶和硬脆性岩體的壓縮蠕變特徵、剪下流變特性、流變破壞機制以及流變強度的變化規律；建立了軟弱岩帶的變參數流變損傷模型和硬脆性岩體的非線性黏彈塑性流變模型；提出岩體流變參數的解析反演、解析-智慧型反演和改進二次粒子群反演方法；套用先進的計算機軟硬體技術開發出高邊坡監測智慧型分析網路系統，並在大型水電高邊坡工程中得到成功套用。1。2 國內外研究現狀人們對岩石流變力學性質的研究始於
20世紀初,Griggs於1939年首先通過使用梁式試件對石灰岩
、頁岩、雲母以及類岩石材料在室溫條件下進行了蠕變試驗，採用對數經驗公式來描述岩石的流變行為,並且認為不同岩石的長期強度各不·
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相同，砂岩和粉砂岩當荷載達到破壞荷載的12.5～80就會產生蠕變。日本的Ito
等對尺寸為215cm×12.3cm×6.8cm的花崗岩進行了歷時10年的彎曲蠕變試驗。結果表明,花崗岩呈黏滯流動而沒有屈服應力。目前,國內外許多學者相繼對岩石流變特性從各個方面進行了試驗和理論分析研究
[7～17]。我國的岩石流變學研究開始於
20世紀50年代,陳宗基是我國岩土流變力學學科的先驅和奠基人。1991年,陳宗基等對宜昌砂岩進行了扭轉流變試驗,提出了採用單個岩樣進行分級載入的試驗方法，研究了岩石在流變變形過程中的封閉應力和擴容等特徵，並著重指出“蠕變和封閉應力是岩石性狀中的兩個基本要素。”近20年來,隨著國內許多大型水電工程的興建,極大促進了我國同行對岩石流變特性的研究。進入21世紀初,我國岩石流變力學的研究更趨活躍,在岩石室內流變試驗
、現場流變試驗以及理論研究和數值模擬等方面也取得了顯著的研究成果
[19～21]。下面分別就岩石(體)流變試驗、理論研究、流變參數反演以及岩體邊坡監測數據分析系統開發等方面的研究現狀做一全面介紹。1。岩石(體)的流變試驗研究現狀1
)室內流變力學試驗岩石材料的室內流變試驗是研究其流變力學性質的主要手段和重要依據。室內試驗具有能夠嚴格控制試驗的環境條件
、可以進行長期觀測、可以排除次要的影響因素
、允許物資設備多次重複使用及花費相對較少等優點。因此,室內流變試驗可以為岩石流變特性的研究提供寶貴數據，已被研究人員廣泛接受,也成為研究岩石流變力學性質的重要手段。(
1)單軸壓縮蠕變試驗。岩石單軸壓縮蠕變試驗的研究開展得較早，成果也比較豐富。例如,Okubo等
研製開發了剛性流變試驗機,並採用該設備對大理岩、砂岩和安山岩等岩樣進行了壓縮蠕變試驗，獲得了岩石加速蠕變階段的完整應變-時間關係曲線,並建立了相應的蠕變方程；Tsai等對Mushan砂岩進行了多級載入—蠕變—卸載—再載入的試驗，並把應變分為彈性應變和黏塑性應變,認為黏塑性流動的方向與時間相關，黏塑性勢函式與塑性勢函式類似,只是形狀與時間具有相關性。陶振宇
通過對岩石流變試驗與現場觀測的比較分析,認為現場流變觀測資料常常缺失初期變形資料，需要結合流變試驗資料來分析,對於不趨穩定的蠕變情況，可根據ε-lgt曲線上的拐點估計蠕變破壞時間；谷耀君進行了黃河小浪底細砂岩單軸壓縮蠕變試驗，以梯級載入方式進行,對試驗數據進行了疊加處理,得出蠕變隨時間的變化滿足
ε=A+Blgt+Ct這樣一個規律,並指出岩石的變形經歷了壓縮
、擴容和破壞的過程；鐘時猷等對東鄉銅礦砂質頁岩進行了6個荷載大小不同的單軸壓縮蠕變破壞試驗和三個荷載大小不同的穩定蠕變試驗，提出了確定·
---Page 4-----------------------
長期強度的公式，初步提出定常蠕變階段和加速蠕變階段產生的應變之和近乎一個
常數；王子潮等簡述了高溫高壓實驗條件下採用參數變動法測定岩石冪次蠕變律常數的理論基礎和方法，該法可以利用較少數量的岩石試件得到較大溫壓範圍內的蠕變常數；李永盛對粉砂岩、紅砂岩、泥岩、大理岩4種不同強度的岩石進行了單軸壓縮條件下的蠕變和鬆弛試驗，指出在定常應力作用下,岩石材料一般都出現蠕變速率減小
、穩定和增大三個變化階段,但各階段出現與否及其延續時間與所觀測的岩石性質和所施加的應力水平有關；王貴君等通過硅藻岩的單軸蠕變試驗，發現其長期強度與瞬時強度的比值為1/5～1/4,並採用多項式逐步回歸分析很好地模擬了加速蠕變階段；許宏發通過對軟岩的單軸壓縮蠕變試驗,指出軟岩的彈性模量和強度變化規律具有相似性，都隨時間的延長而降低；沈振中等
進行了三峽大壩壩基花崗岩的單軸壓縮蠕變試驗,建議用Burgers模型來描述其黏彈性性質；朱合華等通過對凝灰岩乾燥和飽水狀態下的單軸壓縮試驗,探討了岩石蠕變受含水狀態影響的規律性，研究表明含水量對岩石瞬時彈性模量影響較小，對極限蠕變數影響較大,還影響岩石達穩定蠕變階段的時間；李鈾等開展了花崗岩飽水和風乾狀態下單軸流變特性試驗，得到飽水後花崗岩長期強度明顯降低及流變速率和變形量明顯增大的結論；李化敏等利用自行研製的蠕變試驗裝置，採用單調連續載入和分級載入方式,對南陽大理岩進行了單軸壓縮蠕變試驗，認為蠕變強度與瞬時強度之比為0.9左右,並用Burgers模型來描述蠕變曲線；范慶忠等採用重力載入式流變儀,對山東東部紅砂岩在分級載入條件下進行了單軸壓縮蠕變試驗，重點觀察和分析了蠕變條件下岩石的彈性模量和泊松比的變化效應；袁海平等對金川有色金屬公司Ⅲ礦區軟弱複雜礦岩採用分級增量循環加卸載方式進行了蠕變試驗，分析了礦岩黏彈塑性特性的基本規律；范秋雁等
以南寧盆地泥質軟岩為研究對象,進行了一系列單軸壓縮無側限和有側限蠕變試驗，配合掃描電鏡,分析了泥岩蠕變過程中細觀和微觀結構的蠕變機制,構建蠕變
、損傷及硬化綜合曲線說明蠕變三階段的形成機制；張明等結合錦屏一級水電站地下廠房洞室群施工
、運行期圍岩的長期穩定性需要,對廠區大理岩進行了單軸和雙軸蠕變試驗。(
2)三軸壓縮蠕變試驗。Fujii
等對Inada花崗岩和Kamisunagawa砂岩進行了三軸蠕變試驗,分析了軸向
、橫向和體積應變三種蠕變曲線,並指出橫向應變可用來作為蠕變試驗和常應變速率試驗中判斷岩石損傷的指針；Maranini等對PietraLeccese石灰岩進行了單軸和三軸壓縮蠕變試驗，研究表明蠕變變形機理主要為低圍壓下裂隙擴展和高應力下孔隙塌陷；彭蘇萍等對某煤層巷道的泥岩進行了三軸壓縮蠕變試驗，結果表明每一級圍壓下均對應一個起始流變強度；趙法鎖等對某工程邊坡軟岩進行了三軸壓縮蠕變試驗，提出水對岩石的結構和岩石力學性質的影響；陳渠·
----Page 5-----------------------
等
對三種沉積軟岩進行了三軸蠕變試驗,探討了不同條件下岩石的強度和變形特
征；劉光廷等利用岩石雙軸流變試驗機,對礫岩進行了多軸流變試驗,探討了乾燥和飽水兩種狀態下以及不同側壓下礫岩的流變力學特性，並套用於拱壩的穩定分析中；徐衛亞等採用全自動流變伺服儀研究了錦屏
