孫寶成

（山東科技大學(xué)，山東 泰安 271000）

0 引言

在世界各地交通以及基站的建設(shè)過程中，我們?cè)谑┕ぶ袝?huì)遇到各種不同的地質(zhì)問題，其中不免會(huì)越來越復(fù)雜。尤其在隧道建設(shè)，鐵路工程建設(shè)和其他諸多巖土工程中，如遇到圍巖節(jié)理發(fā)育完善的環(huán)境，會(huì)在施工過程中增添無數(shù)麻煩。其中因?yàn)楦鞣N巖石在不同的地質(zhì)構(gòu)造中長時(shí)間存在，構(gòu)成了各種不同的地質(zhì)現(xiàn)象，如節(jié)理，斷層破碎帶等。而巖體的不均勻性，不連續(xù)性及其不穩(wěn)定性得以充分體現(xiàn)，同時(shí)如造成巖體失穩(wěn)被破壞的現(xiàn)象，則極有可能是由于各種巖體相互作用以及環(huán)境條件下流體進(jìn)行滲透在裂隙中產(chǎn)生極大壓力而造成的。

1 巖石斷裂理論現(xiàn)狀

斷裂的現(xiàn)象在自然領(lǐng)域中普遍存在，在此背景下斷裂力學(xué)得到了充分發(fā)展。斷裂力學(xué)最初的分析目標(biāo)是金屬材料等素材，也獲得了許多值得借鑒的研究成果。

Griffith 指出，材料中有著很多微裂紋。微裂紋是由于各種應(yīng)力的集中從而造成了裂紋向巖石各處以及深處的擴(kuò)張，最后所研究的巖石材料被完全破壞。在這種條件下，研究并創(chuàng)建了了Griffith 強(qiáng)度準(zhǔn)則。根據(jù)這一標(biāo)準(zhǔn)在含金屬材料中的限制性，Irwin 改進(jìn)了Griffith 的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)，并且巧妙地將它運(yùn)用到了所研究的材料中，同時(shí)加以改正與創(chuàng)新創(chuàng)造了基于彈性脆性材料的斷裂準(zhǔn)則，自此在研究方向上創(chuàng)造了《線性條件下的斷裂力學(xué)》。

據(jù)有限元拓展方法，我們可以得出I 型應(yīng)力水平因子對(duì)裂紋擴(kuò)展過程的作用，以及閉合裂紋在壓縮載荷效力下擴(kuò)張環(huán)節(jié)的數(shù)值模擬是本文基本研究內(nèi)容。

實(shí)驗(yàn)中在分析非閉合裂紋在巖石材料中的斷裂擴(kuò)張過程中，實(shí)驗(yàn)室中使用實(shí)驗(yàn)儀器分析研究了裂紋斷裂過程與模式，并得出一系列理論，

同時(shí)使用數(shù)值舉例論證的方法研究了裂隙在尖端應(yīng)力場(chǎng)中的幾何特征。舉例如：對(duì)巖石材料的壓縮斷裂試驗(yàn)表明，所見的閉合裂隙與非閉合裂隙兩者的差異以及對(duì)所處巖石材料的影響。

2 巖石流變理論的研究現(xiàn)狀

流變學(xué)說的是隨著時(shí)間的推移，對(duì)材料織物或骨架進(jìn)行連續(xù)的調(diào)整和重組，在巖石學(xué)方面造成其應(yīng)力應(yīng)變情況的持續(xù)增長，以及變化。項(xiàng)目材料存在相應(yīng)的流變性能，由于節(jié)理裂隙的切割，還有分布，堅(jiān)硬巖體也反映出流變特點(diǎn)。只要巖土介質(zhì)的承載力的不斷作用，就會(huì)出現(xiàn)巖土介質(zhì)的流變特性，流變持續(xù)時(shí)間與應(yīng)力水平相關(guān)。當(dāng)應(yīng)力達(dá)到或者遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于巖土材料的流變下限所處的強(qiáng)度時(shí)，隨著時(shí)間的推移，所研究材料將逐漸出現(xiàn)流變變形并急劇增強(qiáng)，最終巖體材料被徹底破壞。在巖體工程材料流變學(xué)的分析過程中，巖石地基、以及隧道項(xiàng)目等存在關(guān)鍵實(shí)用價(jià)值的意義，一般包括應(yīng)力蠕變、松弛、以及滯回效應(yīng)。巖體的蠕變特性和巖石項(xiàng)目、隧道設(shè)計(jì)建設(shè)密切相關(guān)，該領(lǐng)域的分析工作也顯示了項(xiàng)目的實(shí)用價(jià)值。以灰?guī)r和砂巖為例，展開了單軸，以及三軸壓縮下的蠕變?cè)囼?yàn)。提出巖石流變學(xué)的破壞機(jī)理：一般是低圍壓下裂隙的發(fā)育，以及滲透以及高圍壓下的內(nèi)孔坍塌。

實(shí)驗(yàn)室中利用單軸壓縮蠕變?cè)囼?yàn)研究了平常易得常見巖石在飽水、風(fēng)干兩種極限條件下的蠕變特性。以斜長石為例，提出飽和條件巖石實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定蠕變所必要的時(shí)間大于風(fēng)干條件下巖石所必要的時(shí)間。孫軍（2007）還系統(tǒng)闡述了近年來軟、硬巖及節(jié)理裂隙巖體的流變?cè)囼?yàn)、流變模型識(shí)別、流變力學(xué)措施，還有巖石流變損傷和破裂的分析進(jìn)展。

在巖石流變理論中，當(dāng)應(yīng)力不變，應(yīng)力隨時(shí)間增大的現(xiàn)象為蠕變;反言之則稱為巖石流變。目前常用的描述巖石流變特性的方法有兩種：一種是經(jīng)驗(yàn)法，也就是利用實(shí)驗(yàn)構(gòu)建經(jīng)驗(yàn)流變模型，來研究巖石的流變特征；另一種研究方式是按照巖石的基本流變特性從而構(gòu)建基本的本構(gòu)方程，進(jìn)行研究巖石流變特征的地質(zhì)元件模型。

3 裂隙在巖體材料中的斷裂機(jī)理

裂隙巖體的物理力學(xué)性質(zhì)，以及長期穩(wěn)定性是由于巖石自身的流變特性和其他各種水平因素的缺失而決定的，自Griffith 指出能量擴(kuò)張準(zhǔn)則開始，很多專家對(duì)含裂紋連接材料的蠕變斷裂，還有斷裂損傷機(jī)理展開了較多的分析。

在實(shí)驗(yàn)室中使用電鏡儀器研究了花崗巖裂縫在荷載作用下的流變損傷機(jī)理。結(jié)論得出：當(dāng)外載荷實(shí)現(xiàn)相應(yīng)程度時(shí)，裂紋數(shù)量隨時(shí)間增加而增加。在加速應(yīng)變過程中，裂紋的組合，以及消失是材料失效的最基本因素。

即使在較為完善的流變力學(xué)實(shí)驗(yàn)中，很少有結(jié)果能有效地指導(dǎo)工程實(shí)踐。其一，巖石的流變特性被礦物組成、膠結(jié)水平、構(gòu)架面分布、埋藏深度、地溫梯度、地應(yīng)力等地質(zhì)環(huán)境因素所干擾。其二，流變?cè)囼?yàn)與其他同等實(shí)驗(yàn)相比性價(jià)比低，所以我們需要在研究方向可以進(jìn)行更多實(shí)驗(yàn)并采取一個(gè)準(zhǔn)確，有效的流變模型進(jìn)行分析工程實(shí)踐中的流變規(guī)律及其產(chǎn)物市非常必要的。

4 影響未來展望

根據(jù)流變性能的大部分試驗(yàn)，所研究的巖石材料所具有的流變規(guī)律是各種因素造成的，其中地應(yīng)力，時(shí)間，膠結(jié)水平以及所在地層面為止是主要的干擾因子，而實(shí)驗(yàn)室條件有限不可能還原所有條件進(jìn)行完整研究。其二，實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行的流變?cè)囼?yàn)無法進(jìn)行加速，從而導(dǎo)致了一場(chǎng)實(shí)驗(yàn)需要進(jìn)行多年，不僅耗時(shí)耗力，實(shí)驗(yàn)結(jié)果也不一定與預(yù)期效果相同。

綜上所述，我們?nèi)孕枥幂^多的試驗(yàn)，進(jìn)行總結(jié)研究，并且在研究過程中需要采取一個(gè)準(zhǔn)確且有效的流變本構(gòu)模型進(jìn)行分析工程巖體材料的流變規(guī)律。