岩石流变性能

[拼音]：yanshi liubian xingneng

[外文]：rheological behaviour of rocks

指岩石的蠕变、应力松弛、与时间有关的扩容，以及强度的时间效应等特性。通过研究岩石流变性能，可以分析岩石工程的长期稳定性和地学中的许多重要问题。

岩石在恒温和恒定应力作用下，变形随时间而增大的现象。应力状态不同，岩石的蠕变特性也不同。在偏应力作用下的蠕变特性，与偏应力σ_d和球应力σ_m 的大小有关。图1为6个相同的岩石样品在温度和球应力不变以及不同恒定偏应力 (σ姈< σ娦<…<σ₆)的条件下的典型蠕变曲线。曲线表示的蠕变可分为三种类型，即有限蠕变、对数蠕变和破坏蠕变。它们分别对应于三种不同应力范围。

（1）有限蠕变　当施加的偏应力小于下屈服值f₁时，偏应变ε随时间的变化是有限的，而且在加载过程中如果卸载，则偏应变可以逐渐恢复到零。这种蠕变称为有限蠕变，如图1中的σ姈曲线所示。

（2）对数蠕变　当施加的偏应力超过f₁而小于最高屈服值f₃时，则偏应变ε随时间的对数(lgt)线性增加，这种蠕变称为对数蠕变，如图中的σ娦、σ婭和σ忨曲线所示。如在加载过程中卸载，则偏应变随时间能部分地恢复，但不能全部恢复。卸载后，应变随时间逐渐恢复的现象称为回复或回弹。

（3）破坏蠕变　当施加的偏应力超过上屈服值f₃时，偏应变ε以减速率、恒定的速率增长直至出现加速蠕变而破坏，如图中的σ、σ曲线所示。

f₁是从有限蠕变过渡到对数蠕变的临界应力值；f₃是从对数蠕变过渡到破坏蠕变的又一个临界应力值。当偏应力小于f₃时，岩石是处于稳定状态的蠕变；而当偏应力超过f₃时，岩石是处于非稳定状态的蠕变。因此，为了确保岩石工程的长期稳定性，若在局部区域的偏应力超过f₃，则应采取加固措施。

若增大球应力，则蠕变速度将减慢，且f₁和f₃值均可提高，这对增强工程稳定性是有利的。

在恒温和恒定应变作用下，岩石所承受的应力随时间而减小至某个有限值的现象（见流变学）。

当施加于岩石上的偏应力超过岩石破坏强度σf的一半左右时，岩石的体积会随偏应力的增大而增加，这一现象叫作岩石扩容。扩容与时间有关，加载时间越长，扩容越大。这一现象叫作与时间有关的扩容。试验证明：

（1）扩容随球应力的增加而减小，但球应力值达到一定数值后，则不产生扩容。

（2）扩容的起始应力值随球应力的增加而增加(图2)。

扩容e_d可用下式计算：

，

式中为实测的岩石体积应变；e_e为线弹性体积应变，即，E为弹性模量，ν为泊松比，σ₁、σ₂、σ₃分别为主应力。

在恒定温度下，岩石强度随加载时间的增加而降低的现象。通过实验，可以推求工程建筑物经历长时间的岩石强度。

研究岩石的流变性能，可以建立岩石的应力-应变-时间关系，即本构关系，计算岩石的应力、应变随时间的变化；而岩石的扩容是岩石破坏的前兆，因而这一现象在工程上可用来预测岩石的破坏。

参考书目

1. Tan　Tjong-Kie and　Kang Wen-Fa，Time Dependent Dilatancy Prior to　Rockfailure and Earthquakes，Proc.of 5th Int. Congr. ISRM， Australia， 1983.