1 绪论
1.1 研究背景和意义
近年来，国家不断加大对基础设施建设的投入，公路、铁路和采矿等行业发展迅速，而巷道、隧道和边坡等岩体工程是公路、铁路和采矿等行业的主体和关键工程。大量复杂工程的建设在我国基础设施建设中占据越来越重要的地位，同时也给岩土工程带来了全新的机遇和挑战，其安全性和稳定性也将影响国家重大工程的整体安全，成为施工和后期维护中不得不考虑的重要方面。岩体的长期变形破坏特征，不仅是深部地下岩体工程稳定性的一个重要指标，也是边坡工程滑坡变形和稳定性分析的重要因素。
岩石的变形破坏是应变能累积到一定阶段突然释放的具有突发性、灾难性等特点的一种破坏形式，也是一种对工程危害很大的破坏类型。工程岩体在长期服役过程中受到载荷和环境等因素的影响，经历了漫长的时效变形累积过程，累积了巨大的应变能，一旦达到临界点，则发生突然性的破坏并引发灾害，影响工程岩体的稳定性。长期的工程实践表明，岩石的时效变形破裂失稳是矿山巷道、深埋隧道、地下硐室、高陡岩质边坡、核废料处置库、深长石油及地热钻孔等岩体工程长期稳定性分析的关键，也已成为本领域国内外学者十分关注的热点和学术前沿。
近年来，许多学者通过巷道和边坡的时效变形破坏特征来分析巷道和边坡的长期稳定性，尤其是深部岩体工程以及露天矿边坡工程。无论是深部岩体工程，还是露天边坡工程，这些岩体工程的时效变形破坏与漫长的时效变形累积以及微裂纹演化*后形成宏观贯通裂纹息息相关。工程岩体在漫长的地质构造过程中，经历了多次地质构造应力场的作用和改造，使得原本完整的岩体变成不同程度的损伤体，从而产生了大小不等的微裂隙以及宏观裂隙，甚至断层和结构面，因而在力学上具有不连续性、不均匀性、块体可移动性等特征。因此，在研究岩石这种复杂的介质时，不能再停留在一时一点的状态分析计算，而是延伸到发展变化全过程的模拟与跟踪，如裂纹扩展的跟踪和模拟、几何大变形分析及边坡滑动的预测等。这些都对数值分析的方法和技术提出了越来越高的要求。面对纷繁复杂的岩体工程问题，传统的连续和非连续分析方法也显得力不从心。因此，研究岩体时效变形过程连续-非连续数值分析方法及其应用对于揭示岩体的变形和破坏规律及评价岩体工程的安全可靠性具有重要的经济与安全意义。
1.2 研究现状
1.2.1 岩石时效变形
近年来，许多专家针对深部岩体工程和大型边坡工程深入研究了其赋存环境特点，分析了其中蕴含的关键岩石力学和工程问题，总的来说，关于深部岩石力学及大型边坡工程的许多问题亟待开展研究，其中考虑岩体时效变形破裂失稳的相关研究主要包括岩石时效变形实验、岩石时效变形数值计算方法等方面。本部分主要介绍岩石时效变形实验、岩石时效变形模型以及岩石时效变形数值计算方法的研究现状。
1．岩石时效变形实验
国外学者较早开展了岩石时效变形的蠕变试验研究，由于自然界中的岩石主要承受压缩载荷，岩石单轴压缩蠕变试验的研究成果比较丰富。Bieniawski开展了岩石在不同应变速率压缩和常载荷作用下时间效应的试验研究。Peng研究了岩石变形过程的时间效应。Singh进行了大理岩的蠕变试验研究，得到了幂函数关系的岩石蠕变特性方程。Schmidtke等分别对加拿大Lac du Bonnet花岗岩和魁北克钙长岩进行了蠕变试验研究，并应用Weibull概率统计分布理论对实验数据进行了统计分析。Boukharov等研究了脆性结晶岩石蠕变的三过程。李永盛对粉砂岩、大理岩、红砂岩和泥岩进行了单轴压缩条件下的蠕变和松弛试验，指出岩石材料一般都经历蠕变速率减小、稳定和增大三个阶段，岩石松弛曲线具有连续型与阶梯型两种典型变化形式。徐平等对三峡花岗岩进行了单轴蠕变试验，指出三峡花岗岩存在一个应力门槛值：当应力水平低于门槛值时，采用广义Kelvin 模型来描述三峡花岗岩的蠕变特性；当应力水平高于门槛值时，采用西原模型描述，并给出了相应的蠕变参数。范庆忠等进行了红砂岩单轴分级加载压缩蠕变试验，并分析了蠕变条件下岩石的弹性模量和泊松比的变化。姜永东等对重庆某滑坡体下盘的砂岩进行了单轴压缩蠕变试验，研究了应力水平对岩石蠕变特性的影响。袁海平等采用分级增量循环加卸载方式，对某矿区软弱复杂矿岩进行了单轴压缩蠕变试验，分析了可恢复的瞬时弹性应变与滞后黏弹性应变以及不可恢复的瞬时塑性应变与黏塑性应变，得到了软弱复杂矿岩黏弹塑性特性的基本规律。崔希海等对红砂岩进行了单轴压缩蠕变试验，分析了岩石横向和轴向蠕变规律。宋勇军等对炭质板岩进行了单轴压缩分级加载蠕变试验研究。杨永杰等[17]对煤岩进行了分级加载蠕变过程声发射特征试验研究，试验表明煤岩的声发射特征较好地反映了其蠕变过程中的损伤演化过程。宋义敏等采用分级加载方式对红砂岩进行了单轴压缩蠕变试验，并应用白光数字散斑相关方法对蠕变过程中试件表面变形场演化及裂隙位移演化进行了观测和分析。龚囱等进行分级加卸载条件下的短时蠕变试验，研究了红砂岩在减速蠕变、等速蠕变与加速蠕变阶段的声发射b值特征。
在岩石多轴压缩蠕变试验方面，Kranz较早研究了围压和应力差对Barre花岗岩蠕变的影响。李晓对泥岩峰后区进行了三轴压缩蠕变试验，得到了泥岩试件的峰后蠕变特性曲线，研究结果表明岩石峰后蠕变曲线由等速稳态蠕变和加速蠕变两阶段组成，且属于不稳定蠕变类型，岩石峰后蠕变速率比峰前蠕变速率高2～3个数量级。彭苏萍等针对某煤层巷道的泥岩进行了三轴压缩流变试验，结果显示每一围压下均对应着一个起始流变强度。陈渠等对三种沉积岩石进行了三轴蠕变试验，探讨了岩石在不同条件下的强度、变形特征，以及变形、变形速率和时间依赖性等的影响因素。徐卫亚等对锦屏一级水电站坝基绿片岩进行了三轴压缩流变试验，结果表明围压对流变变形存在很大的影响，围压越大，相应的轴向流变变形量越小，流变对岩石应力-应变曲线也有着重要影响。冒海军等对南水北调西线工程中的板岩进行了不同围压与轴压下的三轴蠕变试验，结果表明板岩的三轴蠕变曲线与煤岩、花岗岩等蠕变曲线相似，存在衰减蠕变、稳态蠕变阶段。范庆忠等利用重力加载式三轴流变仪，在低围压条件下对龙口矿区含油泥岩的蠕变特性进行三轴压缩蠕变试验研究，结果表明含油泥岩存在一个起始蠕变应力阈值，该阈值随围压的加大呈线性增加，蠕变破坏应力与围压大致成比例关系。Lin等研究了不同围压作用下花岗岩的蠕变损伤及强度弱化效应。Heap等研究了Darley Dale砂岩在不同围压和孔压下的蠕变特性。Grgic等研究了不同含水量条件下孔隙岩石的蠕变及声发射特性。黄书岭等基于水压和应力耦合作用下锦屏深部大理岩的三轴蠕变试验，研究了大理岩的变形时效特性、等时曲线特征以及时效破坏机制。王如宾等对坝基坚硬岩石变质火山角砾岩进行了渗透水压力作用下的三轴流变力学试验，分析岩石蠕变全过程中渗流速率随时间的变化规律。胡波等通过自制三轴蠕变仪对泥质粉砂岩样进行了恒围压分级增轴压的三轴压缩蠕变试验。Wang等对岩盐进行了三轴分级蠕变试验，分析了岩盐的蠕变-损伤-断裂行为。杨超等为研究卸荷条件下裂隙岩体的蠕变特性，以切割砂岩并充填水泥砂浆制备的裂隙试样为对象，开展了恒轴压分级卸围压三轴卸荷蠕变试验。徐鹏等进行了泥岩与煤的三轴压缩蠕变试验并对蠕变试验结果进行分析，分别采用泥岩与煤的蠕变参数作为软、硬岩石材料参数建立了软硬互层复合岩样数值模型，分析了不同层间距、软硬岩体积比及层间界面倾角下复合岩样的蠕变特性。Feng等应用自主研发的试验机开展了真三轴作用下岩石蠕变的试验研究。
在蠕变试验的基础上，很多学者为了研究蠕变过程中岩石内部微裂纹扩展规律，采用其他的技术手段观察岩石在蠕变过程中，岩石内部微裂纹以及宏观裂纹的扩展规律。Tapponnier等采用扫描电镜（scanning electron microscope，SEM）的方式观察岩石内部微裂纹的扩展规律。Kranz于1979年将SEM应用于岩石蠕变过程中的微裂纹扩展，他详细研究了裂纹长度和宽度随着加载时间的变化规律，研究发现在蠕变试验中应力腐蚀速率控制着单个裂纹的扩展速率，所以应力腐蚀速率必将影响蠕变破坏时间。Yoshida等采用SEM把蠕变变形及破坏解释为是已有裂纹的聚集扩展导致的，他们也把此理解为裂纹尖端的应力腐蚀现象，并在此基础上提出了基于微观力学的微观裂纹扩展分析模型，把此模型导入有限元软件中成功模拟出了岩石的蠕变力学行为。Lockner等使用了声发射数据表示岩石的非弹性变形，来进一步描述岩石蠕变的变形特征。Osam等研究了裂纹缓慢扩展过程中声发射频率特征及声发射产生速率与裂纹扩展速率之间的关系，并且指出试验过程中的声发射产生有两种方式，一种是因为微观裂纹面间接触摩擦产生的声发射；另外一种是在微观裂纹形成宏微观裂隙的过程中产生的声发射。Ohnaka根据试验过程中的声发射事件数将脆性岩石的蠕变破坏过程分为三个阶段，其对应于蠕变的三个阶段，同时，他们还进一步总结了声发射事件累计数与非弹性体应变之间的关系，并采用声发射事件率来描述应力腐蚀效应下的裂纹扩展规律。
2．岩石时效变形模型
基于实验室物理实验和现场监测，很多学者提出了许多反映岩石流变特性的理论模型，如经验模型、元件模型、损伤断裂流变模型、内时流变模型以及弹黏塑性模型等。经验模型常用幂函数型、对数型、指数型以及三种混合的经验公式来描述岩石的衰减蠕变和等速蠕变。元件模型采用基本的元件包括胡克弹性体、牛顿黏性体和圣维南塑性体，进行组合来模拟岩石的流变力学行为，常见的元件模型有Maxwell模型、Kelvin模型、Bingham模型、Burgers模型、理想黏塑性体模型、Nishihara模型等。随着损伤断裂力学方法在岩石力学研究中的不断发展，损伤断裂力学方法在岩体流变模型中的研究与应用，也取得了不少进展。Okubo等获得了岩石加速蠕变阶段的应变-时间关系曲线，并提出了岩石蠕变的本构方程。Pan等以及Fakhimi等分别提出了岩石变形的黏弹性模型和黏弹塑性模型。凌建明对脆性岩石在蠕变条件下的细观裂纹损伤特性进行探讨，给出了一种蠕变裂纹发展的损伤模型。陈卫忠等基于损伤力学中应变等效概念，建立了反映岩体断裂损伤耦合效应的弹塑性流变模型。万志军等基于大量的岩块流变试验，从岩石长期强度的衰减特征和岩石的应变能守恒原则出发，建立了非弹塑黏性元件模型的岩石流变数学力学模型。邵珠山等基于岩石应力与裂纹扩展关系及裂纹扩张演化法则，提出了岩石的宏细观力学模型，并推导了岩石应力-应变关系与蠕变理论表达式。Zhao等基于锦屏大理岩的真三轴蠕变试验，建立了考虑损伤的三维岩石黏弹塑性蠕变模型。
大量的试验证明，在上地壳环境下控制亚临界裂纹扩展的主要机制是应力腐蚀导致的已有微裂纹的扩展。岩石内裂纹快速扩展，进而发生断裂，通常是在亚临界裂纹扩展到一定程度后发生的，这便导致岩石工程破裂失稳与岩石裂纹扩展的时间相关。万琳辉等利用双扭试验获得岩石亚临界裂纹扩展Charles理论的相关参数，将传统断裂力学中拉伸应力和压剪应力下的裂纹扩展模型与Charles理论相结合，推导出与时间相关的裂纹扩展模型。赵延林等通过试验验证了类岩石材料裂纹流变断裂现象的存在，得到了翼型裂纹-翼型裂纹贯通、翼型裂纹-原生裂纹贯通和翼型裂纹-剪切裂纹贯通的三种流变断裂贯通模式，建立了多种破坏机制的压剪岩石裂纹的流变断裂判据和计算模型。王思青等对具有横观各向同性的板岩开展亚临界裂纹扩展试验研究，研究了不同节理倾角α下裂纹亚临界扩展规律。曹平等研究了橄榄岩、绿石和角闪岩在水岩作用下的亚临界裂纹扩展机理，研究发现，相对于自然环境的岩石，上述岩石的断裂韧度有相对明显的下降。曹平等还讨论了近年来岩石断裂力学研究的若干进展，并针对岩石亚临界裂纹扩展问题进行相关讨论与实例分析，分析了岩石流变断裂模式、断裂判据与理论模型。袁海平等对软弱复杂矿岩进行了亚临界裂纹扩展试验研究，测得了断裂韧度值和应力腐蚀下限值，确定了该软弱矿岩亚临界裂纹扩展速度与应力强度因子之间的关系，试验
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