岩石流变理论中的蠕变现象

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翻新时间：2023-08-04

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岩石流变理论中的蠕变现象

【摘要】流变学研究内容是各种材料的蠕变和应力松弛的现象、屈服值以及材料的流变模型和本构方程。在土木工程中，建筑的土地基的变形可延续数十年之久。地下隧道竣工数十年后，仍可出现蠕变断裂。因此，土流变性能和岩石流变性能的研究日益受到重视。

【关键词】岩石；蠕变；流变理论

蠕变是指材料在恒定载荷作用下，变形随时间而增大的过程。蠕变是由材料的分子和原子结构的重新调整引起的，这一过程可用延滞时间来表征。当卸去载荷时，材料的变形部分地回复或完全地回复到起始状态，这就是结构重新调整的另一现象。

材料在恒定应变下，应力随着时间的变化而减小至某个有限值，这一过程称为应力松弛。这是材料的结构重新调整的另一种现象。

蠕变和应力松弛是物质内部结构变化的外部显现。这种可观测的物理性质取决于材料分子（或原子）结构的统计特性。因此在一定应力范围内，单个分子（或原子）的位置虽会有改变，但材料结构的统计特征却可能不会变化。

一、流变理论

在岩石的流变理论中常见四种现象。

流变：指材料的应力-应变关系与时间因素有关的性质，材料变形过程中具有时间效应的现象称为流变现象。

蠕变：当应力不变时，变形随时间增加而增长的现象。

松弛：当应变不变时，应力随时间增加而减小的现象。

弹性后效：加载或卸载时，弹性应变滞后于应力的现象。

这四种现象构成了岩石流变理论中的基础，是研究岩石流变理论不可或缺的理论基础。

二、流变理论中的蠕变

（一）蠕变试验

岩石蠕变现象通常通过蠕变试验的曲线来确定。图1所示为某岩石进行岩石蠕变试验的岩石蠕变曲线示意图。

图1 岩石蠕变曲线示意图

该蠕变试验表明：

1. 当岩石在某一较小的恒定荷载持续作用下，其变形量虽然随时间增长有所增加，但蠕变变形的速率则随时间增长而减少，最后变形趋于一个稳定的极限值，这种蠕变称为稳定蠕变。

2. 当荷载较大时，abcd 曲线所示，蠕变不能稳定于某一极限值，而是无限增长直到破坏，这种蠕变称为不稳定蠕变。这是典型的蠕变曲线，根据应变速率不同，其蠕变过程可分为三个阶段，即减速蠕变阶段或初始蠕变阶段、等速蠕变阶段及加速蠕变阶段。

（二）流变理论的经典解法

前人的理论基础主要表现在典型岩石蠕变方程：幂函数方程、指数方程、幂指数对数混合方程等。

总结以往的蠕变试验，在一系列的岩石流变试验基础上建立反映岩石流变性质的流变方程，通常有二种方法：

1. 经验法

岩石蠕变经验方程：

2. 理论模型模拟法

将介质理想化，归纳成各种模型，模型可用理想化的具有基本性能（包括弹性、塑性和粘性）的元件组合而成。

三、结语

岩石的长期强度由于流变作用，岩石强度随外载作用时间的延长而降低，其变形随着时间的增长而逐渐增大。

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