第5期 陈沅江等：软岩流变的尺寸效应 .471. 变得不明显，并且渐渐趋近于一渐近值，有： 时的7k一o关系曲线和o=12MPa时的7一t关 Ek=lim Ek= 系曲线，其他时刻和其他应力水平下的关系曲线与 [60+236.5e3.76xi0'2]=60cPa(⊙) 此类似.由图4可见：在较高的应力水平下，岩石流 变的黏性系数K随时间尺寸的增大而变小，表现 可见，岩石试件抵抗蠕变变形的能力随试件尺 出明显的尺寸效应；在相同时刻，各种尺寸试件的 寸的增大而减小，但当试件尺寸足够大时，这种变化 均随应力水平的增高而增大，且小尺寸试件的 便不明显 k随应力水平的增高而增大较快；在相同的应力水 由式(4)和表2可见，黏性系数的回归参数均随 平下，各种尺寸试件的均随时间的增加而增大，且 试件尺寸的增大而增大，且趋于一极限值，于是黏 小尺寸试件的随时间的增加而增长较快.可见， 性系数K在试件尺寸趋于无穷大时的外推值为： 岩石的黏性具有明显的尺寸效应，在应力水平较高 60,0.45 《=k0.218+0.45ce0@wGPa-h(）☑ 时，其随试件尺寸的增大而变小，说明大尺寸的试件 比小尺寸的试件具有更大的黏性变形能力，当试件 图4(a)、(b)分别为不同尺寸试件在t=100h 尺寸足够大时，岩石的黏性变形能力变化渐趋平缓， 12000r 12000 (a) (b) 10000 10000 8000 8000 6000 6000 4000 4000 2000 2000 8 12 162024 28 0 50100150200250300 o/MPa 时间h 图4不同尺寸试件的7k与、t的关系曲线（曲线1,2和3分别为尺寸70mm×140mm、100mm×200mm和 140mm×280mm试样).(a)）t=100h:(b)=120MPa Fig.4 Relation curves of l with 6 and t of different sizes of samples:(a)t=100h:(b)=120 MPa 确定岩石试件的这样一个临界最小特征尺寸值，当 2工程岩体流变力学模型及其参数确定 试件特征尺寸大于该值时，在工程研究所容许的误 工程岩体中普遍存在着不同尺度、不同性质的 差范围内，可认为此时的岩石力学参数已不存在尺 随机分布的结构面（包括微裂隙、孔隙等），不同尺 寸效应，即此时的岩石力学参数值不再随试件尺寸 寸的试件其所包含的结构面的大小和多少的几率是 的增大而改变，已保持为一常值，据文献[6]关于连 不同的，这便是实验室岩块与实际工程岩体的主要 续微元尺寸的概念可知，这一临界特征尺寸便是所 区别，亦是引起岩石试件尺寸效应的主要原因0. 研究岩体的连续微元尺寸，这一方法可称之为外推 以往关于工程岩体流变力学模型的研究，通常是在 法.据式(5)一(7)及图3可知，所研究的砂质页岩 岩体连续性假设的基础上进行的，然而由于岩体内 样在其特征尺寸端截面直径a达到20cm左右时， 部微细结构面的存在，岩体连续性假设的应用应以 试件的尺寸效应已经不明显.由此据文献[6]，在对 满足物质微元的临界尺寸为前提条件.物质微元的 该岩体作连续性概化处理时，该岩体的连续微元一 临界尺寸是指能保证工程岩体可抽象为连续体的物 维尺寸8=a=0.2m,二维尺寸论=πa2/4= 质微元的最小尺寸，亦称为连续微元尺寸].在利 0.0314m2,所研究的工程岩体连续性概化二维尺寸 用连续介质力学的基本原理对工程岩体进行有关计 范围应为二维连续微元尺寸的10倍以上，即 算时，首先必须正确确定连续微元尺寸，以此决定可 3.14×102m2以上.在确定了岩体连续性假设所适 以进行连续性工程概化处理的岩体范围 用的范围之后，便可认为该范围的岩体为均质连续 当取不同尺寸的试件进行岩石流变力学实验 体，其中岩石试件和岩体具有相似的力学性质，所不 时，随着试件尺寸的增大，岩石流变力学参数的尺寸 同只是岩体力学模型的具体参数值是岩石试件力学 效应变得越来越不明显直至完全消失，由此，可以 模型具体参数值在其尺寸大于连续微元尺寸的外推变得不明显‚并且渐渐趋近于一渐近值‚有： E′K＝lima→∞ EK＝ lima→∞ ［60＋236∙5e —3∙476×10 —4×2a 3 ］＝60GPa （6） 可见‚岩石试件抵抗蠕变变形的能力随试件尺 寸的增大而减小‚但当试件尺寸足够大时‚这种变化 便不明显． 由式（4）和表2可见‚黏性系数的回归参数均随 试件尺寸的增大而增大‚且趋于一极限值．于是黏 性系数 ηK 在试件尺寸趋于无穷大时的外推值为： η′K＝lima→∞ ηK＝ 60t 0∙45 0∙218＋0∙455e —0∙0279σGPa·h （7） 图4（a）、（b）分别为不同尺寸试件在 t＝100h 时的 ηK—σ关系曲线和σ＝12MPa 时的 ηK— t 关 系曲线‚其他时刻和其他应力水平下的关系曲线与 此类似．由图4可见：在较高的应力水平下‚岩石流 变的黏性系数 ηK 随时间尺寸的增大而变小‚表现 出明显的尺寸效应；在相同时刻‚各种尺寸试件的 ηK 均随应力水平的增高而增大‚且小尺寸试件的 ηK 随应力水平的增高而增大较快；在相同的应力水 平下‚各种尺寸试件的ηK 均随时间的增加而增大‚且 小尺寸试件的 ηK 随时间的增加而增长较快．可见‚ 岩石的黏性具有明显的尺寸效应‚在应力水平较高 时‚其随试件尺寸的增大而变小‚说明大尺寸的试件 比小尺寸的试件具有更大的黏性变形能力．当试件 尺寸足够大时‚岩石的黏性变形能力变化渐趋平缓． 图4 不同尺寸试件的 ηK 与 σ、t 的关系曲线（曲线1、2和3分别为尺寸●70mm×140mm、●100mm×200mm 和 ●140mm×280mm 试样）．（a） t＝100h；（b） σ＝120MPa Fig．4 Relation curves of ηK with σand t of different sizes of samples：（a） t＝100h；（b） σ＝120MPa 2 工程岩体流变力学模型及其参数确定 工程岩体中普遍存在着不同尺度、不同性质的 随机分布的结构面（包括微裂隙、孔隙等）．不同尺 寸的试件其所包含的结构面的大小和多少的几率是 不同的‚这便是实验室岩块与实际工程岩体的主要 区别‚亦是引起岩石试件尺寸效应的主要原因［10］． 以往关于工程岩体流变力学模型的研究‚通常是在 岩体连续性假设的基础上进行的．然而由于岩体内 部微细结构面的存在‚岩体连续性假设的应用应以 满足物质微元的临界尺寸为前提条件．物质微元的 临界尺寸是指能保证工程岩体可抽象为连续体的物 质微元的最小尺寸‚亦称为连续微元尺寸［6］．在利 用连续介质力学的基本原理对工程岩体进行有关计 算时‚首先必须正确确定连续微元尺寸‚以此决定可 以进行连续性工程概化处理的岩体范围． 当取不同尺寸的试件进行岩石流变力学实验 时‚随着试件尺寸的增大‚岩石流变力学参数的尺寸 效应变得越来越不明显直至完全消失．由此‚可以 确定岩石试件的这样一个临界最小特征尺寸值．当 试件特征尺寸大于该值时‚在工程研究所容许的误 差范围内‚可认为此时的岩石力学参数已不存在尺 寸效应‚即此时的岩石力学参数值不再随试件尺寸 的增大而改变‚已保持为一常值．据文献［6］关于连 续微元尺寸的概念可知‚这一临界特征尺寸便是所 研究岩体的连续微元尺寸‚这一方法可称之为外推 法．据式（5）～（7）及图3可知‚所研究的砂质页岩 样在其特征尺寸端截面直径 a 达到20cm 左右时‚ 试件的尺寸效应已经不明显．由此据文献［6］‚在对 该岩体作连续性概化处理时‚该岩体的连续微元一 维尺寸 δC ＝ a＝0∙2m‚二维尺寸 δ 2 C ＝πa 2／4＝ 0∙0314m 2‚所研究的工程岩体连续性概化二维尺寸 范围应为二维连续微元尺寸的 104 倍以上‚即 3∙14×102 m 2 以上．在确定了岩体连续性假设所适 用的范围之后‚便可认为该范围的岩体为均质连续 体‚其中岩石试件和岩体具有相似的力学性质‚所不 同只是岩体力学模型的具体参数值是岩石试件力学 模型具体参数值在其尺寸大于连续微元尺寸的外推 第5期 陈沅江等： 软岩流变的尺寸效应 ·471·