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.472 北京科技大学学报 第30卷 情形.也就是说，对岩体内结构面随机分布的情形， 寸的试件其所包含的结构面尺寸大小和数量的几率 小尺寸试件包含着大尺寸岩体丰富的本构信息，可 是不同的，这是导致岩石流变尺寸效应的主要原因 以通过对小尺寸试件的研究来推求大尺寸岩体的本 因此在连续性假设条件下确定工程岩体的流变模型 构特性，这一点和分形岩石力学的原理相吻合[8]. 时必须以满足物质微元的临界尺寸为前提条件，物 因此，对于岩体内结构面随机分布的情形，可以先利 质微元的临界尺寸是指能保证工程岩体可抽象为连 用较小的不同尺寸试件得到岩体流变的力学模型， 续体的物质微元的最小尺寸， 然后利用该模型力学参数值随试件尺寸的变化外推 (4)根据岩石本构模型力学参数随试件尺寸的 岩体的力学模型参数值 变化关系，对于岩体内结构面随机分布的情形，结合 各种不同尺寸的试件在相同的应力水平下，其 分形岩石力学的原理，可采用外推法获得工程岩体 蠕变曲线具有相同的性质，都是稳定蠕变，并且可用 的连续微元尺寸，由此可确定连续性概化处理的工 相同形式的流变力学模型和本构方程来对其进行描 程岩体范围，在此范围内，岩块的流变和岩体的流 述，所不同的只是模型参数的具体数值随尺寸不同 变具有相似的力学性质，因此可通过对室内不同尺 而有所差异，因此，为了获得该砂质页岩体的具体 寸岩石试件的流变力学实验采用外推法确定工程岩 流变力学模型，在所确定的工程岩体范围内，可认为 体的流变模型. 该岩体的流变力学模型与所研究的试块相同，且可 利用试块模型参数随尺寸的变化规律来外推岩体的 参考文献 流变模型参数，故式(5)~(7)的结果便是该种岩体 [1]Resai C S.A constitutive model and associated testing for soft 的萨氏流变模型参数近似值，只不过它们的外推条 rock.Int J Rock Mech Min Sci,1987,24(5):78 [2]Maranimi E.Creep behavior of a weak rock:experimental charac- 件为a∞，稍严格于a⑧c(连续微元尺寸) terization.Int J Rock Mech Min Sci.1999,36(3):127 3结论 [3]Sun J.Rheology of Rock and Soil Material and Its Application in Engineering.Beijing:China Architecture&Building Press. (1)不同尺寸的同类软岩试件具有相同的流变 1999,461 (孙均·岩土材料流变及其工程应用，北京：中国建筑工业出 本构特征，它们均可用相同的流变力学模型来进行 版社，1999：461) 描述，本文研究的砂质页岩的流变可用萨乌斯托维 [4]Sun GZ.Structure Mechanics of Rock Mass.Beijing:Science 奇模型来很好地描述， Press,1988 (2)同类软岩试件的尺寸不同，其流变本构模 (孙广忠.岩体结构力学.北京：科学出版社，1988) 型力学参数值也不相同，表现出明显的尺寸效应， [5]Zhou R G.Ling R H,Chen B F,et al.Investigation of differen" 所研究的砂质页岩其瞬弹性模量EH和黏弹性模量 tial flow deformation failure.JEng Geol.1997.5(1):59 (周瑞光，凌荣华，成彬芳，等，差异流动变形破坏研究，工程 Ex均随试件尺寸的增大而减小，且随试件尺寸的 地质学报，1997,5(1)：59) 增大，这种减小的速率逐渐变小，EH、EK随试件尺 [6]He M C.Jing HH,Sun X M.Engineering Mechanics of Soft 寸的不断增大而趋于一渐近值.这说明小尺寸的试 Rock.Beijing:Science Press,2002 件其EH、Ex的尺寸效应大，且随着试件尺寸的增 (何满潮，景海河，孙晓明.软岩工程力学。北京：科学出版社， 2002) 大，其尺寸效应不断减少并趋于平缓.也就是说，随 [7]Chen Y J.Cao P,Pan C L.Study on the structural effect of soft 着试件尺寸的增大，岩石的瞬弹性变形能力随之增 rock rheology/Proceedings of the Ath Pacific Rim Conference 大，岩石抵抗蠕变变形的能力随之减小；但当试件足 on Rheology.Shanghai,2005:912 够大时，这种变化会趋于缓和而变得不再明显，在 [8]Xie H P.Introduction to Fractal Rock Mechanics.Beijing:Sci- 较高的应力水平下，岩石流变的黏性系数g随试 ence Press:1996 (谢和平.分形岩石力学导论.北京：科学出版社，1996) 件尺寸的增大而变小，且小尺寸试件的x随应力 [9]Chen Y J,Pan C L.Cao P,et al.A New mechanical model for 水平增高和时间增加而增长的速度较快；当试件尺 soft rock rheology.Rock Soil Mech,2003.24(2):209 寸足够大时，的变化渐趋一渐近值.也就是说， (陈沉江，潘长良，曹平，等，软岩流变的一种新力学模型。岩 岩石的黏性随试件尺寸的增大而减少，大尺寸试件 土力学，2003,24(2)：209) 比小尺寸试件具有更大的黏性变形能力；当试件尺 [10]Liu BC.Scale effect of rock compressive strength.Chin J Rock 寸足够大时，岩石的黏性变形能力变化渐趋平缓. Mech Eng,1998,17(6):611 (刘宝琛.岩石抗压强度的尺寸效应·岩石力学与工程学报， (③)工程岩体内部存在着不同尺度、不同性质 1998,17(6):611) 的随机分布的结构面（包括微裂隙、孔隙等），不同尺情形．也就是说对岩体内结构面随机分布的情形 小尺寸试件包含着大尺寸岩体丰富的本构信息可 以通过对小尺寸试件的研究来推求大尺寸岩体的本 构特性这一点和分形岩石力学的原理相吻合［8］． 因此对于岩体内结构面随机分布的情形可以先利 用较小的不同尺寸试件得到岩体流变的力学模型 然后利用该模型力学参数值随试件尺寸的变化外推 岩体的力学模型参数值． 各种不同尺寸的试件在相同的应力水平下其 蠕变曲线具有相同的性质都是稳定蠕变并且可用 相同形式的流变力学模型和本构方程来对其进行描 述所不同的只是模型参数的具体数值随尺寸不同 而有所差异．因此为了获得该砂质页岩体的具体 流变力学模型在所确定的工程岩体范围内可认为 该岩体的流变力学模型与所研究的试块相同且可 利用试块模型参数随尺寸的变化规律来外推岩体的 流变模型参数故式（5）～（7）的结果便是该种岩体 的萨氏流变模型参数近似值只不过它们的外推条 件为 a→∞稍严格于 a→δC（连续微元尺寸）． 3 结论 （1） 不同尺寸的同类软岩试件具有相同的流变 本构特征它们均可用相同的流变力学模型来进行 描述．本文研究的砂质页岩的流变可用萨乌斯托维 奇模型来很好地描述． （2） 同类软岩试件的尺寸不同其流变本构模 型力学参数值也不相同表现出明显的尺寸效应． 所研究的砂质页岩其瞬弹性模量 EH 和黏弹性模量 EK 均随试件尺寸的增大而减小且随试件尺寸的 增大这种减小的速率逐渐变小EH、EK 随试件尺 寸的不断增大而趋于一渐近值．这说明小尺寸的试 件其 EH、EK 的尺寸效应大且随着试件尺寸的增 大其尺寸效应不断减少并趋于平缓．也就是说随 着试件尺寸的增大岩石的瞬弹性变形能力随之增 大岩石抵抗蠕变变形的能力随之减小；但当试件足 够大时这种变化会趋于缓和而变得不再明显．在 较高的应力水平下岩石流变的黏性系数 ηK 随试 件尺寸的增大而变小且小尺寸试件的 ηK 随应力 水平增高和时间增加而增长的速度较快；当试件尺 寸足够大时ηK 的变化渐趋一渐近值．也就是说 岩石的黏性随试件尺寸的增大而减少大尺寸试件 比小尺寸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． （3） 工程岩体内部存在着不同尺度、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尺寸大小和数量的几率 是不同的这是导致岩石流变尺寸效应的主要原因． 因此在连续性假设条件下确定工程岩体的流变模型 时必须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． （4） 根据岩石本构模型力学参数随试件尺寸的 变化关系对于岩体内结构面随机分布的情形结合 分形岩石力学的原理可采用外推法获得工程岩体 的连续微元尺寸由此可确定连续性概化处理的工 程岩体范围．在此范围内岩块的流变和岩体的流 变具有相似的力学性质因此可通过对室内不同尺 寸岩石试件的流变力学实验采用外推法确定工程岩 体的流变模型． 参 考 文 献 ［1］ Resai C S．A constitutive model and associated testing for soft rock．Int J Rock Mech Min Sci198724（5）：78 ［2］ Maranimi E．Creep behavior of a weak rock：experimental characterization．Int J Rock Mech Min Sci199936（3）：127 ［3］ Sun J．Rheology of Rock and Soil Material and Its Application in Engineering．Beijing：China Architecture ＆ Building Press 1999：461 （孙均．岩土材料流变及其工程应用．北京：中国建筑工业出 版社1999：461） ［4］ Sun G Z．Structure Mechanics of Rock Mass．Beijing：Science Press1988 （孙广忠．岩体结构力学．北京：科学出版社1988） ［5］ Zhou R GLing R HChen B Fet al．Investigation of differential flow deformation failure．J Eng Geol19975（1）：59 （周瑞光凌荣华成彬芳等．差异流动变形破坏研究．工程 地质学报19975（1）：59） ［6］ He M CJing H HSun X M．Engineering Mechanics of Soft Rock．Beijing：Science Press2002 （何满潮景海河孙晓明．软岩工程力学．北京：科学出版社 2002） ［7］ Chen Y JCao PPan C L．Study on the structural effect of soft rock rheology ∥ Proceedings of the 4th Pacific Rim Conference on Rheology．Shanghai2005：912 ［8］ Xie H P．Introduction to Fractal Rock Mechanics．Beijing：Science Press1996 （谢和平．分形岩石力学导论．北京：科学出版社1996） ［9］ Chen Y JPan C LCao Pet al．A New mechanical model for soft rock rheology．Rock Soil Mech200324（2）：209 （陈沅江潘长良曹平等．软岩流变的一种新力学模型．岩 土力学200324（2）：209） ［10］ Liu B C．Scale effect of rock compressive strength．Chin J Rock Mech Eng199817（6）：611 （刘宝琛．岩石抗压强度的尺寸效应．岩石力学与工程学报 199817（6）：611） ·472· 北 京 科 技 大 学 学 报 第30卷