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D0I:10.13374/1.issnl00103.2008.05.021 第30卷第5期 北京科技大学学报 Vol.30 No.5 2008年5月 Journal of University of Science and Technology Beijing May 2008 软岩流变的尺寸效应 陈沅江谢本贤曹平 史秀志 中南大学资源与安全工程学院，长沙410083 摘要岩体内随机分布结构面对软岩流变的影响主要表现为尺寸效应·通过对四种不同尺寸砂质页岩试件的分级增量循 环加、卸载单轴压缩蠕变实验，揭示了该类软岩的流变可以用萨乌斯托维奇模型来描述，模型的三个本构参数E(线弹性参 数)、Ex(黏弹性参数)和k(黏性系数)值随软岩试件尺寸增大而不断减小并最终趋于一定值，这一规律可用具有极值条件的 非线性回归方程来表达。由此获得了求解结构面随机分布条件下工程岩体连续微元尺寸的外推方法，利用该法可通过对室内 不同尺寸岩石试件的流变力学实验确定在连续性概化范围内工程岩体的流变模型及其力学参数值· 关键词软岩：流变：尺寸效应：连续微元尺寸：外推法 分类号T0458+.3 Scale effect of soft rock rheology CHEN Yuanjiang,XIE Benxian,CAO Ping,SHI Xiuzhi School of Resource .Safety Engineering.Central South University.Changsha 410083.China ABSTRACT The influence of random-distributing structure surfaces in rock mass on the soft rock rheology is mainly expressed by scale effect.Multi-step incremental cycling loading and unloading uniaxial compression creep tests on 4 different sizes of sand-shale specimens showed that soft rock rheology could be described by the Salustowicz model and the values of its constitutive parameters of EH(linear elastic parameter),Ek(viscoelastic parameter)and T(viscous parameter)would decrease and tend towards being constant as the specimen size increased,which might be expressed by nonlinear regressive equations with extremum conditions.Then an ex- trapolation method was gained to determine the dimension of the continuous micro element of engineering rock mass with randomly distributing structure surfaces.It may be used to gain the rheological model and its mechanical parameters of engineering rock mass in the continuity schematization range by rheological tests on the different sizes of rock specimens in the laboratory. KEY WORDS soft rock:rheological performance:scale effect:dimension of continuous micro element:extrapolation method 软岩不仅强度低，而且具有极强的流变性，影响 学参数的确定展开具体讨论，由于工程围岩中结构 着软岩工程的长期稳定，因此，对其流变性进行研 面往往以成组定向分布和随机分布两种形式存在， 究很早以来就有报道]，但这些研究大都没有考 文献[7]曾就前一种分布形式对软岩流变本构参数 虑岩石中存在的结构面（如层理、节理和裂隙）对其 和长期强度的确定进行了研究，而后一种形式的影 流变性质的影响，文献[45]指出，岩体中大量结构 响主要表现为软岩流变的尺寸效应，据分形岩石力 面的存在导致工程围岩显著的差异流动变形破坏， 学的有关原理8]，小尺寸试件必然包含着大尺寸岩 对软岩流变性的研究应以岩体结构力学效应为主 体丰富的本构信息，为此，本文采用不同尺寸试件 导.文献[6]基于这一认识提出了连续微元尺寸的 进行了软岩长期流变实验，由此探讨试件尺寸对软 概念及工程岩体连续性假设的应用前提，由此指出 岩流变本构参数的影响规律，并获得大尺度工程岩 岩体力学参数确定的可能途径，但未就软岩流变力 体流变参数的外推确定方法 1软岩流变的尺寸效应 收稿日期：2007-03-20修回日期：2007-10-22 基金项目：国家自然科学基金资助项目(N。,50190274:N。- 1.1软岩流变的本构特征 50774093) 作者简介：陈沅江(1970一)男，副教授，博士， 为了研究软岩的尺寸效应，从湖南某矿一289水 E-mail:cyj201@mail.csu-edu-cn 平岩巷顶板采集了砂质页岩岩样，加工成尺寸为软岩流变的尺寸效应 陈沅江 谢本贤 曹 平 史秀志 中南大学资源与安全工程学院长沙410083 摘 要 岩体内随机分布结构面对软岩流变的影响主要表现为尺寸效应．通过对四种不同尺寸砂质页岩试件的分级增量循 环加、卸载单轴压缩蠕变实验揭示了该类软岩的流变可以用萨乌斯托维奇模型来描述模型的三个本构参数 EH（线弹性参 数）、EK（黏弹性参数）和 ηK（黏性系数）值随软岩试件尺寸增大而不断减小并最终趋于一定值这一规律可用具有极值条件的 非线性回归方程来表达．由此获得了求解结构面随机分布条件下工程岩体连续微元尺寸的外推方法利用该法可通过对室内 不同尺寸岩石试件的流变力学实验确定在连续性概化范围内工程岩体的流变模型及其力学参数值． 关键词 软岩；流变；尺寸效应；连续微元尺寸；外推法 分类号 TU458＋∙3 Scale effect of soft rock rheology CHEN Y uanjiangXIE BenxianCA O PingSHI Xiuz hi School of Resource ＆ Safety EngineeringCentral South UniversityChangsha410083China ABSTRACT T he influence of random-distributing structure surfaces in rock mass on the soft rock rheology is mainly expressed by scale effect．Mult-i step incremental cycling loading and unloading uniaxial compression creep tests on 4different sizes of sand-shale specimens showed that soft rock rheology could be described by the Salustowicz model and the values of its constitutive parameters of EH（linear elastic parameter）EK（viscoelastic parameter） and ηK（viscous parameter） would decrease and tend towards being constant as the specimen size increasedwhich might be expressed by nonlinear regressive equations with extremum conditions．T hen an extrapolation method was gained to determine the dimension of the continuous micro element of engineering rock mass with randomly distributing structure surfaces．It may be used to gain the rheological model and its mechanical parameters of engineering rock mass in the continuity schematization range by rheological tests on the different sizes of rock specimens in the laboratory． KEY WORDS soft rock；rheological performance；scale effect；dimension of continuous micro element；extrapolation method 收稿日期：2007-03-20 修回日期：2007-10-22 基金项 目：国 家 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目 （ No．50490274；No． 50774093） 作者简介：陈沅江（1970—）男副教授博士 E-mail：cyj201＠mail．csu．edu．cn 软岩不仅强度低而且具有极强的流变性影响 着软岩工程的长期稳定．因此对其流变性进行研 究很早以来就有报道［1—3］但这些研究大都没有考 虑岩石中存在的结构面（如层理、节理和裂隙）对其 流变性质的影响．文献［4—5］指出岩体中大量结构 面的存在导致工程围岩显著的差异流动变形破坏 对软岩流变性的研究应以岩体结构力学效应为主 导．文献［6］基于这一认识提出了连续微元尺寸的 概念及工程岩体连续性假设的应用前提由此指出 岩体力学参数确定的可能途径但未就软岩流变力 学参数的确定展开具体讨论．由于工程围岩中结构 面往往以成组定向分布和随机分布两种形式存在 文献［7］曾就前一种分布形式对软岩流变本构参数 和长期强度的确定进行了研究而后一种形式的影 响主要表现为软岩流变的尺寸效应．据分形岩石力 学的有关原理［8］小尺寸试件必然包含着大尺寸岩 体丰富的本构信息．为此本文采用不同尺寸试件 进行了软岩长期流变实验由此探讨试件尺寸对软 岩流变本构参数的影响规律并获得大尺度工程岩 体流变参数的外推确定方法． 1 软岩流变的尺寸效应 1∙1 软岩流变的本构特征 为了研究软岩的尺寸效应从湖南某矿—289水 平岩巷顶板采集了砂质页岩岩样加工成尺寸为 第30卷 第5期 2008年 5月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．30No．5 May2008 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2008．05．021