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岩石蠕变

◎ 应急管理部信息研究院 袁阳

人类主要活动范围为地壳上部,其主要构成为岩石。一般认为岩石一旦达到某一临界值(抗拉、抗压、抗剪强度等),或者在完整岩块中产生的应力超过新裂纹所需的应力,就会发生破坏并产生大的变形和位移。然而,在长时间作用下,即使岩石不发生破坏,也会发生较大的变形,该特性被称为岩石的蠕变。岩石的蠕变特性不仅是影响露天矿山边坡工程滑坡变形和稳定性分析的一个重要指标,也是分析深部岩体工程稳定性的主要因素。

早在1833 年就已经有文献提到了固体力学的蠕变行为,只是到了1905 年才正式开始了对金属在拉应力下蠕变断裂的研究。1939 年,David T.Griggs 发现在施加的应力水平低于破坏应力水平时,岩石表现出了蠕变力学行为,并把蠕变定义为在较长时间范围内在岩石上施加较小应力水平所产生的缓慢变形现象。通过对石灰岩、大理岩、页岩与砂岩等岩石进行了长达550 天的岩石蠕变试验发现,岩石具有弹性流动以及假黏性流动力学行为,并提出了相应的黏弹性经验方程。我国岩石力学、流体力学家陈宗基提出岩石蠕变的定义:当岩样受到一定水平的应力,岩石产生瞬时形变,且变形随时间增加,但是岩石没有发生破坏,这种现象定义为蠕变。

较为著名的蠕变实验是沥青滴漏实验。澳大利亚昆士兰大学Thomas Parnell 教授将沥青倒入漏斗中,从1938年第一滴沥青滴落,时至今日共有9 滴沥青滴落。

目前主要的蠕变机制分为以下几种。一是扩散蠕变。在较低的温度和应力水平下,原子或离子通过晶格的扩散过程导致蠕变。这种机制在细粒岩石和岩石的微裂缝中更为显著。二是位错蠕变。位错在晶体中的移动是导致蠕变的一种机制。在较高的温度下,位错可以在晶格中移动,绕过障碍物,导致晶体塑性变形。三是压溶蠕变。在高压环境下,岩石中的矿物可能会溶解在流体中,然后在应力较低的区域重新沉淀。这种溶解和沉淀的过程导致岩石发生蠕变。四是化学蠕变。岩石中的化学反应,如矿物的溶解和新矿物的形成,也可能导致蠕变。五是微裂纹的开启和闭合。岩石中的微裂纹在应力作用下可能会开启或闭合,导致岩石体积或形状的变化,从而产生蠕变。六是晶体塑性。岩石中的矿物晶体在应力作用下会发生塑性变形,包括晶体内部的位错运动和晶界的滑动。七是颗粒边界滑动。在多矿物岩石中,不同矿物颗粒之间的边界在应力作用下可能会发生相对滑动,导致岩石整体的蠕变。八是热激活过程。在高温下,岩石的蠕变行为可能受到热激活过程的影响,其中原子或分子获得足够的能量克服能量势垒,从而发生移动。

因此,岩石蠕变的主要影响因素包括应力水平、温度、加载速率、湿度、化学作用等。例如,湿度的影响主要为水(液态或气态)。一方面水的存在会增大岩石孔隙压力,从而增大内部有效应力,进一步增加其蠕变速率。另一方面水也可以起到类似润滑剂的作用,促进矿物颗粒间的滑动,加速蠕变过程。

实际生活中,许多滑坡通常被称为慢速滑坡,其蠕动速度从每年几毫米到几米不等,并可持续数年到数十年。虽然缓慢移动的山体滑坡很少造成人员伤亡,但它们可能会对基础设施造成重大破坏,有时甚至会发生灾难性的破坏,从而转变为快速移动的山体滑坡,造成大量伤亡。滑坡表现出多种多样的运动学行为,对灾害和地貌演变都有重要影响。缓慢移动的滑坡运动学揭示了一系列复杂的基本物理参数,涉及材料的机械特性(例如内聚力、摩擦力和块体破坏)、滑动历史、孔隙水压力和动态载荷。因此,研究岩石蠕变的机制对于预测诸如滑坡的自然灾害至关重要。实验室内通常采用声发射、应变计等手段来研究不同岩石在不同条件(应力水平、温度、湿度等)下的应力应变特征。

随着技术的发展,通过采用多传感器监测获取了岩石蠕变特征,这些值可更好地了解岩石在长时间作用下对外部作用力的蠕变响应,并且根据室内试验和现场岩体工程的蠕变特征,结合诸如高空间和时间分辨率遥感数据的可用性不断提高,对于分析岩体工程稳定性将取得更大的进展,有助于减少经济损失和保障生命安全。

(责任编辑:韩瑜)