流变特性是岩石的重要力学特性之一，与岩石工程的长期稳定和安全密切相关。许多重大岩石工程的建设都迫切需要了解岩石的流变力学特性，以使工程建设顺利进行，并确保岩石工程在长期运营过程中的安全与稳定。因此，流变力学特性是岩石力学中一个重要的研究课题。　　 国家重点工程杭州至兰州高速公路是连接我国东、中、西部的重点干线公路。杭兰线巫山至奉节段(K0+000～K59+553.423)，是杭兰线的重要组成部分。该线路的建设是实施“西部大开发”战略的需要，是加强长江经济带一体化发展的需要，具有重要的经济与战略意义。由于线路所处地区区域地质环境复杂，线路经过地段的地形、地貌复杂多变，挖方高边坡工程较多。在三叠系中统巴东组第二段(T2b2)粉砂质泥岩区，边坡开挖后的自稳能力低，坡体的变形随时间增长不断增加，表明T2b2粉砂质泥岩具有显著的时效变形特征，流变特性显著，在边坡变形过程中起主导作用。T2b2粉砂质泥岩是一种软岩，强度低、遇水软化，在三峡地区的秭归、巴东、巫山、奉节等地大面积分布，是三峡地区的“易滑地层”。目前研究人员对T2b2粉砂质泥岩力学性质的研究主要集中在常规单轴、三轴压缩试验方面，并没有注意到粉砂质泥岩的流变力学特性，从已发表的研究文献看，目前还没有这方面的相关资料，这直接影响到对T2b2粉砂质泥岩地层中挖方高边坡变形破坏机理的定量认识。鉴于此，本文采用试验研究、理论分析和数值模拟相结合的研究方法，对T2b2粉砂质泥岩进行了常规单轴、三轴压缩试验、三轴压缩蠕变试验以及三轴应力松弛试验，研究了粉砂质泥岩的常规力学特性、蠕变力学特性以及应力松弛特性，揭示了岩石在三向应力作用下的流变力学特性。基于试验结果，建立了岩石的线性粘弹性与非线性粘弹塑性流变本构模型，并将岩石流变力学特性的研究成果应用到高速公路高边坡工程实践中，解决实际问题。　　 本文的主要研究工作如下：　　 1、从线路区的地形地貌、地层岩性、地质构造以及降雨特征角度解释了T2b2粉砂质泥岩地层中挖方高边坡工程易产生变形破坏的原因。线路区沟谷切割深，山坡坡度较陡，在地形的控制下，受人类工程活动、水动力条件的变化等外部因素的影响，边坡易发生变形破坏。线路所处的构造单元属四川沉降褶皱带之川东褶皱带的一部分，区域内褶皱发育，导致岩体节理裂隙发育，岩石较破碎，降低了坡体的稳定性。T2b2粉砂质泥岩粘土矿物含量高，强度低，遇水软化、泥化，该套地层是线路区的“易滑地层”。线路区的降雨强度大于临界暴雨强度，是引起边坡体变形破坏的重要动力因素。　　 2、对T2b2粉砂质泥岩进行矿物成分、物理水理性质试验。试验结果表明：粉砂质泥岩中蒙脱石、伊利石等粘土矿物占矿物总成分的60％，属粘土矿物含量高、亲水性大、水稳性差的一类岩石。粉砂质泥岩的饱水系数较大，对于含粘土矿物成分较多的岩石，这将使其吸水后膨胀，导致岩石强度明显降低。考虑到研究区降雨量、降雨强度大以及岩石中粘土矿物成分含量高的情况，常规力学试验以及流变力学试验中的岩石试样均浸水24小时后使用。为合理确定分级加载条件下岩石流变试验应施加的应力或应变的水平级数，全面揭示长期荷载作用下岩石的流变力学特性，采用TAWA-2000微机控制岩石伺服三轴压力试验机对粉砂质泥岩进行了单轴以及不同围压作用下常规力学特性试验研究工作，获取了岩石的常规力学强度以及变形参数。基于试验结果，研究围压对岩石常规力学特性的影响规律，建立考虑岩石应变软化的双线性弹性-线性软化-残余理想塑性四线性模型，并确定模型参数。　　 3、考虑到工程岩体总处于三向应力状态，采用RLJW-2000型岩石三轴流变伺服仪，对粉砂质泥岩进行了三轴压缩蠕变试验。基于试验结果，研究了岩石在不同应力水平下轴向应变、径向应变以及体积应变随时间的变化规律，岩石在不同应力水平下轴向蠕变速率、径向蠕变速率随时间的变化规律，以及岩石轴向与径向的应力应变等时曲线随时间的变化规律，全面揭示了粉砂质泥岩的三轴蠕变特性。主要成果有：①在破裂应力水平下，岩石径向蠕变比轴向蠕变先进入加速蠕变阶段，径向的初始蠕变速率、稳态蠕变速率以及加速蠕变速率均高于轴向相应的蠕变速率，这是导致岩石发生蠕变破坏的重要原因。因此，粉砂质泥岩的径向蠕变比轴向蠕变更敏感，以径向蠕变来判断岩石是否发生蠕变破坏更合理。②粉砂质泥岩的蠕变具有明显的非线性特征，岩石径向蠕变的非线性特征比轴向蠕变更明显。粉砂质泥岩可视为弹、粘、塑性体，在低于破裂应力水平下可视为线性粘弹性体，在破裂应力水平下可视为粘弹塑性体，可以用一线性粘弹性模型与一非线性粘塑性模型串联而成的组合模型来描述岩石的蠕变特性。粉砂质泥岩的径向粘塑性应变量较轴向大，而粘弹性应变量较轴向小。③粉砂质泥岩的长期强度为瞬时强度的74.4％，长期强度大幅折减，在工程防治中应考虑岩石长期强度折减的问题。　　 4、根据分级加载条件下粉砂质泥岩的三轴蠕变试验成果，选取线性粘弹性Burgers蠕变模型来描述岩石的衰减蠕变与稳定蠕变特性，采用LM-NLSF算法分别以轴向蠕变和以径向蠕变辨识得到了模型参数。针对元件模型不能反映岩石加速蠕变特性的缺点，对Burgers模型进行进一步的改进，引入非线性元件，将其与线性粘弹性蠕变模型串联起来，建立能描述岩石加速蠕变特性的非线性粘弹塑性蠕变模型，即非线性Burgers模型。分别以轴向蠕变和以径向蠕变辨识得到了非线性Burgers模型参数。粉砂质泥岩的蠕变具有各向异性的特点，在同一级应力水平下轴向以及径向的蠕变参数各自独立并不统一，模型参数取值时应考虑岩石蠕变所具有的各向异性特点。在前7级应力水平下，试样轴向的蠕变量、稳态蠕变速率均大于径向，模型参数取值时应取以轴向蠕变辨识得到的Burgers模型参数，而在第8级应力水平下，即破坏前一级应力水平下，试样径向的蠕变量、稳态蠕变速率均大于轴向，模型参数取值时应取以径向蠕变辨识得到的Burgers模型参数。在破裂应力水平下，试样径向蠕变比轴向蠕变先进入加速蠕变阶段，且径向加速蠕变速率高于轴向加速蠕变速率，因此，模型参数取值时应取以径向蠕变辨识得到的非线性Burgers模型参数。蠕变模型参数取值时考虑岩石蠕变的各向异性以及轴向与径向蠕变量、蠕变速率的大小差异，这对于岩石工程的长期安全与稳定评价是更合理的。　　 5、由于应力松弛试验要求试验设备具有长时间保持应变恒定的性能，试验技术难度大。为揭示粉砂质泥岩的应力松弛特性，采用RLJW-2000型岩石三轴流变伺服仪，通过调整轴向EDC控制器的控制参数，完成了粉砂质泥岩的三轴应力松弛试验。基于试验结果，划分了应力松弛阶段，分析了应力松弛特征，研究了各级应变水平下应力松弛速率、径向应变、体积应变以及松弛模量随时间的变化规律，得出了粉砂质泥岩三轴应力松弛规律。主要成果有：①随应变水平的增加，试样的初始应力、剩余应力以及应力松弛量逐渐增加，而剩余应力比逐渐降低，即应变水平越高，岩石的应力松弛程度越大。应力松弛稳定后粉砂质泥岩的剩余应力为初始应力的40％-65％。峰值应变下粉砂质泥岩的剩余应力比为0.40，应力损失程度最大，表明粉砂质泥岩在峰值应变状态下，松弛稳定后应力损失可达60％。②岩石应力松弛过程中，在各级应变水平下试样的径向应变和体积应变并非保持恒定不变，其变化趋势与同一应变水平下应力的变化趋势类似，但要稍滞后于应力的变化，反映出岩石内部应力随时间不断松弛弱化的过程。　　 6、依据应力松弛试验结果，首先建立了粉砂质泥岩应力松弛的经验本构模型，直观揭示了岩石应力-应变-时间关系。然后依据岩石的应力松弛曲线特征，选取Burgers模型来描述岩石的应力松弛特性。针对Burgers模型不能精确描述1.0％、1.27％应变水平下粉砂质泥岩应力松弛特性的缺点，采用二单元、四单元以及六单元的广义Maxwell模型对这两级应变水平的试验曲线进行进一步辨识研究。根据辨识结果，比较了各元件模型的优缺点，表明从理论上讲，六单元广义Maxwell模型可以准确的揭示粉砂质泥岩的应力松弛特性；从工程应用角度来讲，采用Burgers模型来描述粉砂质泥岩的应力松弛特性是较适宜的。　　 7、对同一围压下粉砂质泥岩常规试验、蠕变试验以及应力松弛试验得出的强度参数、变形参数以及本构模型参数进行了比较。表明粉砂质泥岩的瞬时强度最大，长期强度其次，松弛残余强度最小。常规试验中试样的轴向峰值应变最大，应力松弛试验中试样的轴向峰值应变其次，蠕变试验中试样的轴向峰值应变最小。从岩石微观破裂机理方面定性分析了三种强度参数以及三种变形参数大小差异的原因。通过对比以轴向蠕变辨识得到的Burgers蠕变模型参数和以轴向应力辨识得到的Burgers应力松弛模型参数，一方面证明了得出的粉砂质泥岩蠕变与应力松弛模型参数的正确性，表明Burgers模型可以较好地描述粉砂质泥岩的流变特性，由此确定的流变模型参数可用于工程粘弹性分析。另一方面也表明：与线弹性材料不同，对于粉砂质泥岩这种具有明显非线性粘弹塑性特征的材料，岩石的蠕变特性与应力松弛特性是不等同的，不能简单的由蠕变特性推导得出其应力松弛特性。　　 8、针对杭兰高速公路巫山至奉节段T2b2粉砂质泥岩地层中，挖方高边坡时效变形特征显著的问题，以其中的大水田边坡为例，采用FLAC3D数值模拟软件对挖方高边坡进行了弹塑性与考虑岩石流变特性的粘弹塑性数值计算，模拟边坡开挖后的应力、变形及塑性区，并根据其分布特征和变化规律对比弹塑性与流变两种方法的计算结果，阐明了边坡开挖后流变破坏机理，预测了边坡变形发展趋势，为工程的防灾减灾提供了科学依据。主要成果有：①与弹塑性状态相比，流变计算结果表明开挖后坡体内应力场随时间不断调整，应力进一步向挖方边坡坡脚处集中；在路基岩体内出现明显拉应力区：剪应力值增大，并由坡体内向坡面浅表层处集中；剪应变增量的数值与分布范围进一步增加。②与弹塑性状态相比，岩石的流变不仅影响到边坡的位移值，而且也改变了边坡的位移分布模式。坡体的变形不再仅仅集中于开挖面以下的浅表层部位，而在坡体较大范围内产生了比较明显的变形。边坡从以竖向卸荷回弹瞬时变形为主转变为在自重作用下向临空面方向的蠕变变形为主。考虑岩石流变的位移值都比不考虑流变的位移值大，最大可增加21.8倍。③考虑流变效应后在开挖面部位产生的塑性区范围明显大于不考虑流变时的范围。④对控制点的位移观测结果表明，控制点在开挖后一段时间内变化较为剧烈，主要变形都集中在开挖后的6-7个月时间内。在开挖后12个月左右时间，观测点位移趋于稳定，不再有明显变化。开挖后12个月的时间界限可以看作是大水田边坡变形趋于稳定的时间临界值。⑤对单元体的应力观测结果表明，工程开挖后，坡体内的主应力、剪应力并不是一开始就能达到平衡状态，而是随时间的增加应力不断变化，需要一段时间调整后，坡体内的应力场才能逐渐达到平衡状态。因此考虑岩石的流变特性对于真实反映边坡非线性变形过程是非常必要的，对于岩石工程的长期稳定与安全是非常重要的。⑥考虑流变特性得到的计算结果将对工程的安全更为有利，而不考虑流变特性得到的计算结果偏于安全，将会使工程存在安全隐患。