于懷昌 史廣誠 劉漢東 趙 陽

(華北水利水電大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，河南鄭州 450011)

巖石應(yīng)力松弛特性研究現(xiàn)狀與展望★

于懷昌 史廣誠 劉漢東 趙 陽

(華北水利水電大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，河南鄭州 450011)

介紹了巖石應(yīng)力松弛與巖石工程長(zhǎng)期穩(wěn)定的相關(guān)性，分析了單軸壓縮、多軸壓縮和剪切應(yīng)力條件下巖石的應(yīng)力松弛研究現(xiàn)狀，在此基礎(chǔ)上，探討了目前研究中存在的不足之處，提出了巖石應(yīng)力松弛研究的方向。

巖石，應(yīng)力松弛，單軸壓縮，多軸壓縮

0 引言

巖石的蠕變和應(yīng)力松弛直接與巖石的長(zhǎng)期強(qiáng)度以及工程的長(zhǎng)期穩(wěn)定性相關(guān)，因此，它們一直是巖石流變力學(xué)特性研究的兩個(gè)重要方面。恒定應(yīng)力作用下，變形隨時(shí)間增大而增大的現(xiàn)象稱為蠕變，恒定應(yīng)變作用下，應(yīng)力隨時(shí)間增大而減少的現(xiàn)象稱為應(yīng)力松弛，如圖1所示。

圖1 巖石流變曲線

工程實(shí)踐表明，在地下洞室、巷道、邊坡工程中應(yīng)力松弛現(xiàn)象普遍存在，工程往往由于巖石的應(yīng)力松弛而導(dǎo)致變形、破壞［1］。因此，對(duì)于工程的長(zhǎng)期穩(wěn)定和安全來說，巖石的抗松弛性能同樣具有重要的影響作用。

盡管研究人員已認(rèn)識(shí)到研究巖石應(yīng)力松弛特性的重要性，但由于要求試驗(yàn)儀器能夠長(zhǎng)時(shí)間保持應(yīng)變恒定，因此，巖石應(yīng)力松弛試驗(yàn)技術(shù)難度較大。目前，與巖石蠕變?cè)囼?yàn)成果相比，巖石應(yīng)力松弛試驗(yàn)研究成果還相對(duì)較少。下面分別就單軸、多軸、剪切等不同應(yīng)力條件下，對(duì)國內(nèi)外開展的巖石應(yīng)力松弛特性研究現(xiàn)狀進(jìn)行闡述。

1 巖石應(yīng)力松弛特性研究現(xiàn)狀

1.1 單軸壓縮應(yīng)力松弛特性研究

周德培［2］進(jìn)行了中粒石英砂巖單軸壓縮應(yīng)力松弛試驗(yàn)，分析了巖石的應(yīng)力松弛特征?；谠囼?yàn)數(shù)據(jù)，采用雙指數(shù)函數(shù)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ兔枋隽藥r石的應(yīng)力松弛行為。

李永盛［3］分別對(duì)大理巖、粉砂巖、紅砂巖以及泥巖進(jìn)行了單軸壓縮應(yīng)力松弛試驗(yàn)，分析了四種巖石的應(yīng)力松弛規(guī)律，得出了存在連續(xù)型和階梯型兩種常見巖石應(yīng)力松弛曲線形態(tài)的結(jié)論。

邱賢德［4］采用杠桿式流變儀分別進(jìn)行了長(zhǎng)山巖鹽和喬后巖鹽的應(yīng)力松弛試驗(yàn)，采用回歸模型描述了鹽巖的應(yīng)力松弛特征。

楊淑碧［5］對(duì)侏羅系砂溪廟組泥質(zhì)粉砂巖、砂巖進(jìn)行了單軸壓縮應(yīng)力松弛試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明一段時(shí)間后兩種巖石的應(yīng)力趨于某一恒定值，表現(xiàn)出不完全性松弛。

Haupt(1991)［6］對(duì)鹽巖的應(yīng)力松弛特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明鹽巖應(yīng)力松弛過程中，鹽巖各方向的應(yīng)變張量為0，側(cè)向應(yīng)變幾乎一直為常數(shù)，鹽巖的體積應(yīng)變保持不變。

Yang Chunhe［7］采用MTS電液伺服巖石試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行了鹽巖的單軸應(yīng)力松弛試驗(yàn)，表明在應(yīng)力松弛過程中，鹽巖的橫向應(yīng)變幾乎一直保持為常數(shù)，即鹽巖的體積應(yīng)變恒定不變，應(yīng)力最終松弛趨于0。

馮濤［8］對(duì)冬瓜山銅礦床中的石榴子石矽卡巖、閃長(zhǎng)玢巖、矽卡巖、粉砂巖、大理巖分別進(jìn)行了峰值載荷后巖石的應(yīng)力松弛試驗(yàn)，基于試驗(yàn)結(jié)果將巖爆劃分為本源型與激勵(lì)型兩種類型。

唐禮忠等［9］對(duì)矽卡巖和粉砂巖進(jìn)行了峰值荷載變形條件下的應(yīng)力松弛試驗(yàn)，分析了巖石應(yīng)力松弛曲線的形態(tài)特征，并進(jìn)一步分析了巖石彈性模量?jī)?chǔ)存能力和結(jié)構(gòu)完整性對(duì)應(yīng)力松弛時(shí)間以及應(yīng)力下降臺(tái)階數(shù)的影響。

曹平等［10］采用分級(jí)增量加載方式，對(duì)金川Ⅱ礦區(qū)深部斜長(zhǎng)角閃巖進(jìn)行了單軸壓縮應(yīng)力松弛試驗(yàn)，結(jié)果表明巖石表現(xiàn)為連續(xù)型和非連續(xù)階梯型兩種應(yīng)力松弛特征，并采用西原模型較好的描述了巖石的粘彈塑性特性。

劉志勇等［11］分別對(duì)平行和垂直片理組的石英云母片巖進(jìn)行了720 h的單軸壓縮應(yīng)力松弛試驗(yàn)，分析了片巖的各向異性松弛特性，基于巖石松弛損傷演化規(guī)律，建立了Bingham流變損傷模型，該模型可以較好地描述巖石的應(yīng)力松弛行為。

1.2 多軸壓縮應(yīng)力松弛特性研究

李曉等［12］對(duì)砂巖開展了峰后三軸壓縮應(yīng)力松弛試驗(yàn)，分析了峰后破裂巖石的應(yīng)力松弛特性，得出了巖石應(yīng)力松弛量與應(yīng)力—應(yīng)變曲線之間的關(guān)系。李鈾等［13］對(duì)紅砂巖分別開展了雙軸、三軸壓縮應(yīng)力松弛試驗(yàn)，分析了二向以及三向應(yīng)力狀態(tài)下巖石的應(yīng)力松弛行為，得出了多軸應(yīng)力下紅砂巖的松弛規(guī)律?；谠囼?yàn)結(jié)果，采用改進(jìn)的Maxwell模型較好地描述了巖石的應(yīng)力松弛特性。熊良宵等［14］在不同應(yīng)力下對(duì)錦屏二級(jí)水電站綠片巖進(jìn)行了雙軸壓縮應(yīng)力松弛試驗(yàn)，分析了巖石軸向應(yīng)力松弛和側(cè)向應(yīng)力松弛的特征，并采用經(jīng)驗(yàn)方程擬合了試驗(yàn)數(shù)據(jù)。SCHULZE［15］對(duì)預(yù)變形的Opalinus四種粘土巖進(jìn)行了三軸壓縮應(yīng)力松弛試驗(yàn)，分析了粘土巖的應(yīng)力松弛行為。田洪銘等［16］在30 MPa圍壓下對(duì)泥質(zhì)紅砂巖進(jìn)行了應(yīng)力松弛試驗(yàn)，結(jié)果表明巖石松弛具有明顯的非線性特征，基于對(duì)損傷耗散能規(guī)律的分析，建立了巖石的非線性松弛損傷模型。于懷昌等［17］對(duì)干燥、飽水兩種狀態(tài)粉砂質(zhì)泥巖進(jìn)行了三軸壓縮應(yīng)力松弛試驗(yàn)，定量分析了不同含水狀態(tài)下巖石應(yīng)力松弛量、應(yīng)力松弛度、松弛穩(wěn)定時(shí)間和應(yīng)力松弛速率的差異，建立了巖石的非線性應(yīng)力松弛損傷模型，初步得出了水對(duì)巖石應(yīng)力松弛特性的影響規(guī)律。Yu Huaichang等［18］分別在1 MPa和5 MPa圍壓下對(duì)粉砂質(zhì)泥巖開展了三軸壓縮應(yīng)力松弛試驗(yàn)，定量分析了兩種圍壓下巖石應(yīng)力松弛行為的差異，初步得出了圍壓對(duì)巖石應(yīng)力松弛特性的影響規(guī)律。

1.3 剪切應(yīng)力松弛特性研究

周文鋒等［19］采用水泥砂漿材料模擬規(guī)則齒型巖石結(jié)構(gòu)面，進(jìn)行了不同法向應(yīng)力下結(jié)構(gòu)面的應(yīng)力松弛試驗(yàn)，分析了結(jié)構(gòu)面應(yīng)力松弛規(guī)律，并采用Burgers模型描述了結(jié)構(gòu)面的應(yīng)力松弛行為。劉昂等［20］采用水泥砂漿材料，依據(jù)Barton標(biāo)準(zhǔn)剖面線制作了3種巖石結(jié)構(gòu)面，并對(duì)其進(jìn)行循環(huán)加載剪切應(yīng)力松弛試驗(yàn)，分析了結(jié)構(gòu)面的應(yīng)力松弛規(guī)律，并提出了結(jié)構(gòu)面長(zhǎng)期強(qiáng)度的確定方法。

2 巖石應(yīng)力松弛特性研究展望

從以上國內(nèi)外巖石應(yīng)力松弛特性研究現(xiàn)狀可以看出，研究人員已開展了許多相關(guān)的研究工作，取得了較多的研究成果。然而，由于巖石材料的非均質(zhì)性、各向異性以及巖石受力條件的復(fù)雜性等原因，目前巖石應(yīng)力松弛特性研究仍存在一些不足之處，有必要進(jìn)一步深入開展相關(guān)的研究工作，具體可以圍繞以下幾個(gè)方面進(jìn)行:

1)為避免巖石試樣之間的離散性對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生的影響，目前一般采用分級(jí)加載方法進(jìn)行巖石應(yīng)力松弛試驗(yàn)，即在同一試樣上由小到大逐級(jí)施加荷載。然而在分級(jí)加載過程中，前一級(jí)施加的荷載會(huì)對(duì)試樣造成一定程度的損傷，影響下一級(jí)荷載下巖石的應(yīng)力松弛行為。因此，如何采取更為科學(xué)的試驗(yàn)加載方法，更真實(shí)反映巖石的應(yīng)力松弛特性，這需要研究人員更為深入的研究。

2)目前，剪切應(yīng)力條件下開展的巖石應(yīng)力松弛特性研究工作還較少，且主要采用水泥砂漿等相似材料模擬巖石，還沒有開展真實(shí)巖石材料的剪切應(yīng)力松弛試驗(yàn)，而相似材料難以真實(shí)體現(xiàn)巖石的力學(xué)行為。因此，以真實(shí)巖石材料為研究對(duì)象，開展巖石的剪切應(yīng)力松弛試驗(yàn)，對(duì)于全面反映巖石的剪切應(yīng)力松弛行為是必不可少的。

3)工程實(shí)踐中，巖石在拉伸應(yīng)力條件下也會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力松弛現(xiàn)象，僅進(jìn)行壓縮和剪切應(yīng)力狀態(tài)下的應(yīng)力松弛試驗(yàn)并不能全面反映巖石的時(shí)效力學(xué)行為。拉伸應(yīng)力松弛也是巖石變形破壞的重要原因之一。因此，有必要開展巖石拉伸應(yīng)力松弛特性的研究工作。

4)數(shù)值模擬方法具有耗時(shí)短、費(fèi)用低、可重復(fù)性等優(yōu)點(diǎn)，一直以來是巖石流變力學(xué)特性研究的重要手段之一。目前，在巖石蠕變方面已開展了較多的數(shù)值模擬研究工作。然而，采用數(shù)值模擬方法進(jìn)行巖石應(yīng)力松弛特性的研究，目前還未見此方面的研究成果。因此，在巖石應(yīng)力松弛室內(nèi)試驗(yàn)成果基礎(chǔ)上，可以采用數(shù)值模擬方法深入研究巖石的時(shí)效力學(xué)行為，進(jìn)一步揭示巖石的應(yīng)力松弛特性。

3 結(jié)語

由于巖石材料的非均質(zhì)性、各向異性以及試驗(yàn)方法、試驗(yàn)儀器等方面的原因，目前巖石應(yīng)力松弛特性研究仍存在一些不足之處。隨著大型水電工程地下廠房、超長(zhǎng)水工隧洞、能源地下儲(chǔ)存以及核廢料地下隔離等大型巖體工程的不斷出現(xiàn)，必將有力推動(dòng)巖石應(yīng)力松弛特性的研究工作不斷發(fā)展，從而為巖石工程的長(zhǎng)期穩(wěn)定和安全提供科學(xué)的依據(jù)。

［1］謝和平，陳忠輝.巖石力學(xué)［M］.北京:科學(xué)出版社，2004:64-66.

［2］周德培.巖石流變性態(tài)研究［D］.成都:西南交通大學(xué)，1986.

［3］李永盛.單軸壓縮條件下四種巖石的蠕變和松弛試驗(yàn)研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，1995，14(1):39-47.

［4］邱賢德，莊乾城.巖鹽流變特性的研究［J］.重慶大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，1995，18(4):96-103.

［5］楊淑碧，徐 進(jìn)，董孝璧.紅層地區(qū)砂泥巖互層狀斜坡巖體流變特性研究［J］.地質(zhì)災(zāi)害與環(huán)境保護(hù)，1996，7(2):12-24.

［6］Haupt M.A constitutive law for rock salt based on creep and relaxation tests［J］.Rock Mechanics and Rock Engineering，1991 (24):179-206.

［7］Yang Chunhe，Daemen J J K，Yin Jianhua.Experimental investigation of creep behvaiour of salt rock［J］.International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences，1998，36(2):233-242.

［8］馮 濤，王文星，潘長(zhǎng)良.巖石應(yīng)力松弛試驗(yàn)及兩類巖爆研究［J］.湘潭礦業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2000，15(1):27-31.

［9］唐禮忠，潘長(zhǎng)良.巖石在峰值荷載變形條件下的松弛試驗(yàn)研究［J］.巖土力學(xué)，2003，24(6):940-942.

［10］曹 平，鄭欣平，李 娜，等.深部斜長(zhǎng)角閃巖流變?cè)囼?yàn)及模型研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2012，31(S1):3015-3021.

［11］劉志勇，肖明礫，謝紅強(qiáng)，等.基于損傷演化的片巖應(yīng)力松弛特性［J］.巖土力學(xué)，2016，37(S1):101-107.

［12］李 曉，王思敬，李焯芬.破裂巖石的時(shí)效特性及長(zhǎng)期強(qiáng)度［A］.中國巖石力學(xué)與工程學(xué)會(huì)第5次學(xué)術(shù)大會(huì)論文集［C］.1998:214-219.

［13］李 鈾，朱維申，彭 意，等.某地紅砂巖多軸受力狀態(tài)蠕變松弛特性試驗(yàn)研究［J］.巖土力學(xué)，2006，27(8):1248-1252.

［14］熊良宵，楊林德，張 堯.綠片巖多軸受壓應(yīng)力松弛試驗(yàn)研究［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2010，32(8):1158-1165.

［15］SCHULZE OTTO.Strengthening and stress relaxation of Opalinus Clay［J］.Physics and Chemistry of the Earth，2011(36): 1891-1897.

［16］田洪銘，陳衛(wèi)忠，趙武勝，等.宜—巴高速公路泥質(zhì)紅砂巖三軸應(yīng)力松弛特性研究［J］.巖土力學(xué)，2013，34(4):981-986.

［17］于懷昌，趙 陽，劉漢東，等.三軸應(yīng)力作用下水對(duì)巖石應(yīng)力松弛特性影響作用試驗(yàn)研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2015，34(2):313-322.

［18］Yu Huaichang，Zhang Xingsheng，Liu Handong，et al.Stress relaxation behavior of silty mudstone considering the effect of confining pressure［J］.Environmental Earth Sciences，2016 (75):1-10，1001.

［19］周文鋒，沈明榮.規(guī)則齒型結(jié)構(gòu)面的應(yīng)力松弛特性試驗(yàn)研究［J］.土工基礎(chǔ)，2014，28(2):138-141.

［20］劉 昂，沈明榮，蔣景彩，等.基于應(yīng)力松弛試驗(yàn)的結(jié)構(gòu)面長(zhǎng)期強(qiáng)度確定方法［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2014，33 (9):1916-1924.

Research and development of stress relaxation properties of rock★

Yu Huaichang Shi Guangcheng Liu Handong Zhao Yang
(School of Resource and Environment，North China University of Water Conservancy and Hydroelectric Power，Zhengzhou 450011，China)

The paper introduces the correlation of rock stress relaxation and long-term rock engineering stability，analyzes rock stress relaxation research status under conditions of uniaxial compression，multi-axial compression and shearing stress，explores current research defects，and finally points out rock stress relaxation research direction.

rock，stress relaxation，uniaxial compression，multi-axial compression

TU452

:A

1009-6825(2016)36-0063-03

2016-10-18★:國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào):2015BAB07B08);國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào):51309100，51409102);河南省高等學(xué)校青年骨干教師資助計(jì)劃(項(xiàng)目編號(hào):2013GGJS-082);河南省教育廳科學(xué)技術(shù)研究重點(diǎn)項(xiàng)目資助計(jì)劃(項(xiàng)目編號(hào):12A410001)

于懷昌(1978-)，男，博士，副教授