鄧珊珊 田衛(wèi)明

(重慶電訊職業(yè)學(xué)院，重慶 402247)

巖石是賦存于自然界中歷史悠久且十分復(fù)雜的一種介質(zhì)，是構(gòu)成地殼表層巖石圈的主體。21世紀(jì)出于社會(huì)發(fā)展、保護(hù)環(huán)境和空間利用發(fā)展等方面的原因，人類將要向地下發(fā)展索取更多的空間。巖石是地下空間中的主要物質(zhì)，將被利用和改造。不同種類巖石的成巖環(huán)境不盡相同，在巖石形成之后的時(shí)間長河里受到的地質(zhì)環(huán)境作用千差萬別。其中在地應(yīng)力的變化、構(gòu)造地質(zhì)作用、風(fēng)化作用和人類活動(dòng)等因素的影響下，巖石的受荷過程、巖石的成分和結(jié)構(gòu)特征天差地別，進(jìn)而使得巖石呈現(xiàn)不同程度的非線性、不連續(xù)性、非均質(zhì)性和各向異性等復(fù)雜的特性[1]。

在巖土工程施工和運(yùn)營階段因巖土體失穩(wěn)破壞的案例舉不勝舉，造成人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失不計(jì)其數(shù)[2]，如中國梅山連拱壩壩基(花崗巖)滑動(dòng)、三峽地區(qū)蓄水之后的崩塌滑坡、焦作市龍寺礦山巖質(zhì)高邊坡失穩(wěn)、四川營山爬山村滑坡和公路鐵路工程邊坡失穩(wěn)等。因此，巖石在受荷條件、裂隙水、地震波等作用下的變形特性和變形機(jī)理的研究對(duì)邊坡工程、地下工程和隧道工程等的開挖、防護(hù)和治理施工具有一定的指導(dǎo)作用。本文通過對(duì)國內(nèi)外近幾年相關(guān)文獻(xiàn)的分析，主要在借助試驗(yàn)(原位試驗(yàn)、室內(nèi)試驗(yàn))、現(xiàn)場監(jiān)測、數(shù)值模擬和CT掃描等手段，在以下幾個(gè)方面有突破：(1)巖石在不同受荷條件下的變形破壞特性；(2)巖石微觀損傷變形特征和本構(gòu)模型；(3)加卸荷作用下蠕變本構(gòu)模型和蠕變特性研究；(4)不同擴(kuò)容工況的塑性區(qū)對(duì)應(yīng)關(guān)系、擴(kuò)容的演變曲線和本構(gòu)方程。在此研究基礎(chǔ)上提出了該領(lǐng)域進(jìn)一步研究注意的幾個(gè)主要問題。

1 巖石變形特性研究現(xiàn)狀

1.1 受荷條件

巖石在荷載作用下，首先發(fā)生的物理現(xiàn)象是變形，隨著荷載的不斷增加，巖石變形逐漸增大，最終導(dǎo)致巖石破壞。分析不同受荷條件下巖石的變形特性，對(duì)研究巖石變形破壞機(jī)理能夠提供有力的理論支撐。例如，VM Yarushina等(2013)基于孔隙-彈塑性巖石變形模型對(duì)水力壓裂過程中巖石中流體損失進(jìn)行模擬，探討了在強(qiáng)大壓力作用下由于孔隙壓縮系數(shù)和孔隙滲透率的變化導(dǎo)致流體損失的演變規(guī)律，進(jìn)一步分析了巖石變形特征[3]；WANG E Y等(2013)基于應(yīng)力分布特性和能量耗散和釋放的理論，建立了煤巖電磁輻射的理論模型[4]；Ekkehard Holzbecher等(2014)建立了由于地?zé)岬淖兓饚r石變形模型，并分析地?zé)釡囟鹊淖兓瘜?duì)巖石變形的響應(yīng)[5]；RLJ Helmons等(2016)基于離散單元理論，證明飽和巖石中存在孔-流體能影響有效應(yīng)力的狀態(tài)，進(jìn)而導(dǎo)致巖石力學(xué)性質(zhì)的變化，分析了巖石受孔隙水壓力的擴(kuò)散的變形特性[6]；C Collettini等(2016)基于斷層巖石從穩(wěn)定滑動(dòng)到快速粘滑的微觀結(jié)構(gòu)演化過程，分析巖石的變形特征[7]；于水生等(2015)對(duì)花崗巖進(jìn)行三軸壓縮實(shí)驗(yàn)，研究了花崗巖的能量特征與巖體所受應(yīng)力、應(yīng)變和圍巖壓力之間的關(guān)系[8]；鄧智等(2016)對(duì)不同層理和傾角的頁巖進(jìn)行三軸試驗(yàn)，測定其縱橫波速度，研究與巖體破壞時(shí)的關(guān)系和弾性模量等巖體參數(shù)之間的聯(lián)系[9]；張昕等(2017)對(duì)早古生代志留系下統(tǒng)的砂巖進(jìn)行單軸壓縮下的聲發(fā)射試驗(yàn)，探討整個(gè)試驗(yàn)過程中的應(yīng)力和應(yīng)變的關(guān)系[10]；韓振華等(2019)采用單軸壓縮實(shí)驗(yàn)結(jié)合數(shù)值模擬對(duì)礦物顆粒與巖石力學(xué)性能之間的關(guān)系進(jìn)行研究[11]；譚文輝等(2020)運(yùn)用分析軟件對(duì)花崗巖巖體中不同節(jié)理裂隙的分布的巖樣在單軸壓縮實(shí)驗(yàn)中的變形特性進(jìn)行了研究[12]。

綜上，目前對(duì)受荷條件下的巖石變形特性的研究主要集中在單軸壓縮、三軸壓縮、孔隙靜水壓力和孔隙動(dòng)水壓力等方面，通過室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)合數(shù)值模擬方法，模擬巖石變形的受力情況，進(jìn)而分析巖石的變形特性。而對(duì)受荷條件下巖石的各向異性、動(dòng)荷載、裂隙特征及物質(zhì)組成對(duì)變形特性的影響研究較少。

1.2 損傷變形

巖石等脆性材料的損傷主要是因?yàn)槲⒘鸭y的形成和發(fā)展，而微裂紋的形成是材料本身的孔洞、裂隙和裂紋等初始缺陷在外部誘導(dǎo)因素條件的作用下形成缺陷閉合、損傷累計(jì)直至變形破壞的過程。巖石損傷相關(guān)理論主要是研究巖石在變形過程中損傷演化破壞的力學(xué)過程。例如，尚俊龍等(2013)以巖石真實(shí)破裂過程為依據(jù)，分析不同均質(zhì)角度下巖石損傷演變模式和聲發(fā)射特性，探討了巖石非均質(zhì)性對(duì)其力學(xué)特性的影響[13]；Michael Toifl等(2015)利用微波輻射對(duì)不均質(zhì)巖石的微觀結(jié)構(gòu)損傷進(jìn)行研究，分析了水平應(yīng)力作用下巖石損傷特征[14]；M Lanari等(2015)利用二維離散元模擬爆破引起的沖擊波和氣體滲透到巖石的損傷，分析了沖擊波和氣體滲透對(duì)巖石損傷變形的影響[15]；NH Sleep(2015)分析了地震發(fā)生后預(yù)留的殘余應(yīng)力作為動(dòng)態(tài)應(yīng)力對(duì)巖石的損傷變形的影響[16]；李杰林等(2016)采用分形理論計(jì)算了砂巖經(jīng)歷不同凍融循環(huán)后孔隙發(fā)育的分形維數(shù)，研究了砂巖細(xì)觀結(jié)構(gòu)的凍融損傷特性[17]；WANG F X等(2017)利用數(shù)值模擬粒子射流沖擊巖石，分析了在沖擊動(dòng)荷載和應(yīng)力波的條件下巖石損傷場的變化特點(diǎn)[18]；王瑞紅等(2016)對(duì)節(jié)理巖體進(jìn)行加荷載試驗(yàn)，研究了巖樣峰值強(qiáng)度、巖樣極限強(qiáng)度、巖樣損傷和卸荷損傷程度之間的關(guān)系[19]；李西蒙等(2017)對(duì)砂巖進(jìn)行三軸分級(jí)循環(huán)加卸載，表明砂巖側(cè)向變形和體積變形與巖石的損傷變形破壞關(guān)系密切[20]；蔡國軍等(2019)對(duì)砂巖進(jìn)行單軸和三軸壓縮試驗(yàn)，研究了巖石微裂紋壓縮和釋放不一致，增大的圍壓可以限制圍巖側(cè)向損傷累計(jì)[21]。

近幾年研究巖石的損傷變形理論主要集中在定義損傷變量、建立損傷演變模型、分析損傷變形特征等方面，采用連續(xù)損傷力學(xué)和統(tǒng)計(jì)損傷理論，借助室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)值模擬分析巖石的損傷變形機(jī)制。對(duì)巖石的各向異性、動(dòng)態(tài)應(yīng)力、應(yīng)力以外的致?lián)p因素以及從細(xì)觀角度分析巖石損傷變形的研究較少。

1.3 蠕變效應(yīng)

巖石的蠕變是指在保持應(yīng)力不變的條件下，應(yīng)變隨時(shí)間延長而增加的現(xiàn)象，是巖石在材料變形過程其時(shí)間效應(yīng)的體現(xiàn)。通常情況下，巖石的蠕變效應(yīng)是指巖石在永久荷載作用下的變形特性，大量的巖體失穩(wěn)案例都與巖石的蠕變特性密切相關(guān)，因此分析蠕變特性對(duì)巖石工程的穩(wěn)定性有重要意義。例如，曹文貴等(2013)針對(duì)巖石蠕變的階段性特征，建立出可反映巖石蠕變?nèi)^程尤其是加速蠕變特點(diǎn)的巖石蠕變模型[22]；劉浪等(2013)以單級(jí)加載和分級(jí)增量循環(huán)加卸載兩種方式進(jìn)行蠕變?cè)囼?yàn)，得到不同應(yīng)力狀態(tài)飽水巖石的流變?cè)囼?yàn)曲線，描述了深部飽水巖石的流變規(guī)律[23]；劉東燕等(2014)基于高圍壓高孔隙水壓作用下砂巖加速蠕變?cè)囼?yàn)曲線特性，構(gòu)建出新的可以描述巖石加速蠕變?nèi)^程的非線性黏彈塑性蠕變模型[24]；YI Dimitrienko等(2015)利用有限差分法求解巖石三維蠕變問題，分析了巖石變形隨時(shí)間的變化趨勢[25]；RM Günther等(2015)構(gòu)建了巖石的無損傷穩(wěn)態(tài)蠕變模型，對(duì)由于蠕變引起的巖石變形特性進(jìn)行分析[26]；楊秀榮等(2019)選取片麻巖進(jìn)行凍融循環(huán)的三軸蠕變?cè)囼?yàn)，研究了凍融次數(shù)、凍融溫度與蠕變時(shí)長、蠕變曲線之間的關(guān)系[27]；宋洋等(2020)針對(duì)節(jié)理巖體剪切蠕變作用下，利用相似材料模擬錨桿預(yù)應(yīng)力損失規(guī)律研究[28]；胡江春等(2020)采用砂巖相似材料制作正方體試件并對(duì)其進(jìn)行蠕變?cè)囼?yàn)研究，獲取了內(nèi)部某一點(diǎn)蠕變變形的狀態(tài)矩陣[29]；李列列等(2020)推導(dǎo)了橫觀各向同性巖體的三維蠕變本構(gòu)方程[30]。

目前，針對(duì)巖石蠕變特性的研究主要集中在構(gòu)建蠕變?nèi)^程、水環(huán)境作用下的蠕變特性以及蠕變模型參數(shù)的辨識(shí)等方面，通過室內(nèi)模型試驗(yàn)進(jìn)行分析。對(duì)巖石工程現(xiàn)場蠕變?cè)囼?yàn)、巖石各向異性的蠕變特性以及三軸蠕變?cè)囼?yàn)的研究還很缺乏。

1.4 巖石的擴(kuò)容

巖石在單向或是三向壓力作用下，巖體內(nèi)部的發(fā)生裂紋并擴(kuò)展，致使體積膨脹。張玉軍等(2014)借助單一孔隙介質(zhì)模型試驗(yàn)，研究了在不同擴(kuò)容梯度工況下巖體塑性區(qū)分布的對(duì)應(yīng)關(guān)系[31]。李杰等(2015)通過試驗(yàn)建立了擴(kuò)容方程和擴(kuò)容的全過程曲線，能夠有效地描述加卸載過程中裂隙巖體損傷演化與體積擴(kuò)容的全過程[32]。楊以榮等(2017)對(duì)高應(yīng)力區(qū)的石英云母片巖進(jìn)行三軸卸荷試驗(yàn)，研究其擴(kuò)容特性和能量變化規(guī)律[33]。

目前針對(duì)巖石擴(kuò)容變形特性的研究受到了理論和試驗(yàn)的限制，略微的稀缺，大部分集中在利用試驗(yàn)和理論結(jié)合的方式，建立擴(kuò)容描述的本構(gòu)方程上和破壞前的變形特征描述，在巖體擴(kuò)容機(jī)制研究上可以更進(jìn)一步。

2 巖石變形特性研究趨勢

影響巖石變形特性的因素眾多，如受荷條件(單軸壓縮、三軸壓縮)、巖石損傷以及蠕變效應(yīng)都對(duì)巖石變形特性有影響。從目前研究成果來看，對(duì)單軸壓縮和三軸壓縮條件下的巖石變形特性的研究已經(jīng)比較系統(tǒng)，但關(guān)于各向異性、巖石的損傷、動(dòng)態(tài)應(yīng)力和巖石的擴(kuò)容對(duì)巖石變形特性影響的研究還不夠完善。結(jié)合目前的研究成果提出在今后研究巖石變形特性中要注意的幾個(gè)問題。

2.1 巖石的各向異性

巖石的各向異性包含強(qiáng)度各向異性和變形特征各向異性。所謂的巖石變形各向異性是指巖石中任意一點(diǎn)沿各個(gè)方向的變形特性各盡不同。大多數(shù)學(xué)者認(rèn)為巖石的各向異性是由應(yīng)變引起應(yīng)力變化引起的，為了減少研究中變量，通常會(huì)將巖石假設(shè)成連續(xù)均質(zhì)各向同性的介質(zhì)。然而，這并不符合工程實(shí)踐中遇見的大部分巖體。根據(jù)受力所表現(xiàn)出的力學(xué)性質(zhì)不同可分為極端各向異性體、正交各向異性體、橫觀各向同性體等。由于巖石的各向異性，在不同方向加載時(shí)，巖石可表現(xiàn)出不同的彈性模量、不同的泊松比、不同的強(qiáng)度，進(jìn)而表現(xiàn)出不同的變形特性。例如，極端各向異性體的變形特點(diǎn)是任何一個(gè)應(yīng)力分量變化都會(huì)引起六個(gè)應(yīng)變分量變化；正應(yīng)力不僅能夠引起線應(yīng)變，也能引起剪應(yīng)變；剪應(yīng)力不僅能引起剪應(yīng)變，也能引起線應(yīng)變。因此，研究巖石的各向異性對(duì)巖石變形特性的影響也是不能忽視的，在今后的研究中應(yīng)加以重視。

2.2 巖石的損傷

在邊坡、隧道、大壩和天然氣開采等巖石工程中，研究巖體的穩(wěn)定性和失穩(wěn)破壞特征，有助于選擇合適的施工方法和支護(hù)手段。

巖石的損傷是變形破壞前期微裂紋演化程度的表現(xiàn)，不同損傷程度下巖石的變形特性研究無論是對(duì)巖石工程的穩(wěn)定性分析還是監(jiān)測圍巖的變形以確定最佳支護(hù)時(shí)間都是一項(xiàng)重要的基礎(chǔ)研究。大多數(shù)巖石工程的失穩(wěn)破壞都是由于巖石中的微裂紋擴(kuò)展演化所導(dǎo)致，在外荷載作用下，微裂紋形成、擴(kuò)展和匯合成主裂縫最終發(fā)生變形破壞。目前在巖石材料的損傷描述上(定義損傷變量、建立損傷模型)已經(jīng)獲得相當(dāng)豐厚的成果，應(yīng)該進(jìn)一步加大對(duì)應(yīng)力以外的致?lián)p因素(溫度變化、風(fēng)化作用、水環(huán)境等)、從細(xì)觀角度對(duì)損傷以及不同損傷程度下巖石的蠕變特性的研究，進(jìn)而分析巖石的損傷變形特性是今后努力的方向。

2.3 動(dòng)態(tài)應(yīng)力

在巖質(zhì)隧道和邊坡開挖過程中，經(jīng)常會(huì)用到爆破手段，爆破以動(dòng)荷載的形式在巖石中傳播，對(duì)巖質(zhì)硐室、邊坡和基巖等造成一定程度的損害，影響巖石工程的正常施工工作。我國屬于地震多發(fā)地帶，地震波在巖石中傳播，同樣威脅著巖土工程的建設(shè)。研究動(dòng)荷載(爆破、地震等)作用下的巖石變形特性，提出穩(wěn)定性分析方法和控制手段是巖石工程迫切需要解決的問題之一。目前對(duì)靜荷載作用下巖石變形特性的研究已經(jīng)很豐富，但對(duì)動(dòng)荷載的研究還不夠完善。研究巖石材料在動(dòng)荷載作用下的變形特性(動(dòng)態(tài)抗壓、壓縮、抗剪強(qiáng)度以及巖石的動(dòng)態(tài)斷裂特征)可以成為研究的熱點(diǎn)方向。近年來，損傷力學(xué)和斷裂力學(xué)的結(jié)合，用來分析動(dòng)荷載作用下的巖石材料變形特性研究方法，加速了巖石材料在微觀和宏觀變形之間聯(lián)系的研究。借鑒這種思路，針對(duì)動(dòng)態(tài)拉伸、壓縮、剪切荷載作用下巖石的變形特性可進(jìn)行類似的研究工作。在前人的研究基礎(chǔ)上，關(guān)于地震波、爆破和動(dòng)水壓力等動(dòng)荷載作用下的巖體變形特征值得開展進(jìn)一步的研究。

2.4 巖石的擴(kuò)容

巖石擴(kuò)容是指巖石在受到荷載作用下，會(huì)在變形破壞之前發(fā)生明顯的非彈性體積變形。對(duì)巖石擴(kuò)容方面的研究不僅可以深化對(duì)巖石在各種內(nèi)在和外在條件下的變形特性的了解，同時(shí)還可以為巖石工程在施工過程中和竣工后的監(jiān)測提供參考。實(shí)踐表明，對(duì)于彈性模量和泊松比為常數(shù)的巖石，在荷載作用下，其體積變形可以分為體積變形階段、體積不變階段和擴(kuò)容階段。在巖石的擴(kuò)容階段，隨著荷載的不斷增加，試件的體積會(huì)大幅度的增加，而且增長速率越來越大，直至巖石試件變形破壞。

目前關(guān)于巖石擴(kuò)容特性的試驗(yàn)研究已進(jìn)行不少，但大多數(shù)只限于研究巖石破裂前的變形特性，且關(guān)于理論模型的研究以及巖石擴(kuò)容后期變形破壞特性的研究并不多見，擴(kuò)容機(jī)制研究和破壞機(jī)理研究還不是很明確，可以做為今后的研究方向之一。

3 結(jié)論

本文總結(jié)了近幾年對(duì)巖體在內(nèi)在因素(結(jié)構(gòu)面、節(jié)理、巖性等)和外在因素(開挖、爆破、地震、溫度、水壓力等)作用下的變形特性研究，探討了繼續(xù)研究的方向，具體內(nèi)容如下：

(1)在巖石工程失穩(wěn)事件頻頻發(fā)生的年代，為了保證人類的生命和財(cái)產(chǎn)安全，對(duì)巖石變形特性進(jìn)行研究，確保邊坡工程、隧道工程、水壩工程、采礦工程等巖石工程的施工和運(yùn)營穩(wěn)定性是很有必要的。

(2)針對(duì)巖石變形特性，近年來國內(nèi)外學(xué)者從巖石的靜荷載、動(dòng)荷載和永久荷載方面對(duì)巖石瞬時(shí)變形、損傷變形、蠕變效應(yīng)和擴(kuò)容變形特性展開研究，系統(tǒng)性地研究了巖石的單軸壓縮、三軸壓縮、孔隙水壓力、損傷變形以及永久荷載條件下的變形特性，重視其變形特性對(duì)巖石工程穩(wěn)定性的影響。

(3)基于對(duì)巖石變形特性研究現(xiàn)狀的分析，進(jìn)一步提出該領(lǐng)域注意的幾個(gè)主要問題，即巖石的各向異性、不同程度的損傷、動(dòng)態(tài)應(yīng)力和巖石的擴(kuò)容對(duì)巖石變形特性的影響，簡述了每個(gè)問題的主要研究內(nèi)涵和方向。