巖石應力松弛特性研究現狀與展望★

于懷昌 史廣誠 劉漢東 趙 陽

(華北水利水電大學資源與環境學院，河南鄭州 450011)

巖石應力松弛特性研究現狀與展望★

于懷昌 史廣誠 劉漢東 趙 陽

(華北水利水電大學資源與環境學院，河南鄭州 450011)

介紹了巖石應力松弛與巖石工程長期穩定的相關性，分析了單軸壓縮、多軸壓縮和剪切應力條件下巖石的應力松弛研究現狀，在此基礎上，探討了目前研究中存在的不足之處，提出了巖石應力松弛研究的方向。

巖石，應力松弛，單軸壓縮，多軸壓縮

0 引言

巖石的蠕變和應力松弛直接與巖石的長期強度以及工程的長期穩定性相關，因此，它們一直是巖石流變力學特性研究的兩個重要方面。恒定應力作用下，變形隨時間增大而增大的現象稱為蠕變，恒定應變作用下，應力隨時間增大而減少的現象稱為應力松弛，如圖1所示。

圖1 巖石流變曲線

工程實踐表明，在地下洞室、巷道、邊坡工程中應力松弛現象普遍存在，工程往往由于巖石的應力松弛而導致變形、破壞［1］。因此，對于工程的長期穩定和安全來說，巖石的抗松弛性能同樣具有重要的影響作用。

盡管研究人員已認識到研究巖石應力松弛特性的重要性，但由于要求試驗儀器能夠長時間保持應變恒定，因此，巖石應力松弛試驗技術難度較大。目前，與巖石蠕變試驗成果相比，巖石應力松弛試驗研究成果還相對較少。下面分別就單軸、多軸、剪切等不同應力條件下，對國內外開展的巖石應力松弛特性研究現狀進行闡述。

1 巖石應力松弛特性研究現狀

1.1 單軸壓縮應力松弛特性研究

周德培［2］進行了中粒石英砂巖單軸壓縮應力松弛試驗，分析了巖石的應力松弛特征。基于試驗數據，采用雙指數函數經驗模型描述了巖石的應力松弛行為。

李永盛［3］分別對大理巖、粉砂巖、紅砂巖以及泥巖進行了單軸壓縮應力松弛試驗，分析了四種巖石的應力松弛規律，得出了存在連續型和階梯型兩種常見巖石應力松弛曲線形態的結論。

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

楊淑碧［5］對侏羅系砂溪廟組泥質粉砂巖、砂巖進行了單軸壓縮應力松弛試驗，試驗結果表明一段時間后兩種巖石的應力趨于某一恒定值，表現出不完全性松弛。

Haupt(1991)［6］對鹽巖的應力松弛特性進行了試驗研究，結果表明鹽巖應力松弛過程中，鹽巖各方向的應變張量為0，側向應變幾乎一直為常數，鹽巖的體積應變保持不變。

Yang Chunhe［7］采用MTS電液伺服巖石試驗機進行了鹽巖的單軸應力松弛試驗，表明在應力松弛過程中，鹽巖的橫向應變幾乎一直保持為常數，即鹽巖的體積應變恒定不變，應力最終松弛趨于0。

馮濤［8］對冬瓜山銅礦床中的石榴子石矽卡巖、閃長玢巖、矽卡巖、粉砂巖、大理巖分別進行了峰值載荷后巖石的應力松弛試驗，基于試驗結果將巖爆劃分為本源型與激勵型兩種類型。

唐禮忠等［9］對矽卡巖和粉砂巖進行了峰值荷載變形條件下的應力松弛試驗，分析了巖石應力松弛曲線的形態特征，并進一步分析了巖石彈性模量儲存能力和結構完整性對應力松弛時間以及應力下降臺階數的影響。

曹平等［10］采用分級增量加載方式，對金川Ⅱ礦區深部斜長角閃巖進行了單軸壓縮應力松弛試驗，結果表明巖石表現為連續型和非連續階梯型兩種應力松弛特征，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］分別對平行和垂直片理組的石英云母片巖進行了720 h的單軸壓縮應力松弛試驗，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力松弛行為。

1.2 多軸壓縮應力松弛特性研究

李曉等［12］對砂巖開展了峰后三軸壓縮應力松弛試驗，分析了峰后破裂巖石的應力松弛特性，得出了巖石應力松弛量與應力—應變曲線之間的關系。李鈾等［13］對紅砂巖分別開展了雙軸、三軸壓縮應力松弛試驗，分析了二向以及三向應力狀態下巖石的應力松弛行為，得出了多軸應力下紅砂巖的松弛規律。基于試驗結果，采用改進的Maxwell模型較好地描述了巖石的應力松弛特性。熊良宵等［14］在不同應力下對錦屏二級水電站綠片巖進行了雙軸壓縮應力松弛試驗，分析了巖石軸向應力松弛和側向應力松弛的特征，并采用經驗方程擬合了試驗數據。SCHULZE［15］對預變形的Opalinus四種粘土巖進行了三軸壓縮應力松弛試驗，分析了粘土巖的應力松弛行為。田洪銘等［16］在30 MPa圍壓下對泥質紅砂巖進行了應力松弛試驗，結果表明巖石松弛具有明顯的非線性特征，基于對損傷耗散能規律的分析，建立了巖石的非線性松弛損傷模型。于懷昌等［17］對干燥、飽水兩種狀態粉砂質泥巖進行了三軸壓縮應力松弛試驗，定量分析了不同含水狀態下巖石應力松弛量、應力松弛度、松弛穩定時間和應力松弛速率的差異，建立了巖石的非線性應力松弛損傷模型，初步得出了水對巖石應力松弛特性的影響規律。Yu Huaichang等［18］分別在1 MPa和5 MPa圍壓下對粉砂質泥巖開展了三軸壓縮應力松弛試驗，定量分析了兩種圍壓下巖石應力松弛行為的差異，初步得出了圍壓對巖石應力松弛特性的影響規律。

1.3 剪切應力松弛特性研究

周文鋒等［19］采用水泥砂漿材料模擬規則齒型巖石結構面，進行了不同法向應力下結構面的應力松弛試驗，分析了結構面應力松弛規律，并采用Burgers模型描述了結構面的應力松弛行為。劉昂等［20］采用水泥砂漿材料，依據Barton標準剖面線制作了3種巖石結構面，并對其進行循環加載剪切應力松弛試驗，分析了結構面的應力松弛規律，并提出了結構面長期強度的確定方法。

2 巖石應力松弛特性研究展望

從以上國內外巖石應力松弛特性研究現狀可以看出，研究人員已開展了許多相關的研究工作，取得了較多的研究成果。然而，由于巖石材料的非均質性、各向異性以及巖石受力條件的復雜性等原因，目前巖石應力松弛特性研究仍存在一些不足之處，有必要進一步深入開展相關的研究工作，具體可以圍繞以下幾個方面進行:

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

2)目前，剪切應力條件下開展的巖石應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，還沒有開展真實巖石材料的剪切應力松弛試驗，而相似材料難以真實體現巖石的力學行為。因此，以真實巖石材料為研究對象，開展巖石的剪切應力松弛試驗，對于全面反映巖石的剪切應力松弛行為是必不可少的。

3)工程實踐中，巖石在拉伸應力條件下也會產生應力松弛現象，僅進行壓縮和剪切應力狀態下的應力松弛試驗并不能全面反映巖石的時效力學行為。拉伸應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力松弛特性的研究工作。

4)數值模擬方法具有耗時短、費用低、可重復性等優點，一直以來是巖石流變力學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值模擬研究工作。然而，采用數值模擬方法進行巖石應力松弛特性的研究，目前還未見此方面的研究成果。因此，在巖石應力松弛室內試驗成果基礎上，可以采用數值模擬方法深入研究巖石的時效力學行為，進一步揭示巖石的應力松弛特性。

3 結語

由于巖石材料的非均質性、各向異性以及試驗方法、試驗儀器等方面的原因，目前巖石應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、超長水工隧洞、能源地下儲存以及核廢料地下隔離等大型巖體工程的不斷出現，必將有力推動巖石應力松弛特性的研究工作不斷發展，從而為巖石工程的長期穩定和安全提供科學的依據。

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

［2］周德培.巖石流變性態研究［D］.成都:西南交通大學，1986.

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

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

［5］楊淑碧，徐 進，董孝璧.紅層地區砂泥巖互層狀斜坡巖體流變特性研究［J］.地質災害與環境保護，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，潘長良.巖石應力松弛試驗及兩類巖爆研究［J］.湘潭礦業學院學報，2000，15(1):27-31.

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

［10］曹 平，鄭欣平，李 娜，等.深部斜長角閃巖流變試驗及模型研究［J］.巖石力學與工程學報，2012，31(S1):3015-3021.

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

［12］李 曉，王思敬，李焯芬.破裂巖石的時效特性及長期強度［A］.中國巖石力學與工程學會第5次學術大會論文集［C］.1998:214-219.

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

［14］熊良宵，楊林德，張 堯.綠片巖多軸受壓應力松弛試驗研究［J］.巖土工程學報，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，陳衛忠，趙武勝，等.宜—巴高速公路泥質紅砂巖三軸應力松弛特性研究［J］.巖土力學，2013，34(4):981-986.

［17］于懷昌，趙 陽，劉漢東，等.三軸應力作用下水對巖石應力松弛特性影響作用試驗研究［J］.巖石力學與工程學報，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.規則齒型結構面的應力松弛特性試驗研究［J］.土工基礎，2014，28(2):138-141.

［20］劉 昂，沈明榮，蔣景彩，等.基于應力松弛試驗的結構面長期強度確定方法［J］.巖石力學與工程學報，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★:國家科技支撐計劃項目(項目編號:2015BAB07B08);國家自然科學基金資助項目(項目編號:51309100，51409102);河南省高等學校青年骨干教師資助計劃(項目編號:2013GGJS-082);河南省教育廳科學技術研究重點項目資助計劃(項目編號:12A410001)

于懷昌(1978-)，男，博士，副教授