岩石变形特性研究进展与趋势

邓珊珊 田卫明

(重庆电讯职业学院，重庆 402247)

岩石是赋存于自然界中历史悠久且十分复杂的一种介质，是构成地壳表层岩石圈的主体。21世纪出于社会发展、保护环境和空间利用发展等方面的原因，人类将要向地下发展索取更多的空间。岩石是地下空间中的主要物质，将被利用和改造。不同种类岩石的成岩环境不尽相同，在岩石形成之后的时间长河里受到的地质环境作用千差万别。其中在地应力的变化、构造地质作用、风化作用和人类活动等因素的影响下，岩石的受荷过程、岩石的成分和结构特征天差地别，进而使得岩石呈现不同程度的非线性、不连续性、非均质性和各向异性等复杂的特性[1]。

在岩土工程施工和运营阶段因岩土体失稳破坏的案例举不胜举，造成人员伤亡和财产损失不计其数[2]，如中国梅山连拱坝坝基(花岗岩)滑动、三峡地区蓄水之后的崩塌滑坡、焦作市龙寺矿山岩质高边坡失稳、四川营山爬山村滑坡和公路铁路工程边坡失稳等。因此，岩石在受荷条件、裂隙水、地震波等作用下的变形特性和变形机理的研究对边坡工程、地下工程和隧道工程等的开挖、防护和治理施工具有一定的指导作用。本文通过对国内外近几年相关文献的分析，主要在借助试验(原位试验、室内试验)、现场监测、数值模拟和CT扫描等手段，在以下几个方面有突破：(1)岩石在不同受荷条件下的变形破坏特性；(2)岩石微观损伤变形特征和本构模型；(3)加卸荷作用下蠕变本构模型和蠕变特性研究；(4)不同扩容工况的塑性区对应关系、扩容的演变曲线和本构方程。在此研究基础上提出了该领域进一步研究注意的几个主要问题。

1 岩石变形特性研究现状

1.1 受荷条件

岩石在荷载作用下，首先发生的物理现象是变形，随着荷载的不断增加，岩石变形逐渐增大，最终导致岩石破坏。分析不同受荷条件下岩石的变形特性，对研究岩石变形破坏机理能够提供有力的理论支撑。例如，VM Yarushina等(2013)基于孔隙-弹塑性岩石变形模型对水力压裂过程中岩石中流体损失进行模拟，探讨了在强大压力作用下由于孔隙压缩系数和孔隙渗透率的变化导致流体损失的演变规律，进一步分析了岩石变形特征[3]；WANG E Y等(2013)基于应力分布特性和能量耗散和释放的理论，建立了煤岩电磁辐射的理论模型[4]；Ekkehard Holzbecher等(2014)建立了由于地热的变化引起岩石变形模型，并分析地热温度的变化对岩石变形的响应[5]；RLJ Helmons等(2016)基于离散单元理论，证明饱和岩石中存在孔-流体能影响有效应力的状态，进而导致岩石力学性质的变化，分析了岩石受孔隙水压力的扩散的变形特性[6]；C Collettini等(2016)基于断层岩石从稳定滑动到快速粘滑的微观结构演化过程，分析岩石的变形特征[7]；于水生等(2015)对花岗岩进行三轴压缩实验，研究了花岗岩的能量特征与岩体所受应力、应变和围岩压力之间的关系[8]；邓智等(2016)对不同层理和倾角的页岩进行三轴试验，测定其纵横波速度，研究与岩体破坏时的关系和弾性模量等岩体参数之间的联系[9]；张昕等(2017)对早古生代志留系下统的砂岩进行单轴压缩下的声发射试验，探讨整个试验过程中的应力和应变的关系[10]；韩振华等(2019)采用单轴压缩实验结合数值模拟对矿物颗粒与岩石力学性能之间的关系进行研究[11]；谭文辉等(2020)运用分析软件对花岗岩岩体中不同节理裂隙的分布的岩样在单轴压缩实验中的变形特性进行了研究[12]。

综上，目前对受荷条件下的岩石变形特性的研究主要集中在单轴压缩、三轴压缩、孔隙静水压力和孔隙动水压力等方面，通过室内试验结合数值模拟方法，模拟岩石变形的受力情况，进而分析岩石的变形特性。而对受荷条件下岩石的各向异性、动荷载、裂隙特征及物质组成对变形特性的影响研究较少。

1.2 损伤变形

岩石等脆性材料的损伤主要是因为微裂纹的形成和发展，而微裂纹的形成是材料本身的孔洞、裂隙和裂纹等初始缺陷在外部诱导因素条件的作用下形成缺陷闭合、损伤累计直至变形破坏的过程。岩石损伤相关理论主要是研究岩石在变形过程中损伤演化破坏的力学过程。例如，尚俊龙等(2013)以岩石真实破裂过程为依据，分析不同均质角度下岩石损伤演变模式和声发射特性，探讨了岩石非均质性对其力学特性的影响[13]；Michael Toifl等(2015)利用微波辐射对不均质岩石的微观结构损伤进行研究，分析了水平应力作用下岩石损伤特征[14]；M Lanari等(2015)利用二维离散元模拟爆破引起的冲击波和气体渗透到岩石的损伤，分析了冲击波和气体渗透对岩石损伤变形的影响[15]；NH Sleep(2015)分析了地震发生后预留的残余应力作为动态应力对岩石的损伤变形的影响[16]；李杰林等(2016)采用分形理论计算了砂岩经历不同冻融循环后孔隙发育的分形维数，研究了砂岩细观结构的冻融损伤特性[17]；WANG F X等(2017)利用数值模拟粒子射流冲击岩石，分析了在冲击动荷载和应力波的条件下岩石损伤场的变化特点[18]；王瑞红等(2016)对节理岩体进行加荷载试验，研究了岩样峰值强度、岩样极限强度、岩样损伤和卸荷损伤程度之间的关系[19]；李西蒙等(2017)对砂岩进行三轴分级循环加卸载，表明砂岩侧向变形和体积变形与岩石的损伤变形破坏关系密切[20]；蔡国军等(2019)对砂岩进行单轴和三轴压缩试验，研究了岩石微裂纹压缩和释放不一致，增大的围压可以限制围岩侧向损伤累计[21]。

近几年研究岩石的损伤变形理论主要集中在定义损伤变量、建立损伤演变模型、分析损伤变形特征等方面，采用连续损伤力学和统计损伤理论，借助室内试验和数值模拟分析岩石的损伤变形机制。对岩石的各向异性、动态应力、应力以外的致损因素以及从细观角度分析岩石损伤变形的研究较少。

1.3 蠕变效应

岩石的蠕变是指在保持应力不变的条件下，应变随时间延长而增加的现象，是岩石在材料变形过程其时间效应的体现。通常情况下，岩石的蠕变效应是指岩石在永久荷载作用下的变形特性，大量的岩体失稳案例都与岩石的蠕变特性密切相关，因此分析蠕变特性对岩石工程的稳定性有重要意义。例如，曹文贵等(2013)针对岩石蠕变的阶段性特征，建立出可反映岩石蠕变全过程尤其是加速蠕变特点的岩石蠕变模型[22]；刘浪等(2013)以单级加载和分级增量循环加卸载两种方式进行蠕变试验，得到不同应力状态饱水岩石的流变试验曲线，描述了深部饱水岩石的流变规律[23]；刘东燕等(2014)基于高围压高孔隙水压作用下砂岩加速蠕变试验曲线特性，构建出新的可以描述岩石加速蠕变全过程的非线性黏弹塑性蠕变模型[24]；YI Dimitrienko等(2015)利用有限差分法求解岩石三维蠕变问题，分析了岩石变形随时间的变化趋势[25]；RM Günther等(2015)构建了岩石的无损伤稳态蠕变模型，对由于蠕变引起的岩石变形特性进行分析[26]；杨秀荣等(2019)选取片麻岩进行冻融循环的三轴蠕变试验，研究了冻融次数、冻融温度与蠕变时长、蠕变曲线之间的关系[27]；宋洋等(2020)针对节理岩体剪切蠕变作用下，利用相似材料模拟锚杆预应力损失规律研究[28]；胡江春等(2020)采用砂岩相似材料制作正方体试件并对其进行蠕变试验研究，获取了内部某一点蠕变变形的状态矩阵[29]；李列列等(2020)推导了横观各向同性岩体的三维蠕变本构方程[30]。

目前，针对岩石蠕变特性的研究主要集中在构建蠕变全过程、水环境作用下的蠕变特性以及蠕变模型参数的辨识等方面，通过室内模型试验进行分析。对岩石工程现场蠕变试验、岩石各向异性的蠕变特性以及三轴蠕变试验的研究还很缺乏。

1.4 岩石的扩容

岩石在单向或是三向压力作用下，岩体内部的发生裂纹并扩展，致使体积膨胀。张玉军等(2014)借助单一孔隙介质模型试验，研究了在不同扩容梯度工况下岩体塑性区分布的对应关系[31]。李杰等(2015)通过试验建立了扩容方程和扩容的全过程曲线，能够有效地描述加卸载过程中裂隙岩体损伤演化与体积扩容的全过程[32]。杨以荣等(2017)对高应力区的石英云母片岩进行三轴卸荷试验，研究其扩容特性和能量变化规律[33]。

目前针对岩石扩容变形特性的研究受到了理论和试验的限制，略微的稀缺，大部分集中在利用试验和理论结合的方式，建立扩容描述的本构方程上和破坏前的变形特征描述，在岩体扩容机制研究上可以更进一步。

2 岩石变形特性研究趋势

影响岩石变形特性的因素众多，如受荷条件(单轴压缩、三轴压缩)、岩石损伤以及蠕变效应都对岩石变形特性有影响。从目前研究成果来看，对单轴压缩和三轴压缩条件下的岩石变形特性的研究已经比较系统，但关于各向异性、岩石的损伤、动态应力和岩石的扩容对岩石变形特性影响的研究还不够完善。结合目前的研究成果提出在今后研究岩石变形特性中要注意的几个问题。

2.1 岩石的各向异性

岩石的各向异性包含强度各向异性和变形特征各向异性。所谓的岩石变形各向异性是指岩石中任意一点沿各个方向的变形特性各尽不同。大多数学者认为岩石的各向异性是由应变引起应力变化引起的，为了减少研究中变量，通常会将岩石假设成连续均质各向同性的介质。然而，这并不符合工程实践中遇见的大部分岩体。根据受力所表现出的力学性质不同可分为极端各向异性体、正交各向异性体、横观各向同性体等。由于岩石的各向异性，在不同方向加载时，岩石可表现出不同的弹性模量、不同的泊松比、不同的强度，进而表现出不同的变形特性。例如，极端各向异性体的变形特点是任何一个应力分量变化都会引起六个应变分量变化；正应力不仅能够引起线应变，也能引起剪应变；剪应力不仅能引起剪应变，也能引起线应变。因此，研究岩石的各向异性对岩石变形特性的影响也是不能忽视的，在今后的研究中应加以重视。

2.2 岩石的损伤

在边坡、隧道、大坝和天然气开采等岩石工程中，研究岩体的稳定性和失稳破坏特征，有助于选择合适的施工方法和支护手段。

岩石的损伤是变形破坏前期微裂纹演化程度的表现，不同损伤程度下岩石的变形特性研究无论是对岩石工程的稳定性分析还是监测围岩的变形以确定最佳支护时间都是一项重要的基础研究。大多数岩石工程的失稳破坏都是由于岩石中的微裂纹扩展演化所导致，在外荷载作用下，微裂纹形成、扩展和汇合成主裂缝最终发生变形破坏。目前在岩石材料的损伤描述上(定义损伤变量、建立损伤模型)已经获得相当丰厚的成果，应该进一步加大对应力以外的致损因素(温度变化、风化作用、水环境等)、从细观角度对损伤以及不同损伤程度下岩石的蠕变特性的研究，进而分析岩石的损伤变形特性是今后努力的方向。

2.3 动态应力

在岩质隧道和边坡开挖过程中，经常会用到爆破手段，爆破以动荷载的形式在岩石中传播，对岩质硐室、边坡和基岩等造成一定程度的损害，影响岩石工程的正常施工工作。我国属于地震多发地带，地震波在岩石中传播，同样威胁着岩土工程的建设。研究动荷载(爆破、地震等)作用下的岩石变形特性，提出稳定性分析方法和控制手段是岩石工程迫切需要解决的问题之一。目前对静荷载作用下岩石变形特性的研究已经很丰富，但对动荷载的研究还不够完善。研究岩石材料在动荷载作用下的变形特性(动态抗压、压缩、抗剪强度以及岩石的动态断裂特征)可以成为研究的热点方向。近年来，损伤力学和断裂力学的结合，用来分析动荷载作用下的岩石材料变形特性研究方法，加速了岩石材料在微观和宏观变形之间联系的研究。借鉴这种思路，针对动态拉伸、压缩、剪切荷载作用下岩石的变形特性可进行类似的研究工作。在前人的研究基础上，关于地震波、爆破和动水压力等动荷载作用下的岩体变形特征值得开展进一步的研究。

2.4 岩石的扩容

岩石扩容是指岩石在受到荷载作用下，会在变形破坏之前发生明显的非弹性体积变形。对岩石扩容方面的研究不仅可以深化对岩石在各种内在和外在条件下的变形特性的了解，同时还可以为岩石工程在施工过程中和竣工后的监测提供参考。实践表明，对于弹性模量和泊松比为常数的岩石，在荷载作用下，其体积变形可以分为体积变形阶段、体积不变阶段和扩容阶段。在岩石的扩容阶段，随着荷载的不断增加，试件的体积会大幅度的增加，而且增长速率越来越大，直至岩石试件变形破坏。

目前关于岩石扩容特性的试验研究已进行不少，但大多数只限于研究岩石破裂前的变形特性，且关于理论模型的研究以及岩石扩容后期变形破坏特性的研究并不多见，扩容机制研究和破坏机理研究还不是很明确，可以做为今后的研究方向之一。

3 结论

本文总结了近几年对岩体在内在因素(结构面、节理、岩性等)和外在因素(开挖、爆破、地震、温度、水压力等)作用下的变形特性研究，探讨了继续研究的方向，具体内容如下：

(1)在岩石工程失稳事件频频发生的年代，为了保证人类的生命和财产安全，对岩石变形特性进行研究，确保边坡工程、隧道工程、水坝工程、采矿工程等岩石工程的施工和运营稳定性是很有必要的。

(2)针对岩石变形特性，近年来国内外学者从岩石的静荷载、动荷载和永久荷载方面对岩石瞬时变形、损伤变形、蠕变效应和扩容变形特性展开研究，系统性地研究了岩石的单轴压缩、三轴压缩、孔隙水压力、损伤变形以及永久荷载条件下的变形特性，重视其变形特性对岩石工程稳定性的影响。

(3)基于对岩石变形特性研究现状的分析，进一步提出该领域注意的几个主要问题，即岩石的各向异性、不同程度的损伤、动态应力和岩石的扩容对岩石变形特性的影响，简述了每个问题的主要研究内涵和方向。