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工程建设与科学管理

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Engineering Construction and Scientific Management

  • 主办单位: 
    未來中國國際出版集團有限公司
  • ISSN: 
    3079-708X（P）
  • ISSN: 
    3080-0781（O）
  • 期刊分类: 
    工程技术
  • 出版周期: 
    月刊
  • 投稿量: 
    1
  • 浏览量: 
    305

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水压对深部岩石应力波传播影响作用综述

A Review of the Effects of Water Pressure on Stress Wave Propagation in Deep Rocks

发布时间：2026-05-19
作者: 郭凯茵 :江西理工大学土木与测绘工程学院 江西赣州;
摘要: 随着深部资源开发与地下工程向地球深部进军，深部水压作用下的岩体力学行为成为岩石力学领域的研究前沿。水作为关键环境变量，深刻影响着岩石的物理力学性能，尤其对应力波在岩体中的传播与衰减特性具有决定性作用。本文系统综述了近年来国内外在地下水对岩石物理力学性能影响、深部地下水压环境下应力波传播特性的试验与理论研究方面的进展。文章首先分析了水通过物理、化学及力学机制对岩石波物理力学等核心参数的复杂影响，揭示了其“双重作用”机理。随后，分别从试验研究和理论方法两个方面，梳理了水压力条件下应力波传播规律的研究现状，重点评述了等效介质法与位移不连续法的理论发展与应用局限。最后，指出了当前研究在水压力与地应力耦合理论模型、动态本构关系及数值模拟方法等方面存在的不足，并对未来发展方向进行了展望，以期为深部工程安全建设提供理论参考。
Abstract: As deep resource extraction and underground engineering venture further into the Earth’s interior, the mechanical behavior of rock masses under deep water pressure has become a frontier in rock mechanics research. As a critical environmental variable, water profoundly affects the physical and mechanical properties of rock, particularly playing a decisive role in the propagation and attenuation characteristics of stress waves within rock masses. This paper systematically reviews recent advances in experimental and theoretical research both domestically and internationally on the influence of groundwater on the physical and mechanical properties of rock, as well as on the propagation characteristics of stress waves under deep groundwater pressure conditions. The article first analyzes the complex effects of water on key parameters such as the physical and mechanical properties of rock through physical, chemical, and mechanical mechanisms, revealing its “dual effects” mechanism. Subsequently, it summarizes the current state of research on stress wave propagation under water pressure conditions from two aspects: experimental studies and theoretical methods, with a focus on evaluating the theoretical developments and application limitations of the equivalent medium method and the displacement discontinuity method. Finally, the paper identifies deficiencies in current research regarding coupled theoretical models of water pressure and in-situ stress, dynamic constitutive relationships, and numerical simulation methods, and offers prospects for future research directions, aiming to provide theoretical references for the safe construction of deep engineering projects.
关键词: 深部岩体；深部工程；水压力；应力波传播；岩石动力学；
Keywords: deep rock mass; deep engineering; water pressure; stress wave propagation; rock dynamics

引言

近年来，随着我国深部资源开发战略的推进和重大地下工程（如深埋隧道、水电站洞室等）的建设，工程活动逐渐向千米乃至数千米深度拓展。在此背景下，岩体所处的赋存环境变得极为复杂，地应力与水压力的耦合作用已成为影响岩体力学行为的关键因素。岩体作为一种天然的多孔、多相介质，其物理力学性质本质上是其内部结构的宏观反映。地下水不仅作为孔隙压力的载体，更通过复杂的物理、化学及力学过程与岩石骨架发生相互作用，深刻改变岩石的波速、弹性模量、强度及黏性系数等关键参数，进而主导应力波（如爆破振动、地震波、岩爆冲击波）在岩体中的传播与衰减规律。

准确理解应力波在深部岩体中的传播特性，对于深部工程的稳定性评价、灾害预警（如岩爆、突水）及安全控制具有至关重要的意义。然而，深部岩体工程处在的水压力环境中使得岩石的动态响应变得异常复杂。一方面，较高的围压会压实岩石内部裂隙，提高波阻抗；另一方面，深部岩体的地下水具有较高的水压力通过降低有效应力、产生水楔效应等机制弱化岩石骨架，两者相互竞争，共同决定了岩石的宏观力学行为。目前，国内外学者围绕岩石中应力波的传播特性已开展了大量研究。因此，本文旨在系统梳理该领域的研究进展，总结现有成果，分析当前研究的瓶颈与挑战，并展望未来的发展方向，以期为深部工程岩体动力学研究提供参考。

1 水对岩石物理力学性能的影响机制

水对岩石物理力学性能的影响是多尺度、多场耦合的复杂过程，主要通过物理填充、化学作用及力学效应改变岩石的内部结构与力学响应。

1.1 水压环境对岩石声波传播特性的影响

声波传播特性是评判岩体内部状态的无损检测指标，对含水状态、应力环境具有极强敏感性。在静荷载作用下，岩石内部孔隙和微裂纹的动态演化（闭合、压密、扩展）会直接影响波速和动弹性模量，通常表现为随围压增大而增加。地下水的存在则通过两种方式改变这一特性：一是水的充填作用改变了介质的密度与可压缩性，直接影响波速；二是水通过物理化学作用改变岩石骨架本身。研究表明，水在裂隙尖端的水楔效应会促进微裂纹的萌生与扩展，从结构上削弱岩体，导致声波波形畸变、主频降低及振幅衰减。在水压力作用条件下，孔隙水压力会降低有效应力，弱化岩石骨架的承载结构，导致波速出现非均匀分布，甚至引起应力波波形剧烈畸变与能量异常衰减。

1.2 水压环境对岩石黏性特性的影响

岩石的黏性性质是控制应力波频散与衰减的关键因素。当应力波在含黏性流体的孔隙岩石中传播时，固相骨架与孔隙流体之间的相对运动会产生能量耗散，表现为宏观上的黏性耗散。水对岩石宏观黏性系数的影响机理极为复杂，呈现出“双重作用”。

一方面，水通过物理化学作用增强黏性：孔隙水在矿物颗粒接触处形成的弯液面会产生毛细压力，增强颗粒间的联结；Stefan效应在颗粒发生相对剪切时产生黏滞阻力；水分子的强束缚作用可能增强某些黏土矿物的塑性。这些机制均倾向于增强岩石的黏性特性。另一方面，孔隙水压力的物理作用则起弱化效果：水压力的存在降低有效应力，软化岩石骨架，削弱颗粒间的摩擦；同时，水楔效应能更有效地侵入并润滑裂隙面。研究表明，后者的弱化作用往往随水压升高而占据主导，导致岩石的整体黏性系数呈现下降趋势。这种双重作用使得岩石的黏性参数成为受应力状态、孔隙压力等多个变量影响的非线性函数，给本构模型的建立带来了巨大挑战。

2 岩石应力波传播特性试验研究进展

试验研究是揭示应力波在岩体中传播规律的基础。学者们通过室内试验、模型测试等手段，系统地探究了地应力及水压对波传播行为的影响。

2.1 无水压环境岩石应力波传播试验

针对单一只有地应力工况，学者们围绕应力波传播规律开展了系统性试验，明确了地应力对波传播的调控机制。李新平等采用物理模型试验模拟深部高应力环境，证实高应力下岩石波阻抗动态演化会增强应力波衰减，地应力水平越高，能量耗散越显著；金解放等基于动静组合加载系统，发现应力波幅值随传播距离、时间呈指数衰减，轴向静应力通过改变岩石微观结构调控传播路径与效率；Zhao等研究表明，岩石细观孔隙、微裂隙到宏观节理、层理等缺陷，均会阻碍应力波传播，加剧幅值衰减与波形畸变，同时加载速率也会显著改变岩石动态力学性能与波传播特性；高子涛等结合摆锤冲击试验与数值模拟，验证了应力波振幅的指数衰减规律，补充了冲击能量对衰减系数的影响，完善了地应力作用下应力波衰减试验体系。

上述研究为单一含地应力工程的波动分析提供了支撑，但均聚焦干燥岩体工况，未考虑水压力耦合作用，与深部工程真实地质环境存在较大差距，试验结论的工程适用性受限。

2.2 含水压环境岩石应力波传播试验

当岩石孔隙被水填充后，孔隙流体与岩石骨架的耦合作用使应力波传播行为更加复杂。王海洋等通过数值模拟发现，层理面与岩体主体间的力学性能差异越大，应力波在界面处的反射、折射越剧烈，幅值衰减越明显。李根等建立的三维耦合模型表明，水压通过改变有效应力场，间接影响岩石的损伤演化路径和应力波传播。周子龙利用SHPB试验对比饱和与干燥岩石，发现饱和岩石的率敏感性远高于干燥试样，证实了孔隙水对岩石动态响应的显著影响。Huang等的研究则表明，液体填充节理的透射系数随填充厚度增加而降低，孔隙流体通过吸收能量来阻碍波的透射。

综合来看，现有试验研究已认识到水压的重要性，但针对水力耦合环境的系统性试验仍显不足，缺乏对不同水压水平下岩石动态力学参数演化规律的精细刻画。

3 岩石应力波传播特性理论研究进展

岩石应力波传播理论研究以等效介质法、位移不连续法为核心手段，两类方法各有优势，为复杂岩体波动分析提供了理论支撑，但在水力耦合场景的应用仍存在显著短板。

3.1 等效介质法研究進展

等效介质法的核心思路是将含缺陷非连续岩体等效为宏观均匀连续介质，通过求解等效力学参数表征波传播特性，有效简化了非连续岩体分析难度。李建春基于黏弹性理论引入虚拟波源，构建节理岩体一维动态模型，揭示了节理多重透反射效应对波传播的影响；Yi等验证了低应力下等效介质法的适用性，为浅层岩体波动分析提供了依据；金解放等结合孔隙演化机制，建立含波速、衰减系数的波动方程，拓展了该方法在地应力环境的应用范围。但现有等效介质模型多未考虑水压驱动的参数动态演化，难以适配水岩耦合工况。

3.2 位移不连续法研究进展

位移不连续法直接考虑节理面等不连续结构的位移突变特性，适用于分析应力波在节理发育岩体中的传播。范立峰等将该方法应用于原位应力对波传播衰减的模拟，明确了地应力对节理岩体中应力波传播的作用。饶宇构建了黏弹性节理的等效标准线性固体模型，推导了应力波在黏弹性节理处的传递方程，探究了节理黏滞系数、刚度等参数的影响。汪书敏等基于时域递归方法（TDRM），分析了节理模型参数、节理厚度等关键因素对应力波透反射系数的影响。

尽管上述理论方法已较为成熟，并成功应用于含地应力环境，但它们均未充分考虑含水压作用下岩石力学参数的动态演化。现有理论模型大多假设岩石参数为常数或仅与应力相关，而忽略了水压力作用下岩石黏性系数、弹性模量随孔隙压力变化的动态特性，导致其对深部水力耦合环境下应力波传播特性的预测精度不足。

4结论与展望

4.1研究结论

（1）水通过物理化学与力学耦合作用，双重调控岩石声波传播特性与黏性系数，水压力作用下弱化效应占据主导，核心力学参数呈非线性动态演化，直接决定应力波传播与衰减规律。

（2）现有试验研究多局限于无水干燥仅地应力或单一含水工况，水岩耦合下的系统性试验匮乏，难以还原深部工程真实应力波传播场景。

（3）等效介质法与位移不连续法是主流理论手段，但均未充分耦合水压驱动的参数动态演化与黏性耗散效应，对深部复杂岩体波传播的预测精度不足。

4.2研究展望

基于现有研究不足，未来研究应重点关注以下几个方面：

（1）发展水力耦合动态本构模型：开展系统的岩石力学试验，揭示水压力、地应力与动荷载共同作用下岩石黏性系数、弹性模量及强度的动态演化规律。在此基础上，建立能够精确描述水岩耦合效应的非线性动态本构关系。

（2）完善应力波传播理论模型：将岩石动态本构模型与等效介质法或位移不连续法相结合，构建能够同时考虑地应力、水压力、损伤演化及黏性耗散的应力波传播理论模型，提高对波速、频散及衰减特性的预测精度。

（3）开展多场耦合数值模拟与试验验证：开发高性能数值模拟方法，实现对深部复杂地质体中应力波传播全过程的高保真模拟。同时，设计能够模拟地应力与水压力耦合环境的室内物理模型试验，对理论模型和数值结果进行验证与修正，形成“理论-试验-数值”三位一体的研究范式，为深部工程的安全建设提供可靠的技术支撑。

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