卸荷岩体力学的研究与发展

第３３卷第２期　２００６年６月　黑．龙江水专　学报　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｈｅｉｌｏｎｇｊｉａｎｇ　Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｃｏｌｌｅｇｅ　Ｖｏ１．３３。Ｎｏ．２　Ｊｕｎ．，２００６　文章编号：１０００—９８３３（２００６）０２—００２７—０３　

卸荷岩体力学的研究与发展　

邓　钦　，李建林　，张志刚２　（１．三峡大学土木水电学院，湖北宜昌４４３００２；２．宁波市鄞州区水利水电勘测设计院，浙江宁波３１５０００）　摘要：卸荷岩体力学是常规岩体力学的有益补充，其力学特性与加载岩体力学有本质区别。近十几年来，卸荷岩体力学已在宏　观力学参数选取、破坏机理以及本构模型研究方面得到了很大的发展，但在以后的研究中更应加强破坏的细观机理、时效　性和多场耦合性的研究。　关键词：卸荷岩体力学；研究；发展　中圈分类号：ＴＵ‘４５２　文献标识码：Ａ　

Ｅｌｅｍｅｎｔａｒｙ　Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ｏｎ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ａｎｄ　Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｕｎｌｏａｄｉｎｇ　Ｒｏｃｋ　Ｍａｓｓ　Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ　ＤＥＮＧ　Ｏｉｎ　，ＬＩ　Ｊｉａｎｇ－ｌｉｎ　，ＺＨＡＮＧ　Ｚｈｉ—ｇａｎｇ　（１．ＴｈｒｅｅＧｏｒｇｅｓＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，ＣｏｌｌｉｅｏｆＣｉｖｉｌ＆ＨｙｄｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．Ｙｉｃｈａｎｇ４４３００２；２．ＮｉｎｇｂｏＹｉｎｚｈｏｕＤｉｓｔｒｉｃｔＨｙｄｒａｕｌｉｃ　ａｎｄＨｙｄｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｚｈｅｊｉｍａｇ　Ｐｒｏｖ．，Ｎｉｎｇｂｏ　３１５０００，Ｃｈｉｎｓ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｕｎｌｏａｄｉｎｇ　ｒｏｃｋ　ｍａｓｓ　ｍｅｃｈａｎｉｃｓ　ｉｓ　ａ　ｂｅｎｅｆｉｃｉａｌ　ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｎｏｒｍａｌ　ｒｏｃｋ　ｍａｓｓ　ｍｅｃｈａｎｉｃｓ　ｗｉｔｈ　ｅｓｓｅｎｔｉａｌ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｓ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｔｈｅｉｒ　ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ．Ａ　ｇｒｅａｔ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｉｎ　ｃｈｏｏｓｉｎｇ　ｍａｃｒｏ－ｍｅｃｈａｎｉｃｓ．　ｐａｒａｍｅｔｅｒ，ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｆ　ｆａｉｌｕｒｅ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ａｎｄ　ｃｏｎｓｔｉｔｕｔｉｖｅ　ｍｏｄｅｌ　ｈａｓ　ｂｅｅｎ　ｏｂｔａｉｎｅｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｒｅｃｅｎｔ　ｔｅｎ　ｙｅａｒｓ。ｂｕｔ　ｌａｔｅｒ　ｔｈｅ　ｆａｉｌｕｒｅ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍｉｃｒｏ－ｍｅｃｈａｎｉｓｍ，ｔｈｅ　ａｇｉｎｇ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｆｉｅｌｄ　ｃｏｕｐｌｉｎｇ　ｓｈｏｕｌｄ　ｂｅ　ｉｎｔｅｎｓｉｆｉｅｄ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｕｎｌｏａｄｉｎｇ　ｒｏｃｋ　ｍａｓｓ　ｍｅｃｈａｎｉｃｓ；ｒｅｓｅａｒｃｈ；ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　

０引　言　以往在岩体工程的岩体力学分析中，普遍应用　加载岩体力学的理论和方法，不加区别地应用于处　于加载的岩体工程和卸荷的岩体工程中。而许多工　程实例却说明，现有加载岩体力学的研究成果与工　程实际观测资料有数量级的差距，并导致许多工程　事故的发生。这主要是计算分析时采用的加载力学　数学模型与工程实际的卸荷力学条件不相吻合所　致…。不同类型的岩体工程具有不同性质的岩体力　学动态条件，如地面工程中的基础工程主要表现为　加载，而边坡工程则表现为卸荷。在加载和卸荷两　种力学条件下，岩体所表现出的力学性质也是截然　不同的。应分别采用相应的加载、卸荷分析理论，只　有这样，才能与工程实际力学状态相一致。　自哈秋龄教授提出卸荷岩体力学的概念，至今　近２０　ａ的时间里，卸荷理论已被众多的专家学者所　接受，同时也获得了一定的发展。哈秋舱教授在文　

收稿日期：２００６—０２—２３　作者简介：邓钦（１９８３一），女，湖北仙桃人，硕士研究生；李建　林（１９６２一），男，湖北咸宁人，教授，博士生导师。　献［２］中指出，卸荷岩体力学应从工程实际总体出　发，不可片面理解“力学”局部概念。应包括工程制　定的工程地质条件和各向异性特征、工程的加载和　卸荷力学动态及相应的宏观岩体力学参数、本构关　系、力学准则及分析计算力学软件。　加载岩体力学的研究相对比较成熟，而卸荷岩　体力学的研究却处在初步阶段。加强新领域的研　究，无疑可使岩体工程力学状态的分析研究得到根　本改善，从而可望更好地服务于工程，解决实际问　题。　１　岩体加载与卸荷力学特性的区别　岩体在不同应力状态下，所展现出的力学特性　是不同的。李建林和哈秋龄教授ｕ３］对三峡工程永久　船闸陡高边坡岩体进行物理仿真实验，得出岩体沿　一个方向加载与卸荷的应力应变关系，同时指出岩　体加载与卸荷的根本区别主要表现在以下几方面。　（１）应力应变路径不同。两种不同的受荷作用，　对岩体所受的应力路径也不同，使得岩体破坏时的　状态也不一样。　（２）屈服条件不同。不同的应力路径致使岩体　的损伤过程与结果不同。

　维普资讯 http://www.cqvip.com 黑龙江水专　学报　第３３卷　（３）力学参数不同。不同的力学状态其对应的　力学参数是不同的，加载力学条件的分析应选用加　载的力学参数；卸荷的力学状态分析应选用相应的　卸荷的岩体力学参数。　（４）分析方法不同。由于岩体在加载、卸荷状况　下的路径不同、参数不同、破坏准则不同，对岩体结　构进行力学分析时，不同的力学状态应选用不同的　分析方法。　对于卸荷岩体，应当根据其在卸荷过程中岩体　的质量劣化程度，划分不同的卸荷区域，选择对应区　域的参数，并不断调整，直至收敛。　２卸荷岩体力学的研究内容　（１）卸荷岩体工程地质。工程地质是卸荷岩体　力学研究的基础，包括对区域地质构造史、构造特　征、地应力以及工程地质条件、结构面特征和岩体各　向异性等。　（２）卸荷岩体力学特性与力学参数研究。对岩　石、结构面和岩体研究方法的研究，以及对它们的卸　荷力学特性、卸荷流变特性及其对应参数的研究，这　些都是认识卸荷岩体力学特性的必要条件。　（３）卸荷岩体本构关系及计算方法研究。卸荷　岩体本构关系及其分析方法的研究是卸荷岩体力学　的核心内容之一。主要有卸荷岩体开挖卸荷的应力　应变关系、特征、参数和卸荷损伤特性的研究。　（４）卸荷岩体加固理论与方法的研究。本着岩　体工程研究的基本原则，即认识、保护、加固和监测　岩体，充分利用岩体自身承载能力，进行合理加固部　位、合适加固时间、具体加固方法及其优化的研究。　（５）卸荷岩体破坏准则的研究。岩体在不同的　应力状态下，具有完全不同的变形破坏特性。因此，　探究岩体在复杂应力状态下的破坏机理是岩体力学　中一项十分重要、复杂而艰巨的研究工作。卸荷岩　体破坏准则不仅要能解释岩体破坏的原因、破坏的　形态，而且要能确定岩体破坏时的应力或应变状态。　３研究现状　３．１卸荷岩体宏观力学参数研究　岩体在开挖卸荷过程中，岩体性质不断劣化并　产生流变现象，边界条件也处于动态变化中，岩体　的力学参数随之不断变化。常规的计算方法未考虑　力学参数的动态变化过程，岩体卸荷力学理论与方　法则弥补了常规的不足，更真实地反映了卸荷过程　中岩体的力学本质。卸荷岩体变形和强度参数的确　定应充分考虑岩体的卸荷状态及最不利结构面的影　响，即考虑卸荷裂隙岩体力学参数的弱化问题。　在文献［４］中，对锦屏电站坝厂区卸荷岩体进行　分区块分级计算后，得出以下结论：岩体在开挖卸荷　过程中，由于岩体的应力条件变化，导致岩体裂隙材　料甚至裂隙周边的岩石发生屈服，节理连通率增加，　裂隙材料的变形模量降低，岩体的力学参数降低；当　卸荷量在３０％以内时，卸荷变形模量基本变化不　大；当达到在３０％～７０％左右时，主要是裂隙张开　度增加所造成的岩体变形模量减小；但当达到７０％　～ｉ００％时，由于岩体内裂隙张开度的增加和材料的　屈服共同影响下，岩体的变形模量急剧下降。　同时，文献［５］采用地质力学材料模型进行实验　研究后指出：变形模量的尺寸效应是明显的，随着岩　体范围的加大，变形模量明显降低；抗拉强度对尺寸　也是敏感的，随尺寸的加大而降低。　３．２卸荷岩体破坏机理研究　在文献［６］中，采用裂隙岩体模型进行单轴抗压　强度，选择两种不同卸荷路径比较，得出：各类岩体　在加、卸荷的作用下，一般都经历了先体积压缩而后　体积膨胀（扩容）的过程，卸荷必定引起岩体扩容现　象的出现；在同种类型的卸荷破坏试验中，裂隙岩体　的破坏强度基本依照其在单轴下的强度顺序；一定　的应力下，双向卸荷比单向卸荷更能促使岩体产生　大的变形，在一般情况下，单向卸荷比双向卸荷使岩　体的破坏强度更高。　沈军辉等　在对三峡玄武岩进行卸荷实验研究　后，认为：卸荷岩体的变形主要表现为沿卸荷方向的　强烈扩容；具有较强的张性破裂特征，且随着围压的　增大，剪切破裂成分比重增大；岩体结构对变形破坏　起重要作用；卸荷岩体的变形破坏与卸荷程度、速率　和方式都有很大关系。　文献［８］根据损伤断裂力学知识建立了岩石处　于卸荷条件下的全过程应力～应变关系，包括线弹　性阶段、非线性强化阶段、应力跌落和应变软化阶　段。理论和试验研究发现，岩石卸荷破坏所需要的　应力比连续加载破坏时小，且卸荷破坏时的变形比　连续加载时大，其主要原因是卸荷时存在裂纹张开，　裂纹张开导致了无摩擦滑动和变形模量的减小，岩　石的无摩擦滑动必定比摩擦滑动所需的应力小。　任建喜等　利用已研制成功的与ＣＴ机配套的　专用三轴加载试验设备，在国内外首次完成了岩石　卸荷损伤断裂破坏全过程的实时ＣＴ试验，得到了　岩石卸荷损伤演化过程中从裂纹发育、扩展、贯通到　断裂破坏全过程的ＣＴ图像。指出岩石卸荷破坏比　连续加载情形下岩石破坏更具突发性。由静态连续　加载岩石细观损伤机理出发，得到了卸荷条件下岩　石损伤扩展的初步规律。　３．３卸荷岩体本构模型研究　

周维垣等ｎ叫对岩石边坡的卸荷和流变作了非　维普资讯 http://www.cqvip.com 第２期　邓钦，等．卸荷岩体力学的研究与发展　２９　连续变形分析，指出边坡在卸荷情况下，岩体的变形　分析应考虑开裂等非连续变形，对其流变变形也应　考虑开裂和裂隙扩展机制，提出了开裂卸荷条件下　岩石的本构关系和计算方法；吴刚，孙均…　在损伤　力学理论的基础上建立了岩体卸荷破坏的损伤本构　模型，通过与红砂岩的卸荷破坏试验结果的对比，提　出该模型适用于脆弹性岩体的卸荷破坏；赵明阶　等　运用线弹性断裂力学理论详细推导岩石在常　规三轴卸荷条件下的变形及其计算解析式，从而建　立了一种岩石三轴卸荷的本构模型。　４展望　４．１岩体在卸荷状态下变形破坏的宏、细观机理　加载、卸荷两种完全不同的应力路径，必然引起　不同的工程岩体宏观、细观力学特性。目前，关于岩　体卸荷破坏的宏观机理研究已得到初步开展，而其　细观机理研究尚未开展，这主要是受试验条件的限　制。通过一系列（室内及现场）试验研究，利用损伤　力学、断裂力学和分形几何理论，分析岩体的卸荷损　伤破坏形式及其与卸荷路径和自身组构的关系，揭　示岩体卸荷破坏的宏、细观机理，从而进一步研究岩　．体卸荷时，其裂隙的开裂扩展情况，通过损伤演化方　程描述工程岩体的损伤累积到断裂扩展的全过程。　４．２岩体卸荷破坏的时效性　通常，岩体具有黏滞性，其破坏过程是渐进的，　表现出明显的时间滞后。从理论上讲描述岩体的卸　荷破坏必须从岩体的流变及卸荷的时效两方面来进　行。工程开挖量的大小、开挖方式、开挖时间及工程　维护方式，显然要影响到岩体的稳定性。　４．３岩体在高围压下的卸荷破坏　在低围压状态下，岩体的变形与破坏呈脆弹性。　参考文献：　随着围压的增高：①岩体的拉张将受到限制，岩体中　裂纹的起裂与扩展更趋向于与剪切相关的复合型机　理；②岩体由脆性向延性转化，呈现出更多的塑性机　理。因此，在开挖深埋洞室及深部矿产时，开展高围　压下岩体卸荷破坏的研究是很有必要的。　４．４多场耦合作用下的岩体卸荷破坏　随着建设速度的加快，机械化施工程度的提高，　岩土工程的发展越来越向深度开展。而深部岩体处　在高温、高压的环境中，在进行开挖时应考虑岩体在　卸荷应力场与温度场耦合作用下的破坏机制。同　样，在某些渗流区则应考虑卸荷应力场与渗流场的　耦合作用，或者是三场的耦合作用。卸荷岩体所处　环境的地域性较强，应根据工程实际地质情况，考虑　全面、合适的多场耦合作用。　４．５新学科理论、技术的引入　随着现代数学、力学和计算机科学的迅速发展，　以及岩土工程实践的需要，许多学科渗透到岩体力　学研究领域，如：分形几何、分叉、混沌、突变理论、协　同论等，不断开创出岩体力学新的研究领域，这些新　的研究领域的出现，解决了一些岩体力学中的非线　性问题，也极大地丰富了岩体力学的研究内容。　５结语　随着研究的深入和工程实践的不断积累和应　用，许多问题得到认识和提高，卸荷岩体力学的内容　不断丰富，并已初步形成了比较完整的学科系统，随　着工程实践的不断应用正日趋完善。但岩体本身的　复杂性及其卸荷破坏机制的复杂性使得一些实质性　的基本问题仍未得以解决。而这些问题的解决对研　究岩体的卸荷力学特性及对工程开挖岩体的施工控　制等方面具有极为重要的意义【】　。