【文章內(nèi)容簡介】 與破壞 ? 現(xiàn)場觀察與模擬研究證明，巖體在橫向力作用下彎曲變形破壞的演化過程具有明顯的 ? 階段性特征。圖 3— 22為彈一塑性有限元模擬成果，以等效 單軸 )應(yīng)力 [σ] 表示板內(nèi) ? 應(yīng)力狀況，等效于三向應(yīng)力效應(yīng)，表達為： (319) ? 當(dāng) σ 達到巖石屈服應(yīng)力 σ y，則判定發(fā)生塑性破壞。模擬中考慮了橋梁的自重應(yīng)力場，并假 ? 定為靜水壓力狀態(tài)，亦即 σ ＝ o。演化過程可劃分為三個階段： ? (1)輕微隆起階段 (圖 3— 22中的 1) ? 上隆初期應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生顯著變化的部位主要分布在板梁底部隆起中心的兩側(cè)和頂面中 ? 心部位。頂部中心部位雖已出現(xiàn)拉張變形，但尚未出現(xiàn)塑性破裂，僅在底部出現(xiàn)小范圍破 ? 壞。模型所示特定條件下，上隆量 (H)約為板梁厚度 D的 1． 8％。 ? (2)強烈隆起階段 (圖 3— 22中的 2) ? 頂、底部塑性破壞區(qū)相互貫通，形成一寬度大體與隆起帶寬度 (只 )相當(dāng)?shù)睦瓘埰扑閹?，模型?H／ D為％。 ? (3)折斷破壞階段 (圖 3— 22中的 3) ? 軸部區(qū)頂、底面塑性破壞區(qū)形成并不斷擴展。由前述應(yīng)力分析 (公式 3— 19)可見，由于塑性破壞區(qū)的形成，尤其是板梁頂部拉張破裂的出現(xiàn)，特使承受彎矩的板梁的實際厚度減薄，應(yīng)力集中現(xiàn)象向板梁中部推進，因而彎曲破壞實際已進入不穩(wěn)定破裂階段。該階段模型的 H／ D為 ％。 2. 橫彎曲過程中的滑脫（下圖） ? 縱彎曲條件下巖體的變形與破壞 ? 縱彎曲的形成較橫彎曲要復(fù)雜一些?？捎腥缦虑闆r：當(dāng)巖體板梁原始狀態(tài)起伏彎曲時，在軸向力作用下，板內(nèi)應(yīng)力將疊加一彎矩產(chǎn)生的附加應(yīng)力，從而使彎曲形成；當(dāng)板梁為平直狀態(tài)時，如軸向力為偏心加載，也可使板內(nèi)疊加使其彎曲的彎矩，形成彎曲，如軸向力為均勻加載，則只有當(dāng)軸向力達到使板梁屈曲(Buckling)時，才發(fā)生明顯彎曲或折斷。 ? ? 1．板梁的屈曲 ? 造成板粱屈曲，其臨界縱向壓力 ? 常按經(jīng)典歐拉公式確定： （ 3－ 20） ? 采用慣性距 J＝ bh3 /12,則臨界應(yīng)力（ σ cr)為： ? （ 3－ 21） 當(dāng)巖體為多層板梁，假定硬軟相間、等厚互層，且不考慮層間摩擦阻力時，則有： 22lEJNcr??2212 ???????lhEcr?? （ 3－ 22） 而容易彎曲的波長（ Wd)為： （ 3－ 23） 式中： E1,E2, η1 , η2 分別代表硬層和軟層的彈模和粘 滯系數(shù)， h為板梁總厚度， n為板梁層數(shù)。 由以上分析可見，相同厚度的板梁，分層愈密，即單層厚愈薄，則彎曲波長愈短，且也愈易發(fā)生彎曲。據(jù)此推論，在不等厚互層板梁中，可由不同波長的彎曲層組成那個（圖 3－ 20（ B） c）。 3/12221 )6(23nEEcr ??3/121 )6(2 ??? nhwd ? 按彈性理論，板梁一旦屈曲則被折斷破壞。但地質(zhì)體和巖體中更普遍的情況式板梁在軸向壓力作用下，表現(xiàn)一定塑性變形和流變特征，逐漸彎曲達到破壞。演化過程也可劃分為三個階段（圖 3－25）。輕微隆起階段（圖 3－ 25（ a）），彎曲板梁頂面出現(xiàn)少量拉裂隙、底面附近可見少量稀疏發(fā)育的剖面 X剪切斷裂；強烈隆起階段 (圖 3－ 25（ b） ),頂面普遍拉裂且向深處擴展，底面附近的 X斷裂擴展至中性層附近；至剪斷破壞階段（圖 3.－ 25（ c）），剪 切斷裂穿過中性層與拉裂貫通，或切斷板梁形成 “ 逆 ” 斷層。 3．縱彎曲過程中的滑脫 (1)背斜式滑脫 可有多種形式．圖 321(b)所示為一種較普遍的方式。層間滑脫使軸部板層間架空 (虛脫 )，扳梁整體性降低．更易使板梁被分層破壞。 在一定條件下，可出現(xiàn)由冀部板梁中的低序次剪裂 [R，參見圖 312(a)]發(fā)展而成的滑脫，其形成過程如圖 3— 29(a)’所示。當(dāng)彎曲巖體下伏有軸向力作用下發(fā)生塑性流動的軟弱巖層時 [圖 326(b)]，也可因軟巖 “ 上涌 而造成滑脫 [圖 326(b)]。 背斜式滑脫不僅是彎曲巖體的一種特殊破壞方式，井且也是造成巖體碎裂松動的重要形成機制．例如在地質(zhì)體中，受強烈擠壓的背斜的傾伏處，可因為兩翼滑脫，逆斷層在地面交匯，形成一楔形松動體 (圖 3— 27)。 (2)向褂式滑脫 其形成過程如圖 3一 28所示。彎曲的層狀巖體因某種原因 (如地質(zhì)過程中的剝蝕 )使板梁被切斷（圖 328(b)），彎曲變形的繼續(xù)則有可能使抗剪強度低的接觸面發(fā)生滑脫（圖 a28(c)）。滑脫發(fā)動于臨空端，由于剪動時滑面強度降至動摩擦強度 (參見圖 314)，因而波及范圍可達到圖 3－ 28（ d）所示范圍。 ? 3． 3 巖體在卸荷過程中的變形與破壞 ? I 卸荷破裂面的基本類型 ? 巖體應(yīng)力狀態(tài)分析已指出，卸荷作用將引起卸荷面附近巖體內(nèi)部應(yīng)力重分布，造成局部應(yīng)力集中效應(yīng)；并且在卸荷回彈變形過程中，還會因差異回彈而在巖體中形成一個被約束的殘余應(yīng)力體系。巖體在卸荷過程中的變形與破壞，正是由于應(yīng)力狀態(tài)的上述兩方面的變化所引起的 (圖 3— 29)。 ? 應(yīng)力分異 (重分布與集中 )所造成的變形和破壞，其力學(xué)機制與前述加荷過程的情況類似。 在拉應(yīng)力集中帶產(chǎn)生的拉裂面 在平行臨空面的壓應(yīng)力集中帶中形成的與臨空面近于平行的壓致拉裂面 剪切破裂面 拉裂面 剪裂面 ? 此外在卸荷過程也可產(chǎn)生彎曲變形，它總是與一些破裂面的生成相伴生。 ? 差異卸荷回彈造成的破裂 巖體中緊密相連而材料性質(zhì)不同的顆粒體系 (圖 3— 30)，如果在加荷過程中，彈性強的單元 1引起純彈性應(yīng)變，而彈性弱的單元 2則在彈性變形后發(fā)生了塑性變形 [圖 3— 30(b)]。卸荷回彈時，兩者膨脹程度不一，于是分別在單元 1和單元 2內(nèi)產(chǎn)生了殘余壓應(yīng)力和殘余拉應(yīng)力[圖 3— 30(C)]。一旦殘余拉應(yīng)力達到顆粒材料的抗拉強度，助產(chǎn)生拉裂面 [圖 3— 30(d)]。 ? 碎屑巖中碎屑顆粒和胺結(jié)物兩者可具有不同的應(yīng)力史，如左，顆粒承受荷載被壓縮，或產(chǎn)生切過顆粒的張性破裂面，方向和加荷方向近于平行 (a) 。在顆粒被壓縮的情況下充人膠結(jié)物，因此卸荷時，處于壓縮狀態(tài)的顆粒力圖膨脹，但這種膨脹受到膠結(jié)物的限制，使膠結(jié)物轉(zhuǎn)為拉伸狀態(tài)，一旦被殘余拉應(yīng)力突破，即產(chǎn)生沿顆粒邊界的與回彈方向近于正交的拉裂面 (b) 。 在壓應(yīng)力作用下，巖體中原有裂隙或裂紋的端部發(fā)生壓應(yīng)力集中 [圖 3— 32(b)]，如集中應(yīng)力使端部巖石塑性變形或壓碎，應(yīng)力集中部位隨之向內(nèi)部轉(zhuǎn)移 [圖 3— 32(c)]。這樣，卸荷回彈時由于裂隙端部的回彈能力明顯削弱，而內(nèi)側(cè)應(yīng)力集中處的完整巖石具有高 ? 差異卸荷回彈造成的剪切破裂 ? 卸荷回彈同樣可在巖體中造成殘余剪應(yīng)力，并導(dǎo)致剪切破裂。通常這種現(xiàn)象與卸荷邊界條件不同所造成的差異回彈有關(guān)，在高地應(yīng)力區(qū)鉆進過程中所見到的巖心裂成餅狀 (簡稱 “ 裂餅 ” ，下同 )現(xiàn)象，可作為闡明這類剪切破裂形成機制的力學(xué)模式。 ? 巖心裂餅現(xiàn)象自本世紀(jì) 60年代末以來開始引起巖石力學(xué)界的注意，我國西南、西北幾個新勘察的電站以及我國地下核試驗所造成的高應(yīng)力區(qū)也見到這種現(xiàn)象。它多半發(fā)生在堅硬完整的巖石中，如花崗巖、玄武巖、片麻巖等 。 ? 圖 3— 33所示為雅碧江上某電站河心鉆孔中取出的正長巖巖餅，巖餅的厚度與巖餅直徑大體保持一定的比值 (該巖餅比值約為 O． 257— 0． 269)，亦即直徑相同者其厚度大致相近。巖餅略呈橢圓形、微微上凹，凹槽軸與長軸一致。破裂面新鮮，可見沿長軸方向的剪切擦痕和與擦痕方向大體正交的拉裂坎。上述跡象表明，巖餅是沿長軸方向剪切破裂的產(chǎn)物，該方向代表鉆進中巖心柱最大的側(cè)向回彈膨脹方向，也相當(dāng)于最大主壓應(yīng)力方向；研究表明，該方向與河谷近于正交 (參見 9． 2)。 ? 鉆進中巖心柱的受力狀況，可用圖 3— 34加以說明。如圖所示，切出的巖柱由于受根部 x— x受限面的約束而不能充分回彈，其回彈的充分程度隨距受限面高度 A而增大。這種差異回彈使受限面上產(chǎn)生殘余剪應(yīng)力 τ ，其值視切出的巖柱中被約束而末釋放的回彈力之大小而定。根據(jù)彈性力學(xué)森維南原理，受限面只能在一個局部范圍內(nèi)約束巖柱的回彈，超過某一臨界高度 h0的部份則已充分回彈，所以沿巖柱短軸方向中垂面上法向殘余壓應(yīng)力與受限面上殘余剪應(yīng)力兩者可有如圖 3—34(b)所示變化圖式。 ? 由圖可見，當(dāng)切出的巖柱所達到的高度已足以使巖柱邊緣的最大剪應(yīng)力達到以致超過巖石的抗剪強度，則巖柱沿受限面被迅速剪斷，所以在一定的地應(yīng)力環(huán)境中，同類巖石的巖餅，其厚度與直徑的比值十分相近。 ? 根據(jù)以上分析可知，在高地應(yīng)力區(qū)的河谷下切或人工開挖過程中，特別當(dāng)?shù)貐^(qū)最大主壓應(yīng)力方向與谷按近于正交時，由于坡腳根部受限面上下巖體的差異回彈，也可于坡腳一帶造成平緩的剪裂面 (圖 3— 29中9)。當(dāng)巖體中含有平緩的軟弱面時，這種現(xiàn)象就更易發(fā)生 (圖 3— 29中 l0)。 ? ? 根據(jù)以上分析，以河谷區(qū)為例，河谷形態(tài)和地質(zhì)條件不同，卸荷造成的變形破裂的發(fā)育狀況和空間組合形式也各異。例如平緩層狀巖體組成的寬谷區(qū)，一般情況下可具有如圖 3— 36(a)所示的發(fā)育狀況，當(dāng)側(cè)向地應(yīng)力 (σ y)較高時，往往造成 谷底隆起 ，甚至形成“ 空洞 ” ， 是這類地區(qū)影響壩基穩(wěn)定性和滲漏條件的重要因素；而高山峽谷區(qū)，發(fā)育狀況可有圖 3— 36(b)所示形式，當(dāng)側(cè)向地應(yīng)力較高時，坡腳谷底一帶堅硬完整的巖石中可形成一高強應(yīng)力集中帶，積存很高的彈性應(yīng)變能 。 ? 3． 4 巖體在動荷載條件下的變形與破壞 ? 3． 4． 1 動荷載下巖體的應(yīng)力狀態(tài) ? 動荷載來源于天然地震、誘發(fā)地震、化爆、核爆以及機械振動等。 ? 動荷載在巖體中造成的動應(yīng)力，實質(zhì)上是在巖體中傳播的一種應(yīng)力波 (stress wave)，它的傳播方式與發(fā)震方式有關(guān)。 ? 地層或爆破給巖體以突然的初始位移，使巖石受沖擊而發(fā)生反常應(yīng)力，巖體以其本身的震動特征來決定這種應(yīng)力波的傳播方式。由于巖體存在有阻尼，因此激發(fā)產(chǎn)生的震動終會消失 [固 3— 37(a)]。 ? 機械振動通常是連續(xù)作用的，并且作用力本身具有特定的振動特征，它對巖體產(chǎn)生的動應(yīng)力稱為干擾力。應(yīng)力波以強迫振動方式傳播 [圖 3— 37(b)]，巖體的最終穩(wěn)定運動頻率和外加干擾力的頻率一致。 ? 巖體結(jié)構(gòu)特征對應(yīng)力波傳播的影響 應(yīng)力波在穿過某些地質(zhì)界面時，由于兩側(cè)介質(zhì)特性的差異，特產(chǎn)生反射波，因此在界面造成反射波應(yīng)力 (σ r )和透射波應(yīng)力 (σ t ）它們與入射波應(yīng)力 (σ 1 )之間有如下關(guān)系： σ t ＝ 2 σ 1 /（ 1＋ n） （ 3－ 29） σ r ＝ σ 1 （ 1－ n） /（ 1+n) （ 3－ 30） 式中： n＝（ ρ 1E1/ ρ 2E2） 1/2= ρ 1Vp1 / ρ 2Vp2ρ 1 、 ρ 2 、 E1 、 E2 、 VP1 、 VP2 ,巖體的密度、彈模和 P波傳播速度。 應(yīng)力波的上述反射機制，使得在各類結(jié)構(gòu)面附近出現(xiàn)了復(fù)雜的動應(yīng)力分異效應(yīng)。根據(jù)上述公式，可概括以下幾種在巖體穩(wěn)定性評價中極為重要的動應(yīng)力分異情況。 (1)當(dāng)應(yīng)力波從相對堅硬的巖體傳入較軟弱的巖層中，亦即 E1E2時，由于 n1，此時產(chǎn)生的反射波為拉伸波，則將在界面處產(chǎn)生拉應(yīng)力，并且兩介質(zhì)的 E值相差愈大，拉應(yīng)力值愈高。