【正文】 況下。以正弦波狀面為例，在 u=01/4λ 區(qū)段， i=f(u)為增函數(shù) 。當(dāng) u越過 1／2λ 時， i室為負(fù)值。 ②均勻的鋸齒狀結(jié)構(gòu)面，剪動過程也具有上述類似特征。齒端剪斷階段[圖 3－ 16（ c） ]時的抗剪強(qiáng)度為： S= σtgφ 0+acC0 (310) ?i 式中： φ 0 、 C0為巖石材料的內(nèi)摩擦角和內(nèi)聚力 ， ac為齒 端剪斷面所占比例 。剪切起始階段，一些陡度大而形體窄小的凸起體將首先被剪斷。 上述特征說明，這類結(jié)構(gòu)面在剪動過程中也具有明顯的脈動特征，且剪脹與壓縮交替出現(xiàn)，這在巖體變形破壞論證中具有十分重要的意義。這種現(xiàn)象較普遍，通常大量發(fā)生于高法向（有效）應(yīng)力條件下。 )()1( 001 ctgtgs cc ?????? ???? 試驗顯示（圖 3－ 17），凸起體被剪斷，實際上式一個拉張和壓碎的過程，將圖 3－ 17與圖 3－ 10對照，凸起體的剪斷與鎖固段的破裂壓碎過程十分相似。此時要使之產(chǎn)生滑動，也需要克服一部分內(nèi)聚力，起動條件為： (3一 15) 式中： c。有關(guān)其剪動過程 ,將在時間效應(yīng)一節(jié)中討論。此外，諸凸起體的抗剪強(qiáng)度也可因巖性的下均一而有所不同．這樣， 那些應(yīng)力集中程度已超過凸起體的極限強(qiáng)度的部位，將立即被剪斷，而那些應(yīng)力稍低但已達(dá)到使凸起體的變形進(jìn)入不穩(wěn)定破裂發(fā)展階段的部位，也會由于破裂的累進(jìn)發(fā)展而逐慚被剪斷．隨著這些凸起體被各個擊破，剪應(yīng)力將向另一些未被剪斷的凸起體集中，使另一些凸起體遭受破壞。過程中每次凸起體的突破或被越過，都會造成剪切位移的突躍． 對于這類結(jié)構(gòu)面，正確判定其是否已進(jìn)入發(fā)生累進(jìn)性破壞的不穩(wěn)定破裂階段，將是十分重要的．水電部門規(guī)范中規(guī)定，當(dāng)峰值抗剪強(qiáng)度中考慮了剪斷鎖固段 (不連續(xù)段 )巖石的內(nèi)聚力時．安全系數(shù)應(yīng)提高到． 巴頓 (Barton， 1977)根據(jù)大量試驗資料，按結(jié)構(gòu) 面的糙度和邊壁的抗壓強(qiáng)度來確定結(jié)構(gòu)面的峰值抗剪強(qiáng)度： (3— 16) 式中： JRC代表結(jié)構(gòu)面粗糙廢系數(shù)，糙度劃分為圖 3— 18所示十個等級， JRC值變化在 020之間； ????????? bnnJC SJR Ctg ???? )l g ( ? JCS代表結(jié)構(gòu)面邊壁的抗壓強(qiáng)度，可用回彈儀在現(xiàn)場直接測定， φ b為結(jié)構(gòu)邊壁的基本摩擦角 (接近殘余摩擦角 φ r)，由試驗或經(jīng)驗確定 。該公式不考慮巖石的內(nèi)聚力，直接從結(jié)構(gòu)面邊壁的抗壓強(qiáng)度與其實際承受的法向應(yīng)力兩者來確定糙度在增強(qiáng)抗剪強(qiáng)度方面所起的作用，該值可作為確定結(jié)構(gòu)面的長期抗剪強(qiáng)度的重要參考值。納西曼托(Nascimento， 1971)提出如圖： 3—— 19所示轉(zhuǎn)動摩擦模式，模式中假定碎抉是一些規(guī)則的平行六面體。這樣，上滑面的運(yùn)動軌跡由碎塊上軸點 o的對角點 P的運(yùn)動軌跡所決定。因此滑動過程相當(dāng)于滑塊越過一個圓弧形的凸起體，該圓弧線上任一點的切線與剪切方向線的夾角即為該點處滑塊爬升或下降的坡角 (如圖 3一土 9(a)② )。起動時曲角為 ? φ= α=δ=tg 1(a/b) ? 式中： δ 為翻轉(zhuǎn)角， a,b分別為碎塊的寬和高。上下滑面的間距開始縮短，剪脹變?yōu)樨?fù)值， f值也將變?yōu)樨?fù)值，滑面將承受平行與滑動方向的拉應(yīng)力。由圖可見，緊密平排列的碎塊要向一側(cè)傾倒，必將發(fā)生沿剪動方向的側(cè)向擴(kuò)張，接觸點間距由原始的？隨轉(zhuǎn)動角 λ 而增大為 a/cosγ ，因而轉(zhuǎn)動的實現(xiàn)尚需克服接觸端與主滑面相互錯位的摩擦阻力，它相當(dāng)于前述刻痕或梨痕的阻力。 3/12221 )6(23nEEcr ?? 由以上分析可以注意到下列幾點： （ 1）轉(zhuǎn)動摩擦將以結(jié)構(gòu)面間所夾碎塊的翻轉(zhuǎn)角 δ小于該面的靜摩擦角為其發(fā)生的前提條件； （ 2）分割碎塊的結(jié)構(gòu)面愈密集（ δ 也就愈小），轉(zhuǎn)動摩擦也就愈容易發(fā)生，正是由于這個緣故，所以在薄層狀的巖體中容易造成與層面近于正交的剪動帶； （ 3）緊貼碎塊只有在碎塊間接觸面的 248。后者為前者的一種極端情況，滾動摩擦角 248。碎塊也可在剪動過程中由于相互摩擦、錯位而使 “ 棱角 ” 破壞從而降低轉(zhuǎn)動摩擦角，這種效應(yīng)可導(dǎo)致剪動位移速度迅速增大。按受力狀況，可分為橫彎曲和縱彎曲兩類，按彎曲板梁約束支承情況，可分為簡支梁，外伸梁和懸臂梁彎曲等(圖 3— 20)。 ? 軸部區(qū) (或樞紐部位 )是壓應(yīng)力和拉應(yīng)力的集中部位，也是變形破裂最顯著的部位，并且這個部位的變形破裂對整個板梁的演化起著重要控制作用 (圖 3— 21)?；撨€可表現(xiàn)為多種其他方式。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(dá)為： (319) ? 當(dāng) σ 達(dá)到巖石屈服應(yīng)力 σ y，則判定發(fā)生塑性破壞。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。模型所示特定條件下，上隆量 (H)約為板梁厚度 D的 1． 8％。 ? (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(kuò)展。該階段模型的 H／ D為 ％?？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(dá)到使板梁屈曲(Buckling)時，才發(fā)生明顯彎曲或折斷。 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。 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。演化過程也可劃分為三個階段（圖 3－25）。 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。 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。 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(jī)制．例如在地質(zhì)體中，受強(qiáng)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)。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(qiáng)度低的接觸面發(fā)生滑脫（圖 a28(c)）。 ? 3． 3 巖體在卸荷過程中的變形與破壞 ? 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)。 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。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)]。 ? 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)]。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(jìn)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(jī)制的力學(xué)模式。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 。巖餅略呈橢圓形、微微上凹，凹槽軸與長軸一致。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(jìn)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)。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。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。 ? 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)。 ? ? 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。 ? 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(jī)械振動等。 ? 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。 ? 機(jī)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。 ? 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。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。顯然，這種情況對巖體的穩(wěn)定性是很不利的。應(yīng)該指出，裂隙面、尤其是有一定張開度的或被充填的裂隙，其本身就是介質(zhì)特性突變部位，也將產(chǎn)生反射波應(yīng)力，促進(jìn)其被拉裂。 動荷載作用下巖體處于反復(fù)的瞬時加荷和卸荷狀態(tài)，變形破壞表現(xiàn)為兩種狀態(tài)的綜合結(jié)果。以點源爆破為例，其周圍巖石變形破壞規(guī)律如圖 3－ 39所示。外圍區(qū)徑向壓力衰減，徑向壓縮變小，切向壓力也降低或消失，可產(chǎn)生徑向壓致拉裂裂隙（圖 3－ 39b、 c區(qū)）并由于壓力波的反射機(jī)制，可造成環(huán)繞爆破中心的環(huán)向張裂隙 (圖 3— 39b區(qū) )，但分布范圍較徑向裂隙小。 1. 觸發(fā)效應(yīng) 觸發(fā)效應(yīng) 可表現(xiàn)為兩方面： (1)如前所述，應(yīng)力場可在裂隙或軟弱夾層中產(chǎn)生反射應(yīng)力波，造成瞬時拉應(yīng)力。 (2)某些對震動特別敏感的巖體或土體，如飽水的碎裂巖體、松散巖體，飽水的疏松砂土、敏感粘土等，在動應(yīng)力作用下可因骨架的迅速變形造成空隙水壓力的突然變化，從而導(dǎo)致巖體失穩(wěn)，崩潰或土體液化 (見第七章 )等。因此，必須具體確定動應(yīng)力作用下的上述累積效應(yīng)，才能正確判定巖體變形破壞的可能性 (見第九章 ) 巖體變形破壞過程中