【正文】 顯然，這種情況對(duì)巖體的穩(wěn)定性是很不利的?？拼脑赋?，爆炸在靠近自由面的巖石內(nèi)發(fā)生時(shí)，在自由面附近出現(xiàn)的逐層剝落現(xiàn)象，即是發(fā)射波應(yīng)力的后果。應(yīng)該指出，裂隙面、尤其是有一定張開(kāi)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。 (2)應(yīng)力波穿過(guò)軟弱夾層或斷層破碎帶時(shí)，由于應(yīng)力波的反射機(jī)制和低強(qiáng)度巖石吸收了大量的能量，所以這些軟弱帶成為一個(gè)阻擋動(dòng)應(yīng)力的屏障，它使傳入其后的動(dòng)應(yīng)力顯著削弱 (圖 3— 38)。 動(dòng)荷載作用下巖體處于反復(fù)的瞬時(shí)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。 變形破壞的分布規(guī)律 在爆破動(dòng)應(yīng)力作用下，爆破中心附近巖石的變形表現(xiàn)出一定的分布規(guī)律。以點(diǎn)源爆破為例，其周圍巖石變形破壞規(guī)律如圖 3－ 39所示。爆心一帶巖石承受巨大的徑向壓力，并出現(xiàn)巨大壓縮使之形成切向壓力，巖石遭受擠壓剪斷破壞，破碎成碎許或巖粉（圖 339a區(qū)）。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。 動(dòng)應(yīng)力效應(yīng) 巖體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)中更為關(guān)注的是動(dòng)應(yīng)力的參與對(duì)巖體 (穩(wěn)定性的影響，應(yīng)注意以下兩方面效應(yīng)。 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(chǎng)可在裂隙或軟弱夾層中產(chǎn)生反射應(yīng)力波，造成瞬時(shí)拉應(yīng)力。因而當(dāng)巖體中某些軟弱結(jié)構(gòu)面本身巳具有或儲(chǔ)有足夠的剪切應(yīng)變能時(shí)，應(yīng)力波 (如地震或爆破引起的震動(dòng) )的介入則有可能促進(jìn)這些結(jié)構(gòu)面發(fā)生破裂，如巖體穩(wěn)定性已接近臨界狀態(tài)，或某一控制畫(huà)已近于貫通，由于震動(dòng)可使巖體突然受荷而喪失穩(wěn)定，導(dǎo)致破壞突然發(fā)生，這種現(xiàn)象在斜坡巖體的變形破壞中尤為突出 (參見(jiàn)圖 9一 15)。 (2)某些對(duì)震動(dòng)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(dòng)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(jiàn)第七章 )等。 2. 累積效應(yīng) 巖體若在地震力的某一作用方向出現(xiàn)剪切失穩(wěn)，由于作用時(shí)間短暫，它可能造成一次躍變剪切位移而并不破壞，但多次位移的累積，如果使剪切面中某些鎖固段被突破，或越過(guò)某些凸起體，造成抗剪強(qiáng)度顯著削弱，則有可能導(dǎo)致最終破壞。因此，必須具體確定動(dòng)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(jiàn)第九章 ) 巖體變形破壞過(guò)程中的時(shí)間效應(yīng) 巖體變形破壞過(guò)程中的時(shí)間效應(yīng)表現(xiàn)為兩方面：其一，在應(yīng)力恒定的情況下巖石變形隨時(shí)間而發(fā)展，稱為蠕變(creep)；其二，莊變形恒定的情況下巖石內(nèi)應(yīng)力隨時(shí)間而降低，稱為松弛 (relaxation)。 巖體的蠕變是一種十分普遍的現(xiàn)象，在天然斜坡、人工邊坡、地下洞室圍巖中可直接觀測(cè)到。巖體因加荷速率、變形速率不同所表現(xiàn)的不同變形破裂性狀，巖體的累進(jìn)性破壞機(jī)制和剪切粘滑機(jī)制等，也都與時(shí)間效應(yīng)有關(guān)。 巖體變形破壞過(guò)程中的時(shí)間效應(yīng) 研究證明，堅(jiān)硬巖石即使在低應(yīng)力的長(zhǎng)期持續(xù)作用下，也會(huì)像流體那樣具有粘滯流動(dòng)的性質(zhì)，因而提出了伯格斯模 (Burgers model)。它由馬克斯韋爾模型與凱爾文模型串聯(lián)而成 (圖 3— 41(a)]，屬?gòu)?fù)合粘彈性模型，用來(lái)表示較堅(jiān)硬巖石的流變特征．其蠕變應(yīng)變 ε T表示為： （ 3－ 31） 12221ex p1 ?????? tT EtEE ??????? ?????? ???? 巖體變形破壞過(guò)程中的時(shí)間效應(yīng) 式中： E E2和 η η 2分別代表被串聯(lián)的馬克斯韋 爾和凱爾文兩模型中的彈性模量和粘滯系數(shù)。蠕變參數(shù)根據(jù)試驗(yàn)求得。 堅(jiān)硬巖石的上述性能已為室內(nèi)模擬試驗(yàn)和大量野外調(diào)查資料所證實(shí) (詳見(jiàn)第九章 )。 伯格斯模型的應(yīng)變是沒(méi)有極限的，作為一種復(fù)合粘彈性模型，它的應(yīng)變將無(wú)限制地作粘性流動(dòng)，不反映何時(shí)屈服，因而不能全面地表示巖石介質(zhì)的性能。實(shí)踐證明巖石介質(zhì)粘彈性流動(dòng)到一定程度以后，或應(yīng)力超過(guò)某一屈服值 (σ y)，將進(jìn)入塑性狀態(tài)。賓漢姆 (Bingham)模型考慮了這一情況，建立了由彈性、粘性和塑性三個(gè)元件組成的彈 粘塑性 巖體變形破壞過(guò)程中的時(shí)間效應(yīng) 模型。西原模型將賓漢姆模型與凱爾文模型串聯(lián)起來(lái)，表示了巖石介質(zhì)彈性、粘彈性和粘塑性三方面特征 (圖3— 41(b))，蠕變應(yīng)變表示為： σ ≤ σ y時(shí) （ 3－ 32） σ ＞ σ y時(shí) （ 3－ 33） 更為完善的介質(zhì)流變模型仍在探索中．朗格(Langer)在第四屆國(guó)際巖石力學(xué)大會(huì)的流變學(xué)綜合報(bào)告中指出，經(jīng)過(guò)修正的索弗爾德 斯科特 布內(nèi)爾介質(zhì)流變本構(gòu)模型，是當(dāng)前最具普遍性模型 [圖 3— 41(c)]。 ?????? ?????? ???? 1121 ex p1 ???? EtEETtEtEE yT21121ex p1 ? ?????? ???????? ?????? ???? 巖體變形破壞過(guò)程中的時(shí)間效應(yīng) 由以上分析可見(jiàn)，當(dāng) σσ y時(shí)，巖石實(shí)際表現(xiàn)為塑性流動(dòng)．巖體中由于軟巖的塑性流動(dòng)而產(chǎn)生的現(xiàn)象是相當(dāng)普遍的，即使表層巖體在重力場(chǎng)作用下，也會(huì)發(fā)生塑流。圖 3－ 42所示河谷谷底所見(jiàn) “ 鼓起 ” 現(xiàn)象即是典型例證，它們都是由于河谷下切卸荷，兩岸下伏的粘 巖體變形破壞過(guò)程中的時(shí)間效應(yīng) 圖 3－ 42 下伏粘土或軟巖塑流造成河床 “ 鼓起 ” 的實(shí)例 （ a）英格蘭布桑溪河谷底里阿斯粘土的 “ 鼓起 ” （據(jù) Hollingworth等，1944）①－粘土；②－砂巖；③－粘土；④－石灰?guī)r；⑤－粘土；⑥－頁(yè)巖；⑦－冰磧層（ b）盧西蘭河床中泥質(zhì)頁(yè)巖的擠出（據(jù)查魯巴， 1956）①－早白堊紀(jì)泥質(zhì)頁(yè)巖；②－方沸粗玄巖；③－板巖；④－河床中擾動(dòng)的頁(yè)巖 巖體變形破壞過(guò)程中的時(shí)間效應(yīng) 土或泥質(zhì)頁(yè)巖在上覆巖層重力壓縮下，向河谷長(zhǎng)期緩慢塑性流動(dòng)所造成，軟巖的塑流和 “ 鼓起 ” 使上覆巖體發(fā)生彎曲、下陷或斷裂。 巖體的累進(jìn)性破壞和加速蠕變 前述分析已指出，巖體承受的應(yīng)力一旦超過(guò)了它的長(zhǎng)期強(qiáng)度，則將進(jìn)入累進(jìn)性破壞階段，它相當(dāng)子巖體的加速蠕變階段。 巖石的蠕變?cè)囼?yàn)曲線 (圖 3－ 43)表明，僅當(dāng)荷載達(dá)到或超過(guò)某臨界值 (相當(dāng)巖石的長(zhǎng)期強(qiáng)度 )的情況下，巖石的蠕變才有可能在經(jīng)厲了前兩階段以后，繼續(xù)進(jìn)入加速蠕變階段，并最終導(dǎo)致破壞。試驗(yàn)還證明，巖石的應(yīng)變速率 c隨荷載增高而增大 [圖 3－ 43(b)]，同時(shí)加速蠕變達(dá)到最終破壞所經(jīng)歷的時(shí)間也隨之縮短。 巖體變形破壞過(guò)程中的時(shí)間效應(yīng) 圖 3－ 43 砂巖梁彎曲蠕變?cè)囼?yàn)關(guān)系曲線 巖體變形破壞過(guò)程中的時(shí)間效應(yīng) 在巖體穩(wěn)定性分析中，對(duì)巖體變形破壞作時(shí)、空預(yù)測(cè)時(shí)，需要判定巖體進(jìn)入累進(jìn)性破壞的臨界應(yīng)力狀態(tài)，也需要判定不同條件下累進(jìn)性破壞發(fā)展為最終破壞所需要經(jīng)歷的時(shí)間，這是一項(xiàng)十分重要的工作，但迄今為止尚無(wú)成熟的經(jīng)驗(yàn)和方法，有待于進(jìn)一步研究。 為確定巖體的長(zhǎng)期強(qiáng)度，顯然不僅要考慮巖體可能的破壞方式，并且也要考慮巖體結(jié)構(gòu)特征對(duì)局部應(yīng)力集中效應(yīng)的有利程度。例如結(jié)構(gòu)面的連續(xù)率愈高，其中局部的非連續(xù)部位的應(yīng)力集中程度也將愈高。因而某些規(guī)范中經(jīng)驗(yàn)規(guī)定當(dāng)連續(xù)率大于 5O％時(shí)，結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度則不宜再考慮其非連續(xù)部位巖石的內(nèi)聚力。又如結(jié)構(gòu)面上不同等級(jí)的起伏 [參見(jiàn)圖 3－ 15(b)]也應(yīng)分別對(duì)待。凸起體愈窄小、起伏角愈大、分布愈不均勻，應(yīng)力的局部集中程度也愈高．因而在穩(wěn)定性分析中只能考慮那些寬厚、平緩且分布又較均勻的起伏所能增高的那部分抗剪強(qiáng)度。同時(shí)，還必須考慮巖抗風(fēng)化和抵抗地下水等外營(yíng)力作用的能力，這些作用降低了巖體的強(qiáng)度，促進(jìn)累進(jìn)性破壞的發(fā)生和進(jìn)展。 巖體變形破壞過(guò)程中的時(shí)間效應(yīng) 在實(shí)際工作中可以根據(jù)巖體動(dòng)態(tài)長(zhǎng)觀資料來(lái)預(yù)測(cè)巖體的變形破壞，例如地下洞室圍巖變性形長(zhǎng)現(xiàn)資料、邊破位移長(zhǎng)觀資料等。圖 3－ 44所示為某露天采礦邊坡的位移－時(shí)間曲線圖，根據(jù) 1969年 1月 13日以前所測(cè)得的資料，初步判定邊坡巖體于 10月底至 11月初進(jìn)入加速蠕變階段，并且根據(jù)曲線 A的延伸情況成功地預(yù)測(cè)到邊坡于 l969年 2月 18日發(fā)生破壞。 巖體變形破壞過(guò)程中的時(shí)間效應(yīng) 巖體變形破壞與應(yīng)變速率的關(guān)系 根據(jù)巖石的流變模型可以進(jìn)一步討論巖體應(yīng)變速率與其變形破壞的關(guān)系。為簡(jiǎn)便起見(jiàn)，以上述模型中含有底馬克斯韋爾模型為例進(jìn)行討論．其蠕變應(yīng)變表達(dá)式為： （ 3－ 34） 則應(yīng)變速率 C表示為： （ 3－ 35） 由上式可見(jiàn)：當(dāng) C＝ 時(shí)， ＝ 0，亦即 ＝ 0， σ 為常值， 也就是說(shuō)此時(shí)巖體內(nèi)的應(yīng)力保持不變； ???? tET ???????? ???? tEC T... 1E? .1?E 巖體變形破壞過(guò)程中的時(shí)間效應(yīng) 當(dāng) Cσ/η 時(shí)， σo ，則巖件內(nèi)的應(yīng)力有隨時(shí)間遞減的趨勢(shì)，亦即應(yīng)力松弛； 當(dāng) C σ/η 時(shí)， σo ，則巖體內(nèi)的應(yīng)力有隨時(shí)間遞增的趨勢(shì)，直到達(dá)到的應(yīng)力值與應(yīng)變速率 C相適應(yīng)時(shí)為止。 由上可見(jiàn)，巖體變形過(guò)程中存在著一個(gè)臨界應(yīng)變速率 (C0，如花崗巖，根據(jù)伊藤等的試驗(yàn)， C0為 (1014－ 1013） /s），從這一概念出發(fā)，可得出以下兩點(diǎn)重要認(rèn)識(shí)： (1)當(dāng)巖體的實(shí)際應(yīng)變速率低于臨界值 C0時(shí)，巖體在受力的初隨應(yīng)變的增大發(fā)生應(yīng)力積累。但當(dāng)應(yīng)力增大到 — 定程度以后，應(yīng)力也就不再升高，繼之以隨時(shí)間增長(zhǎng)的流變，巖體不分進(jìn)入加速蠕變階段。相反，當(dāng) C等干或大干 C0時(shí)，巖體變形進(jìn)展必將進(jìn)入加速蠕變階段，巖體內(nèi)應(yīng)力不斷積累，則可能最終導(dǎo)致巖體破壞。 巖體變形破壞過(guò)程中的時(shí)間效應(yīng) (2)當(dāng)應(yīng)變速率因某種原因轉(zhuǎn)為遞減趨勢(shì)或降為零時(shí)，巖體內(nèi)已積累的應(yīng)力將隨時(shí)間而松弛。例如當(dāng)式 3－ 5中 C＝ 0時(shí)，則有 或 兩側(cè)積分得： 式中： σ 0為巖體內(nèi)初始應(yīng)力。積分后得： ?? ??????tdtEddtEdE0.001???????????tE??? ??? 0lnln 巖體變形破壞過(guò)程中的時(shí)間效應(yīng) 也就式說(shuō)，巖體中的應(yīng)力降為初始應(yīng)力的 1／ t＝ η/E ，該時(shí)間稱之為松弛期 (relaxation time)，以 T表示。以灰?guī)r為例，設(shè)粘滯系數(shù)？泊，彈性模量 E＝ 109N／ cm2，則松弛期 T約等于 3200年。所以，一些研究者認(rèn)為地殼表層高地應(yīng)力區(qū)通?？偸呛徒跇?gòu)造變動(dòng)有關(guān)。 在實(shí)際工作中，可以應(yīng)用地貌第四紀(jì)分析或設(shè)立變形精測(cè)裝置來(lái)估算或測(cè)定沿?cái)嗔衙?、滑移面的歷史的或現(xiàn)時(shí)的應(yīng)變速率，據(jù)此時(shí)巖體變形破壞進(jìn)行預(yù)報(bào)。這種預(yù)報(bào)方法不需要了解變形隨時(shí)間的變化趨勢(shì)，因而它能更早地預(yù)見(jiàn)巖體變形破壞所處發(fā)展階段和發(fā)展趨勢(shì)。 ?????? ?? tE??? ex p0故： （ 3－ 36） 當(dāng) t=η/E 時(shí)，則 00 ??? ?? e 巖體變形破壞過(guò)程中的時(shí)間效應(yīng)