地下工程巖石力學(xué)本構(gòu)試驗(yàn)的失真過程

1、地下工程巖石力學(xué)本構(gòu)試驗(yàn)的失真過程湯 雷（南京水利科學(xué)研究院，江蘇，南京，210024）【摘 要】 本構(gòu)試驗(yàn)是巖石力學(xué)的基礎(chǔ)，本構(gòu)試驗(yàn)失真就會導(dǎo)致巖石力學(xué)的分析和計(jì)算失效。目前地下工程圍巖的分析計(jì)算與實(shí)際的差異較為顯著，本文通過機(jī)理分析，闡述了本構(gòu)試驗(yàn)失真的原因，通過“散開”和“擠出”試驗(yàn)，圖示了失真的過程，最后依據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分別計(jì)算了巖性參數(shù)，說明了兩者之間的顯著差異?！娟P(guān)鍵詞】 本構(gòu)試驗(yàn)、失真、峰值階段、峰后階段1. 巖石力學(xué)本構(gòu)試驗(yàn)失真的研究意義二灘水電站地下廠房開挖完成后，上下游邊墻位移量的數(shù)值計(jì)算值0.24.3mm1，實(shí)測值31.680.0mm2；定量上分析，定性上使用，在許多情況下定

2、性上使用都辦不到3。隨著巖體工程由低應(yīng)力彈性階段發(fā)展到高應(yīng)力和峰后的非線性階段，巖石力學(xué)理論已經(jīng)落后于工程實(shí)踐的發(fā)展了。工程實(shí)際與理論分析的差異被歸因于兩個方面，一是巖性參數(shù)不準(zhǔn)確，二是本構(gòu)模型不適合。關(guān)于巖性參數(shù)，近年來主要從以下三方面著手解決，其一，大型工程采用現(xiàn)場巖體力學(xué)試驗(yàn)來確定參數(shù)。但一般只能取得峰前參數(shù)，并且耗費(fèi)巨大；其二，研究巖體參數(shù)的尺寸效應(yīng)。但發(fā)現(xiàn)尺寸效應(yīng)十分復(fù)雜4，難以用來將巖石參數(shù)演算出巖體參數(shù)；其三，采用參數(shù)反分析理論，在其基礎(chǔ)上發(fā)展出了參數(shù)隨機(jī)反分析5和基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能反分析方法，巖體參數(shù)的確定獲得了重要進(jìn)展。但反分析理論的根本問題解的唯一性問題仍然沒有解決。關(guān)于本

3、構(gòu)模型，一直是巖土力學(xué)研究的核心，巖體顯著的峰后應(yīng)變軟化特性成為各種模型難以模擬的難題。塑性模型解決不了峰后屈服面縮小而塑性應(yīng)變增大的矛盾；斷裂力學(xué)模型只能模擬少數(shù)或規(guī)則缺陷的巖體；損傷力學(xué)模型難在合理確定巖體的損傷參量；沈珠江院士最新提出的巖土破損力學(xué)中采用了雙重介質(zhì)模型，其難點(diǎn)在于如何合理采用破損規(guī)律并確定破損參數(shù)。上述各方面的研究均促進(jìn)了巖石力學(xué)的發(fā)展，但問題的解決可能還需要其它實(shí)質(zhì)性原因的發(fā)現(xiàn)和研究。科學(xué)研究的根本方法是分析和歸納，分析具體、歸納規(guī)律、適用于全體。具體到巖石力學(xué)主要是開展和分析巖石力學(xué)試驗(yàn)、歸納和抽象本構(gòu)關(guān)系和巖性參數(shù)（二者是實(shí)質(zhì)統(tǒng)一的）、運(yùn)用到巖體工程。該根本方法隱藏

4、了一條假設(shè)，即目前常用的主要巖石力學(xué)試驗(yàn)中確實(shí)蘊(yùn)含著與巖體工程相同的規(guī)律。在低應(yīng)力階段該假設(shè)是成立的，但在高應(yīng)力和峰后的非線性階段該假設(shè)是否成立，即巖石力學(xué)本構(gòu)試驗(yàn)是否會失真、其具體過程如何，可能就是需要探究的實(shí)質(zhì)性原因之一。2. 針對巖石力學(xué)本構(gòu)試驗(yàn)的研究現(xiàn)狀巖土力學(xué)是在金屬材料力學(xué)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，巖石力學(xué)試驗(yàn)也是在材料力學(xué)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上改進(jìn)和發(fā)展的。在1966年前,一直存在著一種矛盾,就是實(shí)驗(yàn)室?guī)r石試件是突然破壞，而現(xiàn)場連續(xù)性巖體是逐漸破壞,而且在現(xiàn)場即使當(dāng)荷載已經(jīng)明顯高于巖體的極限抗壓強(qiáng)度時，破壞也是如此。1966和1969年剛性和伺服試驗(yàn)機(jī)的出現(xiàn)，是巖石力學(xué)試驗(yàn)技術(shù)的一項(xiàng)重大進(jìn)步，它

5、使得巖石重要的峰后軟化特性得以顯現(xiàn)。1993年我國研制成功的RMT-64巖石力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)在動態(tài)性能和功能方面較國外產(chǎn)品又有了重要的提高。遺憾的是沒有有關(guān)巖石力學(xué)本構(gòu)試驗(yàn)是否會失真問題的研究，在應(yīng)力峰值和峰后階段常規(guī)本構(gòu)試驗(yàn)的結(jié)果與工程巖體實(shí)際越去越遠(yuǎn)，上文中指出的被隱藏的假設(shè)，在毫無證明的情況下，實(shí)際上一直被接受。這是一個根本性的問題，在當(dāng)今巖石力學(xué)發(fā)展很困難的時期，更加具有重大的研究價值。3. 巖石力學(xué)本構(gòu)試驗(yàn)失真的機(jī)理分析巖石力學(xué)本構(gòu)試驗(yàn)是指以獲取力學(xué)參數(shù)和本構(gòu)關(guān)系為目標(biāo)的巖石力學(xué)試驗(yàn)，它是解析計(jì)算和數(shù)值模擬的輸入，是巖石力學(xué)理論分析的基礎(chǔ)，也是開展最普遍最重要的巖石力學(xué)試驗(yàn)。目前的巖石力

6、學(xué)本構(gòu)試驗(yàn)是以單軸壓縮試驗(yàn)為主（常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)可認(rèn)為是增量單軸壓縮試驗(yàn)），在低應(yīng)力階段，試塊和工程巖體均處于彈性階段（固有裂隙為巖體穩(wěn)定性主要影響因素的情況是巖石力學(xué)另一重要研究方向，在此不予考慮），應(yīng)力和應(yīng)變在二者內(nèi)部的擴(kuò)散和傳遞是本質(zhì)相似的，因此試驗(yàn)結(jié)果（應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系、彈性模量、泊松比等）可以運(yùn)用到巖體工程中去。在高應(yīng)力和峰后階段，單軸壓縮試塊是出現(xiàn)一條或幾條大的破壞面，并逐漸貫穿試塊，試塊是被迫散開；地下工程的巖體一般是發(fā)生平行于自由面的破壞，越近自由面，破壞面越密，自由面的位移量逐漸增大，巖體是被迫從自由面擠出?？疾鞈?yīng)力和應(yīng)變，單軸壓縮試塊的應(yīng)變逐步地、幾乎完全地集中于少數(shù)的破壞帶，

7、應(yīng)力也在破壞帶處消散；地下工程巖體的應(yīng)變先在近自由面處集中，該處出現(xiàn)破壞，應(yīng)變又在略深處集中，應(yīng)力和應(yīng)變的集中點(diǎn)是逐漸地由淺入深發(fā)展。以壓縮模量E為例，單軸壓縮試驗(yàn)獲得的是試塊被迫散開過程中表現(xiàn)出來的E，而地下工程需要的是巖體從自由面擠出過程中表現(xiàn)出來的E/。任憑試驗(yàn)技術(shù)和數(shù)據(jù)處理再好，也無法從E中獲得真正的E/。試驗(yàn)和地下工程圍巖的力學(xué)過程出現(xiàn)了本質(zhì)的不同，從試驗(yàn)中提取巖體工程可用的規(guī)律便無法實(shí)現(xiàn)，即本構(gòu)試驗(yàn)失真。巖性參數(shù)和本構(gòu)關(guān)系一般是通過本構(gòu)試驗(yàn)確定的。隨著從峰前、峰值到峰后階段，本構(gòu)試驗(yàn)與地下工程圍巖的力學(xué)過程越去越遠(yuǎn)，所獲得的巖性參數(shù)和本構(gòu)關(guān)系應(yīng)用到工程實(shí)際中就會出現(xiàn)較大的偏差，在地

8、下工程中，尤其是高地應(yīng)力或者是軟巖工程中，圍巖不可避免地要進(jìn)入峰后區(qū)，試驗(yàn)與工程的差別就會表現(xiàn)得更為明顯。4. 失真的過程失真是指巖石力學(xué)本構(gòu)試驗(yàn)不能反映工程實(shí)際情況，所謂“真”即指工程實(shí)際。根據(jù)上文對失真機(jī)理的論述，作者分別設(shè)計(jì)開展了使試塊“散開”和使試塊“擠出”的力學(xué)試驗(yàn)，“散開”試驗(yàn)即為單軸壓縮試驗(yàn)，是巖石力學(xué)測定巖性參數(shù)和本構(gòu)關(guān)系的常規(guī)試驗(yàn)，“擠出”試驗(yàn)是平面和半平面應(yīng)變壓縮試驗(yàn)，其試驗(yàn)原理如圖1所示，陰影平面表示平面應(yīng)變試驗(yàn)臺的一對側(cè)壁，具有極大的變形剛度，保持基本不變形。試塊放在兩側(cè)壁之間，與側(cè)壁密貼。Z方向?yàn)榧虞d方向，Y方向?yàn)樵噳K的變形方向。半平面應(yīng)變是指變形的方向只能為Y+或Y

9、-。兩種試驗(yàn)試塊的材料是相同的。地下工程的圍巖大多處于平面和半平面應(yīng)變狀態(tài)，因此“擠出”試驗(yàn)可用來表示地下工程圍巖的力學(xué)過程。在峰前階段，一般不會發(fā)生失真。失真的過程主要發(fā)生在峰值和峰后階段。圖1 “擠出”試驗(yàn)裝置示意圖4.1 “散開”試驗(yàn)試驗(yàn)采用的是石膏、水泥、沙子和水的相似材料試塊，試塊的形狀為長方體，在壓力機(jī)上獲得了全過程曲線。在進(jìn)行的約30個試塊的單軸壓縮試驗(yàn)中，歸納出其典型的破壞形式如圖2中的4幅照片所示。曾有學(xué)者報(bào)導(dǎo)了40多個巖樣的伺服試驗(yàn)機(jī)上的全過程壓縮試驗(yàn)結(jié)果，歸納出典型破壞形式如圖2中的4幅線條圖所示。對比分析發(fā)現(xiàn)兩者特點(diǎn)基本是一致的，有一點(diǎn)區(qū)別是線條圖中表示的張拉裂紋較明顯

10、，照片實(shí)際上也有張拉裂紋，但不明顯。無論是照片還是線條圖，存在共同的根本特點(diǎn)是有一個明顯的剪切破壞面貫穿試塊，它是試塊喪失承載能力的根本原因。(a)(b)(c)(d)(a/)(b/)(c/)(d/)圖2 “散開”試驗(yàn)試塊破壞特征通過對約30個“散開”試驗(yàn)試塊裂縫發(fā)展過程的觀察，將其劃分為起裂階段、擴(kuò)展階段、發(fā)散階段和連通階段。裂縫的發(fā)展并不是一定按照圖3的次序進(jìn)展，其中的擴(kuò)展階段和發(fā)散階段往往是交替進(jìn)行的。隨著發(fā)展階段和擴(kuò)散階段的不同，最終的破壞形式可以歸結(jié)為圖2中所示的任一種。但是裂縫的發(fā)展一般有一個核心，就是主剪切裂縫的擴(kuò)展和貫穿。一旦主剪切裂縫貫穿，試塊的承載力就會大幅度降低或者試塊散開

11、。(a)起裂階段(b)擴(kuò)展階段(c)發(fā)散階段(d)連通階段圖3 “散開”試驗(yàn)試塊裂縫的發(fā)展過程4.2 “擠出”試驗(yàn)圖4(d)表示了“擠出”試驗(yàn)試塊典型的破壞特征，即由淺部向深部逐個地產(chǎn)生基本平行于自由面的裂面，而不產(chǎn)生傾斜的、貫穿試塊的剪切破壞面，試塊也不存在主裂面。通過對約30個“擠出”試驗(yàn)試塊裂縫發(fā)展過程的觀察，將其劃分為起裂階段、擴(kuò)展和發(fā)散階段、連通階段和向深部發(fā)展階段，如圖4所示。與“散開”試驗(yàn)不同的是：(1)裂縫的發(fā)散不僅有原裂縫上長出分叉裂縫，更主要的是表現(xiàn)為新的裂縫產(chǎn)生和擴(kuò)展；(2)裂縫的連通并不意味著試塊承載力會大幅度下降或喪失；(3)向深部發(fā)展階段是“擠出”試驗(yàn)區(qū)別于“散開”

12、試驗(yàn)最顯著的過程特點(diǎn)，“散開”試驗(yàn)沒有這一階段。(a)起裂階段(b)擴(kuò)展和發(fā)散階段(c)連通階段(d)向深部發(fā)展階段圖4 “擠出”試驗(yàn)試塊裂縫的發(fā)展過程4.3 失真過程分析巖性參數(shù)和本構(gòu)關(guān)系是材料的物質(zhì)屬性，是指巖體中某一點(diǎn)的應(yīng)變對應(yīng)力變化的響應(yīng)，只要材料不發(fā)生變化，該性質(zhì)也應(yīng)不發(fā)生變化。巖石力學(xué)本構(gòu)試驗(yàn)的試塊是從巖體中取出的，顯然與巖體是同一種材料，為何本構(gòu)試驗(yàn)會失真呢？其原因在于峰值和峰后階段裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展。本構(gòu)關(guān)系是定義在巖體中的質(zhì)點(diǎn)，在均質(zhì)各向同性假設(shè)下，本構(gòu)關(guān)系便可適應(yīng)于整個巖體，當(dāng)然也適應(yīng)于被取出做試驗(yàn)的試塊。又因?yàn)橘|(zhì)點(diǎn)的應(yīng)力應(yīng)變無法測定，試驗(yàn)中便以荷載和變形的測值代替。當(dāng)出現(xiàn)裂

13、縫以后，荷載和位移關(guān)系中不僅包含材料的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，而且也包含了裂縫的張開與錯動。應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系是材料的物質(zhì)屬性，試塊與圍巖是一致的，但是由于試塊與圍巖的裂縫狀況不同，隨著裂縫的發(fā)育與發(fā)展，兩者荷載和位移關(guān)系就會相差得越來越遠(yuǎn)。巖性參數(shù)和本構(gòu)關(guān)系是依據(jù)荷載位移關(guān)系確定的，因此本構(gòu)試驗(yàn)失真的根本原因在于裂縫的不同。對比“散開”試驗(yàn)和“擠出”試驗(yàn)：圖5 “散開”和“擠出”試驗(yàn)的荷載位移曲線(1) 失真是從起裂階段開始的，但這一階段失真并不明顯，除了兩者的起裂具有相似性以外，裂縫造成的荷載和位移的變化在總荷載和位移中所占的比例較?。?2) 在經(jīng)歷擴(kuò)展、發(fā)散和連通等階段的過程中，裂縫造成的荷載和位移的變

14、化在總荷載和位移中所占的比例越來越大，并逐漸成為其主要部分，則失真也越來越明顯；(3) 最終“散開”試塊的裂縫少而疏，有一個主裂縫，“擠出”試塊的裂縫多而密，沒有主裂面，兩者相差懸殊，失真也達(dá)到最大。圖5為典型的單軸壓縮和平面應(yīng)變壓縮的荷載位移曲線，試塊6和7為單軸壓縮，試塊17和19為平面應(yīng)變壓縮。在圖5中可將各階段劃分為：AB為起裂階段，BC為擴(kuò)展和發(fā)散階段，CD為連通階段；A/B/為起裂階段，B/C /為擴(kuò)展、發(fā)散和連通階段，C/D /為向深部發(fā)展階段。 假設(shè)微小增量范圍內(nèi)荷載位移關(guān)系是線性的，分別依據(jù)“散開”試驗(yàn)和“擠出”試驗(yàn)測得的1、1和3（計(jì)9個試塊的數(shù)據(jù)，包括圖5中4個試塊），計(jì)

15、算峰前的壓縮模量E和峰后弱化模量Y(單位塑性應(yīng)變增量p所引起的巖樣承載力的降低)。在1/1max=00.5區(qū)域，兩者峰前壓縮模量E值約在0.52.0GPa范圍內(nèi)，平均值約為1.0GPa；在1/1max=0.50.8區(qū)域，單軸壓縮試塊的E值仍在0.52.0GPa范圍內(nèi)，平均值約為1.1GPa，但平面應(yīng)變試塊的E值有所的降低，其平均值只有0.3GPa；在峰后的1/1max=0.80.2區(qū)域，單軸壓縮試塊的Y值在0.00.4GPa范圍內(nèi)，平均值約為0.15GPa；平面應(yīng)變試塊的Y值在0.00.06GPa范圍內(nèi)，平均值約為0.025GPa,兩者出現(xiàn)了十分顯著的差異。5 結(jié)論(1) 本構(gòu)關(guān)系（巖性參數(shù)）

16、是指材料中質(zhì)點(diǎn)的應(yīng)變對應(yīng)力變化的響應(yīng)，是材料的物質(zhì)屬性。但本構(gòu)試驗(yàn)測得的是荷載位移關(guān)系，在峰前的彈性階段可以用來分析計(jì)算地下工程圍巖的本構(gòu)關(guān)系，在峰值和峰后階段由于裂縫的影響，本構(gòu)試驗(yàn)會逐漸失真；(2) 失真是從起裂階段開始，隨著裂縫的擴(kuò)展、發(fā)散和連通，失真越來越明顯；(3) 目前本構(gòu)試驗(yàn)常用的“散開”試驗(yàn)方式，其破壞的顯著特點(diǎn)是有一條主裂面貫穿試塊，裂縫少而疏；反映地下工程圍巖變形特點(diǎn)的“擠出”試驗(yàn)試塊沒有主裂面，裂面是不斷地向試塊內(nèi)部發(fā)展，裂縫多而密；(4) 依據(jù)兩種不同試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算的壓縮模量和弱化模量在峰值和峰后階段出現(xiàn)了顯著差異，從數(shù)量上證明了目前常規(guī)本構(gòu)試驗(yàn)的失真現(xiàn)象的存在及其程度。參考文獻(xiàn)1 李協(xié)生著，地下水電站建設(shè)，水利水電出版社，1993.9，101103；2 陳仲先、湯雷，高地應(yīng)力大型地下洞室的位移和錨桿應(yīng)力特性，巖土工程學(xué)報(bào)，2000，No.3，294298；3 陳子蔭