第三章 巖體的變形與破壞

1、第三章第三章 巖體的變形與破壞巖體的變形與破壞 圖 3-1 三軸壓應(yīng)力作用下巖石的變形破壞過(guò)程3. 超過(guò)彈性極限（屈服點(diǎn)），巖體進(jìn)入塑性變形階段，體內(nèi)開(kāi)始出現(xiàn)微破裂，且隨應(yīng)力差的增大而發(fā)展，當(dāng)應(yīng)力保持不變時(shí)，破裂也停止發(fā)展。由于微破裂的出現(xiàn)，巖體體積壓縮速率減緩，而軸向應(yīng)變速率和側(cè)向應(yīng)變速率均有所增高1.原有張性結(jié)構(gòu)面逐漸閉合，充填物被壓密，壓縮變形具非線性特征，應(yīng)力應(yīng)變曲線呈緩坡下凹型4. 微破裂的發(fā)展出現(xiàn)了質(zhì)的變化：即使工作應(yīng)力保持不變，由于應(yīng)力的集中效應(yīng)，破裂仍會(huì)不斷的累進(jìn)性發(fā)展。首先從薄弱環(huán)節(jié)開(kāi)始，然后應(yīng)力在另一個(gè)薄弱環(huán)節(jié)集中，依次下去，直至整體破壞。體積應(yīng)變轉(zhuǎn)為膨脹，軸應(yīng)變速率和側(cè)向

2、應(yīng)變速率加速增大2.經(jīng)壓密后，巖體從不連續(xù)介質(zhì)轉(zhuǎn)化為似連續(xù)介質(zhì)，進(jìn)入彈性變形階段。該過(guò)程的長(zhǎng)短視巖石堅(jiān)硬程度而定5. 強(qiáng)度喪失和完全破壞階段：巖體內(nèi)部的微破裂面發(fā)展為貫通性破裂面，巖體強(qiáng)度迅速減弱，變形繼續(xù)發(fā)展，直至巖體被分成相互脫離的塊體而完全破壞屈服強(qiáng)度巖體破壞剪斷破壞剪性破壞張性破壞 剪切滑動(dòng)破壞塑性破壞（a) 拉斷破壞；(b)剪斷破壞； (c) 塑性破壞 破壞方式影響因素破壞方式影響因素： 荷載條件、巖性、結(jié)構(gòu)及所處的環(huán)境特征及配合荷載條件、巖性、結(jié)構(gòu)及所處的環(huán)境特征及配合情況情況 巖石的三軸實(shí)驗(yàn)表明，巖石破壞形式與圍壓的大小巖石的三軸實(shí)驗(yàn)表明，巖石破壞形式與圍壓的大小有明顯的關(guān)系。有

3、明顯的關(guān)系。 （1 1）當(dāng)在負(fù)圍壓及低圍壓條件下巖石表現(xiàn)為）當(dāng)在負(fù)圍壓及低圍壓條件下巖石表現(xiàn)為拉破壞拉破壞； （2 2）隨著圍壓增高將轉(zhuǎn)化為）隨著圍壓增高將轉(zhuǎn)化為剪破壞剪破壞； （3 3）當(dāng)圍壓升高到一定值以后，表現(xiàn)為）當(dāng)圍壓升高到一定值以后，表現(xiàn)為塑性破壞塑性破壞。 破壞機(jī)制轉(zhuǎn)化的破壞機(jī)制轉(zhuǎn)化的界限界限稱(chēng)為稱(chēng)為破壞機(jī)制轉(zhuǎn)化圍壓破壞機(jī)制轉(zhuǎn)化圍壓（如（如表表3-13-1）。從表中可以看出，由拉破壞轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)斷破壞）。從表中可以看出，由拉破壞轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)斷破壞的轉(zhuǎn)化圍壓為的轉(zhuǎn)化圍壓為1/51/51/4 1/4 （巖石單軸抗拉強(qiáng)度），（巖石單軸抗拉強(qiáng)度），由剪切轉(zhuǎn)化為塑性破壞的轉(zhuǎn)化圍壓為由剪切轉(zhuǎn)化為塑性破

4、壞的轉(zhuǎn)化圍壓為1/31/32/3 2/3 。 在三向應(yīng)力狀態(tài)，中間主應(yīng)力（在三向應(yīng)力狀態(tài)，中間主應(yīng)力（ 2 2）與最大主）與最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力之間的比值關(guān)系上決定巖石破壞性應(yīng)力、最小主應(yīng)力之間的比值關(guān)系上決定巖石破壞性質(zhì)的一個(gè)重要因素。納達(dá)（質(zhì)的一個(gè)重要因素。納達(dá)（19701970）提出）提出 2 2偏向最大偏向最大主應(yīng)力或最小主應(yīng)力的主應(yīng)力或最小主應(yīng)力的“應(yīng)力狀態(tài)類(lèi)型參數(shù)應(yīng)力狀態(tài)類(lèi)型參數(shù)” ” 來(lái)來(lái)劃分應(yīng)力狀態(tài)類(lèi)型：劃分應(yīng)力狀態(tài)類(lèi)型： =（ 2 2- 1 - 3）/（ 1 - 3）; 當(dāng)當(dāng)=1時(shí)，即時(shí)，即 2 = 1，為拉伸應(yīng)力狀態(tài)；，為拉伸應(yīng)力狀態(tài)； 當(dāng)當(dāng) =-1時(shí)，即時(shí)，即 2 =

5、3，為壓縮應(yīng)力狀態(tài)。，為壓縮應(yīng)力狀態(tài)。 3.1.3 3.1.3 巖體的強(qiáng)度特征巖體的強(qiáng)度特征 圖圖3-4 3-4 三種破壞形式的極限應(yīng)力系數(shù)三種破壞形式的極限應(yīng)力系數(shù)( (n n) ) 沿結(jié)構(gòu)面滑動(dòng)；沿結(jié)構(gòu)面滑動(dòng)； 剪斷完整巖石；剪斷完整巖石； 部分沿結(jié)構(gòu)面，部分沿結(jié)構(gòu)面，部分剪斷巖石部分剪斷巖石 2. 2. 單剪應(yīng)力條件下的破壞變形機(jī)制與過(guò)程單剪應(yīng)力條件下的破壞變形機(jī)制與過(guò)程 當(dāng)剪切變形發(fā)生在有一定厚度的剪切帶中，表現(xiàn)當(dāng)剪切變形發(fā)生在有一定厚度的剪切帶中，表現(xiàn)為在單剪（為在單剪（simple shearsimple shear）應(yīng)力條件下或一對(duì)力偶作）應(yīng)力條件下或一對(duì)力偶作用下的變形破壞。用

6、下的變形破壞。 在所形成的破裂跡象中較為常見(jiàn)和具有代表性的在所形成的破裂跡象中較為常見(jiàn)和具有代表性的是雁列破裂面。這種破裂面進(jìn)一步分為張性雁列和壓是雁列破裂面。這種破裂面進(jìn)一步分為張性雁列和壓扭性雁列兩類(lèi)，排列方式正好相反。扭性雁列兩類(lèi)，排列方式正好相反。張性雁列縫張性雁列縫T T的生的生長(zhǎng)方向大體與單剪帶中的最大主應(yīng)力方向平行，與剪長(zhǎng)方向大體與單剪帶中的最大主應(yīng)力方向平行，與剪切方向夾角約切方向夾角約4545，有時(shí)還可形成共扼的兩組低次序，有時(shí)還可形成共扼的兩組低次序剪切裂隙。剪切裂隙。 壓扭性雁列縫壓扭性雁列縫P P生長(zhǎng)方向與剪動(dòng)方向夾角大約與巖生長(zhǎng)方向與剪動(dòng)方向夾角大約與巖石材料內(nèi)摩擦角

7、相當(dāng)。兩者有時(shí)可在同一剪切帶中疊石材料內(nèi)摩擦角相當(dāng)。兩者有時(shí)可在同一剪切帶中疊加產(chǎn)出。加產(chǎn)出。 sssrcinsin)2sin(sin)sin(31 ii)()1 (001ctgtgscc 試驗(yàn)顯示（圖試驗(yàn)顯示（圖3 31717），凸起體被剪斷，實(shí)際上式），凸起體被剪斷，實(shí)際上式一個(gè)拉張和壓碎的過(guò)程，將圖一個(gè)拉張和壓碎的過(guò)程，將圖3 31717與圖與圖3 31010對(duì)照，對(duì)照，凸起體的剪斷與鎖固段的破裂壓碎過(guò)程十分相似。根凸起體的剪斷與鎖固段的破裂壓碎過(guò)程十分相似。根據(jù)這一破壞機(jī)制，可采用巖石的單軸抗壓強(qiáng)度（據(jù)這一破壞機(jī)制，可采用巖石的單軸抗壓強(qiáng)度（R RC C ) )和和抗拉強(qiáng)度（抗拉強(qiáng)度（

8、S St t) )來(lái)確定其抗剪強(qiáng)度，費(fèi)赫斯特來(lái)確定其抗剪強(qiáng)度，費(fèi)赫斯特（Fairhurst,1964Fairhurst,1964）提出的表達(dá)式為：）提出的表達(dá)式為： (3-14)(3-14) 式中：式中： 2/1)1)(1(tcsnnmRs2/1) 1(,/nmSRntC 0ctgti bnnJCSJRCtg)lg( P P點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡為一條以點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡為一條以o o為圓心，以斜邊長(zhǎng)為圓心，以斜邊長(zhǎng)oPoP為半徑為半徑的圓弧線的圓弧線C C（圖（圖3 319(a)19(a) )。因此滑動(dòng)過(guò)程相當(dāng)于滑。因此滑動(dòng)過(guò)程相當(dāng)于滑塊越過(guò)一個(gè)圓弧形的凸起體，該圓弧線上任一點(diǎn)的切塊越過(guò)一個(gè)圓弧形的凸起體，

9、該圓弧線上任一點(diǎn)的切線與剪切方向線的夾角即為該點(diǎn)處滑塊爬升或下降的線與剪切方向線的夾角即為該點(diǎn)處滑塊爬升或下降的坡角坡角( (如圖如圖3 3一土一土9(a)9(a) )。如果不考慮滑塊間的面摩擦，。如果不考慮滑塊間的面摩擦，則該坡角即為轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的摩擦角則該坡角即為轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的摩擦角，它應(yīng)與處于極限平，它應(yīng)與處于極限平衡狀態(tài)時(shí)作用力的傾斜角衡狀態(tài)時(shí)作用力的傾斜角一致一致 圖圖3 3一一1919（a a）) )。起動(dòng)時(shí)曲角為起動(dòng)時(shí)曲角為 = =tg= =tg-1-1(a/b)(a/b) 式中：式中： 為翻轉(zhuǎn)角，為翻轉(zhuǎn)角，a,ba,b分別為碎塊的寬和高。隨后，分別為碎塊的寬和高。隨后， 隨碎塊的轉(zhuǎn)動(dòng)角隨碎

10、塊的轉(zhuǎn)動(dòng)角而呈線性降低（圖而呈線性降低（圖3-193-19（a)a)）, ,即即 scnctgabtgabscnc3/12221)6(23nEEcr (3-19) ( 22lEJNcr2212lhEcr （322） 3/12221)6(23nEEcr3/121)6(2nhwd (2)(2)向褂式滑脫向褂式滑脫 其形成過(guò)程如圖其形成過(guò)程如圖3 3一一2828所示。彎曲的層狀巖體因某所示。彎曲的層狀巖體因某種原因種原因( (如地質(zhì)過(guò)程中的剝蝕如地質(zhì)過(guò)程中的剝蝕) )使板梁被切斷（圖使板梁被切斷（圖3-3-28(b)28(b)），彎曲變形的繼續(xù)則有可能使抗剪強(qiáng)度低的接），彎曲變形的繼續(xù)則有可能使抗剪

11、強(qiáng)度低的接觸面發(fā)生滑脫（圖觸面發(fā)生滑脫（圖a-28(c)a-28(c)）。滑脫發(fā)動(dòng)于臨空端，）?；摪l(fā)動(dòng)于臨空端，由于剪動(dòng)時(shí)滑面強(qiáng)度降至動(dòng)摩擦強(qiáng)度由于剪動(dòng)時(shí)滑面強(qiáng)度降至動(dòng)摩擦強(qiáng)度( (參見(jiàn)圖參見(jiàn)圖3-14)3-14)，因而波及范圍可達(dá)到圖因而波及范圍可達(dá)到圖3 32828（d d）所示范圍。）所示范圍。 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 。 機(jī)械振動(dòng)通常是連續(xù)作用的，并且作用力本身具有特機(jī)械振動(dòng)通常是連續(xù)作用的，并且作用力本身具有特定的振動(dòng)特征，它對(duì)巖體產(chǎn)生的動(dòng)應(yīng)力稱(chēng)為干擾力。定的振動(dòng)特征，它對(duì)巖體產(chǎn)生的動(dòng)應(yīng)力稱(chēng)為干

12、擾力。應(yīng)力波以強(qiáng)迫振動(dòng)方式傳播應(yīng)力波以強(qiáng)迫振動(dòng)方式傳播 圖圖3 337(b)37(b)，巖體的最，巖體的最終穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)頻率和外加干擾力的頻率一致。終穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)頻率和外加干擾力的頻率一致。 )。 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?chē)鷰r石變形破壞規(guī)律如圖339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3-39a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339b、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339b區(qū))，

13、但分布范圍較徑向裂隙小。 1. 1. 觸發(fā)效應(yīng)觸發(fā)效應(yīng) 觸發(fā)效應(yīng)可表現(xiàn)為兩方面：觸發(fā)效應(yīng)可表現(xiàn)為兩方面： (1)(1)如前所述，應(yīng)力場(chǎng)可在裂隙或軟弱夾層中產(chǎn)生如前所述，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)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)力波力波( (如地震或爆破引起的震動(dòng)如地震或爆破引起的震動(dòng)) )的介入則有可能促進(jìn)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)，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

14、，由于震動(dòng)可使巖體突然受或某一控制畫(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巖體的變形破壞中尤為突出( (參見(jiàn)圖參見(jiàn)圖9 9一一15)15)。 (2)(2)某些對(duì)震動(dòng)特別敏感的巖體或土體，如飽水的某些對(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，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)，崩潰或土體液化的突然變化，從而導(dǎo)致巖

15、體失穩(wěn)，崩潰或土體液化( (見(jiàn)見(jiàn)第七章第七章) )等。等。 2. 2. 累積效應(yīng)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)，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)，才能正確判定巖體定動(dòng)應(yīng)力作用

16、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變形破壞的可能性( (見(jiàn)第九章見(jiàn)第九章) ) 12221exp1tTEtEE 1121exp1EtEETtEtEEyT21121exp1 圖342 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）粘土；砂巖；粘土；石灰?guī)r；粘土；頁(yè)巖；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）早白堊紀(jì)泥質(zhì)頁(yè)巖；方沸粗玄巖；板巖；河床中擾動(dòng)的頁(yè)巖 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

17、段，它相當(dāng)子巖體的加速蠕變強(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。階段。 巖石的蠕變?cè)囼?yàn)曲線巖石的蠕變?cè)囼?yàn)曲線( (圖圖3 343)43)表明，僅當(dāng)荷載達(dá)到或表明，僅當(dāng)荷載達(dá)到或超過(guò)某臨界值超過(guò)某臨界值( (相當(dāng)巖石的長(zhǎng)期強(qiáng)度相當(dāng)巖石的長(zhǎng)期強(qiáng)度) )的情況下，巖石的蠕變的情況下，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，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)變速率并最終導(dǎo)致破壞。試驗(yàn)還證明，巖石的應(yīng)變速率c c隨荷載增隨荷載增高而增大高而增大 圖圖3 343(b)43(b)，同時(shí)加速蠕變達(dá)到最終破壞所經(jīng)歷，

18、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。的時(shí)間也隨之縮短。圖343 砂巖梁彎曲蠕變?cè)囼?yàn)關(guān)系曲線 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。步研究。 為確定巖體的長(zhǎng)期強(qiáng)度，顯然不僅要考慮巖

19、體可能的破壞方為確定巖體的長(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。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5O5O時(shí)，結(jié)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)的起伏結(jié)構(gòu)面上不同等級(jí)的起伏 參見(jiàn)圖參見(jiàn)圖3 315(b)15(b

20、)也應(yīng)分別對(duì)待。凸起也應(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。強(qiáng)度，促進(jìn)累進(jìn)性破壞的發(fā)生和進(jìn)展。 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)巖體在

21、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。圖移長(zhǎng)觀資料等。圖3 34444所示為某露天采礦邊坡的位移所示為某露天采礦邊坡的位移時(shí)間曲線圖，根據(jù)時(shí)間曲線圖，根據(jù)19691969年年1 1月月1313日以前所測(cè)得的資料，初日以前所測(cè)得的資料，初步判定邊坡巖體于步判定邊坡巖體于1010月底至月底至1111月初進(jìn)入加速蠕變階段，并月初進(jìn)入加速蠕變階段，并且根據(jù)曲線且根據(jù)曲線A A的延伸情況成功地預(yù)測(cè)到邊坡于的延伸情況成功地預(yù)測(cè)到邊坡于l969l969年年2 2月月1818日發(fā)生破壞。日發(fā)

22、生破壞。 3.5.3 3.5.3 巖體變形破壞與應(yīng)變速率的關(guān)系巖體變形破壞與應(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：達(dá)式為： （3 33434） 則應(yīng)變速率則應(yīng)變速率C C表示為：表示為： （3 33535） 由上式可見(jiàn)：當(dāng)由上式可見(jiàn)：當(dāng)C C 時(shí)，時(shí)， 0 0，亦即，亦即 0 0，為常值，為常值， 也就是說(shuō)此時(shí)巖體內(nèi)的應(yīng)力保持不變；也就是說(shuō)此時(shí)巖體

23、內(nèi)的應(yīng)力保持不變；tETtECT.1E.1E 當(dāng)當(dāng)C/C/時(shí)，時(shí)，o /C /時(shí)，時(shí)， oo，則巖體內(nèi)的應(yīng)力有隨時(shí)間遞增的，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)變速率趨勢(shì)，直到達(dá)到的應(yīng)力值與應(yīng)變速率C C相適應(yīng)時(shí)為止。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(C(C0 0，如花崗巖，根據(jù)伊藤等的試驗(yàn)，如花崗巖，根據(jù)伊藤等的試驗(yàn)，C C0 0為為(10(10-14-141010-13-13）/s/s），從），從這一概念出發(fā)，可得出以下兩點(diǎn)重要認(rèn)識(shí)：這一概念出發(fā)，可得出以下兩點(diǎn)重要認(rèn)識(shí)： (1)(1)當(dāng)巖體的實(shí)際

24、應(yīng)變速率低于臨界值當(dāng)巖體的實(shí)際應(yīng)變速率低于臨界值C C0 0時(shí)，巖體在受力時(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)不分進(jìn)入加速蠕變階段。相反，當(dāng)C C等干或大干等干或大干C C0 0時(shí)，巖體變時(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。能最終導(dǎo)致巖體破壞。 (2)2)當(dāng)應(yīng)變速率因某種原因轉(zhuǎn)為遞減趨勢(shì)或

25、降為零當(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 35 5中中 C C0 0時(shí)，則有時(shí)，則有 或或 兩側(cè)積分得：兩側(cè)積分得： 式中：式中：0 0為巖體內(nèi)初始應(yīng)力。積分后得：為巖體內(nèi)初始應(yīng)力。積分后得：tdtEddtEdE0.001tE0lnln也就式說(shuō)，巖體中的應(yīng)力降為初始應(yīng)力的也就式說(shuō)，巖體中的應(yīng)力降為初始應(yīng)力的1 12.7182.718所需的時(shí)所需的時(shí)t t/E/E，該時(shí)間稱(chēng)之為松弛期，該時(shí)間稱(chēng)之為松弛期 (relaxation time)(relaxation time)，以，以T T表表示。以灰

26、巖為例，設(shè)粘滯系數(shù)？泊，彈性模量示。以灰?guī)r為例，設(shè)粘滯系數(shù)？泊，彈性模量E E6.56.510109 9N Ncmcm2 2，則松弛期，則松弛期T T約等于約等于32003200年。所以，一些研究者認(rèn)為地年。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)。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)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)方法不需變速率，據(jù)此時(shí)巖體變形破壞進(jìn)

27、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)。形破壞所處發(fā)展階段和發(fā)展趨勢(shì)。tEexp0故：故： （3 33636） 當(dāng)當(dāng)t=/Et=/E時(shí)，則時(shí)，則718. 200e (3-37)式中：式中：為常數(shù)；為常數(shù)；P P1 1為單位時(shí)間內(nèi)測(cè)得的被嵌入物的抗嵌入強(qiáng)為單位時(shí)間內(nèi)測(cè)得的被嵌入物的抗嵌入強(qiáng)度。度。 由于凸起體嵌入面積隨時(shí)間而增大，所以，無(wú)論是剪斷凸由于凸起體嵌入面積隨時(shí)間而增大，所以，無(wú)論是剪斷凸起體、還是在接觸面中犁槽，結(jié)構(gòu)面的抗剪阻力都有所增高，起體、還是在接觸面中犁槽，結(jié)構(gòu)

28、面的抗剪阻力都有所增高，因而可以想象，結(jié)構(gòu)面的靜摩擦系數(shù)因而可以想象，結(jié)構(gòu)面的靜摩擦系數(shù)f fs s也將因嵌入蠕變的進(jìn)展也將因嵌入蠕變的進(jìn)展而有所增高，兩者之間的關(guān)系可定量表示為：而有所增高，兩者之間的關(guān)系可定量表示為： (3-38)(3-38)式：式：fsfs為單位接觸面時(shí)間的摩擦系數(shù)。為單位接觸面時(shí)間的摩擦系數(shù)。 ssftf)lg1 (1)lg1 (PNtA 這就意味著嵌入蠕變時(shí)間增長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)面靜摩擦與這就意味著嵌入蠕變時(shí)間增長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)面靜摩擦與動(dòng)摩擦之間的差值增大，因而粘滑發(fā)生時(shí)能釋放出更動(dòng)摩擦之間的差值增大，因而粘滑發(fā)生時(shí)能釋放出更大的能量。大的能量。 由上還可推論，在滑動(dòng)中凸起體嵌入的面

29、積由上還可推論，在滑動(dòng)中凸起體嵌入的面積A A以及以及與此相關(guān)的動(dòng)摩擦系數(shù)與此相關(guān)的動(dòng)摩擦系數(shù)f fk k與滑動(dòng)的速度（與滑動(dòng)的速度（V V）有關(guān)，滑）有關(guān)，滑動(dòng)速度愈快，接觸嵌入的時(shí)間也愈短暫，所以動(dòng)速度愈快，接觸嵌入的時(shí)間也愈短暫，所以A A和和f fk k兩兩者均隨速度的增大而降低，可以下列關(guān)系式表示：者均隨速度的增大而降低，可以下列關(guān)系式表示： (3-39)(3-39) (3-40) (3-40) 式中：式中：為取決于常數(shù)為取決于常數(shù)和凸起體形狀的常數(shù)和凸起體形狀的常數(shù); f; fk k相相 當(dāng)于當(dāng)于S/ PS/ P1 1(S(S為嵌入體抗剪強(qiáng)度）為嵌入體抗剪強(qiáng)度）kkfVfPNVA_

30、1)lg1()lg1(由上述關(guān)系式可見(jiàn)，僅當(dāng)滑動(dòng)速度保持不變時(shí)，由上述關(guān)系式可見(jiàn)，僅當(dāng)滑動(dòng)速度保持不變時(shí)，A A和和f fk k才為常才為常值值 據(jù)以上試驗(yàn)和分析，可得出兩點(diǎn)結(jié)論：據(jù)以上試驗(yàn)和分析，可得出兩點(diǎn)結(jié)論： (1)(1)按運(yùn)動(dòng)特征，沿結(jié)構(gòu)面的滑移有穩(wěn)滑與粘滑兩種基本按運(yùn)動(dòng)特征，沿結(jié)構(gòu)面的滑移有穩(wěn)滑與粘滑兩種基本類(lèi)型，穩(wěn)滑狀態(tài)的產(chǎn)生條件不僅與結(jié)構(gòu)面特怔有關(guān)類(lèi)型，穩(wěn)滑狀態(tài)的產(chǎn)生條件不僅與結(jié)構(gòu)面特怔有關(guān)( (如結(jié)構(gòu)面如結(jié)構(gòu)面較為平坦或夾由足夠厚的夾泥等較為平坦或夾由足夠厚的夾泥等) )，并且還必須與不同斷的勻，并且還必須與不同斷的勻速運(yùn)動(dòng)相累世界著名的美國(guó)圣安德烈斯大斷層的某些段是自速運(yùn)動(dòng)相

31、累世界著名的美國(guó)圣安德烈斯大斷層的某些段是自然界宏觀穩(wěn)滑斷裂的極好實(shí)例。據(jù)研究和觀測(cè)，該斷層中平直然界宏觀穩(wěn)滑斷裂的極好實(shí)例。據(jù)研究和觀測(cè)，該斷層中平直段，斷層帖土充填物的分布可選段，斷層帖土充填物的分布可選12km12km深并且一直保持著平均深并且一直保持著平均約約3cm3cms s左右的滑動(dòng)速率可以想見(jiàn)，任伺處于穩(wěn)滑狀態(tài)的斷左右的滑動(dòng)速率可以想見(jiàn)，任伺處于穩(wěn)滑狀態(tài)的斷裂面，都會(huì)因滑動(dòng)速率的陡然增、減而引起粘滑或孕育著斷的裂面，都會(huì)因滑動(dòng)速率的陡然增、減而引起粘滑或孕育著斷的粘滑粘滑. . (2)(2)粘滑時(shí)釋放的能量的大小不但與不同的粘滑機(jī)粘滑時(shí)釋放的能量的大小不但與不同的粘滑機(jī)制有關(guān)，對(duì)

32、于某一特定的剪切滑移面而言，停止活動(dòng)承制有關(guān)，對(duì)于某一特定的剪切滑移面而言，停止活動(dòng)承受法向應(yīng)力的時(shí)間愈長(zhǎng)則粘滑時(shí)釋放的舵量也就愈高受法向應(yīng)力的時(shí)間愈長(zhǎng)則粘滑時(shí)釋放的舵量也就愈高 以上兩點(diǎn)對(duì)于分析地震的發(fā)震機(jī)制，以及闡明巖體以上兩點(diǎn)對(duì)于分析地震的發(fā)震機(jī)制，以及闡明巖體失穩(wěn)時(shí)滑動(dòng)的動(dòng)力特征，都具有十分重要的意義，失穩(wěn)時(shí)滑動(dòng)的動(dòng)力特征，都具有十分重要的意義， 3.6 空隙水壓力在巖體變形破壞中的作用 地下水普遍賦存于巖體之中，它與巖體間的相互作地下水普遍賦存于巖體之中，它與巖體間的相互作用主要可歸為兩個(gè)方畫(huà)：一是地下水與巖體間發(fā)生機(jī)械用主要可歸為兩個(gè)方畫(huà)：一是地下水與巖體間發(fā)生機(jī)械的、物理的或化學(xué)

33、的相互作用使巖體和地下水的性質(zhì)的、物理的或化學(xué)的相互作用使巖體和地下水的性質(zhì)或狀態(tài)發(fā)生不斷的變化，二是地下水與巖體間發(fā)生的力或狀態(tài)發(fā)生不斷的變化，二是地下水與巖體間發(fā)生的力學(xué)方面的相互作朋它不斷地改變著作用雙方的力學(xué)狀學(xué)方面的相互作朋它不斷地改變著作用雙方的力學(xué)狀態(tài)和特性態(tài)和特性 ABAB面上的應(yīng)力可用圖面上的應(yīng)力可用圖3 34545（c c）的莫爾圓表示。由該）的莫爾圓表示。由該圖可見(jiàn)，空隙水壓力的作用使整個(gè)莫爾圓向左側(cè)移動(dòng)，圖可見(jiàn)，空隙水壓力的作用使整個(gè)莫爾圓向左側(cè)移動(dòng)，ABAB面上有效正應(yīng)力（面上有效正應(yīng)力（ s s ）降低，等于總正應(yīng)力（）降低，等于總正應(yīng)力（ ）減）減去空隙水壓力（去

34、空隙水壓力（p pw w），即：），即： s s p pw w 由于空隙水壓力垂直作用于結(jié)構(gòu)面，因此它對(duì)剪應(yīng)力由于空隙水壓力垂直作用于結(jié)構(gòu)面，因此它對(duì)剪應(yīng)力不發(fā)生影響，即：不發(fā)生影響，即： s s 這樣，干燥巖體這樣，干燥巖體ABAB平面上的抗剪強(qiáng)度：平面上的抗剪強(qiáng)度： S S tgtg c c 而含空隙水時(shí)，而含空隙水時(shí)，ABAB平面上的平面上的 抗剪強(qiáng)度：抗剪強(qiáng)度： S S（ p pw w )tg)tg +c (3-41)+c (3-41) 上述關(guān)系表明，由于空隙水壓力的作用，巖體強(qiáng)上述關(guān)系表明，由于空隙水壓力的作用，巖體強(qiáng)度降低了度降低了p pw w tg tg ，結(jié)構(gòu)面也將因此而張開(kāi)，

35、引起巖，結(jié)構(gòu)面也將因此而張開(kāi)，引起巖體變形。一旦因空隙水壓力增大使結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度體變形。一旦因空隙水壓力增大使結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度降至與剪應(yīng)力相等時(shí)（降至與剪應(yīng)力相等時(shí)（s= s= ），則將引起巖石破壞。），則將引起巖石破壞。 上述有效應(yīng)力原理在應(yīng)用于僅含有空隙的巖石材上述有效應(yīng)力原理在應(yīng)用于僅含有空隙的巖石材料時(shí)，由于空隙水壓力僅存于其間的料時(shí)，由于空隙水壓力僅存于其間的孔隙之中，因此需要考慮孔隙水壓力作用的有效面積系數(shù)，其物理意義如圖346所示。因而巖石材料中的有效正應(yīng)力和抗剪強(qiáng)度為： （342） （343）對(duì)于不同的巖石材料，由于孔隙度的不同，值可變化于01之間，可由試驗(yàn)測(cè)定，也可按吉爾茨

36、馬（Ceertsma）的關(guān)系式進(jìn)行計(jì)算，即：ctgpSpwws)( （344）式中：式中：BcBc為巖體的體積彈性模量，為巖體的體積彈性模量，B B為為巖體的體積彈性模量，且?guī)r體的體積彈性模量，且 （3 34545） E E和和 分別為巖體在無(wú)孔隙水壓力作分別為巖體在無(wú)孔隙水壓力作用時(shí)外力作用下的彈性模量和泊松比。用時(shí)外力作用下的彈性模量和泊松比。 按按3 34444式計(jì)算，混凝土的式計(jì)算，混凝土的 值大約值大約為為0.840.84，與試驗(yàn)結(jié)果相似。而用三軸試，與試驗(yàn)結(jié)果相似。而用三軸試驗(yàn)法測(cè)得花崗巖的驗(yàn)法測(cè)得花崗巖的 值為值為0.650.65CBB1)21 (3EB 顯然，有效面積的大小與巖

37、石的空隙率有一定關(guān)顯然，有效面積的大小與巖石的空隙率有一定關(guān)系不過(guò)進(jìn)一步的實(shí)險(xiǎn)表明它還與巖石的某些性質(zhì)有系不過(guò)進(jìn)一步的實(shí)險(xiǎn)表明它還與巖石的某些性質(zhì)有關(guān)某些柔性較高的巖石，如石灰?guī)r、大理巖白云關(guān)某些柔性較高的巖石，如石灰?guī)r、大理巖白云巖等，在低壓力條件下，其巖等，在低壓力條件下，其 值大于值大于0.50.5，甚至接近于，甚至接近于1 1，但在較高的應(yīng)力條件下，它們的變形和強(qiáng)度幾乎與孔但在較高的應(yīng)力條件下，它們的變形和強(qiáng)度幾乎與孔隙水壓力無(wú)關(guān)，隙水壓力無(wú)關(guān)， 值接近于零。這可能與巖石具柔性值接近于零。這可能與巖石具柔性有關(guān)，在較高應(yīng)力下礦物發(fā)生柔性適應(yīng)，使巖石中的有關(guān)，在較高應(yīng)力下礦物發(fā)生柔性適應(yīng)

38、，使巖石中的孔隙或孔隙或 微裂隙有關(guān)，因而水無(wú)法進(jìn)入。微裂隙有關(guān)，因而水無(wú)法進(jìn)入。 應(yīng)該指出，在變形試驗(yàn)中求得的應(yīng)該指出，在變形試驗(yàn)中求得的 值只表示有效面值只表示有效面積的平均值，而不是在研究巖體的穩(wěn)定性或破壞時(shí)所積的平均值，而不是在研究巖體的穩(wěn)定性或破壞時(shí)所必須考慮的最壞情況下的最大值。因而在研究破壞問(wèn)必須考慮的最壞情況下的最大值。因而在研究破壞問(wèn)題時(shí)，即使是完整巖體，也必須選取題時(shí)，即使是完整巖體，也必須選取 。在研究大型。在研究大型建筑物的變形問(wèn)題時(shí)，塞拉芬建筑物的變形問(wèn)題時(shí)，塞拉芬(serafim,1969)(serafim,1969)認(rèn)為，對(duì)于裂隙巖體仍取認(rèn)為，對(duì)于裂隙巖體仍取 1

39、 1，而對(duì)于完整塊體狀巖體，而對(duì)于完整塊體狀巖體，可考虐采用較低的可考虐采用較低的 ，其大小按試驗(yàn)確定，其大小按試驗(yàn)確定 上進(jìn)分析表明，無(wú)論是哪一種類(lèi)型的巖體，有效應(yīng)上進(jìn)分析表明，無(wú)論是哪一種類(lèi)型的巖體，有效應(yīng)力原理是普遍適用的，巖體的變形破壞取決于有效應(yīng)力，力原理是普遍適用的，巖體的變形破壞取決于有效應(yīng)力，因而巖體內(nèi)空隙水壓力的變化必將對(duì)巖體的變形破壞產(chǎn)因而巖體內(nèi)空隙水壓力的變化必將對(duì)巖體的變形破壞產(chǎn)生影響生影響 引起巖體內(nèi)空隙水壓力變化的原因，可有以下幾個(gè)引起巖體內(nèi)空隙水壓力變化的原因，可有以下幾個(gè)方面方面 3.6.2.1 3.6.2.1 地下水補(bǔ)給排泄條件的變化引起的巖體內(nèi)地下水補(bǔ)給排泄

40、條件的變化引起的巖體內(nèi) 空隙水壓力的變化空隙水壓力的變化 例如特大降雨、洪水、持續(xù)干旱、人工抽水、注例如特大降雨、洪水、持續(xù)干旱、人工抽水、注水或水庫(kù)薔水等均能造成地下水位大幅度的變化，水或水庫(kù)薔水等均能造成地下水位大幅度的變化，從而引起巖體內(nèi)空隙水壓力的增減。從而引起巖體內(nèi)空隙水壓力的增減。 這類(lèi)變化往往具有區(qū)域性恃怔，影響的范圍和深這類(lèi)變化往往具有區(qū)域性恃怔，影響的范圍和深度都可以較大，例如水庫(kù)落水使地下水位拾升根據(jù)度都可以較大，例如水庫(kù)落水使地下水位拾升根據(jù)卡布里耳壩的觀測(cè)資料證明，由于巖體中空隙水力增卡布里耳壩的觀測(cè)資料證明，由于巖體中空隙水力增高出現(xiàn)山體高度增高，兩側(cè)谷壁相互靠近的現(xiàn)

41、象。高出現(xiàn)山體高度增高，兩側(cè)谷壁相互靠近的現(xiàn)象。而大面積的長(zhǎng)期抽取地下水引起的地下水位的降低，而大面積的長(zhǎng)期抽取地下水引起的地下水位的降低，含造成大范圍內(nèi)的地面沉降含造成大范圍內(nèi)的地面沉降( (見(jiàn)第八章見(jiàn)第八章) )一些巨型的一些巨型的崩滑體的發(fā)生，常常也與這類(lèi)變化有關(guān)。水庫(kù)蓄水和崩滑體的發(fā)生，常常也與這類(lèi)變化有關(guān)。水庫(kù)蓄水和深井注水還可引起深部巖體破裂，造成水庫(kù)地震深井注水還可引起深部巖體破裂，造成水庫(kù)地震( (見(jiàn)第見(jiàn)第六章六章) ) 一些研究表明，上述因素所造成的水位變動(dòng)一些研究表明，上述因素所造成的水位變動(dòng)與巖體內(nèi)空隙水壓力變化之間總有一定的時(shí)差，與巖體內(nèi)空隙水壓力變化之間總有一定的時(shí)差

42、，且遁常空隙水壓力的變化總是滯后于氣象、水文且遁?？障端畨毫Φ淖兓偸菧笥跉庀蟆⑺臈l件的改變，圖條件的改變，圖3 34747所示為卡布里爾水庫(kù)水位與所示為卡布里爾水庫(kù)水位與壩基某點(diǎn)空隙水壓隨時(shí)間而變化的曲線它清楚壩基某點(diǎn)空隙水壓隨時(shí)間而變化的曲線它清楚表明，水庫(kù)水位和該點(diǎn)空隙水壓力之間有表明，水庫(kù)水位和該點(diǎn)空隙水壓力之間有4 4天的時(shí)天的時(shí)差。看來(lái)時(shí)差的大小與測(cè)點(diǎn)的位置和巖體的透水差。看來(lái)時(shí)差的大小與測(cè)點(diǎn)的位置和巖體的透水性密切相關(guān)，測(cè)點(diǎn)距補(bǔ)給源或排泄點(diǎn)位置愈遠(yuǎn)，性密切相關(guān)，測(cè)點(diǎn)距補(bǔ)給源或排泄點(diǎn)位置愈遠(yuǎn)，透水性愈小，則時(shí)差愈大，了解這一點(diǎn)對(duì)于判明透水性愈小，則時(shí)差愈大，了解這一點(diǎn)對(duì)于判明水

43、庫(kù)地震的誘發(fā)機(jī)制和預(yù)測(cè)崩滑體活動(dòng)狀況有重水庫(kù)地震的誘發(fā)機(jī)制和預(yù)測(cè)崩滑體活動(dòng)狀況有重要意義要意義3.6.2.23.6.2.2巖體受荷狀態(tài)的變化引起的巖體內(nèi)空隙水壓力的變化巖體受荷狀態(tài)的變化引起的巖體內(nèi)空隙水壓力的變化 土力學(xué)中已指出，資加荷過(guò)程中，飽水的土體所承受的附土力學(xué)中已指出，資加荷過(guò)程中，飽水的土體所承受的附加壓力加壓力p p時(shí)由水和顆粒骨架兩相分別承擔(dān)的時(shí)由水和顆粒骨架兩相分別承擔(dān)的 。其中由水承受的。其中由水承受的壓力稱(chēng)之為中性壓力壓力稱(chēng)之為中性壓力P Pwewe，由顆粒骨架承受的那部分壓力，由顆粒骨架承受的那部分壓力稱(chēng)之為有效壓力稱(chēng)之為有效壓力P Ps s，這種由于附加壓力引起的中

44、性壓力，它這種由于附加壓力引起的中性壓力，它不同于由土體中靜水壓力造成的空隙水壓力不同于由土體中靜水壓力造成的空隙水壓力P Pw0w0，稱(chēng)之為剩余，稱(chēng)之為剩余空隙水壓力或超空隙水壓力（空隙水壓力或超空隙水壓力（excess pore pressureexcess pore pressure）表示）表示為：為： p= Pp= Pwewe +P +Ps s或或 P Pwewe =p =p P Ps s 超空隙水壓力的出現(xiàn)，顯然使土體的抗剪強(qiáng)度降低：超空隙水壓力的出現(xiàn)，顯然使土體的抗剪強(qiáng)度降低： S=(S=( S S - P - Pwewe)tg)tg +c (3-46)+c (3-46) 當(dāng)當(dāng)P

45、Pwewe= = P Pw0w0時(shí)，抗剪強(qiáng)度幾乎為零，砂土類(lèi)土和飽時(shí)，抗剪強(qiáng)度幾乎為零，砂土類(lèi)土和飽和水敏感粘土可因此而發(fā)生變化（參見(jiàn)第七章）和水敏感粘土可因此而發(fā)生變化（參見(jiàn)第七章） 固結(jié)的理論同樣也適用于較軟弱破碎的巖體。固結(jié)的理論同樣也適用于較軟弱破碎的巖體。 堅(jiān)硬的裂隙巖體，由于透水性和排水條件均較土堅(jiān)硬的裂隙巖體，由于透水性和排水條件均較土體為好，變形模量也遠(yuǎn)鉸土體為高，因而緩慢的加荷體為好，變形模量也遠(yuǎn)鉸土體為高，因而緩慢的加荷過(guò)程很難在巖體內(nèi)形成具有實(shí)際意義的超空隙水壓過(guò)程很難在巖體內(nèi)形成具有實(shí)際意義的超空隙水壓力但是突發(fā)的規(guī)模較大約動(dòng)荷載力但是突發(fā)的規(guī)模較大約動(dòng)荷載( (如地震

46、，人工爆如地震，人工爆破破) )，則可因裂隙中的水來(lái)不及消散而造成瞬時(shí)的較高，則可因裂隙中的水來(lái)不及消散而造成瞬時(shí)的較高的超空隙水壓力（如圖的超空隙水壓力（如圖3 348(a)48(a)所示所示) )因此，在分析因此，在分析地震或人工爆破對(duì)飽水巖體穩(wěn)定性的影響，必須考慮地震或人工爆破對(duì)飽水巖體穩(wěn)定性的影響，必須考慮這一因素，尤其當(dāng)裂隙中充有粘土等降低裂隙透水性這一因素，尤其當(dāng)裂隙中充有粘土等降低裂隙透水性能的物質(zhì)時(shí)，這種影響更為明顯能的物質(zhì)時(shí)，這種影響更為明顯. .3.6.2.3 3.6.2.3 巖體變形破裂引起的巖體內(nèi)空隙水壓力的變化巖體變形破裂引起的巖體內(nèi)空隙水壓力的變化 巖體變形進(jìn)入破裂

47、階段（尤其是進(jìn)入不穩(wěn)定破裂階段）巖體變形進(jìn)入破裂階段（尤其是進(jìn)入不穩(wěn)定破裂階段）以后，破裂造成擴(kuò)容現(xiàn)象可引起空隙水壓力發(fā)生顯著變化以后，破裂造成擴(kuò)容現(xiàn)象可引起空隙水壓力發(fā)生顯著變化. .巖體所處環(huán)境不同，可表現(xiàn)為不同的變化機(jī)制巖體所處環(huán)境不同，可表現(xiàn)為不同的變化機(jī)制。 1. 1.膨脹強(qiáng)化機(jī)制膨脹強(qiáng)化機(jī)制 根據(jù)巖體三軸試驗(yàn)分析（參見(jiàn)圖根據(jù)巖體三軸試驗(yàn)分析（參見(jiàn)圖3 31 1），可有兩種），可有兩種表現(xiàn)方式：表現(xiàn)方式： （1 1）飽水封閉巖體在受力過(guò)程中，擴(kuò)容部位造）飽水封閉巖體在受力過(guò)程中，擴(kuò)容部位造成真空，使空隙水壓力迅速降低，甚至變?yōu)樨?fù)（參成真空，使空隙水壓力迅速降低，甚至變?yōu)樨?fù)（參見(jiàn)圖見(jiàn)圖

48、3 31 1中空隙水壓力曲線中空隙水壓力曲線及圖及圖3 34848（b b），），產(chǎn)生所謂巖體強(qiáng)度的產(chǎn)生所謂巖體強(qiáng)度的“膨脹強(qiáng)化膨脹強(qiáng)化”現(xiàn)象。擴(kuò)容停止現(xiàn)象。擴(kuò)容停止以后，空隙水壓力隨著四周地下水的緩慢流入而部以后，空隙水壓力隨著四周地下水的緩慢流入而部分回升分回升; ; （2 2）非封閉的、水進(jìn)出較為暢通的巖體，也可）非封閉的、水進(jìn)出較為暢通的巖體，也可由于迅速加荷造成的破裂擴(kuò)容迅速超過(guò)四周地下水由于迅速加荷造成的破裂擴(kuò)容迅速超過(guò)四周地下水流入擴(kuò)容區(qū)的速度，而引起與前者相似的流入擴(kuò)容區(qū)的速度，而引起與前者相似的“膨脹強(qiáng)膨脹強(qiáng)化化”現(xiàn)象。不過(guò)區(qū)別在于一旦擴(kuò)容速度減緩或停止，現(xiàn)象。不過(guò)區(qū)別在于一

49、旦擴(kuò)容速度減緩或停止，空隙水壓力可迅速回升空隙水壓力可迅速回升( (參見(jiàn)圖參見(jiàn)圖3 3l l空隙水壓力曲線空隙水壓力曲線) )。 上述分析還表明，上述分析還表明，“膨脹強(qiáng)化膨脹強(qiáng)化”是是種暫時(shí)性現(xiàn)種暫時(shí)性現(xiàn)象。隨著四周地下水象。隨著四周地下水“緩慢緩慢”或或“迅速迅速”進(jìn)入擴(kuò)容體。進(jìn)入擴(kuò)容體。負(fù)壓現(xiàn)象亦即降低或消失，巖體將因喪失這種臨時(shí)性負(fù)壓現(xiàn)象亦即降低或消失，巖體將因喪失這種臨時(shí)性的的“強(qiáng)化強(qiáng)化”而導(dǎo)致最終破壞。因而由而導(dǎo)致最終破壞。因而由“膨脹強(qiáng)化膨脹強(qiáng)化”所所引起的一些特征現(xiàn)象，如地下水位由急劇上升引起的一些特征現(xiàn)象，如地下水位由急劇上升( (表明巖表明巖體被強(qiáng)烈擠壓體被強(qiáng)烈擠壓) )轉(zhuǎn)

50、為平靜或下降（如轉(zhuǎn)為平靜或下降（如19581958年邢臺(tái)地震發(fā)年邢臺(tái)地震發(fā)震前所見(jiàn)震前所見(jiàn)) )，滑坡滑前所測(cè)的微震（表明巖體出現(xiàn)破裂，滑坡滑前所測(cè)的微震（表明巖體出現(xiàn)破裂) )的突然消失的突然消失( (如如19831983年甘肅灑勒山滑坡滑前微震測(cè)試資年甘肅灑勒山滑坡滑前微震測(cè)試資料所示料所示) )以及滑移速度由加速突然制動(dòng)等，都可能是巖以及滑移速度由加速突然制動(dòng)等，都可能是巖體破壞的預(yù)兆在臨震或臨滑預(yù)報(bào)中具有重要意義體破壞的預(yù)兆在臨震或臨滑預(yù)報(bào)中具有重要意義。 2 2超空隙水壓力激發(fā)機(jī)制超空隙水壓力激發(fā)機(jī)制 巖體剪切變形破壞過(guò)程的前述分析中已指出，某些剪巖體剪切變形破壞過(guò)程的前述分析中已指

51、出，某些剪切椿在演化進(jìn)程中可出現(xiàn)擴(kuò)容和壓縮交替出現(xiàn)的現(xiàn)象以切椿在演化進(jìn)程中可出現(xiàn)擴(kuò)容和壓縮交替出現(xiàn)的現(xiàn)象以單剪切帶的演化模式單剪切帶的演化模式 參見(jiàn)圖參見(jiàn)圖3 312)12)為例：當(dāng)剪切帶中出現(xiàn)為例：當(dāng)剪切帶中出現(xiàn)拉張裂隙，井被地下水充填飽和，如果進(jìn)一步剪動(dòng)造成塑拉張裂隙，井被地下水充填飽和，如果進(jìn)一步剪動(dòng)造成塑性破壞使位張裂隙壓密，這一過(guò)程十分迅速以至于空隙水性破壞使位張裂隙壓密，這一過(guò)程十分迅速以至于空隙水被被“封閉封閉”在剪切帶中不能及時(shí)排出，則有可能在剪切帶在剪切帶中不能及時(shí)排出，則有可能在剪切帶中造成異常超空隙水壓力，它甚至可使有效壓應(yīng)力降為零，中造成異常超空隙水壓力，它甚至可使有效

52、壓應(yīng)力降為零，成為導(dǎo)致巖體破壞的重要激發(fā)機(jī)制成為導(dǎo)致巖體破壞的重要激發(fā)機(jī)制 此外，某些外動(dòng)力地質(zhì)作用也可促成這種激發(fā)機(jī)制此外，某些外動(dòng)力地質(zhì)作用也可促成這種激發(fā)機(jī)制的形成例如在斜坡的潛在剪切帶中如果正好是地下水的形成例如在斜坡的潛在剪切帶中如果正好是地下水滲透變形或溶蝕作用活躍帶，造成巖滲透變形或溶蝕作用活躍帶，造成巖( (土土) )體結(jié)構(gòu)體結(jié)構(gòu)“粗化粗化”或空隙率增高，一且因剪動(dòng)而引起結(jié)構(gòu)破壞和突然壓密，或空隙率增高，一且因剪動(dòng)而引起結(jié)構(gòu)破壞和突然壓密，則可激發(fā)起很高的超空隙水壓力，成為斜坡失穩(wěn)和高速滑則可激發(fā)起很高的超空隙水壓力，成為斜坡失穩(wěn)和高速滑坡的重要形成機(jī)制之一坡的重要形成機(jī)制之一

53、( (詳見(jiàn)第九章詳見(jiàn)第九章) )。3.3.水擊（錘）機(jī)制水擊（錘）機(jī)制 當(dāng)破裂擴(kuò)容區(qū)與具有高水頭的地表水體（如水庫(kù)、湖泊）當(dāng)破裂擴(kuò)容區(qū)與具有高水頭的地表水體（如水庫(kù)、湖泊）直接連通，由于地表水迅速貫入，爾后又因出口排水不良而堵直接連通，由于地表水迅速貫入，爾后又因出口排水不良而堵塞，此時(shí)可產(chǎn)生塞，此時(shí)可產(chǎn)生“水擊水擊”，在突然出現(xiàn)的破裂面中造成驚人的，在突然出現(xiàn)的破裂面中造成驚人的高水頭超空水壓力。圖高水頭超空水壓力。圖3 34949表示了表示了19321932年西格陵蘭所觀察的年西格陵蘭所觀察的冰裂縫中噴出的高達(dá)冰裂縫中噴出的高達(dá)300m300m的噴泉這一奇觀的形成機(jī)制。冰川從的噴泉這一奇觀

54、的形成機(jī)制。冰川從大陸向湖泊運(yùn)動(dòng)，其前緣承受湖水的浮力，致使冰川大陸向湖泊運(yùn)動(dòng)，其前緣承受湖水的浮力，致使冰川“折斷折斷”。湖水在高達(dá)湖水在高達(dá)700m700m的水頭差迅速貫入裂縫，由于出口處裂縫狹窄，的水頭差迅速貫入裂縫，由于出口處裂縫狹窄，阻塞高速流動(dòng)的水流，因而造成水擊，形成噴泉。水擊機(jī)制對(duì)阻塞高速流動(dòng)的水流，因而造成水擊，形成噴泉。水擊機(jī)制對(duì)于水下巖體的突發(fā)性崩壞具有很重要的意義?？障端畨旱纳鲜鲇谒聨r體的突發(fā)性崩壞具有很重要的意義?？障端畨旱纳鲜鲎兓哪承┒吭u(píng)價(jià)，將在以后有關(guān)章節(jié)中結(jié)合具體問(wèn)題再作變化的某些定量評(píng)價(jià)，將在以后有關(guān)章節(jié)中結(jié)合具體問(wèn)題再作詳細(xì)討論。詳細(xì)討論。 以上分析表

55、明，巖體在不問(wèn)應(yīng)力狀態(tài)下其最終破壞不外以上分析表明，巖體在不問(wèn)應(yīng)力狀態(tài)下其最終破壞不外乎剪切破壞和拉斷破壞這樣兩種主要方式但是，不同巖性乎剪切破壞和拉斷破壞這樣兩種主要方式但是，不同巖性和蛄構(gòu)特征的巖體，在不同的應(yīng)力狀態(tài)下，其變形破壞過(guò)程和蛄構(gòu)特征的巖體，在不同的應(yīng)力狀態(tài)下，其變形破壞過(guò)程則是多種多樣的，并且過(guò)程中時(shí)間效應(yīng)特征和空隙水歷力所則是多種多樣的，并且過(guò)程中時(shí)間效應(yīng)特征和空隙水歷力所起的作用也各不相同。起的作用也各不相同。 根據(jù)巖體變形破壞的模擬試驗(yàn)和理論研究，結(jié)合大量地根據(jù)巖體變形破壞的模擬試驗(yàn)和理論研究，結(jié)合大量地質(zhì)觀察資料，可以從巖體變形破壞過(guò)程中劃分出若干基本單質(zhì)觀察資料，可以

56、從巖體變形破壞過(guò)程中劃分出若干基本單元井用這些單元的特定組合表征巖體變形機(jī)制和演進(jìn)特元井用這些單元的特定組合表征巖體變形機(jī)制和演進(jìn)特征建立巖體變形破壞的地質(zhì)力學(xué)模式?；镜淖冃纹屏褑握鹘r體變形破壞的地質(zhì)力學(xué)模式。基本的變形破裂單元可分為拉裂、蠕滑元可分為拉裂、蠕滑( (滑移滑移) )彎曲和塑流四種彎曲和塑流四種 拉裂拉裂(fracturing)(fracturing)，為拉斷破裂，包括以拉應(yīng)力為，為拉斷破裂，包括以拉應(yīng)力為主造成的拉裂（主造成的拉裂（tensile cracking)tensile cracking)和以壓應(yīng)力為主造和以壓應(yīng)力為主造成的壓致拉裂成的壓致拉裂(compress

57、ion cracking)(compression cracking)共力學(xué)特征共力學(xué)特征表現(xiàn)為彈性介質(zhì)模型表現(xiàn)為彈性介質(zhì)模型 蠕滑蠕滑(creep sliding)(creep sliding)為剪切變形破壞，包括沿某為剪切變形破壞，包括沿某潛在剪切面的剪切蠕變潛在剪切面的剪切蠕變(creepshearing(creepshearing) )、沿原有結(jié)構(gòu)、沿原有結(jié)構(gòu)面的滑移面的滑移(sliding)(sliding)和介于兩者之間的蠕變一滑移，即和介于兩者之間的蠕變一滑移，即蠕滑蠕滑( (圖圖3 350)50)。其流變特征一般屬粘彈。其流變特征一般屬粘彈粘塑性介質(zhì)粘塑性介質(zhì)模型模型. . 彎

58、曲彎曲(bending)(bending)系指彎曲變形，按受力方式可分為系指彎曲變形，按受力方式可分為橫彎曲和縱彎曲，按支撐約束方式可分為簡(jiǎn)支梁、并橫彎曲和縱彎曲，按支撐約束方式可分為簡(jiǎn)支梁、并伸梁和懸臂梁彎曲等。其流變特征一般屬粘彈伸梁和懸臂梁彎曲等。其流變特征一般屬粘彈帖塑帖塑性介質(zhì)模型性介質(zhì)模型. . 以上四個(gè)變形破裂單元中，后三者具有明顯的時(shí)間效以上四個(gè)變形破裂單元中，后三者具有明顯的時(shí)間效應(yīng)，它們決定了巖體變形破壞演化過(guò)程中的時(shí)間效應(yīng)特征。應(yīng)，它們決定了巖體變形破壞演化過(guò)程中的時(shí)間效應(yīng)特征。拉裂的產(chǎn)生往往具有突發(fā)性，是巖體演變進(jìn)程中可能引起拉裂的產(chǎn)生往往具有突發(fā)性，是巖體演變進(jìn)程中可

59、能引起空隙水壓力躍變的重要因素空隙水壓力躍變的重要因素. . 對(duì)不同荷載條件下巖體變形破壞過(guò)程所怍分析表明，對(duì)不同荷載條件下巖體變形破壞過(guò)程所怍分析表明，各變形破裂單元井非單獨(dú)產(chǎn)生，一種單元的出現(xiàn)總是伴有各變形破裂單元井非單獨(dú)產(chǎn)生，一種單元的出現(xiàn)總是伴有另外一些單元，并且往往是一對(duì)互為因果的單元對(duì)巖體變另外一些單元，并且往往是一對(duì)互為因果的單元對(duì)巖體變形破壞進(jìn)程起主導(dǎo)作用，反映丁演化過(guò)程中內(nèi)在的力學(xué)機(jī)形破壞進(jìn)程起主導(dǎo)作用，反映丁演化過(guò)程中內(nèi)在的力學(xué)機(jī)制因而，據(jù)此可將巖體的變形破壞機(jī)制劃分為若干基本制因而，據(jù)此可將巖體的變形破壞機(jī)制劃分為若干基本的地質(zhì)力學(xué)模式（圖的地質(zhì)力學(xué)模式（圖3-513-51）。）。 (1)(1)蠕滑蠕滑( (滑移滑移) )拉裂可發(fā)生在各類(lèi)巖體中，但以塊拉裂可發(fā)生在各類(lèi)巖體中，但以塊狀，層狀和散體狀巖體中多見(jiàn)表現(xiàn)為一定形狀的巖體沿狀，層狀和散體狀巖體中多見(jiàn)表現(xiàn)為一定形狀的巖體沿巖體中原有的巖體中原有的0 0軟弱面或潛在剪切面的蠕滑，井伴有向滑軟弱面或潛在剪切面的蠕滑，井伴有向滑移面方向逐漸收斂的拉裂，如圖移面方向逐漸收斂的拉裂，如圖3 351511 1所示斜坡體中所示斜坡體中的這類(lèi)變形往往可于變形體的后緣直接觀測(cè)到拉裂縫，它的這類(lèi)變形往往可于變形體的后緣直接觀測(cè)到拉裂縫，它