第三章巖體的變形與破壞

第三章巖體的變形與破壞第一頁，共一百三十五頁，編輯于2023年，星期四3.1基本概念及研究意義

變形：巖體承受應(yīng)力，就會在體積、形狀或宏觀連續(xù)性上發(fā)生某種變化（解釋）。宏觀連續(xù)性無明顯變化者稱為變形（deformation)。

破壞：如果宏觀連續(xù)性發(fā)生了顯著變化的稱為破壞（failure)。巖體變形破壞的方式與過程既取決于巖體的巖性、結(jié)構(gòu)，也與所承受的應(yīng)力狀態(tài)及其變化有關(guān)。3.1基本概念及研究意義第二頁，共一百三十五頁，編輯于2023年，星期四

為什么要研究這兩個問題，因為巖體在變形發(fā)展與破壞過程中，除巖體內(nèi)部結(jié)構(gòu)與外型不斷發(fā)生變化外，巖體的應(yīng)力狀態(tài)也隨之調(diào)整，并引起彈性變形和釋放等效應(yīng)。區(qū)域穩(wěn)定和巖體穩(wěn)定工程分析中的一個核心問題就是要對上述變化和效應(yīng)作出預(yù)測和評價，并論證它們對人類工程活動的影響。本章首先討論不同荷載條件下巖體變形破壞機制和過程；在此基礎(chǔ)上討論變形破壞過程中的時間效應(yīng)及巖體中空隙水壓力對巖體變形破壞的影響。3.1基本概念及研究意義第三頁，共一百三十五頁，編輯于2023年，星期四3.1.1巖體變形破壞的基本過程與階段劃分根據(jù)裂隙巖石的三軸壓縮實驗過程曲線，可大致將塊狀巖體受力變形破壞過程劃分為五個階段：見圖3.1基本概念及研究意義第四頁，共一百三十五頁，編輯于2023年，星期四圖3-1三軸壓應(yīng)力作用下巖石的變形破壞過程3.超過彈性極限（屈服點），巖體進入塑性變形階段，體內(nèi)開始出現(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，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)，破裂仍會不斷的累進性發(fā)展。首先從薄弱環(huán)節(jié)開始，然后應(yīng)力在另一個薄弱環(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)，進入彈性變形階段。該過程的長短視巖石堅硬程度而定。5.強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度3.1基本概念及研究意義第五頁，共一百三十五頁，編輯于2023年，星期四

上述各階段不同的巖體會存在一些差異，但所有巖體都具有如下一些共性：（1）巖體的最終破壞是以形成貫通性破壞面，并分裂成相互脫離的塊體為其標(biāo)志。（2）變形過程中所具有的階段性特征是判斷巖體或地質(zhì)體演變階段、預(yù)測其發(fā)展趨勢的重要依據(jù)。（3）變形過程中還包含恒定應(yīng)力的長期作用下的蠕變（或流變）。即變形到破壞有時經(jīng)歷一個相當(dāng)長的時期，過程中蠕變效應(yīng)意義重大。巖體的不穩(wěn)定發(fā)展階段相當(dāng)于加速蠕變階段，進入此階段的巖體達到最終破壞已勢在必然，僅僅是個時間的問題。判斷進入加速蠕變階段的變形標(biāo)志和臨界應(yīng)力狀態(tài)是一個重要的課題。3.1基本概念及研究意義第六頁，共一百三十五頁，編輯于2023年，星期四3.1.2巖體破壞的基本形式

根據(jù)巖體破壞機制可將巖體破壞劃分為剪性破壞和張性破壞兩類。巖體破壞剪斷破壞剪性破壞張性破壞剪切滑動破壞塑性破壞3.1基本概念及研究意義第七頁，共一百三十五頁，編輯于2023年，星期四（a)拉斷破壞；(b)剪斷破壞；(c)塑性破壞3.1基本概念及研究意義第八頁，共一百三十五頁，編輯于2023年，星期四破壞方式影響因素：

荷載條件、巖性、結(jié)構(gòu)及所處的環(huán)境特征及配合情況

3.1.2.1巖體變形破壞形式與受力狀態(tài)的關(guān)系

巖石的三軸實驗表明，巖石破壞形式與圍壓的大小有明顯的關(guān)系。（1）當(dāng)在負圍壓及低圍壓條件下巖石表現(xiàn)為拉破壞；（2）隨著圍壓增高將轉(zhuǎn)化為剪破壞；（3）當(dāng)圍壓升高到一定值以后，表現(xiàn)為塑性破壞。3.1基本概念及研究意義第九頁，共一百三十五頁，編輯于2023年，星期四

破壞機制轉(zhuǎn)化的界限稱為破壞機制轉(zhuǎn)化圍壓（如表3-1）。從表中可以看出，由拉破壞轉(zhuǎn)化為簡斷破壞的轉(zhuǎn)化圍壓為1/5——1/4[σ]（巖石單軸抗拉強度），由剪切轉(zhuǎn)化為塑性破壞的轉(zhuǎn)化圍壓為1/3—2/3[σ]。3.1基本概念及研究意義第十頁，共一百三十五頁，編輯于2023年，星期四

在三向應(yīng)力狀態(tài)，中間主應(yīng)力（σ2）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質(zhì)的一個重要因素。納達（1970）提出σ2偏向最大主應(yīng)力或最小主應(yīng)力的“應(yīng)力狀態(tài)類型參數(shù)”—α來劃分應(yīng)力狀態(tài)類型：α=（2σ2-σ1-σ3）/（σ1-σ3）;當(dāng)α=1時，即σ2=σ1，為拉伸應(yīng)力狀態(tài)；當(dāng)α=-1時，即σ2=σ3，為壓縮應(yīng)力狀態(tài)。3.1基本概念及研究意義第十一頁，共一百三十五頁，編輯于2023年，星期四3.1.2.2巖體破壞形式與巖體結(jié)構(gòu)特征關(guān)系

在低圍壓條件下巖石的三軸試驗表明：（1）在相同的應(yīng)力狀態(tài)下完整塊體狀堅硬巖石表現(xiàn)為張性破壞，通常釋放出高的彈性應(yīng)變能；（2）含有軟弱結(jié)構(gòu)面的塊狀巖體，當(dāng)結(jié)構(gòu)面與最大主應(yīng)力之間角度合適時，則表現(xiàn)為沿結(jié)構(gòu)面剪切滑動破壞；（3）碎裂狀巖體的破壞方式介于二者之間；（4）碎塊狀或散體狀巖體，表現(xiàn)為塑性破壞。3.1基本概念及研究意義第十二頁，共一百三十五頁，編輯于2023年，星期四3.1.3巖體的強度特征

巖體的強度不能簡單地用巖石的強度來表示。它不僅與巖體的巖性、結(jié)構(gòu)、巖體的受力狀態(tài)有關(guān)，而且還決定于巖體的可能破壞方式。設(shè)結(jié)構(gòu)面與最大主應(yīng)力夾角α。模擬實驗表明：（1）0o<α<8o或42o<α<52o巖體破壞破壞形式將部分沿結(jié)構(gòu)面剪切滑移、部分剪斷完整巖石，此時巖石的強度與結(jié)構(gòu)面和巖石的抗剪性能有關(guān)。3.1基本概念及研究意義第十三頁，共一百三十五頁，編輯于2023年，星期四圖3-4三種破壞形式的極限應(yīng)力系數(shù)(n)①沿結(jié)構(gòu)面滑動；②剪斷完整巖石；③部分沿結(jié)構(gòu)面，部分剪斷巖石3.1基本概念及研究意義第十四頁，共一百三十五頁，編輯于2023年，星期四（2）8o<α<42o巖體的破壞將采取沿結(jié)構(gòu)面剪切滑移的形式。此時，巖體的強度受結(jié)構(gòu)面抗剪性能及其方位所控制；（3）α>52o時巖體破壞為剪斷完整巖體。以上討論的為巖體的極限強度。巖體由彈性變形階段進入塑性變形階段的臨界應(yīng)力稱為巖體的屈服強度（σy）巖體進入不穩(wěn)定破裂發(fā)展階段的臨界應(yīng)力稱為長期強度（σc）。巖體遭受最終破壞以后仍然保存有一定的強度，稱為殘余強度。3.1基本概念及研究意義第十五頁，共一百三十五頁，編輯于2023年，星期四3.2巖體在加荷過程中的變形與破壞3.2.1拉斷破壞機制與過程3.2.1.1拉應(yīng)力條件下的拉斷破壞拉應(yīng)力條件下巖石的拉斷破壞過程十分暫短。根據(jù)格里菲斯破壞準(zhǔn)則，當(dāng)σ1+3σ3≤0時，拉應(yīng)力σ3對巖石的破壞起主導(dǎo)作用，此時拉破壞準(zhǔn)則為：

〔σ3〕=-St（St：巖石的抗拉強度）當(dāng)巖體中的結(jié)構(gòu)面處于有利位置時，巖體的抗拉強度遠低于巖石，拉斷破壞更易發(fā)生。3.2巖體在加荷過程中的變形與破壞第十六頁，共一百三十五頁，編輯于2023年，星期四3.2.1.2壓應(yīng)力條件下的拉斷破壞

壓應(yīng)力條件下的拉斷破壞過程要復(fù)雜得多。此時切向拉應(yīng)力集中最強的部位位于與主應(yīng)力方向夾角β為30-40o的裂隙的端部，因而破壞首先在這樣一些方位有利的裂隙端部出現(xiàn)，隨之?dāng)U展為分支裂隙（J2t）。其初始方向與原有裂隙長軸方向間夾角為2β，隨后逐漸轉(zhuǎn)向與最大主應(yīng)力平行。隨破裂的發(fā)展，隙壁上切向拉應(yīng)力集中程度也隨之而降低，當(dāng)分支裂隙轉(zhuǎn)為平行于最大主應(yīng)力方向后即自動停止擴展。故此階段屬穩(wěn)定破裂發(fā)展階段。3.2巖體在加荷過程中的變形與破壞第十七頁，共一百三十五頁，編輯于2023年，星期四3.2巖體在加荷過程中的變形與破壞第十八頁，共一百三十五頁，編輯于2023年，星期四

這類張裂隙的形成機制區(qū)別于前者，稱為壓致拉裂（compressionfracture）

隨著壓應(yīng)力的進一步增高，已出現(xiàn)的分支裂隙將進一步擴展，其它方向稍稍不利的裂隙端部也將產(chǎn)生分之裂隙。巖體中出現(xiàn)一系列與最大主應(yīng)力方向平行的裂隙。這些裂隙可表現(xiàn)為具有一定的等距特征，是巖體板裂化的主要形成機制之一。壓應(yīng)力增高至裂隙貫通，則導(dǎo)致破壞。3.2巖體在加荷過程中的變形與破壞第十九頁，共一百三十五頁，編輯于2023年，星期四按格里菲斯準(zhǔn)則，當(dāng)σ1+3σ3>0時其破壞準(zhǔn)則為（σ1-σ3）2/（σ1+σ3）=8St(巖石的抗拉強度）單軸條件下，〔σ1〕=8St三向壓應(yīng)力條件下有：（σ1-σ2）2+（σ2-σ3）2+（σ1-σ32/（σ1+σ2+σ3）=24St

3.2巖體在加荷過程中的變形與破壞第二十頁，共一百三十五頁，編輯于2023年，星期四3.2.2剪切變形破壞機制與過程3.2.2.1完整巖體的剪斷破壞機制與過程

一完整巖體的剪斷破壞具有明顯的階段性。經(jīng)壓密、彈性變形兩個階段進入破裂階段以后，內(nèi)部變形破裂變形十分復(fù)雜（圖3－9）。3.2巖體在加荷過程中的變形與破壞第二十一頁，共一百三十五頁，編輯于2023年，星期四1.沿潛在剪切面的剪斷機制與過程（1）拉張分支裂隙的形成與擴展（2）法向壓碎帶的形成（3）潛在剪切面的貫通3.2巖體在加荷過程中的變形與破壞第二十二頁，共一百三十五頁，編輯于2023年，星期四2.單剪應(yīng)力條件下的破壞變形機制與過程當(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（simpleshear）應(yīng)力條件下或一對力偶作用下的變形破壞。在所形成的破裂跡象中較為常見和具有代表性的是雁列破裂面。這種破裂面進一步分為張性雁列和壓扭性雁列兩類，排列方式正好相反。張性雁列縫T的生長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45°，有時還可形成共扼的兩組低次序剪切裂隙。

壓扭性雁列縫P生長方向與剪動方向夾角大約與巖石材料內(nèi)摩擦角相當(dāng)。兩者有時可在同一剪切帶中疊加產(chǎn)出。3.2巖體在加荷過程中的變形與破壞第二十三頁，共一百三十五頁，編輯于2023年，星期四3.2巖體在加荷過程中的變形與破壞第二十四頁，共一百三十五頁，編輯于2023年，星期四3.2巖體在加荷過程中的變形與破壞第二十五頁，共一百三十五頁，編輯于2023年，星期四3.2.2.2沿原有結(jié)構(gòu)面的剪切機制與過程

這類破壞機制及過程與結(jié)構(gòu)面特征密切相關(guān)。斷續(xù)結(jié)構(gòu)面，其剪切破壞過程與前者相近，這里著重討論連續(xù)性較好的結(jié)構(gòu)面(帶),按其抗剪性能可分為平面摩擦、糙面摩擦和轉(zhuǎn)動(滾動)摩擦三類。1.平面摩擦表現(xiàn)為平面摩擦特征的結(jié)構(gòu)面，通常為地質(zhì)歷史過程中曾經(jīng)遭受過剪切滑動、隨后又未膠結(jié)的結(jié)構(gòu)面，如層間錯動面、扭性斷裂面、滑動面等。這類結(jié)構(gòu)面在其形成過程中，隨剪切滑動的發(fā)展，結(jié)構(gòu)面的抗剪強度已接近殘余強度(圖3—13①)；某些充填有足夠厚的塑性夾泥致使隙面的起伏差和糙度已不起控制作用的結(jié)構(gòu)面，亦具平面摩擦特征，其抗剪強度由夾泥的性能所決定。3.2巖體在加荷過程中的變形與破壞第二十六頁，共一百三十五頁，編輯于2023年，星期四

對于這類結(jié)構(gòu)面，一旦剪應(yīng)力達到結(jié)構(gòu)面的殘余抗剪強度，或外力作用方向與結(jié)構(gòu)面法線方向間夾角α(稱傾斜角)等于或大于平面摩擦角φs(一般情況相當(dāng)于殘余摩擦角φr)時，即S=σtgφs或α≥φs則剪切滑動發(fā)生。在三向應(yīng)力狀態(tài)下的起動判據(jù)，可采用公式(3一2，假定不考慮C值，則有:3.2巖體在加荷過程中的變形與破壞第二十七頁，共一百三十五頁，編輯于2023年，星期四

（ncr為應(yīng)力系數(shù)）結(jié)構(gòu)面的動摩擦角φk低于其靜摩擦角φs,兩者相差的程度與巖石性質(zhì)、接觸面的光滑程度、溫度，充填物的性質(zhì)，滑移速度，濕度以及振動狀況都有關(guān)。某些材料試驗表明動、靜摩擦角的差別可以十分懸殊(如鑄鐵的φs，為48，而其φk值僅為830′).因而剪切位移一旦起動，由于靜、動摩擦相差懸殊，可出現(xiàn)突躍的剪切位移，即所謂粘滑stick—slip)現(xiàn)象。3.2巖體在加荷過程中的變形與破壞第二十八頁，共一百三十五頁，編輯于2023年，星期四3.2巖體在加荷過程中的變形與破壞第二十九頁，共一百三十五頁，編輯于2023年，星期四3.2巖體在加荷過程中的變形與破壞第三十頁，共一百三十五頁，編輯于2023年，星期四如果圖3—14中滑塊為一不受彈簧約束的自由塊，一旦起動并在外力持續(xù)作用的條件下，可獲得一定加速度作繼續(xù)運動，直至外力降至F2后[圖3—14(b)]，才轉(zhuǎn)為減速制動。

以上分析表明，受這類結(jié)構(gòu)面控制的滑移運動對外力十分敏感。沿這類結(jié)構(gòu)面的滑動也具有脈動特征，通常認為沿其發(fā)生的穩(wěn)滑很可能是由一系列小階步脈動滑移所組成，或?qū)偃鋭踊菩再|(zhì)。

3.2巖體在加荷過程中的變形與破壞第三十一頁，共一百三十五頁，編輯于2023年，星期四2糙面摩擦具這類摩擦特征的結(jié)構(gòu)面，通常為地質(zhì)歷史過程中來遭受過明顯剪動的結(jié)構(gòu)面，如張性斷裂面，原生波狀面等。這類結(jié)構(gòu)面具有明顯的起伏差或凸起體，就其表面形態(tài)可分為曲齒狀，鋸齒狀和波狀三類[圖3—15(a)]并且在大的起伏面上還可劃分出次一級起伏[圖3-15(b)]。剪切破壞可能有三種情況：(1)越過凸起體相對兩個面的凸起體相互滑過而不發(fā)生破壞。這種方式發(fā)生在結(jié)構(gòu)面法向(有效)應(yīng)力低，起體起伏角(i)較緩且剛度較高的情況下。此時發(fā)生剪動的條件為：S=σtg(φJ+i)(3—10)3.2巖體在加荷過程中的變形與破壞第三十二頁，共一百三十五頁，編輯于2023年，星期四

剪動過程具有以下動態(tài)特征：①均勻的波狀面，隨剪切位移（u）的增大,i值也隨之變化。以正弦波狀面為例，在u=0-1/4λ區(qū)段，i=f(u)為增函數(shù);u=1/4-1/2λ段，f(u)為減函數(shù)。當(dāng)u越過1／2λ時，i室為負值。上述過程中，剪切帶也將以λ／2為周期發(fā)生剪脹和閉合交替現(xiàn)象。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。但齒端應(yīng)力集中現(xiàn)象較前者更強烈，往往被壓碎，其發(fā)展趨勢使鋸齒面向波狀面演化(圖3—16)。齒端剪斷階段[圖3－16（c）]時的抗剪強度為：S=σtgφ0+acC0(3-10)3.2巖體在加荷過程中的變形與破壞第三十三頁，共一百三十五頁，編輯于2023年，星期四式中：φ0、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。剪切的繼續(xù)發(fā)展，其強度則與波狀面的情況類似[圖3－16（d）]③天然起伏面，大數(shù)呈不規(guī)則狀態(tài)。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。隨剪動進展，起伏角將由那些寬緩且在相應(yīng)法應(yīng)力條件下不會被剪斷的凸起體的平均坡角（i）所決定，強度表達式分別為：起動階段：Sa=σtg(φJ+i)+acC0)(3-11)剪斷后S=σtg(φJ+i)(3-12)式中：αc為剪斷的凸起體所占面積比。3.2巖體在加荷過程中的變形與破壞第三十四頁，共一百三十五頁，編輯于2023年，星期四3.2巖體在加荷過程中的變形與破壞第三十五頁，共一百三十五頁，編輯于2023年，星期四上述特征說明，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。（2）剪斷凸起體剪切過程中將凸起體剪斷（圖3－17）。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。不過研究表明，即使法向應(yīng)力為零的條件下，i角大于550－650的凸起體（凸齒狀結(jié)構(gòu)面，[圖3－17（a）]仍會被剪斷，此時發(fā)生剪斷滑動的條件為： (3-13)式中：(1-ac)相當(dāng)于無凸起體的平滑段所占比例。3.2巖體在加荷過程中的變形與破壞第三十六頁，共一百三十五頁，編輯于2023年，星期四

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。根據(jù)這一破壞機制，可采用巖石的單軸抗壓強度（RC)和抗拉強度（St)來確定其抗剪強度，費赫斯特（Fairhurst,1964）提出的表達式為： (3-14)式中：3.2巖體在加荷過程中的變形與破壞第三十七頁，共一百三十五頁，編輯于2023年，星期四3.2巖體在加荷過程中的變形與破壞第三十八頁，共一百三十五頁，編輯于2023年，星期四

(3)刻痕或犁槽凸起體在其相對面上刻痕或犁槽，這也是一種普遍現(xiàn)象，但都發(fā)生于凸起體的硬度不低于對面的硬度時。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。為刻(犁)槽提供的內(nèi)聚力；t為刻(犁)槽所占面積比例。有關(guān)其剪動過程,將在時間效應(yīng)一節(jié)中討論。

3.2巖體在加荷過程中的變形與破壞第三十九頁，共一百三十五頁，編輯于2023年，星期四

由以上討論可見，糙面摩擅所具有的高于平面摩擦的強度值，均與凸起體的特征有關(guān)，它的剪動過程與前述剪斷過程有相似之處．當(dāng)施加的剪應(yīng)力低于該面的峰值強度，但已超過其殘余強度時，即當(dāng)：f＝0時，沿結(jié)構(gòu)面的剪切變形仍有可能進入破裂發(fā)展階毆，甚至可能進入不穩(wěn)定破裂發(fā)展階段，通過累進性破壞導(dǎo)致最終破壞．這是因為那些凸起部位與鎖固段B一樣，也將是剪應(yīng)力高度集中的部位，且凸起愈陡，應(yīng)力集中程度也將愈高。此外，諸凸起體的抗剪強度也可因巖性的下均一而有所不同．這樣，3.2巖體在加荷過程中的變形與破壞第四十頁，共一百三十五頁，編輯于2023年，星期四那些應(yīng)力集中程度已超過凸起體的極限強度的部位，將立即被剪斷，而那些應(yīng)力稍低但已達到使凸起體的變形進入不穩(wěn)定破裂發(fā)展階段的部位，也會由于破裂的累進發(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。這種“各個擊破”的破壞方式繼續(xù)進行的結(jié)果，常能使巖體沿這類結(jié)構(gòu)面突然喪失穩(wěn)定性，而且一旦破壞，共強度急劇降低，因而所造成的破壞往往是突發(fā)而迅猛的，能迅速釋放出大量動能。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．

3.2巖體在加荷過程中的變形與破壞第四十一頁，共一百三十五頁，編輯于2023年，星期四

對于這類結(jié)構(gòu)面，正確判定其是否已進入發(fā)生累進性破壞的不穩(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3.5-4．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度來確定結(jié)構(gòu)面的峰值抗剪強度： (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0-20之間；3.2巖體在加荷過程中的變形與破壞第四十二頁，共一百三十五頁，編輯于2023年，星期四3.2巖體在加荷過程中的變形與破壞第四十三頁，共一百三十五頁，編輯于2023年，星期四JCS代表結(jié)構(gòu)面邊壁的抗壓強度，可用回彈儀在現(xiàn)場直接測定，φb為結(jié)構(gòu)邊壁的基本摩擦角(接近殘余摩擦角φr)，由試驗或經(jīng)驗確定;σn為結(jié)構(gòu)面上的有效法向應(yīng)力。該公式不考慮巖石的內(nèi)聚力，直接從結(jié)構(gòu)面邊壁的抗壓強度與其實際承受的法向應(yīng)力兩者來確定糙度在增強抗剪強度方面所起的作用，該值可作為確定結(jié)構(gòu)面的長期抗剪強度的重要參考值。3.2巖體在加荷過程中的變形與破壞第四十四頁，共一百三十五頁，編輯于2023年，星期四3.轉(zhuǎn)動摩擦和滾動摩擦當(dāng)剪切是沿某一碎塊體構(gòu)成的剪切帶，或沿夾有許多碎塊的斷裂面發(fā)生時，被兩組或兩組以上的結(jié)構(gòu)面切割的塊體或碎塊可能發(fā)生轉(zhuǎn)動，這種碎塊的轉(zhuǎn)動將成為這類結(jié)構(gòu)面（帶）剪動的控制機制。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。4.分離“碎塊”的轉(zhuǎn)動摩擦由圖3—19(a)①可見，剪動過程中六面體碎塊將以其底面的邊棱線為轉(zhuǎn)動軸(該軸線在圖面上投影為o點)。這樣，上滑面的運動軌跡由碎塊上軸點o的對角點P的運動軌跡所決定。3.2巖體在加荷過程中的變形與破壞第四十五頁，共一百三十五頁，編輯于2023年，星期四P點的運動軌跡為一條以o為圓心，以斜邊長oP為半徑的圓弧線C（圖3—19(a)②)。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)。如果不考慮滑塊間的面摩擦，則該坡角即為轉(zhuǎn)動時的摩擦角φ，它應(yīng)與處于極限平衡狀態(tài)時作用力的傾斜角α一致[圖3一19（a）①)。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。隨后，Φ隨碎塊的轉(zhuǎn)動角γ而呈線性降低（圖3-19（a)③）,即3.2巖體在加荷過程中的變形與破壞第四十六頁，共一百三十五頁，編輯于2023年，星期四3.2巖體在加荷過程中的變形與破壞第四十七頁，共一百三十五頁，編輯于2023年，星期四

f＝d－l(3-17)當(dāng)對角線OP直立（a=0)時：l＝d即f＝0此時上滑面抬升至最高點，繼續(xù)滑動將使碎塊“翻轉(zhuǎn)”（故稱d角為翻轉(zhuǎn)角）。上下滑面的間距開始縮短，剪脹變?yōu)樨撝担琭值也將變?yōu)樨撝?，滑面將承受平行與滑動方向的拉應(yīng)力。

3.2巖體在加荷過程中的變形與破壞第四十八頁，共一百三十五頁，編輯于2023年，星期四2.緊貼碎塊的轉(zhuǎn)動摩擦（1）當(dāng)碎塊相互緊貼時，如仍以碎塊轉(zhuǎn)動方式起動，則尚需克服以下附加摩擦阻力：

式中：scn為接觸面法向應(yīng)力；fs為接觸面摩擦角（不考慮內(nèi)聚力）；tc×b為相對于O點的力矩，則阻止碎塊轉(zhuǎn)動的附加阻力為：

單位附加阻力為：3.2巖體在加荷過程中的變形與破壞第四十九頁，共一百三十五頁，編輯于2023年，星期四隨碎塊轉(zhuǎn)動，Sc’為l的減函數(shù)（假定scn無明顯變化）；（3－18）（2）碎塊與主滑面接觸端錯位摩擦阻力（Sc2）。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。根據(jù)公式3－18可見,轉(zhuǎn)動一旦起動，摩擦阻力也將隨之降低（圖3－19（b）③）。3.2巖體在加荷過程中的變形與破壞第五十頁，共一百三十五頁，編輯于2023年，星期四

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?。?，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?s值明顯偏低或碎塊因側(cè)向松弛，接觸面抗剪強度顯著降低的情況下才有可能發(fā)生轉(zhuǎn)動，并且通?？偸前l(fā)生在碎塊的原始傾角λ比較接近傾倒角δ的情況下；3.2巖體在加荷過程中的變形與破壞第五十一頁，共一百三十五頁，編輯于2023年，星期四（4）轉(zhuǎn)動剪動一旦起動，摩擦角將隨之而降低，甚至變?yōu)樨撝?，因而剪切位移的躍變（粘滑）現(xiàn)象也十分明顯，并且往往造成突發(fā)性破壞；（5）碎塊的邊角越多，愈趨向于圓球形，則其翻轉(zhuǎn)角δ也愈小乃至接近于零，此時轉(zhuǎn)動摩擦將變?yōu)闈L動摩擦。后者為前者的一種極端情況，滾動摩擦角?變得很小。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。3.2巖體在加荷過程中的變形與破壞第五十二頁，共一百三十五頁，編輯于2023年，星期四3.2.3彎曲變形破壞機制與過程

3.2.3.1巖體彎曲變形的基本類型與主要特征

近地表巖體和工程巖體中所發(fā)生的彎曲變形，都表現(xiàn)為具有一定塑性和延性變形特征，并伴有脆性破裂。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)?，F(xiàn)象與理論計算表明，彎曲板梁的軸部和翼部變形破裂的機制與過程有明顯差別。

3.2巖體在加荷過程中的變形與破壞第五十三頁，共一百三十五頁，編輯于2023年，星期四3.2巖體在加荷過程中的變形與破壞第五十四頁，共一百三十五頁，編輯于2023年，星期四

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)。翼部區(qū)則主要表現(xiàn)為剪應(yīng)力集中所造成的變形與破裂，這方面的問題已在前一節(jié)中作了詳細討論；值得注意的是由此造成的板梁之間的滑脫脫離現(xiàn)象；有的研究者稱為彎曲滑動或分離滑動(如圖3-21(b)，由于滑脫的產(chǎn)生，軸部區(qū)的應(yīng)力集中現(xiàn)象也有所緩解，影響了軸部區(qū)的演化方式。滑脫還可表現(xiàn)為多種其他方式。3.2巖體在加荷過程中的變形與破壞第五十五頁，共一百三十五頁，編輯于2023年，星期四3.2.3.2橫彎曲條件下巖體的變形與破壞

1.軸部區(qū)的變形與破壞現(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：(3-19)3.2巖體在加荷過程中的變形與破壞第五十六頁，共一百三十五頁，編輯于2023年，星期四第五十七頁，共一百三十五頁，編輯于2023年，星期四當(dāng)σ達到巖石屈服應(yīng)力σy，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％。3.2巖體在加荷過程中的變形與破壞第五十八頁，共一百三十五頁，編輯于2023年，星期四(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?，模型的H／D為2.8％。(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4.9％。3.2巖體在加荷過程中的變形與破壞第五十九頁，共一百三十五頁，編輯于2023年，星期四2.橫彎曲過程中的滑脫（下圖）3.2巖體在加荷過程中的變形與破壞第六十頁，共一百三十五頁，編輯于2023年，星期四3.2.3.3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。

3.2巖體在加荷過程中的變形與破壞第六十一頁，共一百三十五頁，編輯于2023年，星期四1．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（σcr)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：3.2巖體在加荷過程中的變形與破壞第六十二頁，共一百三十五頁，編輯于2023年，星期四

（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）。3.2巖體在加荷過程中的變形與破壞第六十三頁，共一百三十五頁，編輯于2023年，星期四

2.軸部區(qū)的變形與破壞按彈性理論，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。3.2巖體在加荷過程中的變形與破壞第六十四頁，共一百三十五頁，編輯于2023年，星期四3.2巖體在加荷過程中的變形與破壞第六十五頁，共一百三十五頁，編輯于2023年，星期四

3．縱彎曲過程中的滑脫(1)背斜式滑脫可有多種形式．圖3--21(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3--12(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3--26(b)]，也可因軟巖“上涌"而造成滑脫[圖3--26(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)。3.2巖體在加荷過程中的變形與破壞第六十六頁，共一百三十五頁，編輯于2023年，星期四(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3--28(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a--28(c)）?；摪l(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3--14)，因而波及范圍可達到圖3－28（d）所示范圍。3.2巖體在加荷過程中的變形與破壞第六十七頁，共一百三十五頁，編輯于2023年，星期四3.2巖體在加荷過程中的變形與破壞第六十八頁，共一百三十五頁，編輯于2023年，星期四3.2巖體在加荷過程中的變形與破壞第六十九頁，共一百三十五頁，編輯于2023年，星期四3．3巖體在卸荷過程中的變形與破壞3.3·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。3.3巖體在卸荷過程中的變形與破壞第七十頁，共一百三十五頁，編輯于2023年，星期四在拉應(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3.3巖體在卸荷過程中的變形與破壞第七十一頁，共一百三十五頁，編輯于2023年，星期四

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。3.3.2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)]。3.3巖體在卸荷過程中的變形與破壞第七十二頁，共一百三十五頁，編輯于2023年，星期四3.3.2.應(yīng)力史不同造成的差異回彈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)。3.3巖體在卸荷過程中的變形與破壞第七十三頁，共一百三十五頁，編輯于2023年，星期四

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3.3巖體在卸荷過程中的變形與破壞第七十四頁，共一百三十五頁，編輯于2023年，星期四

3.3.2.2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。3.3巖體在卸荷過程中的變形與破壞第七十五頁，共一百三十五頁，編輯于2023年，星期四圖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)。3.3巖體在卸荷過程中的變形與破壞第七十六頁，共一百三十五頁，編輯于2023年，星期四

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。3.3巖體在卸荷過程中的變形與破壞第七十七頁，共一百三十五頁，編輯于2023年，星期四3.3巖體在卸荷過程中的變形與破壞第七十八頁，共一百三十五頁，編輯于2023年，星期四由圖可見，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l(wèi)0)。3.3巖體在卸荷過程中的變形與破壞第七十九頁，共一百三十五頁，編輯于2023年，星期四3.3巖體在卸荷過程中的變形與破壞第八十頁，共一百三十五頁，編輯于2023年，星期四

3.3.3卸荷造成變形破裂的空間組合模式

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(σy)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。3.3巖體在卸荷過程中的變形與破壞第八十一頁，共一百三十五頁，編輯于2023年，星期四3．4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(stresswave)，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)]。3.4巖體在動荷載條件下的變形與破壞第八十二頁，共一百三十五頁，編輯于2023年，星期四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。

3.4巖體在動荷載條件下的變形與破壞第八十三頁，共一百三十五頁，編輯于2023年，星期四

3.4.2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(σr)和透射波應(yīng)力(σt）它們與入射波應(yīng)力(σ1)之間有如下關(guān)系：σt＝2σ1/（1＋n）（3－29）σr＝

σ1（1－n）/（1+n)（3－30）式中：n＝（ρ1E1/ρ2E2）1/2=ρ1Vp1/ρ2Vp2ρ1、ρ2、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。3.4巖體在動荷載條件下的變形與破壞第八十四頁，共一百三十五頁，編輯于2023年，星期四

(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E1>E2時，由于n>1，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。顯然，這種情況對巖體的穩(wěn)定性是很不利的。科茨曾指出，爆炸在靠近自由面的巖石內(nèi)發(fā)生時，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，促進其被拉裂。(2)應(yīng)力波穿過軟弱夾層或斷層破碎帶時，由于應(yīng)力波的反射機制和低強度巖石吸收了大量的能量，所以這些軟弱帶成為一個阻擋動應(yīng)力的屏障，它使傳入其后的動應(yīng)力顯著削弱(圖3—38)。3.4巖體在動荷載條件下的變形與破壞第八十五頁，共一百三十五頁，編輯于2023年，星期四3.4.3動荷載作用下巖體變形破壞特征

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。

3.4巖體在動荷載條件下的變形與破壞第八十六頁，共一百三十五頁，編輯于2023年，星期四

3.4.3.1變形破壞的分布規(guī)律

在爆破動應(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3－39b、c區(qū)）并由于壓力波的反射機制，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。3.4巖體在動荷載條件下的變形與破壞第八十七頁，共一百三十五頁，編輯于2023年，星期四

3.4.3.2

動應(yīng)力效應(yīng)

巖體穩(wěn)定性評價中更為關(guān)注的是動應(yīng)力的參與對巖體(穩(wěn)定性的影響，應(yīng)注意以下兩方面效應(yīng)。3.4巖體在動荷載條件下的變形與破壞第八十八頁，共一百三十五頁，編輯于2023年，星期四

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。因而當(dāng)巖體中某些軟弱結(jié)構(gòu)面本身巳具有或儲有足夠的剪切應(yīng)變能時，應(yīng)力波(如地震或爆破引起的震動)的介入則有可能促進這些結(jié)構(gòu)面發(fā)生破裂，如巖體穩(wěn)定性已接近臨界狀態(tài)，或某一控制畫已近于貫通，由于震動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(參見圖9一15)。(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。

3.4巖體在動荷載條件下的變形與破壞第八十九頁，共一百三十五頁，編輯于2023年，星期四

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，或越過某些凸起體，造成抗剪強度顯著削弱，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)3.4巖體在動荷載條件下的變形與破壞第九十頁，共一百三十五頁，編輯于2023年，星期四3.5巖體變形破壞過程中的時間效應(yīng)

巖體變形破壞過程中的時間效應(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，巖體的累進性破壞機制和剪切粘滑機制等，也都與時間效應(yīng)有關(guān)。3.5巖體變形破壞過程中的時間效應(yīng)第九十一頁，共一百三十五頁，編輯于2023年，星期四

研究證明，堅硬巖石即使在低應(yīng)力的長期持續(xù)作用下，也會像流體那樣具有粘滯流動的性質(zhì)，因而提出了伯格斯模(Burgersmodel)。它由馬克斯韋爾模型與凱爾文模型串聯(lián)而成(圖3—41(a)]，屬復(fù)合粘彈性模型，用來表示較堅硬巖石的流變特征．其蠕變應(yīng)變εT表示為： （3－31）3.5巖體變形破壞過程中的時間效應(yīng)第九十二頁，共一百三十五頁，編輯于2023年，星期四式中：E1、E2和η1、η2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)試驗求得。堅硬巖石的上述性能已為室內(nèi)模擬試驗和大量野外調(diào)查資料所證實(詳見第九章)。伯格斯模型的應(yīng)變是沒有極限的，作為一種復(fù)合粘彈性模型，它的應(yīng)變將無限制地作粘性流動，不反映何時屈服，因而不能全面地表示巖石介質(zhì)的性能。實踐證明巖石介質(zhì)粘彈性流動到一定程度以后，或應(yīng)力超過某一屈服值(σy)，將進入塑性狀態(tài)。賓漢姆(Bingham)模型考慮了這一情況，建立了由彈性、粘性和塑性三個元件組成的彈-粘塑性

3.5巖體變形破壞過程中的時間效應(yīng)第九十三頁，共一百三十五頁，編輯于2023年，星期四

模型。西原模型將賓漢姆模型與凱爾文模型串聯(lián)起來，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≤σy時（3－32）σ＞σy時（3－33）更為完善的介質(zhì)流變模型仍在探索中．朗格(Langer)在第四屆國際巖石力學(xué)大會的流變學(xué)綜合報告中指出，經(jīng)過修正的索弗爾德-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)]。3.5巖體變形破壞過程中的時間效應(yīng)第九十四頁，共一百三十五頁，編輯于2023年，星期四

由以上分析可見，當(dāng)σ>σy時，巖石實際表現(xiàn)為塑性流動．巖體中由于軟巖的塑性流動而產(chǎn)生的現(xiàn)象是相當(dāng)普遍的，即使表層巖體在重力場作用下，也會發(fā)生塑流。圖3－42所示河谷谷底所見“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3.5巖體變形破壞過程中的時間效應(yīng)第九十五頁，共一百三十五頁，編輯于2023年，星期四圖3－42下伏粘土或軟巖塑流造成河床“鼓起”的實例

（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－頁巖；⑦－冰磧層（b）盧西蘭河床中泥質(zhì)頁巖的擠出（據(jù)查魯巴，1956）①－早白堊紀(jì)泥質(zhì)頁巖；②－方沸粗玄巖；③－板巖；④－河床中擾動的頁巖3.5巖體變形破壞過程中的時間效應(yīng)第九十六頁，共一百三十五頁，編輯于2023年，星期四土或泥質(zhì)頁巖在上覆巖層重力壓縮下，向河谷長期緩慢塑性流動所造成，軟巖的塑流和“鼓起”使上覆巖體發(fā)生彎曲、下陷或斷裂。3.5.2巖體的累進性破壞和加速蠕變

前述分析已指出，巖體承受的應(yīng)力一旦超過了它的長期強度，則將進入累進性破壞階段，它相當(dāng)子巖體的加速蠕變階段。巖石的蠕變試驗曲線(圖3－43)表明，僅當(dāng)荷載達到或超過某臨界值(相當(dāng)巖石的長期強度)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)進入加速蠕變階段，并最終導(dǎo)致破壞。試驗還證明，巖石的應(yīng)變速率c隨荷載增高而增大[圖3－43(b)]，同時加速蠕變達到最終破壞所經(jīng)歷的時間也隨之縮短。3.5巖體變形破壞過程中的時間效應(yīng)第九十七頁，共一百三十五頁，編輯于2023年，星期四圖3－43砂巖梁彎曲蠕變試驗關(guān)系曲線3.5巖體變形破壞過程中的時間效應(yīng)第九十八頁，共一百三十五頁，編輯于2023年，星期四

在巖體穩(wěn)定性分析中，對巖體變形破壞作時、空預(yù)測時，需要判定巖體進入累進性破壞的臨界應(yīng)力狀態(tài)，也需要判定不同條件下累進性破壞發(fā)展為最終破壞所需要經(jīng)歷的時間，這是一項十分重要的工作，但迄今為止尚無成熟的經(jīng)驗和方法，有待于進一步研究。為確定巖體的長期強度，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)驗規(guī)定當(dāng)連續(xù)率大于5O％時，結(jié)構(gòu)面的抗剪強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)面上不同等級的起伏[參見圖3－15(b)]也應(yīng)分別對待。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度。同時，還必須考慮巖抗風(fēng)化和抵抗地下水等外營力作用的能力，這些作用降低了巖體的強度，促進累進性破壞的發(fā)生和進展。3.5巖體變形破壞過程中的時間效應(yīng)第九十九頁，共一百三十五頁，編輯于2023年，星期四

在實際工作中可以根據(jù)巖體動態(tài)長觀資料來預(yù)測巖體的變形破壞，例如地下洞室圍巖變性形長現(xiàn)資料、邊破位移長觀資料等。圖3－44所示為某露天采礦邊坡的位移－時間曲線圖，根據(jù)1969年1月13日以前所測得的資料，初步判定邊坡巖體于10月底至11月初進入加速蠕變階段，并且根據(jù)曲線A的延伸情況成功地預(yù)測到邊坡于l969年2月18日發(fā)生破壞。

3.5巖體變形破壞過程中的時間效應(yīng)第一百頁，共一百三十五頁，編輯于2023年，星期四3.5.3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一步討論巖體應(yīng)變速率與其變形破壞的關(guān)系。為簡便起見，以上述模型中含有底馬克斯韋爾模型為例進行討論．其蠕變應(yīng)變表達式為： （3－34）則應(yīng)變速率C表示為： （3－35）由上式可見：當(dāng)C＝時，＝0，亦即＝0，σ為常值，也就是說此時巖體內(nèi)的應(yīng)力保持不變；3.5巖體變形破壞過程中的時間效應(yīng)第一百零一頁，共一百三十五頁，編輯于2023年，星期四

當(dāng)C<σ/η時，σ<o，則巖件內(nèi)的應(yīng)力有隨時間遞減的趨勢，亦即應(yīng)力松弛；當(dāng)C>σ/η時，σ>o，則巖體內(nèi)的應(yīng)力有隨時間遞增的趨勢，直到達到的應(yīng)力值與應(yīng)變速率C相適應(yīng)時為止。由上可見，巖體變形過程中存在著一個臨界應(yīng)變速率(C0，如花崗巖，根據(jù)伊藤等的試驗，C0為(10-14－10-13）/s），從這一概念出發(fā)，可得出以下兩點重要認識：(1)當(dāng)巖體的實際應(yīng)變速率低于臨界值C0時，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，繼之以隨時間增長的流變，巖體不分進入加速蠕變階段。相反，當(dāng)C等干或大干C0時，巖體變形進展必將進入加速蠕變階段，巖體內(nèi)應(yīng)力不斷積累，則可能最終導(dǎo)致巖體破壞。

3.5巖體變形破壞過程中的時間效應(yīng)第一百零二頁，共一百三十五頁，編輯于2023年，星期四(2)當(dāng)應(yīng)變速率因某種原因轉(zhuǎn)為遞減趨勢或降為零時，巖體內(nèi)已積累的應(yīng)力將隨時間而松弛。例如當(dāng)式3－5中C＝0時，則有或兩側(cè)積分得：式中：σ0為巖體內(nèi)初始應(yīng)力。積分后得：3.5巖體變形破壞過程中的時間效應(yīng)第一百零三頁，共一百三十五頁，編輯于2023年，星期四也就式說，巖體中的應(yīng)力降為初始應(yīng)力的1／2.718所需的時t＝η/E，該時間稱之為松弛期(relaxationtime)，以T表示。以灰?guī)r為例，設(shè)粘滯系數(shù)？泊，彈性模量E＝6.5×109N／cm2，則松弛期T約等于3200年。所以，一些研究者認為地殼表層高地應(yīng)力區(qū)通常總是和近期構(gòu)造變動有關(guān)。在實際工作中，可以應(yīng)用地貌第四紀(jì)分析或設(shè)立變形精測裝置來估算或測定沿斷裂面、滑移面的歷史的或現(xiàn)時的應(yīng)變速率，據(jù)此時巖體變形破壞進行預(yù)報。這種預(yù)報方法不需要了解變形隨時間的變化趨勢，因而它能更早地預(yù)見巖體變形破壞所處發(fā)展階段和發(fā)展趨勢。故：（3－36）當(dāng)t=η/E時，則3.5巖體變形破壞過程中的時間效應(yīng)第一百零四頁，共一百三十五頁，編輯于2023年，星期四

(3-37)式中：α為常數(shù)；P1為單位時間內(nèi)測得的被嵌入物的抗嵌入強度。由于凸起體嵌入面積隨時間而增大，所以，無論是剪斷凸起體、還是在接觸面中犁槽，結(jié)構(gòu)面的抗剪阻力都有所增高，因而可以想象，結(jié)構(gòu)面的靜摩擦系數(shù)fs也將因嵌入蠕變的進展而有所增高，兩者之間的關(guān)系可定量表示為： (3-38)式：fs為單位接觸面時間的摩擦系數(shù)。

3.5巖體變形破壞過程中的時間效應(yīng)第一百零五頁，共一百三十五頁，編輯于2023年，星期四這就意味著嵌入蠕變時間增長，結(jié)構(gòu)面靜摩擦與動摩擦之間的差值增大，因而粘滑發(fā)生時能釋放出更大的能量。由上還可推論，在滑動中凸起體嵌入的面積A以及與此相關(guān)的動摩擦系數(shù)fk與滑動的速度（V）有關(guān)，滑動速度愈快，接觸嵌入的時間也愈短暫，所以A和fk兩者均隨速度的增大而降低，可以下列關(guān)系式表示： (3-39) (3-40)式中：β為取決于常數(shù)α和凸起體形狀的常數(shù);fk相當(dāng)于S/P1(S為嵌入體抗剪強度）3.5巖體變形破壞過程中的時間效應(yīng)第一百零六頁，共一百三十五頁，編輯于2023年，星期四由上述關(guān)系式可見，僅當(dāng)滑動速度保持不變時，A和fk才為常值．據(jù)以上試驗和分析，可得出兩點結(jié)論：(1)按運動特征，沿結(jié)構(gòu)面的滑移有穩(wěn)滑與粘滑兩種基本類型，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速運動相累．世界著名的美國圣安德烈斯大斷層的某些段是自然界宏觀穩(wěn)滑斷裂的極好實例。據(jù)研究和觀測，該斷層中平直段，斷層帖土充填物的分布可選12km深．并且一直保持著平均約3cm／s左右的滑動速率．可以想見，任伺處于穩(wěn)滑狀態(tài)的斷裂面，都會因滑動速率的陡然增、減而引起粘滑或孕育著斷的粘滑.

3.5巖體變形破壞過程中的時間效應(yīng)第一百零七頁，共一百三十五頁，編輯于2023年，星期四

(2)粘滑時釋放的能量的大小不但與不同的粘滑機制有關(guān)，對于某一特定的剪切滑移面而言，停止活動承受法向應(yīng)力的時間愈長則粘滑時釋放的舵量也就愈高．以上兩點對于分析地震的發(fā)震機制，以及闡明巖體失穩(wěn)時滑動的動力特征，都具有十分重要的意義，

3.5巖體變形破壞過程中的時間效應(yīng)第一百零八頁，共一百三十五頁，編輯于2023年，星期四

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用主要可歸為兩個方畫：一是地下水與巖體間發(fā)生機械的、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)生的力學(xué)方面的相互作用．它不斷地改變著作用雙方的力學(xué)狀態(tài)和特性。AB面上的應(yīng)力可用圖3－45（c）的莫爾圓表示。由該圖可見，空隙水壓力的作用使整個莫爾圓向左側(cè)移動，AB面上有效正應(yīng)力（s）降低，等于總正應(yīng)力（）減去空隙水壓力（pw），即：s＝

－pw

由于空隙水壓力垂直作用于結(jié)構(gòu)面，因此它對剪應(yīng)力不發(fā)生影響，即：

s＝第一百零九頁，共一百三十五頁，編輯于2023年，星期四這樣，干燥巖體AB平面上的抗剪強度：S＝tg＋c而含空隙水時，AB平面上的抗剪強度：S＝（－pw)tg

+c(3-41)

上述關(guān)系表明，由于空隙水壓力的作用，巖體強度降低了pwtg，結(jié)構(gòu)面也將因此而張開，引起巖體變形