第三章 岩体的变形与破坏

第三章岩体的变形与破坏•3.1基本概念及研究意义•变形：岩体承受应力，就会在体积、形状或宏观连续性上发生某种变化（解释）。宏观连续性无明显变化者称为变形（deformation)。•破坏：如果宏观连续性发生了显著变化的称为破坏（failure)。•岩体变形破坏的方式与过程既取决于岩体的岩性、结构，也与所承受的应力状态及其变化有关。•为什么要研究这两个问题，因为岩体在变形发展与破坏过程中，除岩体内部结构与外型不断发生变化外，岩体的应力状态也随之调整，并引起弹性变形和释放等效应。•区域稳定和岩体稳定工程分析中的一个核心问题就是要对上述变化和效应作出预测和评价，并论证它们对人类工程活动的影响。•本章首先讨论不同荷载条件下岩体变形破坏机制和过程；在此基础上讨论变形破坏过程中的时间效应及岩体中空隙水压力对岩体变形破坏的影响。•3.1.1岩体变形破坏的基本过程与阶段划分•根据裂隙岩石的三轴压缩实验过程曲线，可大致将块状岩体受力变形破坏过程划分为五个阶段：•见图图3-1三轴压应力作用下岩石的变形破坏过程3.超过弹性极限（屈服点），岩体进入塑性变形阶段，体内开始出现微破裂，且随应力差的增大而发展，当应力保持不变时，破裂也停止发展。由于微破裂的出现，岩体体积压缩速率减缓，而轴向应变速率和侧向应变速率均有所增高1.原有张性结构面逐渐闭合，充填物被压密，压缩变形具非线性特征，应力应变曲线呈缓坡下凹型4.微破裂的发展出现了质的变化：即使工作应力保持不变，由于应力的集中效应，破裂仍会不断的累进性发展。首先从薄弱环节开始，然后应力在另一个薄弱环节集中，依次下去，直至整体破坏。体积应变转为膨胀，轴应变速率和侧向应变速率加速增大2.经压密后，岩体从不连续介质转化为似连续介质，进入弹性变形阶段。该过程的长短视岩石坚硬程度而定5.强度丧失和完全破坏阶段：岩体内部的微破裂面发展为贯通性破裂面，岩体强度迅速减弱，变形继续发展，直至岩体被分成相互脱离的块体而完全破坏屈服强度•上述各阶段不同的岩体会存在一些差异，但所有岩体都具有如下一些共性：•（1）岩体的最终破坏是以形成贯通性破坏面，并分裂成相互脱离的块体为其标志。•（2）变形过程中所具有的阶段性特征是判断岩体或地质体演变阶段、预测其发展趋势的重要依据。•（3）变形过程中还包含恒定应力的长期作用下的蠕变（或流变）。即变形到破坏有时经历一个相当长的时期，过程中蠕变效应意义重大。岩体的不稳定发展阶段相当于加速蠕变阶段，进入此阶段的岩体达到最终破坏已势在必然，仅仅是个时间的问题。判断进入加速蠕变阶段的变形标志和临界应力状态是一个重要的课题。•3.1.2岩体破坏的基本形式••根据岩体破坏机制可将岩体破坏划分为剪性破坏和张性破坏两类。岩体破坏剪断破坏剪性破坏张性破坏剪切滑动破坏塑性破坏（a)拉断破坏；(b)剪断破坏；(c)塑性破坏•破坏方式影响因素：荷载条件、岩性、结构及所处的环境特征及配合情况•3.1.2.1岩体变形破坏形式与受力状态的关系岩石的三轴实验表明，岩石破坏形式与围压的大小有明显的关系。（1）当在负围压及低围压条件下岩石表现为拉破坏；（2）随着围压增高将转化为剪破坏；（3）当围压升高到一定值以后，表现为塑性破坏。•破坏机制转化的界限称为破坏机制转化围压（如表3-1）。从表中可以看出，由拉破坏转化为简断破坏的转化围压为1/5——1/4[σ]（岩石单轴抗拉强度），由剪切转化为塑性破坏的转化围压为1/3—2/3[σ]。•在三向应力状态，中间主应力（σ2）与最大主应力、最小主应力之间的比值关系上决定岩石破坏性质的一个重要因素。纳达（1970）提出σ2偏向最大主应力或最小主应力的“应力状态类型参数”—α来划分应力状态类型：•α=（2σ2-σ1-σ3）/（σ1-σ3）;•当α=1时，即σ2=σ1，为拉伸应力状态；•当α=-1时，即σ2=σ3，为压缩应力状态。3.1.2.2岩体破坏形式与岩体结构特征关系在低围压条件下岩石的三轴试验表明：（1）在相同的应力状态下完整块体状坚硬岩石表现为张性破坏，通常释放出高的弹性应变能；•（2）含有软弱结构面的块状岩体，当结构面与最大主应力之间角度合适时，则表现为沿结构面剪切滑动破坏；•（3）碎裂状岩体的破坏方式介于二者之间；•（4）碎块状或散体状岩体，表现为塑性破坏。•3.1.3岩体的强度特征岩体的强度不能简单地用岩石的强度来表示。它不仅与岩体的岩性、结构、岩体的受力状态有关，而且还决定于岩体的可能破坏方式。设结构面与最大主应力夹角α。模拟实验表明：（1）0ºα8º或42ºα52º岩体破坏破坏形式将部分沿结构面剪切滑移、部分剪断完整岩石，此时岩石的强度与结构面和岩石的抗剪性能有关。图3-4三种破坏形式的极限应力系数(n)①沿结构面滑动；②剪断完整岩石；③部分沿结构面，部分剪断岩石（2）8ºα42º岩体的破坏将采取沿结构面剪切滑移的形式。此时，岩体的强度受结构面抗剪性能及其方位所控制；（3）α52º时岩体破坏为剪断完整岩体。以上讨论的为岩体的极限强度。岩体由弹性变形阶段进入塑性变形阶段的临界应力称为岩体的屈服强度（σy）岩体进入不稳定破裂发展阶段的临界应力称为长期强度（σc）。岩体遭受最终破坏以后仍然保存有一定的强度，称为残余强度。•3.2岩体在加荷过程中的变形与破坏•3.2.1拉断破坏机制与过程•3.2.1.1拉应力条件下的拉断破坏拉应力条件下岩石的拉断破坏过程十分暂短。根据格里菲斯破坏准则，当σ1+3σ3≤0时，拉应力σ3对岩石的破坏起主导作用，此时拉破坏准则为：〔σ3〕=-St（St：岩石的抗拉强度）当岩体中的结构面处于有利位置时，岩体的抗拉强度远低于岩石，拉断破坏更易发生。•3.2.1.2压应力条件下的拉断破坏•压应力条件下的拉断破坏过程要复杂得多。此时切向拉应力集中最强的部位位于与主应力方向夹角β为30-40º的裂隙的端部，因而破坏首先在这样一些方位有利的裂隙端部出现，随之扩展为分支裂隙（J2t）。其初始方向与原有裂隙长轴方向间夹角为2β，随后逐渐转向与最大主应力平行。随破裂的发展，隙壁上切向拉应力集中程度也随之而降低，当分支裂隙转为平行于最大主应力方向后即自动停止扩展。故此阶段属稳定破裂发展阶段。•这类张裂隙的形成机制区别于前者，称为压致拉裂（compressionfracture）•随着压应力的进一步增高，已出现的分支裂隙将进一步扩展，其它方向稍稍不利的裂隙端部也将产生分之裂隙。岩体中出现一系列与最大主应力方向平行的裂隙。这些裂隙可表现为具有一定的等距特征，是岩体板裂化的主要形成机制之一。•压应力增高至裂隙贯通，则导致破坏。•按格里菲斯准则，当σ1+3σ30时•其破坏准则为（σ1-σ3）2/（σ1+σ3）=8St(岩石的抗拉强度）•单轴条件下，〔σ1〕=8St•三向压应力条件下有：（σ1-σ2）2+（σ2-σ3）2+（σ1-σ32/（σ1+σ2+σ3）=24St•3.2.2剪切变形破坏机制与过程•3.2.2.1完整岩体的剪断破坏机制与过程一完整岩体的剪断破坏具有明显的阶段性。经压密、弹性变形两个阶段进入破裂阶段以后，内部变形破裂变形十分复杂（图3－9）。•1.沿潜在剪切面•的剪断机制与过程•（1）拉张分支裂隙的形成与扩展•（2）法向压碎带的形成•（3）潜在剪切面的贯通•2.单剪应力条件下的破坏变形机制与过程•当剪切变形发生在有一定厚度的剪切带中，表现为在单剪（simpleshear）应力条件下或一对力偶作用下的变形破坏。•在所形成的破裂迹象中较为常见和具有代表性的是雁列破裂面。这种破裂面进一步分为张性雁列和压扭性雁列两类，排列方式正好相反。张性雁列缝T的生长方向大体与单剪带中的最大主应力方向平行，与剪切方向夹角约45°，有时还可形成共扼的两组低次序剪切裂隙。•压扭性雁列缝P生长方向与剪动方向夹角大约与岩石材料内摩擦角相当。两者有时可在同一剪切带中叠加产出。•3.2.2.2沿原有结构面的剪切机制与过程•这类破坏机制及过程与结构面特征密切相关。断续结构面，其剪切破坏过程与前者相近，这里着重讨论连续性较好的结构面(带),按其抗剪性能可分为平面摩擦、糙面摩擦和转动(滚动)摩擦三类。•1.平面摩擦表现为平面摩擦特征的结构面，通常为地质历史过程中曾经遭受过剪切滑动、随后又未胶结的结构面，如层间错动面、扭性断裂面、滑动面等。这类结构面在其形成过程中，随剪切滑动的发展，结构面的抗剪强度已接近残余强度(图3—13①)；某些充填有足够厚的塑性夹泥致使隙面的起伏差和糙度已不起控制作用的结构面，亦具平面摩擦特征，其抗剪强度由夹泥的性能所决定。•对于这类结构面，一旦剪应力达到结构面的残余抗剪强度，或外力作用方向与结构面法线方向间夹角α(称倾斜角)等于或大于平面摩擦角φs(一般情况相当于残余摩擦角φr)时，•即S=σtgφs或α≥φs•则剪切滑动发生。•在三向应力状态下的起动判据，可采用公式(3一2，假定不考虑C值，则有:（ncr为应力系数）结构面的动摩擦角φk低于其静摩擦角φs,两者相差的程度与岩石性质、接触面的光滑程度、温度，充填物的性质，滑移速度，湿度以及振动状况都有关。某些材料试验表明动、静摩擦角的差别可以十分悬殊(如铸铁的φs，为48，而其φk值仅为830′).因而剪切位移一旦起动，由于静、动摩擦相差悬殊，可出现突跃的剪切位移，即所谓粘滑stick—slip)现象。如果图3—14中滑块为一不受弹簧约束的自由块，一旦起动并在外力持续作用的条件下，可获得一定加速度作继续运动，直至外力降至F2后[图3—14(b)]，才转为减速制动。以上分析表明，受这类结构面控制的滑移运动对外力十分敏感。沿这类结构面的滑动也具有脉动特征，通常认为沿其发生的稳滑很可能是由一系列小阶步脉动滑移所组成，或属蠕动滑移性质。•2糙面摩擦•具这类摩擦特征的结构面，通常为地质历史过程中来遭受过明显剪动的结构面，如张性断裂面，原生波状面等。这类结构面具有明显的起伏差或凸起体，就其表面形态可分为曲齿状，锯齿状和波状三类[图3—15(a)]并且在大的起伏面上还可划分出次一级起伏[图3-15(b)]。剪切破坏可能有三种情况：•(1)越过凸起体•相对两个面的凸起体相互滑过而不发生破坏。这种方式发生在结构面法向(有效)应力低，起体起伏角(i)较缓且刚度较高的情况下。此时发生剪动的条件为：•S=σtg(φJ+i)(3—10)剪动过程具有以下动态特征：①均匀的波状面，随剪切位移（u）的增大,i值也随之变化。以正弦波状面为例，在u=0-1/4λ区段，i=f(u)为增函数;u=1/4-1/2λ段，f(u)为减函数。当u越过1／2λ时，i室为负值。上述过程中，剪切带也将以λ／2为周期发生剪胀和闭合交替现象。②均匀的锯齿状结构面，剪动过程也具有上述类似特征。但齿端应力集中现象较前者更强烈，往往被压碎，其发展趋势使锯齿面向波状面演化(图3—16)。齿端剪断阶段[图3－16（c）]时的抗剪强度为：S=σtgφ0+acC0(3-10)ii式中：φ0、C0为岩石材料的内摩擦角和内聚力，ac为齿端剪断面所占比例。剪切的继续发展，其强度则与波状面的情况类似[图3－16（d）]③天然起伏面，大数呈不规则状态。剪切起始阶段，一些陡度大而形体窄小的凸起体将首先被剪断。随剪动进展，起伏角将由那些宽缓且在相应法应力条件下不会被剪断的凸起体的平均坡角（i）所决定，强度表达式分别为：起动阶段：Sa=σtg(φJ+i)+acC0)(3-11)剪断后S=σtg(φJ+i)(3-12)式中：αc为剪断的凸起体所占面积比。上述特征说明，这类结构面在剪动过程中也具有明显的脉动特征，且剪胀与压缩交替出现，这在岩体变形破坏论证中具有十分重要的意义。（2）剪断凸起体剪切过程中将凸起体剪断（图3－17）。这种现象较普遍，通常大量发生于高法向（有效）应力条件下。不过研究表明，即使法向应力为零的条件下，i角大于550－650的凸起体（凸齿状结构面，[图3－17（a）]仍会被剪断，此时发生剪断滑动的条件为：(3-13)式中：(1-ac)相当于无凸起体的平滑段所占比例