巖體的變形與破壞

第三章巖體的變形與破壞3.1基本概念及研究意義變形：巖體的宏觀連續(xù)性無明顯變化者。破壞：巖體的宏觀連續(xù)性已發(fā)生明顯變化。巖體破壞的基本形式：（機(jī)制）剪切破壞和拉斷（張性）破壞。一、巖體破壞形式與受力狀態(tài)的關(guān)系巖體破壞形式與圍巖大小有明顯關(guān)系。注意：巖全破壞機(jī)制的轉(zhuǎn)化隨圍壓條件的變化而變化。破壞機(jī)制轉(zhuǎn)化的界限圍壓稱破壞機(jī)制轉(zhuǎn)化圍壓。1/5~1/4[σ]不可拉斷轉(zhuǎn)化為剪切。1/3~2/3[σ]可由剪切轉(zhuǎn)化為塑性破壞。有人認(rèn)為（納達(dá)），可用σ2偏向σ1的程度來劃分應(yīng)力狀態(tài)類型。應(yīng)力狀態(tài)類型參數(shù)（＝1，即σ2＝σ1；＝－1，即σ2＝σ3）二、巖體破壞形式與巖體結(jié)構(gòu)的關(guān)系低圍壓條件下巖石三軸試驗(yàn)表明:堅(jiān)硬的完整巖體主要表現(xiàn)為張性破壞。含軟弱結(jié)構(gòu)面的塊狀巖體，當(dāng)結(jié)構(gòu)面與最大主應(yīng)力夾角合適時(shí)，則表現(xiàn)為沿結(jié)構(gòu)面的剪切。碎裂巖體的破壞方式介于二者之間。碎塊狀或散體狀巖體主要為塑性破壞。對第一種情況，某破壞判據(jù)已經(jīng)介紹很多了。第二種情況，可采用三向應(yīng)力狀態(tài)莫爾圓圖解簡單判斷。三、巖體的強(qiáng)度特征單軸應(yīng)力狀態(tài)時(shí)，結(jié)構(gòu)與方向決定了巖體的破壞形式。復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)時(shí)，含一組結(jié)構(gòu)面的巖體破壞形式與巖體性質(zhì)、結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀，應(yīng)力狀態(tài)關(guān)系很大。3.2巖體在加荷過程中的變形與破壞3.2.1拉斷破壞機(jī)制與過程一、拉應(yīng)力條件下的拉斷破壞當(dāng)時(shí)，拉應(yīng)力對巖石破壞起主導(dǎo)作用。二、壓應(yīng)力條件下的拉斷破壞壓應(yīng)力條件下裂縫尖端拉應(yīng)力集中最強(qiáng)的部位位于與主壓應(yīng)力是地方向上，并逐漸向與平行地方向擴(kuò)展。當(dāng)時(shí)，破壞準(zhǔn)則為：

=0時(shí)為單軸壓拉斷。3.2.2剪切變形破壞機(jī)制與過程一、潛在剪切面剪斷機(jī)制與過程A．滑移段B．鎖固段進(jìn)入穩(wěn)定破裂階段后，巖體內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)變化復(fù)雜。產(chǎn)生一系列破裂。（1）拉張分支裂隙的形成，原理同前。（2）不穩(wěn)定破裂階段法向壓碎帶的形成，削弱鎖固段巖石。（3）潛在剪切面貫通。剪脹，壓碎帶剪壞，鎖固段變薄弱，最終全面貫通。剪切破壞過程中巖石銷固段被各個(gè)擊破，所以整個(gè)剪切過程中剪切位段具有脈動的特征。3.2.2剪切變形破壞機(jī)制與過程二、單剪應(yīng)力條件下變形破壞機(jī)制與過程即力偶作用于有一定厚度的剪切帶中。這種應(yīng)力條件下可出現(xiàn)的兩種破壞，張性雁裂和壓扭性雁裂。其中張性雁裂對軟弱帶的強(qiáng)度削弱最大。三、沿已有結(jié)構(gòu)面剪切機(jī)制及過程（略）3.2.3彎曲變表破壞機(jī)制與過程一、彎曲變形的基本形式按受力條件：橫彎、縱彎。按約束條件：簡支梁、外伸梁、懸臂梁。梁彎曲時(shí)，軸受擠壓，兩翼受剪力作用→板梁滑脫二、橫彎條件下巖體的彎形與破壞a.軸部區(qū)若以，代表巖石的曲服應(yīng)力。b.橫彎滑脫滑脫可緩解軸部應(yīng)力集中現(xiàn)象，亦可使翼部應(yīng)變能釋放。但可引起地震。極梁彎曲變形分三個(gè)階段。①輕微隆起階段彎曲初期。梁底中心兩側(cè)出現(xiàn)局部塑性破壞，頂部受拉，但尚未破壞。（H/D=1.8%），H上隆量。②強(qiáng)列隆起階段隨彎曲加劇，軸部頂、底均出現(xiàn)破壞區(qū)，并有上下貫通的趨勢。H/D=7.8%。③折斷破壞階段破壞進(jìn)一步擴(kuò)展，最終連通、折斷破壞。（H/D=4.8%）三、縱彎曲條件下巖體的變形與破壞a.極梁的屈曲的應(yīng)力條件由經(jīng)典歐拉公式，簡支梁條件下，屈曲的縱向壓力其中慣性矩J=bh3/12（矩形梁板時(shí)取單寬）則臨界應(yīng)力多層板梁組合情況（二層介質(zhì)），等厚n：板梁層數(shù)彎曲段波長：三、縱彎曲條件下巖體的變形與破壞b.軸部的變形與破壞亦可分為三個(gè)階段：①輕微隆起階段，頂部拉裂，底部出現(xiàn)剖面x節(jié)理。②強(qiáng)裂隆起階段，頂部拉裂向縱深發(fā)展，底部x節(jié)理，護(hù)展層為中性層。③剪斷破壞階段，x節(jié)理與拉裂面貫通，或切斷板梁形成逆沖斷裂。大多數(shù)背斜符合縱彎模式。四、縱彎過程中的滑脫分兩種形式：背斜式滑脫：軸部虛脫，翼部單剪式剪裂。向斜式滑脫：主要發(fā)生向臨空面方向的滑脫，甚至核部擠出。（地面剝蝕）3.3巖體在卸荷過程中的變形與破壞3.3.1基本類型拉裂面：拉應(yīng)力集中部位壓致拉裂面：平行臨空面的拉裂面剪裂面：層間剪切滑段基坑底板彎曲隆起等。3.3.2差異性卸荷回彈造成的破裂一、張性破裂面a.材料性質(zhì)不同造成b.應(yīng)力歷史不同造成顆粒受壓變形，后期膠結(jié)，膠結(jié)物未經(jīng)壓縮，卸荷面導(dǎo)致顆粒與膠結(jié)物接觸界面上的拉裂。裂紋之高部受壓亦相同。3.3.2差異性卸荷回彈造成的破裂二、剪切破裂以狀巖芯為典型其本質(zhì)也是差異性卸荷回彈，所不同的是其差異性卸荷回彈是由受限面引起的。3.3.3卸荷造成的變形、破裂空間組合模式

3.4動荷載（略）

3.5巖體變形破壞過程中的時(shí)間效應(yīng)分兩種類型：蠕變、松馳3.5.1巖石變形時(shí)間效應(yīng)介質(zhì)模型經(jīng)典的描述介質(zhì)流變性能的本構(gòu)模型為馬克斯韋爾模型和開爾文模型。這種模型僅考慮了粘性和彈性性質(zhì)，而沒有考慮巖石介質(zhì)的塑性性質(zhì)。經(jīng)過這些單元的不同組合，可形成各種各樣巖體的流變本構(gòu)模型。巖體力學(xué)課程已介紹。3.5.2巖體的累進(jìn)性破壞和加速蠕變累進(jìn)性破壞，即應(yīng)力變化不大，巖體中的微裂縫不斷的擴(kuò)展、轉(zhuǎn)移直至整體破壞。流變試驗(yàn)已經(jīng)證實(shí)，只有應(yīng)力水平達(dá)到或超過其長期強(qiáng)度，加速蠕變階段才能出現(xiàn)（累進(jìn)性破壞）。3.5.3巖體變形破壞與應(yīng)變速率的關(guān)系由馬克斯韋爾模型來說明。應(yīng)變：（）應(yīng)變速率：

c=＋當(dāng)時(shí)，即常數(shù)，常數(shù)。應(yīng)為等速蠕變，巖體內(nèi)應(yīng)力保持不變。當(dāng)<0，則C<，巖體松馳。當(dāng)>0，則C>，巖體內(nèi)應(yīng)力有增加趨勢，直至達(dá)到新的平衡。巖體變形過程存在一臨界應(yīng)變速率C0。當(dāng)C<C0時(shí)，無加速蠕變。反之，當(dāng)C>C0時(shí)，加速蠕變，可導(dǎo)致巖體破壞可能。當(dāng)應(yīng)變速率C降低，巖體內(nèi)應(yīng)力將逐漸減小，松馳。3.5.4粘滑和嵌入蠕變粘滑：指剪切破壞過程中，由于動、靜摩擦角的差異或由于凸起體剪斷、翻越，或由于轉(zhuǎn)動磨擦中的翻轉(zhuǎn)所造成的剪切位移突躍現(xiàn)象。粘滑現(xiàn)象可能與剪切上的凸起體嵌入蠕變機(jī)制有關(guān)。嵌入時(shí)，靜磨擦系數(shù)將提高。3.5.4粘滑和嵌入蠕變結(jié)論：①按運(yùn)動特征，沿結(jié)構(gòu)面的滑移分穩(wěn)滑和粘滑面種基本類型。穩(wěn)滑狀態(tài)的產(chǎn)生條件：結(jié)構(gòu)面平堤或有足夠厚的夾泥。勻速滑動②粘滑時(shí)釋放的能量大小不僅與粘滑機(jī)制有關(guān)，對某一特定剪切滑移，停止活動承受法向應(yīng)力時(shí)間愈長，則粘滑時(shí)釋放的能量也就愈高。3.6空隙水壓力在巖體變形破壞中的作用一、有效應(yīng)力原理在巖體中的適用性完全適用注意：其對巖體強(qiáng)度的影響。

顯然，τ’<τ。即存在時(shí)，巖體強(qiáng)度降低。二、空隙水壓力變化對巖體變形破壞的影響↗，↘。反之變?nèi)??？障端畨毫ψ兓颍孩俚叵滤a(bǔ)排條件變化（略）②巖體受荷狀態(tài)變化形成超孔隙水壓力如地震，土力學(xué)介紹很多。③巖體變形、破裂封閉水體，破裂形成使空隙水壓力降低甚至形成負(fù)壓，形成膨脹強(qiáng)化現(xiàn)象。非封閉水體，破裂擴(kuò)容超過地下水補(bǔ)給，亦可形成膨脹強(qiáng)化現(xiàn)象?！八畵簟爆F(xiàn)象。3.7巖體變形、破壞的地質(zhì)力學(xué)模式巖體變形的基本單元拉裂含