卸荷情況下的巖體

卸荷情況下的巖體分析前言巖體的力學(xué)狀態(tài)一般分為加載和卸載兩種方式。水電、交通工程中的巖體開(kāi)挖，從力學(xué)本質(zhì)上說(shuō)，主要是卸載，在高地應(yīng)力區(qū)表現(xiàn)尤為明顯。巖體的力學(xué)性能在加載與卸載條件下有本質(zhì)的區(qū)別。一般來(lái)說(shuō)，巖石本身在這兩種力學(xué)狀態(tài)下差別不大，但在含節(jié)理、裂隙等結(jié)構(gòu)面的巖體中，由于卸載產(chǎn)生大量的拉應(yīng)力，使結(jié)構(gòu)面的力學(xué)性能發(fā)生本質(zhì)變化，巖體的質(zhì)量迅速劣化，其力學(xué)特性不再符合加載情況下的研究結(jié)果。高邊坡開(kāi)挖是一個(gè)典型的卸載過(guò)程，采用傳統(tǒng)的加載條件下的計(jì)算模型與開(kāi)挖時(shí)產(chǎn)生的大面積卸載條件不相符合，其計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況出入較大，其本質(zhì)是由于計(jì)算模型與實(shí)際工程力學(xué)狀態(tài)不協(xié)調(diào)所致。因此，對(duì)邊坡開(kāi)挖的數(shù)值模擬，其計(jì)算荷載、巖體參數(shù)、本構(gòu)模型及計(jì)算軟件等都必須反映巖體的卸載特征，以取得較好的研究成果。本文從巖體卸載的觀點(diǎn)出發(fā)，并結(jié)合巖石卸載試驗(yàn)研究，推導(dǎo)相應(yīng)的加卸載準(zhǔn)則，建立卸載巖體的脆彈塑性本構(gòu)模型，同時(shí)，將本文的模型應(yīng)用于高邊坡的開(kāi)挖過(guò)程中。1巖體的卸荷力學(xué)過(guò)程自然界中的巖體是經(jīng)過(guò)了漫長(zhǎng)的復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造作用后的產(chǎn)物．并且，巖體在漫長(zhǎng)的地質(zhì)構(gòu)造作用過(guò)程中，形成了大小不等、方向各異的結(jié)構(gòu)面，也就是說(shuō)，現(xiàn)今巖體是經(jīng)過(guò)了各種不同作用后的損傷巖體，現(xiàn)存巖體中的應(yīng)力是殘余應(yīng)力(如圖所示)．圖中A點(diǎn)是經(jīng)過(guò)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)作用后，巖體的現(xiàn)今應(yīng)力狀態(tài)，其值(應(yīng)變?yōu)?．為殘留在巖體中的地應(yīng)力,屬巖體多次作用后的殘余應(yīng)力，為歷次構(gòu)造作用后達(dá)到的總變形，這種變形在歷次作用后已損失掉，無(wú)法考慮。如果巖體開(kāi)挖卸荷，則是殘余應(yīng)力進(jìn)一步釋放的過(guò)程．此時(shí)，曲線從A點(diǎn)沿AB向下移動(dòng)；如果巖體卸荷為零，則曲線達(dá)到B點(diǎn)；如果繼續(xù)卸荷使之產(chǎn)生移動(dòng)，則曲線繼續(xù)向下延伸至C點(diǎn)，巖體拉斷，即達(dá)到殘余抗拉強(qiáng)度．如果巖體受力曲線沿A點(diǎn)向上移動(dòng)，則表現(xiàn)為加荷，如果加荷至D點(diǎn)時(shí)，達(dá)到了巖體的殘余抗壓強(qiáng)度，曲線延伸至E點(diǎn)破壞．顯然，對(duì)于巖體開(kāi)挖卸荷而言，其受力過(guò)程是沿ABC移動(dòng)，這就是所謂的卸荷作用。2卸荷巖體的屈服準(zhǔn)則及本構(gòu)模型卸載巖體力學(xué)的研究主要涉及到3個(gè)方面的內(nèi)容：(1)必須建立嚴(yán)格的巖體加卸載準(zhǔn)則，明確加卸載的力學(xué)內(nèi)涵。(2)建立反映卸載力學(xué)特性的本構(gòu)關(guān)系，尤其是應(yīng)反映開(kāi)挖卸載過(guò)程中，地應(yīng)力釋放所導(dǎo)致的巖體受拉致裂紋損傷，以及由此形成的應(yīng)力各向異性。(3)建立反映巖體非線性卸載特性的數(shù)值計(jì)算方法。2．1加載、卸載的定義只有知道巖體所處的力學(xué)狀態(tài)，才能選用相應(yīng)的力學(xué)模型來(lái)正確分析其力學(xué)特性。本文針對(duì)工程上常用的Dmcker-Prager(D—P準(zhǔn)則和Mohr-Coulomb(M—C)準(zhǔn)則，推導(dǎo)出對(duì)應(yīng)于兩種準(zhǔn)則下的加卸載判斷準(zhǔn)則，在計(jì)算中，對(duì)巖體采用前者，各類斷層、結(jié)構(gòu)面采用后者。(1)一般加卸載準(zhǔn)則在應(yīng)力空間中，屈服函數(shù)可定義為(1)霜式中：探為應(yīng)力張量；胸為二階張量的砍內(nèi)變量；零k英為內(nèi)狀態(tài)變量漫；反<渾對(duì)應(yīng)彈性狀態(tài)粒，夢(mèng)=0惕對(duì)應(yīng)塑性旋(孝屈服秩)幫狀態(tài)。材料在伐塑性狀態(tài)下，乞?qū)λ惺┘討?yīng)牢力增量的反應(yīng)怨由不同的模型名描述。礦對(duì)于硬化材料帝，當(dāng)處丁屈服爭(zhēng)狀態(tài)時(shí)，對(duì)于粗所施加的應(yīng)力蟲(chóng)增量有駕3罪種反映：令(越1)胸產(chǎn)生塑性變形宜，屈服面向外桐擴(kuò)展。躬(竟2)辭由塑性狀態(tài)卸練載退回至彈性鞏狀態(tài)。沿(般3)模中性罵變載，從一個(gè)例塑性狀態(tài)過(guò)渡斃到另一個(gè)塑性伴狀態(tài)。硬化材塵料的加卸載準(zhǔn)窗則為將薦(2)其(轎2)爽基于影D硬—怕P歷準(zhǔn)則的加卸載季準(zhǔn)則莖D貞—翻P踐準(zhǔn)灰0殺的屈服函數(shù)表振達(dá)式為喂鵲伴(愛(ài)3)布式中：禾，炊為與巖體抗剪檢強(qiáng)度參數(shù)賀，銳染有關(guān)的系數(shù)；戚為應(yīng)力第一不來(lái)變量；榜具為偏應(yīng)力第二居不變量。計(jì)對(duì)式閘(屯3)匹兩端全微分（4）壩從上式可以看肥出，巖體的加批、卸載力學(xué)狀沉態(tài)取決于開(kāi)挖較后的附加應(yīng)力腹場(chǎng)餓及開(kāi)挖后的二繁次應(yīng)力場(chǎng)堅(jiān)。讀(境3)奴基于堡M游—決C劃準(zhǔn)則的加卸載辯準(zhǔn)則遵M疲—樣C州準(zhǔn)則的屈服函位數(shù)表達(dá)式持為膀涂傷（太5穿）式中：，丘代入式恰(君5)賺并對(duì)等號(hào)兩邊隆全微分或得察（6）式中：膠唐總可以證明：此百,巡遵.鋼從式泳(沖6)快可知，巖體的罪加卸載狀態(tài)只假與應(yīng)力增量即爹開(kāi)挖后的附加夜應(yīng)力場(chǎng)有關(guān)，偷與二次應(yīng)力場(chǎng)專無(wú)關(guān)。委2退．紋2炒來(lái)彈塑性本構(gòu)模大型孔巖體開(kāi)挖過(guò)程愿中，不同部位肚的力學(xué)狀態(tài)存疑在差異，加載斑和卸載都可能繡出現(xiàn)。對(duì)于處緒于加載力學(xué)狀感態(tài)下的巖體，絨可采用常規(guī)的雷彈塑性模型進(jìn)售行分析：處于殿卸載狀態(tài)下的揚(yáng)巖體，需采用馬基于損傷觀點(diǎn)韻的脆彈塑性模板型。邊坡在開(kāi)副挖卸載時(shí)，不棄僅會(huì)發(fā)生彈性顯變形、塑性變象形，同時(shí)，也診會(huì)發(fā)生裂縫變辭形。脆彈塑性攻損傷模型認(rèn)為抖，卸載巖體產(chǎn)路生的總變形等揮于噸3浙種變形之和，川即野低伸儀（董7奪）承式中：漸齊為彈性應(yīng)變?cè)鲰樍?，因甲為塑性?yīng)變?cè)鰯?shù)量，咬為裂縫應(yīng)變?cè)鍪樟俊Ｊ谑秸?騰7)當(dāng)為脆彈塑性損同傷力學(xué)模型的盾應(yīng)變?cè)隽勘磉_(dá)普式。當(dāng)確定了淚巖體的應(yīng)力狀狀態(tài)拋后，就可以進(jìn)司行巖體的仿真剛模擬分析銀(數(shù)以拉為正集)剛。爸若櫻，傷，魯均小于詞，且醋，巖體處于彈播性狀態(tài)，有介地波邪（幫8開(kāi)）折若雹蒸或缺或撓(箏為抗拉強(qiáng)度著)殼，巖體發(fā)生張蛋裂破壞，有孕隨你佳幕竄（毯9刑）郊式中：幸方向垂直于主逐拉應(yīng)力方向，方按拉裂損傷。令(盛3)丸狀歇若奏，她，且伴，則巖體處于弊彈塑性加載狀鍵態(tài)，按加載彈神塑性本構(gòu)關(guān)系戲計(jì)算，即唱冶睜英箏（鉗1遞0村）煩（蛙4街）叫拖若徹，扛，且荷，則巖體處于際彈塑性卸載狀鞠態(tài)，則按脆彈缸塑性損傷力學(xué)濕模型分析，獵箏即賽爆陜沿慶數(shù)（鋒1繡1架）3展望浸3.1假拿巖體卸荷狀態(tài)液下變形破壞的記宏觀、細(xì)觀機(jī)讓理歇目前，關(guān)于巖類體卸荷破壞的毒宏觀機(jī)理研究山已得到一定的疑發(fā)展，而細(xì)觀叢機(jī)理研究則剛格剛起步。所以社有必要通過(guò)一鑼系列的鼻(蝶室內(nèi)及現(xiàn)場(chǎng)鉛)青試驗(yàn)研究，利倦用損傷力學(xué)、稼斷裂力學(xué)和分熄形幾何理論，飽分析巖體的卸甜荷損傷破壞形眨式及其與卸荷桂路徑和自身組傾構(gòu)的關(guān)系，揭紛示巖體的卸荷叔破壞宏、細(xì)觀棵機(jī)理熊。腳3.2雄御巖體卸荷破壞悶的時(shí)效特性朋通常，巖體具民有黏滯性，其硬破壞過(guò)程是漸折進(jìn)的，表現(xiàn)出稻明顯的時(shí)間滯學(xué)后性。從理論膝上講，描述巖史體的卸荷破壞巧必須從巖體的妄流變及卸荷的胖時(shí)效兩方面來(lái)盜進(jìn)行。從工程恒上講，工程開(kāi)抵挖量的大小、耐開(kāi)挖方式、開(kāi)蓬挖時(shí)間及工程桑維護(hù)方式，顯殲然要影響到巖徑體的穩(wěn)定性。愛(ài)3.3化薦卸荷與其它介嚴(yán)質(zhì)耦合作用下產(chǎn)巖體的破壞機(jī)戴理灶在巖體工程中副不可避免地會(huì)廣牽涉到卸荷與繁滲流的耦合、推卸荷與溫度的綢耦合等問(wèn)題。林揭示上述耦合毒作用下巖體的猾破壞機(jī)理，是壟一項(xiàng)十分重要旗而又艱巨的研脖究工作。詢3.4弟瑞新興科學(xué)理論綿和技術(shù)的應(yīng)用衰損傷力學(xué)、斷雄裂力學(xué)、分形剛理論等新興科祖學(xué)理論能夠克鍋服傳統(tǒng)力學(xué)理駐論和方法的許危多不足，現(xiàn)已叨被應(yīng)用于巖體納的破壞機(jī)制及蝦巖石工程的研殊究中。而將這摩些理論應(yīng)用于凡巖體卸荷破壞瘡的研究，將是邊一項(xiàng)具有探索例意義的工作許。結(jié)論纏卸荷巖體力學(xué)想從哈秋艙教授趙提出發(fā)展到現(xiàn)遣在已有十余年苦了。隨著研究份的深入和工程肯實(shí)踐的不斷積將累和應(yīng)證，許霧多問(wèn)題得到認(rèn)刺識(shí)和提高，卸騎荷巖體