前言

近年来,随着我国三峡工程及南水北调等大型水利水电地下工程及边坡工程的开发建设,必然在实践中要遇到大量的高陡边坡及大型地下洞室开挖工程,开挖会引起岩体中原有地应力的释放,也就是岩体的卸荷过程。某些高陡边坡工程中,大面积大量卸荷是主要力学现象,其地应力释放量大,卸荷量级高,卸荷影响范围大,卸荷力学特征十分明显[1]。卸荷条件下岩体的力学特性与加载条件岩体的力学特性有本质区别,卸荷作用广泛存在于人类的工程活动和地质作用过程中,由于卸荷作用而导致的岩体变形破坏现象普遍存在,岩石卸荷力学特性越来越被人们所重视[2],国内外众多学者已开展了各种室内、室外卸荷试验,对岩体卸荷力学特性进行了研究,其研究结果对于开挖岩体在开挖过程中及开挖后的稳定性均具有十分重要的意义[3]。

岩体工程所处的地质环境往往非常复杂,在地质构造运动和人类工程活动的影响下,其应力状态也是非常复杂而且不断变化的,简单应力路径下的试验研究并不能反映工程的实际状态,随着岩石力学研究的不断深入,人们发现应力路径对岩石强度和变形有重要影响[4-5],边坡、坝基及地下洞室等岩体工程在施工过程中承受工程荷载及原始地应力场的变化引起的卸荷、应力集中及松弛过程都是不同应力途径的作用过程,在这个过程中,三向应力状态中的各个应力分量都会单独地或同时变化。近年来,已有许多学者从实际工程岩体应力状态出发[6-9],开展了一系列卸荷试验研究,在卸荷状态下岩体的应力-应变关系、强度及变形参数、破坏准则、破坏机理、本构关系、卸荷开挖扰动区的范围等诸多方面得到了较为丰富的理论及试验成果,并成功应用于实际工程。实践证明,开展复杂应力路径下的卸荷试验是十分有意义的。

值得一提的是,岩体工程在加载与卸荷条件下,其力学特征有本质区别,而完整不含节理的岩石在加载和卸荷条件下力学特征的差别不大。这主要是由于岩体中含有各种不同级别的节理及裂隙,在加载力学状态下,这些结构面受压闭合,因此岩体仍可表现出较好的力学特性,而在卸荷条件下,岩体中结构面的力学条件将发生本质的变化,岩体中原有的结构面受到拉应力而张开、迅速扩展,这些结构面对岩体的切割使得岩体的抗拉强度急剧降低,岩体质量劣化,其力学参数,破坏特征、本构关系与加载条件下的研究成果有很大区别。而工程岩体是经过多次地质构造运动损伤的岩体,必然不同程度的包含众多节理,工程岩体的开挖研究必须考虑卸荷作用的影响,应该用卸荷力学理论和方法对其变形、稳定性等进行计算和评价。

沉积岩形成于地壳浅部,受其生成和赋存环境影响,沉积岩的力学特性与岩浆岩或变质岩有很大不同,岩性成分复杂,岩质不均一。砂岩是一种典型的沉积岩,广泛分布于地表,是沉积岩中比例最大的一种,而沉积岩占陆地面积的75%,因此,许多大型水利工程、采矿工程、路桥工程等都局部或大部建基于砂岩,或与砂岩相关,弄清砂岩在在各种应力路径下的力学性态有非常重要的工程实际意义。而目前对于砂岩性质的研究主要集中在加载应力路径下,对卸荷应力路径下砂岩的力学性质鲜有研究。

本书基于室内试验成果,研究完整砂岩及含不同节理砂岩在单轴加载状态、三轴加载状态、三轴卸荷状态、卸荷损伤后再加载状态、考虑水压力浸泡等力学状态下的强度及变形特性,并考虑了不同的卸荷速率对岩体的影响及岩体在流变状态下卸荷力学特性。本书主要研究对象为各种含不同程度节理的岩体,考虑到工程实际中部分岩体已在外界荷载作用下处于应力-应变峰值后的破坏状态,对于处于残余强度状态的岩体在循环加卸荷下的力学特性也做了一定的研究。通过模拟岩体在工程实际中的真实力学状态,对不同应力路径下砂岩的力学特性进行探讨,分析各种情况下卸荷对岩体带来的不同程度的影响,以期为数值分析及工程设计岩体力学参数的选择提供一定的参考。

感谢三峡大学许文年教授、张国栋教授、程圣国教授、易庆林教授和王乐华教授在本书撰写过程中给予的悉心指导及大力帮助,感谢三峡大学土木与建筑学院在试验仪器方面提供的便利条件,感谢黄宜胜、邓华锋、郭永成、王宇、赵二平、孙旭署、宛良朋、许晓亮、陈将宏等同事给予本书的支持和帮助!感谢陈星、郭金龙、汤天彩、徐春霖、邓捷、李万文、王宇轩等研究生为此付出的辛勤劳动。

感谢亲人对我们无私的支持和帮助!

本书得到了国家自然科学基金(项目批号:51109120、51479102、51579017、51439003、51579138)及水利部公益性行业科研专项(项目批号:201401029)的资助,同时,本书的出版得到了三峡大学重点学科建设经费的支持,在此表示衷心的感谢!

作者　　

2015年11月