1.2　卸荷岩体力学研究现状

1.2.1　卸荷岩体力学试验研究现状

岩石的力学性质是理论研究和工程设计的基础,力学试验又是研究岩石力学性质最直接最根本的方法。自卡尔曼型岩石常规三轴仪问世以来,有关围压对岩石强度和变形特性的影响已研究得比较充分,有些学者认为应力途径对岩石强度没有影响,有些学者认为应力途径虽然对强度的影响不明显,但对变形特性却有较明显的影响[20-24]。

近年来,随着试验设备的发展和技术手段的提高,岩石力学试验研究快速的发展起来,并已取得了许多成果[25-30]。吴刚等(1998)采用真三轴试验机进行了不同应力路径的卸荷试验,研究了岩石材料破坏过程中的声发射现象,研究表明,岩石类材料在卸荷作用下呈现的声发射特征和加载状态下有明显区别,卸荷条件下岩体的失稳比加荷更具突发性[31-36]。

姚孝新(1980)、吴玉山(1983、1984)采用恒围压增加轴压、恒轴压卸荷围压及增轴压卸围压等方式分别进行了大理岩、凝灰岩及砂岩的破坏试验,试验结果显示应力途径对岩体强度和变形影响不大,围压对岩石脆性-延性有重要影响,岩石在卸围压状态下更易表现为脆性破坏[1,5,14]。为了验证文献[5]的结论是否适用于其他类型的岩石,耿乃光(1983)采用砂岩进行了真三轴试验,结果表明岩石的延性和脆性与应力途径有关[35]。许东俊等(1986)在真三轴应力状态下进行了各种应力途径的岩石变形和破坏试验,认为3个主应力的变化(包括增大和减小)都能引起岩石变形和破坏,并认为卸围压的起点对卸荷岩体的强度有重要影响,和体应变曲线上的膨胀优势点附近密切相关[8]。李天斌(1993)通过玄武岩卸荷试验得出岩体破裂角随破坏时围压的增大而增大[34]。吴刚(1997)采用真三轴试验机对裂隙岩体模型、砂岩进行加、卸荷试验研究,认为相同的主差应力作用下,卸荷产生的扩容量比加荷的更大,卸荷破坏的强度比加荷的更低[37]。1998年吴刚、孙钧对裂隙岩体模型(水泥砂浆)进行了真三轴卸荷破坏试验,从应力-应变关系、变形及强度特性、卸荷速率等方面,对裂隙岩体在卸荷条件下的变形破坏特性进行了分析,结果表明岩体的变形及破坏强度与应力路径密切相关[18]。李建林(2003)对节理岩体模型在卸荷过程中的损伤断裂及破坏特性进行了试验研究,结果表明,节理岩体的卸荷损伤非常显著[17]。李永明(2006)进行了煤岩常规加载和卸荷破坏试验,并研究了卸荷速率对岩体破坏的影响[32]。朱泽奇(2008)以三峡工程永久船闸高边坡为示范工程,研究了坚硬裂隙岩体开挖扰动区的形成机理及应力应变临界准则,为岩体工程开挖扰动区的稳定性评价提供一定的理论参考[7]。

1.2.2　岩体卸荷力学理论研究现状

大量卸荷试验的进行为卸荷岩体力学理论的发展奠定了基础,在进行力学试验的同时,岩体卸荷理论的研究也逐步发展起来。卸荷非线性岩石力学的发展源于三峡工程岩体力学中有关重大技术问题的研究,其概念及主要内容由哈秋聆最先提出[38],经国家“七五”“八五”“九五”及“十五”科技公关4个阶段的探索与发展,已形成了一门理论与实践紧密结合的、不同于常规岩体力学研究方法的新学科体系。李建林在此基础上通过数值模拟和模型试验研究了含不同尺寸、数量、倾角节理的岩体,在卸荷应力路径下的尺寸效应、拉剪特性、压剪特性、各向异性以及流变等力学特性,进一步验证和发展了卸荷岩体力学[17]。卸荷岩体力学理论来源于工程实际的需要,经不断完善和发展后,又成功地应用于许多大型工程中,如举世瞩目的三峡工程船闸边坡及地下洞室、链子崖危岩体、锦屏水电站、二滩水电站、小湾水电站、金川水电站、白鹤滩水电站等。

岩体力学的研究主要在于两个方面,一方面是研究岩体在受载过程中的变形、破坏过程和强度,即岩体的应力-应变关系、破坏机理和破坏准则等;另一方面是研究反映岩体力学特性的材料常数,即变形模量、泊松比、黏聚力和内摩擦角等,为工程建设中的设计与施工提供重要依据[39]。卸荷岩体力学理论的研究内容主要包括岩体卸荷力学特性及其参数的研究、卸荷本构关系的研究、卸荷岩体加固理论及方法研究、卸荷岩体破坏准则的研究及流变力学特性的研究。

卸荷岩体力学特性及其参数是岩体力学研究的重要内容,包括岩体卸荷状态下的应力应变关系、力学参数的变化、尺寸效应及各向异性等。卸荷状态下岩体的力学参数取值与常规方法是不同的,是一个动态变化的过程。卸荷岩体的力学参数确定应充分考虑岩体的不利结构面的影响及卸荷过程的损伤影响,即考虑岩体卸荷后的力学参数弱化问题。目前节理岩体力学参数的弱化处理方法主要有BQ法、Hoek-Brown法、RMR分类法、费辛格法、M·乔治(M.Georgi)法、经验折减法等,但这些方法均没有考虑卸荷对岩体造成的损伤。李建林(2003)基于花岗岩真三轴模型试验及数值模拟分析,得到了不同卸荷应力路径下节理岩体力学参数的变化规律,并建立了卸荷量与岩体变形模量之间的相互关系,为类似工程数值分析时参数的取值提供了参考依据[17]。李宏哲等(2007)研究了在高地应力条件下,大理岩在卸荷和加载条件下的不同破坏规律及泊松比、变形模量、c值、φ值的变化规律[6]。周济芳(2008)采用数值模拟方法分析了含不同倾角节理岩体卸荷条件下抗拉强度、抗压强度、变形模量等力学参数的变化规律[40]。闫子舰等(2008)采用锦屏大理岩开展了室内三轴压缩蠕变研究,分析了卸围压应力路径条件下轴向和侧向蠕变规律的差异,并以Burgurs模型作为理论模型,采用相关试验结果直接确定三维本构方程的模型参数[41]。张宜虎等(2008)在通过现场试验确定岩体力学参数时,考虑了开挖卸荷对岩体参数的弱化作用,将承压板下的岩体分为松动圈和未扰动岩体双层介质,得到了更符合实际的岩体变形参数[42]。黄润秋(2008)研究了卸荷条件下花岗岩强度和变形参数劣化程度与围压和卸荷强度的关系,得出卸荷过程中岩石的变形模量E减小了5%～27%,而μ增大了50%～335%;相对于加载试验,卸荷岩体峰值c减小了33.2%～47.8%,峰值φ增加了14.7%～33.2%[43]。

卸荷岩体本构关系的研究是卸荷岩体力学的核心内容之一。岩石的本构模型常用的主要有弹性模型、塑性模型、弹塑性模型、弹塑黏性模型、损伤模型、流变模型等[44]。目前对于岩体加载状态下的本构关系研究已较为成熟,而岩体卸荷本构关系的研究,国内外还较为少见,可以概括为两方面:

(1)基于弹塑性力学理论中的加卸荷准则的本构模型。这类本构模型没有考虑岩体卸荷过程中力学特性的变化,从本质上来说,还是属于加载岩体力学范畴。

(2)基于断裂损伤力学理论的本构模型,通过卸荷过程中岩体的某个参数的变化(如弹性或剪切模量、强度、裂隙统计等)建立损伤变量,然后通过能量或几何的准则添加到本构模型中去[45-49]。这类模型存在一个共同的不足之处就是建立的损伤变量不能很好地反应岩体卸荷损伤演化过程。

周维垣等(1997)认为开挖卸荷会引发岩体产生非线性非连续开裂变形,从而基于断裂损伤力学理论提出卸荷岩体的非线性本构关系[50]。李建林(2003)提出了正交异性非线性本构关系,既能考虑卸荷岩体的各向异性性质、又同时考虑了其非线性力学特性[17]。何江达(2004)基于常用破坏准则推导了相应的加卸荷判断准则,认为岩体开挖卸荷产生的变形为弹性变形、塑性变形及裂缝变形三者之和,建立了卸荷岩体的脆弹塑性本构模型,并应用于小湾水电工程坝肩槽开挖高边坡的稳定性分析[51]。赵明阶(2002)基于压剪裂纹模型,推导了岩石在三轴卸荷过程中微裂纹的变形,从而建立了岩石三轴卸荷本构模型[52]。刘杰等(2005)以真三轴相似模型试验结果为基础,以切线模量E为岩体卸荷位移的主要影响量,推导了卸荷岩体经验本构关系[48]。王战鹏(2006)假设岩石微元的损伤符合统计规律,由此定义了损伤变量,并推导了考虑卸荷影响的岩石弹性损伤本构方程[53]。刘先珊等(2007)通过试验研究了卸荷条件下的岩体的渗透特性,并基于现有裂隙变形曲线的研究结果,建立了渗透系数与卸荷应力、应变间的本构关系,认为卸荷作用使得开挖面附近岩体的渗透系数增大,地下水浸润线降低,从而增加了边坡的稳定性[54]。黄润秋(2008)假定卸荷过程中岩石的屈服函数随体积应变εV在Griffith及Mohr-Coulomb屈服准则间线性变化,结合二者,建立了卸荷非线性屈服段本构方程[3]。

岩体在卸荷应力路径下的破坏机制是不同于加载破坏的,因此卸荷状态下的岩体破坏准则研究是卸荷岩体力学研究的另一个重要问题[38]。对于岩石强度理论的研究,最早始于18世纪朗肯(Rankine)提出的最大正应力理论。人们对加载状态下强度理论的研究,已有很多成熟的成果,可主要分为“理论强度准则”和“经验强度准则”两大类。由于加载与卸荷代表不同的应力路径,加载岩体多属于压缩破坏或压剪破坏,而卸荷岩体多属于拉伸破坏或者拉剪破坏,而岩石材料的抗拉强度远小于抗压强度,节理岩体抗拉强度更低,有些甚至接近于零。因此,传统(经典)强度理论运用于分析卸荷岩体时有较大的局限性,有必要建立新的适用于岩体卸荷应力状态下的强度准则。王飞等(2008)通过岩体三轴模拟试验对节理岩体在卸荷应力状态下的破坏特征进行了研究,得到了卸荷速率、节理的倾角及参数对卸荷岩体强度的影响,并在此基础上对节理岩体卸荷强度准则进行了描述[55]。朱泽奇等(2008)分别对三峡花岗岩进行三轴压缩试验和卸围压试验,认为虽然应力路径不同,脆性岩石破坏时均以侧向损伤为主,并以侧向损伤变量表征花岗岩脆性破坏过程,建立了基于应变空间的、可以考虑卸荷应力路径的损伤模型和应变型破坏准则[56]。

1.2.3　当前研究中存在的不足

关于砂岩在加载状态下的力学性能研究,国内外已有较多成果,已做的大量卸荷试验,主要针对花岗岩、大理岩和玄武岩等,而对在沉积岩中占主要地位的砂岩研究较少。通过卸荷状态下岩体力学特性方面国内外研究现状的系统分析,本人目前研究工作主要还存在以下几个方面的不足:

(1)卸荷过程中岩体的力学参数的如何变化,与卸荷量之间有怎样的关系,不同性质的岩体是否有相同的变化规律,还需要进一步的研究。

(2)围压对卸荷曲线有何影响,高围压和低围压下岩体卸荷破坏是否有相似的规律。

(3)对于完整岩体加载和卸荷状态下的力学特性研究较多,而节理岩体卸荷状态下的研究较少。

(4)很多学者在分析卸荷试验结果时,由于卸荷破坏的任意性,往往得出相反的结果(如卸荷强度和三轴压缩强度的比较,含有节理岩体的卸荷破坏形式等),对于卸荷破坏机理,还有待于进一步研究。

(5)已有卸荷试验主要针对自然风干的岩体,对于饱和状态及水压力作用下岩体卸荷力学特性的研究较少。

(6)现有研究多集中于模拟边坡或者洞室的开挖,其力学路径多种多样,主要表现为卸荷(一般为卸围压)至破坏。而坝基开挖边坡的力学路径为先卸荷,再加载,关于该力学路径下岩体的特性目前还鲜有研究。

(7)关于开挖岩体流变分析的数值模拟研究虽然考虑了开挖卸荷效应,但流变研究仍是基于加载应力路径。并且已有研究岩样和应力路径都比较单一,多为花岗岩、大理岩,对砂岩的卸荷流变试验研究十分少见。

要彻底弄清岩体卸荷破坏的机理,建立有效的岩体卸荷破坏理论与本构模型,准确确定不同卸荷程度下岩体的强度和变形参数,并将其应用到实际工程中去,还有大量的工作要做。