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1、第三章第三章 岩体的变形与破坏岩体的变形与破坏 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
2、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荷载条件、岩性、结构及所处的环境特征及配合情况情况 岩石的三轴实验表明，岩石破坏形式与围压的大小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。有
3、明显的关系。 （1 1）当在负围压及低围压条件下岩石表现为）当在负围压及低围压条件下岩石表现为拉破坏拉破坏； （2 2）随着围压增高将转化为）随着围压增高将转化为剪破坏剪破坏； （3 3）当围压升高到一定值以后，表现为）当围压升高到一定值以后，表现为塑性破坏塑性破坏。 破坏机制转化的破坏机制转化的界限界限称为称为破坏机制转化围压破坏机制转化围压（如（如表表3-13-1）。从表中可以看出，由拉破坏转化为简断破坏）。从表中可以看出，由拉破坏转化为简断破坏的转化围压为的转化围压为1/51/51/4 1/4 （岩石单轴抗拉强度），（岩石单轴抗拉强度），由剪切转化为塑性破坏的转化围压为由剪切转化为塑性破
4、坏的转化围压为1/31/32/3 2/3 。 在三向应力状态，中间主应力（在三向应力状态，中间主应力（ 2 2）与最大主）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（质的一个重要因素。纳达（19701970）提出）提出 2 2偏向最大偏向最大主应力或最小主应力的主应力或最小主应力的“应力状态类型参数应力状态类型参数” ” 来来划分应力状态类型：划分应力状态类型： =（ 2 2- 1 - 3）/（ 1 - 3）; 当当=1时，即时，即 2 = 1，为拉伸应力状态；，为拉伸应力状态； 当当 =-1时，即时，即 2 =
5、3，为压缩应力状态。，为压缩应力状态。 3.1.3 3.1.3 岩体的强度特征岩体的强度特征 图图3-4 3-4 三种破坏形式的极限应力系数三种破坏形式的极限应力系数( (n n) ) 沿结构面滑动；沿结构面滑动； 剪断完整岩石；剪断完整岩石； 部分沿结构面，部分沿结构面，部分剪断岩石部分剪断岩石 2. 2. 单剪应力条件下的破坏变形机制与过程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，表现当剪切变形发生在有一定厚度的剪切带中，表现为在单剪（为在单剪（simple shearsimple shear）应力条件下或一对力偶作）应力条件下或一对力偶作用下的变形破坏。用
6、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。扭性雁列两类，排列方式正好相反。张性雁列缝张性雁列缝T T的生的生长方向大体与单剪带中的最大主应力方向平行，与剪长方向大体与单剪带中的最大主应力方向平行，与剪切方向夹角约切方向夹角约4545，有时还可形成共扼的两组低次序，有时还可形成共扼的两组低次序剪切裂隙。剪切裂隙。 压扭性雁列缝压扭性雁列缝P P生长方向与剪动方向夹角大约与岩生长方向与剪动方向夹角大约与岩石材料内摩擦角
7、相当。两者有时可在同一剪切带中叠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。加产出。 sssrcinsin)2sin(sin)sin(31 ii)()1 (001ctgtgscc 试验显示（图试验显示（图3 31717），凸起体被剪断，实际上式），凸起体被剪断，实际上式一个拉张和压碎的过程，将图一个拉张和压碎的过程，将图3 31717与图与图3 31010对照，对照，凸起体的剪断与锁固段的破裂压碎过程十分相似。根凸起体的剪断与锁固段的破裂压碎过程十分相似。根据这一破坏机制，可采用岩石的单轴抗压强度（据这一破坏机制，可采用岩石的单轴抗压强度（R RC C ) )和和抗拉强度（抗拉强度（
8、S St t) )来确定其抗剪强度，费赫斯特来确定其抗剪强度，费赫斯特（Fairhurst,1964Fairhurst,1964）提出的表达式为：）提出的表达式为： (3-14)(3-14) 式中：式中： 2/1)1)(1(tcsnnmRs2/1) 1(,/nmSRntC 0ctgti bnnJCSJRCtg)lg( P P点的运动轨迹为一条以点的运动轨迹为一条以o o为圆心，以斜边长为圆心，以斜边长oPoP为半径为半径的圆弧线的圆弧线C C（图（图3 319(a)19(a) )。因此滑动过程相当于滑。因此滑动过程相当于滑块越过一个圆弧形的凸起体，该圆弧线上任一点的切块越过一个圆弧形的凸起体，
9、该圆弧线上任一点的切线与剪切方向线的夹角即为该点处滑块爬升或下降的线与剪切方向线的夹角即为该点处滑块爬升或下降的坡角坡角( (如图如图3 3一土一土9(a)9(a) )。如果不考虑滑块间的面摩擦，。如果不考虑滑块间的面摩擦，则该坡角即为转动时的摩擦角则该坡角即为转动时的摩擦角，它应与处于极限平，它应与处于极限平衡状态时作用力的倾斜角衡状态时作用力的倾斜角一致一致 图图3 3一一1919（a a）) )。起动时曲角为起动时曲角为 = =tg= =tg-1-1(a/b)(a/b) 式中：式中： 为翻转角，为翻转角，a,ba,b分别为碎块的宽和高。随后，分别为碎块的宽和高。随后， 随碎块的转动角随碎
10、块的转动角而呈线性降低（图而呈线性降低（图3-193-19（a)a)）, ,即即 scnctgabtgabscnc3/12221)6(23nEEcr (3-19) ( 22lEJNcr2212lhEcr （322） 3/12221)6(23nEEcr3/121)6(2nhwd (2)(2)向褂式滑脱向褂式滑脱 其形成过程如图其形成过程如图3 3一一2828所示。弯曲的层状岩体因某所示。弯曲的层状岩体因某种原因种原因( (如地质过程中的剥蚀如地质过程中的剥蚀) )使板梁被切断（图使板梁被切断（图3-3-28(b)28(b)），弯曲变形的继续则有可能使抗剪强度低的接），弯曲变形的继续则有可能使抗剪
11、强度低的接触面发生滑脱（图触面发生滑脱（图a-28(c)a-28(c)）。滑脱发动于临空端，）。滑脱发动于临空端，由于剪动时滑面强度降至动摩擦强度由于剪动时滑面强度降至动摩擦强度( (参见图参见图3-14)3-14)，因而波及范围可达到图因而波及范围可达到图3 32828（d d）所示范围。）所示范围。 在拉应力集中带产生的拉裂面在平行临空面的压应力集中带中形成的与临空面近于平行的压致拉裂面剪切破裂面拉裂面剪裂面 。 机械振动通常是连续作用的，并且作用力本身具有特机械振动通常是连续作用的，并且作用力本身具有特定的振动特征，它对岩体产生的动应力称为干扰力。定的振动特征，它对岩体产生的动应力称为干
12、扰力。应力波以强迫振动方式传播应力波以强迫振动方式传播 图图3 337(b)37(b)，岩体的最，岩体的最终稳定运动频率和外加干扰力的频率一致。终稳定运动频率和外加干扰力的频率一致。 )。 在爆破动应力作用下，爆破中心附近岩石的变形表现出一定的分布规律。以点源爆破为例，其周围岩石变形破坏规律如图339所示。爆心一带岩石承受巨大的径向压力，并出现巨大压缩使之形成切向压力，岩石遭受挤压剪断破坏，破碎成碎许或岩粉（图3-39a区）。外围区径向压力衰减，径向压缩变小，切向压力也降低或消失，可产生径向压致拉裂裂隙（图339b、c区）并由于压力波的反射机制，可造成环绕爆破中心的环向张裂隙(图339b区)，
13、但分布范围较径向裂隙小。 1. 1. 触发效应触发效应 触发效应可表现为两方面：触发效应可表现为两方面： (1)(1)如前所述，应力场可在裂隙或软弱夹层中产生如前所述，应力场可在裂隙或软弱夹层中产生反射应力波，造成瞬时拉应力。因而当岩体中某些软反射应力波，造成瞬时拉应力。因而当岩体中某些软弱结构面本身巳具有或储有足够的剪切应变能时，应弱结构面本身巳具有或储有足够的剪切应变能时，应力波力波( (如地震或爆破引起的震动如地震或爆破引起的震动) )的介入则有可能促进的介入则有可能促进这些结构面发生破裂，如岩体稳定性已接近临界状态，这些结构面发生破裂，如岩体稳定性已接近临界状态，或某一控制画已近于贯通
14、，由于震动可使岩体突然受或某一控制画已近于贯通，由于震动可使岩体突然受荷而丧失稳定，导致破坏突然发生，这种现象在斜坡荷而丧失稳定，导致破坏突然发生，这种现象在斜坡岩体的变形破坏中尤为突出岩体的变形破坏中尤为突出( (参见图参见图9 9一一15)15)。 (2)(2)某些对震动特别敏感的岩体或土体，如饱水的某些对震动特别敏感的岩体或土体，如饱水的碎裂岩体、松散岩体，饱水的疏松砂土、敏感粘土等，碎裂岩体、松散岩体，饱水的疏松砂土、敏感粘土等，在动应力作用下可因骨架的迅速变形造成空隙水压力在动应力作用下可因骨架的迅速变形造成空隙水压力的突然变化，从而导致岩体失稳，崩溃或土体液化的突然变化，从而导致岩
15、体失稳，崩溃或土体液化( (见见第七章第七章) )等。等。 2. 2. 累积效应累积效应 岩体若在地震力的某一作用方向出现剪切失稳，岩体若在地震力的某一作用方向出现剪切失稳，由于作用时间短暂，它可能造成一次跃变剪切位移而由于作用时间短暂，它可能造成一次跃变剪切位移而并不破坏，但多次位移的累积，如果使剪切面中某些并不破坏，但多次位移的累积，如果使剪切面中某些锁固段被突破，或越过某些凸起体，造成抗剪强度显锁固段被突破，或越过某些凸起体，造成抗剪强度显著削弱，则有可能导致最终破坏。因此，必须具体确著削弱，则有可能导致最终破坏。因此，必须具体确定动应力作用下的上述累积效应，才能正确判定岩体定动应力作用
16、下的上述累积效应，才能正确判定岩体变形破坏的可能性变形破坏的可能性( (见第九章见第九章) ) 12221exp1tTEtEE 1121exp1EtEETtEtEEyT21121exp1 图342 下伏粘土或软岩塑流造成河床“鼓起”的实例 （a）英格兰布桑溪河谷底里阿斯粘土的“鼓起”（据Hollingworth等，1944）粘土；砂岩；粘土；石灰岩；粘土；页岩；冰碛层（b）卢西兰河床中泥质页岩的挤出（据查鲁巴，1956）早白垩纪泥质页岩；方沸粗玄岩；板岩；河床中扰动的页岩 前述分析已指出，岩体承受的应力一旦超过了它的长期前述分析已指出，岩体承受的应力一旦超过了它的长期强度，则将进入累进性破坏阶
17、段，它相当子岩体的加速蠕变强度，则将进入累进性破坏阶段，它相当子岩体的加速蠕变阶段。阶段。 岩石的蠕变试验曲线岩石的蠕变试验曲线( (图图3 343)43)表明，仅当荷载达到或表明，仅当荷载达到或超过某临界值超过某临界值( (相当岩石的长期强度相当岩石的长期强度) )的情况下，岩石的蠕变的情况下，岩石的蠕变才有可能在经厉了前两阶段以后，继续进入加速蠕变阶段，才有可能在经厉了前两阶段以后，继续进入加速蠕变阶段，并最终导致破坏。试验还证明，岩石的应变速率并最终导致破坏。试验还证明，岩石的应变速率c c随荷载增随荷载增高而增大高而增大 图图3 343(b)43(b)，同时加速蠕变达到最终破坏所经历，
18、同时加速蠕变达到最终破坏所经历的时间也随之缩短。的时间也随之缩短。图343 砂岩梁弯曲蠕变试验关系曲线 在岩体稳定性分析中，对岩体变形破坏作时、空预测时，需在岩体稳定性分析中，对岩体变形破坏作时、空预测时，需要判定岩体进入累进性破坏的临界应力状态，也需要判定不同条要判定岩体进入累进性破坏的临界应力状态，也需要判定不同条件下累进性破坏发展为最终破坏所需要经历的时间，这是一项十件下累进性破坏发展为最终破坏所需要经历的时间，这是一项十分重要的工作，但迄今为止尚无成熟的经验和方法，有待于进一分重要的工作，但迄今为止尚无成熟的经验和方法，有待于进一步研究。步研究。 为确定岩体的长期强度，显然不仅要考虑岩
19、体可能的破坏方为确定岩体的长期强度，显然不仅要考虑岩体可能的破坏方式，并且也要考虑岩体结构特征对局部应力集中效应的有利程度。式，并且也要考虑岩体结构特征对局部应力集中效应的有利程度。例如结构面的连续率愈高，其中局部的非连续部位的应力集中程例如结构面的连续率愈高，其中局部的非连续部位的应力集中程度也将愈高。因而某些规范中经验规定当连续率大于度也将愈高。因而某些规范中经验规定当连续率大于5O5O时，结时，结构面的抗剪强度则不宜再考虑其非连续部位岩石的内聚力。又如构面的抗剪强度则不宜再考虑其非连续部位岩石的内聚力。又如结构面上不同等级的起伏结构面上不同等级的起伏 参见图参见图3 315(b)15(b
20、)也应分别对待。凸起也应分别对待。凸起体愈窄小、起伏角愈大、分布愈不均匀，应力的局部集中程度也体愈窄小、起伏角愈大、分布愈不均匀，应力的局部集中程度也愈高因而在稳定性分析中只能考虑那些宽厚、平缓且分布又较愈高因而在稳定性分析中只能考虑那些宽厚、平缓且分布又较均匀的起伏所能增高的那部分抗剪强度。同时，还必须考虑岩抗均匀的起伏所能增高的那部分抗剪强度。同时，还必须考虑岩抗风化和抵抗地下水等外营力作用的能力，这些作用降低了岩体的风化和抵抗地下水等外营力作用的能力，这些作用降低了岩体的强度，促进累进性破坏的发生和进展。强度，促进累进性破坏的发生和进展。 在实际工作中可以根据岩体动态长观资料来预测岩体在
21、实际工作中可以根据岩体动态长观资料来预测岩体的变形破坏，例如地下洞室围岩变性形长现资料、边破位的变形破坏，例如地下洞室围岩变性形长现资料、边破位移长观资料等。图移长观资料等。图3 34444所示为某露天采矿边坡的位移所示为某露天采矿边坡的位移时间曲线图，根据时间曲线图，根据19691969年年1 1月月1313日以前所测得的资料，初日以前所测得的资料，初步判定边坡岩体于步判定边坡岩体于1010月底至月底至1111月初进入加速蠕变阶段，并月初进入加速蠕变阶段，并且根据曲线且根据曲线A A的延伸情况成功地预测到边坡于的延伸情况成功地预测到边坡于l969l969年年2 2月月1818日发生破坏。日发
22、生破坏。 3.5.3 3.5.3 岩体变形破坏与应变速率的关系岩体变形破坏与应变速率的关系 根据岩石的流变模型可以进一步讨论岩体应变速根据岩石的流变模型可以进一步讨论岩体应变速率与其变形破坏的关系。为简便起见，以上述模型中率与其变形破坏的关系。为简便起见，以上述模型中含有底马克斯韦尔模型为例进行讨论其蠕变应变表含有底马克斯韦尔模型为例进行讨论其蠕变应变表达式为：达式为： （3 33434） 则应变速率则应变速率C C表示为：表示为： （3 33535） 由上式可见：当由上式可见：当C C 时，时， 0 0，亦即，亦即 0 0，为常值，为常值， 也就是说此时岩体内的应力保持不变；也就是说此时岩体
24、应变速率低于临界值当岩体的实际应变速率低于临界值C C0 0时，岩体在受力时，岩体在受力的初随应变的增大发生应力积累。但当应力增大到的初随应变的增大发生应力积累。但当应力增大到定程度定程度以后，应力也就不再升高，继之以随时间增长的流变，岩体以后，应力也就不再升高，继之以随时间增长的流变，岩体不分进入加速蠕变阶段。相反，当不分进入加速蠕变阶段。相反，当C C等干或大干等干或大干C C0 0时，岩体变时，岩体变形进展必将进入加速蠕变阶段，岩体内应力不断积累，则可形进展必将进入加速蠕变阶段，岩体内应力不断积累，则可能最终导致岩体破坏。能最终导致岩体破坏。 (2)2)当应变速率因某种原因转为递减趋势或
25、降为零当应变速率因某种原因转为递减趋势或降为零时，岩体内已积累的应力将随时间而松弛。例如当式时，岩体内已积累的应力将随时间而松弛。例如当式3 35 5中中 C C0 0时，则有时，则有 或或 两侧积分得：两侧积分得： 式中：式中：0 0为岩体内初始应力。积分后得：为岩体内初始应力。积分后得：tdtEddtEdE0.001tE0lnln也就式说，岩体中的应力降为初始应力的也就式说，岩体中的应力降为初始应力的1 12.7182.718所需的时所需的时t t/E/E，该时间称之为松弛期，该时间称之为松弛期 (relaxation time)(relaxation time)，以，以T T表表示。以灰
26、岩为例，设粘滞系数？泊，弹性模量示。以灰岩为例，设粘滞系数？泊，弹性模量E E6.56.510109 9N Ncmcm2 2，则松弛期，则松弛期T T约等于约等于32003200年。所以，一些研究者认为地年。所以，一些研究者认为地壳表层高地应力区通常总是和近期构造变动有关。壳表层高地应力区通常总是和近期构造变动有关。 在实际工作中，可以应用地貌第四纪分析或设立变形精在实际工作中，可以应用地貌第四纪分析或设立变形精测装置来估算或测定沿断裂面、滑移面的历史的或现时的应测装置来估算或测定沿断裂面、滑移面的历史的或现时的应变速率，据此时岩体变形破坏进行预报。这种预报方法不需变速率，据此时岩体变形破坏进
27、行预报。这种预报方法不需要了解变形随时间的变化趋势，因而它能更早地预见岩体变要了解变形随时间的变化趋势，因而它能更早地预见岩体变形破坏所处发展阶段和发展趋势。形破坏所处发展阶段和发展趋势。tEexp0故：故： （3 33636） 当当t=/Et=/E时，则时，则718. 200e (3-37)式中：式中：为常数；为常数；P P1 1为单位时间内测得的被嵌入物的抗嵌入强为单位时间内测得的被嵌入物的抗嵌入强度。度。 由于凸起体嵌入面积随时间而增大，所以，无论是剪断凸由于凸起体嵌入面积随时间而增大，所以，无论是剪断凸起体、还是在接触面中犁槽，结构面的抗剪阻力都有所增高，起体、还是在接触面中犁槽，结构
28、面的抗剪阻力都有所增高，因而可以想象，结构面的静摩擦系数因而可以想象，结构面的静摩擦系数f fs s也将因嵌入蠕变的进展也将因嵌入蠕变的进展而有所增高，两者之间的关系可定量表示为：而有所增高，两者之间的关系可定量表示为： (3-38)(3-38)式：式：fsfs为单位接触面时间的摩擦系数。为单位接触面时间的摩擦系数。 ssftf)lg1 (1)lg1 (PNtA 这就意味着嵌入蠕变时间增长，结构面静摩擦与这就意味着嵌入蠕变时间增长，结构面静摩擦与动摩擦之间的差值增大，因而粘滑发生时能释放出更动摩擦之间的差值增大，因而粘滑发生时能释放出更大的能量。大的能量。 由上还可推论，在滑动中凸起体嵌入的面
29、积由上还可推论，在滑动中凸起体嵌入的面积A A以及以及与此相关的动摩擦系数与此相关的动摩擦系数f fk k与滑动的速度（与滑动的速度（V V）有关，滑）有关，滑动速度愈快，接触嵌入的时间也愈短暂，所以动速度愈快，接触嵌入的时间也愈短暂，所以A A和和f fk k两两者均随速度的增大而降低，可以下列关系式表示：者均随速度的增大而降低，可以下列关系式表示： (3-39)(3-39) (3-40) (3-40) 式中：式中：为取决于常数为取决于常数和凸起体形状的常数和凸起体形状的常数; f; fk k相相 当于当于S/ PS/ P1 1(S(S为嵌入体抗剪强度）为嵌入体抗剪强度）kkfVfPNVA_
30、1)lg1()lg1(由上述关系式可见，仅当滑动速度保持不变时，由上述关系式可见，仅当滑动速度保持不变时，A A和和f fk k才为常才为常值值 据以上试验和分析，可得出两点结论：据以上试验和分析，可得出两点结论： (1)(1)按运动特征，沿结构面的滑移有稳滑与粘滑两种基本按运动特征，沿结构面的滑移有稳滑与粘滑两种基本类型，稳滑状态的产生条件不仅与结构面特怔有关类型，稳滑状态的产生条件不仅与结构面特怔有关( (如结构面如结构面较为平坦或夹由足够厚的夹泥等较为平坦或夹由足够厚的夹泥等) )，并且还必须与不同断的匀，并且还必须与不同断的匀速运动相累世界著名的美国圣安德烈斯大断层的某些段是自速运动相
31、累世界著名的美国圣安德烈斯大断层的某些段是自然界宏观稳滑断裂的极好实例。据研究和观测，该断层中平直然界宏观稳滑断裂的极好实例。据研究和观测，该断层中平直段，断层帖土充填物的分布可选段，断层帖土充填物的分布可选12km12km深并且一直保持着平均深并且一直保持着平均约约3cm3cms s左右的滑动速率可以想见，任伺处于稳滑状态的断左右的滑动速率可以想见，任伺处于稳滑状态的断裂面，都会因滑动速率的陡然增、减而引起粘滑或孕育着断的裂面，都会因滑动速率的陡然增、减而引起粘滑或孕育着断的粘滑粘滑. . (2)(2)粘滑时释放的能量的大小不但与不同的粘滑机粘滑时释放的能量的大小不但与不同的粘滑机制有关，对
32、于某一特定的剪切滑移面而言，停止活动承制有关，对于某一特定的剪切滑移面而言，停止活动承受法向应力的时间愈长则粘滑时释放的舵量也就愈高受法向应力的时间愈长则粘滑时释放的舵量也就愈高 以上两点对于分析地震的发震机制，以及阐明岩体以上两点对于分析地震的发震机制，以及阐明岩体失稳时滑动的动力特征，都具有十分重要的意义，失稳时滑动的动力特征，都具有十分重要的意义， 3.6 空隙水压力在岩体变形破坏中的作用 地下水普遍赋存于岩体之中，它与岩体间的相互作地下水普遍赋存于岩体之中，它与岩体间的相互作用主要可归为两个方画：一是地下水与岩体间发生机械用主要可归为两个方画：一是地下水与岩体间发生机械的、物理的或化学
33、的相互作用使岩体和地下水的性质的、物理的或化学的相互作用使岩体和地下水的性质或状态发生不断的变化，二是地下水与岩体间发生的力或状态发生不断的变化，二是地下水与岩体间发生的力学方面的相互作朋它不断地改变着作用双方的力学状学方面的相互作朋它不断地改变着作用双方的力学状态和特性态和特性 ABAB面上的应力可用图面上的应力可用图3 34545（c c）的莫尔圆表示。由该）的莫尔圆表示。由该图可见，空隙水压力的作用使整个莫尔圆向左侧移动，图可见，空隙水压力的作用使整个莫尔圆向左侧移动，ABAB面上有效正应力（面上有效正应力（ s s ）降低，等于总正应力（）降低，等于总正应力（ ）减）减去空隙水压力（去
34、空隙水压力（p pw w），即：），即： s s p pw w 由于空隙水压力垂直作用于结构面，因此它对剪应力由于空隙水压力垂直作用于结构面，因此它对剪应力不发生影响，即：不发生影响，即： s s 这样，干燥岩体这样，干燥岩体ABAB平面上的抗剪强度：平面上的抗剪强度： S S tgtg c c 而含空隙水时，而含空隙水时，ABAB平面上的平面上的 抗剪强度：抗剪强度： S S（ p pw w )tg)tg +c (3-41)+c (3-41) 上述关系表明，由于空隙水压力的作用，岩体强上述关系表明，由于空隙水压力的作用，岩体强度降低了度降低了p pw w tg tg ，结构面也将因此而张开，
35、引起岩，结构面也将因此而张开，引起岩体变形。一旦因空隙水压力增大使结构面的抗剪强度体变形。一旦因空隙水压力增大使结构面的抗剪强度降至与剪应力相等时（降至与剪应力相等时（s= s= ），则将引起岩石破坏。），则将引起岩石破坏。 上述有效应力原理在应用于仅含有空隙的岩石材上述有效应力原理在应用于仅含有空隙的岩石材料时，由于空隙水压力仅存于其间的料时，由于空隙水压力仅存于其间的孔隙之中，因此需要考虑孔隙水压力作用的有效面积系数，其物理意义如图346所示。因而岩石材料中的有效正应力和抗剪强度为： （342） （343）对于不同的岩石材料，由于孔隙度的不同，值可变化于01之间，可由试验测定，也可按吉尔茨
36、马（Ceertsma）的关系式进行计算，即：ctgpSpwws)( （344）式中：式中：BcBc为岩体的体积弹性模量，为岩体的体积弹性模量，B B为为岩体的体积弹性模量，且岩体的体积弹性模量，且 （3 34545） E E和和 分别为岩体在无孔隙水压力作分别为岩体在无孔隙水压力作用时外力作用下的弹性模量和泊松比。用时外力作用下的弹性模量和泊松比。 按按3 34444式计算，混凝土的式计算，混凝土的 值大约值大约为为0.840.84，与试验结果相似。而用三轴试，与试验结果相似。而用三轴试验法测得花岗岩的验法测得花岗岩的 值为值为0.650.65CBB1)21 (3EB 显然，有效面积的大小与岩
37、石的空隙率有一定关显然，有效面积的大小与岩石的空隙率有一定关系不过进一步的实险表明它还与岩石的某些性质有系不过进一步的实险表明它还与岩石的某些性质有关某些柔性较高的岩石，如石灰岩、大理岩白云关某些柔性较高的岩石，如石灰岩、大理岩白云岩等，在低压力条件下，其岩等，在低压力条件下，其 值大于值大于0.50.5，甚至接近于，甚至接近于1 1，但在较高的应力条件下，它们的变形和强度几乎与孔但在较高的应力条件下，它们的变形和强度几乎与孔隙水压力无关，隙水压力无关， 值接近于零。这可能与岩石具柔性值接近于零。这可能与岩石具柔性有关，在较高应力下矿物发生柔性适应，使岩石中的有关，在较高应力下矿物发生柔性适应
38、，使岩石中的孔隙或孔隙或 微裂隙有关，因而水无法进入。微裂隙有关，因而水无法进入。 应该指出，在变形试验中求得的应该指出，在变形试验中求得的 值只表示有效面值只表示有效面积的平均值，而不是在研究岩体的稳定性或破坏时所积的平均值，而不是在研究岩体的稳定性或破坏时所必须考虑的最坏情况下的最大值。因而在研究破坏问必须考虑的最坏情况下的最大值。因而在研究破坏问题时，即使是完整岩体，也必须选取题时，即使是完整岩体，也必须选取 。在研究大型。在研究大型建筑物的变形问题时，塞拉芬建筑物的变形问题时，塞拉芬(serafim,1969)(serafim,1969)认为，对于裂隙岩体仍取认为，对于裂隙岩体仍取 1
39、 1，而对于完整块体状岩体，而对于完整块体状岩体，可考虐采用较低的可考虐采用较低的 ，其大小按试验确定，其大小按试验确定 上进分析表明，无论是哪一种类型的岩体，有效应上进分析表明，无论是哪一种类型的岩体，有效应力原理是普遍适用的，岩体的变形破坏取决于有效应力，力原理是普遍适用的，岩体的变形破坏取决于有效应力，因而岩体内空隙水压力的变化必将对岩体的变形破坏产因而岩体内空隙水压力的变化必将对岩体的变形破坏产生影响生影响 引起岩体内空隙水压力变化的原因，可有以下几个引起岩体内空隙水压力变化的原因，可有以下几个方面方面 3.6.2.1 3.6.2.1 地下水补给排泄条件的变化引起的岩体内地下水补给排泄
40、条件的变化引起的岩体内 空隙水压力的变化空隙水压力的变化 例如特大降雨、洪水、持续干旱、人工抽水、注例如特大降雨、洪水、持续干旱、人工抽水、注水或水库蔷水等均能造成地下水位大幅度的变化，水或水库蔷水等均能造成地下水位大幅度的变化，从而引起岩体内空隙水压力的增减。从而引起岩体内空隙水压力的增减。 这类变化往往具有区域性恃怔，影响的范围和深这类变化往往具有区域性恃怔，影响的范围和深度都可以较大，例如水库落水使地下水位拾升根据度都可以较大，例如水库落水使地下水位拾升根据卡布里耳坝的观测资料证明，由于岩体中空隙水力增卡布里耳坝的观测资料证明，由于岩体中空隙水力增高出现山体高度增高，两侧谷壁相互靠近的现
41、象。高出现山体高度增高，两侧谷壁相互靠近的现象。而大面积的长期抽取地下水引起的地下水位的降低，而大面积的长期抽取地下水引起的地下水位的降低，含造成大范围内的地面沉降含造成大范围内的地面沉降( (见第八章见第八章) )一些巨型的一些巨型的崩滑体的发生，常常也与这类变化有关。水库蓄水和崩滑体的发生，常常也与这类变化有关。水库蓄水和深井注水还可引起深部岩体破裂，造成水库地震深井注水还可引起深部岩体破裂，造成水库地震( (见第见第六章六章) ) 一些研究表明，上述因素所造成的水位变动一些研究表明，上述因素所造成的水位变动与岩体内空隙水压力变化之间总有一定的时差，与岩体内空隙水压力变化之间总有一定的时差
42、，且遁常空隙水压力的变化总是滞后于气象、水文且遁常空隙水压力的变化总是滞后于气象、水文条件的改变，图条件的改变，图3 34747所示为卡布里尔水库水位与所示为卡布里尔水库水位与坝基某点空隙水压随时间而变化的曲线它清楚坝基某点空隙水压随时间而变化的曲线它清楚表明，水库水位和该点空隙水压力之间有表明，水库水位和该点空隙水压力之间有4 4天的时天的时差。看来时差的大小与测点的位置和岩体的透水差。看来时差的大小与测点的位置和岩体的透水性密切相关，测点距补给源或排泄点位置愈远，性密切相关，测点距补给源或排泄点位置愈远，透水性愈小，则时差愈大，了解这一点对于判明透水性愈小，则时差愈大，了解这一点对于判明水
43、库地震的诱发机制和预测崩滑体活动状况有重水库地震的诱发机制和预测崩滑体活动状况有重要意义要意义3.6.2.23.6.2.2岩体受荷状态的变化引起的岩体内空隙水压力的变化岩体受荷状态的变化引起的岩体内空隙水压力的变化 土力学中已指出，资加荷过程中，饱水的土体所承受的附土力学中已指出，资加荷过程中，饱水的土体所承受的附加压力加压力p p时由水和颗粒骨架两相分别承担的时由水和颗粒骨架两相分别承担的 。其中由水承受的。其中由水承受的压力称之为中性压力压力称之为中性压力P Pwewe，由颗粒骨架承受的那部分压力，由颗粒骨架承受的那部分压力称之为有效压力称之为有效压力P Ps s，这种由于附加压力引起的中
44、性压力，它这种由于附加压力引起的中性压力，它不同于由土体中静水压力造成的空隙水压力不同于由土体中静水压力造成的空隙水压力P Pw0w0，称之为剩余，称之为剩余空隙水压力或超空隙水压力（空隙水压力或超空隙水压力（excess pore pressureexcess pore pressure）表示）表示为：为： p= Pp= Pwewe +P +Ps s或或 P Pwewe =p =p P Ps s 超空隙水压力的出现，显然使土体的抗剪强度降低：超空隙水压力的出现，显然使土体的抗剪强度降低： S=(S=( S S - P - Pwewe)tg)tg +c (3-46)+c (3-46) 当当P
45、Pwewe= = P Pw0w0时，抗剪强度几乎为零，砂土类土和饱时，抗剪强度几乎为零，砂土类土和饱和水敏感粘土可因此而发生变化（参见第七章）和水敏感粘土可因此而发生变化（参见第七章） 固结的理论同样也适用于较软弱破碎的岩体。固结的理论同样也适用于较软弱破碎的岩体。 坚硬的裂隙岩体，由于透水性和排水条件均较土坚硬的裂隙岩体，由于透水性和排水条件均较土体为好，变形模量也远铰土体为高，因而缓慢的加荷体为好，变形模量也远铰土体为高，因而缓慢的加荷过程很难在岩体内形成具有实际意义的超空隙水压过程很难在岩体内形成具有实际意义的超空隙水压力但是突发的规模较大约动荷载力但是突发的规模较大约动荷载( (如地震
46、，人工爆如地震，人工爆破破) )，则可因裂隙中的水来不及消散而造成瞬时的较高，则可因裂隙中的水来不及消散而造成瞬时的较高的超空隙水压力（如图的超空隙水压力（如图3 348(a)48(a)所示所示) )因此，在分析因此，在分析地震或人工爆破对饱水岩体稳定性的影响，必须考虑地震或人工爆破对饱水岩体稳定性的影响，必须考虑这一因素，尤其当裂隙中充有粘土等降低裂隙透水性这一因素，尤其当裂隙中充有粘土等降低裂隙透水性能的物质时，这种影响更为明显能的物质时，这种影响更为明显. .3.6.2.3 3.6.2.3 岩体变形破裂引起的岩体内空隙水压力的变化岩体变形破裂引起的岩体内空隙水压力的变化 岩体变形进入破裂
47、阶段（尤其是进入不稳定破裂阶段）岩体变形进入破裂阶段（尤其是进入不稳定破裂阶段）以后，破裂造成扩容现象可引起空隙水压力发生显著变化以后，破裂造成扩容现象可引起空隙水压力发生显著变化. .岩体所处环境不同，可表现为不同的变化机制岩体所处环境不同，可表现为不同的变化机制。 1. 1.膨胀强化机制膨胀强化机制 根据岩体三轴试验分析（参见图根据岩体三轴试验分析（参见图3 31 1），可有两种），可有两种表现方式：表现方式： （1 1）饱水封闭岩体在受力过程中，扩容部位造）饱水封闭岩体在受力过程中，扩容部位造成真空，使空隙水压力迅速降低，甚至变为负（参成真空，使空隙水压力迅速降低，甚至变为负（参见图见图
48、3 31 1中空隙水压力曲线中空隙水压力曲线及图及图3 34848（b b），），产生所谓岩体强度的产生所谓岩体强度的“膨胀强化膨胀强化”现象。扩容停止现象。扩容停止以后，空隙水压力随着四周地下水的缓慢流入而部以后，空隙水压力随着四周地下水的缓慢流入而部分回升分回升; ; （2 2）非封闭的、水进出较为畅通的岩体，也可）非封闭的、水进出较为畅通的岩体，也可由于迅速加荷造成的破裂扩容迅速超过四周地下水由于迅速加荷造成的破裂扩容迅速超过四周地下水流入扩容区的速度，而引起与前者相似的流入扩容区的速度，而引起与前者相似的“膨胀强膨胀强化化”现象。不过区别在于一旦扩容速度减缓或停止，现象。不过区别在于一
49、旦扩容速度减缓或停止，空隙水压力可迅速回升空隙水压力可迅速回升( (参见图参见图3 3l l空隙水压力曲线空隙水压力曲线) )。 上述分析还表明，上述分析还表明，“膨胀强化膨胀强化”是是种暂时性现种暂时性现象。随着四周地下水象。随着四周地下水“缓慢缓慢”或或“迅速迅速”进入扩容体。进入扩容体。负压现象亦即降低或消失，岩体将因丧失这种临时性负压现象亦即降低或消失，岩体将因丧失这种临时性的的“强化强化”而导致最终破坏。因而由而导致最终破坏。因而由“膨胀强化膨胀强化”所所引起的一些特征现象，如地下水位由急剧上升引起的一些特征现象，如地下水位由急剧上升( (表明岩表明岩体被强烈挤压体被强烈挤压) )转
50、为平静或下降（如转为平静或下降（如19581958年邢台地震发年邢台地震发震前所见震前所见) )，滑坡滑前所测的微震（表明岩体出现破裂，滑坡滑前所测的微震（表明岩体出现破裂) )的突然消失的突然消失( (如如19831983年甘肃洒勒山滑坡滑前微震测试资年甘肃洒勒山滑坡滑前微震测试资料所示料所示) )以及滑移速度由加速突然制动等，都可能是岩以及滑移速度由加速突然制动等，都可能是岩体破坏的预兆在临震或临滑预报中具有重要意义体破坏的预兆在临震或临滑预报中具有重要意义。 2 2超空隙水压力激发机制超空隙水压力激发机制 岩体剪切变形破坏过程的前述分析中已指出，某些剪岩体剪切变形破坏过程的前述分析中已指
51、出，某些剪切椿在演化进程中可出现扩容和压缩交替出现的现象以切椿在演化进程中可出现扩容和压缩交替出现的现象以单剪切带的演化模式单剪切带的演化模式 参见图参见图3 312)12)为例：当剪切带中出现为例：当剪切带中出现拉张裂隙，井被地下水充填饱和，如果进一步剪动造成塑拉张裂隙，井被地下水充填饱和，如果进一步剪动造成塑性破坏使位张裂隙压密，这一过程十分迅速以至于空隙水性破坏使位张裂隙压密，这一过程十分迅速以至于空隙水被被“封闭封闭”在剪切带中不能及时排出，则有可能在剪切带在剪切带中不能及时排出，则有可能在剪切带中造成异常超空隙水压力，它甚至可使有效压应力降为零，中造成异常超空隙水压力，它甚至可使有效
52、压应力降为零，成为导致岩体破坏的重要激发机制成为导致岩体破坏的重要激发机制 此外，某些外动力地质作用也可促成这种激发机制此外，某些外动力地质作用也可促成这种激发机制的形成例如在斜坡的潜在剪切带中如果正好是地下水的形成例如在斜坡的潜在剪切带中如果正好是地下水渗透变形或溶蚀作用活跃带，造成岩渗透变形或溶蚀作用活跃带，造成岩( (土土) )体结构体结构“粗化粗化”或空隙率增高，一且因剪动而引起结构破坏和突然压密，或空隙率增高，一且因剪动而引起结构破坏和突然压密，则可激发起很高的超空隙水压力，成为斜坡失稳和高速滑则可激发起很高的超空隙水压力，成为斜坡失稳和高速滑坡的重要形成机制之一坡的重要形成机制之一
53、( (详见第九章详见第九章) )。3.3.水击（锤）机制水击（锤）机制 当破裂扩容区与具有高水头的地表水体（如水库、湖泊）当破裂扩容区与具有高水头的地表水体（如水库、湖泊）直接连通，由于地表水迅速贯入，尔后又因出口排水不良而堵直接连通，由于地表水迅速贯入，尔后又因出口排水不良而堵塞，此时可产生塞，此时可产生“水击水击”，在突然出现的破裂面中造成惊人的，在突然出现的破裂面中造成惊人的高水头超空水压力。图高水头超空水压力。图3 34949表示了表示了19321932年西格陵兰所观察的年西格陵兰所观察的冰裂缝中喷出的高达冰裂缝中喷出的高达300m300m的喷泉这一奇观的形成机制。冰川从的喷泉这一奇观
54、的形成机制。冰川从大陆向湖泊运动，其前缘承受湖水的浮力，致使冰川大陆向湖泊运动，其前缘承受湖水的浮力，致使冰川“折断折断”。湖水在高达湖水在高达700m700m的水头差迅速贯入裂缝，由于出口处裂缝狭窄，的水头差迅速贯入裂缝，由于出口处裂缝狭窄，阻塞高速流动的水流，因而造成水击，形成喷泉。水击机制对阻塞高速流动的水流，因而造成水击，形成喷泉。水击机制对于水下岩体的突发性崩坏具有很重要的意义。空隙水压的上述于水下岩体的突发性崩坏具有很重要的意义。空隙水压的上述变化的某些定量评价，将在以后有关章节中结合具体问题再作变化的某些定量评价，将在以后有关章节中结合具体问题再作详细讨论。详细讨论。 以上分析表
55、明，岩体在不问应力状态下其最终破坏不外以上分析表明，岩体在不问应力状态下其最终破坏不外乎剪切破坏和拉断破坏这样两种主要方式但是，不同岩性乎剪切破坏和拉断破坏这样两种主要方式但是，不同岩性和蛄构特征的岩体，在不同的应力状态下，其变形破坏过程和蛄构特征的岩体，在不同的应力状态下，其变形破坏过程则是多种多样的，并且过程中时间效应特征和空隙水历力所则是多种多样的，并且过程中时间效应特征和空隙水历力所起的作用也各不相同。起的作用也各不相同。 根据岩体变形破坏的模拟试验和理论研究，结合大量地根据岩体变形破坏的模拟试验和理论研究，结合大量地质观察资料，可以从岩体变形破坏过程中划分出若干基本单质观察资料，可以
56、从岩体变形破坏过程中划分出若干基本单元井用这些单元的特定组合表征岩体变形机制和演进特元井用这些单元的特定组合表征岩体变形机制和演进特征建立岩体变形破坏的地质力学模式。基本的变形破裂单征建立岩体变形破坏的地质力学模式。基本的变形破裂单元可分为拉裂、蠕滑元可分为拉裂、蠕滑( (滑移滑移) )弯曲和塑流四种弯曲和塑流四种 拉裂拉裂(fracturing)(fracturing)，为拉断破裂，包括以拉应力为，为拉断破裂，包括以拉应力为主造成的拉裂（主造成的拉裂（tensile cracking)tensile cracking)和以压应力为主造和以压应力为主造成的压致拉裂成的压致拉裂(compress
57、ion cracking)(compression cracking)共力学特征共力学特征表现为弹性介质模型表现为弹性介质模型 蠕滑蠕滑(creep sliding)(creep sliding)为剪切变形破坏，包括沿某为剪切变形破坏，包括沿某潜在剪切面的剪切蠕变潜在剪切面的剪切蠕变(creepshearing(creepshearing) )、沿原有结构、沿原有结构面的滑移面的滑移(sliding)(sliding)和介于两者之间的蠕变一滑移，即和介于两者之间的蠕变一滑移，即蠕滑蠕滑( (图图3 350)50)。其流变特征一般属粘弹。其流变特征一般属粘弹粘塑性介质粘塑性介质模型模型. . 弯
58、曲弯曲(bending)(bending)系指弯曲变形，按受力方式可分为系指弯曲变形，按受力方式可分为横弯曲和纵弯曲，按支撑约束方式可分为简支梁、并横弯曲和纵弯曲，按支撑约束方式可分为简支梁、并伸梁和悬臂梁弯曲等。其流变特征一般属粘弹伸梁和悬臂梁弯曲等。其流变特征一般属粘弹帖塑帖塑性介质模型性介质模型. . 以上四个变形破裂单元中，后三者具有明显的时间效以上四个变形破裂单元中，后三者具有明显的时间效应，它们决定了岩体变形破坏演化过程中的时间效应特征。应，它们决定了岩体变形破坏演化过程中的时间效应特征。拉裂的产生往往具有突发性，是岩体演变进程中可能引起拉裂的产生往往具有突发性，是岩体演变进程中可
59、能引起空隙水压力跃变的重要因素空隙水压力跃变的重要因素. . 对不同荷载条件下岩体变形破坏过程所怍分析表明，对不同荷载条件下岩体变形破坏过程所怍分析表明，各变形破裂单元井非单独产生，一种单元的出现总是伴有各变形破裂单元井非单独产生，一种单元的出现总是伴有另外一些单元，并且往往是一对互为因果的单元对岩体变另外一些单元，并且往往是一对互为因果的单元对岩体变形破坏进程起主导作用，反映丁演化过程中内在的力学机形破坏进程起主导作用，反映丁演化过程中内在的力学机制因而，据此可将岩体的变形破坏机制划分为若干基本制因而，据此可将岩体的变形破坏机制划分为若干基本的地质力学模式（图的地质力学模式（图3-513-51）。）。 (1)(1)蠕滑蠕滑( (滑移滑移) )拉裂可发生在各类岩体中，但以块拉裂可发生在各类岩体中，但以块状，层状和散体状岩体中多见表现为一定形状的岩体沿状，层状和散体状岩体中多见表现为一定形状的岩体沿岩体中原有的岩体中原有的0 0软弱面或潜在剪切面的蠕滑，井伴有向滑软弱面或潜在剪切面的蠕滑，井伴有向滑移面方向逐渐收敛的拉裂，如图移面方向逐渐收敛的拉裂，如图3 351511 1所示斜坡体中所示斜坡体中的这类变形往往可于变形体的后缘直接观测到拉裂缝，它的这类变形往往可于变形体的后缘直接观测到拉裂缝，它
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