高应力强卸荷作用下多组裂隙岩体宏细观力学行为
“深部重大工程灾害的孕育演化机制与动态调控理论”立项报告
“深部重大工程灾害的孕育演化机制与动态调控理论”立项报告作者：冯夏庭李海波王明洋李夕兵邓建辉来源：《科技资讯》2016年第13期摘要：随着矿山开采深度增加和条件趋于复杂，以及越来越多的水利水电、交通、国防和基础物理实验等工程在深部和我国强烈构造活动区兴建，高强度岩爆、持续大变形和大体积塌方等深部工程灾害造成的人员伤亡、停工停产等工程事故居高不下，造成的经济损失触目惊心。
深部工程的重大灾害事故难以遏制的关键问题在于目前对这些灾害的发生机理缺乏深入研究，尚无有效指导这些灾害预测和防治的系统理论和方法。
为了解决这些问题，本项目立项报告提出了围绕涉及地学、力学与工程科学方面的四个关键科学问题：（1）深部岩体结构特征与复杂应力环境及其对灾害的控制作用；（2）深部强卸荷作用下裂隙岩体与围岩力学行为的演化规律；（3）深部重大工程灾害时空孕育演化动力学过程与成灾机理；（4）深部重大工程灾害孕育演化过程的时空预测与动态调控。
设置了6个课题：（1）深部岩体结构与地应力特征及其对灾害的控制作用；（2）高应力强卸荷作用下多组裂隙岩体宏细观力学行为；（3）深部围岩分区破裂机理及其时间效应；（4）深部硬岩爆破开挖诱发岩爆与碎裂诱变机理；（5）深部岩体强卸荷大变形演化与致灾机理；（6）深部重大工程灾害的时空预测与动态调控理论。
确定了如下预期目标：针对深部工程和深部金属矿山重大灾害（高强度岩爆、持续大变形与大体积塌方）的诱发条件、孕育演化机制、预测预警与动态调控方法开展基础研究，揭示高应力强卸荷下深部围岩应力调整与性质转化和结构分区破裂演化的条件和机理，探明深部工程灾害孕育演化过程中的能量聚集、传递与释放的规律，建立深部重大工程灾害孕育演化过程的时空预测和动态调控理论体系，较好地解决我国深埋水利水电工程、金属矿山深部开采、深埋交通隧道、深埋国防工程、暗物质探测等深部基础物理实验工程中灾害预测预报和防治的关键科学问题，形成深部重大工程灾害防治与矿产资源高效开采相结合的深部金属矿安全开采新模式和理论体系，为实现我国安全、经济与高效的深部资源开采、能源开发、交通、基础物理实验与国防建设等提供关键理论支持。
卸荷节理岩体的力学特性
卸荷节理岩体的力学特性张永兴 吴汉汇 重庆大学土木工程学院摘要：在节理岩体的卸荷条件下，在线弹性断裂力学的节理岩体模型被建立。
根据模型，推导得出的应力，应变，位移方程受该裂纹的影响。
他们都是重要的评价岩体的变形。
这是证明通过对这些理论公式的计算结果与观测数据之间的比较，从卸荷试验看它们分别适用于实际工程。
关键词：节理岩体，卸荷，力学特性引言：岩体是由岩块和各种各样的结构平面构成，大多数结构平面节点定义为在岩石裂缝或裂缝在这点无位移。
不同的工程条件下，裂隙岩体的行为是不同的。
在开挖边坡岩体的洞穴，大部分地区岩石会发生卸荷。
尤其在高陡边坡或大型地下工程，较大的挖掘尺寸，会导致更多的原始应力释放。
过大的变形和破坏往往发生在拉伸和剪切的节理岩体中。
在负载或空载状态下。
它涉及强度的差异和变形差异，这些主要由不同的节理在不同的条件下引起的。
因此，为了分析的变形和破坏的节理。
开挖卸荷状态下的岩体，卸荷行为的内裂纹的岩体拉伸和剪切应研究。
在过去几十年中，通常使用线性弹性断裂力学研究来发展岩体裂缝。
基本线弹性断裂力学的原理是：一裂纹的尖端附近的重要参数是压力强度因子，如K （为方便这里的讨论，我们假设它是I 型裂纹）;还有一种是在非线性或非弹性的介质中接近裂纹尖端的临界应力强度因子IC K 。
但标准的裂纹扩展是IC I K =K ，只要这个区（即断裂 加工区）的岩体尺寸比其他区小得多。
基于断裂力学线弹性理论的影响可以计算。
因此，普通的卸荷。
节理岩体可分解由基本的力学加载项组成的平面问题，在卸载阶段节理岩体的力学行为主要涉及的张拉，剪切，以及它们的组合。
此外，由于一个方向的尺寸在边坡工程和地下工程通常是远远大于其他两个方向。
沿该方向的外部荷载可以视为不变，它们可以简化为平面应变问题。
2.应力场和位移场在拉伸和剪切方向离节理岩体裂纹较远弹性力学理论中的平面问题可以通过相容方程和平衡方程来解决，边界条件可以用应力变量来表达，应力变量可以用函数φ来表示，其调和方程计算如下：上述方程是一个双调和方程应力函数φ是双调和函数。
卸荷作用下裂隙岩体性质研究
ｌ ８
为斜坡表部裂隙大多张开或张开度较大 ， 至一定深 度趋 于稳 定 。裂 隙 密度 、 隙 开度 的这 种 变 化是 由 裂
见的一种动力现象。由于卸荷带破坏了岩体的完整 性， 降低 了岩 体质 量 ， 同时 也 构成 风化 、 下 水等 外 地
动力作 用 的通 道 。 因此 ， 它对 岩 石边 坡 的稳 定性 及
与其相 关 的岩石 工程 问题有重要 的意义 ¨ 。 Ｊ
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图 １ 卸 荷 作 用 下 结构 面方 向与 抗 拉 强度 关 系
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总 第４ １ ６ 期 ２０ 年 ９月第 ９期 ０７
９。 ， Ｏ 时 抗拉 强度 为０３ ａ 仅为 未设 置结构 面岩 石 ．ＭＰ ， 抗 拉强度 的 １１ 。这说 明对 于 含有 节理 、 隙 的岩 ／３ 裂 体， 在卸 荷作用 下 ， 强度具有 明显 的各 向异性 。 其
在 土木建 筑 、 交通 土建 、 利水 电、 天矿 山 等 水 露
关键词 ： 岩体 ； 卸荷 ； 裂纹 ； 力 削弱 ； 应 应力屏 蔽 中图分类 号 ：Ｕ ５ Ｔ ４６ 文献标 识码 ： Ａ 文章 编号 ：０ ９５ ８ （０ ７ ０ － １－３ １０ －６ ３ ２ ０ ）９０ ８０ ０
Ｒｅ ｅ ｃ ｎ Ｐｒ ｐ ｒｙ ｏ ａ ｔ ｒ ｄ ｃ Ｍ ａ ｓ Ｕｎ ｒ Ｕｎ ｏ ｄ ｎ ｆｅ ｔ ｓ ａｒ ｈ ｏ ｏ ｅ ｔ ｆＦｒ ｃ ｕ ｅ Ｒｏ ｋ ｓ ｄｅ ｌ ａ ｉ ｇ Ｅｆ ｃ Ｗａ ｇ Ｘｉｏ ｕ ｎ ａｈ
深部重大工程灾害的孕育演化机制与动态调控理论
项目名称：深部重大工程灾害的孕育演化机制与动态调控理论首席科学家：冯夏庭中国科学院武汉岩土力学研究所起止年限：2010年1月-2014年8月依托部门：中国科学院一、研究内容1、拟解决的关键科学问题根据国家重大需求、国际科学前沿和国内外研究现状，本项目紧密围绕深部重大工程灾害的孕育演化机制与动态调控理论的基础研究，从多学科交叉的视角，凝练出拟解决的四个关键科学问题。
科学问题一：深部岩体结构与地应力特征及其对灾害的控制作用深部岩体的物质性、结构性及赋存性是有别于其它材料的本质特征。
深部岩体的“三性”及其相互关系是控制深部工程灾害的关键因素。
就“物质性”而言，本项目的研究对象是深部硬岩；就“结构性”而言，深部工程岩体结构和地质缺陷具有高度的隐蔽性、不确定性和时空变异性。
因此，如何识别深部岩体的地质特征成为需要研究的首要关键问题，比如，如何采用弹性波正反演理论、瞬变电磁波反演理论以及这两种方法的综合方法，解译并识别岩体结构及相关构造，等等。
为合理表征岩体结构特征，需要综合深部岩体探测结果与基于围岩表面岩体结构精确测量结果，建立考虑体积密度、空间RQD和几何分布特征的三维岩体结构参数化模型。
同时，需要研究高应力强卸荷作用下岩体结构时空演化规律、岩体力学行为的结构控制、结构与应力协调控制和结构控制转化为应力控制的机制、条件和模型。
针对深部岩体的“赋存性”，需要研究岩体复杂的应力环境特征及高精度的测试方法；重点需要揭示具有强烈构造活动特征的工程区地应力场形成机制，建立考虑强烈构造活动和复杂地形地貌形成过程以及非线性边界条件的深部长大工程区三维地应力场反演理论；需要研究高应力强卸荷作用下深部工程围岩应力场演化过程的分析方法，建立典型深埋长大工程区的三维地应力场形成与开挖扰动引起的演化模型。
本科学问题的研究为深部重大工程灾害的孕育演化机制、时空预测与调控理论研究提供必要的地质模型、应力模型及其相关数据。
科学问题二：深部强卸荷作用下裂隙岩体与围岩力学行为的演化规律考察岩体有三个基本视角：地质属性、力学行为和工程性质。
岩体卸荷力学
岩体卸荷力学
岩体卸荷力学又称为岩体解体力学或岩体失稳力学，是研究岩体从承受荷载状态向无荷载状态转化过程中的力学行为的学科。
岩体卸荷力学主要研究岩体在卸荷过程中的变形、破裂和失稳等现象，以及影响这些现象的各种因素。
岩体卸荷力学的研究对象是岩体内部的裂隙和裂缝系统。
在岩石内部存在着各种不同尺度的裂隙和裂缝，这些裂隙和裂缝的形成和发展对岩体的力学性质和稳定性有着重要的影响。
岩体在荷载作用下会发生变形和破裂，而在卸荷过程中，这些变形和破裂的特点和机制则是岩体卸荷力学研究的核心内容。
岩体卸荷力学的研究方法包括现场观测、室内试验和数值模拟等。
现场观测是通过对实际岩体的变形和破裂现象进行直接观察和记录来获得数据和信息的方法。
室内试验是在实验室中对岩体进行加载和卸载试验，通过测量岩体的力学性能参数来研究岩体的卸荷过程。
数值模拟是利用计算机模拟岩体卸荷过程的力学行为，通过数值计算和模拟得到岩体的变形和破裂等信息。
岩体卸荷力学的研究成果对预测和评估岩体的稳定性和安全性具有重要的意义。
研究人员可以通过对岩体内部裂隙和裂缝的分布和演化进行分析，了解岩体在卸荷过程中的变形和破裂机制，从而为岩体工程设计、岩体监测和岩体灾害预防等提供科学依据。
基于高应力下花岗岩卸荷试验的力学变形特性研究
基于高应力下花岗岩卸荷试验的力学变形特性研究第31卷第2期2010年2月岩土力学RockandSoilMechanicsV_0l_31FebN0.22010文章编号l1【)0O一7598(2010)02—0337—08基于高应力下花岗岩卸荷试验的力学变形特性研究吕颖慧,刘泉声一,江浩.(1.中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室,武汉43007l;2.山东科技大学土木建筑学院,青岛266510:3.山东电力工程咨询院,济南250013) 摘要:进行了高应力条件下卸围压并增大轴压的花岗岩卸荷试验,描述了卸荷过程中岩石渐进破坏的应力一应变曲线和力学参数损伤劣化规律;分析了能较好反映岩石卸荷强度破坏特征的Mogi—Coulomb准则和强度参数变化规律:建立了岩石由压剪破裂逐渐过渡到张剪破坏的渐进演化体系.在此基础上,通过对岩石卸荷破坏起主要作用的横向变形将压剪Mogi—Coulomb准则和拉剪Mogi.Coulomb准则联系起来,建立了描述岩石卸荷渐进破坏的新强度准则.基于上述的卸荷试验成果,结合描述岩石卸荷渐进破坏的应力.应变曲线,在应变空间中推导了考虑岩石力学变形参数损伤劣化效应,横向变形作用,卸荷渐进破裂演化机制的力学本构方程.关键词:高应力:卸荷;强度准则;本构方程.中图分类号:TU454文献标识码:A Studyofmechanicaldeformationcharacteristicsofgranite inunloadingexperimentsofhighstressLOYing.hui,LIUQuan.sheng一,JIANGHao(1StateKeyLaboratoryofGeomeehanicsandGeotechnicalEngineering,InstituteofRocka ndSoilMechanics,ChineseAcademyofSciences,Wuhan430071,China;2.CollegeofCivilEngineeringandArchitecture,ShandongUniversi tyofScienceandTechnology,Qingdao266510,China;3.ShandongElectricPowerEngineeringConsultingInstitute;Jinan250013;China) Abstract:Bycarryingoutunloadingexperimentsofhighstressongranitesinthestyleofunloa dingconfiningpressurewithloadingaxialpressure,thestress—straincurveswhichdescribethegradualdamageofrockandthedegradationlawsofmechanic aldeformationparametersarebothacquired,theMogi—Coulombstrengthcriterionisappliedtoexplaindeformationcharacteristics,the varyinglawsofstrengthparametersandtheevolutionaryfeaturesfromcompression??sheari ngcrackstotension?-shearingcracksofrocksarealsobuiltup.Thentherelationbetweencompression—shearingMogi—Coulombcriterionandtension—shearingMogi—Coulombcriterionisexpressedbythelateraldeformationwhichhasaprimaryaffectonunloa dingdamageofrock;andthenewstrengthcriterionisestablished.Finally,basedontheaboveexperimentalresultsandstress—straincurvesfromtheunloadingexperiments,themechanicalconstitutiveequations,whichinvolvesthedegradationlawsof mechanicaldeformationparameters,the effectoflateraldeformationandtheevolutionaryfeaturesofunloadingdamagearededucedi nthestrainspace.Keywords:highstress;unloading;strengthcriterion;constitutiveequation1引言我国水电资源总量位居世界第一,技术可开发量约为4亿kW,其中西部水电资源约为71%,开发率仪为7.5%.因此,大力发展西部水电,实施西电东送已成为我国西部大开发战略的重要组成部分,也是西部大开发战略实施的重要保证,但由于第四纪以来印度板块向欧亚板块的俯冲与挤压,造成青藏地区快速隆生,派生出西部地区强烈的现代地壳运动,高地应力场和外动力地质作用,从而形成了西部山高谷深,地势异常陡峻的独特地质构造,使得西部地区的深埋大型地下洞室群,跨流域调水工程和引水发电工程的隧道处于高地应力环境中.随着西部大开发,西电东送及南水北调等大型工程的建设,必定会遇到大量地下厂房,大型地下洞室等工程的开挖,其开挖过程本质上主要是卸荷行为,收稿日期:2009.08.14基金项目:阂家自然科学基金项目(No.10902118,No.90510059,No.40638040).第作者简介:吕颖慧,女,1981年生,博士,助理研究员,主要从事岩土工程中岩石力学参数反演理论,方法研究及其地下E程中围岩稳定性分析方面的研究.E-mail:*************.cn338岩土力学卸荷过程中岩石的力学变形特性与加载条件下是不同的…,而依据其所建立的卸荷本构模型和破裂强度准则是进行岩石力学分析,数值模拟研究的基础和出发点.因此,通过开展高应力下岩石卸荷的力学变形特征研究,建立新的卸荷强度准则及其本构模型是分析评价西部卸荷岩体工程安全稳定性的关键,具有重大的理论意义和实践作用.近十几年来,随着岩石力学的不断发展,国内外学者开展了卸荷中岩石变形特性的研究l2引,但在建立岩石卸荷破坏强度准则及其力学本构模型方面的研究成果还比较少,且已有的研究成果中大多存在5个桎梏:①卸荷本构模型建立在弹塑性加卸载准则基础上,没有考虑岩石卸荷渐进破坏的演化机制8】;②仍采用了Mohr-Coulomb的卸荷强度破裂准则[2】'然而大量的理论和试验成果表明J:在高应力条件下,Mohr-Coulomb强度准则已不能很好地包络应力Mohr圆;③基于细观损伤断裂力学所建立的卸荷本构模型,该类本构模型中所成立的损伤变量不能很好地反映岩体卸荷损伤演化过程[3-61: ④仅仅依据现有的加载岩体力学本构模型通过应力状态和岩体裂隙的几何特征进行卸荷岩体本构模型分析[1o];⑤对岩体卸荷破坏机制缺乏深入的研究, 没有分析对卸荷岩石破坏起主要作用的侧向变形及其体积变形规律¨卜J.本文结合西部卸荷岩体工程中的围岩应力环境:洞室周围平行于开挖面方向主方向主要表现为加载(应力增高),垂直于开挖于开挖面方向的洞壁附近主要表现为卸荷.对取自大渡河大岗山水电站地下厂房开挖区的花岗岩进行一系列高应力下室内卸荷试验.在对试验结果进行系统分析的基础上,在应变空间中推导了考虑岩石力学变形参数损伤劣化效应,横向变形作用,卸荷渐进破裂演化机制的力学本构方程,为实际工程的开挖稳定性分析和支护设计提供可靠依据.2卸荷试验研究2.1试验条件及其方案试验在中国科学院武汉岩土力学研究所MTS815.03型压力试验机上进行.试验采用了增加轴压的同时卸围压的卸荷试验方案,各岩样初始应力条件见表1,试验步骤为:①首先按静水压力条件施加=0"3到预定值,预定值分别为30,4O,60, 80,100MPa;②加轴压至预定的初始应力水平;③以0.3MPa/s的速率卸围压的同时,以0.3MPa/s速率增加轴压;④试件破坏.为了更好地描述卸荷过程中应变曲线的变化规律及其力学强度参数劣化特征,开展了多组围压下的常规三轴压缩对比试验.表1各岩样初始应力条件Table1Initialstressconditionofspecimens岩样编号U3.1U4.1U6.1U8.1U10.1U3.2u4.2u6.2u8.2u1O-2U3_3u4.3u6.3U8.3U10.330406080100350380400400450围压/IVIPa轴压/MPa2.2变形及其破裂特征图1,2给出了初始围压分别为30,40MPa时卸荷试验和常规三轴试验下以静水压力状态时的变形作为应变轴起点的应力.应变破坏过程曲线.图3 为只研究卸围压过程中引起的变形,并假定这部分变形从0开始而得到的典型岩样在初始围压下卸荷的应力一应变曲线,图4为典型岩样在卸荷试验中的宏观破坏图.,.重z:\100\501一6—4—20246810应变/10.(a)西=30MPa2一皇zs125Cl\100\501——6——4——2024681012应变/l0(b)40MPa图1卸荷试验中岩石的应力.应变全过程曲线Fig.1Completestress-straincurvesofrockinunloadingtests2期吕颖慧等:基于高应力下花岗岩卸荷试验的力学变形特性研究339 3'0'0450400篌/50皇22015文l0050j)UU向应变∥..一.一横轴4500o皇z24堡15l0o{成变/10应变/lO(a)西;30MPaCo)40MPa图2常规三轴压缩试验中岩石的应力应变过程曲线Fig.2Stress—straincurvesofrockinthecommontriaxialcompressiontest 2'l//1～轴阳应变./2一横向应变/3一体积应变,I-3—2l012应变/10fa)U3.2-;1一『向应变苫60_●2一横向臆变03一体积应变s.●:l一轴向戍变髹髋蒌5\340|应变/lO(b)U4.3;1/一轴向应变导nn_●●2～横向戍变3一体积心变3图3忽略初始变形后岩样卸围压阶段的应力.应变过程曲线Fig?3Stress.straincurvesofrocksamplesinunloadingwithoutconsideringinitialstrain (b)(c)(d)(e)图4典型岩样卸荷破坏宏观示意图Fig.4Sketchmapofmacroscopicdamageabout representativerocksamplesinunloading由图1,2的应力一应变曲线对比分析图3卸荷阶段的变形曲线,可以得出如下规律性认识.(1)相同的初始围压下,加载试验中的轴向应变较卸荷试验中的大,延性特征较为明显,在卸荷过程中轴向应变变化较为平缓.(2)相同的初始围压下,加载试验中横向变形在峰值点附近比卸荷试验的小,卸荷过程中横向应变向外扩张得非常剧烈,临近破坏点时变形更加剧烈,这一点可以从图3中明显看出.㈣应㈣34m●46岩土力学2010年(3)加载试验过程中峰前体积变形处于不断压缩状态,屈服段扩容较小,如图2所示.卸荷试验进入卸荷阶段后,岩石扩容明显加剧,如图1,3所示.(4)加载试验时岩石破坏是因为其轴向压缩变形所致,而卸荷试验中岩样破坏是因为向卸荷方向的强烈扩容所致.(5)由图4的岩样卸荷破坏宏观示意图可以看出:岩样卸荷破坏时脆性特征明显,有明显的宏观张拉裂纹生成,岩壁处的破坏特征较为明显,此时岩石卸荷屈服破坏由初始阶段的三向压缩剪切破坏转化为拉(张)剪破坏.从图4可以明显看出张拉裂纹的贯通破坏特征.3劣化效应及其强度准则的建立3.1力学变形参数的劣化效应在岩石力学中,力学变形参数(如变形模量E和泊松比)一般通过单轴压缩试验方式获得,即:,或E:(1)d/z:一鱼,或:一(2)e3d常规三轴试验中由于围压不变,可将式(1)中的轴压替换为偏压一进行计算.从图3中可以得出,卸荷过程中轴向应变变化很小,如果仍采用常规三轴试验计算方法求得的变形模量将会很大,与实际情况不一致.因此,本文采用了如下计算变形模量及其泊松比的公式¨】(力以压为"+",变形以压缩为"+"):E=(一2)/l=(B—o-3)/[o-3(2B一1)一]}(3)B=c3/'~1J图5为卸荷时岩样的变形模量与围压的关系曲线.从图5中可以看出,卸荷过程中变形模量随着围压的减小逐渐降低,劣化效应明显.现定义卸荷中变形模量损伤因子D:,,,D=I1一l(4)/}式中:E为卸荷过程中的变形模量;E0为卸荷初始点处的变形模量.损伤变量因子的张量形式表达为:f一1(5)l』式中:和.分别为其张量形式;i为单位张量.昌\《g}柱嚣100806040200围压/MPa图5卸荷中变形模量随围压的变化关系曲线Fig.5Relationshipcurvesbetweendeformationmodulusandconfiningpressure图6给出了卸荷中变形模量损伤因子D随围压的关系曲线,其损伤因子D与围压的关系可一以用指数函数D=Do+Ae进行拟合,其中,,f近似为初始围压的3次多项式拟合函数,分别表示为Do=一7E一063+0.O01o~一0.0412+0.4986A=一1E一053+0.002l一0.0995+1.5075t=0.0035司一0.5068+21.986~3—269.19Q区盘=壬辖l00806040200围压/MPa(6)图6卸荷中变形模量损伤因子随围压的关系曲线Fig.6Relationshipcurvesbetweendamagefactorof deformationmodulusandconfmingpressure图7为岩石卸荷时泊松比随围压的变化特征曲线,从图中可以看出:①泊松比随着卸荷的进行而不断增大;②临近岩样破坏时,泊松比超过了0.5 并呈继续增加的趋势,这是因为在试件中存在许多微小裂缝,因此,在卸载过程中,除卸载方向产生回弹变形外,还存在裂缝变形,在卸荷后期随着裂纹的贯通,导致侧向变形剧增,泊松比超过了极限∞∞∞0第2期吕颖慧等:基于高应力下花岗岩卸荷试验的力学变形特性研究341 值,材料破坏;③卸荷过程中泊松比随围压的变化关系可用指数函数进行近似拟合,=+Ae一0"3佃,其中系数A,B均为初始围压的3次多项式拟合函数,为初始围压的幂次函数,且有:=一0.0004+0.0497.一1.6948+18.466B=0.0018一0.2152o'3+7.8878-84.656o:0.0425..0.60.5O-4警延0.30.20l(7)1O08060402O0围,f/MPa图7卸荷阶段泊松比.围压变化曲线Fig.7MutativecurvesofthePoisson'sratioandconfining pressureinunlaoding3.2卸荷破坏强度准则建立大量的理论和试验结果均表明,以刻画浅部岩石强度理论为主的Mohr-Coulomb准则,不能很好地描述深部高应力下岩石破坏特征,因此,本文提出了Mogi.Coulomb强度准则,用以描述高应力下岩石卸荷破坏特征,进而求出卸荷过程中的力学强度参数.Mogi.Coulomb强度准则将岩样破坏时的八面体剪应力看成最大和最小主应力和的平均的函数::口+bf1(8)/图8,9分别为Mohr-Coulomb准则与Mogi—Coulomb准则描述本文卸荷试验中岩样破坏特征曲线,从两图的拟合效果比较中可以看出:运用Mohr- Coulomb准则函数进行描述时,相关系数R:0.4773,而运用Mogi—Coulomb准则进行试验破坏描述时,相关系数R=0.8992.因此,说明了Mogi. Coulomb强度准则能较好地描述高应力条件下岩石卸荷破坏特征.Mogi线性参数a,b与Coulomb抗剪强度参数c(黏聚力),(内摩擦角)的关系为a:ccos(9)=——6:sin(10)3由式(9),(10)可以得出卸荷过程中岩石强度参数C,值分别为:C=39.19MPa,=54.74..0l02030405O围压/MPa图8Mohr-Coulomb强度准则拟合曲线图Fig.8ThefittingcurveaboutMohr-Coulomb日220-R誊200蝰旧18O16O180200220240260280300大小主应力平均值,MPa图9Mogi.Coulomb强度准则拟合曲线图Fig.9ThefittingcurvesaboutMogi-Coulomb4卸荷本构模型的建立依据岩石卸荷阶段的应力一应变曲线及其岩石卸荷破坏特征分析,将岩石卸荷损伤渐进破坏曲线分为弹性变形阶段和卸荷屈服段,如图10所示的OA段和AB段,并在应变空间中推导不同变形阶段的本构方程时,设定2个预知条件:①在卸荷屈服的初始阶段即图1O中A点附近,岩样出现了少量的拉裂纹,破坏主意以压剪破坏为主,此时采用三向压缩状态下的Mogi—Coulomb屈服函数描述;但随着卸荷的继续进行,因二次应力分布在岩壁处产生的拉应力不断增加甚至集中,使得岩样拉裂纹产生并不断扩展,岩石完全破坏时呈现拉剪破裂特征, 此时采用拉剪Mogi.Coulomb屈服函数描述:②卸荷屈服过程中,岩石屈服函数随着横向应变作用,在压剪Mogi—Coulomb准则和拉剪Mogi.Coulomb 准则之间呈线性变化.∞∞∞∞∞∞065432窆\幂342岩土力学2010伍翻应变图10岩石卸荷的本构模型示意图Fig.1OSketchmapofconstitutivemodel aboutrockinunloadingd=dof(12)疵一3)[Ce]考+Ce岳…}T=[1,1,1,0,0,0】(15)将式(14),(15)代入式(13)中,有:=:=』:(16){茜}老+善在应力空间中,压剪,拉剪破坏下的Mogi—Coloumb屈服准则函数,分别为=竽…s+等n一(+)=.…=竽…s+竽n一(?一)=.由于应力空间中的不变量与应变空间中的不变量之间存在如下转化关系:'=(19)=(㈣将式(14),(15)代入到(式(17)),(式(18))中,可以得到应变力空间中压剪,拉剪破坏下的Mogi—Coloumb屈服准则函数"二,": 竽…s+竽n一(t+):.=了2-qt2cc.s+了2,f2Esin一二了cco+了n一(一]:.依据所设定的预知条件,岩石卸荷屈服过程中屈服函数随横向应变在压剪Mogi—Coulomb准则和拉剪Mogi.Coulomb准则之间线性变化,建立应变空间中卸荷屈服函数-厂:厂=爨舞.式中:,分别为卸荷时岩样开始屈服时和岩样峰值破坏时的横向应变,可以通过试验得出.对于特定的材料,其值与初始卸荷时的应力状态及其卸荷方式相关.由弹塑性理论可知:d=d+d=【Ce]{dffu}+d(24)因此,有:d=[De]deo_[】d(25)第2期吕颖慧等:基于高应力下花岗岩卸荷试验的力学变形特性研究343 义:d:[De】d(26)将式(26)代入式(14),可推得d:[De『daT_llx[co]daT'27)将式(16)d2,式(27)代入式(25)中,并利用[De]【】=I(,为单元刚度矩阵),可得{d}=r老rDol丽善(28)由于在卸荷过程中,力学变形材料参数(弹性模量及其泊松比)随着卸荷的进行是不断变化的,变化损伤规律关系式前面已通过试验结果拟合给出,强度变形参数也基于试验结果在Mogi.Coulomb准则的基础上求出.因此,将式(11),(28)与所建立的力学强度变形参数关系式和值联立,即可得到卸荷岩体非线性本构方程.5结论(1)卸荷过程中岩石横向变形剧烈,扩容显着.(2)卸荷岩石破裂具有较强的张性破裂特征,卸荷屈服过程中岩样随着横向变形作用,从压剪破裂逐渐过渡到张剪破坏.(3)卸荷过程中,变形力学参数,如泊松比和变形模量,产生了一定的损伤劣化效应,其损伤劣化规律与初始围压相关.(4)在高应力卸荷条件下,Mogi—Coulomb强度准则较之Mohr-Coulomb准则,更能反映其剪切破坏特性.(5)依据卸荷阶段的应力一应变曲线,将岩石卸荷渐进破坏划分为两个变形阶段,并在应变空问中推导了各个变形阶段的非线性本构方程,该本构方程既考虑了对卸荷破坏起主要作用的横向变形,又考虑了卸荷过程中力学变形强度参数的变化.参考文献【1】哈秋黔.加载岩体力学与卸荷岩体力学【j].岩土工程,1998,20(1):114.HAQiu—ling.Loadingandunloadingrockmasses【2][3】【4】[5][6】[7】mechanics[J].ChineseJournalofGeotechnical Engineering,1998,2O(1):144.黄润秋,黄达.卸荷条件下花岗岩力学特性试验研究【J】. 岩石力学与工程,2008,1l(27):2205--2213. 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卸荷情况下的岩体分析
卸荷情况下的岩体分析杜俊（昆明理工大学国资院资源开发系 2007级岩土工程 2007201110）摘要：基于岩体开挖的卸载特性，描述岩体卸荷的力学过程，引入岩体的加卸载判断准则，建立岩体卸荷条件下的弹塑性本构关系，并应用于高边坡的开挖当中。
关键词：岩石力学卸载岩体加卸载准则边坡开挖前言岩体的力学状态一般分为加载和卸载两种方式。
水电、交通工程中的岩体开挖，从力学本质上说，主要是卸载，在高地应力区表现尤为明显。
岩体的力学性能在加载与卸载条件下有本质的区别。
一般来说，岩石本身在这两种力学状态下差别不大，但在含节理、裂隙等结构面的岩体中，由于卸载产生大量的拉应力，使结构面的力学性能发生本质变化，岩体的质量迅速劣化，其力学特性不再符合加载情况下的研究结果。
高边坡开挖是一个典型的卸载过程，采用传统的加载条件下的计算模型与开挖时产生的大面积卸载条件不相符合，其计算结果与实际情况出入较大，其本质是由于计算模型与实际工程力学状态不协调所致。
因此，对边坡开挖的数值模拟，其计算荷载、岩体参数、本构模型及计算软件等都必须反映岩体的卸载特征，以取得较好的研究成果。
本文从岩体卸载的观点出发，并结合岩石卸载试验研究，推导相应的加卸载准则，建立卸载岩体的脆弹塑性本构模型，同时，将本文的模型应用于高边坡的开挖过程中。
1 岩体的卸荷力学过程自然界中的岩体是经过了漫长的复杂的地质构造作用后的产物．并且，岩体在漫长的地质构造作用过程中，形成了大小不等、方向各异的结构面，也就是说，现今岩体是经过了各种不同作用后的损伤岩体，现存岩体中的应力是残余应力σ(应(如图所示)．图中A 点是经过构造运动作用后，岩体的现今应力状态，其值0ε)．0σ为残留在岩体中的地应力,属岩体多次作用后的残余应力，0ε为变为0历次构造作用后达到的总变形，这种变形在历次作用后已损失掉，无法考虑。
如果岩体开挖卸荷，则是残余应力进一步释放的过程．此时，曲线从A点沿AB向下移动；如果岩体卸荷为零，则曲线达到B点；如果继续卸荷使之产生移动，则曲线继续向下延伸至C 点，岩体拉断，即达到残余抗拉强度．如果岩体受力曲线沿A 点向上移动，则表现为加荷，如果加荷至D 点时，达到了岩体的残余抗压强度，曲线延伸至E点破坏．显然，对于岩体开挖卸荷而言，其受力过程是沿ABC 移动，这就是所谓的卸荷作用。
岩土工程前沿领域与现状
〔2〕影响边坡失稳的因素。影响边坡失稳的因素主要 有：地形切割、岩性、构造、水和边坡开挖的综合作用。 经验说明，谷坡强风化带、强卸荷带、甚至弱风化带的 上部经常是边坡失稳的底界，这些部位的岩体结构完整 性差，结构面大局部松弛、泥化或充填次生夹泥，在爆 破开挖、施工用水或者降雨情况，极易失稳，地下水产 生的渗透力对于边坡影响极大。因此，施工期降低地下 水位，控制爆破的药量，注意边坡自上而下的边开挖、 边支护加固，边监测变形，是防止失稳的有效措施。
第三节 岩质边坡工程
1、第一个问题：水利工程中的岩质边坡
2、第二个问题：岩质边坡稳定性研究
〔1〕边坡稳定性分类。在中国水利水电科学院的组织下， 有关设计院配合，对于全国117个水利水电工程中的典型滑 坡和变形边坡进行了调查，总结了边坡失稳在各类岩体结构 中所占的比例：其中块体结构占14.08%，层状同向结构占 19.72%，层状反向结构占15.49%，层状斜向结构占14.08%， 碎裂和散体结构占36.63％。在七种失稳类型中崩塌占7.04 ％，滑动占73.24％，倾倒占5.63％，溃屈占2.82％，拉裂 占4.23％，复合占7.04％。调查说明，引起变形和失稳的因 素十分复杂。巨型和大中型滑坡主要以各种水的作用为主； 中小型楔体滑动、拉裂及大型崩塌那么以人类工程活动为主。
从岩石力学的角度看，水利水电的岩石工程设计的 任务可以概括如下：根据工程地质勘探和岩石力学试验 研究提供的关于天然岩体的地质条件和物理力学性质， 考虑水文、气象等其他方面的条件，按照本枢纽对各水 工建筑物功能的要求，确定岩石根底、地下洞室和岩石 边坡的位置、尺寸、加固处理措施、施工开挖方法和程 序等。与此相应地，岩石力学试验研究的任务为：根据 水工布置的需要，通过现场和室内试验研究，提供关于 天然岩体的物理力学性质的认识和资料〔包括物理力学 性质参数、应力—应变关系曲线，本构关系、变形和强 度属性等〕，并按照工程设计选出的岩石工程方案，通 过计算分析、模型试验或原型监测，说明有关工程岩体 的力学性状〔应力、应变分布、塑性区或破裂损伤区〕， 对其稳定性或失稳破坏形态做出评价。从岩石力学的角 度提出优化设计方案、岩体加固处理的建议。
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高应力强卸荷作用下多组裂隙岩体宏细观力学行为
作者：左建平李树忱王兆丰
来源：《科技创新导报》2016年第13期
摘要：以深部重大工程灾害（矿井、水利水电工程）为研究背景，结合我国深部地下工程围岩的复杂性，围绕深部强卸荷作用下裂隙岩体和围岩力学行为与演化规律的关键科学问题，开展了高应力强卸荷作用下多组裂隙岩体宏细观力学行为研究。
（1）深部岩体内部裂隙的结构及几何特征复杂，提出了描述岩体多组裂隙的分形构造张量表征方法，它可表征岩体内部随机分布裂隙的位置、大小、形状、取向及粗糙度（分形维数），并且具有明确的物理意义；基于工业CT及体视化原理验证了构造张量表征方法的有效性。
（2）揭示了高应力强卸荷条件下深部裂隙岩体的宏细观变形机理：常规卸载条件下，岩石变形破坏过程中的各阶段（弹性变形、屈服、软化等）转折分明，峰残差较大，塑性特征减弱而脆性特征增强；应力转移卸荷条件下，岩石侧向应变呈加速变形迹象，强烈的扩容最终导致岩石破坏。
卸载实验破坏差应力介于单轴和常规三轴实验之间；常规卸载（方案III）较高应力转移卸荷（方案II）的
破坏差应力偏高，因此现有的工程设计必须重新考虑高应力转移卸荷影响。
（3）揭示了自然多组裂隙大理岩的破坏机理及强度特性差异：含裂隙岩石的破坏特征，主要受裂隙结构的控制，提出了两个指标Rd和λ，其中Rd用于描述大粗糙尺度的影响；而λ考虑了剪力方向的影响；与完整岩石相比，含裂隙大理岩的破坏具有显著的局部化渐进特征，且突发性更强；在统计意义上，单轴抗压强度σ单一型>σ平行型>σ交叉型>σ混合型，并且单一型、平行型、交叉型和混合型自然裂隙岩石的单轴抗压强度分别为完整岩石的0.72倍、0.69倍、0.59倍和0.46倍。
（4）基于岩石的非线性破坏行为，从细观力学角度出发，采用拉伸双线性应变软化本构模型，通过应变能密度理论与能量耗散原理建立单元破坏的判断准则，模拟了岩石损伤破坏的峰前-峰后全过程；建立了多组贯穿裂隙岩体变形和随机分布贯穿裂隙岩体变形的本构模型，给出两种情况下裂隙岩体的等效弹性模量和等效泊松比，研究了岩块和裂隙的材料性质和几何性质对岩体等效弹性模量和等效泊松比的影响。
关键词：多组裂隙岩体宏细观破坏机理分形构造张量高应力强卸荷机理
Abstract：Under the researching background of deep engineering disasters in mining，hydraulic and hydropower engineering，combining with the complexity of the surrounding rock of deep underground constructions in China，a research on macroscopic mechanical behavior of the multi-cracked rock under the deep high stress was carried out.（1）Based on the complexity of structures and geometric characteristics of the internal crack，a tensor method， which could describe the fractal structure of the multi-cracked rock，was put forward.（2）The macroscopic deformation theory of the deep fractured rock mass was revealed.Under conventional unloading conditions， turns over each stage （elastic deformation，yield，softening，etc.）of the rock deformation and failure process are obvious，peak residual stress is larger， the plastic characteristics become weak，and the
brittle characteristic reinforces.（3）Differences of the failure mechanism and strength characteristics of the nature multi-cracked marble were analyzed.The failure mechanism of the cracked rock，is mainly controlled by the crack str ucture with two indicators Rd and λ put forward，which Rd is used to describe the influence of the large roughness scale and λ is a parameter considering the influence of the shearing paring with the intact rock， the multi-cracked rock failure has an obvious localizing gradient changing process，and sometimes it suddenly becomes stronger. In statistical，the uniaxial compressive strength，σ，has a feature like，σ single>σ parallel>σ cross>σ mix.The uniaxial compressive strength of the rock with single crack， parallel cracks，crossing cracks and mixed cracks is，respectively，0.72，0.69，0.69，and 0.46 times as it of the intact rock. （4）Based on the nonlinear behavior of the rock，from the angle of the microscopic mechanic，using bilinear strain tensile softening constitutive model， by understanding of the judging criteria of the cell damage establishing on the strain energy density theory and the principle of energy dissipation，the whole damage process of the rock was simulated， the constitutive model of the cut through multi-cracked rock and the random crossing cracked rock were established，the equivalent poisson′s ratio and the elastic modulus of the cracked rock in two cased above were given， the influence of material properties geometric properties of the rock or cracks on the equivalent poisson′s ratio and the elastic modulus were studied systematically.
Key Words：Multiple fractured rock； Macro-micro failure mechanism； Fabric structure tensor； High stress； Unloading mechanism
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