岩体变形与破坏机制

如题所述

围岩稳定性研究对象是岩体,因此,首先要对岩体的基本力学属性特点有正确的认识。早期的岩体力学把岩体视为一种材料,看成连续介质,应用材料力学理论研究的是岩体的力学性质。类似于其他工程材料,岩体力学性质研究主要是测量岩石块体的强度、变形性质参数等指标,忽略了岩体中赋存的节理裂隙等不连续面的作用。到20世纪60年代末70年代初,人们才开始认识到岩体的裂隙性,认识到岩体内存在着大量的各种尺度的裂隙,这些裂隙对岩体性质有极大影响。在此方面萨茨堡学派做了大量的研究工作,缪勒(L.Muller)等在《岩石力学》文集中提出了此方面的研究方向、方法和基本课题。1974年,L.Broili对岩体的力学属性进行了归纳,主要观点是强调岩体的结构控制效应,如:他认为岩体结构对岩体力学性质的影响大于岩石材料,岩体的强度、变形和应力分布取决于岩体结构特征[17]。谷德振教授在《岩体工程地质力学基础》中对岩体结构类型进行了划分,并总结了岩体结构特征。孙广忠教授在其专著《岩体力学基础》和《岩体结构力学》中系统地提出了岩体结构控制论的观点,认为岩体结构控制着岩体的变形机制、破坏机制和力学性质,提出了岩体结构力学的5个基本观点[18,19]:

(1)岩体是经过变形、遭受过破坏、有一定的岩石成分组成、具有一定的结构和赋存于一定的地质环境中的地质体。岩体力学是研究环境应力改变时岩体再变形和再破坏的科学。

(2)岩体在结构面控制下形成自己独特的不连续结构。岩体结构控制岩体变形、破坏及其力学性质。岩体结构控制作用远远大于岩石材料的作用。

(3)“岩体结构控制论”是岩体力学基础理论,“岩体结构力学效应”是岩体力学的力学基础,岩体结构分析方法是岩体力学研究的基本方法。

(4)岩体赋存于一定的地质环境中。岩体赋存环境条件可改变岩体结构力学效应和岩体力学性能。

(5)在岩体结构、岩石及环境应力条件控制下,岩体具有多种力学介质和力学模型,岩体力学是由多种力学介质和多种力学模型构成的力学体系。

孙广忠将岩体结构类型划分为完整结构、碎裂结构、板裂结构、块裂结构和散体结构,板裂结构在许多文献中称为层状结构。

岩体结构控制论分为两个层次,如下框图所示(孙广忠)。

基于岩体结构分析的煤巷锚杆支护技术

第一个层次是岩体结构对岩体变形、岩体破坏、岩体力学性质规律的控制作用,这是岩体力学的基本规律,也是研究地下工程围岩稳定性必须掌握的核心规律,是出发点;第二个层次是应用,是以岩体结构控制论研究岩体力学试验方法、进行岩体力学分析、指导岩体改造和岩体工程设计。

1.2.1.1 岩体变形

虎克定律可以描述处于弹性变形阶段的连续材料(介质)变形规律,而岩体内含有大量的结构面,岩体变形是岩体材料变形与岩体结构变形共同组成的,这与一般材料有着本质上的区别,因此虎克定律一般不适用于描述岩体的变形规律。孙广忠归纳出各种结构岩体变形构成如表1.1所示。

表1.1 各种结构岩体变形成分

岩体材料变形由岩石材料变形和坚硬结构面材料变形构成。岩石材料变形即是岩石块体(结构体)的变形,分为两种:一是弹性变形,可以用虎克定律来描述变形规律;二是黏性变形,可用黏性变形定律描述。坚硬结构面材料变形分为闭合变形和错动变形,在垂直结构面压力作用下形成闭合变形,在剪力作用下形成错动变形。

岩体结构变形是岩体变形的主要组成部分,是结构体位置的移动和行状的改变,是一种大变形,要用结构力学理论来研究。工程中常见的结构变形为4种:第一种是软弱结构面的滑移变形,它是在剪力作用下形成的;第二种是软弱夹层的挤出,在地下工程开挖中常遇到,施工人员称之为吐舌头,是软弱夹层在压力作用下的塑性流动现象;第三种是结构体的滚动,在剪力作用下,结构体产生转动,竖向变形首先表现为升起,然后再下降;第四种是层状结构体弯曲变形,是层状结构体在轴向力作用下形成的弯曲变形。

岩体变形包含材料变形和结构变形,但主要是结构变形,因此,在地下工程围岩变形分析中只计算材料变形是远远不够的。这正是一般的计算方法所得结果与实际变形差距很大的原因。

1.2.1.2 岩体破坏机制

孙广忠将岩体破坏定义为岩体结构改组、结构联结丧失,如碎裂结构岩体在环境应力改变时失去平衡,碎裂结构转变为散体结构,这是岩体结构的改组,再如完整结构岩体在应力作用下被压碎了,形成碎裂结构或者散体结构,原来的联结丧失了,这些都是岩体破坏。这个定义是岩体结构控制岩体破坏机制的具体诠释。对各类结构岩体的破坏机制归纳为表1.2所示。

表1.2 岩体破坏机制

由表1.2可见,完整结构岩体破坏机制分为两种,一种是张破裂,一种是剪破裂。如果岩石是坚硬脆性的,在拉应变作用下形成张破裂,破裂面与第一主应力方向一致。如果岩石比较软弱,在压应力作用下某斜截面的剪应力超过截面抗剪强度形成剪切破坏。碎裂结构岩体破坏机制较为复杂,结构体张破裂和结构体剪破坏属于材料破坏,其余4种破坏形式是结构破坏。表中列举的层状结构岩体3种破坏形式是结构破坏,倾倒破坏出现于顺层边坡中,在地下工程中常见的是溃屈破坏和弯折破坏。块裂结构岩体的破坏是结构体沿软弱结构面的滑动,滑落的结构体在衬砌上形成松动地压。在剪应力作用下,细碎屑散体结构岩体的破坏属于剪破坏,粗碎屑散体结构则以块体错动为主。

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