第四章　深埋岩体力学特性及其描述方法

第一节　概述

地下工程的稳定性既取决于岩体的构造条件,也取决于岩石应力—强度之间的关系。例如大部分公路、铁路隧道或近地表的采矿巷道等的开挖,受岩体构造条件和风化程度的影响较大。反之,深埋工程的稳定性在更大程度上取决于岩体对开挖后应力场的反应状态。如何利用有关地应力场的认识,并将其应用到判据和法则中,以预测岩体在开挖后的力学反应,一直是岩石力学界研究的重点和热点问题,可以说大部分与岩石力学相关的文献都涉及破坏准则问题,足见其复杂性。

图4-1　完整岩石向节理化岩体的转化[15]

图4-1表示了由完整岩石向节理化岩体的过渡和转化,突出表明了寻求实用的岩体破坏准则的难度。在地下工程开挖过程中设计人员势必会遇到这种转化的各个阶段,因此在进行设计过程中,必须认识这种转化给设计工作带来的改变。同时,由于小尺度的岩块和岩体在结构特征上的区别,试验数据的数量和质量都会随着改变,因此在室内试验中获取的试验资料虽然比较容易,但在采用时必须经过慎重的筛选,而对包含有节理的试块不论取样还是试验都存在相当的难度,尤其是在节理极为发育的岩体中进行大型试验更是困难,而且耗费巨大,因此在建立破坏准则的过程中,需要注意以下几个方面[15]。

(1)能充分说明完整岩石试件在开挖过程中所遇到的各种应力条件下的特征。这些条件的范围是从单轴拉应力到三轴压应力。

(2)能预测一组或多组不连续面对岩石试件性态的影响。这种性态可能是高度各向异性的。

(3)能为含有多组不连续面的现场岩体性态提供某种预测公式,即使是近似的也好。

虽然岩体基本力学特性是一个非常理论化的问题,但却决定了对隧洞围岩开挖响应的认识和应对方法的设计。在锦屏二级深埋引水隧洞施工前的前期工作中,围绕深埋岩体特性进行了大量的试验和科学研究工作,重点是围绕高围压、卸荷以及高水压力条件下大理岩岩石特性的研究。与设计工作配套的围岩稳定研究中涉及了岩体力学特性的概念,侧重针对两个环节的问题:①深埋高围压条件下岩体强度准则和强度参数取值,②破坏后非线性行为的描述方法。本章的讨论侧重于解决上述问题,本着理论服务实践的宗旨,本章对该理论问题的叙述力图结合实践,即从工程角度看待和理解岩体力学特性。