岩柱失稳破坏的计算与分析

在卸载初期，岩柱发生了指向卸荷边界的回弹变形，且随着卸荷的进行，位移不断增大，此时岩柱的位移不仅为弹性变形，还包含一部分塑性变形；主要位移集中在岩柱的中部，两端位移相对较小，且在卸荷边界处位移最大，越远离卸荷边界位移越小。随着卸荷的继续进行，岩柱内部的微裂纹开始出现，且逐渐扩展贯通，形成宏观的劈裂裂缝，靠近卸荷一侧处的裂纹越来越密集，将岩体分割成为离散的岩块。此时岩柱出现破坏特征，至最后计算结束时，岩体发生碎裂，整个岩柱失稳破坏。

图6-25 开挖数值模拟过程中的荷载变化示意图

岩柱最初处于平衡的均匀应力场中，卸荷引起了其应力场的重分布。水平向的应力随荷载的逐渐卸除而逐渐减小，轴向的应力则逐渐变大。靠近边界处的最小主应力由最初的压应力转变为拉应力，远离边界处仍保持受压状态。岩石材料抗压不抗拉，因此在拉应力的作用下，卸荷边界处的岩石逐渐发生拉裂破坏。至最终失稳破坏时，应力水平达到0.8σ_f。图6-26和图6-27分别为计算过程中和计算完成时的最大与最小主应力云图。

图6-26 卸载过程中，最大与最小主应力分布图

a）最大主应力分布图 b）最小主应力分布图(www.xing528.com)

图6-27 产生劈裂破坏时，最大与最小主应力分布图

a）最大主应力分布图 b）最小主应力分布图

图6-28是数值模拟得到的洞室开挖周边岩体破坏过程应力-应变曲线图。由于岩石试件中的细观非均匀性，即便是均匀的外加载条件，加载初期内部的应力场分布也表现出非均匀性。因此一些单元也会发生力学性质的改变，其承受荷载的能力降低，原来所能承受的荷载随之转移到周围单元中，形成了应力的二次分布。由于加载初期发生变化的单元数量较少，无序随机分布，发生变化的单元周边的高应力区形成基本是独立的，彼此没有显著的相互影响。从声发射数量上也可以得以体现，如图6-28中的A，随着应力水平的升高达到0.3σ_f左右时，变化单元数量不断增加，试件中无序、随机的状态开始转向某些单元的贯通，并开始形成某几个局部区域的发展，此时从图6-28中的B可以看出，开挖边缘处产生了明显的应力集中，产生纵向的零星破坏。在达到非稳定扩展阶段的时候（0.7σ_f），由于微破裂的局部化，在其周围形成高应力集中区，许多微裂纹逐渐连接成几个劈裂剥离带，最终造成开挖面附近岩体的多处剥离和劈裂破坏，如图6-28中的C。随着应力水平达到峰值强度之后，试件的破裂程度更加迅速，此时亦伴随着大量的声发射，且最终的破坏模式也趋于压剪、拉伸等组合破坏。

图6-28 劈裂裂纹形成过程中的应力-应变曲线及声发射柱状图