劈裂塑性体模型——开挖卸荷过程中应力变化研究

由8.1节知，洞室在开挖卸荷的过程中，在一定范围内，垂直开挖方向的应力由压应力变为拉应力。此过程中，当拉应力达到一定量值之后，在垂直地应力以及水平应力的共同作用下，岩石内部存在的微裂隙便沿平行洞室方向扩展成宏观的劈裂裂缝，随着卸荷过程的慢慢结束，劈裂裂缝的扩展也渐渐停止，裂缝的长度和宽度稳定在一个固定的数值附近，在变形特征上，视其为不可恢复的劈裂塑性变形。

借鉴陈沅江等^[183]提出的裂隙塑性体如图8-2a所示，以它为基础，对其重新赋予新的含义，得到劈裂塑性体模型，如图8-2b所示。用该模型来表征硬质岩石发生劈裂破坏的过程，对于硬质岩石来说，劈裂现象并不是在任意应力条件下都可以发生，而是必须当应力达到一定的门槛值时，才会引发硬质岩石出现劈裂现象。用σ_s1来表征这一门槛值，用ε_c来表征由于当模型中应力值超过应力门槛值后，微裂隙扩展而形成的劈裂裂缝引起的侧向张开性应变，即劈裂张开应变。

图8-2 劈裂塑性体及其模型

a）裂隙塑性体 b）劈裂塑性体模型

对于深部洞室围岩劈裂现象发生的门槛值σ_s1如何定义的问题，李晓静[184]已经得出劈裂判据，本书引用该判据，见下式

式中 σ_x——洞室x方向应力值；(www.xing528.com)

μ——裂纹表面的摩擦系数；

L——形成劈裂裂缝的长度；

θ——初始裂纹与最大主应力的夹角；

K_IC——I型裂纹的断裂韧度。

当该模型两侧受到拉应力σ的作用时，模型对应的劈裂状态方程[185，187]为

其中，；；χ为初始裂纹密度；c₀为初始裂纹长度，l₀为翼裂纹长度，θ为初始裂纹与水平面的夹角；α，β分别为与θ有关的系数，α=sin（2θ）-μ[1-cos（2θ）]，β=sin（2θ）+μ[1+cos（2θ）]，μ为裂纹摩擦系数。