裂隙岩体卸荷渗流力学模型及试验优化方案

岩体是一个庞大的地质体系,在漫长的地质构造过程中,被各种地质构造和多组结构面所切断,从而劣化了岩体的总体质量。与完整岩石相比,裂隙岩体的力学特性在加荷与卸荷条件下有着明显的区别。在加荷条件下,岩体中含有较多的节理、裂隙等原始缺陷,结构面仍有较好的力学特性;在卸荷条件下,参数发生很大变化,导致其物理性质和力学特性发生改变,如渗透性等。岩体工程在岩石开挖后多处于卸荷状态,如岩石边坡、地下采矿等,尤其是当卸荷量较大,出现拉应力时,将使岩体的质量迅速劣化,原有的裂隙扩大,并且生成新的裂隙。

裂隙的发育程度、开启程度、充填程度对于岩体的渗流特性和地下水的渗流作用产生较大影响,从而导致岩体的工程特性出现明显差异。开挖卸荷过程中,将会导致岩体原有的裂隙发生扩展,特别是在高水位富水地区,开挖卸荷后,将会形成复杂的加、卸荷应力状态,这种应力状态与高水头的渗透压力共同作用,使得裂隙发生延伸、扩展和交汇,连通性增强,导致岩体渗透性增加。因此,探索卸荷工程中的卸荷-损伤机理,对于工程具有重要的意义。软质裂隙岩体卸荷损伤过程如图3.1所示。

天然岩体在自重及其他应力场(如构造应力场、地温度应力场等)的长期作用下,其内部将会形成一个相对稳定和平衡的原始应力场。在岩体卸荷后,自重应力、构造应力、孔隙水压力等对岩体稳定性产生显著影响。

1.自重应力

自从瑞士地质学家海姆于1913年提出了岩体的初始地应力为“静水压力”的假设以来,对于岩体自重应力的研究在工程中得到了很大的发展。该假设认为,岩体中任一点的地应力在各个方向上均相等,且等于单位面积的覆岩层重力。

与之相应,其水平应力为

式中:κ为水平应力与垂直应力的比例系数;σz为垂直地应力;σh为水平地应力。

κ值与泊松比μ的关系为(www.xing528.com)

但事实上,κ值与埋深及岩体本身的属性有较大的关系。Hoek认为,离表面越近,κ值就越大,离散性越大。

图3.1 软质裂隙岩体卸荷损伤过程

2.构造应力

经过不同时期、不同方向构造应力场的作用,以及后期岩体卸荷松弛,岩体中留存了一部分构造应力。由于该部分应力的存在,使得岩体中的应力出现了较大的变化,尤其是在近地表处,由于构造应力的存在,导致了岩体应力的大小和方向有较大的差异。而由于卸荷一般发生在近地表处,因此,构造应力对于岩体的卸荷具有较大的影响。构造应力形成后,一旦岩体由于开挖或者侵蚀作用,导致岩体中原来的约束消失,则会使得岩体中的应力剧烈地释放出来,形成与卸荷面大致平行的破裂面。这些破裂面的形成,对于岩体的稳定具有潜在的破坏效应。

3.孔隙水压力

地下水对于岩土体的力学作用主要是通过孔隙静水压力和孔隙动水压力来对岩土体施加影响,孔隙静水压力使得岩土体的有效应力降低,从而降低了岩土体的强度;岩体裂隙中的孔隙静水压力可使裂隙产生扩容变形;而孔隙动水压力对岩土体产生切向的推力将会降低岩土体的抗剪强度。地下水在松散土体、松散破碎岩体,以及软弱夹层中运动时对土颗粒施加一体积力,在孔隙动水压力的作用下可使岩土体中的细颗粒物质产生移动,甚至被携带出岩土体之外,产生潜蚀而使岩土体破坏;岩体裂隙或断层中的地下水对裂隙壁施加两种作用力,一是垂直于裂隙壁的孔隙静水压力(面力),该力使裂隙产生垂向变形;二是平行于裂隙壁的孔隙动水压力(面力),该力使裂隙产生切向变形。