岩体变形特性研究及其在隧道工程中的应用

岩体受拉后立即沿结构面发生断裂或脱离，表现为抗拉能力很低或者根本没有抗拉能力。这种特性显然不能为工程所应用，故不必过多研究，但它对工程是有害的，应极力避免应用。

岩体的受压变形特性，可以用它在受压时的应力-应变曲线（亦称本构关系）来说明。图2-2-1中分别画出了典型的岩石、软弱结构面和岩体在单轴受压时的全应力-应变曲线。作为比较研究，同时也给出了岩石、软弱结构面在单轴受压时的典型全应力-应变曲线。

从图2-2-1中可以看出，岩石的应力-应变曲线线性关系比较明显，说明它是以弹性变形为主。软弱结构面的应力-应变曲线呈现出非线性特征，说明它是以塑性变形为主。而岩体的应力-应变曲线则要复杂得多。典型的岩体全应力-应变曲线可以分解为四个阶段：

① 压密阶段（OA）：受压作用初期，岩体变形主要表现为结构面的闭合和填充物的压缩，应力-应变关系呈非线性凹状曲线，变形模量小，总的压缩量取决于结构面的性态。

② 弹性阶段（AB）：岩体充分压密后便进入弹性变形阶段，应力-应变呈线性关系，变形模量大，总的弹性压缩量是岩体的结构面和结构体共同变形产生的。

③ 塑性阶段（BC）：压力继续增长超过其弹性强度极限后进入塑性阶段，此时岩体的塑性变形受结构面和结构体的变形特性共同影响。整体性好的岩体延性小，塑性变形不大，达到强度极限后迅速破坏。而整体性较差的破碎岩体在出现强度破坏后，产生的塑性变形较大，延展性很明显，甚至有的不经过弹性阶段，从压密阶段直接发展到塑性阶段。

图2-2-1　典型岩体全应力-应变曲线(www.xing528.com)

④ 破坏阶段（CD）：当压力达到峰值强度后，岩体即开始破裂和破坏。破坏开始时，应力下降比较缓慢，说明破裂面上仍具有一定摩擦力，岩体还能承受一定的荷载。而后，应力急剧下降，岩体全面崩溃。最后当破坏终止时，出现变曲点，应变无约束地增大，但保留一定的强度，即所谓的残余强度。

从岩体的全应力-应变曲线的分析中可以看出，岩体既不是简单的弹性体，也不是简单的塑性体，而是较为复杂的弹塑性体。整体性好的岩体接近弹性体，破裂岩体和松散岩体则偏向于塑性体。

岩体受剪时的变形特性主要受结构面控制。根据结构体和结构面的具体性质和形态，岩体的受剪变形表现为三种方式：① 结构体不参与作用，沿结构面滑动，结构面的变形特性即为岩体的变形特性，易于变形。② 结构面不参与作用，沿结构体断裂，结构体的变形特性起主导作用，变形发展不显著。③ 在结构面的影响下，沿结构体剪断，岩体的变形特性介于上述两者之间。

试验和研究还发现，无论是受压或是受剪，岩体的变形都不是瞬间完成的，而是随着时间的增长逐渐达到最终值的。岩体变形的这种时间效应，称为岩体的“流变特性”。岩体的流变特性包括两个方面：一方面是指作用的应力不变而应变随时间增长，即所谓“蠕变”；另一方面是指应变不变而应力随时间降低，即所谓“松弛”（图2-2-2）。

图2-2-2　岩体的流变

对于那些具有较强的流变性的岩体，在隧道工程的设计和施工中必须加以考虑。例如，成渝复线上的金家岩隧道，埋深120 m，围岩为泥岩，开挖后围岩基本上是稳定的，及时进行了初期支护，但初期支护250 d拱顶下沉达40.2 cm，侵入建筑限界，只好挖掉重做。这就是围岩的蠕变作用。属于这类的岩体大概有两类：一类是软弱的层状岩体，如薄层状岩体、含有大量软弱层的互层或间层岩体；另一类是含有大量泥质物的，受软弱结构面切割的破裂岩体。整块状、块状、坚硬的层状等类岩体，其流变性不明显，但是，在这些岩体中为数不多的软弱结构面，则具有相当强的流变性，有时将对岩体的变形和破坏起控制作用。

另外，岩土体的变形不仅取决于最终的应力状态，而且与应力变化的历史有关。在较深层的软弱岩土体，例如黏土、盐岩、页岩、泥灰岩、变质黏土岩、石灰岩和砂岩等，除主要表现出蠕变和应力松弛的流变性态外，还伴有黏性流动和长期强度降低等几方面。