第二节 岩体力学特性与试验
一、岩石的应力应变关系
岩体力学特性主要取决于岩石(块)力学特性和结构面网络,在结构面不发育时,岩石力学特性往往对岩体的力学特性起到决定性作用。因此,研究岩石基本力学特性是认识岩体力学特性的基础,而岩石力学特性的室内试验是研究岩石力学发展初期的主要工作内容,也是目前岩体工程实践中最常见的基础性工作内容之一。
然而,即便在没有任何宏观结构面的情况下,岩体力学特性也不等同于岩石力学特性,二者之间还可以存在很大的差别。除结构面以外,岩体力学特性还受到受力条件(如围压水平)、试样大小(尺寸)、时间等因素的影响。在一些条件下,这些影响可以非常突出。
应力(荷载)-应变(变形)关系是岩石力学特性的最基本描述方式之一,图3-1以硬质岩石为例给出了经典的荷载—变形关系和对应的岩石力学意义。图3-1将硬质岩石的基本力学特性划分成5个区。
图3-1 完整的岩石应力-应变曲线[7]
①区:弹性区。虽然开始加载阶段岩石往往存在一个压密过程,但从工程设计和实践的角度,这一阶段并不产生明显影响。在工程设计中,最大设计荷载往往低于弹性极限,以维持围岩的安全性。在弹性阶段,岩石总体上遵循线弹性行为,因此也可以采用连续介质力学方法描述岩石的基本力学特性。
②区:损伤区。当荷载超过岩石弹性极限时,岩石内部开始较多地出现细小的损伤和开始改变岩石的宏观力学特性。从本质上讲,这一阶段岩石的力学行为不再服从经典的连续介质理论,破裂损伤的出现代表了非连续力学行为,因此需要采用细观非连续力学理论描述岩石的损伤特性。
③区:破坏区。当荷载水平达到峰值强度时,岩石开始出现严重的局部化现象和导致解体破坏,也称非线性阶段。注意这种破坏和解体并非均匀,而是在不同部位存在较大的差别,称之为局部化现象。局部化现场可以帮助解译现场很多现象,最常见的是结构面按一定间距分布。
④区和⑤区:划分出这两个区的目的在于说明岩石的力学特性不仅取决于岩石自身的材料组成等,还与加载条件密切相关。在试验室,当荷载达到岩石峰值强度以后,加载系统开始卸荷。当采用刚性加载系统时,加载系统的卸荷刚度大于岩石试样的刚度,此时加载系统释放的能量低于试件可以消耗的能量,岩石出现渐进式破坏;反之,如果采用柔性加载系统,加载系统快速释放的能力大于岩石试件可以消耗的量值,岩石产生剧烈型的破坏方式。现场岩爆破坏就是后一种形式的表现,即岩爆不仅和岩石自身特性相关,还与所处环境(加载系统)相关,后者可以随开挖过程不断变化。
从三轴压缩试验的角度讨论岩石的上述基本力学特性,当围压为零时,即为单轴压缩情况;当围压水平不断增加时,岩石的基本力学特性、特别是峰后曲线形态可能出现显著的变化,基本规律是从相对较陡的脆性转化为相对较缓的延性,即脆—延转换特性。
从理论上讲,脆—延转换是几乎所有中等强度以上岩石所具有的共同特征,最能引起工程界关注的实例是页岩气开采。一般而言,带有脆性特征的页岩不仅具备更好的储存条件,也具备更好的开采条件,开采过程中需要采用的压裂技术就利用了页岩的脆性特征,在压裂过程中井壁围岩产生破裂而不是塑性变形。然而,这种脆性是有条件的,围压的增高脆性特征会不断降低,这是岩石力学特性围压效应的一般规律。
与岩石力学特性的尺寸效应和围压效应相比,对岩石基本力学特性时间效应及其机理的认识相对更少。这一问题的提出源于核废料深埋封存的需要,核废料封存场地安全要求以万年计算,设计到场地未来长期安全问题,而回答这一问题的关键是岩石力学特性的时间效应,比如强度如何随时间衰减。
在西部深切河谷地区进行水电开发时往往遇到和河谷演变相关的一些特殊问题。河谷演变实质上涉及既往数万至数十万年的地质演变过程,目前观察到的很多现象,或者对工程设计可能造成影响的岩体地应力场和岩体力学特性,都可能与这一过程的时间因素密切相关。其中的实例之一是在很多科研实践中都采用了河谷演变过程数值模拟的方式来研究河谷地应力场和解译岸坡地质现象。然而可能忽略了时间因素的影响,这一因素可以对研究成果造成非常显著的一影响。
在锦屏二级深埋隧洞的实践过程中出现了围岩松弛变形不断发展的现象,其实质是破裂扩展时间效应,即松弛或变形是围岩脆性破裂随时间不断扩展的结果,图3-2为引(4)14+330断面一带南侧边墙中下部在2010年1月21日即开挖超过一年后的围岩破裂区,严重破坏的破裂区深度达到0.6m,可成为运行期地下水流动通道。虽然这一现象早在20世纪70年代左右即在实践中观察到(图3-3),但真正引起工程问题需要特别关注的实例比较罕见。
图3-2 引(4)14+330断面南侧边墙中下部一带围岩破裂情况
图3-3 瑞典Furka隧道Bedretto施工支洞破裂发展状况[8]
二、结构面与岩体力学特性
以上的叙述介绍了不考虑结构面条件下岩石基本力学特性及其变化性,在考虑现实中存在的结构面以后,岩体力学特性会更加复杂,这是岩石力学基本知识。现实工作中人们可以采用试验的方式认识岩石力学特性和变化特征,在考虑结构面以后,开展大尺度试验的难度直接限制了人类对岩体力学特性的认识,近年发展起来的数值计算技术弥补了这方面的不足。
图3-4 节理岩体基本力学特性的各向异性特征[9]
在考虑结构面以后,岩体力学特性的尺寸效应、各向异性和不均匀性都会增强,图3-4为采用SRM技术模拟不同尺寸岩体的三轴压缩实验,从而获得岩体力学尺寸效应的定量认识。以最基本的应力-应变关系曲线表示的20m、50m和100m尺度岩体试件基本力学特性的数值试验结果。数值试验结果显示,20m尺度的岩体仍然具备良好的强度和脆性特征。当试件尺度增加到50m以后,岩体表现出显著的延性特征,同时峰值强度也显著下降。岩体脆-延特性随试件尺寸的变化揭示了非常有意义的信息。试件尺寸对应于工程中围岩工程应力影响的范围,与开挖尺寸直接相关,而脆性特征往往决定了围岩潜在破坏方式,如破裂和岩爆等。随着开挖洞径的增大,岩体受力体积范围也相应增大,此时岩体的脆性特征会不断减弱,岩爆风险因此而降低。这印证了现实中的现象,岩爆风险并不总是和开挖尺寸成正相关关系,过大的开挖尺度会抑制开挖面一带围岩风险,此时的问题转变为承载力降低、塑性增强的变形和变形稳定问题。
结构面是控制岩体力学特性的基本因素,长期以来,也是阻碍岩石力学向前发展的关键性因素。图3-4所描述的结构面对岩体力学特性不均匀性、各向异性和尺寸效应的普遍存在于深埋工程实践中,如何定量地描述结构面对岩体力学特性的影响,并形成可行的技术手段用于解决工程中的具体问题是目前岩石力学研究的热点。针对这一复杂问题,本章最后一节叙述了岩体力学特性数值试验的概念和结合具体工程的应用成果。