岩体加卸载破坏时的应力-应变特征分析

图2-13为在加卸载试验过程记录的三向应变及体积应变与应力的关系曲线。

图2-13 加卸载试验过程中的应力-应变曲线

在图2-13中可以看到，由于σ₃的卸除，使有关的应力应变曲线呈现出台阶状。如当应力差达到15MPa左右时，随着σ₃的卸除，ε₁及ε₃均产生一定的突变，其中ε₃表现更明显，主要是由于卸载面的约束被消除，意味着裂隙的产生。但此时试件仍具有一定的承载能力，随着σ₁的增加，各应力应变曲线先以与卸载前近似的斜率发展，而后试件逐渐进入屈服状态，变形急剧增大，最终失稳破坏。

通过体积应力应变曲线可以看出，在σ₁=27MPa≈0.8σ_f时（此时σ₃=0），体积应变出现拐点，试件中出现近似平行于卸载面的劈裂裂纹，随着荷载增大，远离卸载面也出现不同长度的劈裂裂纹。σ₁增大到一定程度，形成的劈裂裂纹相互联结造成了试件的整体破坏。试件劈裂破坏的形态如图2-14所示。

由图2-14可以看出，受卸载之后的应力扰动影响，劈裂裂纹在卸荷面附近密度较大，而远离卸载面处的材料受应力扰动较小，相应的裂纹就较稀疏。在地下工程中进行开挖时，围岩破坏也表现出类似的特征，即靠近洞壁处的围岩容易发生破坏，远场的围岩则基本不受影响。劈裂裂纹近似平行于卸载面，随着裂纹的不断扩展及数量的增加，裂纹将试件分割成学多类似于薄板的结构，在不断增加的轴向应力σ₁作用下，发生失稳破坏。这种片帮现象在地下工程中很常见。

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图2-14 加卸载试验造成的试件劈裂破坏

卸载岩石的破裂性质具有较强的张性破裂特征，并且随着破坏围压的增高，试件的剪切破坏成分比重增大，即由张性破坏过渡到张剪性破坏，张剪性破裂面往往是由剪切破裂部分追踪张性破裂面发展而成，张剪性破裂角也随破坏时围压的增大而增大。

卸围压破坏时岩样突然失去承载能力，发生脆性断裂并产生清脆的破裂响声。岩样的外观形成了剪切破裂，但没有交叉的网格形裂纹，这是脆性破裂的特征。

卸载岩石的变形表现为沿卸载方向的强烈扩容，其破坏是因内部应变能的突然释放引起，其破坏程度比加荷岩石更为强烈。破裂体系中往往同时并存有轴向张性破裂面、主共轭剪裂面、次级共轭剪裂面及夹于剪切破裂面间的微张性破裂面等，张性破裂面的发育大致垂直于卸载方向。李天斌等^[141]认为卸荷应力状态实质上相当于在原来应力状态下叠加了一个侧向拉应力，岩样表面极易产生平行于轴向的张裂纹。

岩体是不均匀的，岩体的不均匀性对岩体的破坏机制影响是非常显著的。目前岩体材料非均匀性对宏观性质的影响已得到人们的认识，杨卫^[142]认为微裂纹结构的演化和变形局部化行为的控制是决定岩石强度和变形性能的主要依据，实际工程中加载方式主要是压缩载荷，而通常岩石类脆性材料破坏均以拉伸破坏为主。Griffith认为，造成岩石材料脆性拉伸破坏的原因是其内部裂纹尖端的应力集中区诱导拉伸作用的结果。实际上，岩石内部的孔隙、软硬结核或颗粒等都可以因为诱发应力集中而产生微破裂。

在实际工程中，岩石的非均匀性主要受结构面的控制，但是在完整的、结构面不发育的脆性岩体中，可以认为岩石材料的非均匀性是导致应力集中区产生的一个重要原因。同时由于岩石内部裂纹扩展方式与应力状态有关，作为影响应力状态的围压需要给予考虑，这样裂纹扩展和相互作用研究才能符合实际情况。通过试验发现破裂区形状呈现为V形（见图2-14d），在工程实际中国外称这种破坏为“V-shaped notch”，是一种多发于构造应力复杂的深部岩石开挖工程中的破裂现象，其形成原因是在特定应力条件下，在洞室开挖后，洞室边墙局部产生应力集中，同时又因为开挖改变了原来的三维受力状态，使其处于近似单轴受力状态，进而产生这种形状的破坏区，这与本著作的试验结果也较为一致。