岩溶区大直径桩侧溶洞对其竖向承载特性影响的数值模拟分析硕士论.doc

分类号:TU410710-2011221040专业硕士学位论文岩溶区大直径桩侧溶洞对其竖向承载特性影响的数值模拟分析安江龙导师姓名职称冯忠居 教授申请学位级别硕士专业学位类别及建筑与土木工程领域名称论文提交日期 2013 年 6 月 1 日 论文答辩日期2013 年 6 月 5 日学位授予单位长安大学Analysis on vertical load-bearing characteristics of large diameter pile foundation influenced by pile side cave through numerical simulation in karst areasA Dissertation Submitted for the Degree of MasterCandidate：An JianglongSupervisor：Prof.Feng ZhongjuChangan University, Xian, China摘 要 岩溶区由于地质条件的复杂性和不确定性，致使在此地区进行桩基础设计和施工遇到很多问题，而国内外有关岩溶区桩基础的研究主要集中在桩底溶洞顶板稳定性等方面，桩侧存在溶洞时桩基础承载特性的研究较少，岩溶区大直径桩基的研究则鲜有报道。本文基于对国内外岩溶区桩基础研究文献认真分析的基础上，结合非岩溶区桩基础的受力特点，通过数值模拟对桩长、桩径、溶洞大小及桩-洞间水平距离等对大直径桩基础竖向承载特性的影响进行了深入分析，并根据上述研究结果对岩溶区大直径桩基础的设计与施工技术进行了评价。主要结论如下：（1）岩溶区大直径桩基桩长每增加 5m，桩基竖向承载力增加 6%（以桩长 15m 桩基础竖向承载力为基准），但桩基承载力增长幅度随桩长增加而逐渐减小。（2）当桩径大于等于 1.5m 时，岩溶区大直径桩基嵌岩部分桩侧阻力占其竖向承载力的 70%以上。（3）桩侧溶洞大小对大直径桩基竖向承载力影响较小，溶洞边长每增加 2m，桩基础竖向承载力减小 12%。（4）在桩长、桩径及溶洞大小一定条件下，随桩-洞间水平距离增加，大直径桩基竖向承载力逐渐增大，且距离大于等于 4 倍桩径时，桩基竖向承载力为桩侧无溶洞时承载力的 90%以上。关键词：岩土工程；大直径桩基；桩侧溶洞；有限元分析；承载特性IAbstractDue to the complexity and uncertainty of geological condition in karst area, there appear many difficulties in pile foundation design and construction, but home and aboard research on pile foundation in karst area is mainly centered on the stability of karst carve roof at pile bottom, research on pile foundation bearing capacity is fewer when karst carve is aside pile lateral, and research on large diameter pile in karst area is few reported.Based on the careful analysis of home and aboard research literature about pile foundation in karst area, combined with the loading features of pile foundation in non-karst area, this paper deep analyzed the large diameter pile vertical bearing characteristic under different condition of pile length, pile diameter, karve carve size and distance between pile and carve by finite element method, and on the basis of above research results, made an evaluation on the large pile foundation design and construction technology in karst area. The main results are as follows:(1) When pile length increased 5m for the large diameter pile foundation in karst carve, pile foundation vertical characteristic increased 6%(taking 15m long pile foundation vertical bearing capacity as reference), but the increase range of pile foundation bearing capacity gradually decreased with pile length increasing. (2) When pile diameter was not less than 1.5m, pile resistance of the large diameter pile foundation rock-socketed section took a proportion of above 70% in pile foundation vertical bearing capacity. (3) The size affect of pile lateral karst carve on large diameter pile foundation bearing capacity was smaller, when karst carve side length increased 2m, pile foundation vertical bearing capacity decreased 12%. (4) Under a certain condition of pile length, pile diameter and karst carve size, with the increase of distance between pile and carve, pile foundation vertical bearing capacity gradually increased, and when the distance between pile and carve was not less than 4 times pile diameter, pile foundation vertical bearing capacity was more than 90% that when there was no karst carve aside pile lateral. Keywords: geotechnical engineering; large diameter pile; karst carve aside pile lateral;finite element analysis; bearing characteristicII目 录第一章绪论.11.1目的与意义 .11.2国内外研究现状 .11.2.1 岩溶地区桩基承载特性研究 .11.2.2 溶洞问题研究 .错误!未定义书签。1.3研究思路与内容 .61.3.1研究思路 .61.3.2研究内容 .6第二章 桩岩相互作用机理分析 .72.1岩石工程性状 .72.1.1岩石变形特性 .72.1.2岩石强度理论及破坏机理 .102.2桩-岩荷载传递机理 .122.2.1桩-岩间荷载传递机理分析 .132.2.2荷载传递特性分析 .142.2.3荷载传递性状变化规律 .172.3岩溶地区桩基础竖向受力特性分析 .172.4小结.20第三章桩侧溶洞对桩基承载特性影响分析 .213.1模拟分析的目的及意义 .213.2模型建立与参数选取 .223.2.1计算模型的假设和简化 .223.2.2模型建立 .223.2.3参数选取 .243.3分析方案 .253.3.1桩长、桩径变化对岩溶区大直径桩基竖向承载特性的影响 .253.3.2溶洞大小变化对岩溶区大直径桩基竖向承载特性的影响 .263.3.3桩洞水平距离变化对岩溶区大直径桩基竖向承载特性的影响 .26III3.3.4非溶洞区桩基竖向承载特性 .273.4数值模拟结果分析 .273.4.1桩径、桩长变化对大直径桩基竖向承载特性的影响 .273.4.2溶洞大小变化对桩基竖向承载特性的影响 .363.4.3桩-洞间水平距离对桩基竖向承载特性的影响 .403.5小结.43第四章岩溶区大直径桩基础设计与施工技术 .444.1岩溶区地基评价和处理方法 .444.1.1岩溶地基评价方法 .444.1.2岩溶区地基处理方法 .454.2岩溶区桩基础常见施工问题及其处理方法 .454.3岩溶区大直径桩基础设计与施工技术 .474.3.1大直径桩基础设计技术 .474.3.2大直径桩基础施工技术 .484.4小结.50第五章结论与建议 .515.1主要结论 .515.2进一步建议 .51参考文献 .53攻读硕士学位期间参与的课题项目 .57致谢 .58IV长安大学硕士学位论文第一章 绪论1.1 目的与意义随着我国基础建设的飞速发展，在岩溶地区的施工也越来越多，桩基础因能适应各 类地质条件、工程条件以及荷载情况，因此被广泛应用于工程中。但是由于岩溶地区地 质条件的复杂性，造成桩基设计、施工中出现大量问题。目前，我国岩溶地区桩基承载 特性的研究仍处于初步探索阶段，现有技术规范还存在许多不合理的地方。对于位于岩溶区的桩基，现有研究主要集中于对溶洞位于桩底时溶洞顶板的稳定性 问题等方面，而有关桩侧存在溶洞时，大直径桩基承载特性的研究不多。目前，国内一 些规范中在涉及岩溶区桩基承载力问题时，仅按端承桩考虑，只考虑桩端阻力的影响， 忽视桩侧摩阻力的发挥。对于大直径桩基础，桩侧摩阻力的发挥对桩基承载力有较大影 响，在大直径桩基设计过程中，若不考虑桩侧阻力的影响，则偏于保守，造成工程浪费。 但当考虑桩侧摩阻力时，桩身与溶洞之间的水平距离是否能够保证桩侧摩阻力完全发 挥，尚有待研究。本文在总结国内外学者对岩溶区桩基承载特性和非岩溶区桩侧摩阻力研究成果的基础上，结合岩溶地区特点，建立了岩溶地区桩侧存在溶洞时大直径桩的整体受力模型， 分析了桩长、桩径、溶洞规模及桩-洞间水平距离对大直径桩基竖向承载特性的影响， 基于上述研究结果，提出了岩溶区桩基的设计和施工方法，其对类似地区桩基础的设计和施工具有重要的指导作用。1.2 国内外研究现状1.2.1 岩溶地区桩基承载特性研究岩溶是可溶性岩石在水的侵蚀作用下，产生的各种地质作用、形态和现象的总称1。岩溶地区由于具有特殊的地形、地貌以及地质条件，在工程领域就其对工程产生的影响，国内外已有较多学者已经做了相关研究。R. Radhakrishnan 和 Chun F. Leung2对大直径桩进行多次负载检测。发现当嵌岩深度大于两倍桩径时，荷载主要由桩侧阻力承担，只有少量荷载由桩端阻力承担，造成这种荷载传递行为差异的原因是由于桩体与岩石及土壤的相互作用。黄根生等3结合岩溶地区两根大直径人工挖孔灌注桩的静载荷试验和应力测试结1第一章 绪论果。对比分析桩基础的荷载传递特性，并对摩阻力与相对位移之间的关系用双曲线模型 进行了拟合。分析表明，岩溶对桩基承载特性的影响，主要是作用于整个桩身对桩侧阻力的影响。对于岩溶地区桩基础的设计与施工，因为岩溶区性质的复杂性，必然会遇到一些问 题。龚成忠等4分析总结已有的研究成果。对岩溶地区桩基承载特性进行了探讨，并对 目前已有的相关规范进行分析与评价。由于目前试验条件、方法等因素存在不足之处， 所以对岩溶地区桩基承载特性的研究还只是停留在初步探索阶段，还未形成完善的体 系。李永红5通过合理的简化。将岩溶地区嵌岩灌注桩物理模型简化为端承桩，且不考 虑桩周上部土层摩阻力的影响。分析计算了影响其稳定性的岩溶顶板的抗冲切、抗剪和 抗弯强度等因素，并以实体工程进行验证，分析结果表明岩体的抗弯强度对桩基稳定性 的影响最为显著。何春林等6利用有限元分析的方法。讨论了岩溶地区桩基承载力的主要影响因素， 包括溶洞体积的大小、顶板厚度以及岩性对桩基承载力的影响。对比分析结果表明，在 所考虑的各项因素中，溶洞顶板厚度与跨度大小对顶板稳定性影响较大，而溶洞高度对其影响并不明显。胡庆利等7提出了现场静载试验与理论分析相结合确定大直径桩竖向承载性能的方法。首先利用直径较小的桩做静载试验，用来确定理论分析模型所需的参数；经过理论 分析，逐渐调整模型的参数，使之与所提供的试验资料相符合；利用尺寸效应法最终确 定具有代表性的试验模型参数，并将其应用于大直径桩基础的理论分析，确定其承载能 力。所提出的研究大直径桩基竖向承载力的方法，兼备现场静载试验方法的优点，而且 克服了其施加荷载的限制；理论分析方法的优越性得以体现，研究认为大直径桩承载性能可以根据小直径桩的试验结果来确定。金书滨等8结合岩溶地区静载荷试验和应力测试结果，对桩的荷载传递特性进行了 对比分析。岩溶地质对桩基础承载特性的影响，既表象在对桩端阻力的影响上，又表现 在对桩侧摩阻力产生影响。并应用有限元方法分析了桩端土体对桩承载力的影响。岩溶 对桩承载特性的影响，主要表现为对桩侧阻力的影响。桩身位置不同，桩所受到的影响 也不相同：对上段桩主要影响其临界位移，对下段桩的临界位移和极限摩阻力皆有影响。 蔡登山等9根据某工程岩溶地区钻孔桩的详细工艺性试验。对于岩溶地区钻孔灌注桩的承载能力、嵌岩深度及顶板厚度，采用理论计算分析的方法进行了探讨。计算结果2长安大学硕士学位论文表明对于岩溶地区桩基础，当确定嵌岩深度及桩端持力层厚度时，应根据经验值和数值 计算相结合的方法，且要充分考虑不同的桩基施工工艺给基桩承载力带来的影响。王华牢等10针对岩溶地区特殊地质条件下，岩溶洞穴对高速公路桥台桩基承载力的 影响。采用有限元数值模拟敏感性分析的方法，分别考虑从桩端岩溶顶板厚度、溶洞的 直径、高程及偏心等方面，采用正交数值试验的方法对影响嵌岩桩承载力的岩溶洞穴与 桩基相对几何形态进行研究。当溶洞顶至桩端厚度小于一倍桩径时，给出了对桩设计承 载力折减数值大小和相应的可靠性建议。岩溶地基所存在问题主要集中于地基稳定性方面，而不在于地基所能达到的强度， 其中最为突出的问题则是桩端岩体临空面稳定性问题。李炳行等11通过桩端岩体临空面 半定量分析评价及深井静载荷试验等方法。分析表明，桩端应力影响范围内，对于结构 较为完整的岩体临空面，当不存在外倾结构面以及桩端受力小于基岩承载力时，具有良 好的稳定性；可以近似的采用结构力学的方法来分析评价水平状洞顶临空面和倒坡陡倾 临空面的稳定性。杨育文等12从两栋建筑物桩基场址勘察数据入手，分析桩静载荷试验资料。可以将静载曲线看成三部分，通过转换桩静载试验荷载沉降曲线，确定桩侧极限摩阻力大小。将得到的结论与高层建筑沉降进行对比分析，探讨了桩侧摩阻力的发展与建筑物的沉降之间的关系。研究表明，桩侧摩阻力与桩端持力层类型关系不大。唐俊巍等13结合具体的灌注桩现场试验和模型试验数据。对试验中桩侧摩阻力在桩端附近得到加强的情况进行了详细的数值模拟分析。分析结果表明，桩侧摩阻力在桩端附近有所加强，而且随着桩端岩土体力学性能的加强，增强效果越明显。亓乐14基于刚性基础下桩顶处土体位移与桩顶位移相等的前提下，推导得出了桩侧摩阻力的分布形式。席宁中15认为桩长径比影响桩侧土层承载力的发挥。桩身极限侧阻值随长径比的变 化因桩身不同部位，所呈现的特性不同。桩身上部土层极限侧阻值，随长径比的增大而 变大，承载能力得到充分发挥；桩身中段土层极限侧阻值，发挥比较稳定；桩身下部土 层极限侧阻值，随长径比的增大而变小；即便是同一类型的土层，由于桩基础长径比的 影响，桩身下段范围的土层其极限侧阻值，也比同一土层上部极限侧阻值小。朱向荣16等认为桩身轴力传递与成孔时间长短、孔侧壁土的松弛效应大小以及“泥 皮”厚度等因素有关。桩成孔时间越长，桩孔上部侧壁土的松弛效应越显著,“泥皮” 厚度越大，上部轴力衰减越慢，桩身轴力传递的越深。桩侧摩阻力的发挥与桩的施工质3第一章 绪论量密切相关。赖天文等17经研究发现桩侧摩阻力沿深度呈非线性变化。荷载较小时，变化较小，荷载较大时，变化增大。在同一深度处，地基土的摩阻力是随着荷载的增大而逐渐发挥出来，其发挥程度与荷载水平有关；随着荷载的增大，侧摩阻力的最大值有逐渐向下移动的趋势。地基土摩阻力的极限值是按深度逐渐发挥。张建新等1819通过室内模型试验分析，研究了嵌岩桩桩端阻力与桩侧阻力的相互作用。分析结果表明，桩侧阻力受桩端岩层影响较大，桩端岩石强度的提高有助于桩侧阻力的增大，但增强效果只在桩端附近比较明显，其他地方没有明显的增强效果。同时利用该模型，探讨了桩侧的粗糙程度对桩侧阻力的影响。分析认为，桩侧孔壁粗糙程度直接影响着桩侧阻力的大小和分布，并对其发展也产生一定影响。通过增大桩侧孔壁的粗糙度，可以有效的提高钻孔灌注桩的承载能力。戴国亮等20利用二维Hock-Brown破坏准则为岩石破坏标准，基于“小孔扩张理论”模拟嵌岩段桩侧摩阻力的“剪切滑移膨胀”发挥机理，综合考虑了桩体单元受到桩径发生改变后由于岩体的径向约束作用而产生的法向应力，以及土、岩体由于重力的作用产生的竖向应力导致的桩体表面的水平向法向应力，分析讨论了桩身轴力、岩石强度模数、岩体抗拉强度系数、岩桩刚度比、桩径以及嵌岩比等因素对极限侧阻力的影响。1.2.2 溶洞问题研究目前，对于岩溶区桩基础的研究，主要集中于桩端存在溶洞时，溶洞顶板的安全厚度和稳定性等问题上，而对于桩侧存在溶洞时桩基承载特性的问题则鲜有研究。康厚荣等21采用桩基自我平衡测试法与三维数值模拟相结合的方法来研究隐藏有溶洞的桥梁桩基承载特性。研究结合实体工程，采用数值模拟方法建立溶洞桩基础有限元分析模型，系统研究了溶洞顶板厚度、溶洞大小和溶洞位置不同条件下，对桩基础承载力的影响。研究发现桩端底部到溶洞顶部的厚度是影响桩基承载力的主要因素。赵明华22等在总结归纳岩溶区溶洞顶板稳定性分析方法的基础上。针对目前桩端下伏溶洞顶板稳定性验算方法中存在的问题进行相应改进。研究将格里菲斯判据和莫尔判据分别引入到岩溶顶板的抗冲切、抗剪验算中，并且全面考虑了桩端岩层剪切破坏和溶洞平面投影边缘处岩层剪切破坏两种破坏模式，研究还对完整、无裂隙顶板采用圆形固支板模型的抗弯稳定性进行验算。黎斌等23用三维有限单元法对桩基下的溶洞顶板进行应力分析计算。采用多元线性4长安大学硕士学位论文回归的方法分析得出桩底到溶洞顶部距离临界值与溶洞大小与单桩设计荷载之间的关系式，并结合实际工程对所得关系式的可靠性进行了验证。蒋冲等24根据岩溶区桩端溶洞顶板系统的工程特点，引入突变理论和模糊理论，对岩溶区桩端溶洞顶板系统进行多层次目标分解，建立出符合其工程特点的岩溶区桩端溶洞顶板稳定性评判层次结构模型；依据突变理论基本原理，对各评判指标进行突变类型确定和突变类型归一化公式的推导，并根据归一化公式进行量化递归运算得到岩溶区桩端溶洞顶板稳定性评判的总突变隶属函数值的计算方法；引入模糊隶属函数构造方法，利用初始模糊隶属函数和突变级数将突变理论和模糊分析结合起来，建立出岩溶区桩端溶洞顶板稳定性分析的突变评判新方法。程晔等25定义溶洞顶板稳定性安全系数为顶板岩体实际剪切强度与折减到临界破坏时的剪切强度之比值。采用强度折减技术、弹塑性有限元和二分法等相结合的方法对基桩下溶洞顶板稳定性的评价方法进行探索。结果显示，所提出的方法既能得到符合溶洞顶板稳定性且物理意义明确的安全系数，而且可以预测到可能出现的破坏面及破坏过程。曹文贵等2627基于岩溶区桩基桩端岩溶顶板稳定性影响因素取值的随机性、模糊性以及区间性特征，采用三角模糊数表示计算参数取值可能性分布，以此为基础建立出同 时考虑抗冲切、抗剪与抗弯作用的桩端岩溶顶板稳定性模糊极限平衡分析模型；综合运 用 Hoek-Brown 经验强度准则、岩体质量分类指标 RMR 以及模糊数学理论建立起计算参 数三角模糊数确定方法，并运用截集技术与区间数运算规则计算相应的安全系数模糊 集；在探讨功能函数合理确定方法基础上，采用模糊能度可靠性理论，对桩端岩溶顶板 稳定性进行评价，提出其模糊能度可靠性分析方法。采用数值流形分析方法对岩溶区公 路路基顶板安全厚度进行确定，在此基础上利用强度折减技术对公路路基岩溶顶板稳定 性进行评价，并采用枚举优化法探讨岩溶顶板稳定性与溶洞顶板厚度、溶洞跨度及规模 等的关系，从而建立起确定岩溶区路基顶板安全厚度的新方法。符策简28认为溶洞顶板以及溶洞本身的变形是评价含隐伏溶洞岩溶地基稳定性最 为直观的技术指标，在岩土自重和桩基的外附荷载作用下，确定桥基隐伏溶洞顶板安全 厚度为 8.0 m 能够满足稳定性要求，突破了设计规范中对溶洞厚跨比必须大于 0.8 的要 求。采用数值模拟分析，研究了桥基下溶洞及顶板的变形规律。在施工荷载加载过程中，通过钻孔多点位移计实现了对溶洞及顶板岩体的变形的实时监测，对模拟分析结果的可靠性给予了验证。5第一章 绪论对于岩溶顶板安全厚度的问题，陈勇鸿等29提出了最小安全厚度的确定思路。先对公路路基的变形破坏判据进行确定,然后根据随机介质理论对岩溶坍塌引起的上覆岩体的变形进行预测，最后根据变形破坏判据确定开挖引起的岩体损害向上传递的高度，依靠所得传递高度来确定溶洞顶板最小安全厚度。该方法不仅可以用于评价公路下伏岩溶对路基的稳定性影响，而且可预测出溶洞坍塌引起的地表变形。廖春芳等30在探讨岩溶顶板安全厚度传统半定量分析方法存在缺陷的基础上。结合某工程岩溶及采空区路基稳定性的特点，提出利用有限元分析手段和枚举优化理论确定岩溶及采空区岩层顶板安全厚度的方法。既可以给出全部分析范围的各种应力等值线，还可以得到破坏域、节点位移等。1.3 研究思路与内容1.3.1 研究思路国内外对岩溶桩基存在溶洞时的研究主要考虑溶洞在桩底部时的溶洞顶板稳定性以及桩穿越溶洞时的受力特性问题，而对考虑桩侧存在有溶洞时对桩基承载特性的影响的研究较少。当实际工程中存在此类问题时，桩基的设计与施工往往缺乏理论依据，多 种不确定因素的出现往往会造成资源的浪费。为此，本文通过分析岩溶地区桩侧存在溶 洞时对桩基承载特性的影响因素，来研究桩侧溶洞对桩基稳定性的影响；采用数值模拟 方法研究溶洞与桩在不同水平距离下对桩基承载力的影响变化规律，对桩基荷载传递特性及受力分析进行研究。1.3.2 研究内容基于对国内外岩溶区桩基础相关文献认真研究分析的基础上，结合非岩溶区桩基础 的受力特点，采用数值模拟方法对岩溶区大直径桩竖向承载特性进行了深入研究，主要研究内容为：（1）岩溶区桩-岩间相互作用机理分析；（2）岩溶区桩长、桩径、溶洞大小及桩-洞间水平距离对大直径桩竖向承载特性影响的研究；（3）岩溶区大直径桩基合理设计与施工方法的研究。6长安大学硕士学位论文第二章 桩岩相互作用机理分析岩石的变形特性既与岩石本身的材料特性密切相关，同时还会随着环境变化和作用 时间长短不同而发生变化。对岩石的基本工程性质及其变形特性进行研究分析，有利于了解桩基荷载传递规律。对于岩溶地区采用大直径嵌岩桩，桩侧阻力作用不可忽视，有时甚至作为桩基承载 力组成的主要部分。由于目前大直径桩的受力机理尚未完全清晰，设计人员在进行岩溶 地区桩基础设计时仍持谨慎态度。岩溶地区嵌岩桩的广泛应用，使得对其承载机理的研究变得很有价值，因为只有在弄清机理的基础上，才能使桩的设计尽可能地合理化。2.1 岩石工程性状2.1.1 岩石变形特性岩石受力产生变形，其变形特性对岩土工程的安全性及稳定性评价具有重要意义，与岩石相关的工程设计和监测都应以了解岩体的变形特性为基础31。岩石的变形特性既与岩石本身的材料特性有关，同时还与其所处周围环境变化和作用的时间长短密切相关。对于一般情况下的岩石来说，通常可以认为是一种近似的弹脆性体，主要依靠弹性理论的方法对其进行研究。1.岩石在单轴压缩应力下变形特性岩石的变形只有通过在应力作用下的变形过程才能表现出来。因此，研究岩石的变形特性就必须先研究应力与应变之间的关系。不同的矿物成分和结构特征决定了岩石的应力应变曲线的形状，通过对大量资料的总结、分析及研究，发现不同种类岩石的应力应变关系可以用一条典型应力应变曲线表示，如图 2-1 所示。根据其变化特点，可将岩石变形的整个过程划分为四个阶段：（1）微裂隙闭合阶段（图 OA 段）：是岩石刚开始受力的阶段，由于压力很小，此时岩石内部承载能力最低的薄弱部分的变化是导致岩石表观上变形的主要原因。实际上这是岩石中原本存在的微小裂隙闭合或者被压紧，形成的早期非线性变形。此曲线呈上凹型，斜率随着应力的增加而逐渐增大，表明开始阶段微裂隙闭合较快，随压力增大呈减小趋势。（2）弹性变形至微破裂稳定发展阶段（ABC）：岩体中的微小裂隙进一步闭合，岩体受压而出现弹性变形，随着应力的增加逐渐产生新的裂隙。s - e 曲线在 AB 段呈直7第二章 桩岩相互作用机理分析线形式，应力-应变成正比关系，随s 增大逐渐变为曲线关系。由以上分析知，该阶段可划分为弹性变形阶段（AB）与微破裂稳定发展阶段（BC）。AB 段的变形主要是弹性变 形，B 点相应的应力称为比例极限或弹性极限。BC 段的变形主要是由新裂隙而引起的 塑性变形，当荷载保持不变时，微裂隙将停止发展。C 点相应的应力称为屈服极限。DCBA0图 2-1岩石典型应力应变曲线（3）裂隙非稳定发展和破坏阶段（CD 段）：由于微破裂所造成的应力集中显著，破裂在外荷载保持不变的情况下仍会发展，其破坏先发在某些薄弱部位，造成应力重新分布，继而又引起新的薄弱部位破坏，依次循环下去直到试样完全破坏。此时，试样体积由减小转为增大，试样所承受的荷载达到最大值。在此阶段，对于具有刚性联结的致密坚硬岩石应变量很小，而具有柔性联结的粘土岩应变量则很大。D 点对应的应力为峰值应力，在单轴应力条件下即岩石的单轴抗压强度。（4）破坏后阶段（D 点以后）：岩石承载能力达到最大值以后，其内部结构被全部 破坏，裂隙快速发育并形成宏观断裂面，但基本上扔保持整体状态。岩石变形主要表现 为沿断裂面的滑移，试样的承载力随变形的增大迅速下降，达到很小但不为零，说明即使碎裂的岩石，仍具有一定的强度。图 2-1 是岩石在单轴压力条件下变形的应力-应变曲线，呈现出岩石变形的一般规 律。但现实中，岩溶地区的岩石由于自身的矿物成分和结构特点，不一定与一般规律一 致。但总体而言，岩石的变形主要分为两个阶段：一是峰值前阶段；二是峰值后阶段。2.岩石在三轴压缩条件下的变形特征所谓三轴压缩试验，是指在试样上同时施加 3 个方向相互垂直的力的压缩试验。一8长安大学硕士学位论文般将这三个力按主应力大小分为以s1 ，s2 和s3 表示。3 个主应力的组合中s1 s2 = s3 ，称等围压三轴状态，是我们主要讨论的。 对于岩石在三轴压力下的变形特征通常也是利用应力-应变曲线来研究。像单轴压力下那样，三轴压力下的应力-应变曲线也有多种，其中最常用的是应力差（s1 -s3 ）-轴向应力应变（）关系曲线。日本学者茂木清夫将其典型化为如图 2-2 所示的形状，并分为四个变形阶段：OA 段：称弹性变形阶段。弹性模量主要表征这一阶段的性质。A 点相应的应力即比例极限，对于岩石来说，此值与屈服极限极相近。AB 段：称塑性变形阶段。在此阶段内微裂隙不断发展，直至 B 点，岩石破坏。B点的应力为破裂应力或岩石的峰值强度。BC 段：称应力下降阶段。B、C 两点间的应力差称为应力降。C 点以后：称摩擦阶段。岩石已经破裂，对于作用力全靠破裂面上的摩擦力维持，即岩石的残余强度。 1- 3BAC0图 2-2 三轴压力下（s1 -s3 ）- 曲线3围压对岩石变形与