卸荷岩体力学

1、第五讲第五讲 卸荷岩体力学卸荷岩体力学 链子崖危岩体位于湖北省秭归县新滩镇（现改称屈原镇）长江南岸的临江陡崖上，距三峡大坝仅25公里。在南北长700米，东西长210米的岩体上，被58条宽大裂缝所切割，形成了总体积达300多万立方米的危岩体，成为长江航道咽喉的严重隐患。链子崖危岩体有长期的崩滑史，其中1030年、1542年两次崩滑分别导致长江断航21年和82年。1964年以来，山上时常有滚石如江，给航运构成严重威胁。1985年链子崖对岸新滩发生3000万立方米的大滑坡，将有900年历史的新滩镇推入长江。据一位目击者回忆，滑坡入江时激起浪高70米，涌浪39米，击翻机动船只13艘，造成10余人死亡，

2、滑坡岩土占据长江航道30，被迫停航12天。 1989年3月，国务院批准成立链子崖地质灾害防治工作领导小组，对其进行综合整治。经过专家论证，最终采用200多根直径150毫米、长50多米的锚柱及200多吨巨型铁链，将315万立方米危岩体牢牢锚住。工程历时10年，静态投资达4661万元，于1999年8月顺利竣工。 采用的加固措施有：锚固、回填（煤层采空区）、（危岩体上修）排水沟和裂缝护盖、修建拦石坝。 链子崖地质地貌简图 链子崖由南部的T0T6 缝区( 体积约8.0105 m3 ) , 中部的T7 缝区( 体积约2104 m3 ) 和北部的T 8T12缝区( 体积约2. 5106 m3 ) 三部分组

3、成,其崖顶尚有雷劈石古滑坡, 崖东有猴子岭崩积体, 崖西发育了鸡公岭座滑体(左图) 。 T8T12缝区是链子崖危岩体的主体部分, 它紧临长江, 成为直接威胁长江航运和三峡大坝安全的重大地质灾害, 是工程防治的重点。 链子崖防治工程布置简图 链子崖防治工程的布置采用中间防御, 两翼攻击的战略。中间防御是在煤层采空区主要地段用混凝土承重阻滑键置换煤渣或空顶区, 它是被动受力防御的工程方法, 包括PD2 , PD6 ,PD1 和PM 四个工区组成平面受力格架体系。两翼攻击是在危岩体东西两端设计1# , 2# 和3# 锚固工程区强化岩体的自身稳定性, 且不扰动不破坏岩体的结构, 预应力锚索工程是主动加

4、力的工程方法。1#锚固区( PT ) 穿过T 12 缝锚在核桃背上( 锚固方向210)。2# 和3# 锚固区( Pb 穿过煤层采空区锁定在黄龙灰岩上, 锚固方向均为180), 后二者以3# 锚固区为主, 2# 锚固区起辅助作用( 左图) 。T8-T10缝段，226万方危岩体，承重滑键，回填；T11-T12缝段，8万方预应力锚索（用200多根直径150mm，长50多米的锚柱及200多吨的巨型铁链把危岩体锚住；T0-T7缝段，防冲拦石坝。位于长江三峡的链子崖危岩体“五万方五万方”危岩体防治工程危岩体防治工程“七千方七千方” 滑移体防治工程滑移体防治工程 链子崖通身有大裂缝13条、小裂缝58条，像高

5、悬利剑威胁着长江沿岸人民的生命安全。其中最宽的2号裂缝宽达5米，最深的2、9、12号裂缝深达105米。经过地质科技工作者的治理后，形成了一处处新的景观，6月11日景区开放以来，吸引了大批游人参观和考察。 链子崖危岩体监测系统设置各种监测点135个（处），是一个多手段、立体化、数据采集部分自动化、计算机数据自动处理的预测预报系统，将及时、准确地对危岩体的稳定性及变形趋势进行分析、预测和预报。通过监测表明，链子崖危岩体主体工程从锚固开始到竣工以来，其岩体变形已趋于稳定，危岩体已停止了持续20多年朝长江临空方向的变形，有的缘缝已逐渐闭合。其中1996年从施工开始就朝锚固方向移动1.2至5.7毫米，1

6、997年向锚固方向移动6至10毫米，1998年运移基本稳定。1999年防治工程全面竣工到2003年三峡水库蓄水135139米后，通过了4个水文年的监测。从变形趋势分析，危岩体在防治工程结束以后，通过岩体应力重新调整，变形趋势逐步稳定，防治工程已经发挥效力。 湖北省岩崩滑坡研究所提供的2000年至2004年监测数据表明，他们承担的链子崖危岩体监测区域均无明显变形迹象，危岩体裂缝和部分滑坡体已处于稳定状态。专家们通过现场鉴定和监测数据分析，认为链子崖监测区域的危岩体变形经历了治理前的明显变形期，防治工程过程中的施工扰动期，工程结束后的应力调整期，目前已进入现阶段的相对稳定期，工程运行效果良好。 在

7、分析链子崖危岩体时采用传统的加载岩体力学分析，结果与工程实际不吻合，且有时相差较大，这使得以哈秋舲教授为代表的专家们必须从另外的角度来思考边坡稳定性问题，从1995年开始卸荷岩体力学理论的探索。采用传统方法研究开挖问题取得的研究成果与实际情况出入太大，有数量级差别三峡链子崖危岩体 实际变形2米以上，计算3厘米 （已经加固）金川露天矿边坡 实际变形5米以上，计算20厘米 （已经垮塌）碧口千牧岩洞子 实际变形12厘米以上，计算1厘米 （已经垮塌）二滩调压井洞室 实际变形8厘米以上，计算1厘米 （已经停止使用）计算与实际情况严重不符得到的岩体中的应力分布规律与实际情况不一致稳定分析结论错误工程措施不

8、得当导致工程事故发生一、问题的提出一、问题的提出二、卸荷岩体力学研究现状二、卸荷岩体力学研究现状三、卸荷岩体力学研究内容三、卸荷岩体力学研究内容四、卸荷岩体力学理论四、卸荷岩体力学理论五、卸荷岩体有限元分析五、卸荷岩体有限元分析六、工程应用六、工程应用1、研究人员及单位哈秋舲：原中国长江三峡工程开发总公司总工程师李建林：三峡大学教授刘国霖：三峡大学教授张永兴：重庆大学教授。卸荷岩体力学研究现状卸荷岩体力学研究现状2、研究方向卸荷岩体力学理论的基本构架卸荷岩体的工程地质基础卸荷岩体的力学特性卸荷岩体的力学参数卸荷岩体的物理仿真及数值仿真卸荷岩体应力-应变关系及计算方法工程整体稳定分析卸荷岩体加固

9、的原理及方法一、问题的提出一、问题的提出二、卸荷岩体力学研究现状二、卸荷岩体力学研究现状三、卸荷岩体力学研究内容三、卸荷岩体力学研究内容四、卸荷岩体力学理论四、卸荷岩体力学理论五、卸荷岩体有限元分析五、卸荷岩体有限元分析六、工程应用六、工程应用工程优势结构面：有利于开挖卸荷变形损伤的地质结构面。（可能不是地质优势结构面，但其卸荷力学动态特性非常明显）1、岩体的工程地质研究地质构造特征；岩体结构；结构面状况与工程的相互影响工程优势结构面；地应力；工程岩体分类。三、卸荷岩体力学研究内容三、卸荷岩体力学研究内容2、岩体的卸荷力学特性及其参数的研究卸荷岩体卸荷过程的应力-应变关系；卸荷岩体宏观力学系数

10、研究与选择方法物理仿真、数值仿真（模拟试验法确定）、工程经验、地球物理方法；卸荷岩体的尺寸效应、各向异性及流变特性。3、岩体的卸荷本构关系及其分析方法的研究核心内容描述卸荷岩体力学行为的本构关系如正交异性非线性本构关系反映岩体卸荷非线性动态变化的有限元计算基本方法变刚度计算方法4、卸荷岩体的破坏准则研究常用破坏准则的进一步研究与应用；新型破坏准则的进一步研究与应用。5、卸荷岩体加固的理论与方法研究加固作用机理加固措施的优化合理的加固区域合适的加固时间预应力损失一、问题的提出一、问题的提出二、卸荷岩体力学研究现状二、卸荷岩体力学研究现状三、卸荷岩体力学研究内容三、卸荷岩体力学研究内容四、卸荷岩体

11、力学理论四、卸荷岩体力学理论五、卸荷岩体有限元分析五、卸荷岩体有限元分析六、工程应用六、工程应用四、卸荷岩体力学理论四、卸荷岩体力学理论工程岩体力学特点：岩体中有不连续面，对岩体的力学特性起控制作用岩体中存在地应力（初始应力），任何作用都是在该基础 上的继续（在此基础上增加称加荷，否则称卸荷）岩体卸荷（特别是进入拉应力区后）比加荷更易发生变形岩体具有明显的各向异性四、卸荷岩体力学理论四、卸荷岩体力学理论（一）卸荷岩体的工程特点及分析方法工程岩体在地质年代构造作用下，不断受到加荷与卸荷的反复作用，达到现今的初始应力状态（工程动工前）。工程岩体服务对象不同，所形成的结构形态不同，从而其所处的力学作

12、用状态不同，据此，岩体工程可分为以下几类：1、岩体工程类型先卸荷先卸荷开挖（大型基础工程）如上海世博500KV地下变电站工程后加载后加载建筑物建设（1）基础工程变电站为全地下四层筒型结构，地下建筑外直径130m，地下结构埋置深度约34m，地面部分建设为上海市“雕塑公园”。拟采用“两墙合一”地下连续墙作为基坑围护结构，墙厚1.2m，插入深度23.8m，墙底深度57.5m。基坑开挖后，除局部加荷外，以卸荷为主，侧面边坡可能出现拉应力建筑物建造过程中，基底主要表现为加荷自然边坡风化卸荷力学状态基本平衡人工边坡切削边坡道路、坝肩边坡 深切边坡船闸、矿山边坡（2）边坡工程力学状态不平衡卸荷石方开挖后，除

13、局部加荷外，以卸荷为主地应力释放充分，可能出现较大范围拉应力区 切向加载径向卸载（3）地下工程29石方开挖后，在自重应力情况下，通常边墙的切向加荷，法向以卸荷为主，顶部与底部的切向与法向可能均处于卸荷状态地下工程边坡工程：边坡工程：漫湾水电站左岸边坡，高170-340m，长375m；三峡工程永久船闸边坡，最高170m，仅闸室段长1617m，开挖坡度30-90度，总体65度。2、卸荷岩体的工程特点（1）尺度大地下工程：地下工程：洪家渡水电站地下厂房：长112m，宽21.5m，高60m。构皮滩水电站地下厂房：长157m，宽27m，高70m。拉西瓦水电站地下厂房：长210m，宽27m，高64.4m。

14、 大型边坡工程开挖，边坡的二次应力场调整范围大，导致岩体变形过大，地下工程，以圆形洞室火例分析，开挖卸荷 后环向应力增大好几倍，径向压力在洞同降为0，受力状态由双向转为单向，岩体受力条件劣化。（2）结构受力条件差 在卸荷后的二次应力作用下，受多次损伤的自然岩体结构面可能发生张开甚至引发扩展。（3）岩体对卸荷的敏感性大 如三峡工程永久船闸边坡，五强溪水电站左岩船闸边坡，隔河岩水电站厂房后边坡，众多水电站地下厂房。（4）工程对岩体的变形要求严格加荷卸荷路径不同，本构关系存在差别。3、岩体加荷与卸荷试验结果的差别（1）应力-应变路径不同如图，岩体在历史应力作用过程中，进行现今的工程活动。各种荷载条件

15、下的应力应变关系 三峡永久船闸高陡边坡岩体的物理仿真试验，得到岩体沿一个方向加荷与卸荷的应力应变关系。坐标系：X向沿船闸纵轴线水平方向（指向下游）Y向沿垂直于闸纵轴线（也垂直于边坡面）的水平方向Z向沿垂直向下的方向。模型尺寸：2.5m* 2.5m * 2.5m 。加荷过程：加荷段：按地应力三个方向比值同时施加，直至达到地应力值OMNP段。卸荷段：在Y方向按开挖步骤进行分级卸荷，直至产生拉应力，导致岩体破坏。卸荷过程中X、Z向应力值保持不变。其卸荷曲线见图中oabcd段。岩体卸荷应力应变关系（图中ABCD分别表示不同尺寸的四种岩体）P作用历程不同，作用效果有别，本构关系存在明显的差别。如下图所示

16、：如果岩体中存在应力1和3，当用莫尔圆表示时，应力莫尔圆如下图所示。如果对岩体进行加荷，假如3不变，随着荷载的增加，应力莫尔圆不断加大，如从BB1 B2 B3，增加直至岩体破坏，因此应力圆是一个不断加大的过程。如果对岩体进行卸荷，此时假定3也不变，随着荷载的减小，应力莫尔圆减小。如果进一步减小，当1（内摩擦角）时受压滑动面不在 角方向，而由角控制。结构面方向与抗拉强度关系上述迹象均表明，受拉强度的各向异性较受压特性更为敏感。结构面方向与变形模量关系不同结构面方向对变形模量的影响不同结构面方向对变形模量的影响从图中可以看出，卸荷岩体受拉变形模量随着结构面夹角显著变化，即随着的加大而明显降低，其趋

17、势与抗拉强度的趋势是一致的，岩体受拉变形的，如当=52度时，岩体受拉变形模量仅为未设置结构面的受拉变形模量的40%，可见降低幅度很大，夹角对变形模量的影响是很大的。因此，卸荷岩体受拉变形模量的各向异性也是十分明显的。现将不同结构面方向下经相似关系转换后，岩体卸荷受拉破坏时的变形模量绘于图中，图中E0为未设置裂缝试件的抗拉变形模量，Ei为各向异性变形模量。结构面方向对抗压强度的影响结构面方向对抗压强度的影响对于含有贯通的单个结构面的岩体，如果岩体受压，其破坏有两种情况：一种是在岩体内发生破坏；一种是沿结构面发生破坏。当满足下面条件时，岩体沿结构面发生破坏。结构面达到破坏时的极限平衡条件如下：当3

18、 不变时，最小主应力发生在下式时：当=52度 时，实验观察得到的试件的破坏形式如图所示，即试件破坏基本上是沿结构面发生（图中虚线）。不同的是试件的破坏主要是由结构面余留的岩桥压剪破坏所至。因此，含非贯通的单一结构面岩体的强度由结构面的抗剪强度和余留岩石的抗剪强度组成。受压破坏形式根据试验结果，不同的结构面夹角条件下，岩石的抗压强度如下图 所示：从图中可以看出，最小应力发生在=55度 左右， 再由式：得j=20度。该摩擦角介于岩石和结构面的摩擦角之间。岩石抗压强度与的关系曲线结构面方向与抗拉强度关系岩石抗压强度与的关系曲线比较上两图可知，岩体受拉和受压有一定的差别。主要原因是岩体受拉时，结构面对

19、受拉极为敏感，受拉易使结构面产生应力集中，而岩石的抗拉强度又很低，因此发生破坏时的强度和受结构面方向的影响与受压时有差别。结构面方向与变形模量关系比较李建林等对具有单组受压贯通节理的各向异性岩体研究得出如下图点线试验结果，经以下变化后试验曲线变为实现形式。图中以Ei/E0代替E轴（ Ei-各向异性变形模量，E0-各向同性变形模量），并对曲线作了简化，得到变形模量与夹角的关系。即10度 45度，相对受压变形模量Ei/E0 随夹角 的增加而直线降低。即45度 或 10度，其影响可以忽略不记，最大变形模量降至1/3。受压受拉受压变形模量与受拉变形模量的比较受压变形模量与受拉变形模量的比较一、问题的提

20、出一、问题的提出二、卸荷岩体力学研究现状二、卸荷岩体力学研究现状三、卸荷岩体力学研究内容三、卸荷岩体力学研究内容四、卸荷岩体力学理论四、卸荷岩体力学理论五、卸荷岩体有限元分析五、卸荷岩体有限元分析六、工程应用六、工程应用构造作用与卸荷示意图由于加荷卸荷路径完全不同，故对于岩体的卸荷分析，应依据卸荷岩体力学方法来进行，才能使之与岩体的受力特性一致。五、卸荷岩体有限元分析五、卸荷岩体有限元分析1、引言 由于岩体开挖卸荷展现出明显的各向异性特性，并且岩体的卸荷应力、应变关系一般为非线性，为了有效地描述各向异性非线性岩体的力学行为，就必须研究各向异性非线性本构关系。一般地，可把岩体视为正交异性岩体。正

21、交异性弹性本构关系可表示为：2、岩体卸荷分析的本构关系对于正交异性岩体有：如果用刚度矩阵表示时：式中：所给的材料常数的定义必须使应力应变组成刚度矩阵正定，因此，材料常数之间必须满足下面的关系式：由于岩体应力应变关系一般为非线性，因此，为了有效地描述各向异性非线性岩体力学行为，首先必须研究各向异性非线性本构关系，有：此式可缩写为：对于平面应变问题，其本构关系可写成如下形式：若用刚度矩阵表示，上式可缩写成如下形式：式中：前式如下：式中C 是具有6个独立参数的系数矩阵，这些材料参数本身是应力状态的函数，因此，只需知道岩体卸荷时的应力应变曲线和相关的材料参数，我们就可以确定不同应力水平下这些参数的值。

22、可缩写成：、岩体卸荷实验应力应变关系及其分析、岩体卸荷实验应力应变关系及其分析典型的卸荷曲线从左图可以看出，岩体卸荷呈现出明显的非线性特征。卸荷应力应变曲线可分为三个阶段：阶段：oa段。此阶段岩体卸荷量较小，岩体内的节理裂隙受卸荷而有所放松，但尚未开裂，塑性变形不大，此阶段应力应变关系近弹性。a点的荷载约占总卸荷量的30%左右。岩体开挖卸荷是从0（初始地应力）开始的，如果岩体卸荷后产生拉应力，则拉应力最大为Rt （岩体抗拉强度），即卸荷应力 从开始到 从0开始到0+ Rt 。根据岩体卸荷试验，典型的卸荷曲线如下图所示。阶段：ac段。应力应变关系曲线过a点后，卸荷量逐步加大。随着卸荷量的逐渐增加

23、，岩体中的部分敏感节理受卸荷影响而放松，出现了一些非弹性变形，应变增加较快，因而出现应力、应变关系逐渐变缓。卸荷逐至c点时(c点为岩体卸荷至应力为零时)，曲线偏离线性较大，呈现明显的非线性特征。此阶段主要是节理裂隙的放松张开并伴有部分扩展的阶段。 c点的卸荷量约占7080的极限卸荷量(含受拉荷载在内)。典型的卸荷曲线 阶段：ce段。当卸荷超过c点后，继续施加拉应力，此时岩体受拉。岩体中的节理裂隙对荷载极为敏感，节理裂隙开裂较快，非线弹性变形量急剧增加，而应力增加缓慢。因而出现应力、应变关系很平缓，直至e点岩体受拉破坏。典型的卸荷曲线为了便于分析，其中阶段 、各划分为两个小阶段。综合比较后，各阶

24、段的变形模量如下表：上表中的阶段是大致划分的，计算中如需细分，可根据图再进一步划分。可根据需要选用。因此，不同卸荷应力水平条件下，岩体的卸荷变形模量应按上图取用。岩体开挖卸荷，不同区域的岩体其卸荷程度不同，并随着开挖的进行，卸荷区域和卸荷程度不断变化。因此，卸荷分析的模拟过程也是不断调整的。应根据开挖进程和不同卸荷区域及程度取与之对应的卸荷岩体力学参数。卸荷岩体有限元分析可通过下列步骤进行近似模拟。、卸荷岩体分析的基本方法、卸荷岩体分析的基本方法计算分析框图第二步：（1）计算初始岩体应力场。（2）计算开挖边界释放荷载。 （3）计算开挖卸荷应力释放后的应力场（以上计算均按常规计算方法进行）。 （

25、4）组合、比较、划分卸荷区。第一步：（1）将岩体视为连续的均匀岩体或正交各向异性岩体。选择相应的本构模型及屈服条件。（2）选择所选本构模型所需的初始岩体参数。如按正交各向异性计算时，选择正交各向异性初始力学参数。第三步：（1）分区选择岩体卸荷后的卸荷岩体宏观力学参数。（2）按分区改变岩体力学参数后计算开挖卸荷岩体应力应变场。（3）根据新计算的岩体应力应变场，分析卸荷区是否扩展。（4）如扩展，重新划分卸荷区，重复（1）（3） ，如未扩展，计算结束（以上为卸荷岩体分析的基本方法）。第四步：综合分析开挖卸荷应力应变场。计算分析框图5、工程实例、工程实例现以三峡工程永久船闸高边坡为例进行卸荷岩体的稳定

26、分析。（1）计算条件地应力：地应力：如图所示。由自重应力和构造应力两部分组成。如图所示，自重应力为三角形，构造应力为不规则状。地应力取值图力学参数力学参数初始弹性模量及变形模量如下表所示： 卸荷阶段的变形模量选择如表下或如右图选用。卸荷岩体强度参数如下表 所示。计算剖面及方案计算剖面及方案计算剖面：选取典型三闸首16号剖面，模型范围南北长1200m，底部高程-100m，如下图所示：地应力施加方法：首先将底部边界的垂直及右侧边界的水平方向固定。地应力施加方法如下：地应力取值图将右图中地应力分布值等效移置在左边界节点，在重力及该力作用下计算初始位移场及应力场；将上述计算结果得到的左边界固定（即为地

27、应力作用下完成的初始位移），在此条件下模拟边坡开挖。计算方案。计算中考虑三种方案如下：常规弹塑性方案方案一；正交异性弹性方案方案二；非线性正交异性方案方案三，抗拉强度取Rt1.5MPa；非线性正交异性卸荷方案方案四，抗拉强度取Rt1.5MPa。计算结果及分析计算结果及分析计算位移场分析：根据上述各方案的计算，最大位移出现在闸室侧墙的顶部，各方案的最大位移值如下表所示。方案四的位移等值线如下图所示。计算结果表明，常规弹塑性计算方法的最大位移为3cm左右，当按正交异性弹性计算 ，最大位移值达到了6.8cm，再考虑非线性时，最大位移达到了13cm，进一步考虑卸时，最大位移值达到了16cm。对于卸荷岩

28、体，若考虑各向异性，计算位移值比常规大一倍，在考虑非线性时，大两倍，进一步考虑卸荷时，大四倍。因此，对于卸荷岩体的计算，当然不能按常规计算方法进行。一、问题的提出一、问题的提出二、卸荷岩体力学研究现状二、卸荷岩体力学研究现状三、卸荷岩体力学研究内容三、卸荷岩体力学研究内容四、卸荷岩体力学理论四、卸荷岩体力学理论五、卸荷岩体有限元分析五、卸荷岩体有限元分析六、工程应用六、工程应用六、工程应用六、工程应用5.1 长江链子崖危岩体边坡5.2 碧口千枚岩隧道碧口水电站位于嘉陵江上游白龙江干流上，该工程左岸泄洪隧洞地质条件为III类薄层状千枚岩，层理面平滑无粘结力，但挤压紧密。岩体软弱，单轴抗压强度仅Rc=12MPa。岩体具有明显的各向异性特征，垂直层面方向的岩体变形模量E=12GPa，平行层面方向变形模量E|=34GPa，隧洞弯段岩层走向与洞轴线交角很小本工程于70年代末开工，数值计算其变形量值为12cm，凭经验在右上角进行了系统锚杆(L=4.0m)和喷混凝土支护。工程实测资料表明左上角稳定性好，左下角变形达20cm，其实测变形量是分析计算值的1020倍。右上角由于过大变形而塌方，后采用锚索进行加固处理该隧洞围岩变形分