卸荷土体力学与卸荷岩土体力学的提出及其基本理论框架

1 卸荷岩体力学的发展[1~9]

“卸荷岩体力学”的概念于1995年首次被提出[1], 经过十几年的研究和实践, 卸荷岩体力学目前已得到了较好的发展, 在岩体工程中发挥了重要的作用[2~9]。卸荷岩体力学是岩体力学研究的新领域, 它是自然界及岩体工程中卸荷岩体在力及其他因素作用下, 岩体卸荷力学性质及其工程应用的科学[8]。

岩体的加载与卸载是不同力学条件, 两者有本质的区别。岩体工程中的石方开挖从力学本质上看主要是卸荷。如基础工程开挖为卸荷力学条件, 只是在建筑物建成后, 其力学条件才转为加载;岩石边坡工程, 特别是深挖高边坡石方开挖, 地应力释放量大, 卸荷量级高, 卸荷范围宽, 只是局部有应力集中现象, 大面积大量卸荷是高边坡主要力学现象, 卸荷力学特征十分明显;地下工程中二次应力场中切向应力加载, 径向应力为卸荷, 视其地下工程的尺度、形态和应力场条件不同, 加载和卸荷的范围不一[3]。

岩石本身在加载和在卸荷条件下力学特征的差别不大。与此不同, 在岩体中多各类节理, 这些结构面在加载力学状态下, 仍有很好的力学特征。但是, 卸荷条件下, 在卸荷量很大的情况下, 特别是在拉应力出现后, 岩体中结构面的力学条件将发生本质的变化。这些结构面迅速劣化岩体质量, 因此其力学参数急剧下降, 其力学特征不再符合在加载条件下研究所得成果[3]。

目前在岩体的力学分析中, 普遍应用现行加载岩体力学的理论和方法, 不加区别地应用于处于加载的岩体工程中, 也应用于卸荷条件下的岩体工程。许多工程实例表明, 应用现有加载岩体力学的研究成果, 与工程实际观测资料有数量级的差距, 并导致工程事故的发生。这主要是计算分析加载力学数学模型与工程实际的卸荷力学条件不相吻合所致。因此, 应根据岩体工程中不同的应力动态、加载或卸荷的力学状态, 分别应用加载岩体力学或卸荷岩体力学[3]。

2 卸荷土体力学的提出及其基本理论框架

从前面卸荷岩体力学的发展可看出, 完整的岩块在加载和卸荷条件下的力学特征差别不大, 而对包含岩块和结构面的岩体来说就不一样了, 岩体在加载与卸载不同力学条件下的性状有很大的差别。所以, 岩体越破碎, 开挖岩体的卸荷效应就越明显。

而土体是典型的散粒体, 也可看成是由土颗粒和结构面 (带) 组成的二元介质模型[10]。开挖土体的卸荷效应是很明显的[11~12], 且这种卸荷效应比岩体更明显。

其实, 卸荷作用下土体的变形在岩土工程中是普遍存在的, 比如基坑工程中由于开挖引起的坑底隆起, 土体地基超载卸荷后的回弹。天然土体在经过漫长地作用后基本处于应力平衡状态。由于开挖卸荷, 在一定范围内土体中发生应力重分布及变形, 当开挖卸荷到一定程度, 土体变形过大, 就可能发生局部甚至整体失稳。不同类型的土体失稳, 如基坑垮塌, 边坡失稳, 其内在原因都是由于开挖卸荷导致土体内部应力重分布, 局部发生剪切破坏, 产生滑裂面等而导致的。

长期以来人们习惯于常规的加荷土力学的研究、试验和设计方法, 没有考虑土体开挖卸荷的实际应力路径, 致使实际工程中经常出现一些土体工程的失稳事故, 鉴于此, 作者这里提出“卸荷土体力学”。

卸荷土体力学就是基于特有的研究理论和试验方法, 研究土体在卸荷条件下的受力、变形性状, 从而指导实际的土体工程, 为土体工程服务的学科。

卸荷土体力学的研究对象是就是在土体中有卸荷行为的一切土体工程, 如在土体中进行的基坑开挖工程、边坡开挖工程、堆载卸去的土体地基处理工程, 等等。

卸荷土体力学的主要研究内容主要有: (1) 卸荷土体的应力应变关系、力学参数研究; (2) 卸荷土体的特有试验方法研究; (3) 卸荷土体的细观力学、变形特性研究; (4) 土性对卸荷土体力学特性的影响研究; (5) 地层结构效应对卸荷土体力学、变形特性的影响研究。

3“卸荷岩土体力学”的提出及其基本理论框架

综合上述的卸荷岩体力学、卸荷土体力学, 作者这里提出“卸荷岩土体力学”。“卸荷岩土体力学”的基本理论框架就是卸荷岩体力学、卸荷土体力学理论框架的综合。

实际的同一岩土工程中, 往往既有岩体, 又有土体, 岩体、土体往往同时会存在卸荷行为, 此时, 可用卸荷岩土体力学的有关理论和方法来分析卸荷岩土体的受力和变形特性。

摘要：本文提出了“卸荷土体力学”新学科, 并对“地层结构力学”的定义、研究对象和研究内容进行了分析, 并综合卸荷岩体力学和卸荷土体力学提出了“卸荷岩土体力学”新学科。

关键词：卸荷土体力学,卸荷岩土体力学,研究内容,理论框架

参考文献

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