岩體變形

岩體變形是指岩體承受的外力不超過抗壓、抗剪強度極限時表現出的結構和形態的改變，可分為材料變形型和結構變形型兩類。 體積變化是指在應力變化條件下岩體體積脹縮變化，由結構體脹縮和結構面閉合和張開變形貢獻。形狀改變分四種形式：①材料剪下變形；②堅硬結構面錯動；③在剪下力作用下結構體轉動；④板狀結構體彎曲變形。位置變形有的是軟弱結構面滑動，有的是堅硬結構面錯動貢獻的。

基本介紹

• 中文名：岩體變形
• 外文名：rock mass deformation
• 簡介：岩體承受的外力不超過抗壓
• 變形類型：材料變形型和結構變形型
• 變形機制：指岩體變形的力學過程
• 測定方法：靜力法和動力法

簡介

岩體承受的外力不超過抗壓、抗剪強度極限時表現出的結構和形態的改變。岩體變形分為結構作變形（壓縮變形和剪下變形）和結構面變形（壓縮變形和剪下變形）。所有的岩體變形都包含有結構面的變形。引起岩體變形的主要因素有地應力、地下水和地溫。地下水和地溫變化引起的岩體變形，一般稱膨脹和收縮。工程中產生的岩體變形，通常指由應力引起的再變形。

岩體變形類型

岩體變形可分為材料變形型與結構變形型兩類。材料變形型可細分為結構體彈性變形、結構體粘性變形、結構面閉合變形和結構面錯動變形。結構變形可細分為結構體滾動變形、板裂體結構變形、結構面滑動變形、軟弱夾層壓縮和擠出變形。

岩體變形不僅與受力狀態密切相關，而且受岩體結構控制。不同結構的岩體變形也不同。塊裂結構岩體最主要的變形是沿結構面滑動；完整結構岩體的變形，主要是岩石材料變形及微裂隙閉合和少量的錯動變形；板裂結構岩體的變形主要是結構變形，包括板柱橫向彎曲和縱向縮短；碎裂結構岩體變形更為複雜，幾乎包括所有的變形成分。

岩體變形機制

指岩體變形的力學過程。如岩塊壓縮變形是岩塊在全圍壓下體積縮小；岩塊形狀改變、岩塊沿結構面滑動和結構體滾動是在剪應力作用下產生的；板裂結構體橫向彎曲變形是在力矩作用下產生的等。

本構方程

岩體變形與岩石性質、岩體結構、地應力及溫度、濕度等的關係稱為本構關係，可以寫作下列表達式：

岩體變形=F（岩石、 岩體結構、壓力、溫度、時間）這種本構關係的數學表達式稱為本構方程。這個方程式的前兩項為岩體的實體，第三、四項為岩體賦存環境，最後一項表征變形過程。本構方程可用於岩體變形、岩體應力及岩體穩定性分析。

如下圖所示，高邊牆地下洞室變形由材料變形u_m及板裂化結構體單元的結構變形u_n組成。

變形機制

其中材料變形由結構體材料變形及結構面回彈變形組成，而板裂結構變形則由板裂結構體在材料回彈變形壓力作用下產生的軸向縮短強迫下產生的橫向彎曲變形組成。要對此地下工程變形做出實際分析，必須先給出各變形機制單元的本構規律，這是岩體力學分析中變形分析的首要工作。

影響岩體變形特性的主要因素

影響岩體變形性質的因素較多，主要包括組成岩體的岩性、結構面發育特徵及荷載條件、試件尺寸、試驗方法和溫度等。結構面的影響包括結構面方位、密度、充填特徵及其組合關係等方面的影響，統稱為結構效應。

1、結構面方位

主要表現在岩體變形隨結構面及應力作用方向間夾角的不同而不同，即導致岩體變形的各向異性。這種影響在岩體中結構面組數較少時表現特別明顯，而隨結構面組數增多，反而越來越不明顯。下圖為泥岩體變形與結構面產狀間的關係。

泥岩體變形與結構面產狀間的關係

由圖可見，無論是總變形或彈性變形，其最大值均發生在垂直結構面方向上，平行結構面方向的變形最小。另外，岩體的變形模量也具有明顯的各向異性。一般來說，平行結構面方向的變形模量大於垂直方向的變形模量。

2、結構面的張開度及充填特徵對岩體的變形也有明顯的影響

一般來說，張開度較大且無充填或充填較薄時，岩體變形較大，變形模量較小；反之，則岩體變形較小，變形模量較人。對於載荷的影響、尺度效應、溫度、試驗的系統誤差問題方面的影響與對岩石（岩塊）變形試驗影響基本上是一致的。

岩體變形試驗

1、岩體變形控制量化分析的基礎是正確獲得岩體的變形破壞規律攻相應的變形參數及強度參數。變形參數包括變形模量和彈性模量；岩體變形參數需要通過岩體變形試驗來獲得。岩體變形試驗按照施加荷載的作用方向也可分為以下兩類。

①法向變形試驗：承壓板法、狹縫法、單雙軸三軸壓縮試驗、環形試驗等。

②切向變形試驗：傾斜剪下儀、挖試洞等。

2、岩體現場變形試驗方法分為靜力法和動力法。

靜力法是在選定的岩體表面、槽壁或鑽孔壁面施加法向荷載，並測量變形值，然後繪製壓力-變形關係曲線，計算岩體的變形參數。常用的靜力法有：承壓板試驗、徑向荷載試驗、水壓法等。

目前，套用最廣的動力法是承壓板法：

承壓板法常採用剛性承壓板法和柔性承壓板法兩種，其中，剛性承壓飯法試驗適用於各級岩石體。通常在平巷中進行，先在選擇好的岩面上清除浮石，平整好岩面，接著依次安裝承壓板、千斤頂、傳力柱和變形量表等，施壓使整個系統接觸緊密；整個系統應具有足夠的剛度和強度，所有部件中心應保持在同一軸線上軸線應與加壓方向一致，試點受力方向宜與工程岩體實際受力方向一致。試驗最大壓力不宜小於工程設計壓力的1.2倍，宜等分5級施加；加壓前應對測表進行初始穩定讀數觀測，每隔10min同時測讀各測表一次，連續三次讀數不變後開始加壓；加壓方式宜採用逐級一次循環法，根據需要可採用大循環法或逐級多次循環法。採用何種加荷方式，可根據岩體結構和工程要求而定。

完整岩體可採用大循環加荷方式，以確定岩體在不同荷載下的變形特性；多裂隙岩體可採用多循環或單循環加荷方式，以了解各種結構面對岩體變形的影響。試驗記錄應包括：工程名稱、岩石名稱、試點編號、試點位置、試驗方法、試點描述、測表布置、測表編號、壓力表編號、承壓板尺寸,壓力變形、試驗人員、試驗日期。每級壓力加壓或退壓後應立即讀數。以後每隔10 min讀數- -次，當所有測表相鄰兩次讀數差與同級壓力下第一次讀數和前一級壓力下最後一次讀數差之比小於5%時，即可施加或退至下一級壓力。卸壓穩定標準與加用相同。