[科普中国]-岩体变形

简介

岩体承受的外力不超过抗压、抗剪强度极限时表现出的结构和形态的改变。岩体变形分为结构作变形（压缩变形和剪切变形）和结构面变形（压缩变形和剪切变形）。所有的岩体变形都包含有结构面的变形。引起岩体变形的主要因素有地应力、地下水和地温。地下水和地温变化引起的岩体变形，一般称膨胀和收缩。工程中产生的岩体变形，通常指由应力引起的再变形。

岩体变形类型岩体变形可分为材料变形型与结构变形型两类。材料变形型可细分为结构体弹性变形、结构体粘性变形、结构面闭合变形和结构面错动变形。结构变形可细分为结构体滚动变形、板裂体结构变形、结构面滑动变形、软弱夹层压缩和挤出变形。

岩体变形不仅与受力状态密切相关，而且受岩体结构控制。不同结构的岩体变形也不同。块裂结构岩体最主要的变形是沿结构面滑动；完整结构岩体的变形，主要是岩石材料变形及微裂隙闭合和少量的错动变形；板裂结构岩体的变形主要是结构变形，包括板柱横向弯曲和纵向缩短；碎裂结构岩体变形更为复杂，几乎包括所有的变形成分。

岩体变形机制指岩体变形的力学过程。如岩块压缩变形是岩块在全围压下体积缩小；岩块形状改变、岩块沿结构面滑动和结构体滚动是在剪应力作用下产生的；板裂结构体横向弯曲变形是在力矩作用下产生的等。

本构方程岩体变形与岩石性质、岩体结构、地应力及温度、湿度等的关系称为本构关系，可以写作下列表达式：

岩体变形=F（岩石、 岩体结构、压力、温度、时间）这种本构关系的数学表达式称为本构方程。这个方程式的前两项为岩体的实体，第三、四项为岩体赋存环境，最后一项表征变形过程。本构方程可用于岩体变形、岩体应力及岩体稳定性分析。

如下图所示，高边墙地下洞室变形由材料变形um及板裂化结构体单元的结构变形un组成。

其中材料变形由结构体材料变形及结构面回弹变形组成，而板裂结构变形则由板裂结构体在材料回弹变形压力作用下产生的轴向缩短强迫下产生的横向弯曲变形组成。要对此地下工程变形做出实际分析，必须先给出各变形机制单元的本构规律，这是岩体力学分析中变形分析的首要工作。1

影响岩体变形特性的主要因素影响岩体变形性质的因素较多，主要包括组成岩体的岩性、结构面发育特征及荷载条件、试件尺寸、试验方法和温度等。结构面的影响包括结构面方位、密度、充填特征及其组合关系等方面的影响，统称为结构效应。

1、结构面方位

主要表现在岩体变形随结构面及应力作用方向间夹角的不同而不同，即导致岩体变形的各向异性。这种影响在岩体中结构面组数较少时表现特别明显，而随结构面组数增多，反而越来越不明显。下图为泥岩体变形与结构面产状间的关系。

由图可见，无论是总变形或弹性变形，其最大值均发生在垂直结构面方向上，平行结构面方向的变形最小。另外，岩体的变形模量也具有明显的各向异性。一般来说，平行结构面方向的变形模量大于垂直方向的变形模量。

2、结构面的张开度及充填特征对岩体的变形也有明显的影响

一般来说，张开度较大且无充填或充填较薄时，岩体变形较大，变形模量较小；反之，则岩体变形较小，变形模量较人。对于载荷的影响、尺度效应、温度、试验的系统误差问题方面的影响与对岩石（岩块）变形试验影响基本上是一致的。

岩体变形试验1、岩体变形控制量化分析的基础是正确获得岩体的变形破坏规律攻相应的变形参数及强度参数。变形参数包括变形模量和弹性模量；岩体变形参数需要通过岩体变形试验来获得。岩体变形试验按照施加荷载的作用方向也可分为以下两类。

①法向变形试验：承压板法、狭缝法、单双轴三轴压缩试验、环形试验等。

②切向变形试验：倾斜剪切仪、挖试洞等。

2、岩体现场变形试验方法分为静力法和动力法。

静力法是在选定的岩体表面、槽壁或钻孔壁面施加法向荷载，并测量变形值，然后绘制压力-变形关系曲线，计算岩体的变形参数。常用的静力法有：承压板试验、径向荷载试验、水压法等。

目前，应用最广的动力法是承压板法：

承压板法常采用刚性承压板法和柔性承压板法两种，其中，刚性承压饭法试验适用于各级岩石体。通常在平巷中进行，先在选择好的岩面上清除浮石，平整好岩面，接着依次安装承压板、千斤顶、传力柱和变形量表等，施压使整个系统接触紧密；整个系统应具有足够的刚度和强度，所有部件中心应保持在同一轴线上轴线应与加压方向一致，试点受力方向宜与工程岩体实际受力方向一致。试验最大压力不宜小于工程设计压力的1.2倍，宜等分5级施加；加压前应对测表进行初始稳定读数观测，每隔10min同时测读各测表一次，连续三次读数不变后开始加压；加压方式宜采用逐级一次循环法，根据需要可采用大循环法或逐级多次循环法。采用何种加荷方式，可根据岩体结构和工程要求而定。

完整岩体可采用大循环加荷方式，以确定岩体在不同荷载下的变形特性；多裂隙岩体可采用多循环或单循环加荷方式，以了解各种结构面对岩体变形的影响。试验记录应包括：工程名称、岩石名称、试点编号、试点位置、试验方法、试点描述、测表布置、测表编号、压力表编号、承压板尺寸,压力变形、试验人员、试验日期。每级压力加压或退压后应立即读数。以后每隔10 min读数- -次，当所有测表相邻两次读数差与同级压力下第一次读数和前一级压力下最后一次读数差之比小于5%时，即可施加或退至下一级压力。卸压稳定标准与加用相同。2