卸荷土體力學(xué)與卸荷巖土體力學(xué)的提出及其基本理論框架

蔣建平

摘要：本文提出了“卸荷土體力學(xué)”新學(xué)科，并對“地層結(jié)構(gòu)力學(xué)”的定義、研究對象和研究內(nèi)容進(jìn)行了分析，并綜合卸荷巖體力學(xué)和卸荷土體力學(xué)提出了“卸荷巖土體力學(xué)”新學(xué)科。

中圖分類號:TU42文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1672-3791(2012)03(a)-0000-00

1 卸荷巖體力學(xué)的發(fā)展[1-9]

“卸荷巖體力學(xué)”的概念于1995年首次被提出[1]，經(jīng)過十幾年的研究和實(shí)踐，卸荷巖體力學(xué)目前已得到了較好的發(fā)展，在巖體工程中發(fā)揮了重要的作用[2-9]。卸荷巖體力學(xué)是巖體力學(xué)研究的新領(lǐng)域，它是自然界及巖體工程中卸荷巖體在力及其他因素作用下，巖體卸荷力學(xué)性質(zhì)及其工程應(yīng)用的科學(xué)[8]。

巖體的加載與卸載是不同力學(xué)條件，兩者有本質(zhì)的區(qū)別。巖體工程中的石方開挖從力學(xué)本質(zhì)上看主要是卸荷。如基礎(chǔ)工程開挖為卸荷力學(xué)條件，只是在建筑物建成后，其力學(xué)條件才轉(zhuǎn)為加載；巖石邊坡工程，特別是深挖高邊坡石方開挖，地應(yīng)力釋放量大，卸荷量級高，卸荷范圍寬，只是局部有應(yīng)力集中現(xiàn)象，大面積大量卸荷是高邊坡主要力學(xué)現(xiàn)象，卸荷力學(xué)特征十分明顯；地下工程中二次應(yīng)力場中切向應(yīng)力加載，徑向應(yīng)力為卸荷，視其地下工程的尺度、形態(tài)和應(yīng)力場條件不同，加載和卸荷的范圍不一[3]。

巖石本身在加載和在卸荷條件下力學(xué)特征的差別不大。與此不同，在巖體中多各類節(jié)理，這些結(jié)構(gòu)面在加載力學(xué)狀態(tài)下，仍有很好的力學(xué)特征。但是，卸荷條件下，在卸荷量很大的情況下，特別是在拉應(yīng)力出現(xiàn)后，巖體中結(jié)構(gòu)面的力學(xué)條件將發(fā)生本質(zhì)的變化。這些結(jié)構(gòu)面迅速劣化巖體質(zhì)量，因此其力學(xué)參數(shù)急劇下降，其力學(xué)特征不再符合在加載條件下研究所得成果[3]。

目前在巖體的力學(xué)分析中，普遍應(yīng)用現(xiàn)行加載巖體力學(xué)的理論和方法，不加區(qū)別地應(yīng)用于處于加載的巖體工程中，也應(yīng)用于卸荷條件下的巖體工程。許多工程實(shí)例表明，應(yīng)用現(xiàn)有加載巖體力學(xué)的研究成果，與工程實(shí)際觀測資料有數(shù)量級的差距，并導(dǎo)致工程事故的發(fā)生。這主要是計(jì)算分析加載力學(xué)數(shù)學(xué)模型與工程實(shí)際的卸荷力學(xué)條件不相吻合所致。因此，應(yīng)根據(jù)巖體工程中不同的應(yīng)力動(dòng)態(tài)、加載或卸荷的力學(xué)狀態(tài)，分別應(yīng)用加載巖體力學(xué)或卸荷巖體力學(xué)[3]。

2 卸荷土體力學(xué)的提出及其基本理論框架

從前面卸荷巖體力學(xué)的發(fā)展可看出，完整的巖塊在加載和卸荷條件下的力學(xué)特征差別不大，而對包含巖塊和結(jié)構(gòu)面的巖體來說就不一樣了，巖體在加載與卸載不同力學(xué)條件下的性狀有很大的差別。所以，巖體越破碎，開挖巖體的卸荷效應(yīng)就越明顯。

而土體是典型的散粒體，也可看成是由土顆粒和結(jié)構(gòu)面（帶）組成的二元介質(zhì)模型[10]。開挖土體的卸荷效應(yīng)是很明顯的[11-12]，且這種卸荷效應(yīng)比巖體更明顯。

其實(shí)，卸荷作用下土體的變形在巖土工程中是普遍存在的，比如基坑工程中由于開挖引起的坑底隆起，土體地基超載卸荷后的回彈。天然土體在經(jīng)過漫長地作用后基本處于應(yīng)力平衡狀態(tài)。由于開挖卸荷，在一定范圍內(nèi)土體中發(fā)生應(yīng)力重分布及變形，當(dāng)開挖卸荷到一定程度，土體變形過大，就可能發(fā)生局部甚至整體失穩(wěn)。不同類型的土體失穩(wěn)，如基坑垮塌，邊坡失穩(wěn)，其內(nèi)在原因都是由于開挖卸荷導(dǎo)致土體內(nèi)部應(yīng)力重分布，局部發(fā)生剪切破壞，產(chǎn)生滑裂面等而導(dǎo)致的。

長期以來人們習(xí)慣于常規(guī)的加荷土力學(xué)的研究、試驗(yàn)和設(shè)計(jì)方法，沒有考慮土體開挖卸荷的實(shí)際應(yīng)力路徑，致使實(shí)際工程中經(jīng)常出現(xiàn)一些土體工程的失穩(wěn)事故，鑒于此，作者這里提出“卸荷土體力學(xué)”。

卸荷土體力學(xué)就是基于特有的研究理論和試驗(yàn)方法，研究土體在卸荷條件下的受力、變形性狀，從而指導(dǎo)實(shí)際的土體工程，為土體工程服務(wù)的學(xué)科。

卸荷土體力學(xué)的研究對象是就是在土體中有卸荷行為的一切土體工程，如在土體中進(jìn)行的基坑開挖工程、邊坡開挖工程、堆載卸去的土體地基處理工程，等等。

卸荷土體力學(xué)的主要研究內(nèi)容主要有：（1）卸荷土體的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系、力學(xué)參數(shù)研究；（2）卸荷土體的特有試驗(yàn)方法研究；（3）卸荷土體的細(xì)觀力學(xué)、變形特性研究；（4）土性對卸荷土體力學(xué)特性的影響研究；（5）地層結(jié)構(gòu)效應(yīng)對卸荷土體力學(xué)、變形特性的影響研究。

3 “卸荷巖土體力學(xué)”的提出及其基本理論框架

綜合上述的卸荷巖體力學(xué)、卸荷土體力學(xué)，作者這里提出“卸荷巖土體力學(xué)”。 “卸荷巖土體力學(xué)”的基本理論框架就是卸荷巖體力學(xué)、卸荷土體力學(xué)理論框架的綜合。

實(shí)際的同一巖土工程中，往往既有巖體，又有土體，巖體、土體往往同時(shí)會存在卸荷行為，此時(shí)，可用卸荷巖土體力學(xué)的有關(guān)理論和方法來分析卸荷巖土體的受力和變形特性。

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