本文關(guān)鍵詞：巖體工程地質(zhì)動力學(xué)基本原理，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

JournalofEngineeringGeol；巖體工程地質(zhì)動力學(xué)基本原理；伍法權(quán)；（中國科學(xué)院工程地質(zhì)力學(xué)重點實驗室摘；北京100029）；本文簡要介紹了巖體工程地質(zhì)動力學(xué)的基本原理；質(zhì)動力因素的作用規(guī)律，其主要研究內(nèi)容包括：巖體物；文章在動力作用觀的框架下，系統(tǒng)闡述了巖體的動力學(xué)；巖體；工程地質(zhì)動力學(xué)；原理；中圖分類號：P642；文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A；PRI

JournalofEngineeringGeology工程地質(zhì)學(xué)報1004－9665/2011/19（3）-0304-13

巖體工程地質(zhì)動力學(xué)基本原理

伍法權(quán)

（中國科學(xué)院工程地質(zhì)力學(xué)重點實驗室摘

要

北京100029）

*

本文簡要介紹了巖體工程地質(zhì)動力學(xué)的基本原理。文章認(rèn)為巖體工程地質(zhì)動力學(xué)的任務(wù)是揭示巖體與各類工程地

質(zhì)動力因素的作用規(guī)律，其主要研究內(nèi)容包括：巖體物質(zhì)和結(jié)構(gòu)的動力學(xué)成因與特性，巖體賦存的地殼動力學(xué)環(huán)境，巖體的動力學(xué)行為與過程，以及巖體工程防災(zāi)原理等。巖體工程地質(zhì)動力學(xué)的基本觀點包括：巖體及其特性是地球動力學(xué)作用結(jié)果的“動力成因觀”、“動力作用觀”，巖體的工程行為是巖體與動力學(xué)環(huán)境相互作用結(jié)果的以及工程地質(zhì)防災(zāi)的基本途徑是調(diào)節(jié)巖“過程調(diào)節(jié)觀”。體與環(huán)境的相互作用過程的

文章在動力作用觀的框架下，系統(tǒng)闡述了巖體的動力學(xué)成因與特性，巖體賦存的地殼動力學(xué)環(huán)境特征，巖體的基本力學(xué)行為，高地應(yīng)力環(huán)境巖體特性與力學(xué)行為，巖體動力學(xué)響應(yīng)，巖體中地下水的作用規(guī)律等。關(guān)鍵詞

巖體

工程地質(zhì)動力學(xué)

原理

中圖分類號：P642

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

PRINCIPLESOFENGINEERINGGEOLOGICALDYNAMICSOFROCKMASS

WUFaquan

（KeyLaboratoryofEngineeringGeomechanics，ChineseAcademyofSciences，Beijing100029）

AbstractThispaperintroducestheprinciplesofengineeringgeologicaldynamicsofrockmass（EGDR）．Itpoints

outthatthemissionofEGDRistorevealthelawofinteractionbetweenrockmassandgeo-dynamicfactors．EGDRbasicallystudiesthefollowingaspects：thedynamicoriginandfeaturesofthematerialandstructureofrockmass，thecrustal-dynamicalenvironmentofrockmass，thedynamicbehaviourandprocessofrockmass，andtheprincipleofgeohazardpreventionforrockengineering．ThebasicviewpointsofEGDRincludesthefollowingsubjects．（a）Thegeo-dynamicgenesiswhichmeansrockmassanditsgeologicalfeaturesaretheresultsofcrustaldynamicprocess．（b）Dynamicinteractionthatmeanstheengineeringbehaviourofrockmassisthereflectionoftheinterplaybetweenrockmassandthegeo-environment．（c）Thepointofprocessadjustmentthatinfersthebasicapproachforengineer-inggeohazardpreventionistoadjusttheinteractingprocessbetweenrockmassandthegeodynamicalenvironment．

Thefollowingaspectshavebeendescribedindetailsundertheframeworkofgeo-dynamics：（1）thedynamicgenesisandgeologicalfeaturesofrockmass，（2）thefeaturesofgeo-dynamicalenvironmentofrockmass，（3）thefun-damentalmechanicalbehaviourofrockmass，（4）thefeaturesandbehavioursofrockmassunderhighcrustalstress，（5）thedynamicreactionofrockmass，and（6）thereactionofgroundwaterinrockmass．Keywords

Rockmass，EngineeringGeologicalDynamics，Principles

*收稿日期：2011－01－09；收到修改稿日期：2011－04－10．

A）．基金項目：國家自然科學(xué)基金重點項目（41030749），鐵道部重大科技攻關(guān)項目（2009G005-作者簡介：伍法權(quán)，工程地質(zhì)專業(yè)．Email：wufaquan@mail．igcas．a(chǎn)c．cn

1引言

中國工程地質(zhì)學(xué)家，以地質(zhì)力學(xué)的理論為指導(dǎo)，深入研究了地質(zhì)體的成因、結(jié)構(gòu)，以及地質(zhì)結(jié)構(gòu)控制下的工程行為規(guī)律，發(fā)現(xiàn)巖體結(jié)構(gòu)是巖體的基本特征，提出了以巖體結(jié)構(gòu)的科學(xué)概念為基礎(chǔ)的“巖體工程地

［5］

質(zhì)力學(xué)”理論系統(tǒng)。通過對巖體結(jié)構(gòu)力學(xué)效應(yīng)的系統(tǒng)研究，提出了“巖體結(jié)構(gòu)控制論”的學(xué)術(shù)思

工程地質(zhì)學(xué)是研究與工程建設(shè)相關(guān)的地質(zhì)問題

我國工程的一門應(yīng)用基礎(chǔ)科學(xué)。半個多世紀(jì)以來，地質(zhì)工作者通過廣泛的工程實踐和理論研究，逐步

形成了我國工程地質(zhì)學(xué)的理論體系和“以工程地質(zhì)以工程地質(zhì)問題分析為核心，以工條件研究為基礎(chǔ)，

程地質(zhì)評價為目的，以工程地質(zhì)勘察為手段”的工作方法

［1］

想

［6］

，賦予巖體工程地質(zhì)力學(xué)新的內(nèi)涵。

巖體工程地質(zhì)力學(xué)認(rèn)為，，巖體工程地質(zhì)問題是

。巖體工程地質(zhì)學(xué)是工程地質(zhì)學(xué)的重要

組成部分。

目前公認(rèn)的巖體工程地質(zhì)學(xué)基本理論主要有成

因演化論和巖體工程地質(zhì)力學(xué)理論。1.1

巖體的工程地質(zhì)成因演化論

工程結(jié)構(gòu)與巖體相互作用引起的地質(zhì)問題，研究這種相互作用下巖體的力學(xué)行為，是巖體工程地質(zhì)力學(xué)的基本任務(wù)。因此，巖體工程地質(zhì)力學(xué)是以地質(zhì)學(xué)為基礎(chǔ)，以工程結(jié)構(gòu)與巖體相互作用為核心，以力學(xué)為手段的工程地質(zhì)科學(xué)。

巖體工程地質(zhì)力學(xué)的基本原理概括為：1．2．1巖體具有結(jié)構(gòu)性

巖體結(jié)構(gòu)性這一命題的提出是一場革命，它改變了傳統(tǒng)思維模式，使人們在巖體工程行為分析評價中，不能不首先考慮巖體結(jié)構(gòu)的作用。

巖體結(jié)構(gòu)是內(nèi)外動力地質(zhì)作用的產(chǎn)物。不同成因的巖體具有不同的結(jié)構(gòu)特征；不同結(jié)構(gòu)的巖體表現(xiàn)出不同的工程行為特征。為了研究這種由于結(jié)構(gòu)差異導(dǎo)致的工程行為差異性，谷德振提出了巖體結(jié)構(gòu)的分類系統(tǒng)，包括塊狀結(jié)構(gòu)、層狀結(jié)構(gòu)、破碎結(jié)構(gòu)和松散結(jié)構(gòu)。

巖體結(jié)構(gòu)具有級序性，表現(xiàn)為地質(zhì)結(jié)構(gòu)面的級序性和巖體的級序性。巖體工程地質(zhì)力學(xué)將地質(zhì)結(jié)構(gòu)面分為Ⅰ至V級，即深大斷裂、公里級的斷層等不連續(xù)面、百米級的小斷層等地質(zhì)結(jié)構(gòu)面、十米級的節(jié)理等結(jié)構(gòu)面，以及小節(jié)理、隱裂隙等。根據(jù)地質(zhì)成因和工程行為特征，將巖體劃分為地塊、山體、巖體、塊體和巖塊等5個級別。

對于特定的工程地質(zhì)問題而言，上一級別的巖體研究給出背景條件，本級別的研究給出問題的邊界，下一級別研究給出問題的參數(shù)。1.2．2巖體結(jié)構(gòu)控制巖體的工程行為

巖體結(jié)構(gòu)控制巖體工程行為是巖體工程地質(zhì)力

［6］

“巖體結(jié)構(gòu)控制論”。巖體結(jié)學(xué)最基本的觀點，即構(gòu)的控制作用主要表現(xiàn)在它對巖體工程性質(zhì)的控

制、對巖體變形破壞模式的控制、對巖體工程問題邊界條件的控制和對地質(zhì)環(huán)境作用規(guī)律的控制。巖體的工程性質(zhì)是結(jié)構(gòu)體和結(jié)構(gòu)面組合的整體行為表現(xiàn)，通常包括結(jié)構(gòu)性質(zhì)、變形性質(zhì)、強(qiáng)度性質(zhì)、水力學(xué)性質(zhì)和動力學(xué)性質(zhì)。巖體的工程性質(zhì)隨巖體

強(qiáng)度、滲透物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)類型不同而表現(xiàn)出變形、

工程地質(zhì)成因演化論的基本思想和理論框架起

源于前蘇聯(lián)。20世紀(jì)60年代，北京地質(zhì)學(xué)院整理國內(nèi)外工程地質(zhì)學(xué)研究成果，編寫了我國第一部

［2］

《工程地質(zhì)學(xué)》教材。此后我國工程地質(zhì)工作者出版了數(shù)百部專通過廣泛的工程實踐和理論研究，著，上萬篇研究論文，逐步形成了我國工程地質(zhì)學(xué)的理論體系。張倬元等編寫了《工程地質(zhì)分析原［3］理》，系統(tǒng)體現(xiàn)了巖體工程地質(zhì)成因演化論的思想。21世紀(jì)初，張咸恭等出版的《中國工程地質(zhì)［4］

學(xué)》和王思敬等主編的《中國工程地質(zhì)世紀(jì)成

［1］就》，進(jìn)一步闡釋了工程地質(zhì)成因演化論的理論

殷躍平、彭建兵等為發(fā)展工程地質(zhì)成系統(tǒng)。黃潤秋、

因演化論和區(qū)域地殼穩(wěn)定性理論做出了積極貢獻(xiàn)。巖體工程地質(zhì)成因演化論的基本思想是成

因決定論和演化改造論，其核心內(nèi)容包括：（1）巖體工程地質(zhì)條件的形成是地球內(nèi)外動力

并隨內(nèi)外動力地質(zhì)作用的演化而地質(zhì)作用的結(jié)果，

演變。

（2）內(nèi)外動力地質(zhì)的耦合作用控制著工程地質(zhì)條件和工程地質(zhì)問題。內(nèi)動力作用控制著外動力作用的格局和基礎(chǔ)條件，外動力作用改造著內(nèi)動力作用的結(jié)果。正是這種耦合作用，導(dǎo)致了工程地質(zhì)條也造成了多樣的工程地質(zhì)問題。件和環(huán)境的復(fù)雜性，1.2

巖體工程地質(zhì)力學(xué)與巖體結(jié)構(gòu)控制論

［1］

巖體工程地質(zhì)力學(xué)，是研究巖體的工程地質(zhì)力學(xué)行為的科學(xué)。它是在中國發(fā)展起來的巖體工程地質(zhì)學(xué)理論。

20世紀(jì)60年代開始，以谷德振為代表的一批

性及動力響應(yīng)的強(qiáng)弱差異，也使這些行為體現(xiàn)出程度不同的非均質(zhì)性、不連續(xù)性、各向異性。不同結(jié)構(gòu)的巖體表現(xiàn)出不同的變形破壞模式。

巖體結(jié)構(gòu)控制的核心是結(jié)構(gòu)力學(xué)效應(yīng)。巖體力學(xué)性質(zhì)的結(jié)構(gòu)效應(yīng)主要是結(jié)構(gòu)面力學(xué)效應(yīng)及結(jié)構(gòu)面組合的力學(xué)效應(yīng)。結(jié)構(gòu)面的力學(xué)效應(yīng)主要是不連續(xù)效應(yīng)、弱面效應(yīng)和爬坡角效應(yīng)；結(jié)構(gòu)面組合的力學(xué)

尺度效應(yīng)。效應(yīng)主要為各向異性效應(yīng)、1.2．3

巖體與工程結(jié)構(gòu)具有相互依存和相互作用關(guān)

巖體和工程結(jié)構(gòu)相互依存，又相互作用，構(gòu)成一。王思敬等［8］提出人類工程活動與地質(zhì)環(huán)

本節(jié)將在動力作用觀的框架下，分別討論巖體

的動力學(xué)成因與特性、巖體的地殼動力學(xué)環(huán)境、巖體高地應(yīng)力環(huán)境巖體特性與力學(xué)行的基本力學(xué)行為、為、巖體動力學(xué)響應(yīng)、巖體中地下水的作用等。2.1

巖體的地球動力學(xué)成因與地質(zhì)特性

巖體的地質(zhì)特性是工程地質(zhì)動力學(xué)行為的基礎(chǔ)。地質(zhì)學(xué)已經(jīng)告訴我們，巖體具有不同的地球動力學(xué)成因。不同成因的巖體具有不同的地質(zhì)特性，包括物質(zhì)組成與結(jié)構(gòu)特性。

巖體的地球動力學(xué)成因大致可以分為2類：即內(nèi)動力成因和內(nèi)動力主導(dǎo)下的內(nèi)外動力耦合作用成因。一般來說，內(nèi)動力作用具有較高的溫度和壓力，其所形成的巖體多由結(jié)晶礦物組成，相對致密，多為塊狀結(jié)構(gòu)或擠壓引起的礦物定向排列結(jié)構(gòu)。而內(nèi)外動力耦合作用下形成的巖體，如沉積巖，則多由物源區(qū)的原巖礦物及其風(fēng)化產(chǎn)物，或化學(xué)凝結(jié)物組成，碎屑巖微結(jié)構(gòu)隨成巖程度不同而致密程度存在差異。

在常應(yīng)力條件下，巖體結(jié)構(gòu)是巖體的重要特性。不同動力學(xué)成因的巖體，物質(zhì)組成和宏觀結(jié)構(gòu)不同，其工程地質(zhì)性質(zhì)和力學(xué)行為存在顯著的差別。例如巖漿巖與沉積巖的差別決不僅僅在于其物質(zhì)組成的

更在于其存在塊狀特性與層狀各向異性的差不同，異性。

巖體結(jié)構(gòu)差異和環(huán)境變化程度是影響巖體后期

因結(jié)構(gòu)改造的重要因素。不同動力學(xué)成因的巖體，狀態(tài)不同、成巖環(huán)境與后期環(huán)境溫度、壓力差別的大

小，其抵抗風(fēng)化等表生改造的能力會顯著不同。一般來說，巖體越破碎，越易受到后期改造；成巖期與后期溫壓環(huán)境差別越大，越易遭受后期改造。

幾類動力學(xué)成因的巖體及其地質(zhì)特性列于表1。2.2

巖體的地殼動力學(xué)環(huán)境與工程地質(zhì)意義

個統(tǒng)一體。孫廣忠將與地質(zhì)體相關(guān)的工程稱為地質(zhì)工程

［7］

境相互作用的思想，系統(tǒng)闡述了這種相互依存和相

互作用關(guān)系。

工程結(jié)構(gòu)要植根于巖體之上或布設(shè)于其中，對巖體的抗變形能力、強(qiáng)度、抗水害能力等工程行為特性有著很強(qiáng)的依賴性。同時，人們?yōu)榱吮ＷC工程的地質(zhì)安全，又要采取各種措施改善巖體的特性。另一方面，巖體自身的工程性質(zhì)既是工程結(jié)構(gòu)安全的

也會因為一些缺陷的存在導(dǎo)致工程災(zāi)害重要支撐，

為了保證工程安全，人們既要充分發(fā)的發(fā)生。因此，

揮巖體自身的積極潛力，也要采取一定的工程措施進(jìn)行加固，改良巖體性質(zhì)。

2巖體工程地質(zhì)動力學(xué)基本原理

巖體工程地質(zhì)動力學(xué)的基本任務(wù)是揭示巖體與各類工程地質(zhì)動力因素的作用規(guī)律。

巖體工程地質(zhì)動力學(xué)的主要研究內(nèi)容包括：巖體物質(zhì)和結(jié)構(gòu)的動力學(xué)成因與特性、巖體賦存的地殼動力學(xué)環(huán)境、巖體的動力學(xué)行為與過程，以及巖體工程防災(zāi)原理等。

巖體工程地質(zhì)動力學(xué)的研究思路是：以巖體的地質(zhì)特性和地球動力學(xué)環(huán)境為基礎(chǔ)，以巖體結(jié)構(gòu)動力學(xué)行為為核心，以動力學(xué)分析模擬為手段，以保證工程的地質(zhì)安全為目的。

巖體工程地質(zhì)動力學(xué)的基本觀點可以概括為：巖體及其工程地質(zhì)特性是地球動力學(xué)作用的產(chǎn)

“動力成因觀”；物，即所謂巖體的工程行為是巖體與動力學(xué)環(huán)境相互作用

的結(jié)果，這里的動力學(xué)環(huán)境指地殼動力學(xué)和工程擾“動力作用觀”；動環(huán)境，此即所謂

調(diào)節(jié)巖體與環(huán)境的相互作用過程，調(diào)動巖體潛在能力，是工程地質(zhì)防災(zāi)的基本途徑，即“過程調(diào)節(jié)。觀”

巖體賦存的地殼動力學(xué)環(huán)境是巖體地質(zhì)特性和

力學(xué)行為的重要控制因素。只有將巖體工程地質(zhì)問才能更深刻題放在特定的地殼動力學(xué)環(huán)境中考察，

地揭示其內(nèi)在規(guī)律。

巖體的地殼動力學(xué)環(huán)境主要指：構(gòu)造活動性、地震動力、地應(yīng)力特別是高地應(yīng)力環(huán)境；水循環(huán)與地下水滲流場、物理化學(xué)場等地下水環(huán)境；密度與重力、介質(zhì)力學(xué)性質(zhì)與波速、物性與電阻率、地磁學(xué)、地?zé)崤c地溫等地球物理場環(huán)境；氣候與凍融作用等熱

表1

Table1

成因類型巖漿巖

動力控制因素高溫、高壓以及深部構(gòu)造活動等地球內(nèi)動力作用

內(nèi)動力作用主導(dǎo)下的內(nèi)外動力耦合作用地球內(nèi)動力作用控制

高壓及構(gòu)造的高溫、

擠壓等

構(gòu)造活地球內(nèi)動力、

動方式外動力為主

內(nèi)動力作用主導(dǎo)下的內(nèi)外動力耦合作用

幾類巖體的動力學(xué)成因及其地質(zhì)特性

Dynamicalgenesisandgeologicalfeaturesoftypicalrockmasses

物質(zhì)組成

結(jié)構(gòu)特征塊狀

后期改造難易

力學(xué)性能

壓力及構(gòu)造與溫度、

破裂空間有關(guān)的原生礦物

化學(xué)原生礦物碎屑、

凝結(jié)物

與溫度、壓力有關(guān)的變質(zhì)礦物

兩盤原巖或壓碎巖原巖物質(zhì)的風(fēng)化變異產(chǎn)物原巖成分

與成巖溫、壓差別大，強(qiáng)度較高，抗變形能力較易受風(fēng)化強(qiáng)壓相近，風(fēng)與成巖溫、

化相對緩慢；溶蝕等

強(qiáng)度和抗變形能力與礦物及膠結(jié)物類型有關(guān)

沉積巖層狀、互層狀塊狀、片狀、蝕變軟弱帶

碎裂或礦物定向排列不同程度地保留原巖結(jié)構(gòu)

以原巖結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)松動

變質(zhì)巖

與成巖溫、壓差別大，塊狀強(qiáng)度與抗變形能力較易受風(fēng)化好；片巖和蝕變巖較弱破碎易風(fēng)化、溶蝕

強(qiáng)度和抗變形能力較弱隨風(fēng)化程度不同而對原巖

弱化程度不同

松動使風(fēng)化更容易

滲透性和力學(xué)性能弱化，

各向異性增強(qiáng)

斷層巖風(fēng)化巖松動巖

動力學(xué)環(huán)境等。

研究巖體地殼動力學(xué)環(huán)境的工程地質(zhì)意義在于：

（1）板塊相對運動的強(qiáng)大動力控制著區(qū)域地殼

巖體的成因與地質(zhì)特性、活動斷裂的性運動的模式、

質(zhì)與分布、地震穩(wěn)定性強(qiáng)弱與區(qū)域特征、地應(yīng)力的分

布與集中程度，以及大地形變的速率，而這些正是工程建設(shè)的內(nèi)動力地質(zhì)環(huán)境；

（2）地殼動力學(xué)過程主導(dǎo)的大地形變特征、地形地勢特征和區(qū)域氣候模式的變化等，與工程結(jié)構(gòu)和開挖擾動共同支配著地表動力改造過程，并決定著工程建設(shè)的地質(zhì)安全，這些正是工程建設(shè)面臨的外動力地質(zhì)環(huán)境。2.3

工程巖體的力學(xué)行為

受結(jié)構(gòu)面控制的不連續(xù)性質(zhì)分布影響的不均勻性、

和各向異性，還表現(xiàn)出受巖體結(jié)構(gòu)控制的力學(xué)效應(yīng)，如結(jié)構(gòu)面密度效應(yīng)、結(jié)構(gòu)面尺度效應(yīng)、結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀效應(yīng)、大泊松比效應(yīng)等。

按照統(tǒng)計巖體力學(xué)理論

［9］

，裂隙巖體的線彈性

應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系表述為如下張量形式

eij=（C0ijst+Ccijst）σst

eij、C0ijst和Ccijst分其中，σst為應(yīng)變張量和應(yīng)力張量，

別為巖石塊體和結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)引起的彈性柔度張量，反映巖體的易變形性能。由于巖體復(fù)雜的結(jié)構(gòu)特性，上述關(guān)系式較為復(fù)雜。為了便于分析問題起見，我們寫出受壓條件下含一組結(jié)構(gòu)面巖體的單軸應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系式如下

e11=

11+2ηλah2cos2θ（1－cos2θ）］珔σ11，E

變形和強(qiáng)度行為是巖體的基本力學(xué)行為。巖體在高應(yīng)力、常應(yīng)力和卸荷松動低壓力環(huán)境下的變形與強(qiáng)度行為具有顯著的差異性。揭示巖體在3類應(yīng)

是巖體工程力環(huán)境下的變形與強(qiáng)度行為序列特征，地質(zhì)動力學(xué)研究的基本內(nèi)容之一。

本節(jié)討論常應(yīng)力和卸荷低應(yīng)力環(huán)境下，巖體受

結(jié)構(gòu)控制的變形與強(qiáng)度行為特征，以及所表現(xiàn)出隨機(jī)性、不連續(xù)性、各向異性、尺寸效應(yīng)和最弱環(huán)節(jié)效應(yīng)。高地應(yīng)力下巖體的性態(tài)和力學(xué)行為將在2.4節(jié)中討論。

2.3.1巖體的變形行為2．3．1．1

巖體變形的結(jié)構(gòu)控制效應(yīng)在常應(yīng)力環(huán)境下，巖體的變形不僅表現(xiàn)出受介

16（1－ν2）

η=

π（2－ν）

E、式中，ν為巖塊的彈性模量與泊松比，a珔和θ1為一組結(jié)構(gòu)面平均半徑和結(jié)構(gòu)面法向與σ11的夾角，λh為結(jié)構(gòu)面上扣除抗和為該組結(jié)構(gòu)面的法向密度，

剪強(qiáng)度后的剩余剪應(yīng)力與總剪應(yīng)力之比，稱為剩余剪應(yīng)力比值系數(shù)。

根據(jù)上式可以導(dǎo)出巖體的彈性模量，即Em=

σ11E

=≤Ee111+2ηλah2cos2θ1（1－cos2θ1）珔由以上兩式可以看出，在常應(yīng)力環(huán)境下，只要有

結(jié)構(gòu)面存在，巖體抗變形能力就會降低；巖體變形性質(zhì)的弱化程度隨結(jié)構(gòu)面密度增大而增強(qiáng)，隨結(jié)構(gòu)面平均尺寸增大而增強(qiáng)；且與結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀直接相

關(guān)而表現(xiàn)出各向異性。這就是巖體變形性質(zhì)的結(jié)構(gòu)面密度效應(yīng)、結(jié)構(gòu)面尺度效應(yīng)和結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀效應(yīng)。同時我們還可以看出，結(jié)構(gòu)面上的剪應(yīng)力增加或抗剪強(qiáng)度的減小都會使剩余剪應(yīng)力增大，也將導(dǎo)致巖體的變形模量迅速減小。巖體裂隙水壓力作用也會導(dǎo)致巖體變形模量的降低，我們將在2.7節(jié)巖體地下水的作用中討論。

另一方面，我們還可以導(dǎo)出巖體的泊松比為2η222

ahcoscosλ珔θθ21e22v

=ν12=－νe11h2cos2θ1（1－cos2θ1）π+2ηλa珔

式中，θ2為結(jié)構(gòu)面法線與σ22的夾角。由于存在結(jié)

π+

2構(gòu)面法線與σ33的夾角θ3接近90°，即1－cosθ1=

1

cos2θ2+cos2θ3=cos2θ2的情形，且恒有1，因

ν

此巖體的泊松比可能大于巖塊的泊松比，而且計算

圖1Fig．1

錦屏一級水電站左岸深部裂縫分布DeepfissuresintheleftbankofJinpingⅠ

HydropowerStation

著增強(qiáng)，導(dǎo)致巖體力學(xué)性質(zhì)和滲透性能的強(qiáng)烈各向

異性。

對于人工開挖卸荷，我們將在2.4節(jié)高地應(yīng)力巖體工程性質(zhì)與力學(xué)行為部分討論。2.3.2

巖體的強(qiáng)度行為

巖體的強(qiáng)度是巖體抵抗環(huán)境應(yīng)力的能力。在常應(yīng)力環(huán)境下，巖體的強(qiáng)度行為是巖石強(qiáng)度與結(jié)構(gòu)面網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)度的協(xié)同行為。

2．3．2．1巖塊強(qiáng)度的尺寸效應(yīng)

通常所說的巖石單軸抗壓強(qiáng)度是指它能承受單軸壓縮荷載的試驗均值σc。但是，巖石強(qiáng)度的試驗

大致符合Weibull分布。這值具有很強(qiáng)的分散性，

個分布隱含了巖石的破壞受最低強(qiáng)度控制的規(guī)律。強(qiáng)度的合理取值方法應(yīng)該是選取強(qiáng)度分布密度曲線即眾數(shù)值σcm。巖石單軸抗壓強(qiáng)度峰值點處的值，的眾數(shù)和方差S為

σcm=σ0V

－1

21122－（1－，S∝σ0Vn

表明可能出現(xiàn)巖體泊松比大于0.5的現(xiàn)象。這就是

。它反映了結(jié)構(gòu)面的節(jié)理巖體的“大泊松比效應(yīng)”

滑移對巖體橫向變形的貢獻(xiàn)，實際上是巖體力學(xué)性

質(zhì)不連續(xù)性的表現(xiàn)。2．3．1．2

卸荷巖體力學(xué)特性

巖體的天然應(yīng)力場是自重應(yīng)力和來自地殼動力學(xué)原因的構(gòu)造應(yīng)力的復(fù)合應(yīng)力場。巖體在河谷切割或者人工開挖狀態(tài)下，會發(fā)生應(yīng)力場的卸荷，導(dǎo)致巖

由此引起巖體工程性質(zhì)的一系列變體的松弛變形，化。

地殼的區(qū)域性擠壓抬升和河谷下切的速率，是

地貌形態(tài)改變和地形起伏增大的動力學(xué)原因；而這種動力學(xué)背景和產(chǎn)物則是河谷岸坡巖體卸荷的直接

［10］

驅(qū)動力。筆者在中國西部高山峽谷地區(qū)的研究發(fā)現(xiàn)，河谷岸坡巖體的卸荷松動范圍受谷坡的高度、坡度和形態(tài)影響，表現(xiàn)出尺度效應(yīng)、坡度效應(yīng)和斜坡形態(tài)效應(yīng)，即岸坡越高、越陡，松動范圍越大，剖面上外凸形和內(nèi)凹形岸坡松動范圍大于直線形岸坡。同時還發(fā)現(xiàn)，巖體松動范圍顯著地受水平構(gòu)造應(yīng)力的影響而表現(xiàn)出構(gòu)造應(yīng)力增強(qiáng)效應(yīng)。

雅礱江錦屏一級水電站樞紐區(qū)岸坡中張開裂縫分布的水平深度達(dá)到350m以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出卸荷帶劃分的經(jīng)驗范圍，導(dǎo)致理解困難和近10a的爭論，被

“深部裂縫”（圖1）。命名為

由于河谷應(yīng)力卸荷的方向指向河谷，巖體中的卸荷張裂縫往往陡立，而其走向基本平行于斜坡。這種卸荷張開裂縫的定向性，不僅使斜坡巖體的力學(xué)性質(zhì)大為弱化，

也使巖體順河方向的滲透性能顯

2

n為式中，σ0為與巖塊單軸抗壓強(qiáng)度有關(guān)的參數(shù)，

V為試件體積。可見，分散性指標(biāo)，巖石的單軸抗壓強(qiáng)度存在隨尺度增大而減小的尺度效應(yīng)；而且隨著

試件尺寸的增大，方差減小，表明試驗取值的確定性試件尺寸越大，試驗結(jié)果就越具有增加。由此可見，

代表性和可靠性。這正是人們發(fā)展大尺寸試驗和巖體原位測試技術(shù)的基本依據(jù)。2．3．2．2

結(jié)構(gòu)面尺度的極值分布在常應(yīng)力條件下，巖體的強(qiáng)度行為主要受結(jié)構(gòu)

面力學(xué)效應(yīng)支配。但是，結(jié)構(gòu)面的破壞通常服從大尺寸優(yōu)先原理。

筆者已經(jīng)給出一組結(jié)構(gòu)面中最可能出現(xiàn)的最大

［9］

結(jié)構(gòu)面半徑am為

　

　

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