卸荷土體力學與卸荷巖土體力學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”新學科，并對“地層結構力學”的定義、研究對象和研究內容進行了分析，并綜合卸荷巖體力學和卸荷土體力學提出了“卸荷巖土體力學”新學科。

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

1 卸荷巖體力學的發展[1-9]

“卸荷巖體力學”的概念于1995年首次被提出[1]，經過十幾年的研究和實踐，卸荷巖體力學目前已得到了較好的發展，在巖體工程中發揮了重要的作用[2-9]。卸荷巖體力學是巖體力學研究的新領域，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，巖體卸荷力學性質及其工程應用的科學[8]。

巖體的加載與卸載是不同力學條件，兩者有本質的區別。巖體工程中的石方開挖從力學本質上看主要是卸荷。如基礎工程開挖為卸荷力學條件，只是在建筑物建成后，其力學條件才轉為加載；巖石邊坡工程，特別是深挖高邊坡石方開挖，地應力釋放量大，卸荷量級高，卸荷范圍寬，只是局部有應力集中現象，大面積大量卸荷是高邊坡主要力學現象，卸荷力學特征十分明顯；地下工程中二次應力場中切向應力加載，徑向應力為卸荷，視其地下工程的尺度、形態和應力場條件不同，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特征的差別不大。與此不同，在巖體中多各類節理，這些結構面在加載力學狀態下，仍有很好的力學特征。但是，卸荷條件下，在卸荷量很大的情況下，特別是在拉應力出現后，巖體中結構面的力學條件將發生本質的變化。這些結構面迅速劣化巖體質量，因此其力學參數急劇下降，其力學特征不再符合在加載條件下研究所得成果[3]。

目前在巖體的力學分析中，普遍應用現行加載巖體力學的理論和方法，不加區別地應用于處于加載的巖體工程中，也應用于卸荷條件下的巖體工程。許多工程實例表明，應用現有加載巖體力學的研究成果，與工程實際觀測資料有數量級的差距，并導致工程事故的發生。這主要是計算分析加載力學數學模型與工程實際的卸荷力學條件不相吻合所致。因此，應根據巖體工程中不同的應力動態、加載或卸荷的力學狀態，分別應用加載巖體力學或卸荷巖體力學[3]。

2 卸荷土體力學的提出及其基本理論框架

從前面卸荷巖體力學的發展可看出，完整的巖塊在加載和卸荷條件下的力學特征差別不大，而對包含巖塊和結構面的巖體來說就不一樣了，巖體在加載與卸載不同力學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構面（帶）組成的二元介質模型[10]。開挖土體的卸荷效應是很明顯的[11-12]，且這種卸荷效應比巖體更明顯。

其實，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。天然土體在經過漫長地作用后基本處于應力平衡狀態。由于開挖卸荷，在一定范圍內土體中發生應力重分布及變形，當開挖卸荷到一定程度，土體變形過大，就可能發生局部甚至整體失穩。不同類型的土體失穩，如基坑垮塌，邊坡失穩，其內在原因都是由于開挖卸荷導致土體內部應力重分布，局部發生剪切破壞，產生滑裂面等而導致的。

長期以來人們習慣于常規的加荷土力學的研究、試驗和設計方法，沒有考慮土體開挖卸荷的實際應力路徑，致使實際工程中經常出現一些土體工程的失穩事故，鑒于此，作者這里提出“卸荷土體力學”。

卸荷土體力學就是基于特有的研究理論和試驗方法，研究土體在卸荷條件下的受力、變形性狀，從而指導實際的土體工程，為土體工程服務的學科。

卸荷土體力學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。

卸荷土體力學的主要研究內容主要有：（1）卸荷土體的應力應變關系、力學參數研究；（2）卸荷土體的特有試驗方法研究；（3）卸荷土體的細觀力學、變形特性研究；（4）土性對卸荷土體力學特性的影響研究；（5）地層結構效應對卸荷土體力學、變形特性的影響研究。

3 “卸荷巖土體力學”的提出及其基本理論框架

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

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

參考文獻

[1]哈秋舲，劉國霖，張永興，李建林，陳洪凱．三峽工程永久船閘陡高邊坡關鍵技術研究專題研究報告[R]．中國三峽工程開發總公司，葛州壩水電工程學院，重慶建筑大學，1995

[2]哈秋舲．巖石邊坡工程與卸荷非線性巖石(體)力學．巖石力學與工程學報，1997，16（4）：386-391

[3]哈秋舲．加載巖體力學與卸荷巖體力學．巖土工程學報，1998，20（1）：114

[4]哈秋舲，李建林，張永興，劉國霖．節理巖體卸荷非線性巖體力學[M].北京:中國建筑工業出版社，1998.

[5]劉國霖．陡高邊坡節理巖體卸荷巖體力學的物理基礎．武漢水利電力大學學報，2000，22（3）：185-190

[6]哈秋舲．巖體工程與巖體力學仿真分析—各向異性開挖卸荷巖體力學研究．巖土工程學報，2001，23（6）：664-668

[7]劉國霖．節理巖體的卸荷巖體力學理論要點．三峽大學學報（自然科學版），2002，24（3）：193-197

[8]李建林．卸荷巖體力學[M].北京:中國水利水電出版社，2003.

[9]胡海浪，李建林，王小虎．卸荷巖體力學研究現狀及其發展．西北水電，2007，（2）：9-12

[10]沈珠江，鄧剛．超固結粘土的二元介質模型．巖土力學，2003，24（4）：495-499

[11]馬曉文，艾英缽．基坑開挖土體卸荷特性研究進展．巖土工程學報，2007，33（增1）：182-186

[12]于月娥，程小勇．卸荷對花崗巖殘積黏性土抗剪強度的影響分析．人民長江，2011，42（23）：72-75