劉國霖
(三峽大學 退休辦,湖北 宜昌 443002)
反應力應變巖石力學,是巖石力學中的新拓展范疇.在巖土工程實踐中,運用巖石力學對工程問題作針對性分析,以及對工程中長期系統(tǒng)的監(jiān)測信息所作分析甄別,并進行功能反演,理清與發(fā)現(xiàn)了匿動力,隨其在工程中應用與思想認識的不斷提高而建立的創(chuàng)新理念,對巖石力學作了新穎的重要擴展.反應力應變在自然界與巖土工程中廣泛存在,一般以微弱風化現(xiàn)象來對待而將其忽視.運用其影響,解決工程中特大地質災變形成機理的難題,可獲滿意工程解,當然仍須不斷補充、修正,使日臻完善.
巖體受力作用,會產(chǎn)生應變反應:受正應力作用,則產(chǎn)生壓縮性應變,受拉應力作用,則產(chǎn)生張應變.地表巖體在遭受寒氣籠罩發(fā)生降溫時,巖石會產(chǎn)生冷縮的物理性變化反應.巖石是熱的不良導體,散熱時會形成表里不同深度降溫的差異,形成不同的收縮力,以表部巖體收縮力最大,故造成向巖體表部的冷縮拉應力.這一反向力流,稱之為反應力(anti-stress),是巖土體中離子鍵發(fā)生滯彈性收縮反應,無外力作用,具暗能特性,是反向的匿動力.這一理念,來源于許多工程中的實際監(jiān)測成果,具草根性,能受巖土工程廣泛的實際問題所檢驗,也能為自然陡高邊坡區(qū)、較大地質災變的系列現(xiàn)象所佐證.
反應力因子,主要是巖土體在熵情變化中,因降溫形成向冷源收縮的拉應力,這是反應力形成機理之本.在邊坡區(qū),反應力與巖體重力,共同賦存于巖體的輳力場中,兩者的合力,形成仰或俯、但近水平、向坡外拉張的水平拉力,動力地質學稱此態(tài)勢為拉平勢場,是反應力作用的主要呈現(xiàn)形式.由于巖體存在成巖缺陷和構造損傷、有斷裂節(jié)理和軟弱層帶等不連續(xù)結構面,這些面不具抗拉特性,當巖體遭受拉應力作用時,就會在破裂結構面端部產(chǎn)生應力集中[1],當集中拉應力超過巖體離子鍵間引力強度時,則產(chǎn)生超彈性破裂,發(fā)生脆裂式的沖擊波,呈向最近自由界面、向地表沖頂?shù)姆聪驊Γ╮everse stress).這一反應力,從其形成機理可判明,是由溫差應力產(chǎn)生的,無其他促使發(fā)生的力源.反應力的發(fā)生與演繹,具漸進式累進破壞與高儲能特性,可導致特大地質災變.在重大地質災變中,派生的反應力表現(xiàn)為重要的主導作用,掩蓋了溫差拉應力這一主反應力因素的重要特性.
反應力是隨溫度變化在巖體內(nèi)發(fā)生溫差效應而不斷變化的值,其隨季節(jié)變遷、晝夜輪回、陰晴驟變而不斷變化著,顯現(xiàn)大、小,顯、隱,有、無的波動.邊坡巖體中的應力狀態(tài),從三維受壓的不等壓應力橢球體,到二維受壓、一維拉張的歪變應力橢球狀態(tài),一直處于動蕩的不斷變化中.在邊坡穩(wěn)定分析中,除作抗滑控制面以上巖土體重力勢場所形成的推剪分力外,已注意到地下水的動、靜水壓力,裂隙中充填膨脹性礦物的膨脹力,地震沖擊波力,溫度變化應力等所形成耦合推剪力,在計算公式中已涵蓋,有的進行了各自力流勢場計算后再疊加,考慮較全面.但溫度應力具正反兩重效應,對反應力的重要影響,尚注意研究不夠.大雨期地下水的活動變化,會引起巖體內(nèi)墑情劇變,導致巖體中不同部位的熵變,產(chǎn)生冷縮性反應力作用,形成疊加的復雜因素,增加了對巖體的迅速破壞,加大了邊坡失穩(wěn)的災變效應.顯然,對反應力作全面的調(diào)查研究、開拓與發(fā)展,是前沿性重要課題.
反應力應變巖石力學與正應力應變巖石力學,同屬統(tǒng)一的巖石力學范疇,在力學特性上有一定的相互關聯(lián),但無對應的一般規(guī)律性,兩者的力學參數(shù)具明顯特性上差異.在地球表層不等深度的一定范圍內(nèi),其斷裂節(jié)理及軟弱層帶等不連續(xù)結構面,在巖體經(jīng)受壓向擠壓力擠壓作用時,可使斷裂節(jié)理等張裂面,發(fā)生壓縮性的緊密貼接,作用力可穿過不連續(xù)面繼續(xù)傳遞,向自由界面作擴散性傳播,或受節(jié)理等不連續(xù)面展布特性影響而形成集中,壓應變達裂點后,具一定的塑變特性,卸載后仍有一定強度值,其具較高的彈性常數(shù)與剩余強度值.巖體受反向拉張力作用時,不連續(xù)結構面受拉擴張,不能傳遞拉力,破裂面范圍的抗拉強度為零.巖體的抗拉強度,由結構面以外的巖石部分,即結構面未貫通部分的巖橋所提供,其抗拉強度為等效的抗拉強度值.巖體的抗拉強度與其他力學參數(shù),無規(guī)律性關聯(lián).巖樣試驗成果如果浩散,就缺規(guī)律性的統(tǒng)計分析價值.巖樣的抗壓強度與抗拉強度之比,不是理論性的8∶1或12∶1,而是15∶1至50∶1,甚至更大,泛泛理論性數(shù)值求解,難獲有效的可利用成果,應進行反應力應變巖石力學的系統(tǒng)信息測試,并作針對性的實際觀測統(tǒng)計與分析研究.科學試驗,是依據(jù)實際情況,作人控因素下巖樣受力作用的研究,是所控條件下的科學反映.但人為控制的因素難于全面掌握并與實際情況完全一致,其成果會存在美中不足,與實際情況存有差異.自然跡象,是大自然所作的原形試驗,可從其展布跡象,確定其形成機理,作其相對應的時、空、態(tài)全因素影響下的功能原理反演,并用漸近迭代法,反求反應力應變巖石力學在其特定條件下的確切指標.據(jù)此,用以研究相應工程區(qū)的情況,預測其安全穩(wěn)定特性,充分利用已有堅固巖體的有利條件,進行保護性加固,并同時改善區(qū)內(nèi)生態(tài)條件,綠化環(huán)境,緩減自然條件的劣化進程,使工程技術處理措施,達到經(jīng)濟、高效與安全.
地殼表層巖體,處于三維應力狀態(tài),經(jīng)受巖土工程開掘卸載后,應力遭受影響并迅速調(diào)整,一般認為調(diào)整后的應力,處于重力場的固定靜態(tài)環(huán)境中.但實際狀態(tài),因巖體有熱脹冷縮的物理性變化,處于熱彈性應力應變的往復動態(tài)演變中,當其處于降溫冷縮時,則顯反應力特性.在室內(nèi)外的三軸試驗中,三維均為壓應力狀態(tài),其最大主應力(σ1)值,隨圍壓應力與圍壓系數(shù)的乘積增加而增加,達裂點后則產(chǎn)生脆斷破壞,此屬三維莫爾壓縮圓范圍.當σ1為負增加,在其減至小于最小圍壓(σ3)時,則σ1轉變?yōu)棣?,甚至此σ3為零時,其三維應力圓仍為壓縮圓范疇.當σ3繼續(xù)負增長變成拉應力時,則漸進入二維受壓一維受拉的拉伸圓狀態(tài),即與高邊坡自然條件相似,一般為三維受壓,但有時出現(xiàn)二維受壓一維拉張的歪變應力橢球體狀態(tài).在野外的實際情況是,邊坡區(qū)的拉伸力與巖體重力形成合力,以近水平向坡外拉張的拉應力出現(xiàn).此時邊坡區(qū)的應力狀態(tài):σ1為順坡向陡傾的壓應力;σ2為平行邊坡走向并近水平的壓應力;σ3為垂直邊坡走向、近水平的拉應力.當|σ3|>巖體等效抗拉強度σtop時,邊坡上部巖土體中,會產(chǎn)生平行邊坡走向的陡傾拉張縫,即邊坡滑動前,常在滑動體后緣出現(xiàn)長、寬、陡傾裂縫的異?,F(xiàn)象.這一跡象易在大暴雨的中后期出現(xiàn),成為邊坡上部的臨時儲水構造,促發(fā)滑坡與泥石流.邊坡上的巖體,存在隨機不連貫的破裂面,有較高的等效抗拉強度值,一般處于有一定安全度的暫穩(wěn)狀態(tài).當邊坡出現(xiàn)拉應力作用,處于拉伸圓狀態(tài)時,其最大應力差(σ1-σ3)達巖體抗裂強度(σF)時,即σ1-σ3=σF≈30~50MPa,巖體中不利結構面會產(chǎn)生張剪性破裂與擴展,形成邊坡區(qū)持續(xù)性的累進破壞與衰變.高邊坡區(qū)應力態(tài)勢的物理模型特征,具由壓到拉,不斷往復變化著的應力橢球體.當|-σ3|=σ1時,其三維莫爾圓的偏應力σd=0,八面體剪應力τ8=c.若|-σ3|繼續(xù)增加,則莫爾包絡線呈反時針方向的負斜率,偏應力σd亦為負,顯現(xiàn)了莫爾包絡線的虛數(shù)方程部分,反映了反作用力的影響與特點.當|-σ3|繼續(xù)增加,其負斜率呈陡峻增加,表明反應力作用的破裂為拉裂脆斷,由于受邊界條件與側壓力的制約,在拉張破裂過程中,又有側向的拉剪作用,可使邊坡保持一定的暫穩(wěn)狀態(tài),成為易被忽略的潛伏隱患.顯然,高邊坡區(qū)的態(tài)勢特征,具正反作用力的復雜演繹過程,對反應力的作用影響,也應像采用正應力作全面研究那樣,作簡淺有效性全面研究.用三維應力圓與莫爾包絡線研究相關問題,除正應力應變所獲實數(shù)方程外,還應重視反應力應變所展示的虛數(shù)方程部分.后者的物理模型,破壞形式,參數(shù)類別,判據(jù)標準等廣闊空間,尚無研究先例,亟需求索.
邊坡上巖體承受太陽輻射能,由于巖性、構造、地形、地貌、光照面的時序與長短、植被生態(tài)條件等的差異,又因寒暑變遷與晝夜、晴雨的變化,加之巖土體又是熱的不良導體,所以吸熱與放熱的往復具復雜多變情況,長期具等效一致性,而短期則有巨大差異的突變,甚至導致突發(fā)性災變,因此作多因素權值的分區(qū)分類,以供防災研究,具較強的迫切性.巖體受太陽輻射吸熱時,在同一法向平面上,各側均受同一熱能,無溫度差異,具同一膨脹力,僅在法向的不同深度存在溫差,形成上大下小的膨脹力,下部膨脹稍小巖體,就承受上部巖體膨脹力大出部分所形成的膨脹壓,具壓密特性;向上為自由面,呈現(xiàn)膨脹松弛態(tài)勢.巖體遭低溫籠罩時,冷鋒下侵,巖體則產(chǎn)生上大下小的冷縮,形成向上的冷縮拉應力,造成巖體下部節(jié)理的拉張與擴展.表部巖體若存在巖性差異與結構性變化,可能產(chǎn)生冷縮性差異,發(fā)生側向開裂.氣溫往復變遷,促使巖體力學特性不斷衰變劣化和向深部擴展.大型、高速、遠距離滑行的滑坡,滑前均有累進破壞的儲能過程,如聽到深部開裂的沉悶轟鳴,禽畜不安、鼠蛇遠遁等,灑洛山、瓦央、新灘、鹽池河礦等滑坡,均有這一發(fā)展過程的記載.這些滑坡滑后的滑體展布,無法用平衡理論概念按已有理論進行反演得出相似性,以反應力應變作反演求算,可獲較優(yōu)工程解,并可正確揭示其形成機理.
溫度變化所形成的長期影響,不但使巖石力學特性不斷劣化,也使巖體的水力學特性遭受衰變甚至迅速劣化.松散巖體遇冷則產(chǎn)生顆粒的冷縮性破裂.夜宿沙漠的人,常可聽到沙粒爆裂聲,就是這種情況的具體反映.這樣就增大了松散巖體的孔隙率,滲透性,水力梯度,動、靜水壓力等;對松散巖體中的塊狀體,使其所具隱微結構面顯現(xiàn)與擴展,增強了對水分子吸附性和水分子的鍥入作用,促使巖塊崩解,不斷向細粒化衰變.堅硬巖體,具質地致密,孔隙性小,透水微弱的特點,其透水性,主要由斷裂節(jié)理等破裂面所決定.堅硬巖體中單個破裂面的滲透系數(shù),與破裂面的凈寬平方成正比.經(jīng)嚴寒季節(jié)所引起的巖體收縮,1m寬的巖體,可產(chǎn)生數(shù)十微米的變化,使巖體中的單個破裂面,產(chǎn)生微米級的擴張,成為直徑小于飛米級水分子的滲流通道.滲水可造成巖體中地溫下降,形成破裂面區(qū)局部拉應力場;滲水的靜水水壓,加大了水的楔入作用.兩效應的疊加,促使破裂面擴張,并向下、向周邊成擴展性的連鎖發(fā)展.在大暴雨期,邊坡區(qū)因墑情變化而誘發(fā)熵變,產(chǎn)生較強匿動力,造成巖石力學與水力學的劣變,極易發(fā)生崩滑與泥石流的地質災變.但往往僅歸咎于地下水動、靜水壓的影響,對墑、熵情變化,墑熵相互影響,衍生匿動力的危害效應,未引起注意與預防措施,缺對墑熵情條件的保護意識,難達充分有效.在水利水電工程的庫壩區(qū),因墑變而引起工程的水文地質條件的劣變與處理,均有完整的長期監(jiān)測成果及補強處理的系統(tǒng)記載,在眾多工程實例的長期探索中,終于形成現(xiàn)在的理性認識.其中上猶江水電站大壩右岸繞滲處理實例最為典型,該電站1957年建成蓄水發(fā)電,經(jīng)過嚴冬發(fā)現(xiàn)右岸繞滲,經(jīng)長期多次采用多種水泥、化學灌漿,環(huán)氧封堵,每次竣工均見好的效果,但經(jīng)過寒冬,又發(fā)生滲漏,直到1998年,經(jīng)過兩次大壩全面安檢,經(jīng)時空態(tài)地全面檢查與分析對比,才建立了熵變對水文地質影響的認識,并由五強溪水電站的長期觀測成果獲佐證.五強溪壩基P3與P4滲壓觀測孔壓的升降波動,與寒暑波動相關,壩基后部微量滲水的波動,與尾水位升降和寒暑波動呈雙峰相關特性.據(jù)此理念,探討了梅山連拱壩右岸諸壩基深層巖體擾動,馬爾帕寨薄拱壩左岸潰決的形成機理,獲滿意工程解.
顯然,運用反應力應變巖石力學理念,研究西部高邊坡巖土工程問題以及水利水電工程建設問題,具實用性和前瞻性特點.
反應力應變的地質跡象,是自然條件下一種外營力作用的結果.反應力與重力共同賦存于物體的輳力場中,兩者的合力形成近水平的拉平勢場力.反應力為暗能,是匿動力,又具隱與顯的變化,易被重力概念所屏蔽;反應力應變中往復式大小變化與巖體累進破壞,呈脈沖式平緩演變,易被流變概念所替代.對反應力影響注意不夠,在工程問題研究中缺對所有因素的全面考慮,形成防治措施的過或不足.
自然與工程區(qū)域的巖體,在降溫環(huán)境中會產(chǎn)生冷縮,形成上大下小的冷縮拉應力,向上的冷縮拉力與巖體重力,形成向外的水平拉張力,此力導致節(jié)理破裂擴張,派生向外頂沖的波子力.由此往復演變造成累進破壞與能量積聚,可導致隱蔽、突發(fā)性、遠距性較大滑坡、泥石流的災難性災變的“成災模式”[2].反應力應變的物理模型,為側壓限制拉伸型,呈拉裂抗切或拉裂側向抗剪破壞,屬脆斷性,會突發(fā)性釋放能量.當累進破壞達較大規(guī)模,可發(fā)生較大能量的破裂能釋放,形成巨大的拋擲式的遠距滑坡.
熵變引起巖體力學的累進衰變,也引起巖體的墑變與水力學特性的衰變.而巖體中的墑變,又促使巖體中熵情快速改變.熵墑相互往復影響,促使巖體的巖石力學與水文地質力學的不斷衰變劣化.山體表層,似為寧靜的固定態(tài)勢,實際受自身暗能影響形成往復波動的匿動力作用,處于緩慢的累進破壞狀態(tài).如遇環(huán)境急劇變化,則產(chǎn)生劇烈作用而導致劣變.因此,在西部大開發(fā)中,進行反應力應變的巖石力學與水文地質力學研究,具迫切性與緊迫性要求.
[1] 席道瑛,黃建華.巖石在單軸壓縮下發(fā)射的特征[A].中國巖石力學與工程學會,巖石動力學專業(yè)委員會.第三屆全國巖石動力學學術會議“論文選集”[C].武漢:武漢測繪科技大學出版社,1992:110-115.
[2] 呂宗恕,唐 靖.中國還有多少個“舟曲”在潛伏?[J].讀報參考,2010(25):20-21.