岩体变形与破坏机制

围岩稳定性研究对象是岩体，因此，首先要对岩体的基本力学属性特点有正确的认识。早期的岩体力学把岩体视为一种材料，看成连续介质，应用材料力学理论研究的是岩体的力学性质。类似于其他工程材料，岩体力学性质研究主要是测量岩石块体的强度、变形性质参数等指标，忽略了岩体中赋存的节理裂隙等不连续面的作用。到20世纪60年代末70年代初，人们才开始认识到岩体的裂隙性，认识到岩体内存在着大量的各种尺度的裂隙，这些裂隙对岩体性质有极大影响。在此方面萨茨堡学派做了大量的研究工作，缪勒（L.Muller）等在《岩石力学》文集中提出了此方面的研究方向裂租、方法和基本课题。1974年，L.Broili对岩体的力学属性进行了归纳，主要观点是强调岩体的结构控制效应，如：他认为岩体结构对岩体力学性质的影响大于岩石材料，岩体的强度、变形和应力分布取决于岩体结构特征^[17]。谷德振教授在《岩体工程地质力学基础》中对岩体结构类型进行了划分，并总结了岩体结构特征。孙广忠教授在其专著《岩体力学基础》和《岩体结构力学》中系统地提出了岩体结构控制论的观点，认为岩体结构控制着岩体的变形机制、破坏机制和力学性质，提出了岩体结构力学的5个基本观点^[18,19]:

（1）岩体是经过变形、遭受过破坏、有一定的岩石成分组成、具有一定的结构和赋存于一定的地质环境中的地质体。岩体力学是研究环境应力改变时岩体再变形和再破坏的科学。

（2）岩体在结构面控制下形成自己独特的不连续结构。岩体结构控制岩体变形、破坏及其力学性质。岩体结构控制作用远远大于岩石材料的作用。

（3）“岩体结构控制论”是岩体力学基础理论，“岩体结构力学效应”是岩体力学的力学基础，岩体结构分析方法是岩体力学研究的基本方法。

（4）岩体赋存于一定的地质环境中。岩体赋存环境条件可改变岩体结构力学效应和岩体力学性能。

（5）在岩体结构、岩石及环境应力条件控制下，岩体具有多种力学介质和力学模型，岩体力学是由多种力学介质和多种力学模型构成的力学体系。

孙广忠将岩体结构类型划分为完整结构、碎裂结构、板裂结构、块裂结构和散体结构，板裂结构在许多文献陪改中称为层状结构。

岩体结构控制论分为两个层次，如下框图所示（孙广忠）。

基于岩体结构分析的煤巷锚杆支护技术

第一个层次是岩肆乱兆体结构对岩体变形、岩体破坏、岩体力学性质规律的控制作用，这是岩体力学的基本规律，也是研究地下工程围岩稳定性必须掌握的核心规律，是出发点；第二个层次是应用，是以岩体结构控制论研究岩体力学试验方法、进行岩体力学分析、指导岩体改造和岩体工程设计。

1.2.1.1　岩体变形

虎克定律可以描述处于弹性变形阶段的连续材料（介质）变形规律，而岩体内含有大量的结构面，岩体变形是岩体材料变形与岩体结构变形共同组成的，这与一般材料有着本质上的区别，因此虎克定律一般不适用于描述岩体的变形规律。孙广忠归纳出各种结构岩体变形构成如表1.1所示。

表1.1　各种结构岩体变形成分

岩体材料变形由岩石材料变形和坚硬结构面材料变形构成。岩石材料变形即是岩石块体（结构体）的变形，分为两种：一是弹性变形，可以用虎克定律来描述变形规律；二是黏性变形，可用黏性变形定律描述。坚硬结构面材料变形分为闭合变形和错动变形，在垂直结构面压力作用下形成闭合变形，在剪力作用下形成错动变形。

岩体结构变形是岩体变形的主要组成部分，是结构体位置的移动和行状的改变，是一种大变形，要用结构力学理论来研究。工程中常见的结构变形为4种：第一种是软弱结构面的滑移变形，它是在剪力作用下形成的；第二种是软弱夹层的挤出，在地下工程开挖中常遇到，施工人员称之为吐舌头，是软弱夹层在压力作用下的塑性流动现象；第三种是结构体的滚动，在剪力作用下，结构体产生转动，竖向变形首先表现为升起，然后再下降；第四种是层状结构体弯曲变形，是层状结构体在轴向力作用下形成的弯曲变形。

岩体变形包含材料变形和结构变形，但主要是结构变形，因此，在地下工程围岩变形分析中只计算材料变形是远远不够的。这正是一般的计算方法所得结果与实际变形差距很大的原因。

1.2.1.2　岩体破坏机制

孙广忠将岩体破坏定义为岩体结构改组、结构联结丧失，如碎裂结构岩体在环境应力改变时失去平衡，碎裂结构转变为散体结构，这是岩体结构的改组，再如完整结构岩体在应力作用下被压碎了，形成碎裂结构或者散体结构，原来的联结丧失了，这些都是岩体破坏。这个定义是岩体结构控制岩体破坏机制的具体诠释。对各类结构岩体的破坏机制归纳为表1.2所示。

表1.2　岩体破坏机制

由表1.2可见，完整结构岩体破坏机制分为两种，一种是张破裂，一种是剪破裂。如果岩石是坚硬脆性的，在拉应变作用下形成张破裂，破裂面与第一主应力方向一致。如果岩石比较软弱，在压应力作用下某斜截面的剪应力超过截面抗剪强度形成剪切破坏。碎裂结构岩体破坏机制较为复杂，结构体张破裂和结构体剪破坏属于材料破坏，其余4种破坏形式是结构破坏。表中列举的层状结构岩体3种破坏形式是结构破坏，倾倒破坏出现于顺层边坡中，在地下工程中常见的是溃屈破坏和弯折破坏。块裂结构岩体的破坏是结构体沿软弱结构面的滑动，滑落的结构体在衬砌上形成松动地压。在剪应力作用下，细碎屑散体结构岩体的破坏属于剪破坏，粗碎屑散体结构则以块体错动为主。