反應力應變巖石力學在工程中應用的簡明論述

劉國霖

（三峽大學 退休辦，湖北 宜昌 443002）

1 概 述

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.

2 反應力的屬性與組成

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.

3 反應力應變的巖石力學特性

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.

4 邊坡區(qū)反應力應變的態(tài)勢特性

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.

5 結 語

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.