反应力应变岩石力学在工程中应用的简明论述

刘国霖

（三峡大学 退休办，湖北 宜昌 443002）

1 概 述

反应力应变岩石力学，是岩石力学中的新拓展范畴.在岩土工程实践中，运用岩石力学对工程问题作针对性分析，以及对工程中长期系统的监测信息所作分析甄别，并进行功能反演，理清与发现了匿动力，随其在工程中应用与思想认识的不断提高而建立的创新理念，对岩石力学作了新颖的重要扩展.反应力应变在自然界与岩土工程中广泛存在，一般以微弱风化现象来对待而将其忽视.运用其影响，解决工程中特大地质灾变形成机理的难题，可获满意工程解，当然仍须不断补充、修正，使日臻完善.

2 反应力的属性与组成

岩体受力作用，会产生应变反应：受正应力作用，则产生压缩性应变，受拉应力作用，则产生张应变.地表岩体在遭受寒气笼罩发生降温时，岩石会产生冷缩的物理性变化反应.岩石是热的不良导体，散热时会形成表里不同深度降温的差异，形成不同的收缩力，以表部岩体收缩力最大，故造成向岩体表部的冷缩拉应力.这一反向力流，称之为反应力（anti－stress），是岩土体中离子键发生滞弹性收缩反应，无外力作用，具暗能特性，是反向的匿动力.这一理念，来源于许多工程中的实际监测成果，具草根性，能受岩土工程广泛的实际问题所检验，也能为自然陡高边坡区、较大地质灾变的系列现象所佐证.

反应力因子，主要是岩土体在熵情变化中，因降温形成向冷源收缩的拉应力，这是反应力形成机理之本.在边坡区，反应力与岩体重力，共同赋存于岩体的辏力场中，两者的合力，形成仰或俯、但近水平、向坡外拉张的水平拉力，动力地质学称此态势为拉平势场，是反应力作用的主要呈现形式.由于岩体存在成岩缺陷和构造损伤、有断裂节理和软弱层带等不连续结构面，这些面不具抗拉特性，当岩体遭受拉应力作用时，就会在破裂结构面端部产生应力集中［1］，当集中拉应力超过岩体离子键间引力强度时，则产生超弹性破裂，发生脆裂式的冲击波，呈向最近自由界面、向地表冲顶的反向应力（reverse stress）.这一反应力，从其形成机理可判明，是由温差应力产生的，无其他促使发生的力源.反应力的发生与演绎，具渐进式累进破坏与高储能特性，可导致特大地质灾变.在重大地质灾变中，派生的反应力表现为重要的主导作用，掩盖了温差拉应力这一主反应力因素的重要特性.

反应力是随温度变化在岩体内发生温差效应而不断变化的值，其随季节变迁、昼夜轮回、阴晴骤变而不断变化着，显现大、小，显、隐，有、无的波动.边坡岩体中的应力状态，从三维受压的不等压应力椭球体，到二维受压、一维拉张的歪变应力椭球状态，一直处于动荡的不断变化中.在边坡稳定分析中，除作抗滑控制面以上岩土体重力势场所形成的推剪分力外，已注意到地下水的动、静水压力，裂隙中充填膨胀性矿物的膨胀力，地震冲击波力，温度变化应力等所形成耦合推剪力，在计算公式中已涵盖，有的进行了各自力流势场计算后再叠加，考虑较全面.但温度应力具正反两重效应，对反应力的重要影响，尚注意研究不够.大雨期地下水的活动变化，会引起岩体内墒情剧变，导致岩体中不同部位的熵变，产生冷缩性反应力作用，形成叠加的复杂因素，增加了对岩体的迅速破坏，加大了边坡失稳的灾变效应.显然，对反应力作全面的调查研究、开拓与发展，是前沿性重要课题.

3 反应力应变的岩石力学特性

反应力应变岩石力学与正应力应变岩石力学，同属统一的岩石力学范畴，在力学特性上有一定的相互关联，但无对应的一般规律性，两者的力学参数具明显特性上差异.在地球表层不等深度的一定范围内，其断裂节理及软弱层带等不连续结构面，在岩体经受压向挤压力挤压作用时，可使断裂节理等张裂面，发生压缩性的紧密贴接，作用力可穿过不连续面继续传递，向自由界面作扩散性传播，或受节理等不连续面展布特性影响而形成集中，压应变达裂点后，具一定的塑变特性，卸载后仍有一定强度值，其具较高的弹性常数与剩余强度值.岩体受反向拉张力作用时，不连续结构面受拉扩张，不能传递拉力，破裂面范围的抗拉强度为零.岩体的抗拉强度，由结构面以外的岩石部分，即结构面未贯通部分的岩桥所提供，其抗拉强度为等效的抗拉强度值.岩体的抗拉强度与其他力学参数，无规律性关联.岩样试验成果如果浩散，就缺规律性的统计分析价值.岩样的抗压强度与抗拉强度之比，不是理论性的8∶1或12∶1，而是15∶1至50∶1，甚至更大，泛泛理论性数值求解，难获有效的可利用成果，应进行反应力应变岩石力学的系统信息测试，并作针对性的实际观测统计与分析研究.科学试验，是依据实际情况，作人控因素下岩样受力作用的研究，是所控条件下的科学反映.但人为控制的因素难于全面掌握并与实际情况完全一致，其成果会存在美中不足，与实际情况存有差异.自然迹象，是大自然所作的原形试验，可从其展布迹象，确定其形成机理，作其相对应的时、空、态全因素影响下的功能原理反演，并用渐近迭代法，反求反应力应变岩石力学在其特定条件下的确切指标.据此，用以研究相应工程区的情况，预测其安全稳定特性，充分利用已有坚固岩体的有利条件，进行保护性加固，并同时改善区内生态条件，绿化环境，缓减自然条件的劣化进程，使工程技术处理措施，达到经济、高效与安全.

4 边坡区反应力应变的态势特性

地壳表层岩体，处于三维应力状态，经受岩土工程开掘卸载后，应力遭受影响并迅速调整，一般认为调整后的应力，处于重力场的固定静态环境中.但实际状态，因岩体有热胀冷缩的物理性变化，处于热弹性应力应变的往复动态演变中，当其处于降温冷缩时，则显反应力特性.在室内外的三轴试验中，三维均为压应力状态，其最大主应力（σ1）值，随围压应力与围压系数的乘积增加而增加，达裂点后则产生脆断破坏，此属三维莫尔压缩圆范围.当σ1为负增加，在其减至小于最小围压（σ3）时，则σ1转变为σ3，甚至此σ3为零时，其三维应力圆仍为压缩圆范畴.当σ3继续负增长变成拉应力时，则渐进入二维受压一维受拉的拉伸圆状态，即与高边坡自然条件相似，一般为三维受压，但有时出现二维受压一维拉张的歪变应力椭球体状态.在野外的实际情况是，边坡区的拉伸力与岩体重力形成合力，以近水平向坡外拉张的拉应力出现.此时边坡区的应力状态：σ1为顺坡向陡倾的压应力；σ2为平行边坡走向并近水平的压应力；σ3为垂直边坡走向、近水平的拉应力.当｜σ3｜＞岩体等效抗拉强度σtop时，边坡上部岩土体中，会产生平行边坡走向的陡倾拉张缝，即边坡滑动前，常在滑动体后缘出现长、宽、陡倾裂缝的异常现象.这一迹象易在大暴雨的中后期出现，成为边坡上部的临时储水构造，促发滑坡与泥石流.边坡上的岩体，存在随机不连贯的破裂面，有较高的等效抗拉强度值，一般处于有一定安全度的暂稳状态.当边坡出现拉应力作用，处于拉伸圆状态时，其最大应力差（σ1－σ3）达岩体抗裂强度（σF）时，即σ1－σ3＝σF≈30～50MPa，岩体中不利结构面会产生张剪性破裂与扩展，形成边坡区持续性的累进破坏与衰变.高边坡区应力态势的物理模型特征，具由压到拉，不断往复变化着的应力椭球体.当｜－σ3｜＝σ1时，其三维莫尔圆的偏应力σd＝0，八面体剪应力τ8＝c.若｜－σ3｜继续增加，则莫尔包络线呈反时针方向的负斜率，偏应力σd亦为负，显现了莫尔包络线的虚数方程部分，反映了反作用力的影响与特点.当｜－σ3｜继续增加，其负斜率呈陡峻增加，表明反应力作用的破裂为拉裂脆断，由于受边界条件与侧压力的制约，在拉张破裂过程中，又有侧向的拉剪作用，可使边坡保持一定的暂稳状态，成为易被忽略的潜伏隐患.显然，高边坡区的态势特征，具正反作用力的复杂演绎过程，对反应力的作用影响，也应像采用正应力作全面研究那样，作简浅有效性全面研究.用三维应力圆与莫尔包络线研究相关问题，除正应力应变所获实数方程外，还应重视反应力应变所展示的虚数方程部分.后者的物理模型，破坏形式，参数类别，判据标准等广阔空间，尚无研究先例，亟需求索.

边坡上岩体承受太阳辐射能，由于岩性、构造、地形、地貌、光照面的时序与长短、植被生态条件等的差异，又因寒暑变迁与昼夜、晴雨的变化，加之岩土体又是热的不良导体，所以吸热与放热的往复具复杂多变情况，长期具等效一致性，而短期则有巨大差异的突变，甚至导致突发性灾变，因此作多因素权值的分区分类，以供防灾研究，具较强的迫切性.岩体受太阳辐射吸热时，在同一法向平面上，各侧均受同一热能，无温度差异，具同一膨胀力，仅在法向的不同深度存在温差，形成上大下小的膨胀力，下部膨胀稍小岩体，就承受上部岩体膨胀力大出部分所形成的膨胀压，具压密特性；向上为自由面，呈现膨胀松弛态势.岩体遭低温笼罩时，冷锋下侵，岩体则产生上大下小的冷缩，形成向上的冷缩拉应力，造成岩体下部节理的拉张与扩展.表部岩体若存在岩性差异与结构性变化，可能产生冷缩性差异，发生侧向开裂.气温往复变迁，促使岩体力学特性不断衰变劣化和向深部扩展.大型、高速、远距离滑行的滑坡，滑前均有累进破坏的储能过程，如听到深部开裂的沉闷轰鸣，禽畜不安、鼠蛇远遁等，洒洛山、瓦央、新滩、盐池河矿等滑坡，均有这一发展过程的记载.这些滑坡滑后的滑体展布，无法用平衡理论概念按已有理论进行反演得出相似性，以反应力应变作反演求算，可获较优工程解，并可正确揭示其形成机理.

温度变化所形成的长期影响，不但使岩石力学特性不断劣化，也使岩体的水力学特性遭受衰变甚至迅速劣化.松散岩体遇冷则产生颗粒的冷缩性破裂.夜宿沙漠的人，常可听到沙粒爆裂声，就是这种情况的具体反映.这样就增大了松散岩体的孔隙率，渗透性，水力梯度，动、静水压力等；对松散岩体中的块状体，使其所具隐微结构面显现与扩展，增强了对水分子吸附性和水分子的锲入作用，促使岩块崩解，不断向细粒化衰变.坚硬岩体，具质地致密，孔隙性小，透水微弱的特点，其透水性，主要由断裂节理等破裂面所决定.坚硬岩体中单个破裂面的渗透系数，与破裂面的净宽平方成正比.经严寒季节所引起的岩体收缩，1m宽的岩体，可产生数十微米的变化，使岩体中的单个破裂面，产生微米级的扩张，成为直径小于飞米级水分子的渗流通道.渗水可造成岩体中地温下降，形成破裂面区局部拉应力场；渗水的静水水压，加大了水的楔入作用.两效应的叠加，促使破裂面扩张，并向下、向周边成扩展性的连锁发展.在大暴雨期，边坡区因墒情变化而诱发熵变，产生较强匿动力，造成岩石力学与水力学的劣变，极易发生崩滑与泥石流的地质灾变.但往往仅归咎于地下水动、静水压的影响，对墒、熵情变化，墒熵相互影响，衍生匿动力的危害效应，未引起注意与预防措施，缺对墒熵情条件的保护意识，难达充分有效.在水利水电工程的库坝区，因墒变而引起工程的水文地质条件的劣变与处理，均有完整的长期监测成果及补强处理的系统记载，在众多工程实例的长期探索中，终于形成现在的理性认识.其中上犹江水电站大坝右岸绕渗处理实例最为典型，该电站1957年建成蓄水发电，经过严冬发现右岸绕渗，经长期多次采用多种水泥、化学灌浆，环氧封堵，每次竣工均见好的效果，但经过寒冬，又发生渗漏，直到1998年，经过两次大坝全面安检，经时空态地全面检查与分析对比，才建立了熵变对水文地质影响的认识，并由五强溪水电站的长期观测成果获佐证.五强溪坝基P3与P4渗压观测孔压的升降波动，与寒暑波动相关，坝基后部微量渗水的波动，与尾水位升降和寒暑波动呈双峰相关特性.据此理念，探讨了梅山连拱坝右岸诸坝基深层岩体扰动，马尔帕寨薄拱坝左岸溃决的形成机理，获满意工程解.

显然，运用反应力应变岩石力学理念，研究西部高边坡岩土工程问题以及水利水电工程建设问题，具实用性和前瞻性特点.

5 结 语

反应力应变的地质迹象，是自然条件下一种外营力作用的结果.反应力与重力共同赋存于物体的辏力场中，两者的合力形成近水平的拉平势场力.反应力为暗能，是匿动力，又具隐与显的变化，易被重力概念所屏蔽；反应力应变中往复式大小变化与岩体累进破坏，呈脉冲式平缓演变，易被流变概念所替代.对反应力影响注意不够，在工程问题研究中缺对所有因素的全面考虑，形成防治措施的过或不足.

自然与工程区域的岩体，在降温环境中会产生冷缩，形成上大下小的冷缩拉应力，向上的冷缩拉力与岩体重力，形成向外的水平拉张力，此力导致节理破裂扩张，派生向外顶冲的波子力.由此往复演变造成累进破坏与能量积聚，可导致隐蔽、突发性、远距性较大滑坡、泥石流的灾难性灾变的“成灾模式”［2］.反应力应变的物理模型，为侧压限制拉伸型，呈拉裂抗切或拉裂侧向抗剪破坏，属脆断性，会突发性释放能量.当累进破坏达较大规模，可发生较大能量的破裂能释放，形成巨大的抛掷式的远距滑坡.

熵变引起岩体力学的累进衰变，也引起岩体的墒变与水力学特性的衰变.而岩体中的墒变，又促使岩体中熵情快速改变.熵墒相互往复影响，促使岩体的岩石力学与水文地质力学的不断衰变劣化.山体表层，似为宁静的固定态势，实际受自身暗能影响形成往复波动的匿动力作用，处于缓慢的累进破坏状态.如遇环境急剧变化，则产生剧烈作用而导致劣变.因此，在西部大开发中，进行反应力应变的岩石力学与水文地质力学研究，具迫切性与紧迫性要求.

［1］ 席道瑛，黄建华.岩石在单轴压缩下发射的特征［A］.中国岩石力学与工程学会，岩石动力学专业委员会.第三届全国岩石动力学学术会议“论文选集”［C］.武汉：武汉测绘科技大学出版社，1992：110－115.

［2］ 吕宗恕，唐 靖.中国还有多少个“舟曲”在潜伏？［J］.读报参考，2010（25）：20－21.