卸荷岩体力学试验研究进展与展望

李建林 黄天柱 张恒宾 邓华锋

（1.三峡库区地质灾害教育部重点实验室,湖北 宜昌 443002；2.三峡大学 土木与建筑学院,湖北 宜昌 443002）

在工程建设中,常常会遇到大量的复杂岩体工程,比如高陡边坡、地下洞室、坝基等,这些岩体工程往往具有尺度大、地应力高、赋存地质环境复杂、工程防护要求严等特点,而且,这些工程往往涉及大体量的开挖,开挖导致工程岩体大范围卸荷,进而产生较大的变形,直接影响到岩体工程的稳定和安全.传统的岩体力学研究是基于岩石在加载条件基础之上,借助于弹塑性力学理论和方法来进行的,较多分析结果与工程实际有较大的差异.如金川边坡、链子崖危岩体等工程岩体采用常规岩石力学理论与方法计算得到的变形与实测变形差别较大,甚至存在数量级的差异.为此,哈秋舲[1]、李建林[2]等从1986年开始,针对三峡工程永久船闸高边坡岩体开挖变形稳定问题,开展了卸荷岩体力学试验和理论研究,提出了卸荷岩体力学的新概念,揭示了岩体在开挖卸荷作用下的非线性力学特征和变形破坏机理,系统地解释了船闸高边坡、金川边坡、链子崖危岩体等大变形问题.在至今30余年的研究历程中,众多专家学者围绕卸荷岩体力学特性开展了系统的试验、理论和工程应用研究,并取得了丰富的研究成果,卸荷岩体力学理论逐渐完善,卸荷岩体力学的分析方法和思路在工程岩体开挖卸荷变形稳定分析中逐渐得到了推广应用.

岩体卸荷力学特性研究是卸荷岩体力学理论的重要内容,而试验是岩体卸荷力学特性研究的重要基础,一般采用室内试验、模型试验和现场试验、监测等方法和手段.为了研究卸荷条件下岩体宏细观力学特征、破坏机制和能量演化过程等,以及工程岩体在开挖卸荷过程中的应力变形响应和稳定性,众多学者在卸荷岩体力学试验方法、测试技术和试验设备等方面进行了系统的研究,取得的研究成果为岩体的卸荷力学特性研究奠定了较好的基础.基于此,本文重点从室内岩石三轴卸荷试验、工程岩体开挖卸荷物理模型试验及工程岩体现场开挖卸荷试验等3个方面对卸荷岩体力学试验相关的研究成果进行总结分析,并展望卸荷岩体力学试验将来的发展方向.

1 室内岩石三轴卸荷试验

1.1 常规三轴卸荷试验

哈秋舲、李建林[2]等针对三峡船闸高边坡开挖卸荷问题,基于自主研制的卸荷力学试验设备,最早开展了岩石三轴卸荷试验研究.此后,较多学者逐步开展了各类岩石的卸荷力学试验,并与传统加载条件下的力学特性进行对比分析,这些试验一般以常规室内三轴卸荷试验为主,考虑了应力路径、卸荷速率和时间效应等因素对岩石卸荷力学特性的影响.

1）应力路径对岩石卸荷力学特性的影响

目前针对不同应力路径下岩体卸荷破坏机制的研究已经取得了较多成果.李建林等[3]、王瑞红等[4]在2010年开展了恒轴压卸围压、加轴压卸围压、卸轴压卸围压等3种卸荷应力路径的试验,并基于砂岩在不同应力路径下卸荷破坏的试验结果,将应力-应变曲线分为弹性段、卸荷屈服段、脆性跌落段及理想塑性段.邱士利等[5]、朱子涵等[6]针对大理岩,考虑上述3种卸荷路径,进一步研究岩体卸荷强度特征、变形规律和扩容特征,认为升轴压破坏程度＞恒轴压＞卸轴压.韩铁林等[7-9]考虑3种卸荷应力路径下裂隙砂岩卸荷力学特性,研究裂隙试样的变形特征、强度特征和破坏机制,得出卸围压升轴压应力路径下试样最容易发生破坏.张楚旋等[10]、赵国彦等[11]、李地元等[12]进行花岗岩3种卸荷应力路径试验,得到了卸荷条件下岩石的应力-应变全过程曲线变形特征,认为卸围压卸轴压应力路径下的扩容效应最明显.丛宇等[13]、陈国庆等[14]进行了大理岩、花岗岩在加轴压卸围压应力路径下的试验,并从耗散能的角度进一步完善了岩石失稳判据.王乐华等[15]针对深埋软岩进行了恒轴压卸围压试验,并对岩样卸荷破坏面进行微观形貌扫描,探讨不同条件下岩样的变形、强度及破坏特征.总的来看,已有学者对不同加卸荷应力路径下岩石的变形破坏机制研究已经比较系统,但相关研究主要侧重于不同应力路径下岩石的宏观变形破坏特征,相关细观损伤机制还有待进一步的完善.

2）卸荷速率对岩石卸荷力学特性的影响

卸荷速率对岩石的力学特性也有较大的影响.2010年黄润秋等[16]、邱士利等[17]以锦屏水电站深埋大理岩为研究对象,重点分析卸围压速率在0.01～1.0 MPa/s范围内围压卸荷对变形规律及强度特征的影响,发现随着卸围压速率的增大,试样的承载强度不断提高,最高可提升10%～15%.黄达等[18]在其研究基础上,进行了速率为10 MPa/s的卸荷试验,发现高应力条件下较大的卸荷速率会导致岩样的破碎程度增加.同时,姜德义等[19]、郭喜峰等[20]和胡帅等[21]研究了低卸荷速率（0.005 MPa/s）下岩石的卸荷力学性质,发现岩石黏聚力减小、内摩擦角增大.王春等[22]则探究了卸荷速率和冲击荷载共同作用下岩石能量的演化规律,认为卸载速率的增加会导致岩样对冲击荷载的延缓,引起岩石发生脆性、延性互相转化的现象.马德鹏等[23]认为卸围压速率越快,试样在破裂前后损伤量增加速率越快,因此,在开挖卸荷时,若岩体开挖施工速度较快则极易引起大量积聚能量的突然释放,造成严重的岩爆灾害.可以看出,高卸荷速率会导致岩体突然发生破坏,低卸荷速率会导致岩体产生较大的扩容现象.相比之下,高卸荷速率的相关研究内容较为匮乏,且从能量角度来看,相关不同卸荷速率下的能量演化特征分析研究较少,在卸荷过程中如何将能量转化速率做到量化研究也是难点.

3）时间效应对岩石卸荷力学特性的影响

岩体在开挖卸荷后的变形具有明显的时间效应.在深埋地下洞室开挖中,往往是经一段时间后才会发生变形.而且,随着时间的增长,围岩的变形也会缓慢增长,这就是卸荷条件下岩体的流变现象.相关卸荷流变试验也有较多成果.朱杰兵等[24-26]、蒋昱州等[27]以锦屏水电站为背景,进行了恒轴压、逐级卸围压下的卸荷流变试验,研究了卸荷条件下的轴向及侧向变形特征.王宇等[28-30]针对软岩和粉砂岩进行卸荷流变试验,发现卸荷过程中侧向扩容效应明显,表现出与常规三轴流变试验时不同的变形规律.黄兴等[31]、原先凡[32]、邓华锋等[33]、任青阳等[34]和张黄梅[35]以砂质泥岩为研究对象,进行了不同应力路径下的分级卸荷流变试验,发现加轴压卸围压方案下岩样的流变应变增长速率明显较快,试样破坏得更加突然,且破坏形态更为复杂,除了控制性的剪切破坏面之外,还伴随有一定数量的次生剪裂纹和张拉裂纹.对于裂隙岩体,杨超等[36-37]采用分级卸载的方式对双裂隙砂岩等进行了三轴蠕变试验,且对不同分级卸荷量条件下岩石的卸荷蠕变特性展开了试验研究,重点分析了分级围压卸荷量、裂隙类型等对岩石蠕变特性的影响.可以看出,卸荷条件下,岩石的流变扩容特性更加明显,破坏模式更为多样,但受试验条件限制,卸荷流变试验的时长普遍较短,且通常仅进行少量试样的卸荷流变试验,试验结果的代表性有待进一步完善.

1.2 多源测试技术在岩石卸荷力学试验中的应用

从上述卸荷试验研究结果可以看出,宏观测试技术得到了很好的应用,随着分析测试要求和技术的提升,微细观测试技术在岩石卸荷力学试验中也逐渐得到应用,为宏观损伤理论提供了重要的补充,有助于对岩石卸荷破坏机理的进一步认识.近年来,基于超声波法、声发射法和CT 扫描等对岩石卸荷过程中细观损伤参数进行表征的研究较为广泛.

1）超声波测试技术在卸荷力学试验中的应用

超声波测试技术最早应用于确定岩体开挖扰动区的范围.该技术具有快速、经济、操作方法简单、无损害的特点[38].声波测试技术从20世纪中叶发展至今,在岩体缺陷探测、岩体及地基加固效果检测、开挖爆破损伤区检测等方面都有广泛的应用[39].李建林等[40-41]通过三峡工程卸荷岩体的超声波测试,揭示了岩体的各向异性及卸荷特性.俞缙等[42-43]、李晓昭等[44]对卸荷岩体及岩芯进行波速测试,提出了岩芯卸荷扰动和卸荷敏感岩体的概念.李黎等[45]测试了卸荷前后水平层理泥岩的波速,认为卸荷过程使原来紧密闭合的层理面一定程度张开,导致岩块纵波波速大幅减小.王兴霞[46]、孙旭曙[47]、汤开宇[48]和刘开荣[49]以节理砂岩、节理板岩和节理玄武岩为研究对象,测试了在卸荷前后的波速变化,得到了类似的结论.可以发现,多数学者关注重点在超声波波速与岩石卸荷损伤程度的相关关系,而对岩石卸荷过程中超声波其他波形参数的变化规律研究较少.

2）声发射技术在卸荷力学试验中的应用

声发射可以反映岩石内部裂隙发育的过程,岩石的声发射特性和其变形破坏具有密切联系.丛宇等[50-51]、张黎明等[52-53]对大理岩进行了不同应力路径下的卸荷试验,探讨了破坏过程中应力路径与声发射特征之间的关系,发现恒轴压、卸围压路径试验的最大计数率出现在应力峰值处,且更具有突发性,后者采用AE21C声发射测试设备和“点对称模态分解方法”（ESMD 方法）处理声信号,得出声发射时频变化呈现波动特征、峰值强度前频率出现突增、临近峰值强度时频率明显降低的规律.付建新等[54]采用TAW-2000微机控制岩石伺服三轴压力试验机和AEwin声发射检测与分析系统,发现闪长玢岩声发射演化过程总体分为峰前平静期、活跃期及峰后平缓期3个阶段,每个时期都有一个应力、应变及振铃计数临界值.陈国庆等[55]、赵建军等[56]采用MTS815岩石力学试验系统进行卸荷试验,采用美国PAC 公司生产的Micro-Ⅱ型声发射监测系统进行声发射测试,研究了岩桥长度对卸荷过程中声发射参数的影响,认为随着岩桥长度的增加,声发射计数率峰值和累计能量逐步增长,破坏程度更加剧烈,后者探索声发射b值在岩石破坏前兆方面的规律,将声发射b值快速下降、临界值突破0.6作为岩样的破坏前兆.潘孝康等[57]和鲁细根等[58]依靠TAW-2000 型岩石三轴电液伺服刚性试验机和PCI-2型多通道AE 检测仪对砂岩和煤岩在卸荷过程中能量耗散变化进行统计,总结得到了卸围压应力路径下声发射峰值滞后应力峰值,AE 振铃计数在煤样破坏点突增的结论.从现有的研究成果可以发现,对峰前阶段的声发射特征得到了较为深刻的认识,但对峰后及残余阶段的声发射特性研究较少.

3）CT 扫描技术在卸荷力学试验中的应用

细观力学的应用可以进一步揭示岩石卸荷损伤破坏的内在本质.通过岩石宏细观试验研究,可以从细观结构角度解释宏观特性,建立卸荷岩体的细观结构损伤演化模型.在2000年,任建喜等[59]采用SIEMENS SOMATOM plus型X 射线螺旋CT 机,首次完成了岩石卸荷损伤断破裂坏全过程的实时CT 试验,得到了岩石卸荷损伤演化过程中从裂纹发育、扩展、贯通到断裂破坏全过程的CT 图像.孙华飞等[60]、潘一山等[61]以煤岩为研究对象,采用高精度CT 成像和三维重构方法,探究了不同开挖卸荷模式下断续煤岩变形破坏的能量耗散与能量释放特征,揭示了卸荷模式对煤岩力学性质及破坏机制的影响,后者应用自主研发的电荷采集装置,进行了煤岩围压卸荷电荷感应试验.侯志强等[62]、王本鑫等[63]采用Toshiba Aquilion CX 螺旋CT 扫描仪分析了卸围压路径下大理岩、花岗岩内部裂隙分布三维图像,分析发现在卸荷作用下峰前产生的裂隙量较少,大量裂隙在峰后产生,围压较低时宏观裂隙首先在试件边缘产生,围压较高时在试件中部产生,同时从能量的角度定义了损伤变量,求得卸荷过程中应变损伤指数.可以发现,随着测试技术的进步,宏细观相结合的方法为探究卸荷过程中岩石裂隙的产生、发育提供了很好的基础,但相关宏细观协同卸荷损伤演化机制的研究成果依旧匮乏.

1.3 岩石多场耦合三轴卸荷试验

随着岩体工程向深地、深海等领域发展,岩体赋存的应力、温度、水等环境条件越来越复杂,如何解决复杂地质环境下开挖卸荷对工程安全的影响是迫切需要解决的关键问题.因此,开展多场耦合作用下岩石卸荷效应的试验研究,对于工程设计、施工及长期安全运行具有重要的理论与实际意义.

岩体的开挖卸荷变形、破坏与岩体内地下水的渗透压力密切相关.尹光志等[64]、许江等[65]运用自主研制的含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流试验装置,以煤岩为研究对象,在不同围压条件下对煤岩进行卸围压渗流试验,研究卸围压过程中煤岩的力学及渗透特性.胡亚运[66]、王宇等[67]采用YRQ-1000 型岩石浸泡-风干循环荷载流变仪（如图1所示）和RMT-150C岩石力学试验系统（如图2所示）,重点研究水-岩作用周期对三峡库区砂岩卸荷特性的影响,发现经过水-岩作用后砂岩的卸荷效应更加明显,破碎程度更高,水-岩作用加速了试样内部裂隙发展.邓华锋等[68]、寇苗苗等[69]则在其研究基础上,在TOP INDUSTRIE多功能岩石三轴测试系统（如图3 所示）上进行了考虑卸荷速率、孔隙水压力共同作用的完整砂岩、预制节理砂岩卸荷试验.比较而言,孔隙水压力越大,岩样破坏时应力-应变曲线跌落的趋势越明显.胡鹏[70]、刘鑫宇[71]研究孔隙水压对砂岩卸荷蠕变特性的影响,研究表明水压能使试样蠕应变量增大.王如宾等[72]则运用全自动三轴力学伺服试验系统,探讨了不同卸荷路径对砂岩渗透性的影响.可以看出,这些专门研发的设备能较好满足两场或者多场耦合作用下的卸荷试验,但相关因素的耦合作用机理尚不明确,相关细观损伤演化机制也有待进一步深入的探讨.

图1 YRQ-1000型岩石浸泡-风干循环荷载流变仪

图2 RMT-150C岩石力学试验系统

图3 TOP INDUSTRIE多功能岩石三轴测试系统

温度作用会引起岩体颗粒结构、胶结程度、矿物成分及细微裂纹扩展等发生改变,从而导致岩体卸荷力学特性的劣化,主要分为高温（热处理、热湿循环）和低温（冻融循环）两大类.高温影响方面,李建林等[73]通过马弗炉将砂岩加热至900℃高温后进行三轴卸荷试验.蔡燕燕等[74]、胡维[75]和邹义胜[76]对花岗岩在高温作用后的卸荷力学性质进行相关研究.王乐华等[77]、张冰祎等[78]采用电热恒温鼓风干燥箱将砂岩加温后,在真空饱和装置中进行饱水,研究了砂岩热湿循环后的卸荷效应.在低温对岩石卸荷影响方面,大量学者[79-84]考虑冻融循环次数、温度等对试样卸荷变形、破坏模式等之间的差异,先将饱水后的试样放入低温试验箱中冻结,再对溶解后的试样进行不同应力路径下的三轴卸荷试验.董西好等[85]在GCTS电液伺服控制高低温高压岩石三轴测试系统上对饱水后试样进行冻结后的不同初始围压、不同卸荷速率的三轴卸荷试验,发现冻结后的岩石表现出明显的弹-脆性特征.研究表明,高温环境可以改变试样内部晶体结构,低温环境可以扩张试样内部孔隙,这些都会导致试样的卸荷力学特性发生变化.相关研究成果主要针对极端温度情况,但对升温、降温过程中岩石内部的细观损伤过程研究还有待进一步完善.

多场耦合是岩石卸荷力学特性研究的热点之一.通常将一般的多场耦合研究作为岩体多场广义耦合基础,着重分析岩体地质特征、力学特性和工程性质对工程作用的影响,尤其注重卸荷力学与工程实际相结合,更加突出利用和改造岩体的工程目标[86].但目前的试验方法与实际工程还是有较大差距,如极端温度条件下的卸荷试验,通常将试样先升、降温到指定温度后取出恢复至室温后再进行试验,变温过程和卸荷过程的耦合还很少实现.

1.4 岩石真三轴卸荷试验

近年来,矿井开采、水利工程、硐室开挖以及地质钻探等地下工程正逐步向深部延伸,岩体的应力状态也更加复杂[87],常规岩石三轴卸荷力学试验无法实现三向应力状态下的岩石卸荷力学特性研究需求,真三轴试验机的研制逐渐得到发展[88].1971年K.Mogi[89]研制成功了世界上第一台岩石真三轴试验装置.李建林等[90]在20世纪90年代,针对三峡工程中船闸高边坡岩体的开挖卸荷变形稳定性问题,研制了模拟岩体开挖卸荷效应的真三轴加卸载试验平台,并最早设计开展了大尺寸（250 mm×250 mm×250 mm）岩体真三轴加卸荷试验.近几十年来,真三轴压力试验机的研制得到了很好的发展,如图4所示,具有代表性的有Nasseri[91]、尹光志[92]、冯夏庭[93]、何满潮[94]等研制的真三轴试验系统,通过进一步试验,广大学者们对真三轴条件下卸荷岩体力学特征有了更深的理解.

图4 典型真三轴试验系统[91-94]

大量学者利用真三轴试验系统能独立加卸载的特点,开展了大量真三轴卸荷试验.典型的如TRW-3000型室内真三轴试验系统,该设备由中南大学研制,可在3个垂直方向通过伺服控制进行独立加卸载.杜坤[95]、王友新[96]、马钰沛等[97]和李江腾[98]通过该设备进行了大理岩、砂岩的真三轴卸荷试验,研究了卸荷速率、应力路径等因素作用下的相应力学特性.张洁[99]在TAWZ-3000型真三轴试验机上以花岗岩为研究对象,进行快速卸载第三主应力试验,模拟地下工程中突然卸除支护后导致的围岩破坏现象.荣浩宇等[100-101]、许文松等[102]采用安徽理工大学自主研发的真三轴试验设备研究卸除第三主应力过程中的扩容现象,并采用双折减法修正了D-P 准则.刘婕等[103-104]在中科院武汉岩土力学研究所自主研制的真三轴系统上进行花岗岩卸荷破坏试验,分析卸荷过程的特征应力、破坏形式和能量演化特征.李铭辉[105]、边光[106]在重庆大学自主研发的真三轴试验系统中,研究了页岩在真三轴卸荷应力路径下的力学特性,同时分析渗流场、温度场耦合作用下的变形演化机制.陈国庆等[107]、肖晓春等[108]也在自主研发的真三轴试验系统中开展了类似研究.

从上述研究成果中可以发现,目前众多学者对岩石真三轴卸载力学试验进行了大量颇有成效的研究,但岩石真三轴试验研究仍有许多问题需要解决:①目前的研究成果主要集中在三轴卸载试验过程中岩石强度的变化规律,虽然较早发现了岩石“中间主应力效应”,但岩石卸荷力学特性和变形特征是如何受中间主应力影响以及产生的本质原因并未被深入研究;②在真三轴卸载条件下的岩石破坏机理分析方面较为匮乏,如何利用声发射、CT 技术分析岩石内部裂纹在真三轴卸荷试验过程中的扩展、贯通值得深入探索.

2 工程岩体开挖卸荷物理模型试验

在满足相似原理的条件下,相似物理模型试验能够真实地反映地质构造和工程结构的空间关系,准确地模拟岩体工程开挖过程中的力学与变形响应特性,已成为大型岩土工程的重要研究手段.早在20世纪60年代,国外学者已开始室内模型试验的研究,意大利学者Fumagalli[109-110]以拱坝作为原型对象,利用相似理论开展了一系列模型试验研究,为室内模型试验奠定了基础,开创了工程地质力学模型试验技术的先河.随后,葡萄牙、原苏联、法国、德国、英国和日本等国也开展了这方面的研究.在国内,清华大学、中科院武汉岩土所、长江科学院、河海大学等高校及科研院所分别依托一大批国家重点建设工程开展了大量的模型试验研究,并取得了很多研究成果[111].这些技术在我国矿山工程和水利工程的建设中发挥了重要的作用,推动了我国大坝、边坡及地下洞室稳定性和变形破坏机理方面的研究.

2.1 边坡工程岩体开挖卸荷模型试验

室内物理模型试验为边坡开挖卸荷破坏机制研究开辟了新的道路,该方法能直观地得到边坡开挖中的变形破坏发展过程.2007年,肖克强等[112]选用几何相似比为1∶30、重度相似比为1∶1,以粗石英砂、细石英砂、重晶石粉和水为相似材料,模拟了实际三维尺寸180 m×90 m×27 m（长×高×宽）的边坡.此后,苏杭等[113]选用石英砂、重晶石和石蜡油为相似材料,采用5 m×0.5 m×3 m（长×宽×高）边坡模型试验模拟了多级开挖及支护施工过程.

除均质边坡模型试验外,相关学者对在开挖过程中易发生破坏的顺层岩质边坡进行了不同尺寸的物理模型试验,研究了边坡开挖或锚固过程中坡内位移和应力变化规律[114-116]以及开挖松弛区范围[117-118],探讨了边坡走向与岩层走向夹角对顺层岩质边坡稳定性影响等问题[119].同时,一些学者通过底摩擦模型试验[120-121]和离心模型试验[122-123]很好地模拟了边坡开挖和重力的影响,特别是后者能使边坡模型再现与原型相似的应力及应变状态.如李明等[124]采用清华大学土工离心机以及新开发的开挖模拟设备进行了土坡开挖的离心模型试验,分析开挖过程中边坡位移场的变化.总体而言,相似模型试验在不同类型边坡模拟中得到了大量成功应用,但模型试验中复杂卸荷应力路径、多场耦合环境条件的准确模拟依然是一个难题.

2.2 地下工程岩体开挖卸荷模型试验

为解决地下工程建设中的围岩变形稳定问题,除建立数学模型进行数值分析计算并开展现场施工动态监测外,室内物理模型试验研究也是不可缺少的手段之一[125].

早在1970年左右,Hendron等[126]和Heuer等[127]开展了静力荷载作用下地下洞室开挖的模型试验研究,研究了洞室围岩力学行为的时空效应.2007 年,Castro等[128]对矿井的分块崩塌开采法进行了大型三维物理模型试验研究.2008年,Shin等[129]和Meguid等[130]分别对复杂条件下的隧道开挖进行了物理模型试验研究.同时,国内的一些科研单位也开展了地下工程开挖模型试验研究.清华大学李仲奎等[131]研制了离散化多主应力面加载和控制系统模拟复杂三维初始应力场,采用机械臂和步进微型掘进机技术解决了三维试验中的隐蔽开挖模拟问题,首次对大规模三维地下洞室群的施工过程进行了仿真模拟.山东大学李术才、张强勇等[132-134]自主研发了组合式三维模型试验装置,并开展了大量铁路公路隧道、地下洞室群、地下国防用库等地下工程模型试验.透明土试验技术和数字图像相关测量技术在地下工程开挖模型试验中也得到了较好的应用[135-137].中国矿业大学[138]、中国科学院武汉岩土力学研究所[139]、北京交通大学[140]和西南交通大学[141]等单位都先后对煤巷、隧道和地下洞室等地下工程开展了物理模型试验工作,并取得了较好的成果,部分科研单位的岩体工程开挖卸荷物理模型试验装置如图5所示.

图5 科研单位自主研发物理模型试验装置图

随着地下空间开发应用逐步向深部发展,大量工程实践证明深部洞室开挖后,其围岩出现破裂区与非破裂区交替的分区破裂化现象[142-143].为此,顾金才等[144-145]依托深部巷道围岩破裂机理与支护技术模拟试验装置,进行了“先开洞,后加载”模型试验,发现沿洞室轴向压应力较大是引起洞室围岩分区破裂的根本原因.张强勇等[146]进行了“先加载,后开洞”的高地应力条件下真三维深部巷道开挖模型试验,揭示了深部围岩分区破裂的形成条件和破坏规律.潘一山等[147-148]采用石膏和熟石灰材料,开展了高应力作用下深部洞室变形破裂相似模型试验,并分析了支护结构对洞室变形破坏的影响.

总的来说,地下工程模型试验,在开挖后围岩的应力调整过程及分布规律、破坏形态和破坏机制等方面取得了大量研究成果.但还存在以下不足:①试验准备、设计及实验周期较长,且费用较高,技术难度大;②模拟地下工程开挖过程通常采用人工开挖或提前预制洞室形状,与实际工程开挖还有一定差距;③模拟岩体工程的开挖中难以考虑地层温度、地下水等复杂条件的影响.

3 工程岩体现场开挖卸荷试验

3.1 工程岩体现场真三轴卸荷试验

由于岩体结构复杂,原位岩体试验比室内试验能更客观地反映工程岩体的力学特性.近年来,较多学者致力于原位岩体真三轴试验系统的研制与应用,并在卸荷条件下原位岩体的力学特性及变形破坏分析方面取得了大量的研究成果.2006年,长江科学院在三峡永久船闸边坡勘探平洞内开展了复杂应力路径下尺寸为30 cm×30 cm×60 cm（长×宽×高）的原位岩体真三轴试验[149].2011 年,长江科学院与长春朝阳试验仪器有限公司联合研制了能实现高压加载、复杂应力路径伺服控制的YXSW-12 现场岩体真三轴试验系统（如图6所示）,并应用于白鹤滩、锦屏、乌东德等大型水电工程中[150-152],研究了边坡、深埋洞室原位岩体在不同卸荷路径下的强度参数及变形破坏特征.

图6 YXSW-12现场岩体真三轴试验系统[150]

2012年李维树、黄书岭等[153]研制了LWZ-10000型中尺寸岩样真三轴试验系统,能同步进行超声波和声发射跟踪测试,可对多向复杂应力路径下不同尺寸深部岩体的变形及强度参数进行研究.2020年,长江科学院研制了HMTS-1200 型裂隙岩体水力耦合真三轴试验系统,该试验系统可开展原位岩体在不同荷载组合下的水力耦合试验[154].

总体而言,国内外现场岩体真三轴试验设备和技术虽然取得了长足的发展,但针对复杂环境条件下原位真三轴试验要求,还需要在如下方面进一步完善:①目前在原位真三轴试验过程中,一般都先切割制备标准岩样再进行加卸载试验,未考虑制样过程中应力释放对岩样的影响,因此,原位制样及恢复保真技术亟待完善;②目前原位真三轴试验的应力水平普遍不高,难以满足深部高应力岩体工程研究的需要;③在原位真三轴试验中,一般只考虑加卸载过程,很少考虑动力扰动的影响.

3.2 开挖卸荷岩体工程现场监测

现场岩体卸荷试验尺寸与实际工程开挖相比仍有较大差距,为了进一步了解工程岩体在开挖卸荷下的应力变形响应,较多学者结合现场监测对边坡、地下工程的开挖卸荷效应及变形稳定进行了研究.

在工程边坡方面,20世纪90年代以来,长江水利委员会综合勘测局应用伸缩仪、倒垂及引张线、多点位移计、GPS等监测技术手段对三峡工程临时船闸和永久船闸高边坡开展监测工作,为三峡工程的建设和监控提供了科学依据[155].钱东宏等[156]在小湾水电站超高边坡施工中采用超声波和振动监测等多种手段监测.程建军等[157]、周中等[158]研究了边坡在开挖过程中的变形特征及演化规律.随着数值计算方法的成熟,监测信息结合数值计算进行反馈分析得到了很大的发展,如2004年邓建辉[159]等人依托三峡船闸高边坡,用边坡开挖初期变形值来反演弹性模量,并预测后期边坡开挖变形.

在地下工程方面,20 世纪50 年代末,以缪勒（L.Muller）教授为代表的奥地利岩石力学学派在其提出的新奥法（NATM）中,提出了运用围岩原位监测成果指导设计和施工的思想.其后,国内外学者对地下工程进行了系统研究,如加拿大URL 地下原位实验[160-161]、瑞典Aspö硬岩实验室（HRL）的原位试验[162]、美国Yucca山原位试验[163]和韩国KURT 原位试验[164],欧洲多国联合进行的DECOVALEX 项目[165-166]也开展了大量的原位试验.同时,相关学者借助现场测试仪器（如地质雷达[167]、数值钻孔摄影[168]、声发射监测[169]、微震监测[170]和位移计[171]等）对开挖卸荷区深度和状态进行测定,以岩体弹性波速度、岩体质量指标、裂隙开度及密度、渗透性、应力和变形等作为量化指标进行了卸荷区划分.

综上所述,基于卸荷后岩体原结构面张开、新裂缝的产生与发育、应力调整和回弹变形等现象,在现场监测技术与应用方面已取得了丰富的成果,但还需从以下方面进行改善:

1）定量确定开挖损伤区的范围和损伤程度仍然是一项尚待探索的艰巨任务和挑战,有必要融合最新测试技术与理论,解决开挖损伤区演化与施工进度的关系;

2）在现有工程监测研究的基础上,综合分析岩体开挖过程中岩体变形、波速变化、裂隙演化、声发射、微震信号空间定位等多元化信息,建立一套适合岩土工程开挖的动态多元化信息提取方法.

4 结论与展望

作为卸荷岩体力学理论与应用的重要组成部分,卸荷岩体力学试验是获取岩体力学特性和分析岩体工程开挖卸荷变形稳定的关键.经过30多年的研究积累,卸荷岩体力学试验技术取得了丰富的研究成果,也解决了一系列工程难题.随着我国经济建设的发展,一大批重大岩体工程相继在地质条件更为复杂的地区规划建设,岩体工程开挖卸荷分析评价将面临许多新的挑战.因此,对卸荷岩体力学试验也提出了更高的要求,主要有以下几个方面:

1）复杂条件下卸荷岩体的多场耦合作用问题.部分工程岩体的开挖体量大,卸荷量级较大,岩体二次应力调整的过程和方式复杂,同时可能伴随着温度、降雨、水位变化等复杂条件影响,多场耦合作用下的卸荷岩体试验技术与方法需要进一步研究和完善.

2）复杂地质条件下的岩体卸荷试验模拟技术.目前室内卸荷岩体力学试验中通常只考虑较少的结构面,由于工程岩体中地质构造的复杂性及尺寸效应等问题,室内试验结果还不能很好地应用于实际工程.因此,可模拟复杂岩体结构的试验设备有待进一步完善.

3）宏细观多源测试技术问题.目前,超声波、声发射和CT 扫描在岩石卸荷力学试验中的应用已较为广泛,但如何实现岩体卸荷时内部裂隙形成、发育和贯通等过程的可视化是一个急需研究解决的难题.

4）深部岩体开挖卸荷模拟问题.深部岩体具有高地应力、高地温和高渗水压力等特点.有关深地条件下的多场耦合模拟和测试技术有待进一步研究突破.