第1章概述
1.1岩体卸荷力学的研究意义
随着我国西部大开发战略的持续推进和“一带一路”倡议的实施，以及深部资源开采的发展需要，大量的水电、交通、能源等基础设施建设涉及高应力环境下的卸荷岩体工程安全控制难题，给工程建设带来了巨大挑战。西南地区的金沙江、雅砻江、大渡河、岷江、澜沧江、怒江、雅鲁藏布江等河流落差大，是我国水电站建设的重要基地。自21世纪以来，大量的水电站在此建设且持续规划推进（表1.1），“十四五”规划更是专门提出了要实施雅鲁藏布江下游水电开发。然而，受青藏高原挽近期以来持续隆升的影响，西南山区形成了独的高地应力环境、深切峡谷的强卸荷改造环境、断裂强活动性及强震的特殊动力环境，地形地质条件极其复杂，为全世界范围内所罕见（黄润秋，2008）。因此，这些大型水电站的建设面临着前所未有的挑战，不仅地质环境复杂、坝体高（200～300m级），更是涉及300m级以上人工高边坡，如锦屏一级水电站左岸坝基边坡高达530m（Feng et al.，2019）。这些原本就因河谷下切等自然卸荷作用而使岩体受损的高边坡在大规模开挖处理过程中可能进一步发生卸荷变形或灾难性破坏灾害（图1.1）。在建的国家重大工程——川藏铁路处在青藏高原东南部，地势起伏大，铁路穿越众多高山峡谷区，跨大渡河、雅砻江、金沙江、澜沧江、怒江、雅鲁藏布江等大江大河，同样面临着深切峡谷的强卸荷改造和强活动断裂等环境，导致沿线崩塌滑坡等灾害频发（表1.2），给工程建设带来了复杂多变的地表和地下重大地质安全风险挑战，其复杂性和特殊性同样前所未有（蒋良文等，2016；彭建兵等，2020）。随着地球浅部资源的枯竭，深部矿产资源的开发和利用已成为世界各国争先探索的科学制高点（谢和平等，2021），习近平总书记提出“向地球深部进军是我们必须解决的战略科技问题”。以煤炭资源开采为例，我国在东北、华东为代表的中东部区域以10～25m/a的速度向深部推进，深度达到800～1000m，并有47对矿井深度超过1000m（袁亮，2021）。但是，深部地下资源开采面临着高地应力、高地温、高水压的问题，即“三高”环境，同时又伴随工程开挖响应强流变性、强湿热环境、强动力灾害的特点，开采扰动性强（图1.2）。因此，深部开采环境和岩体工程响应的“三高一强扰动”为深部矿产资源安全开采带来巨大挑战（谢和平等，2015；袁亮，2021）。表1.1中国西南地区主要河流大型水电站统计（装机容量200万kW以上）序号水电站名称装机容量/万kW所在河流工程状态1白鹤滩1600金沙江已建2溪洛渡1386金沙江已建3乌东德1020金沙江已建4向家坝775金沙江已建序号水电站名称装机容量/万kW所在河流工程状态5糯扎渡585澜沧江已建6锦屏二级480雅砻江已建7小湾420澜沧江已建8龙盘420金沙江规划续表序号水电站名称装机容量/万kW所在河流工程状态9马吉420怒江规划10松塔378怒江规划11锦屏一级360雅砻江已建12瀑布沟360大渡河已建13二滩330雅砻江已建14观音岩300金沙江已建15两家人300金沙江规划16两河口300雅砻江已建17如美260澜沧江规划18罗拉260怒江规划19泸水260怒江规划20大岗山260大渡河已建21长河坝260大渡河已建22怒江桥240怒江规划23楞古257雅砻江规划序号水电站名称装机容量/万kW所在河流工程状态24官地240雅砻江已建25金安桥240金沙江已建26梨园240金沙江已建27孟底沟240雅砻江规划28旭龙240金沙江在建29叶巴滩224金沙江在建30奔子栏220金沙江规划31古水220澜沧江规划32鲁地拉216金沙江已建33古学210澜沧江规划34阿海200金沙江已建35拉哇200金沙江在建36俄米水200怒江规划37亚碧罗200怒江规划38双江口200大渡河在建
以上重大工程的关键共性基础科学问题之一即是岩体的卸荷力学性质。岩体在卸载和加载力学条件下其力学特性有显著的区别，如岩体卸载比加载更易发生张性变形或破裂、破坏应力更低。由于岩体工程开挖卸荷是人类行为，不同的开挖方式或工程类型使岩体的卸荷应力路径不同，如隧道工程开挖一般为一个方向卸荷（径向卸荷、切向加载）、高边坡开挖至少在垂直开挖面方向卸荷、矿山开采中留设的煤柱或岩柱为周边卸荷而轴向重力方向加载。另外，在工程作用力（构筑物加载、加固反力等）、水压力、地震力及矿压冲击等外力的作用下，工程岩体也可能经历一个多级（或循环）加卸载过程。不同卸荷应力路径下岩体变形破坏特征及其过程是显著不同的，如小湾水电站低高程坝基高边坡开挖过程中，由于平行开挖临空面最大主应力(σ1)的高度集中，而垂直于开挖面迅速卸荷（σ3迅速降低），致使平行于开挖面方向的卸荷扩容和张性破裂，从而出现大量独的“席状裂隙”，而这种现象在埋深达380～480m的地下厂房中却没有出现。此外，施工进度不同，岩体卸荷速率差异明显，岩体开挖变形具有很强的时空效应，施工过程中出现的大多数发生或隐患的灾害都是由施工进度（卸荷速率）过快或加固措施跟进不及时造成的。而对于已建成运行的岩体工程，随着加固结构的逐渐损伤，也将诱发工程岩体再次卸荷，存在长期稳定性问题，这类卸荷速率一般很慢，属于卸荷流变范畴。由此可见，不同卸荷应力路径和时间效应下岩体卸荷力学特性及破裂机理是很多大型基础工程建设所面临的最为关键的工程地质和岩石力学问题之一。然而，以往岩石力学的核心内容均是基于加载岩石力学理论，作为地面高边坡和地下硐室（特别是高地应力环境下）卸荷变形破坏及稳定性评价的基础理论仍有诸多不足。因此，研究岩体卸荷力学理论与工程应用具有重要的意义。
1.2岩体卸荷的基本特征
1.2.1岩石高边坡表生改造过程的卸荷及应力重分布
高边坡形成过程中，伴随河谷的下切或人工开挖过程，边坡应力释放，从而驱动边坡岩体产生变形和破裂，以适应新的平衡状态，这个过程称为表生改造。在这个阶段“驱动”边坡岩体变形、破裂的动力主要是卸荷所引起的边坡内部应力的释放。因此，其变形方向与临空面垂直，而破裂面（卸荷裂隙）的走向通常是平行临空面的。表生改造是岩石边坡演化的第一个阶段，也是边坡变形破坏演化动力过程中最为关键的一个阶段，因为它一方面决定了边坡稳定性发展的总体趋向；另一方面，其演化结果也为后续阶段的变形提供了基础，创造了条件。
可根据边坡卸荷松弛和表生破裂的发育程度将卸荷带分为强卸荷带（近坡体浅表部卸荷裂隙发育的区域）、弱卸荷带（强卸荷带以里可见卸荷裂隙较为发育的区域）和深部卸荷带（相对完整段以里出现的深部裂隙松弛段）三种类型。边坡浅部的卸荷松弛带，改造了边坡岩体结构，降低了岩体质量级别。坡体内部缓倾角结构面的卸荷改造更降低了结构面的强度特性，使一定范围内结构面的强度从峰值降低到残余值，从而为边坡的继续变形创造了条件。表生改造通常造就了一些对边坡后续变形极为有利的几何边界条件，如边坡后部的拉裂、前部的缓倾角结构面等。另外，形成了边坡中新的营力活跃带，尤其是地下水的活动通道，这在高坝工程的绕坝渗漏与坝肩稳定性评价中具有重要的意义。
对岩体结构表生改造的深入研究，有助于进一步揭示边坡应力释放与转换的机制。表生改造使得坡体释放应力，促进边坡二次应力场的形成。河谷下切或边坡开挖过程中，随着边坡侧向应力的解除（卸荷），边坡产生回弹变形，边坡应力产生相应的调整，其结果是在边坡一定深度范围内形成二次应力场分布。大量实测资料和模拟研究结果表明，边坡二次应力场具有如图1.3所示的分布特征，包括应力降低区（σ＜σ0）、应力增高区（σ＞σ0）和原岩应力区（σ=σ0，实际为不受卸荷影响的区域）。边坡应力随深度的这种分布形式称之为“驼峰应力分布”。其中，应力降低区和应力增高区（“驼峰区”）对应了边坡的卸荷影响范围。
（1）应力降低区（或应力松弛带）：指靠近河谷岸坡部位，由于谷坡应力释放（松弛），使河谷应力（主要指σ1）小于原始地应力的区域。这个区的范围一般与野外鉴定的谷坡卸荷带范围大致相当，其深度（水平距岸坡表面）一般为0～50m，实测的最大主应力一般为0～5MPa。大量的工程实践表明，应力降低区是边坡发生卸荷松弛的主要部位，因此，也是岩体工程地质特性发生变异最为显著的区域。大部分岩体工程地质现象和工程地质问题都发生在这个区域内。
（2）应力增高区：指由于河谷应力场的调整，在岸坡一定深度范围内出现的河谷应力高于原始地应力的区域。这个区域一般在水平距岸坡表面50～300m范围，应力为10～30MPa。水电站大型地下厂房主体的布置应尽量避开这个区域，尤其是150～250m这个应力相对最高的区域。
（3）原岩应力区：指河谷岸坡较大深度以内，应力场基本不受河谷下切卸荷影响而保持了原始状态的区域。在西南地区的深切峡谷中，该带的范围一般是在250～300m深度以内。
1.2.2地下工程开挖诱发围岩卸荷及应力重分布
地下工程开挖之前，岩体在原岩应力条件下处于平衡状态，开挖后地下硐室周围岩体发生卸荷回弹和应力重分布。根据垂直应力（通常为主应力）和水平应力的关系，对于具有一定尺寸的地下工程来说，其垂直剖面上各点的原始应力大小是不等的，地下硐室在岩体内将处在一种非均匀的初始应力场中。
地下工程的开挖，破坏了岩体原有的应力平衡状态，围岩应力进行重分布，直至达到新的平衡，重分布的特点与地下工程的形状和岩体的初始应力状态等有关。围岩应力重分布的主要特征是径向应力（σr）随着向自由表面的接近而逐渐减小，至硐壁处变为零；而切向应力（σθ）的变化则有不同的情况，在一些部位越接近自由表面切向应力越大，并于硐壁达到最高值，即产生所谓压应力集中，在另一些部位，越接近自由表面切向应力越低，有时甚至于在硐壁附近出现拉应力，产生所谓拉应力集中。图1.4（a）是弹性状态下侧压力系数λ（原岩水平应力与垂直应力的比值）为0.25时圆形硐室围岩应力集中系数k（同一点开挖后重分布应力与原岩应力的比值）分布图。显然，硐壁处的应力集中现象最明显。地下工程的开挖在围岩内引起强烈的主应力分异现象，使围岩内的应力差越接近自由表面越增大，至地下工程周边达到最大值。当围岩进入塑性状态时［图1.4（b）］，切向应力的最大值从硐室周边转移到弹、塑性区的交界处。随着往岩体内部延伸，围岩应力逐渐恢复到原岩应力状态。在塑性区内，由于塑性区的出现，切向应力从弹、塑性区的交界处向硐室周边逐渐降低。对于其他形状的硐室，如应用较广的半圆直墙断面硐室（图1.5），徐干成等（2002）根据平面弹性力学问题中的复变函数法，计算出了半圆直墙断面硐室在上覆岩体厚度等于2.5倍硐跨自重作用下的硐周应力分布。
