劉國(guó)霖

（三峽大學(xué) 退休辦，湖北 宜昌 443002）

1 概 述

反應(yīng)力應(yīng)變巖石力學(xué)，是巖石力學(xué)中的新拓展范疇.在巖土工程實(shí)踐中，運(yùn)用巖石力學(xué)對(duì)工程問(wèn)題作針對(duì)性分析，以及對(duì)工程中長(zhǎng)期系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)信息所作分析甄別，并進(jìn)行功能反演，理清與發(fā)現(xiàn)了匿動(dòng)力，隨其在工程中應(yīng)用與思想認(rèn)識(shí)的不斷提高而建立的創(chuàng)新理念，對(duì)巖石力學(xué)作了新穎的重要擴(kuò)展.反應(yīng)力應(yīng)變?cè)谧匀唤缗c巖土工程中廣泛存在，一般以微弱風(fēng)化現(xiàn)象來(lái)對(duì)待而將其忽視.運(yùn)用其影響，解決工程中特大地質(zhì)災(zāi)變形成機(jī)理的難題，可獲滿意工程解，當(dāng)然仍須不斷補(bǔ)充、修正，使日臻完善.

2 反應(yīng)力的屬性與組成

巖體受力作用，會(huì)產(chǎn)生應(yīng)變反應(yīng)：受正應(yīng)力作用，則產(chǎn)生壓縮性應(yīng)變，受拉應(yīng)力作用，則產(chǎn)生張應(yīng)變.地表巖體在遭受寒氣籠罩發(fā)生降溫時(shí)，巖石會(huì)產(chǎn)生冷縮的物理性變化反應(yīng).巖石是熱的不良導(dǎo)體，散熱時(shí)會(huì)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(yīng)力.這一反向力流，稱之為反應(yīng)力（anti－stress），是巖土體中離子鍵發(fā)生滯彈性收縮反應(yīng)，無(wú)外力作用，具暗能特性，是反向的匿動(dòng)力.這一理念，來(lái)源于許多工程中的實(shí)際監(jiān)測(cè)成果，具草根性，能受巖土工程廣泛的實(shí)際問(wèn)題所檢驗(yàn)，也能為自然陡高邊坡區(qū)、較大地質(zhì)災(zāi)變的系列現(xiàn)象所佐證.

反應(yīng)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(yīng)力，這是反應(yīng)力形成機(jī)理之本.在邊坡區(qū)，反應(yīng)力與巖體重力，共同賦存于巖體的輳力場(chǎng)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(dòng)力地質(zhì)學(xué)稱此態(tài)勢(shì)為拉平勢(shì)場(chǎng)，是反應(yīng)力作用的主要呈現(xiàn)形式.由于巖體存在成巖缺陷和構(gòu)造損傷、有斷裂節(jié)理和軟弱層帶等不連續(xù)結(jié)構(gòu)面，這些面不具抗拉特性，當(dāng)巖體遭受拉應(yīng)力作用時(shí)，就會(huì)在破裂結(jié)構(gòu)面端部產(chǎn)生應(yīng)力集中［1］，當(dāng)集中拉應(yīng)力超過(guò)巖體離子鍵間引力強(qiáng)度時(shí)，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?yīng)力（reverse stress）.這一反應(yīng)力，從其形成機(jī)理可判明，是由溫差應(yīng)力產(chǎn)生的，無(wú)其他促使發(fā)生的力源.反應(yīng)力的發(fā)生與演繹，具漸進(jìn)式累進(jìn)破壞與高儲(chǔ)能特性，可導(dǎo)致特大地質(zhì)災(zāi)變.在重大地質(zhì)災(zāi)變中，派生的反應(yīng)力表現(xiàn)為重要的主導(dǎo)作用，掩蓋了溫差拉應(yīng)力這一主反應(yīng)力因素的重要特性.

反應(yīng)力是隨溫度變化在巖體內(nèi)發(fā)生溫差效應(yīng)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(wú)的波動(dòng).邊坡巖體中的應(yīng)力狀態(tài)，從三維受壓的不等壓應(yīng)力橢球體，到二維受壓、一維拉張的歪變應(yīng)力橢球狀態(tài)，一直處于動(dòng)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(shì)場(chǎng)所形成的推剪分力外，已注意到地下水的動(dòng)、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(yīng)力等所形成耦合推剪力，在計(jì)算公式中已涵蓋，有的進(jìn)行了各自力流勢(shì)場(chǎng)計(jì)算后再疊加，考慮較全面.但溫度應(yīng)力具正反兩重效應(yīng)，對(duì)反應(yīng)力的重要影響，尚注意研究不夠.大雨期地下水的活動(dòng)變化，會(huì)引起巖體內(nèi)墑情劇變，導(dǎo)致巖體中不同部位的熵變，產(chǎn)生冷縮性反應(yīng)力作用，形成疊加的復(fù)雜因素，增加了對(duì)巖體的迅速破壞，加大了邊坡失穩(wěn)的災(zāi)變效應(yīng).顯然，對(duì)反應(yīng)力作全面的調(diào)查研究、開(kāi)拓與發(fā)展，是前沿性重要課題.

3 反應(yīng)力應(yīng)變的巖石力學(xué)特性

反應(yīng)力應(yīng)變巖石力學(xué)與正應(yīng)力應(yīng)變巖石力學(xué)，同屬統(tǒng)一的巖石力學(xué)范疇，在力學(xué)特性上有一定的相互關(guān)聯(lián)，但無(wú)對(duì)應(yīng)的一般規(guī)律性，兩者的力學(xué)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(jié)構(gòu)面，在巖體經(jīng)受壓向擠壓力擠壓作用時(shí)，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(guò)不連續(xù)面繼續(xù)傳遞，向自由界面作擴(kuò)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(yīng)變達(dá)裂點(diǎn)后，具一定的塑變特性，卸載后仍有一定強(qiáng)度值，其具較高的彈性常數(shù)與剩余強(qiáng)度值.巖體受反向拉張力作用時(shí)，不連續(xù)結(jié)構(gòu)面受拉擴(kuò)張，不能傳遞拉力，破裂面范圍的抗拉強(qiáng)度為零.巖體的抗拉強(qiáng)度，由結(jié)構(gòu)面以外的巖石部分，即結(jié)構(gòu)面未貫通部分的巖橋所提供，其抗拉強(qiáng)度為等效的抗拉強(qiáng)度值.巖體的抗拉強(qiáng)度與其他力學(xué)參數(shù)，無(wú)規(guī)律性關(guān)聯(lián).巖樣試驗(yàn)成果如果浩散，就缺規(guī)律性的統(tǒng)計(jì)分析價(jià)值.巖樣的抗壓強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)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(yīng)進(jìn)行反應(yīng)力應(yīng)變巖石力學(xué)的系統(tǒng)信息測(cè)試，并作針對(duì)性的實(shí)際觀測(cè)統(tǒng)計(jì)與分析研究.科學(xué)試驗(yàn)，是依據(jù)實(shí)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(xué)反映.但人為控制的因素難于全面掌握并與實(shí)際情況完全一致，其成果會(huì)存在美中不足，與實(shí)際情況存有差異.自然跡象，是大自然所作的原形試驗(yàn)，可從其展布跡象，確定其形成機(jī)理，作其相對(duì)應(yīng)的時(shí)、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(yīng)力應(yīng)變巖石力學(xué)在其特定條件下的確切指標(biāo).據(jù)此，用以研究相應(yīng)工程區(qū)的情況，預(yù)測(cè)其安全穩(wěn)定特性，充分利用已有堅(jiān)固巖體的有利條件，進(jìn)行保護(hù)性加固，并同時(shí)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(jìn)程，使工程技術(shù)處理措施，達(dá)到經(jīng)濟(jì)、高效與安全.

4 邊坡區(qū)反應(yīng)力應(yīng)變的態(tài)勢(shì)特性

地殼表層巖體，處于三維應(yīng)力狀態(tài)，經(jīng)受巖土工程開(kāi)掘卸載后，應(yīng)力遭受影響并迅速調(diào)整，一般認(rèn)為調(diào)整后的應(yīng)力，處于重力場(chǎng)的固定靜態(tài)環(huán)境中.但實(shí)際狀態(tài)，因巖體有熱脹冷縮的物理性變化，處于熱彈性應(yīng)力應(yīng)變的往復(fù)動(dòng)態(tài)演變中，當(dāng)其處于降溫冷縮時(shí)，則顯反應(yīng)力特性.在室內(nèi)外的三軸試驗(yàn)中，三維均為壓應(yīng)力狀態(tài)，其最大主應(yīng)力（σ1）值，隨圍壓應(yīng)力與圍壓系數(shù)的乘積增加而增加，達(dá)裂點(diǎn)后則產(chǎn)生脆斷破壞，此屬三維莫爾壓縮圓范圍.當(dāng)σ1為負(fù)增加，在其減至小于最小圍壓（σ3）時(shí)，則σ1轉(zhuǎn)變?yōu)棣?，甚至此σ3為零時(shí)，其三維應(yīng)力圓仍為壓縮圓范疇.當(dāng)σ3繼續(xù)負(fù)增長(zhǎng)變成拉應(yīng)力時(shí)，則漸進(jìn)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(shí)出現(xiàn)二維受壓一維拉張的歪變應(yīng)力橢球體狀態(tài).在野外的實(shí)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(yīng)力出現(xiàn).此時(shí)邊坡區(qū)的應(yīng)力狀態(tài)：σ1為順坡向陡傾的壓應(yīng)力；σ2為平行邊坡走向并近水平的壓應(yīng)力；σ3為垂直邊坡走向、近水平的拉應(yīng)力.當(dāng)｜σ3｜＞巖體等效抗拉強(qiáng)度σtop時(shí)，邊坡上部巖土體中，會(huì)產(chǎn)生平行邊坡走向的陡傾拉張縫，即邊坡滑動(dòng)前，常在滑動(dòng)體后緣出現(xiàn)長(zhǎng)、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(shí)儲(chǔ)水構(gòu)造，促發(fā)滑坡與泥石流.邊坡上的巖體，存在隨機(jī)不連貫的破裂面，有較高的等效抗拉強(qiáng)度值，一般處于有一定安全度的暫穩(wěn)狀態(tài).當(dāng)邊坡出現(xiàn)拉應(yīng)力作用，處于拉伸圓狀態(tài)時(shí)，其最大應(yīng)力差（σ1－σ3）達(dá)巖體抗裂強(qiáng)度（σF）時(shí)，即σ1－σ3＝σF≈30～50MPa，巖體中不利結(jié)構(gòu)面會(huì)產(chǎn)生張剪性破裂與擴(kuò)展，形成邊坡區(qū)持續(xù)性的累進(jìn)破壞與衰變.高邊坡區(qū)應(yīng)力態(tài)勢(shì)的物理模型特征，具由壓到拉，不斷往復(fù)變化著的應(yīng)力橢球體.當(dāng)｜－σ3｜＝σ1時(shí)，其三維莫爾圓的偏應(yīng)力σd＝0，八面體剪應(yīng)力τ8＝c.若｜－σ3｜繼續(xù)增加，則莫爾包絡(luò)線呈反時(shí)針?lè)较虻呢?fù)斜率，偏應(yīng)力σd亦為負(fù)，顯現(xiàn)了莫爾包絡(luò)線的虛數(shù)方程部分，反映了反作用力的影響與特點(diǎn).當(dāng)｜－σ3｜繼續(xù)增加，其負(fù)斜率呈陡峻增加，表明反應(yīng)力作用的破裂為拉裂脆斷，由于受邊界條件與側(cè)壓力的制約，在拉張破裂過(guò)程中，又有側(cè)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(shì)特征，具正反作用力的復(fù)雜演繹過(guò)程，對(duì)反應(yīng)力的作用影響，也應(yīng)像采用正應(yīng)力作全面研究那樣，作簡(jiǎn)淺有效性全面研究.用三維應(yīng)力圓與莫爾包絡(luò)線研究相關(guān)問(wèn)題，除正應(yīng)力應(yīng)變所獲實(shí)數(shù)方程外，還應(yīng)重視反應(yīng)力應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)等廣闊空間，尚無(wú)研究先例，亟需求索.

邊坡上巖體承受太陽(yáng)輻射能，由于巖性、構(gòu)造、地形、地貌、光照面的時(shí)序與長(zhǎng)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(dǎo)體，所以吸熱與放熱的往復(fù)具復(fù)雜多變情況，長(zhǎng)期具等效一致性，而短期則有巨大差異的突變，甚至導(dǎo)致突發(fā)性災(zāi)變，因此作多因素權(quán)值的分區(qū)分類，以供防災(zāi)研究，具較強(qiáng)的迫切性.巖體受太陽(yáng)輻射吸熱時(shí)，在同一法向平面上，各側(cè)均受同一熱能，無(wú)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(shì).巖體遭低溫籠罩時(shí)，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(yīng)力，造成巖體下部節(jié)理的拉張與擴(kuò)展.表部巖體若存在巖性差異與結(jié)構(gòu)性變化，可能產(chǎn)生冷縮性差異，發(fā)生側(cè)向開(kāi)裂.氣溫往復(fù)變遷，促使巖體力學(xué)特性不斷衰變劣化和向深部擴(kuò)展.大型、高速、遠(yuǎn)距離滑行的滑坡，滑前均有累進(jìn)破壞的儲(chǔ)能過(guò)程，如聽(tīng)到深部開(kāi)裂的沉悶轟鳴，禽畜不安、鼠蛇遠(yuǎn)遁等，灑洛山、瓦央、新灘、鹽池河礦等滑坡，均有這一發(fā)展過(guò)程的記載.這些滑坡滑后的滑體展布，無(wú)法用平衡理論概念按已有理論進(jìn)行反演得出相似性，以反應(yīng)力應(yīng)變作反演求算，可獲較優(yōu)工程解，并可正確揭示其形成機(jī)理.

溫度變化所形成的長(zhǎng)期影響，不但使巖石力學(xué)特性不斷劣化，也使巖體的水力學(xué)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(tīng)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(dòng)、靜水壓力等；對(duì)松散巖體中的塊狀體，使其所具隱微結(jié)構(gòu)面顯現(xiàn)與擴(kuò)展，增強(qiáng)了對(duì)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(xì)?；プ?堅(jiān)硬巖體，具質(zhì)地致密，孔隙性小，透水微弱的特點(diǎn)，其透水性，主要由斷裂節(jié)理等破裂面所決定.堅(jiān)硬巖體中單個(gè)破裂面的滲透系數(shù)，與破裂面的凈寬平方成正比.經(jīng)嚴(yán)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(gè)破裂面，產(chǎn)生微米級(jí)的擴(kuò)張，成為直徑小于飛米級(jí)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(yīng)力場(chǎng)；滲水的靜水水壓，加大了水的楔入作用.兩效應(yīng)的疊加，促使破裂面擴(kuò)張，并向下、向周邊成擴(kuò)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(qiáng)匿動(dòng)力，造成巖石力學(xué)與水力學(xué)的劣變，極易發(fā)生崩滑與泥石流的地質(zhì)災(zāi)變.但往往僅歸咎于地下水動(dòng)、靜水壓的影響，對(duì)墑、熵情變化，墑熵相互影響，衍生匿動(dòng)力的危害效應(yīng)，未引起注意與預(yù)防措施，缺對(duì)墑熵情條件的保護(hù)意識(shí)，難達(dá)充分有效.在水利水電工程的庫(kù)壩區(qū)，因墑變而引起工程的水文地質(zhì)條件的劣變與處理，均有完整的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)成果及補(bǔ)強(qiáng)處理的系統(tǒng)記載，在眾多工程實(shí)例的長(zhǎng)期探索中，終于形成現(xiàn)在的理性認(rèn)識(shí).其中上猶江水電站大壩右岸繞滲處理實(shí)例最為典型，該電站1957年建成蓄水發(fā)電，經(jīng)過(guò)嚴(yán)冬發(fā)現(xiàn)右岸繞滲，經(jīng)長(zhǎng)期多次采用多種水泥、化學(xué)灌漿，環(huán)氧封堵，每次竣工均見(jiàn)好的效果，但經(jīng)過(guò)寒冬，又發(fā)生滲漏，直到1998年，經(jīng)過(guò)兩次大壩全面安檢，經(jīng)時(shí)空態(tài)地全面檢查與分析對(duì)比，才建立了熵變對(duì)水文地質(zhì)影響的認(rèn)識(shí)，并由五強(qiáng)溪水電站的長(zhǎng)期觀測(cè)成果獲佐證.五強(qiáng)溪壩基P3與P4滲壓觀測(cè)孔壓的升降波動(dòng)，與寒暑波動(dòng)相關(guān)，壩基后部微量滲水的波動(dòng)，與尾水位升降和寒暑波動(dòng)呈雙峰相關(guān)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(dòng)，馬爾帕寨薄拱壩左岸潰決的形成機(jī)理，獲滿意工程解.

顯然，運(yùn)用反應(yīng)力應(yīng)變巖石力學(xué)理念，研究西部高邊坡巖土工程問(wèn)題以及水利水電工程建設(shè)問(wèn)題，具實(shí)用性和前瞻性特點(diǎn).

5 結(jié) 語(yǔ)

反應(yīng)力應(yīng)變的地質(zhì)跡象，是自然條件下一種外營(yíng)力作用的結(jié)果.反應(yīng)力與重力共同賦存于物體的輳力場(chǎng)中，兩者的合力形成近水平的拉平勢(shì)場(chǎng)力.反應(yīng)力為暗能，是匿動(dòng)力，又具隱與顯的變化，易被重力概念所屏蔽；反應(yīng)力應(yīng)變中往復(fù)式大小變化與巖體累進(jìn)破壞，呈脈沖式平緩演變，易被流變概念所替代.對(duì)反應(yīng)力影響注意不夠，在工程問(wèn)題研究中缺對(duì)所有因素的全面考慮，形成防治措施的過(guò)或不足.

自然與工程區(qū)域的巖體，在降溫環(huán)境中會(huì)產(chǎn)生冷縮，形成上大下小的冷縮拉應(yīng)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(dǎo)致節(jié)理破裂擴(kuò)張，派生向外頂沖的波子力.由此往復(fù)演變?cè)斐衫圻M(jìn)破壞與能量積聚，可導(dǎo)致隱蔽、突發(fā)性、遠(yuǎn)距性較大滑坡、泥石流的災(zāi)難性災(zāi)變的“成災(zāi)模式”［2］.反應(yīng)力應(yīng)變的物理模型，為側(cè)壓限制拉伸型，呈拉裂抗切或拉裂側(cè)向抗剪破壞，屬脆斷性，會(huì)突發(fā)性釋放能量.當(dāng)累進(jìn)破壞達(dá)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(yuǎn)距滑坡.

熵變引起巖體力學(xué)的累進(jìn)衰變，也引起巖體的墑變與水力學(xué)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(fù)影響，促使巖體的巖石力學(xué)與水文地質(zhì)力學(xué)的不斷衰變劣化.山體表層，似為寧?kù)o的固定態(tài)勢(shì)，實(shí)際受自身暗能影響形成往復(fù)波動(dòng)的匿動(dòng)力作用，處于緩慢的累進(jìn)破壞狀態(tài).如遇環(huán)境急劇變化，則產(chǎn)生劇烈作用而導(dǎo)致劣變.因此，在西部大開(kāi)發(fā)中，進(jìn)行反應(yīng)力應(yīng)變的巖石力學(xué)與水文地質(zhì)力學(xué)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(guó)巖石力學(xué)與工程學(xué)會(huì)，巖石動(dòng)力學(xué)專業(yè)委員會(huì).第三屆全國(guó)巖石動(dòng)力學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議“論文選集”［C］.武漢：武漢測(cè)繪科技大學(xué)出版社，1992：110－115.

［2］ 呂宗恕，唐 靖.中國(guó)還有多少個(gè)“舟曲”在潛伏？［J］.讀報(bào)參考，2010（25）：20－21.