巖石力學(xué)論文

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1、巖爆是高地應(yīng)力條件下地下工程洞室開挖過程中，因開挖卸荷引起洞室周邊圍巖產(chǎn)生徑向應(yīng)力降低、切向應(yīng)力增高的應(yīng)力分異作用，儲(chǔ)存于硬脆性圍巖中的彈性應(yīng)變能突然釋放且產(chǎn)生爆裂脫落、剝離、彈射甚至拋擲性等破壞現(xiàn)象的一種動(dòng)力失穩(wěn)地質(zhì)災(zāi)害，它直接威脅施工人員、設(shè)備的安全，影響工程進(jìn)度，以成為世界性的地下難題之一。根據(jù)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，筆者將巖爆烈度可以劃分為輕微、中等、強(qiáng)烈、劇烈四級(jí)，其中/Rb的對(duì)應(yīng)關(guān)系是經(jīng)實(shí)例測(cè)試總結(jié)所得。近幾十年來，國內(nèi)外很多專家、學(xué)者在巖爆形成機(jī)理、預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)等方面做了大量研究。有的學(xué)者認(rèn)為巖爆是剪破裂；也有的學(xué)者根據(jù)自己的觀察和試驗(yàn)結(jié)果的得出張破裂的結(jié)論；還有一種觀點(diǎn)

2、得出產(chǎn)生巖爆的巖體破壞過程分為劈裂成板條→剪（切）斷成塊→快片彈射三個(gè)階段式破壞。E·Hoek(霍克)認(rèn)為巖爆是高地應(yīng)力區(qū)洞室圍巖剪切破壞作用的產(chǎn)物。Mastin和Haimson通過有圓孔的砂巖巖板進(jìn)行單向壓縮模擬試驗(yàn)，砂巖板發(fā)生孔壁崩落現(xiàn)象，他們得出這一現(xiàn)象是由于孔壁應(yīng)力集中破壞所引起，系統(tǒng)性破壞。我國專家楊淑清教授通過對(duì)天生橋引水隧洞巖爆機(jī)制物理模擬試驗(yàn)，總結(jié)出巖爆造成圍巖劈裂破壞和剪切破壞的兩種機(jī)制。劈裂破壞屬脆性斷裂，而剪破壞是巖石應(yīng)力達(dá)到峰值強(qiáng)度狀態(tài)的破壞；前者形成的破裂面與洞壁平行，后者則相交。譚以安博士認(rèn)為巖爆為一個(gè)漸進(jìn)破壞過程。王蘭生教授在二郎山隧道巖爆研究

3、基礎(chǔ)上，認(rèn)為巖爆機(jī)理的基本表現(xiàn)形式是壓致拉裂、壓致剪切拉裂和彎曲鼓折。王青海教授等按巖爆形成的力學(xué)表現(xiàn)形式，將巖爆分為劈裂破壞型、剪切破壞型和彎折內(nèi)鼓型三種形式。目前有關(guān)巖爆的研究，主要通過室內(nèi)單軸壓縮試驗(yàn)或者三軸試驗(yàn)，如郭志等得到了大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)并進(jìn)行了數(shù)據(jù)分析。另一種研究巖爆的方式就是數(shù)值模擬，建立適當(dāng)模型，通過數(shù)值分析軟件進(jìn)行預(yù)測(cè)分析。需要著重指出的是，誘發(fā)巖爆的因素主要是人類活動(dòng)開挖洞室改變了地下巖體的賦存空間，而這個(gè)改變了的賦存空間又與周圍圍巖相互作用。引起巖爆的原因有很多，比如巖石性質(zhì)、圍巖應(yīng)力、隧洞開挖方式及開挖速度等等。正是因?yàn)橐蛩剌^多，才給研究巖爆的機(jī)制，

4、建立巖爆的判據(jù)帶來了許多困難。但是，在這諸多的因素中，必然有一種起著決定作用的因素，應(yīng)當(dāng)全力抓住決定性的因素進(jìn)行分析，才能反映事物的本質(zhì)。我們認(rèn)為：巖性和圍巖應(yīng)力條件是巖爆發(fā)生的決定性因素。巖石的性質(zhì)是巖爆發(fā)生的內(nèi)因，是第一位的因素。圍巖應(yīng)力是巖爆發(fā)生的外因，是巖爆發(fā)生的必然條件。只有同時(shí)具備上述兩種因素，才有可能發(fā)生巖爆。通過大量現(xiàn)場調(diào)查，人們已經(jīng)證實(shí)巖爆發(fā)生時(shí)，總是要突然釋放許多能量，這是巖爆區(qū)別于外因的基本特征。因此，從能量的觀點(diǎn)出發(fā)研究巖爆的規(guī)律，建立巖爆的判據(jù)是比較合理的。實(shí)際上，上述巖爆的兩個(gè)主要因素完全可以用能量來描述，并建立起巖爆的能量判據(jù)。（一）、巖性條件

5、從巖性上看，并不是所有的巖石都會(huì)產(chǎn)生巖爆。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查可以發(fā)現(xiàn)：產(chǎn)生巖爆的巖石都是新鮮完整，質(zhì)地堅(jiān)硬，性脆，抗壓強(qiáng)度較高，線彈性特征明顯及沒有或很少有裂隙；相反，那些結(jié)構(gòu)松散、彈性模量小、抗壓強(qiáng)度低、含水量高的巖石則不易發(fā)生巖爆。分析巖石的全程應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系可以解釋這一現(xiàn)象。全程應(yīng)力-應(yīng)變曲線與應(yīng)變軸所圍的面積，反映了巖石變形過程中能量變化的關(guān)系。（二）、圍巖能量條件如果具備了巖爆德爾巖性條件，即Wqx>1.5,還不能斷言巖爆發(fā)生與否。這是因?yàn)閹r爆還與圍巖能量或應(yīng)力有關(guān)，在地下開挖洞室后，原有的地應(yīng)力場被破壞，圍巖內(nèi)的應(yīng)力場重新分布并在局部產(chǎn)生應(yīng)力集中。從能量意義上講，巖體

6、受力變形后講積蓄應(yīng)變能，開挖洞室后由于臨空面的形成能量進(jìn)一步積聚，當(dāng)達(dá)到某一極限后，將在某些薄弱位置突然釋放出來，產(chǎn)生巖爆。因此，圍巖內(nèi)積蓄有大量的彈性能是產(chǎn)生巖爆的物質(zhì)條件。實(shí)際上，巖爆多發(fā)生于高地應(yīng)力區(qū)也就是這個(gè)道理。一般認(rèn)為，要產(chǎn)生嚴(yán)把，首先要發(fā)生巖石破壞，前面說過巖石破壞必定要消耗能，消耗能越大，釋放出的能就小，產(chǎn)生巖爆的可能性也小。從這個(gè)意義上講，可以定量給出巖爆的圍巖能量條件。隧洞開挖后，洞壁處于二維應(yīng)力狀態(tài)，對(duì)于圓截面隧洞一般有，=，=，==0，設(shè)圍巖的彈性模量為E，泊松比為，那么彈性比能u=（2+2-2）/2E式中：——洞室的環(huán)向應(yīng)力；、、——主應(yīng)力——洞室

7、的軸向應(yīng)力至于在二維應(yīng)力狀態(tài)下，巖石破壞時(shí)所耗散的能，顯然與/的比值有關(guān)，而該比值有無窮多種，因此僅靠試驗(yàn)很難找出二維應(yīng)力狀態(tài)下巖石破壞的散耗能?？紤]到能量是一標(biāo)量，它只是數(shù)值的大小，而與應(yīng)力狀態(tài)無關(guān)。故可假設(shè)不論在什么復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下，只要圍巖內(nèi)某處的彈性應(yīng)變能超過單向應(yīng)力狀態(tài)下巖石破壞所消耗的能，就有可能產(chǎn)生巖爆。于是得出巖爆的圍巖能量條件是：u=（2+2-2）/2E>脆性破壞的力學(xué)模型、（一）格里菲斯準(zhǔn)則反映巖石破裂的準(zhǔn)則，其強(qiáng)度準(zhǔn)則可表達(dá)如下：對(duì)于二維情形中的主應(yīng)力，（以壓應(yīng)力為正），如果（-）2=8(+)若