岩石力学论文--草稿本

岩爆是高地应力条件下地下工程洞室开挖过程中，因开挖卸荷引起洞室周边围岩产生径向应力r降低、切向应力增高的应力分异作用，储存于硬脆性围岩中的弹性应变能突然释放且产生爆裂脱落、剥离、弹射甚至抛掷性等破坏现象的一种动力失稳地质灾害，它直接威胁施工人员、设备的安全，影响工程进度，以成为世界性的地下难题之一。根据国内外研究现状，笔者将岩爆烈度可以划分为轻微、中等、强烈、剧烈四级，其中/Rb的对应关系是经实例测试总结所得。近几十年来，国内外很多专家、学者在岩爆形成机理、预测预报等方面做了大量研究。有的学者认为岩爆是剪破裂；也有的学者根据自己的观察和试验结果的得出张破裂的结论；还有一种观点得出产生岩爆的岩体破坏过程分为劈裂成板条→剪（切）断成块→快片弹射三个阶段式破坏。E·Hoek(霍克)认为岩爆是高地应力区洞室围岩剪切破坏作用的产物。Mastin和Haimson通过有圆孔的砂岩岩板进行单向压缩模拟试验，砂岩板发生孔壁崩落现象，他们得出这一现象是由于孔壁应力集中破坏所引起，系统性破坏。我国专家杨淑清教授通过对天生桥引水隧洞岩爆机制物理模拟试验，总结出岩爆造成围岩劈裂破坏和剪切破坏的两种机制。劈裂破坏属脆性断裂，而剪破坏是岩石应力达到峰值强度状态的破坏；前者形成的破裂面与洞壁平行，后者则相交。谭以安博士认为岩爆为一个渐进破坏过程。王兰生教授在二郎山隧道岩爆研究基础上，认为岩爆机理的基本表现形式是压致拉裂、压致剪切拉裂和弯曲鼓折。王青海教授等按岩爆形成的力学表现形式，将岩爆分为劈裂破坏型、剪切破坏型和弯折内鼓型三种形式。目前有关岩爆的研究，主要通过室内单轴压缩试验或者三轴试验，如郭志等得到了大量的试验数据并进行了数据分析。另一种研究岩爆的方式就是数值模拟，建立适当模型，通过数值分析软件进行预测分析。需要着重指出的是，诱发岩爆的因素主要是人类活动开挖洞室改变了地下岩体的赋存空间，而这个改变了的赋存空间又与周围围岩相互作用。引起岩爆的原因有很多，比如岩石性质、围岩应力、隧洞开挖方式及开挖速度等等。正是因为因素较多，才给研究岩爆的机制，建立岩爆的判据带来了许多困难。但是，在这诸多的因素中，必然有一种起着决定作用的因素，应当全力抓住决定性的因素进行分析，才能反映事物的本质。我们认为：岩性和围岩应力条件是岩爆发生的决定性因素。岩石的性质是岩爆发生的内因，是第一位的因素。围岩应力是岩爆发生的外因，是岩爆发生的必然条件。只有同时具备上述两种因素，才有可能发生岩爆。通过大量现场调查，人们已经证实岩爆发生时，总是要突然释放许多能量，这是岩爆区别于外因的基本特征。因此，从能量的观点出发研究岩爆的规律，建立岩爆的判据是比较合理的。实际上，上述岩爆的两个主要因素完全可以用能量来描述，并建立起岩爆的能量判据。（一）、岩性条件从岩性上看，并不是所有的岩石都会产生岩爆。根据现场调查可以发现：产生岩爆的岩石都是新鲜完整，质地坚硬，性脆，抗压强度较高，线弹性特征明显及没有或很少有裂隙；相反，那些结构松散、弹性模量小、抗压强度低、含水量高的岩石则不易发生岩爆。分析岩石的全程应力-应变关系可以解释这一现象。全程应力-应变曲线与应变轴所围的面积，反映了岩石变形过程中能量变化的关系。（二）、围岩能量条件如果具备了岩爆德尔岩性条件，即Wqx1.5,还不能断言岩爆发生与否。这是因为岩爆还与围岩能量或应力有关，在地下开挖洞室后，原有的地应力场被破坏，围岩内的应力场重新分布并在局部产生应力集中。从能量意义上讲，岩体受力变形后讲积蓄应变能，开挖洞室后由于临空面的形成能量进一步积聚，当达到某一极限后，将在某些薄弱位置突然释放出来，产生岩爆。因此，围岩内积蓄有大量的弹性能是产生岩爆的物质条件。实际上，岩爆多发生于高地应力区也就是这个道理。一般认为，要产生严把，首先要发生岩石破坏，前面说过岩石破坏必定要消耗能，消耗能越大，释放出的能就小，产生岩爆的可能性也小。从这个意义上讲，可以定量给出岩爆的围岩能量条件。隧洞开挖后，洞壁处于二维应力状态，对于圆截面隧洞一般有，=1，1=2，l=3=0，设围岩的弹性模量为E，泊松比为，那么弹性比能u=（l2+2-2l）/2E式中：——洞室的环向应力；1、2、3——主应力l——洞室的轴向应力至于在二维应力状态下，岩石破坏时所耗散的能，显然与l/的比值有关，而该比值有无穷多种，因此仅靠试验很难找出二维应力状态下岩石破坏的散耗能。考虑到能量是一标量，它只是数值的大小，而与应力状态无关。故可假设不论在什么复杂应力状态下，只要围岩内某处的弹性应变能超过单向应力状态下岩石破坏所消耗的能，就有可能产生岩爆。于是得出岩爆的围岩能量条件是：u=（l2+2-2l）/2EH脆性破坏的力学模型、（一）格里菲斯准则反映岩石破裂的准则，其强度准则可表达如下：对于二维情形中的主应力1，3（以压应力为正），如果（1-3）2=8t(1+3)若1+30（1）3=-t若1+330（2）则发生破裂，其中：t为岩石的抗拉强度。（1）式的摩尔包络线方程为：=4t（t+）（3）它是一条抛物线方程（见图2-1），其中：为裂纹面的法向正应力。库仑-纳维叶准则是描述岩石拉剪破坏或压剪破坏的准则，其强度准则可写成下式：1[(f2+1)1/2-f]-3[(f2+1)1/2+f]=4t（4）它也可以写成库仑-纳维叶准则形式：1=c+f=2t+f（5）其中：f为裂隙的摩擦系数;c为粘聚力。（4）或（5）是一条直线方程（见图2-1）。（1）挪威学者巴顿（Barton）判别式根据Barton给出的岩爆判别式=c/t，有1=（0.2~0.4）c(中岩爆)10.4c(强岩爆)式中，c为岩石单轴抗压强度；1为围岩主应力；为系数。（2）挪威学者鲁森斯（Russenes）判别式Russenes根据洞石的最大切向应力m，与岩石的径向点荷载强度Is建立了岩爆烈度关系图。按照c=22Is(50)的关系，把岩石的点荷载强度换算成常用的单轴抗压强度，并根据Russenes图上的斜率得m，0.2c(无岩爆)0.2cm，0.3c(弱岩爆)0.3cm，0.55c(中岩爆)m，0.55c(强岩爆)按上式绘出用c，m，表示的岩爆烈度图。(3)候光亮等建立的强度公式候光亮等建立的公式，考虑了围岩应力1和2组合的情况，两个应力的组合状态不同，发生岩爆的条件是不同的。我们把岩爆划分为五级，为了便于比较，改为四级，并只考虑2/1=0.5的一种组合状态，有判别式如下。根据下式画出岩爆的烈度图。10.3c(无岩爆)0.3c10.37c(弱岩爆)0.37cm，0.62c(中岩爆)m，0.62c(强岩爆)岩爆理论的综述1、能量理论人们普遍认识到岩体中应变能的集中在岩爆的发生中起着举足轻重的作用。但是，直到1956年，才由库仑等人经过一系列的岩爆试验研究，提出了基于试验结果的能量理论。由于这个理论没有考虑岩爆的时间因素和空间因素，所以并不完善，后来又经过一些学者的修正，提出了如下岩爆的能量判据：EN=ｐＥＥNNｅ=lpllpdfdfdf)()()(2012。其中，EN为能量指标，等于岩体中所集中的弹性应变能ENe与发生塑性变形所消耗的能量ENp之比,依据这个指标，对岩爆的发生可作如下判断：1）当EN2.0时，不易发生岩爆；2）当2.0EN5.0时，中等可能发生岩爆；3）当EN5.0时，最有可能发生岩爆。2、强度理论霍克认为一种被称为岩石强度指标的指标可以作为地下开挖面的失稳判据。这个指标就是RSi，它是最大主应力值与单轴压缩强度比值的3倍，即RSi=31/Sc。依据这个指标有如下判据:当时RSi0.2，发生岩爆可能性低；当RSi=0.2~0.4时，发生岩爆可能性中等；当时RSi=0.4~0.6时，发生岩爆可能性高；当时RSi=0.6~0.8时，发生岩爆可能性很高；当时RSi=0.8~1.0时，发生岩爆可能性极高；当时RSi1.0时，发生岩爆。由此可以看出，能量理论以岩石的单轴抗压为度量标准，从围岩的静力平衡条件出发，将各种强度准则作为岩爆的判据，这种理论没有明确的机理作为依据，只是根据单轴试验现象得出依据，不能准确解释岩块（片）的弹射机理。3、刚度理论刚度理论的产生源于刚性压力机，此理论由布莱克将其发展和完善，他认为矿体的刚度大于围岩的刚度是产生冲击地压的必然条件。但是由于这种理论主要用于解释煤矿冲击地压和矿柱岩爆问题，所以使用并不广泛。我国阜新矿院认为岩爆取决于岩石加载过程的刚度与应力达到峰值以后卸载过程的刚度比值，并提出以刚度为参数的冲击性指标：FCF=smKK。其中，Km为应力应变全过程曲线上加载过程的刚度；|Ks|为应力应变全过程曲线达到峰值后的刚度。当FCF1时，就是岩爆发生的可能。4、其他理论除了以上介绍的几种岩爆理论以外，还有许多理论如分形维数理论、冲击倾向性理论、微重力理论、失稳理论以及综合理论等来表达岩爆的方式机理。结论1、岩爆的主要因素是岩石性质和围岩应力，二者都必须同时达到一定的条件才有可能发生岩爆，缺一不可。不同的岩性，其岩爆的临界围岩应力不同。2、洞室开挖是一动态过程，因而洞室围岩应力也是变化的。岩爆发生的部位与围岩应力分布密切相关。环向应力在岩爆中起主要作用，但从能量观点出发轴向应力1也起作用。数值分析结果表明max出现在离掌子面一倍洞径处，天生桥隧洞大量统计资料证实，岩爆恰发生在这一位置。3、在Wqx~/c关系图上，有两个不出现岩爆的区域。一是Wqx1.5区域，这里不论围岩应力多大都不会产生岩爆；一是在某一临界围岩应力值以下的区域，这里不论Wqx多大也不会产生岩爆。岩爆发生的地应力条件地下工程实践中，通常将大于20MPa的硬质岩体内的初始地应力称为高地引力。高地应力是岩爆发生的必要条件。初始地应力高，可能是构造应力造成的，也可能是洞室埋藏深度较大所致；因而实录岩爆现象可以发生在浅部，也可以发生在深部地下工程洞室围岩中。因此，岩爆发生与否与地下工程洞室埋深状况并不存在着密切的对应关系。国内外工程实践还表明，岩爆发生部位主要集中在于岩体初始地应力场中最大主应力1相垂直的洞室主应力作用面上、下角隅处附近。高地应力区隧道等地下工程洞室开挖后，其周围围岩二次应力场中产生的切向应力和径向应力r的强烈分异作用则是直接导致岩爆发生的重要原因之一。目前，国内外学者多将洞室洞壁切向应力和岩石单轴抗压强度Rb之比值/Rb作为岩爆的重要判据，然而在该判据临界值的取值上却有较大的争议。根据上述现场测试结果进行综合分析可知，无岩爆活动洞段，max/Rb0.3；轻微岩爆活动洞段，max/Rb介于0.3~0.5之间；中等岩爆活动洞段，max/Rb介于0.5~0.7之间；发生强烈岩爆活动时，max/Rb比值则大于0.7。这为探讨岩爆发生的应力条件提供了重要的科学依据。岩体结构及其性能条件岩体结构及其性能条件是岩爆发生与否的物质基础。按照我国公路隧道设计规范（JTJ026-90）中的围岩分类，岩爆主要发生在IV、V类围岩中，它不发生在非常完整的围岩中，也不发生在节理裂隙很发育的II、III类围岩中，具有明显的岩体结构效应。发生岩爆的岩石通常为高弹性储能的硬脆性岩浆岩（如花岗岩、花岗闪长岩、闪长岩等）和灰岩、白云岩、砂岩等沉积岩以及混合花岗岩、花岗片麻岩、片麻岩、石英岩、大理岩等变质岩。地质构造条件地下工程中岩爆的发生也与地质构造条件关系较为密切，这些岩爆总体上可以划分为以下三种类型:第一种类型的岩爆主要发生在最大主应力近于水平的高地应力区和地壳中构造应力较为集中的部位（如褶皱翼部等），在水平构造应力长期作用下，岩体内储存了足以导致岩爆的弹性应变能，一般水平应力H与垂直应力v的比值H/v1.2,H与水平面夹角