高地应力硬脆性围岩破坏影响因素分析.pdf

第 2 4卷 2 01 0征 第 6期 1 2月 Vo 1 2 4 No 6 De c。2 01 0 文章编号：1 0 0 7 2 9 9 3(2 0 1 0)0 6 0 2 8 2 0 5 高地应力硬脆性围岩破坏影响因素分析 吴清星 刘 斌。张晓欣(1 中 国地质大学(北京)工程技术学 院，北京 1 0 O O 8 3 2 河南省有色金属地质矿产局，郑州 4 5 0 0 1 6 3 中国航空综合技术研究所，北京 1 0 0 0 2 8 4 中航勘察设计研究院，北京 1 0 0 0 9 8)【摘要】地应力对硬脆性岩体稳定性具有极为重要作用 已有研究主要集中于脆性破坏方式及其是否发生的预测上，而对地应力、洞形等因素与脆性破坏深度间关系的研究较为少见。基于硬脆性岩体脆性破坏准则，利用 E x a mi n e 2 D软件，分 析不同地应力环境及洞形时围岩脆性破坏深度 变化情况。结果表明：最小主应力量值较低时，破坏深度 d 与主应力比 k 近似为直线关系，较高时则为非线性增长；随着k值增加，屈服范围逐渐偏离最小主应力方向4 5。夹角发展；洞室断面长宽相近 时，主应力方向较主应力量值对 的影响小 相同应力量值不同主应力方向 破坏位置不同，深度变化较小。洞形不同应力集 中系数不同，选择 长短 轴长度之 比与应力 比 k相接 近的椭圆形谐洞，可有效降低破坏 深度。【关键词】高地应力；脆性破坏；硬脆性围岩；洞形【中图分 类号】T U 4 5 【文献标识码】A d o i：1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 7 2 9 9 3 2 0 1 0 0 6 0 0 3 I nf l u e n c e o f Di f f e r e nt Fa c t o r s o n Ha r d Ro c k Br i t t l e Fa i l u r e i n Hi g h I n-s i t u St r e s s W u Qi n g x i n g 。L i u Bi n。Z h a n g Xi a o x i n (1 S c h o o l o f E n g i n e e r i n g a n d T e c h n o l o g y，C h i n a Un i v e r s i t y o f Ge o s c i e n c e s，B e ij i n g 1 0 0 0 8 3，C h i n a；2 He n a n Pr o v i n c i a l No n-f e r r o u s Me t a l Ge o l o g i c a l a n d Mi n e r a l Re s o u r o e s B u r e a u，Z h e n g z h o u 4 5 0 0 1 6 He n a n，Ch i n a；3 Ch i n a Ae r o-P o l y t e c h n o l o g y Es t a b l i s h me n t B e i j i n g 1 0 0 0 2 8，C h i n a；4 AVI C I n s t i t u t e o f Ge o t e c h n i a c l En g i n e e r i n g，Be i j i n g 1 0 0 0 9 8 Ch i n a)A b s t r a c t Th e i n-s i t u s t r e s s i s o b v i o u s l y i mp o r t a n t t o t h e s t a b i l i t y o f t h e u n d e r g r o u n d o p e n i n g i n b r i t t l e h a r d r o c k Pr e v i o u s r e s e a r c h e s g e n e r a l l y f o c u s e d o n t h e b r i t t l e f a i l u r e f a s h i o n a n d i t s p r e d i c t i o n t h e r e l a t i o n o f t h e i n-s i t u s t r e s s a n d t h e d e p t h o f b r i t t l e f a i l u r e i s e x t r e me l y i n s u f f i c i e n t I n t h e p a p e r，b a s e d o n t h e b r i t t l e f a i l u r e c r i t e r i o n，t h e r e l a t i o n s h i p b e t we e n t h e d i f f e r e n t i n-s i t u s t r e s s e n v i r o n me n t，o p e n i n g s h a p e a n d t h e d e p t h o f b r i t t l e f a i l u r e d f h a v e b e e n a n a l y z e d b y Ex a mi n e 2 D s o f t wa r e Co n c l u s i o n s c a n b e d r a wn a s f o l l o ws：wi t h t h e i n c r e a s e o f p r i n c i p a l s t r e s s r a t i o k v a l u e，df s h o ws i n c r e a s e t r e n d i n t h e f o r m o f l i n e i n t h e l o w mi n i mu m p r i n c i p a l i n s i t u s t r e s s，i n t h e f o r m o f n o n l i n e i n t h e h i g h mi n i mu m p r i n c i p a l i n-s i t u s t r e s s a n d d a m a g e d r e g i o n d i v e r g e t h e d i r e c t i o n o f t h e mi n i mu m p r i n c i p a l s t r e s s t o t h e a n g l e o f 4 5。b e t we e n t h e mi n i mu m i n-s i t u s t r e s s Th e i n f l u e n c e o f t h e d i r e c t i o n o f p r i n c i p a l s t r e s s i s l o we r t h a n t h e v a l u e o f t h e p r i n c i p a l s t r e s s wh e n t u n n e l S l e n g t h s i mi l a r t o wi d t h Th e s i t e o f b r i t t l e f a i l u r e i s d i f f e r e n t wi t h d i f f e r e n t t u n n e l s h a p e i n t h e i d e n t i c a l i n-s i t u p r i n c i p a l s t r e s s e n v i r o n me n t，b u t t h e d e p t h o f b r i t t l e f a i l u r e i s mi n o r S t r e s s c o n c e n t r a t i o n f a c t o r i n d i f f e r e n t e x c a v a t i o n s h a p e i s d i f f e r e n t Th e d e p t h o f b r i t t l e f a i l u r e e f f e c t i v e l y r e d u c e d wh e n t h e p r o l a t e a x i s V S mi n o r a x i s e q u a l t o t h e k i n e l l i p s e c a v e r n Ke y w o r d s s o i l h i g h i n s J t u s t r e s s；b r J t t l e f a i l u r e；b r i t t l e h a r d r o c k；t u n n e l s h a p e 0引 言 近年来，我国水利水电设施、采矿工程及交通体 系等逐渐向地表深处延伸。随着埋深增加，地应力 对工程体稳定性的影 响愈发明显。低地应力环境，岩体完整性不同，围岩表现弹性响应、块体滑移和散 体型破坏。高地应力环境下，围岩则主要表现为应 基金项 目：国家 自然科学基金资助项 目(4 0 9 0 2 0 8 6)作者简介：吴清星，1 9 6 9年生，男，汉族，湖北潜江人，博士，主要从事岩土体稳定性方面的研究工作。E-ma i l：w u q i n g x i n g 2 0 0 8 1 6 3，c o rn n 术 r 技 程吲 n 工啦 土 n 岩 毗 吴清星等：高地应力硬脆性围岩破坏影 响因素分析 2 8 3 力控制型破坏叫。高地应力作用下脆性岩体积聚大 量弹性应变能，开挖临空面释放应力，易于发生突然 脆性破坏，如岩爆，亦包含如葱状剥落等其他形式静 态破坏 。关于 围岩 的脆性破 坏，Ma r t i n等l_ 3 3 _ 进 行了大量相关研究。已有研究多集中于脆性破坏机 理及其是否发生的预测上。J，对地应力环境不 同时 洞室围岩脆性破坏变化特征研究较少。所得半经验 公式方便于圆形地下洞室设计前期指导，但对其他 形状洞室却难 以适用，如 D 形、椭 圆形、城门洞形、长方形等，且未充分考虑洞形对脆性破坏特征 的影 响。为此，笔者在建立大量数值模拟实验的基础上，研究分析不同初始地应力环境对硬脆性围岩破坏特 征的影响，并对洞室形状变化对硬脆性 围岩破坏特 征进行对比分析。1 硬脆性岩体破坏准则及参数选取 地下洞室开挖，洞壁 围岩经历应力路径不 同稳 定性外观表现不 同，对于应力控制型破坏，由于洞壁 及其浅部围压较小，易于发生偏帮、剥落等脆性破坏 特征，并不表现出实验室 内较高围压下 的剪切破坏 特征(见图 1)。图 1 围岩复合强度包络线 Ma r t i n等 通过对大量地 下洞室围岩脆性破 坏及初始应力场进行统计分析后，得到洞室围岩脆 性破坏半经验公式 J 一 u f1 2 5 -0 5 l 0 1 (1)c 式中：为破坏深度，a为洞室半径，为岩石 单轴 抗压强度，a r m =3?一，其中 盯?、2为最大、最小初 始地应力。当 o。0 3 2 8时围岩将具有发生脆 性破坏的可能(见图 2)，且随着量值 的增加，破 坏深 度 比 d r a呈近似直线增长趋势。髫 O O 2 0 4 0 6 0 8 I 2 应力水平。一a 图 2 破坏 深度 随应 力水 平变化图 1 1破 坏 准 则 低围压应力作用下，硬脆性岩 石发生破坏时，主要是 由于围压粘 聚力 的丢失 而造成，摩 擦强度 在 围 压 启 裂 时 并 没 有 被 激 发，作 用 可 以 被 忽 略 。随着 围岩 屈服、应力量 值及角度 的变化，粘聚力及摩擦角在不 同的过程 中处于不 同的变化 历程，Ma r t i n 、Ha i j i a b d o l ma j i d等。提 出基 于弹性 模型的 一0强度准则 及 C WF S本构模 型。其 中 m一0强度准则应用较为广泛，其是在 Ho e k-B r o wn 经验强度准则 I 1 的基础上，针对 粘聚力 强度分量 及摩擦角 强度分 量作用 机理 不 同，假设 参数 A一 1 3而 得 到，即 口 一+(7 7 2+s)(2)、。一 一A(3)l 3 1 3 G (4)式 中：、为最大、最小主应力，u 为岩石单轴抗压 强度，、为与岩体材料参数，a为表征节理岩体特 征常数。1 2 参数 选取 Re a d、C h a n d l e r E 1 8于 Ma n i t o b a的 URL实验洞 开展 了一系列的科学试验，研究不 同洞室形状对 围 岩稳定性 的影 响。笔者 选取 URL实验 洞物 理参 数，利用弹性数 值分析 软件 E x a mi n e 2 D ，对不 同 初始地应力组合下，围岩脆性破坏变化特征进行对 比分析，物理力学参数见表 l。表 1 物理 力学 参数 2 1 8 6 4 2 O 1 O O O 0 2 8 4 岩土工程技术 2 0 1 0年第 6期 其 中：岩体弹性模量为 E 1 0 GP a，泊松 比 一 0 2 5，=1 0 MP a，单轴抗压强度为=1 0 0 MP a。2 地应力影响 2 1 最 大主应 力 比 不同最 大 主应力 与最 小 主应力 a。比值 是 (k=a l s)对 围岩破坏深度的影响见图 3，其中最小主 应力 国：1 0 MP a 为恒值，洞室为圆形，半径 a5 m。0 6 0 5 。，z O 1 0 1 1 2 1 4 1 6 1 8 2 2 2 2 4 2 6 2 8 3 应力 比=1 0-3 图 3 应力比对脆性破坏深度的影响 较低最小主应力 0 3 下，应力 比k值低于一定值 时，围岩并不发生脆性破坏见图 3，Ma r t i n E 胡等亦认 为当 大于 阀值 1 3时 围岩 发生脆性破 坏。应力比 k达到脆性破坏阀值后，破坏深度 比 d r 随 应力比 k值的增加，呈直线增加趋势。屈服及破坏 范围随应力 比值 k值的增加逐渐增大。不同应力组 合下，当应力 比 k值大于一定值时，屈服范围偏离主 应力方 向，偏转角度 逐渐 向 4 5。发展(见图 4)。k=3 0 3 1 0-1=4 5 D 图 4 不 同应力 比 k下 圆形洞室脆性破坏范 围 2 2最 小 主 应 力 地应力等级划分中通常利用应力强度 比或强度 应力 比方法，自最大主应力 与岩石单轴强度 之 间的比值关系判定工程 区所处低、中、高地应力等级 情况，未考虑最小主应力。的影响。随着地下构筑 物的开挖，围岩应力发生二次重分布，不同破坏系数 D(D：=：=0 =F(，)对应不同的稳定 类别和所需支护等级(见 图 5)，故而 对脆性破坏 具有一定的影 响。对脆性 破坏的影 响见 图 6，其 中 3 分别 为 1 0 MP a、1 2 MP a、1 5 MP a、2 0 MP a。0 02 0 4 0 6 0 8 1 0 1 2 1 4 1 6 破坏系数(D 一)图 5 破坏 系数与 H o e k-B r o w n稳定分类关系 2 1 5 丑 t 崔 05 0 1 1 2 1 4 1 6 1 8 2 2 2 2 4 2 6 2 8 3 应 力 比=0-3 图 6 最小主应力对脆性破坏深度的影响 由图 6可知，随着最小主应力的增加，围岩脆性 深度比发生不同变化特征，较小最小主应力环境下，d r 口与主应力 比k可近似为直线关系，较大最小主 应力环境下，脆性破坏深度 比与应力 比值之间与较 低最小主应力时明显不同，呈非线性关系。同时，相 同应力 比k下，随着最小主应力 的增加，即差应力 一。增加，围岩发生脆性破坏的深度逐渐增大，工 程设计中考虑最大主应力影响时亦应考虑最小主应 力 对 围岩稳定 的影 响。2 3主应 力方 向 随主应力方向偏转应力集 中系数 S C F(S C F=(3 a 。)分布特征亦发生相应变化，进而影响 脆性破坏分布特征。为此，利用矩形洞室对 比分析 主应力偏转对硬脆性 围岩脆性破坏变化特征，其 中 矩形宽 S 一5 m，高 H一4 m，同时为了对 比最小主 应力相同最大主应力变化时屈服破坏范围的变化特 征，此处对两种不同初始应力场下破坏深度 比进行 分析，所得结果见图 7。由图 7可知，不同主应力方 向及应力 比下岩体 屈服范围不同，较小应力 比、最大主应力水平分布时(一O。)，矩形洞室屈服范 围位于洞室左右边 角，随 着主应力方向逐渐偏转，屈服范围逐渐 自顶、底板向 两侧边墙转移。较大应力 比时，屈服范围分布虽随 主应力偏转而变化，但与较小应力 比情况下明显不 5 4 3 2 1 0 0 O O 0 口 2 g 吴清星等：高地应力硬脆性围岩破坏影响因素分析 2 8 5 同，如 一O。时，屈服 区主要位于顶底板附近。对于 长宽相近的洞室断面，随着初始主应力方向的偏转，破坏深度略有变化但量值较小。同时对 比分析 图 6、图 7可知，洞室断面长宽值相近时，主应力方向偏 转对于洞室围岩脆性破坏的影响主要集 中于脆性破 坏分布位置上，主应力方 向偏转较最小 主应力及应 力差值对脆性破坏深度的影响小。1 2 1 0 8 o 6 0 4 橙0 一O _ 2 0 4 0 6 O 3 1 0M P a I a 1=2 0l l P a I 1 0 M P a 0 l 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 O 7 0 8 O 9 O 主应力方向0(。)图 7 主应力方 向对脆性破坏深 度的影响 3 洞室形状影响 洞室形状不 同围岩二次应力场分布特征不 同，此处对 D形、圆形、椭 圆形及城 门洞形等实际工程 中典型洞室断面围岩二次应力场分布特征进行对 比 分析，结果见图 8。图 8 不 同洞形应 力集中系数 S C F 由图 8可知，物理力学参数、初始应力场等相 同 环境下，不 同洞室形状对 围岩二次应力场分布特征 的影响明显不 同。对 于 D形、圆形、椭 圆形及 城 门 洞形 四种不 同洞室断面，洞室形状不 同，应力集 中系 数 S C F相 应变化，对应脆 性破坏 深度及范 围亦 不 同。不 同洞室断面下，脆性破坏深度与最大、最小主 应力比值 k相关，志接近于 1时，圆形洞室脆性破坏 深度最小。走不等于 1时，如椭 圆洞室长轴方 向与 最大主应力方向平行，则相对其他洞室深度较小，当 其长短轴 比与 k较为接近时，其破坏深度最小，城门 洞形及 D形次之。对于不同洞室形状，脆性破坏应 力 比阀值不同，硬脆性 围岩地下岩石工程在满足工 程需求的基础上，应根据地应力实测结果选择相适 应 的洞室形状(见图 9)。对于主应力量值相差较大 时，椭 圆形洞室(谐洞)是减少 围岩脆性 破坏甚至于 降低岩爆地质灾害的最有利洞形。图 9 圆形、矩 形洞室脆性破坏深度随应力变化 图。4结 论 通过不同初始地应力环境及洞室形状等因素对 硬脆性围岩脆性破坏深度 的影响分析，得到 以下结 论：1)不 同初始应力环境对硬脆性围岩破坏深度影 响不 同，应力 比低 于 阀值 时，围岩不会 发生脆性破 坏。高于此阀值时，较低最小主应力下，洞室脆性破 坏随应力 比 忌值的增加呈直线增长，较高最小主应 力环境下，增长方式 自线性向非线性转变，工程设计 时考虑最大主应力影响时亦应考虑最小主应力对围 岩 稳定 的影 响。2)随着主应力 比 值的增加，围岩屈服形状逐 渐发生变化，圆形洞室屈服范围逐渐偏离主应力方 向，偏转角度 向与主应力夹角 4 5。夹角逐渐偏转。3)洞室断面长宽相 近时，主应力方 向对脆性破 坏的影响主要集 中于分布范围上。较小应力 比、最 大主应力水平分布时，矩形洞室屈服范 围位于洞室 左右边角，随着主应力方向逐渐偏转，屈服范围逐渐 自顶底板向两侧边墙转移，较大水平地应力环境，屈 服 区位于顶、底板。4)洞室形状不同，围岩应力集 中系数不同，脆性 破坏风险及特征相应不 同。实 际工程 中，满足工程 目的基础上，应根据初始地应力场特征，选择适宜的 洞室形状，降低工程风险。参考文献 1 朱焕春，R i c h a r d B，P a t r i c k A节理岩体数值计算方 法及其应用(一)：方法与讨论 J 岩石力学与工程 学报，2 0 0 4，2 3(2 0)：3 4 4 4 3 4 4 9 2 谭以安 岩爆烈度分级问题 J 地质论评，1 9 9 2，3 8 (5)1 43 9 443 2 8 6 岩土工程技术 2 0 1 0年第 6 期 3 MA R T C D，KA 1 S E R P K，M0 c R E Ar H n R Ho e k-Br o wn p a r a me t e r s f o r p r e d i c t i n g t h e d e p t h o f b r i t t l e f a i l u r e a r o u n d t u n n e l s J C a n a d i a n G e o t e c h n i c a l J o u r n a l，1 9 9 9，3 6(1)：1 3 6 1 5 1 i 4 I M A R T 口、J C n S e v e n t e e n t h C a n a d i a n C e o t e c h n i e a l c o l l o q u i u m：t h e e f f e c t o f c o h e s i o n l o s s an d s t r e s s p a t h o n b ri t t l e r o c k s t r e n g t h J C a n a d i a n G e o t e c h n i c a l J o u r n a l，1 9 9 7，3 4(5)：6 9 8 7 2 5 5 HAUA B D O L MA J I D V，MA RTI N C D，K AI S E R P K M o d e l i n g b r i t t l e f a i l u r e o f r o c k Pr o c e e d i n g s o f t h e F o u r t h No r t h Ame r i c a n Ro c k Me c h a n i c s S y mp o s i u m，S e a t t l e，W a s h i n g t o n A A B a l k e ma，Ro t t e r d a m，2 00 0：9 91 9 98 6 HA UAB D OL MA J I D V，K AI s E R P K B r i t t l e n e s s o f r o c k a n d s t a b i l i t y a s s e s s me n t i n h a r d r o c k t u n n e l i n g J T u n n e l l i n g a n d Un d e r g r o u n d S p a c e Te c h n o l o g y，2 0 0 3，1 8：3 5-4 8 7 E D E L B R 0 C D i f f e r e n t a p p r o a c h e s f o r s i mu l a t i n g b r i t t l e f a i l u r e i n t wo h a r d r o c k ma s s c a s e s：a p a r a me t r i c s t u d y J R o c k Me c h a n i c s a n d R o c k E n g i n e e r i n g，2 0 l O，4 3(2)：1 5 1-1 6 5 8 E D E L B R O C Nu me r i c a l mo d e l l i n g o f o b s e r v e d f a l l o u t s i n h a r d r o c k ma s s e s u s i n g a n i n s t a n t a n e o u s c o h e s i o n-s o f t e n i n g f r i c t i o n-h a r d e n i n g mo d e l J Tu n n e l l i n g a n d Un d e r g r o u n d S p a c e Te c h n o l o g y，2 0 0 9，2 4：3 9 8 4 0 9 r 9 DI E DE RI CHS M S Th e 2 0 0 3 Ca n a d i a n Ge o t e c h n i c a l Co l l o q u i u m：Me c h a n i s t i c i n t e r p r e t a t i o n a n d p r a c t i c a l a p p l i c a t i o n o f d a m a g e a n d s p a l l i n g p r e d i c t i o n c r i t e r i a f o r d e e p t u n n e l i n g J C a n a d i a n Ge o t e c h n i c a l J o u r n a l，2 0 0 7，4 4：1 0 8 2 1 1 1 6 -1 0 KAI S E R P K，D i e d e r i c h s M S，Ma r t i n C D，e t a 1 Un d e r g r o u n d wo r k s i n h a r d r o c k t u n n e l i n g a n d m i n i n g Ke y n o t e l e c t u r e a t Ge o En g 2 0 0 0，M e l b o u r n e，Au s t r a l i a，2 0 0 0 1 1 江权，冯夏庭，陈国庆 考虑高地应力下围岩劣化 的硬岩本构模 型研究 J 岩石力学与工程学报，2 0 0 8，2 7(1)：1 4 4 1 5 2 E 1 2 苏国韶，冯夏庭，江权，等 高地应力下地下工程稳 定性分析与优化的局部能量释放率新指标研究口 岩石力学与工程学报，2 0 0 6，2 5(1 2)：2 4 5 3 2 4 6 0 1 3 黄书岭，冯夏庭，张传庆 脆性岩石广义多轴应变能 强度准则及试验验证 J 岩石力学 与工程学报，2 0 0 8，2 7(1)：1 2 4 1 3 4 r 1 4 H C K E，C M R A NZ A-T O R R E S C，a K I M R H ock-B r o wn F a i l u r e c r i t e r i o n-2 0 0 2 e d i t i o n I n：P r o c e e d i ng s o f t h e No r t h Ame ri c a n Rock Me c h a n i c s S y r n l ms i t u n T o ron t o，2 0 0 2 1 5 R E A D R S，C HA N D L E R N A Mi n i mi z i ng e x c a v a t i o n d a ma g e t h r o u g h t u n n e l d e s i g n i n a d v e r s e s t r e s s con d i t i o n s C ，P roc e e d i n g s o f t h e I n t e rna t i o n a l T u n n e l l i n g As s o c i a t i o n W o r l d T u n n e l C o ng r e s s，Vi e n n a B a l k e ma，R o t t e r d a l-n，1 9 9 7，V0 1 1：2 3 2 8 1 6 R O C S C I E NS E，2 D p l a n e s t r a i n i n d i r e c t b o u n d a r y e l e me n t a n a l y s i s s o f t w a r e，E x a mi n e 2 D 7 0 E B 、兀 w Ro c k-s c i e n c e C O rn 收稿 日期：2 0 1 0 0 8 1 6 (上接 第 2 7 6页)3 0(1 0)：1 3 5 7 1 3 6 0 1 3 谢肖礼，张喜德，许靖，等 建议一种有关岩土力学 的屈服准则及其应用 J ，广西大学学报，2 0 0 5 3 0 (4)：2 7 5 2 8 2 1 4 郑颖人，沈珠江，龚晓南 岩土塑性力学原理 M，北 京：中国建筑工业出版社，2 0 0 2 5 2 5 6 E 1 5 G R I F F I THS D V，L ANE P AS l o p e s t a b i l i t y a n a l y s i s b y f i n i t e e l e me n t s J Ge o t e c h n i q u e，1 9 9 9，4 9(3)：3 84 4 03 收稿日期：2 0 1 0 0 9 0 6