能量原理在巖爆發生機制中的應用

結果表明，巖爆的發生與巖石的性質和應力狀態密切相關。從儲存能量的分析來看，變形以彈性為主的巖石變形在變形過程中能夠儲存更多的彈性變形能力，大多數高強度斷裂巖體屬于這種類型。巖流的儲存能力一般較低。因此，在一般條件下，硬脆巖體的地下工程中可能會發生巖流。本文根據能量損失和能量釋放的原理，結合圓形腔內圍巖的圍巖應力狀態，分析了巖流的發生機制。1能量釋放與巖石自適應巖石為一種內部存在各種大量缺陷的非均質多相復合結構.巖石受外界作用后,彌散在其內部的微缺陷不斷發展,在部分區域出現貫通進而形成宏觀裂縫,導致巖石失穩破壞.從能量角度出發,巖石變形破壞是能量耗散與能量釋放的綜合結果.能量耗散主要誘發巖石損傷導致材料性質劣化和強度損失;能量釋放則導致巖石的突然破壞.當巖石在外力作用下產生變形時,假設該物理過程與外界沒有熱交換,即封閉系統,外力功所產生的總輸入能量為U,根據能量守恒定律,可得式中:Ud為巖石耗散能;Ue為巖石可釋放彈性應變能,圖1為巖石應力-應變關系曲線.耗散能導致巖石內部的損傷和塑性變形,而可釋放彈性應變能為巖石卸載后的彈性應變能.能量耗散是單向不可逆的,而能量釋放則是雙向的,只要滿足一定條件是可逆的.在主應力空間巖體各部分能量可表示為式(2)～式(4)中:σi為主應力;εie為主應力方向上的彈性總應變;μ為泊松比.考慮巖體各向同性,設E0=Ei,μ=μi則:對于損傷巖體,考慮損傷對彈性模量造成的弱化,取彈模為E0′,E0′<E0;假設泊松比μ不受損傷的影響,則損傷巖體的可釋放能量為2巖爆的發生機制巖爆發生在儲存有較高彈性應變能的硬脆性巖體中,重力和構造應力對巖體做功的總輸入能量,主要轉換為巖體的耗散能和儲存在巖體中的可釋放能.硬脆性巖體受外力作用時產生塑性變形較小,耗散能主要導致巖體內部的損傷,致使材料性質劣化和強度損失,從而導致在巖體中形成貫穿裂縫的可能性也就越大.譚以安博士認為巖爆的過程可以劃分為“劈裂成板-剪切成塊-片塊彈射”,而巖體中的貫穿裂縫對片塊的形成能起到較大的作用,所以材料的劣化和強度的損失將在很大程度上促使巖爆的發生.由此可見,巖爆一般發生在硬脆性巖體中,這與工程中的實際情況相符.在外力的作用下,巖體的損傷加劇,強度逐步衰減,當可釋放彈性應變能Ue達到巖體破壞所需要的能量U0時,巖體就會發生破壞.當Ue=U0時,巖體發生靜態破壞;當Ue>U0時,巖體發生動態破壞,能量差額ΔU=Ue-U0構成分裂巖體的動能.在主應力空間,Ue難以沿最大壓應力σ1方向釋放,而易于沿最小壓應力σ3方向釋放.地下工程開挖后,由于臨空面的作用,巖體的損傷隨時間加劇,當達到一定的能量狀態時,巖爆就會發生.由此可見,巖爆的發生及劇烈程度與巖體儲存的彈性應變能有著密切的關系,損傷的時間效應決定了巖爆是發生在工程開挖后一定時間的地質災害.在實際工程中,可以通過打超前應力釋放孔、超前導坑和高壓注水等方式來防治巖爆.通過以上措施在巖體中形成預定的破壞區,在一定程度上將儲存于巖體的彈性應變能轉換為巖體的耗散能,從而起到防治巖爆或降低巖爆烈度的作用.3工作原理及破壞發生的巖爆巖爆的圍巖破壞形勢分析以圓形洞室為例,隧洞的長度遠大于它的橫截面尺寸,可視其處于平面應變狀態,如圖2,洞室圍巖的應力分布為式中:σV為豎直向應力;σl為軸向應力;a為洞室半徑;θ為OA與水平向夾角;σr為徑向應力;σθ為環向應力;τrθ為剪切應力;σl為軸向應力;r為A點到洞室中心的徑向距離;μ為泊松比;λ為側壓力系數,λ=σH/σV.在洞壁r=a處,可得洞壁處的應力狀態為發生巖爆的巖體多屬于徑向應力為零的雙軸應力狀態和徑向應力為最小主應力的真三軸應力狀態,σ1>σ2>σ3≥0.巖石發生破壞時,在主應力σi方向的能量釋放率正比于巖石儲存的可釋放能量,并按與最大壓應力的差進行分配.假設能量釋放率為Gi,則:式中:Ki為材料常數.顯然,最大能量釋放率發生在最小壓應力方向,即G3=K3(σ1-σ3)Ue,當巖石發生破壞時滿足:式中:Gc為材料常數,為各種應力狀態下的最大能量釋放率臨界值,可由單軸壓縮試驗確定;Ue由式(6)確定.令σ1=σc,σ2=σ3=0,由式(6)得代入式(10),則有代入式(10),得到巖石三向受壓破壞時的應力條件:即對于圓形洞室洞壁處,容易證明,當側壓力系數λ>1/3時(地下洞室一般滿足這個條件),σθ恒為正,為最大主應力σ1,σr為最小主應力σ3,將式(8)代入式(14)得令,即:式中:σv為圍巖災變應力;θ為災變位置.巖爆是巖體破壞形式的一種,當巖體破壞釋放能量時,產生剝落、彈射等現象,形成破裂面,故將此時災變應力近似等效于巖爆應力狀態,將災變位置近似等效于巖爆發生位置.重要的是,洞室開挖后的巖爆現象是卸荷狀態下的災害,吳剛對巖體加、卸荷條件下的破壞特征進行試驗對比分析,認為卸荷條件下的強度比加荷的更低,洞室開挖是巖體在三向應力狀態下單向的卸荷、雙向的加載,則更導致了強度的損失,目前國內外對于巖體卸荷的研究很不成熟,對此狀態下的強度的損失還無定論;同時,文獻認為,由于尺度效應,實驗室內測定的抗壓強度大于實際圍巖的抗壓強度,文獻曾經在秦嶺特長隧道采集一直徑1m、高2m的花崗巖試件,進行強度和滲透試驗,現場巖樣的抗壓強度比實驗室常規巖體抗壓強度小近10倍,故式(16)的抗壓強度遠小于實驗室測定的抗壓強度,表示為σc′.表1所示為應用式(16)得到幾種工況下的巖石破壞的臨界應力值(取壓應力為正,λ≥1/3),其中σv>0.由表1可知:①當1/3<λ<1時,洞室邊拱災變應力最小,頂拱、底拱災變應力最大,巖爆易于發生在邊拱部位.②當λ=1時,洞室邊壁的災變應力相等,巖爆在洞室周邊均可能發生,此應力狀態為臨界應力狀態.③當λ>1時,洞室頂拱、底拱災變應力最小,邊拱災變應力最大,巖爆易于發生在洞室頂拱、底拱部位.④當λ<1時,λ值越小,巖體破壞時災變應力越小;當λ>1時,λ值越大,巖體破壞時災變應力越小,故當水平應力和豎直應力相對差值較大時,巖體發生災變的可能性更大.圖3為二灘電站右岸導流洞巖爆洞斷應力示意圖.據巖爆實錄資料:0+480m洞斷巖爆發生在靠河側拱部;0+520m和0+800m洞斷巖爆集中在靠河側拱及邊墻處.較好的反應了上述計算所得的結論.4巖爆時與巖體所儲存能量的動力失穩災害分析主要結論和展望:(1)耗散能量使巖體產生內部損傷和塑性變形,釋放彈性應變能為巖體卸載后的彈性應變能,巖爆多發生在硬脆性圍巖中,是與巖體所儲存能量有著密切關系的動力失穩災害.(2)基于能量原理,結合圓形洞室