深部开挖洞室围岩分层断裂破坏机制研究

深部开挖洞室围岩分层断裂破坏机制研究

1深部开挖洞室围岩“环控裂”现象目前，深度岩体挖掘的力学问题引起了工程界的关注。现在，煤炭、石油、国防、核材料和其他部门都面临着深部岩石挖掘的技术问题。在深部开挖中岩体所处力学环境具有“三高”特点，即高温、高压、高渗透，这是容易理解的。而令人费解的是，由俄罗斯学者发现的在深部开挖中，洞室围岩会产生呈间隔分布的“环带状碎裂”(zonaldisintegration)现象(国内专家称之为“分区破裂化现象”或“区域性断裂现象”)。众所周知，在通常情况下，洞室的破坏一般都是在洞壁处产生大块楔体，或在洞壁附近产生不同形式的破碎区、塑性区等，这已为以往的洞室模型试验和现场试验所证实，见图1,2，用现有的岩石力学理论也可以进行解释。为什么在深部开挖中洞室围岩会产生呈间隔分布的环带状碎裂现象，引起众多学者[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21]的关注，并从不同角度进行了分析探讨。最先提出这一问题的是俄罗斯学者E.I.Shemyakin等，他们通过现场量测发现，在深部矿井开采面附近围岩中存在呈间隔分布的“环带状碎裂”现象，并进行了试验验证和理论分析工作，给出了实际应用和计算产生环带状碎裂现象的条件公式。我国也有多位学者对深部开挖问题作了研究。钱七虎研究了深部岩体工程响应的特征，并且界定了“深部”岩体的范围。何满潮等总结分析了深部开采与浅部开采岩体工程力学特性的主要区别。李英杰等对现场观测和相似材料模拟试验中的岩石环带状碎裂的时间效应进行了总结，对深部巷道围岩的弹塑性应力场进行了分析，求出支撑压力区的应力分布状态，重新确定了岩石环带状碎裂现象发生的条件。唐鑫等从岩石蠕变角度分析了深部巷道围岩区域化交替破碎现象的演化过程，依据“岩石失稳是与应变密切相关的”认识，认为破碎圈的出现是岩石的蠕变使应变发展到极限值后裂纹交汇贯通而形成的。综上所述，各学者对深部开挖洞周围岩发生呈间隔分布的环带状碎裂原因认识尚不够统一，还有必要进行深入研究。作者对上述问题也很感兴趣，在深入分析深部岩体的地应力特征和洞室围岩的受力变形特点基础上提出：深部开挖洞室围岩发生呈间隔分布的“环带状碎裂”现象有可能是在较大的轴向压力作用下产生的，并用模型试验作了验证。由于试验给出的围岩破坏特征是“分层断裂”而不是“碎裂”，所以本文所提出的“洞周围岩分层断裂机制”是否就是俄罗斯学者提出的深部开挖中洞周围岩呈间隔分布的“环带状碎裂”现象的机制尚不作结论，还需继续进行深入研究。2环控断裂的发生机理以往大量试验和现有的岩石力学理论都表明，只要围岩中洞室最大荷载方向与洞室轴线垂直，洞室的破坏就会发生在洞壁附近，或者形成大块楔体，或者产生压屈型破坏(见图1)。因为在这种荷载条件下，洞室边墙将产生高度的环向压应力集中，根据莫尔–库仑强度理论，边墙部位必然形成压剪型或压屈型破坏。现场爆炸试验结果也证实了上述看法(见图2)。因此，要研究深部开挖洞室围岩为何产生所谓“分区破坏现象”，不从改变荷载作用方向考虑，而仍然采用最大荷载与洞室轴线垂直的条件，仅用不同的理论方法去分析可能是行不通的。笔者认为，当地应力荷载水平方向较大，且最大荷载方向与洞室轴线平行时，洞室围岩就有可能产生环带状分层断裂现象。这是因为在较大的轴向压应力作用下，洞周材料将产生横向膨胀。膨胀后的材料只能朝洞内发展，因为洞壁为自由面，洞壁背后材料对洞壁的径向膨胀提供约束。洞壁附近材料向洞内的膨胀变形将在洞壁介质内产生径向拉应变。该拉应变在洞壁上较小，在介质内一定深度上较大，在离洞室较远处基本处于均匀受拉状态，见图3。随着洞室轴向压应力数值的增加，洞周介质内的径向拉应变也会增大。当洞室轴向压应力增加到某一数值时，洞周介质内的最大径向拉应变将会达到材料的拉应变极限，从而造成那里的材料发生拉伸断裂。因为轴向压应力沿洞周的分布大体上是均匀的，所以这种断裂沿洞周一定长度上应该是连续的，即它不是一个点的断裂，而是一条环带状连续缝。洞周材料发生了第一次环状断裂后，相当于在原来的介质内又形成了一个新的更大的洞室。该洞室在较大的轴向压应力作用下又会产生新的断裂。这种断裂一直进行到洞周介质内由轴向压应力产生的最大径向拉应变值小于材料的极限拉应变时为止。上述力学过程进行的结果就可能在洞周介质内产生一层或多层环带状断裂缝。3洞室围岩层压裂机制的模型试验3.1模型洞室及模型制作为了验证上述观点，笔者进行了下述模型试验。试验模型采用圆柱体，见图4。圆柱体直径φ=600mm，高h=300mm。圆柱体的中心为模拟洞室。模拟洞室有两种：圆形洞室和直墙拱顶洞室。圆形洞室直径分别为d1=110和d2=160mm；直墙拱顶洞室跨度B=100mm，高度H=200mm。各洞室中心均与圆柱体中心重合。洞室轴线长度与圆柱体高度相同，均为300mm。圆柱体的上部作用有均匀分布的轴向压力σz。周围用5mm厚的钢板圆筒提供侧向约束。模型材料采用水泥砂浆，其配比为m水泥∶m河砂∶m水∶m速凝剂=1∶14∶1.5∶0.025。材料7d的单轴抗压强度Rc=0.76MPa，抗拉强度Rt=0.076MPa。模型制作采用分层上料、分层夯实的办法成型。自然养护7d后，进行加载试验。试验是在500t材料试验机上进行的，加载速率为100kN/min左右。试验结束后，在1/3高度处对各模型洞室作了横向解剖，以观察洞室围岩的破坏形态。各模型洞室的破坏形态见图5～7。3.2洞壁断裂规律(1)从图5中可看到，d1=110mm的圆形洞室在较大的轴向压应力作用下，σz/Rc=7.47，洞壁附近产生了多条滑移线形破坏。其原因是该洞室半径r较小，由洞壁产生的径向位移u引起洞周材料产生了较大的环向压应变εθ，此点由弹性理论公式εθ=u/r可以看出。由于环向压应变较大，结果就使洞壁材料产生了滑移线形破坏。鉴于此，又增大洞径到d2=160mm，重做试验，结果如图6所示。(2)从图6中可看到，对于d2=160mm的圆形洞室，其破坏特征在洞壁附近与d1=110mm的圆形洞室情况基本一样，仍为两组共轭的滑移线形破坏。但在距洞壁较远处，该洞室出现了较为完整的圆弧形断裂缝。说明那里的材料因半径较大，由径向膨胀位移引起的环向挤压应变较小，而在介质内产生的径向拉应变值先期达到了极限，因而在那里材料出现了分层断裂现象。可以想见，如果轴向压力再加大，在介质内更深部位还会产生新的断裂。(3)从图7中可看到，直墙拱顶洞室围岩内的断裂缝比圆形洞室的发育更充分、更完整，断裂块也更大。直墙拱顶洞室的断裂缝主要发生在边墙部位。左、右墙处可以清晰地看出断裂为4层。左墙虽不如右墙完整，但断裂缝和断裂层数也清晰可见。这说明较大的直墙面更容易产生分层断裂破坏。从拱顶和底板断裂特点来看，断裂深度浅，断裂块体较小，断裂缝也成滑移线形。这说明洞壁曲面半径小，或平面宽度窄都不产生分层断裂，而成滑移线形破坏。这是因为洞壁曲面半径小，所受到的环向挤压力就大；在同样水平位移条件下，若洞壁平面宽度窄，洞壁也会产生较大的环向挤压应力，因而在上述两种条件下洞壁不产生分层断裂，而成滑移线形破坏。上述情况说明，洞壁材料要产生分层断裂现象，不仅要有较大的平行于洞室轴线的压应力作用，而且洞室还要有较大的直墙面或具有较大曲率半径的曲墙面。从上述诸图中还看到：(1)两种圆形洞室洞壁附近材料断裂块的大小与两洞室直径成正比，保持几何比例关系；但离洞室较远处大直径洞室发生了破坏，小直径洞室未产生破坏，这说明离洞室较远处，两洞室的破坏不满足几何比例关系。(2)圆形洞室分层断裂后仍为圆形洞室，直墙拱顶洞室断裂后，也趋向圆形洞室。(3)同一洞室不同部位材料断裂块的大小和厚薄尽管不等，但断裂层数却几乎相同。如直墙拱顶洞室，拱顶和边墙断裂厚度大小不等，但断裂层数基本上均为4层。(4)从上面给出的所有洞壁围岩破坏特征看，均属于分层断裂形态，未见层面碎裂现象。这可能与试验采用的是均质材料，而实际岩体是非均质材料有关。4深部岩体水平地应力与洞室轴线的平行由前面的分析可知，洞壁围岩要发生分层断裂必须满足两个条件：一是要有较大的平行于洞室轴线的水平地应力，二是洞壁要有较大的平整面，或较大的曲率半径。众所周知，深部岩体地应力数值较大，且最大地应力方向一般是沿水平方向发展的。深部岩体水平地应力较大，是因为岩体厚度较大时，由地层构造运动形成的水平地应力得不到充分释放，而由地层构造运动形成的地应力往往又比由岩体自重形成的地应力数值较大造成的。而在浅层，由于存在深沟峡谷，由地壳构造运动产生的水平地应力会得到部分释放，而由岩体自重产生的地应力却能得到保存，所以浅层垂直地应力较大。上述事实已为许多工程实践所证实。由于深部岩体地应力数值较大，且最大地应力方向往往又是沿水平方向，而洞室轴线一般也是沿水平方向的，因而有可能出现较大的水平地应力与洞室轴线平行的情况。当较大的水平地应力与洞室轴线平行时，洞室围岩便可能发生本文所提到的分层断裂现象。由此看出，深部开挖中洞室围岩发生分层断裂现象是有一定条件的，不是一种普遍现象。5结论和建议5.1分层断裂与洞室围岩(1)洞室在较大的轴向压力作用下，当洞壁具有较大的直墙面，或具有较大的曲率半径时，洞壁围岩是可以产生分层断裂现象的。这种现象的产生是由较大的轴向压力引起洞壁材料的侧向膨胀造成的。(2)在深部开挖中，由于地应力数值较大，且最大地应力方向往往又沿水平方向发展，因而洞室围岩有可能在较大的轴向压应力作用下发生分层断裂现象。(3)圆形洞室围岩发生分层断裂的特点是：在洞壁附近成滑移线形；在离洞壁较远处，断裂缝成圆弧形。(4)直墙拱顶洞室围岩发生分层断裂的特点是：在边墙部位呈分层断裂现象，在拱顶和地板部位呈滑移线形断裂。(5)圆形洞室围岩发生分层断裂后仍呈圆形洞室；直墙拱顶洞室围岩发生分层断裂后也趋于圆