能量原理在岩爆发生机制中的应用

能量原理在岩爆发生机制中的应用

结果表明，岩爆的发生与岩石的性质和应力状态密切相关。从储存能量的分析来看，变形以弹性为主的岩石变形在变形过程中能够储存更多的弹性变形能力，大多数高强度断裂岩体属于这种类型。岩流的储存能力一般较低。因此，在一般条件下，硬脆岩体的地下工程中可能会发生岩流。本文根据能量损失和能量释放的原理，结合圆形腔内围岩的围岩应力状态，分析了岩流的发生机制。1能量释放与岩石自适应岩石为一种内部存在各种大量缺陷的非均质多相复合结构.岩石受外界作用后,弥散在其内部的微缺陷不断发展,在部分区域出现贯通进而形成宏观裂缝,导致岩石失稳破坏.从能量角度出发,岩石变形破坏是能量耗散与能量释放的综合结果.能量耗散主要诱发岩石损伤导致材料性质劣化和强度损失;能量释放则导致岩石的突然破坏.当岩石在外力作用下产生变形时,假设该物理过程与外界没有热交换,即封闭系统,外力功所产生的总输入能量为U,根据能量守恒定律,可得式中:Ud为岩石耗散能;Ue为岩石可释放弹性应变能,图1为岩石应力-应变关系曲线.耗散能导致岩石内部的损伤和塑性变形,而可释放弹性应变能为岩石卸载后的弹性应变能.能量耗散是单向不可逆的,而能量释放则是双向的,只要满足一定条件是可逆的.在主应力空间岩体各部分能量可表示为式(2)～式(4)中:σi为主应力;εie为主应力方向上的弹性总应变;μ为泊松比.考虑岩体各向同性,设E0=Ei,μ=μi则:对于损伤岩体,考虑损伤对弹性模量造成的弱化,取弹模为E0′,E0′<E0;假设泊松比μ不受损伤的影响,则损伤岩体的可释放能量为2岩爆的发生机制岩爆发生在储存有较高弹性应变能的硬脆性岩体中,重力和构造应力对岩体做功的总输入能量,主要转换为岩体的耗散能和储存在岩体中的可释放能.硬脆性岩体受外力作用时产生塑性变形较小,耗散能主要导致岩体内部的损伤,致使材料性质劣化和强度损失,从而导致在岩体中形成贯穿裂缝的可能性也就越大.谭以安博士认为岩爆的过程可以划分为“劈裂成板-剪切成块-片块弹射”,而岩体中的贯穿裂缝对片块的形成能起到较大的作用,所以材料的劣化和强度的损失将在很大程度上促使岩爆的发生.由此可见,岩爆一般发生在硬脆性岩体中,这与工程中的实际情况相符.在外力的作用下,岩体的损伤加剧,强度逐步衰减,当可释放弹性应变能Ue达到岩体破坏所需要的能量U0时,岩体就会发生破坏.当Ue=U0时,岩体发生静态破坏;当Ue>U0时,岩体发生动态破坏,能量差额ΔU=Ue-U0构成分裂岩体的动能.在主应力空间,Ue难以沿最大压应力σ1方向释放,而易于沿最小压应力σ3方向释放.地下工程开挖后,由于临空面的作用,岩体的损伤随时间加剧,当达到一定的能量状态时,岩爆就会发生.由此可见,岩爆的发生及剧烈程度与岩体储存的弹性应变能有着密切的关系,损伤的时间效应决定了岩爆是发生在工程开挖后一定时间的地质灾害.在实际工程中,可以通过打超前应力释放孔、超前导坑和高压注水等方式来防治岩爆.通过以上措施在岩体中形成预定的破坏区,在一定程度上将储存于岩体的弹性应变能转换为岩体的耗散能,从而起到防治岩爆或降低岩爆烈度的作用.3工作原理及破坏发生的岩爆岩爆的围岩破坏形势分析以圆形洞室为例,隧洞的长度远大于它的横截面尺寸,可视其处于平面应变状态,如图2,洞室围岩的应力分布为式中:σV为竖直向应力;σl为轴向应力;a为洞室半径;θ为OA与水平向夹角;σr为径向应力;σθ为环向应力;τrθ为剪切应力;σl为轴向应力;r为A点到洞室中心的径向距离;μ为泊松比;λ为侧压力系数,λ=σH/σV.在洞壁r=a处,可得洞壁处的应力状态为发生岩爆的岩体多属于径向应力为零的双轴应力状态和径向应力为最小主应力的真三轴应力状态,σ1>σ2>σ3≥0.岩石发生破坏时,在主应力σi方向的能量释放率正比于岩石储存的可释放能量,并按与最大压应力的差进行分配.假设能量释放率为Gi,则:式中:Ki为材料常数.显然,最大能量释放率发生在最小压应力方向,即G3=K3(σ1-σ3)Ue,当岩石发生破坏时满足:式中:Gc为材料常数,为各种应力状态下的最大能量释放率临界值,可由单轴压缩试验确定;Ue由式(6)确定.令σ1=σc,σ2=σ3=0,由式(6)得代入式(10),则有代入式(10),得到岩石三向受压破坏时的应力条件:即对于圆形洞室洞壁处,容易证明,当侧压力系数λ>1/3时(地下洞室一般满足这个条件),σθ恒为正,为最大主应力σ1,σr为最小主应力σ3,将式(8)代入式(14)得令,即:式中:σv为围岩灾变应力;θ为灾变位置.岩爆是岩体破坏形式的一种,当岩体破坏释放能量时,产生剥落、弹射等现象,形成破裂面,故将此时灾变应力近似等效于岩爆应力状态,将灾变位置近似等效于岩爆发生位置.重要的是,洞室开挖后的岩爆现象是卸荷状态下的灾害,吴刚对岩体加、卸荷条件下的破坏特征进行试验对比分析,认为卸荷条件下的强度比加荷的更低,洞室开挖是岩体在三向应力状态下单向的卸荷、双向的加载,则更导致了强度的损失,目前国内外对于岩体卸荷的研究很不成熟,对此状态下的强度的损失还无定论;同时,文献认为,由于尺度效应,实验室内测定的抗压强度大于实际围岩的抗压强度,文献曾经在秦岭特长隧道采集一直径1m、高2m的花岗岩试件,进行强度和渗透试验,现场岩样的抗压强度比实验室常规岩体抗压强度小近10倍,故式(16)的抗压强度远小于实验室测定的抗压强度,表示为σc′.表1所示为应用式(16)得到几种工况下的岩石破坏的临界应力值(取压应力为正,λ≥1/3),其中σv>0.由表1可知:①当1/3<λ<1时,洞室边拱灾变应力最小,顶拱、底拱灾变应力最大,岩爆易于发生在边拱部位.②当λ=1时,洞室边壁的灾变应力相等,岩爆在洞室周边均可能发生,此应力状态为临界应力状态.③当λ>1时,洞室顶拱、底拱灾变应力最小,边拱灾变应力最大,岩爆易于发生在洞室顶拱、底拱部位.④当λ<1时,λ值越小,岩体破坏时灾变应力越小;当λ>1时,λ值越大,岩体破坏时灾变应力越小,故当水平应力和竖直应力相对差值较大时,岩体发生灾变的可能性更大.图3为二滩电站右岸导流洞岩爆洞断应力示意图.据岩爆实录资料:0+480m洞断岩爆发生在靠河侧拱部;0+520m和0+800m洞断岩爆集中在靠河侧拱及边墙处.较好的反应了上述计算所得的结论.4岩爆时与岩体所储存能量的动力失稳灾害分析主要结论和展望:(1)耗散能量使岩体产生内部损伤和塑性变形,释放弹性应变能为岩体卸载后的弹性应变能,岩爆多发生在硬脆性围岩中,是与岩体所储存能量有着密切关系的动力失稳灾害.(2)基于能量原理,结合圆形洞室