高应力硬岩脆性板裂破坏和应变型岩爆机理研究

摘要

高应力地下洞室开挖后，在洞室周边的围岩中常常会出现与开挖面基本平行的板裂破坏面，当洞室埋深较大或地应力很高时，周边围岩甚至会出现岩爆等剧烈工程灾害现象。为此，本文作者在国家自然科学基金、国家留学基金委“建设高水平大学公派研究生”等项目的资助下，以“高应力硬岩脆性板裂破坏和应变型岩爆机理研究”为题，综合利用室内试验、理论分析、数值模拟和工程应用等手段，对硬岩在高应力条件下的板裂破坏及应变型岩爆问题进行了系统的研究。
　　 首先，设计了硬岩和软岩试样的单轴压缩试验和直接拉伸试验，开展了两种岩石在不同加载模式下的力学性质对比，分析了直接拉压条件下硬岩和软岩的强度、变形、弹性模量、泊松比、声发射等物理参数的变化规律，得到了两种岩石在拉压载荷作用下的应力应变规律和声发射特征，用三维形貌扫描仪从细观方面观察了直接拉伸试样破坏断口的三维形态。
　　 其次，选取挪威南部某采石场的Iddefjord花岗岩，设计了硬岩板裂破坏的室内试验，利用标准圆柱体试样的单轴压缩试验和巴西圆盘劈裂试验得到了硬岩的主要力学性质指标。在此基础上，开展了不同高宽比条件下方形花岗岩试样的单轴压缩试验，率先在实验室条件下再现了深部高应力硬岩的板裂破坏模式，找到了硬岩在单轴压缩下从剪切破坏到板裂破坏过渡的外部条件，发现硬岩的板裂破坏裂纹基本上是一些等间距分布且平行于加载方向的破坏面，其板裂破坏强度约为该岩石标准圆柱体试样单轴抗压强度的60％左右。在室内试验的基础上，对不同高宽比条件下硬岩的单轴压缩试验进行了数值模拟，研究了端部效应对试样内应力、应变分布的影响，利用摩尔-库仑应变软化准则模拟了三组试样的单轴压缩破坏过程。
　　 围绕高应力硬岩的板裂破坏，开展了硬岩板裂破坏的微观断裂力学分析。利用Iddefjord花岗岩显微镜下的微观照片，发现硬岩试样存在明显的微观缺陷和结构的非均质性。利用线弹性断裂力学方法，对单轴压缩下楔形滑移型裂纹的扩展规律进行了理论推导，得到了单裂纹条件下裂纹扩展的临界应力和裂纹初始长度、裂纹面倾角、摩擦角、岩石断裂韧度等之间的关系，并推导了压缩载荷和裂纹扩展长度之间的关系式，同时还分析了双轴压缩载荷作用下滑移型裂纹尖端翼裂纹扩展的应力强度因子和裂纹长度之间的关系。
　　 另外，对深部高应力条件下硬岩屈曲板裂失稳和动力扰动下矿柱的力学响应进行了宏观分析。一方面，对于深部高应力洞室围岩屈曲板裂问题，既考虑了轴心载荷作用，也考虑偏心载荷的作用，得到了偏心荷载作用下岩板最大水平位移、最大压拉应力和岩板的长厚比、载荷大小、载荷偏心距、岩板弹性模量等参数之间的关系，研究发现采场充填体等的围压效应对岩板屈曲板裂破坏有明显的抑制作用，并以贵州开阳磷矿下属的马路坪矿为例，进行了工程实例应用。另一方面，利用数值模拟的方法对高应力硬岩矿柱在动力扰动下的力学响应问题进行了论述，发现承受高应力的岩体，随着所受初始静载应力的增大，外界的动力扰动对其影响就越明显；承受高静载应力的矿柱，较小的动力扰动可能会使其发生塑性破坏而导致深部开采时的“多米诺骨牌”效应。
　　 最后，利用Iddefjord花岗岩加工了含预制孔洞的试样，模拟深埋高应力隧道开挖时应变型岩爆的发生机理。试验发现随着试样内应力的增大，在平行于孔洞竖直方向相继出现劈裂裂纹并逐渐贯通，在孔洞周边岩体中出现块体弹射、片帮等应变型岩爆的物理特征。同时，还对含孔洞花岗岩试样进行了数值模拟，研究发现模型在破坏初期均为拉破坏，即产生平行于孔洞竖向边界的张拉破坏面，这和工程现场的板裂或片帮破坏比较类似。
　　 在此基础上，利用FLAC3D对深埋高地应力圆形隧道进行了三维应力分析，发现隧道的最大主应力在掌子面附近发生应力偏转，利用最大切应力判据可以判别隧道开挖后围岩是否发生岩爆以及岩爆发生的强度等级。并以秦岭终南山深埋隧道为例，调查发现隧道的最大岩爆频率既不发生在爆破施工刚结束的时候，也不发生在隧道的掌子面上，应变型岩爆的滞后效应和隧道开挖后的最大主应力滞后效应存在一定关系。隧道应变型岩爆问题可以通过三维应力分析得到较为理想的结果。