深部围岩分区破裂化理论和实践的讨论.pdf

第 27 卷 第 11 期 岩石力学与工程学报 Vol.27 No.11 2008 年 11 月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Nov.，2008 收稿日期收稿日期2008–08–05；修回日期修回日期2008–09–29 基金项目基金项目国家自然科学基金重大项目50490273 作者简介作者简介贺永年1943–，男，1966 年毕业于北京矿业学院，现任教授、博士生导师，主要从事岩石力学方面的教学与研究工作。E-mail ynhe 深部围岩分区破裂化理论和实践的讨论深部围岩分区破裂化理论和实践的讨论 贺永年，张后全 中国矿业大学 建筑工程学院深部岩土力学与工程国家重点实验室，江苏 徐州 221008 摘要摘要由中国岩石力学与工程学会于 2008 年 6 月组织的中国科协第 21 期新观点、新学说学术沙龙，集中对围岩 分区破裂现象以及相关的理论问题进行了讨论，内容涉及近期有关围岩分区破裂的研究成果，包括现场实测和实 验室试验工作及分析，围岩分区破裂的形成机制、分区破裂各种现象的解析与数值分析方法，会议还讨论了论题 的意义及其研究方法等方面的热点问题。对围岩分区破裂的研究具有探索性，目前的认识尚存在许多争论。对这 一工作的讨论，不仅可以促进课题成果及其科学性，而且对整个科研工作的认识和处理方法也有启发性的影响。 关键词关键词岩石力学；围岩分区破裂；实测与试验；机制分析；深部岩石工程稳定 中图分类号中图分类号TU 45 文献标识码文献标识码A 文章编号文章编号1000–6915200811–2369–07 DISCUSSION ON THEORY AND PRACTICE OF ZONAL DISINTEGRATION IN SURROUNDING ROCKS OF DEEP ROADWAYS HE Yongnian，ZHANG Houquan State Key Laboratory for Geomechanics and Deep Underground Engineering，School of Architecture and Civil Engineering，China University of Mining and Technology，Jiangsu，Xuzhou 221008，China Abstract A discussion on zonal disintegration phenomenon and related theoretical problems in surrounding rocks of deep roadways were held in an academic salon about new ideas and new theories by Chinese Society for Rock Mechanics and Engineering. The contents of this academic salon cover the latest research achievements on zonal disintegration，e.g. measurement in-situ stresses and experimental research result analyses of a laboratory， explanation and different phenomena and their ation mechanisms about zonal disintegration，and the development of numerical analysis s. Moreover，some hot issues such as the meaning and research s about zonal disintegration are also discussed. Although the study of zonal disintegration is in a groping state and some controversies on present research results still exist，the discussions are very helpful for scientific achievement in this research subject and have an enlightening influence on acknowledgement and disposal s of this research work on zonal disintegration. Key wordsrock mechanics；zonal disintegration in surrounding rocks；in-situ measurement and experiment； mechanism analysis；stability of deep rock engineering 1 引引 言言 在国家自然科学基金重大项目“深部岩体力学 基础问题及应用”[1]的支持下，国内学者围绕深部 岩石工程围岩分区断裂问题进行了大量的研究；钱 七虎院士[2]为推动这项研究做了许多重要的工作。 中国科协第 21 次沙龙会议就这一问题开展了讨 2370 岩石力学与工程学报 2008年 论。 分区破裂直译于“Зональная дезинтеграция” 。 自 1986 年俄罗斯学者[3 ～6]用 4 篇专题文章论述分区 破裂问题以来，从块度、间隙到序列分布，从裂隙、 断裂到相变，从地壳结构到月球等，由分区破裂引 出的讨论连续十余年论文不断。 1999～2000 年， 该问题还被延伸到了地质力学 非线性问题[7 ，8]的讨论；新世纪以来，仍还有相关 论文[9]发表。但是，除在美国的俄文翻译杂志上全 文翻译转载zonal disintegration以及少数其他论 文[10 ～11]外，西方的讨论很少。应该说，分区破裂问 题至今还有许多认识不清之处。 该领域国内外的主要研究工作和进展，钱七虎 和李树忱[12]已经进行了总结，本文主要介绍沙龙会 议讨论和交流所涉及的内容，并结合作者的认识提 出一些看法。 2 围岩分区破裂行为的观测与试验围岩分区破裂行为的观测与试验 2.1 围岩实测与现场观察围岩实测与现场观察 高压巷道围岩挤压破坏形成塑性圈松动圈， 这已是被认可的事实；分区破裂现象与之不同，呈 现的是围岩严重断裂和弱断裂交替出现的不均匀破 坏情况。 国内较早就发现围岩中有不同于松动圈挤压 破坏的情况。1979 年李世平[13]通过上万根锚杆的 测力数据表明其中有相当部分锚杆受到压力作用 见图 1。图 2 为围岩超声波速突然跌落、表征围岩 内部的开裂现象[14]。图 3 为方祖烈[15]实测获得的 钻孔围岩的拉–压交替现象。这些现象当时都曾令 人困惑。当然，这只是反映了围岩变形或受力并非 是单纯受压、并可能被拉破裂的情况，还不是分区 破裂现象的直接证明。 近期，国内发表了现场测试得到的一些分区破 裂图像。淮南深井巷道利用钻孔视频照相及钻孔比 较方法绘制获得的图像比较典型[16]见图 4；锦屏 II 级水电站 1500 m 深辅助洞的围岩超声波测试结 果也提供了分区破裂图形[17]。 张春生根据锦屏II级电站千米以上深部钻孔照 片提出岩芯饼化现象也存在交替分布的情况[17]见 图 5，并指出这种现象在高山峡谷地区较为普遍， 但因为可能受“钻进饼化”影响，因此是否属于分 区破裂，尚要进一步确定。 图 1 巷道锚杆拉–压受力交替分布实测结果[13] Fig.1 In-situ measurement result of tensile-compressive stress distributed intermittently for rock anchors[13] 图 2 围岩超声波跌落实测结果[14] Fig.2 In-situ measurement result of ultrasonic fluctuation in surrounding rock mass[14] 图 3 围岩应变的拉压交替分布实测结果[15] Fig.3 In-situ actual measurement results of tensile- compressive strain distributed intermittently for surrounding rock mass[15] 一些学者对分区破裂图像的可靠性提出了质 疑，认为分区破裂现象是否存在，或者是不是具有 普遍性，是这次研讨的核心问题。认为钻孔监测结 果的连线具有局限性，它可以形成封闭环带，也可 是滑移线、螺旋线，如果是后者则就不是新现象； 时间/d 应变/10 －6 深度/m VP/km －1 深度/m 应变/10 －6 第 27 卷 第 11 期 贺永年，等. 深部围岩分区破裂化理论和实践的讨论 2371 图 4 淮南深井断面 B 分区破裂图像[16] Fig.4 Zonal disintegration distribution of monitoring section B in deep roadway in Huainan[16] 图 5 锦屏 II 级电站深横通道岩芯饼化间隔分布实照[17] Fig.5 Actual picture of intermittently-distributed and cake- shaped core of deep horizontal alleyway in Jingping II Hydropower Station[17] 因此还应有试验和计算追踪显示破裂过程来确认。 姜耀东以底臌、冒顶、岩层折断等深井高压力 巷道的一些典型实物照片资料说明[17]，井下所见到 的高应力严重巷道围岩破坏形貌与分区破裂相差甚 大，所以分区破裂是否深部工程围岩的普遍现象， 值得怀疑。 贺永年认为，岩石受压问题的复杂性还在于其 最终状态离所讨论的内容可能很远。如果围岩难以 平衡，即使其已经破坏，它仍还要承载，并且一直 会“破坏–承载–破坏”循环下去。峰值后“岩石 破坏的再破坏” [18]，会导致岩石破坏形态、变形位 移性质的改变，因此岩石不同程度的破坏可能会 表现出多种状态。 2.2 模拟试验和岩石试验模拟试验和岩石试验 模拟试验是研究围岩破坏的一个主要手段。俄 罗斯的研究结果[4]进行了专门介绍，包括详细的实 物照片、测量结果等。国内也有一些试验成果， 如顾金才等[19 ，20]； 而吴 昊等也进行了专门的试验， 却没有获得宏观分区破裂的现象[17]。 研究围岩变形、破坏已经有无计其数的模拟试 验，以往熟睹的是国内外大量塑性松动圈的模拟 结果。姜耀东认为，试验的科学性在于其可重复 性，现有的试验资料并没有支持分区破裂化是一种 普遍现象的结论。有的被认为是分区破裂的模拟结 果，图像也不够典型[17]。 对现有模拟试验存在的一些问题，钱七虎和李 树忱[12]认为这与试验没有完全符合平面应变条件、 巷道轴向没有受到高应力的作用有关。 贺永年认为，该问题应该与模拟相似控制有 关。按照相似理论的原理，岩石峰值前后的性态应 该是影响断裂形态的重要因素，而仅仅靠以往常规 的诸如弹性模量、黏聚力、内摩擦角等参数的相似 可能是不够的，即使是施加了再高的应力。岩石峰 值后曲线最重要的参数就是软化模量。研究结果[21] 表明，分别反映脆断性和连续应变软化的两种软化 模量互相不能替代，前者模量趋于无穷。这在以往 的模拟中并没有被重视。 潘一山等[20]采用了粉砂岩立方体钻孔的岩石 试件的加载试验，获得的是半环形裂纹和 V 字形裂 纹。H. Q. Zhang 等[22]进行了 3 种岩石灰岩、砂岩 和大理岩试件厚壁圆筒试验，采用轴压、围压和孔 内压力作用下的卸内压和卸围压试验。典型的破坏 形式可见图 6。试验表明，在卸荷载条件下尽管是 三向压应力，岩石厚壁圆筒可以获得环形断裂，断 裂面是主应力面，且比较规整。与压缩试验结果 比较见图 7，可以明显看出 2 种破坏的不同形式。 图 6 灰岩和大理岩三轴压缩–卸压条件下的环形断裂[22] Fig.6 Ring-shaped fracture of limestone and marble samples under triaxial compressive loading-unloading condition[22] 5.6 M 东端辅助洞 3横通洞 FZK3–3 钻孔第 2 箱岩芯 2372 岩石力学与工程学报 2008年 图 7 厚壁圆筒加载破坏 Fig.7 Failure pattern of thick-walled cylinder under compressive loading 2.3 数值模拟数值模拟 我国学者在数值模拟方面已获得了许多有特色 的成果。周小平等[23]描述了裂隙岩体巷道围岩卸压 的分区破裂；李树忱对开挖卸荷采用动力学方法得 到了分区破裂图像[17]。 但是，姜耀东认为能说明分区破裂的计算结果 还很少。唐春安和张永彬[24]用其 RFPA 软件获得的 是螺旋状破裂图形。宋义敏根据自己的计算提出， 即使采用传统的弹塑性模型和计算方法也会获得 与分区破裂同样形式的塑性区域[17]。伍法权认为如 果结果是这样，就意味着分区破裂与原先塑性区的 结论没有本质区别[17]。邬爱清表示，没有方法上的 突破，仅仅凭图像判断其属性，容易混淆两者的性 质[17]。 所谓方法问题，一个关键是强度准则。传统讨 论岩石破坏问题塑性条件一般都习惯采用莫尔– 库仑准则，讨论分区破裂时，多数仍采用该准则也 有用 Hoek-Brown 准则等，它们本质没有区别。如 果形成分区破裂主要是张拉作用[3 ～6]，则用剪切准 则计算的结果就会受到质疑；即使有拉破坏条件， 恐怕也不是广义拉应力准则。有人建议采用双剪理 论分析，可以考虑三维状态。但在未解决广义拉应 力破坏区域与影响程度例如相应的系数、以及确 定破坏区性质问题之前，恐仍不能说明问题。 分区破裂涉及峰值后问题。蒋斌松等[25]表明， 传统方法在分析 2 种不同性质介质时，要求其界面 单元上力学条件完全一致是有困难的。试验结果[26] 表明，岩石由连续体变为由破裂面构成的结构体的 转变在峰值附近就已经完成。所以，如何用峰值后 性质描述分区破裂的力学机制，也须要进一步思考。 因此，没有计算模型的改变恐怕难以用数值模 拟说明分区破裂的行为本质；而且，就是采用了新 的模型和方法进行算题，则首先还要经过“考题” 。 “考题”的结果不仅应该和图像一致，同时还应该 性质相符合，进而才能对一些特殊的计算结果进行 反思。这恐怕是当前数值模拟存在的问题。 3 围岩分区破裂的理论分析围岩分区破裂的理论分析 3.1 围岩分区破裂形成机制分析围岩分区破裂形成机制分析 Е. И. Шемякин 等[3 ～6]采用泊松效应使岩柱劈 裂的原理分析了分区破裂的行为。王明洋等[27]也持 这一看法。但是，这一观点没有提出劈拉破坏的条 件，没有说明巷道周边的岩石不是劈拉破坏、而内 部应力高峰处不是剪切破坏的理由，后续的解析也 只是在“泊松效应”基础上的“描红” 。这一疑问也 成为学术界争论的重要原因。 国内学者讨论了形成分区破裂的影响因素。顾 金才等[19]通过模拟试验认为轴压力较大是轴向断 裂的重要原因。这与平面应变模型分析的原理相一 致。但钱七虎和李树忱[12]指出，轴压和围压具有相 同效应，轴压不必一定是最大应力。厚壁圆筒的环 形断裂试验结果也获得了同样的结论，试验具有轴 力较大的特点，且轴向、环向 2 个大主应力和破坏 面的关系具有同等地位的作用见图 8。 图 8 岩石三维应力下的断裂[12] Fig.8 Rock fracture under triaxial loading condition[12] 国内也讨论了分区破裂的时间因素问题。周小 平和钱七虎[28]计算了荷载速率影响分区破裂的破 裂区数量和大小，认为是动力问题。李英杰等[29]用 蠕变模型讨论了时间问题。М. В. Курленя 等[30] 对岩石破坏的时间效应问题有较详细的描述和分 析。钱七虎和李树忱[12]认为高压力条件下因卸压形 成应力梯度，导致径向加速度和位移，因此高应力 σθ σθ σz σz 张拉作用方向σr 张拉作用方向σr 第 27 卷 第 11 期 贺永年，等. 深部围岩分区破裂化理论和实践的讨论 2373 条件下开挖卸压的动力过程是形成分区破裂的重要 原因。对于动力问题解释的疑问在于开挖是否属于 动力问题，以及是否必须动力条件才引起分区破裂 现象。伍法权认为实际工程的开挖速度属于准静态 状态，用应力波的观点解释破裂间隔分布问题，其 含义并不清楚[17]。 戚承志等[31]还采用俄罗斯学者将岩石变形破 坏视为相变过程的观点，分析了围岩变形破坏随时 间演化和破裂区分布问题。 另外，贺永年等[32]认为能量分布曲线的峰值点 是不稳定能态位置，而张拉破坏将形成能耗最小的 稳定态，因此可通过围岩能量分布曲线来确定张拉 断裂发生位置。 3.2 围岩分区破裂的存在条件兼说岩石破坏 “稳 定性”问题 围岩分区破裂的存在条件兼说岩石破坏 “稳 定性”问题 岩石压缩破坏的形式比较复杂，包括有劈裂破 坏。M. S. Paterson 等[33 ，34]对岩石劈裂有专门的论 述。岩石单轴压缩或低围压三轴试验时，即使相同 的岩石也存在斜剪和劈裂等破坏形式。 岩石的破坏总是从微裂缝开裂拉应力开始并 发展。这就孕育着最终有张拉断裂的可能。至于最 终是张拉或斜剪破坏，要根据岩性和荷载条件。这 就是所谓的岩石破坏的“稳定性”问题。作者认为， 岩石破坏存在有两方面的内在影响，简单说，就是 微裂隙破裂及其发展主导张拉破坏，微裂隙之间的 岩桥和闭合的裂隙作用主导斜剪破坏；它们的相互 影响决定了可能是斜剪、或者是劈拉破坏的形式。 例如脆性岩石或受荷载高速率的影响，则更容易形 成劈裂性破坏。围岩是分区破裂或是塑性区的问 题和这一情况类似[8]，其影响因素也较为相近见 图 6。因此，围岩分区破裂问题，是否可以归结为 寻找某种特性的围岩在开挖、变形或者局部破裂的 哪些条件下，是这种或是那种破坏的结论。 尽管用传统的弹塑性理论难以想象“完整的” 岩石会出现劈拉破坏的形式，但是认识总是先从承 认实际开始，正像人们承认在三轴压缩下岩石也会 拉破裂的事实后，找到了裂隙是岩石的本质问题一 样。 3.3 卸压对形成分区破裂的影响卸压对形成分区破裂的影响 认为卸压作用是形成围岩分区破裂的重要因 素，主要考虑有三方面影响，一是由于高应力卸压 形成的较高应力梯度使围岩内出现高变形速率而造 成岩石张拉性断裂，所以分区破裂和初始应力、卸 压速度施工方式有关；其次是岩石的高挤压状态 可以积聚更多的内能，其破坏时受更多的能量释放 作用影响，这与岩石逐步加压、受裂隙渐进发展的 影响不同；另外厚壁圆筒试验采用卸压试验方式还 考虑了可以避免岩石的后续挤压，造成初始断裂形 貌的改变。 但是也有认为无论加载或者卸压，岩石在相同 的应力状态下不应该影响其破坏状态；而对于应力 路径的讨论，至今也并没有统一意见[35]，因此认为 考虑卸压因素是否合理尚有怀疑。 4 围岩分区破裂的形成及其影响围岩分区破裂的形成及其影响 分区破裂如何在受四周约束的围岩“中间”形 成断裂，也是令人疑惑的问题。这种断裂对围岩稳 定性影响究竟有多大，是否可以将其作为划分“深 部”问题的界限，也存在不同意见。 根据有关研究结果[3 ～6]，围岩分区破裂之前先 有临近巷道部分的围岩变形和破坏，然后应力高峰 处的岩柱才发生横向张裂位移。类似的，岩石厚壁 圆筒如果没有径向裂缝产生，也难以形成环形裂缝。 因此，在围岩产生了局部强度破裂后，进一步它 是挤压密实还是能继续张拉劈开，要根据实际工程 围岩破裂状况、裂隙发育和压力条件决定。正如何 满潮的观点[17]，分区破裂的形成应结合围岩实际工 程地质条件来考虑。当然，巷道围岩中提供承载圈 挤压位移的各种裂隙空隙还是比较多的。 因此，贺永年提出巷道围岩稳定不只是应力极 限问题，而是一种结构效应[17]。围岩中即使有地方 达到了极限应力，但它整体不一定就失稳，要视其 后续形成的结构形式包括工程地质条件和周围荷 载等条件。这和岩石试件出现微破裂不一定可以断 言试件破坏的情况一样。 围岩稳定的结构效应问题还不止与此。深矿井 围岩深部的矿震、岩爆行为，与分区破裂现象的本 质可能是相通的，其区别除在断裂规模和高应力影 响大小有所不同外，可能还应考虑围岩断裂的位置 及其和周围岩层之间结构关系。钱七虎和李树忱[12] 也提及分区破裂与井下动力现象的关系。如果是这 样，围岩分区破裂应该和岩爆等现象都属于深部岩 石工程的一个特征行为。 2374 岩石力学与工程学报 2008年 围岩分区破裂对巷道稳定影响的分析目前也有 了一些工作[3 ～6，9]。图 2 给出的淮北朱仙庄矿巷道 两条前后时间测得的超声波分布曲线，似乎也反映 了支护能力不够使第一圈围岩先破坏情况。当然， 因为分区破裂形成的基础问题还不清楚，要判断现 有想法的合理性可能还有待时日。 5 结结 论论 目前对于分区破裂现象的认识还不统一，是认 为存在或不存在、还是有条件存在，是否属于深部 典型现象等看法还有分歧；现有的形成机制等研究 成果也只是概念性的或探索性的，但会议的讨论必 将推进这一研究朝合理的方向发展，使这一工作更 合理。 分区破裂问题的讨论，除其本身的意义外，仅 仅从前述处置科学问题的方法上讲，对讨论者也是 非常有益的。应该肯定，我国学者坚持“谨慎、质 疑”的态度，本着“事实第一”的原则，在分区破 裂问题上作了相当有益的工作，包括会议讨论。 本文关注的只是反映一些争议及相关看法，无 意贬低或想统一哪种观点和成果。分区破裂问题的 研究还有许多待发掘的“空间” ，通过进一步讨论， 相信其研究成果将更成熟。 参考文献参考文献References [1] 谢和平. 深部高应力下的资源开采现状、基础科学问题与 展望[C]// 香山科学会议编科学前沿与未来. 第 175 次学术讨论 会议. 北京中国环境科学出版社，2002179–191.XIE Heping. 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