高应力硬岩板裂破坏的研究现状与展望

高应力硬岩板裂破坏的研究现状与展望*李地元，李夕兵（中南大学资源与安全工程学院，湖南长沙410083）摘要：在深部高地应力硬岩开采过程中，经常可以观测到与开挖面基本平行的板裂破坏，这种破坏形式不同于剪切破坏，目前已引起国内外学者的广泛关注。

通过工程现场高地应力硬岩板裂破坏的实例分析，观察到硬岩的板裂、片帮、V 形槽、岩芯饼化等张性破坏特征，并对高应力硬岩的理论和试验研究现状进行了论述，给出了目前高应力硬岩板裂破坏的工程判据曲线，最后对硬岩板裂破坏的进一步研究工作进行了展望。

关键词：高地应力；硬岩；板裂破坏；片帮；张性破坏中图分类号：TD853文献标识码：A文章编号：1005－2763（2010）05－0082－05Advance and Prospect of Researches on Spalling Failureof Highly－stressed Hard RockLI Diyuan，LI Xibing（School of Resources and Safety Engineering，Central South University，Changsha，Hunan410083，China）Abstract：In excavation of highly－stressed rock mass at depth，rock slabbing parallel to the excavation surface has been ob-served frequently．Rock spalling failure is different from its shear failure，and has drawn many attentions from oversea and domestic scholars now．Through the in－site investigation on failure processes of highly－stressed hard rocks，some typical extension failure modes such as spalling，slabbing，V－shape notches and core－disking have been observed．In this paper，the theoretical and experimental studies on spalling failure of highly－stress hard rocks are reviewed，and curve on the criterion for rock spal-ling failure in underground engineering is presented．Finally the prospect of the further study on spalling failure of hard rock is put forward．Key Words：High in－site stresses，Hard rock，Spalling，Slab-bing，Extension failure0引言随着现代采矿与地下工程开挖深度的不断增加，在深部高地应力硬岩开采过程中，经常可以观测到与开挖面基本平行的板裂或片帮破坏，与浅部工程中常见的剪切破坏不同，这种破坏在英文文献中常常被称之为spalling或者slabbing［1 4］，在中文文献中称之为板裂破坏或者剥落破坏［5，6］。

早在1966年，Fairhurst和Cook就指出，岩石板裂破坏和岩石内部的拉伸劈裂裂隙的扩展有关［7］；根据Ortlepp 的定义，板裂破坏是在开挖边界面上由高地应力引起的一种破坏形式，破坏面一般平行于最大切向应力方向，且随着破坏进程的发展，最终会形成一个V 型凹槽，板裂破坏是硬岩应变型岩爆的一种表现形式［8］。

除深部采区开挖边界面外，在深部硬岩矿柱上也能观测到板裂破坏［9，10］。

譬如，Martin和May-bee［10］在加拿大某硬岩矿山里，观测到矿柱的主要破坏模式就是渐进式的板裂和片帮破坏。

近来，Cai［11］对硬岩试样的板裂破坏进行了有限元和离散元的耦合数值试验，其研究发现，产生与隧道开挖边界面平行的破坏面主要应归功于岩石本身的不均质和相对较高的第二主应力（σ2）以及近似等于零的第三主应力（σ3）。

目前，针对深部岩石板裂破坏的研究现状，国际岩石力学学会（ISRM）专门成立了一个岩石板裂分会（Commission on Rock Spalling）。

由此可以看出，硬岩的板裂破坏正成为目前岩石力学领域的一个新的挑战。

1高应力硬岩板裂破坏的工程实例从板裂破坏的断裂力学本质来看，硬岩在压缩载荷作用下的板裂破坏实质上是一种张拉性破坏ISSN1005－2763 CN43－1215/TD 矿业研究与开发第31卷第5期MINING R＆D，Vol．31，No．52011年10月Oct．2011*收稿日期：2010－07－07基金项目：国家自然科学基金项目（50934006，11102239）；国家重点基础研究发展计划项目（2010CB732004）；中南大学科技前沿资助计划（2010QZZD001）和中南大学自由探索计划（2011QNZT083）联合资助项目．作者简介：李地元（1981－），男，湖南新邵人，博士，讲师，主要从事岩石力学、深部硬岩工程和隧道工程方面的教学和科研工作，Email：lidiyuan123@hotmail．com。

（Extension failure）。

在国内外一些典型深部硬岩工程中，有不少学者在工程现场观察到平行于开挖面的张性板裂破坏。

图1是瑞典某千米深地下矿山一条新的平行的巷道开挖后，暴露出一个3年的老巷道上部围岩板裂破坏的情形，可见板裂破坏面基本上和开挖边界面平行。

图1瑞典某深部矿山巷道顶板的板裂破坏照片Martin等在加拿大AECL的地下硬岩实验室也观察到板裂破坏，发现板裂破坏面一般平行于最大主应力方向，与最小主应力方向基本垂直，板裂破坏裂纹面较粗糙，呈现张拉性破坏特征［2］。

高应力条件下隧道开挖时，V形槽（V－shaped notch）的产生也是一种典型的硬岩张性板裂破坏的表现。

V形槽的产生和隧道掌子面掘进以及围岩地应力分布情况有关，V形槽的形成是一个渐进过程，最初在隧道周边切向应力最大的地方逐渐形成板裂破坏面，随着围岩局部发生片帮和板裂，又会进一步形成新的板裂破坏面，最终形成一个V形槽［2］。

在高地应力条件下，岩石钻孔往往会出现岩芯饼化（core disking）的现象，这些岩饼之间的裂隙面相互平行，呈张性破坏。

关于高应力条件下的岩芯饼化机理目前还有待研究，但可以肯定的是，这和钻孔时沿岩芯方向卸荷导致的张拉性板裂破坏有关。

图2为秦岭终南山隧道一组典型的岩芯饼化照片，在27cm长的岩芯中观察到23个岩饼，从图2中可以看出，岩饼基本上呈等间距平行分布［12］。

图2高应力条件下岩芯饼化照片2高应力硬岩板裂破坏的理论和试验研究20世纪60年代以来，硬岩在压缩载荷作用下的脆性破坏就已被广泛研究，如Cook［13］，Bieniaws-ki［14］，Ewy和Cook［1，15］，Li和Nordlund［16］，Martin和Chandler［17］，Hajiabdolmaji等［18］，Wong等［19］和Cai［11］。

这些研究方法包括室内试验研究、数值模拟、微观和宏观观测、现场调研和数学推理等。

在所有这些研究中，最关键的就是岩石的破坏模式和岩石破坏的强度准则。

尽管目前的试验和理论研究已经取得了较大进展，但是仍有一些问题难以得到合理解释，譬如深部高应力条件下的硬岩开挖出现了与开挖面平行的板裂破坏，或者深部钻孔时出现了岩芯饼化等现象，这些问题都还没有完全得到合理的解释［2，20 23］。

一方面，目前关于岩石板裂破坏的研究主要集中在深部硬岩板裂现象的描述以及如何防止工程现场的岩石板裂破坏方面；另一方面，无论是经典的摩尔－库伦准则，还是基于工程经验的霍克－布朗准则，都是关于岩石发生剪切破坏的强度准则，这些准则在围压足够高能够产生岩石剪切破坏的前提下适用，但在单轴压缩下，或在低围压情况下，这些准则往往就不太适用，譬如岩石的劈裂破坏和板裂破坏等［19，24 26］。

基于此，Stacey［27］提出了一种脆性岩石开裂的简单拉伸应变准则，他指出：当岩石的总应变超过它的阈值应变的时候，岩石将会开裂。

尽管这个准则原理非常简单，但是由于硬岩的拉伸应变阈值较难确定，故在工程中应用并不太广泛。

在很多情况下，高应力硬岩开挖后的边界面上都会形成密布的“洋葱片状”般的裂纹和板片，这种由应力引起的裂隙间距和岩石应力大小、岩石强度以及岩石的均质程度有关［11］。

Diederichs对高地应力条件下硬岩的板裂破坏的损伤扩展和破坏判据进行了一系列的研究，并和霍克－布朗准则进行了对比［28，29］。

Eberhardt［30 32］对加拿大的Lac du Bonnet 花岗岩进行了大量的单轴压缩试验，来确定和识别硬岩破坏前的裂纹扩展过程，通过声发射技术和应变测量，在硬岩的应力应变曲线上确定了该花岗岩的微裂隙闭合应力（σcc）、裂隙起裂应力（σci）、裂隙损伤应力（σcd）和峰值强度（σUCS）等。

他研究中用的试样均为长径比为2．25的标准圆柱体试样，没有考虑端部效应和试样尺寸效应及形状效应对岩石破坏模式的影响。

国内对硬岩板裂破坏的研究起步较晚，随着深部开采和高地应力引起的岩爆问题日渐增多，逐渐认识到了硬岩板裂破坏现象和应变型岩爆问题之间38李地元，等：高应力硬岩板裂破坏的研究现状与展望的密切相关性。

何满潮等［33］设计了块状岩石的真三轴岩爆试验，能较好地模拟隧洞洞壁应力集中的过程及由此导致的岩爆，在岩爆试验过程中观察到花岗岩等硬岩的板裂和片帮破坏现象。

吴世勇等［34］对锦屏II级水电站深部大理岩进行了板裂化破坏的试验研究，并和现场板裂和片帮破坏情况进行了比较。

笔者也对挪威Iddefjord花岗岩进行了不同高宽比的硬岩板裂破坏试验研究，观察到硬岩在高宽比较小（如0．5）的情况下会出现明显的板裂破坏，板裂破坏强度约为岩石单轴抗压强度的60%左右，并结合岩石的声发射事件数曲线和应力应变曲线对硬岩板裂裂纹的扩展应力进行了分析和讨论［35，36］。

3高应力硬岩板裂破坏的工程判据在高地应力条件下，当进行隧道开挖或掘进时，开挖面附近的围岩相当于一侧卸压，围岩处于近似单轴受压状态，而初始围岩地应力较高，故切向压应力可能由于应力集中而达到或接近围岩的单轴抗压强度，岩石会出现在实验室单轴压缩条件下的轴向劈裂型片帮、板裂破坏，而不是剪切型破坏。