岩石卸荷破坏特征与岩爆效应
卸荷岩体的变形破裂特征
第22卷 第12期岩石力学与工程学报 22(12)：2028～20312003年12月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Dec ，20032001年11月20日收到初稿，2002年3月25日收到修改稿。
* 国家自然科学青年基金项目(49602040)及国家电力公司九五攻关项目(SPKJ006-02-04)资助。
作者 沈军辉 简介：男，37岁，1988年本科毕业于成都地质学院，2000年于成都理工大学地质工程专业获博士学位，2003年1月东南大学土木工程博士后工作站出站，现任副教授，主要从事水利水电工程地质、岩土工程、地下工程、地质灾害的勘察与防治等方面的工作。
E-mail ：jhshen2001@ 。
卸荷岩体的变形破裂特征*沈军辉1王兰生1王青海1徐 进2 蒋永生3 孙宝俊3(1成都理工大学环境与土木工程学院 成都 610059) (2四川大学水利水电工程学院 成都 610064) (3东南大学土木工程学院 南京 210096)摘要 在岩石试件卸荷试验的基础上，结合大型开挖工程，研究了岩体在卸荷状态下的变形破裂特征。
研究表明，岩石在卸荷状态下的变形表现为沿卸荷方向的强烈扩容，其破裂以张性破裂为特征，并存有张剪性和剪性破裂；卸荷岩体除具有上述变形破裂特征外，其变形破裂程度及方式受岩体结构的控制，比岩石更易发生变形与破坏，特别是其破裂体系，很大程度上受岩体结构的控制。
关键词 岩石力学，卸荷岩体，卸荷试验，变形破裂特征分类号 文献标识码 A 文章编号 1000-6915(2003)12-2028-04DEFORMATION AND FRACTURE FEATURESOF UNLOADED ROCK MASSShen Junhui 1，Wang Langsheng 1，Wang Qinghai 1，Xu Jin 2，Jiang Yongsheng 3，Sun Baojun 3(1College of Environment and Civil Engineering ，Chengdu University of Technology ， Chengdu 610059 China )(2School of Hydraulics and Electric Power ，Sichuan University ， Chengdu 610064 China )(3Civil Engineering College ，Southeast University ， Nanjing 210096 China )Abstract On the basis of unloading tests of rock sample ，the deformation and fracture features of unloaded rock mass are studied in conjunction with fracture systems of some large excavation project. Research shows that the deformation of unloaded rock is of intense dilatancy in unloading direction ，the fracture is characterized by tensile one ，and there are tensile-shear fractures and shear fractures. The deformation and fracture feature of unloaded rock mass is dominated by the rock mass structure ，and deformation and failure in unloaded rock is prone to take place compared with those in rock. Especially ，the fracture system ，is controlled by the rock mass structure. Key words rock mechanics ，unloaded rock mass ，unloading tests ，deformation and fracture feature1 前 言开展岩体卸荷破坏机制的研究，不但对于揭示卸荷岩体的力学行为及其破坏的力学机理、完善和发展岩体力学理论、研究人类工程活动诱发的地质灾害机理等方面均具十分重要的理论意义，而且对于岩体工程实践也具有重大的经济效益和很高的实用价值。
深部开采原生煤岩组合体围压卸荷致裂特征及破裂模式
深部开采原生煤岩组合体围压卸荷致裂特征及破裂模式全文共四篇示例，供读者参考第一篇示例：随着我国煤炭资源的逐渐枯竭，深部开采已成为一种重要的采煤方式。
而原生煤岩组合体在深部开采中的围压卸荷致裂特征及破裂模式是一个重要的研究方向。
本文将针对这一问题展开探讨。
围压卸荷是指在岩石或矿体中施加一定的围压载荷，当载荷被去除或减小时，岩石或矿体将发生裂隙扩展或破坏的现象。
在深部开采过程中，由于采空区的存在以及地表载荷的作用，原生煤岩组合体存在着一定的围压状态。
当深部开采进行时，岩体的围压状态将发生变化，卸荷现象也将随之出现。
围压卸荷过程中，岩体的裂隙扩展与破坏将对采煤工作面的稳定性和安全性产生影响。
深部开采原生煤岩组合体围压卸荷致裂特征主要表现在以下几个方面。
首先是裂隙扩展的特征。
围压卸荷过程中，岩体裂隙将发生扩展，从而导致岩体的破坏。
这种裂隙扩展具有一定的规律性，可以通过实验及数值模拟等手段进行研究。
其次是破裂的模式。
深部开采原生煤岩组合体在围压卸荷过程中可能出现不同的破裂模式，如剪切破裂、张裂等。
不同的破裂模式对采煤工作面的稳定性有着不同的影响，因此研究破裂模式对于提高采煤效率和保障采煤安全具有重要意义。
针对深部开采原生煤岩组合体围压卸荷致裂特征及破裂模式，可以通过一系列实验研究和数值模拟来进行分析。
通过实验可对不同围压状态下的煤岩组合体进行力学性质的测定，从而了解围压卸荷过程中岩体的裂隙扩展特征及破裂模式。
通过数值模拟可以模拟不同围压状态下岩体的变形与破坏过程，进一步深入研究围压卸荷致裂特征及破裂模式。
深部开采原生煤岩组合体围压卸荷致裂特征及破裂模式是一个复杂而重要的问题。
通过深入研究这一问题，可以为深部开采中的安全生产提供理论支撑和技术指导，为煤炭资源的高效开采和利用做出贡献。
【字数达到要求】第二篇示例：一、引言深部开采原生煤岩组合体是一种具有复杂物理力学性质的多相介质，其围压卸荷现象对工程开采产生重要影响。
深埋硬岩隧道卸荷热力效应及岩爆趋势分析
摘要：在高地应力和高地温的联合作用下，深埋高地温隧道围岩的变形破坏机制将更加复杂。开展不同温度环境 下花岗岩加卸载三轴试验，详细分析试样的应力–应变全过程曲线、力学参数变化特征和宏观破坏类型等随温度 的变化规律。试验表明：存在 60 ℃～100 ℃的温度门槛值，当温度未超过此范围门槛值时，随着温度的增加，岩 石峰后变形由延性向脆性转换，温度增强了硬岩的脆性破坏；当温度升高时，主要表现为剪切破坏，出现贯穿试 件的剪切破坏。在试验基础之上，开展基于有限差分的热–力耦合分析，利用脆性力学模型和能量指标分析隧道 的温度作用效应，进行不同地温下隧道开挖后的力学响应，定量对比不同地温条件下隧道塑性区、应力和能量指 标，计算结果表明，隧道地温增加将使岩体岩爆烈度增加。计算结果与试验数据相一致，深埋硬岩隧道卸荷的热–力 耦合研究对于深埋高地温隧道的设计和施工具有指导意义。 关键词：隧道工程；高地温；岩爆；三轴试验；热–力耦合分析 中图分类号：U 45 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2013)08–1554–10
目前，高地温环境下的深埋隧道岩石力学问题， 已成为岩石力学的热点之一。我国西南地区地质构 造复杂、新构造运动和地热环境活跃，兴建的大量 铁路、公路深埋隧道将经受高地温环境的困扰。深 埋硬岩隧道还将经受高应力作用下的岩爆灾害。拟 建的泛亚铁路网重点工程云南大理—瑞丽铁路线全 长 34.5 km，将穿越地热环境活跃的高黎贡山，隧 道选线最大主应力为 15～28 MPa，最高温度高达 50 ℃，因此，高黎贡山隧道属高地应力、高地热隧 道，隧道将遇到岩爆、高地温及等温度–应力耦合 作用的困扰。因此，需要深入研究高应力、高地温 环境下的深埋硬岩隧道岩石力学行为。 温度对岩石的作用效应概括为两方面：一是 温度对基本力学参数的作用影响；二是温度作用引 起的破坏形式改变。如：许锡昌和刘泉声[1]研究了 20 ℃～600 ℃的花岗岩在单轴压缩下的主要力学 参数随温度的变化规律，提出 75 ℃，200 ℃分别 是力学参数的门槛值；L.Y. Zhang 等[2]探讨了从室 温至 800 ℃下 3 种硬岩的峰值强度、峰值应变和弹 性模量的变化规律；J. S. O. Lau 和 R. Jackson[3]研究 了较低围压下花岗岩的弹性模量、泊松比、抗压强度 随温度的变化规律；吴 刚等[4]研究了常温～800 ℃ 温度作用下，大理岩的应力–应变全过程等随温度 的变化情况。 在温度对岩石破坏形式改变方面：Q. X. Lin 等[5] 通过声发射监测了花岗岩强度随时间的降低规律和 微观破坏机制。 李建林等[6]通过三轴卸荷试验认为， 高温烘烤后岩样的抗拉强度出现了明显降低。张志 镇等[7]在实时高温对花岗岩进行单轴压缩和断口电 镜扫描试验，并指出高温后岩样冲击倾向性减弱， 破坏机制呈现脆性向延性转变的趋势。李鹏举等[8-9] 通过 25 ℃～1 300 ℃的温度试验证明温度的升高 使硬岩从脆性向延性转化。 在热–力计算分析方面：S. Y. Li 等[10]根据温 度对岩土的损伤试验，基于 Mohr-Coulomb 准则提 出了岩土材料的统计损伤本构模型。陈益峰等[11]基 于均匀化方法给出低孔隙率脆性岩石在热–力耦合 荷载作用条件下的各向异性损伤模型和有效热传导 特性模型。J. C. Andersson 和 C. D. Martin[12]与 H. X. Lan 等
卸载速率对花岗岩应变岩爆破坏及碎屑形貌特征的影响
第 54 卷第 6 期2023 年 6 月中南大学学报(自然科学版)Journal of Central South University (Science and Technology)V ol.54 No.6Jun. 2023卸载速率对花岗岩应变岩爆破坏及碎屑形貌特征的影响李春晓1, 2，李德建1, 2，刘校麟1, 2，祁浩1, 2，王德臣1, 2(1. 中国矿业大学(北京) 深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，北京，100083；2. 中国矿业大学(北京) 力学与建筑工程学院，北京，100083)摘要：为研究深部工程开采过程中开挖速率对岩爆破坏特征的影响，首先，利用自主研发的真三轴应变岩爆实验系统，开展不同卸载速率下的花岗岩应变岩爆实验，借助动态高速应力监测系统和双目高速摄影系统监测试样岩爆过程；其次，分析了卸载速率对试样的岩爆破坏峰值强度、岩爆破坏过程、试样破坏形态以及碎屑块度特征的影响；再次，利用三维激光扫描系统建立了中粗粒碎屑的三维数字模型，分析碎屑三维形貌的几何及表面幅度特征参数；最后，基于分形理论和立方体覆盖法，定量研究了不同卸载速率对岩爆碎屑表面形貌的影响。
研究结果表明：随着卸载速率提高，试样岩爆时的峰值强度和破坏烈度增大，岩爆碎屑的破碎程度降低，岩爆破坏模式由张拉型破坏过渡到剪切型破坏。
在高卸载速率的影响下，试样内部裂纹未充分发育和扩展，容易形成几何形态规则的岩爆碎屑，并且碎屑表面形貌的复杂程度降低。
岩爆碎屑表面形貌具有明显的分形特征，卸载速率越大，碎屑表面形貌的分形维数越小。
关键词：应变岩爆；卸载速率；破坏特征；碎屑形貌；三维激光扫描；分形中图分类号：TU45 文献标志码：A 开放科学(资源服务)标识码(OSID)文章编号：1672-7207（2023）06-2298-14Effect of unloading rates on characteristics of damage andfragment morphology for strainburst of graniteLI Chunxiao 1, 2, LI Dejian 1, 2, LIU Xiaolin 1, 2, QI Hao 1, 2, WANG Dechen 1, 2(1. State Key Laboratory for Geomechanics and Deep Underground Engineering, China University of Mining andTechnology(Beijing), Beijing 100083, China;2. School of Mechanic and Civil Engineering, China University of Mining and Technology(Beijing),Beijing 100083, China)收稿日期： 2022 −08 −10； 修回日期： 2022 −11 −03基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(41572334)；中央高校基本科研业务费专项资金资助(2022YJSSB05)；深部岩土力学与地下工程国家重点实验室(北京)创新基金资助(SKLGDUEK202222) (Project(41572334) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(2022YJSSB05) supported by the Fundamental Research Funds for the Central Universities; Project(SKLGDUEK202222) supported by the Innovation Foundation of State Key Laboratory for Geomechanics and Deep Underground Engineering, Beijing)通信作者：李德建，博士，教授，从事深部岩体力学与工程灾害控制研究；E-mail ：****************DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2023.06.019引用格式： 李春晓, 李德建, 刘校麟, 等. 卸载速率对花岗岩应变岩爆破坏及碎屑形貌特征的影响[J]. 中南大学学报(自然科学版), 2023, 54(6): 2298−2311.Citation: LI Chunxiao, LI Dejian, LIU Xiaolin, et al. Effect of unloading rates on characteristics of damage and fragment morphology for strainburst of granite[J]. Journal of Central South University(Science and Technology), 2023, 54(6): 2298−2311.第 6 期李春晓，等：卸载速率对花岗岩应变岩爆破坏及碎屑形貌特征的影响Abstract:To study the effect of excavation speed on rock burst damage characteristic during the mining process of deep engineering, firstly, a series of strainburst experiments under different unloading rates were conducted on granite by using the self-developed true triaxial strainburst experimental system. The rock burst process of specimen was monitored with the dynamic high-speed stress monitoring system and binocular high-speed photography system. Secondly, the influence of unloading rate on peak strength of rock burst damage, rock burst damage process, damage morphology and fragmentation characteristic of specimen were analyzed. Thirdly, the three-dimensional digital model of medium-coarse grained fragment was established by using the three-dimensional laser scanning system, and the characteristic parameters of geometry and surface amplitude for three-dimensional morphology of fragment were studied. Finally, based on fractal theory and cube-covering method, the influence of unloading rate on surface morphology complexity of rock burst fragment was quantitatively studied.The results show that with the increase of unloading rate, the peak strength and damage intensity of specimen during rock burst increase, and the degree of fragmentation of rock burst fragments decreases, meanwhile the damage mode of rock burst transforms from tensile damage to shear damage. The cracks within the specimen are not sufficiently developed and penetrated under the influence of high unloading rate, which will make the geometrical morphology more regular and reduce the complexity of surface morphology of fragment. The surface morphology of rock burst fragment also exhibits distinct fractal characteristic. The higher the unloading rate is, the smaller the fractal dimension of surface morphology of rock burst fragment is.Key words: strainburst; unloading rate; damage characteristic; fragment morphology; three-dimensional laser scanning; fractal岩爆是能量岩体沿开挖临空面瞬间释放能量的非线性动力学现象[1]。
卸荷条件下岩石破坏宏细观机理与地下工程设计计算方法研究
卸荷条件下岩石破坏宏细观机理与地下工程设计计算方法研究一、本文概述本文旨在深入探讨卸荷条件下岩石破坏的宏细观机理，并针对地下工程设计计算方法进行研究。
我们将首先概述卸荷条件下岩石破坏的基本概念，然后分析岩石破坏的宏细观机理，包括岩石的力学特性、破坏模式以及破坏过程中的微观结构变化。
接着，我们将重点研究地下工程设计计算方法，结合卸荷条件下岩石破坏的宏细观机理，提出更为准确、可靠的设计计算方法。
本文的研究将为地下工程的设计、施工和安全管理提供重要的理论依据和实践指导。
通过对卸荷条件下岩石破坏的宏细观机理进行深入剖析，我们可以更好地理解岩石在卸荷过程中的力学行为和破坏机制，为地下工程的设计提供更为精确的理论基础。
结合地下工程设计的实际需求，我们可以进一步优化设计计算方法，提高地下工程的安全性和稳定性。
本文的研究具有重要的理论意义和实践价值。
一方面，它将丰富和完善岩石力学和地下工程设计的理论体系；另一方面，它将为地下工程的设计、施工和安全管理提供更为有效的技术支持和方法指导。
我们相信，随着研究的深入和技术的进步，地下工程的设计计算方法将更加成熟、完善，为地下空间的开发利用提供更为可靠的技术保障。
二、卸荷条件下岩石破坏的宏观机理卸荷条件是指岩石体在受到外部荷载作用后，随着荷载的逐渐减小或消除，岩石体内部应力状态发生变化，进而引发岩石破坏的过程。
在卸荷条件下，岩石破坏的宏观机理主要表现为应力重分布、损伤累积和破坏模式转变等方面。
卸荷条件下岩石内部的应力状态会发生变化。
在荷载作用下，岩石体内部产生压应力，随着荷载的减小或消除，压应力逐渐转化为拉应力或剪应力。
这种应力状态的变化会导致岩石体内部的微裂缝扩展和连通，进而形成宏观裂缝，最终导致岩石破坏。
卸荷条件下岩石损伤会不断累积。
在卸荷过程中，岩石体内部的微裂缝不断扩展和连通，导致岩石的完整性受到破坏，损伤不断累积。
随着损伤的累积，岩石体的力学性质发生变化，如弹性模量降低、强度减弱等，进而加速了岩石的破坏过程。
《瞬时卸荷岩体破坏特征及机理的数值研究》范文
《瞬时卸荷岩体破坏特征及机理的数值研究》篇一一、引言岩体工程中的瞬时卸荷破坏是岩体力学研究领域中的重要课题，对于工程建设和地质灾害预防具有重要意义。
本文旨在通过数值模拟方法，对瞬时卸荷岩体破坏特征及机理进行深入研究，以期为实际工程提供理论依据和指导。
二、研究背景与意义随着社会经济的快速发展，人类对自然资源的开发利用日益加剧，岩体工程中的瞬时卸荷问题愈发突出。
瞬时卸荷破坏往往导致岩体失稳、滑坡、崩塌等地质灾害，给人类生命财产安全带来巨大威胁。
因此，对瞬时卸荷岩体破坏特征及机理的深入研究，有助于揭示岩体破坏的内在规律，为岩体工程的设计、施工及灾害预防提供理论依据。
三、研究方法与模型本文采用数值模拟方法，结合岩体工程实际情况，建立瞬时卸荷岩体破坏的数值模型。
具体方法如下：1. 确定研究区域，收集地质资料，包括岩体物理力学参数、地质构造、地下水情况等。
2. 建立三维有限元模型，考虑岩体的非均质性和各向异性。
3. 设定瞬时卸荷条件，模拟岩体在瞬时卸荷过程中的应力变化和变形过程。
4. 采用合适的本构模型和强度准则，分析岩体的破坏特征及机理。
四、数值模拟结果与分析1. 破坏特征通过数值模拟，发现瞬时卸荷岩体破坏具有以下特征：（1）应力重分布：瞬时卸荷后，岩体内应力重新分布，产生局部应力集中现象。
（2）变形发展：随着应力的变化，岩体发生变形，变形量随时间逐渐增大。
（3）破坏模式：岩体破坏模式多样，包括剪切破坏、拉伸破坏等。
（4）裂隙扩展：裂隙在应力作用下扩展、贯通，导致岩体失稳破坏。
2. 破坏机理瞬时卸荷岩体破坏的机理主要包括以下几个方面：（1）应力集中：由于瞬时卸荷，岩体内产生局部应力集中现象，导致岩石强度降低。
（2）材料非线性：岩体的物理力学性质具有非线性特征，破坏过程中表现出明显的非线性行为。
（3）裂隙扩展：裂隙的扩展和贯通是岩体破坏的关键过程，对岩体的稳定性和强度产生重要影响。
（4）边界条件：边界条件对岩体的破坏具有重要影响，如地下水活动、地质构造等。
《瞬时卸荷岩体破坏特征及机理的数值研究》范文
《瞬时卸荷岩体破坏特征及机理的数值研究》篇一一、引言岩体破坏是地质工程中常见且具有重大影响的现象，尤其是在采矿、隧道开挖、边坡稳定等工程实践中。
瞬时卸荷作为岩体破坏的一种特殊形式，其破坏特征及机理的深入研究对于提高工程安全性和稳定性具有重要意义。
本文将通过数值模拟的方法，对瞬时卸荷岩体破坏特征及机理进行系统研究，以期为相关工程实践提供理论依据和指导。
二、研究背景及意义随着工程建设规模的扩大和复杂程度的提高，岩体破坏问题日益突出。
瞬时卸荷岩体破坏作为岩体力学领域的重要研究方向，其研究不仅有助于揭示岩体破坏的内在机制，而且对于提高工程安全性和稳定性具有重要意义。
通过对瞬时卸荷岩体破坏特征及机理的深入研究，可以更好地预测和评估工程中可能出现的岩体破坏风险，为工程设计和施工提供科学依据。
三、研究方法及模型本研究采用数值模拟的方法，通过建立三维有限元模型，对瞬时卸荷岩体破坏特征及机理进行系统研究。
模型中考虑了岩体的非均质性和各向异性，以及瞬时卸荷过程中应力、应变的分布和演化规律。
同时，通过引入合理的本构模型和边界条件，模拟了岩体在瞬时卸荷条件下的破坏过程。
四、瞬时卸荷岩体破坏特征1. 破坏形态：瞬时卸荷岩体破坏形态主要表现为剪切滑移、拉伸开裂等形式。
在破坏过程中，岩体内部出现大量微裂纹和宏观裂缝，随着卸荷过程的进行，裂缝逐渐扩展、贯通，最终导致岩体破坏。
2. 应力应变特征：瞬时卸荷过程中，岩体应力逐渐增大，达到一定阈值后发生突变，形成应力峰后阶段。
在这一阶段中，岩体应变迅速增大，出现明显软化现象。
随着软化的进行，岩体逐渐失去承载能力，最终发生破坏。
3. 能量演化特征：在瞬时卸荷过程中，岩体内部能量不断积累和释放。
随着破坏的进行，能量释放速率逐渐增大，达到峰值后迅速降低。
能量演化特征与岩体破坏过程密切相关，可为岩体破坏预测和评估提供重要依据。
五、瞬时卸荷岩体破坏机理根据数值模拟结果，瞬时卸荷岩体破坏机理主要涉及以下几个方面：1. 微裂纹扩展与宏观裂缝形成：在瞬时卸荷过程中，岩体内部微裂纹逐渐扩展、贯通，形成宏观裂缝。
围压卸荷诱发岩石破坏机理研究
围压卸荷诱发岩石破坏机理研究
岩爆作为一种机理十分复杂及其影响因素的千变万化的自然灾害,由于其复杂性,给传统的岩爆分析和施工设计带来了极大的困难。
但岩爆作为一种失稳破坏现象,尽管其发生过程短暂,但仍然经历了
孕育、发生和发展这一岩石破裂所具有的共同特征。
因此,研究岩爆的发生过程将为岩爆预测、预报提供理论依据。
卸荷岩爆研究从提出至今尽管经历的时间不长,但是在国内外岩石力学界也引起了广泛的关注。
经过现场观测和研究发现,在岩质边坡和质地较硬的岩体中,
卸荷将引起临空面附近岩石内部应力重新分布、造成局部应力集中效应,并且在卸荷回弹变形过程中,还会因差异回弹而在岩体中形成一
个被约束的残余应力体系。
过去对岩爆的岩石力学试验研究一般都采用加荷试验的方式,这与岩爆发生时的应力过程是不吻合的,只有采
用卸荷试验方式才符合实际。
本论文的的主要工作如下: 1.对同一物理参数矿柱模型在三种不同围压卸荷状态下的破坏过程进行数
值试验研究。
主要包括一次围压卸荷和逐步围压卸荷,并与常围压下矿柱模型进行比较。
从矿柱模型的破坏模式特点、应力应变曲线或者应力加载步曲线的变化特征,分析卸荷作用对矿柱破坏的影响。
2.在不同轴向应力条件下,对同一物理参数岩体模型实施开挖,形成具
有不同内部应力环境的模拟巷道。
观察由于开挖卸荷作用对在具有不同内部应力的岩体中所形成的模型巷道变形破坏形式的影响。
并从破坏模式、巷道周边应力变化和岩体内部应力变化特征方面分析开挖卸荷作用对巷道破坏的影响机理。
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山地研究(SHA N DI Y AN JIU)=M O U N T A IN RESEA RCH,1998,16(4):281～285 岩石卸荷破坏特征与岩爆效应王贤能 黄润秋(成都理工学院工程地质研究所 成都 610059) 提 要 岩爆是在地下洞室开挖卸荷过程中发生的,岩爆特征与岩石卸荷破坏特征密切相关.本文设计了模拟洞室开挖过程的三轴卸荷实验,探讨了岩石在不同卸荷速率条件下的变形破坏特征及其岩爆效应.关键词 三轴卸荷实验 卸荷速率 岩爆效应卸荷变形破坏现象在自然界中广泛存在.在岩质边坡中,卸荷将引起临空面附近岩体内部应力重分布、造成局部应力集中效应,并且在卸荷回弹变形过程中,还会因差异回弹而在岩体中形成一个被约束的残余应力体系.岩体在卸荷过程中的变形与破坏正是由这种应力变化引起的.在张应力集中带发展成拉裂面;在平行于临空面的压应力集中带处发展而成平行于临空面的压致拉裂面或剪切破裂面[1].卸荷回弹同样可以在岩体中形成残余剪应力,并导致剪切破裂.高地应力区钻进过程中所见到的岩芯饼裂的形成就是这种机制.我国长江葛洲坝大型机窠开挖过程中所观测到的沿平缓软弱夹层发生的向临空方向的剪切滑移,就是一种非常典型的差异卸荷回弹现象[1].王兰生教授提出的“浅生时效构造”,也是一种与卸荷有直接关系的新概念[2].孔德坊教授在研究成都粘土中的裂隙成因时,认为卸荷作用是产生这种裂隙的根本原因[3].处在高地应力地区的地下工程开挖过程中发生的岩爆,也是一种典型的卸荷破坏现象.过去对岩爆的岩石力学试验研究一般都采用加荷试验方式,这与岩爆发生时的应力过程并不吻合,只有采用卸荷试验方式才符合实际.由于试验条件限制和工程问题的复杂性,卸荷试验的实现比较困难.近十余年来,随着岩石力学的深入发展和工程实际的需要,我国逐步开展了岩体卸荷试验研究工作[4].本文选取西(安)(安)康铁路秦岭深埋隧道的混合花岗岩、含绿色矿物混合花岗岩、攀枝花石灰矿的灰岩,探讨了岩石在两种卸荷速率条件下的变形破坏特征以及与岩爆的关系.1 模拟硐室开挖卸荷过程的三轴试验设计地下硐室在开挖过程中,围岩应力发生重分布.径向应力( r)随着向自由表面接近逐渐减小至洞壁处变为零;而切向应力( )的变化有不同的情况,在一些部位越接近自由表面切向应力越大,并于洞壁处达到最高值(即产生压应力集中现象),在另一些部位,越接近自由表面切向应力越小,有时在洞壁处甚至出现拉应力(即产生拉应力集中现象).由此看来,地下硐室的开挖在围岩中引起强烈的应力分异现象,使围岩应力差越接近自由 *国家杰出青年科学基金(编号49525204)和教育部跨世纪优秀人才计划基金资助研究.收稿日期:1998-03-15,改回日期:1998-03-29.表面越大,至洞壁处达最大值,所以,围岩的破坏必将从硐室周边开始.假定围岩径向应力 r 为最小主应力 3,切向应力 为最大主应力 1,则在硐室开挖卸荷过程中,最小主应力 3一直减小;最大主应力 1的变化有三种情况,可能增大,可能减小,也可能不变.相比之下,当最大应力 1增大,而最小应力 3减小时,其应力差( 1- 3)最容易达到岩体的破坏极限状态.基于此,这里将模拟岩体在这类应力路径下的卸荷破坏特征.本次试验是在成都理工学院地质灾害防治与地质环境保护国家专业试验室M TS 岩石试验机上完成的.试验中选取两种卸荷控制方式:位移控制(LVDT 控制)和荷载控制(FORCE 控制).位移控制(LV DT 控制)方式的过程是:对岩样称施加静水压力,然后使轴压略微升高(视岩石的强度而定);保持试验系统(由岩样和两端压头组成)的轴向位移不变(即LVDT 控制),逐渐卸除围压,直至破坏.其典型的应力路径如图1所示.图中,S 点为静水压力状态,SU 为加荷阶段;U 点为卸荷开始点,UF 段为卸荷阶段;F 点为卸荷破坏点.图1 L V DT 控制方式的应力路径Fig.1 Stress path of LVDT control typefor un load ing p roces s 图2 F O RCE 控制方式的应力路径Fig.2 Stres s path of FORCE control type for unloading process荷载控制(FORCE 控制)方式的过程是:对岩样先施加静水压力,然后使轴压略微升高(视岩石的强度而定);保持试验系统的荷载不变(即FORCE 控制),逐渐卸除围压,直至破坏.其典型的应力路径如图2所示.图中,S ′点为静水压力状态,S ′U ′为加荷阶段;U ′点为卸荷开始点,U ′F ′段为卸荷阶段;F ′点为卸荷破坏点.两种卸荷方式的应力路径很相似,不同之处在于卸荷过程中围压 3的减少量 3与轴压 3的增加量 1的比率不同.位移控制(LVDT 控制)方式的比值 3/ 1为1.13,荷载控制(FORCE 控制)方式的 3/ 1为0.14,即位移控制方式的卸荷速率比荷载控制方式的卸荷速率快.2 岩石的卸荷过程中的变形破坏特征本次试验选取以下三种岩石:秦岭隧道工程的混合花岗岩、含绿色矿物混合花岗岩和攀枝花石灰矿的石灰岩.其中秦岭隧道混合花岗岩取自隧道进口端曾经发生过岩爆位置的岩石.为便于对比,每种岩石分别做了加荷试验.试验结果如图3～5和表1所示.图4为位移控制(LVDT 控制)方式卸荷试验曲线,图5为荷载控制(FORCE 控制)方式卸荷试验曲线.从图3中可以看出,岩石在位移控制(LVDT 控制)方式下卸荷,其加荷段与卸荷段的变形特征明显不同(图中U 点为卸荷开始点).加荷段的斜率明显比卸荷段的斜率大,282山 地 研 究16卷(1)灰岩(2)混合花岗岩(3)含绿色矿物混合花岗岩图3 岩石加荷试验曲线Fig.3 The strain-stress cur ves of rock s am ple under loading cond itios即岩石在加荷过程中的弹性模量比卸荷过程的弹性模量大(如表1所示).攀矿石灰岩加荷段的弹性模量为41.63GPa ,而卸荷段的弹性模量为40.73GPa.与加荷试验相比,位移控制(LVDT 控制)方式下岩石卸荷破坏时的应力差明显减小(如表1所示).攀矿石灰岩加荷试验破坏时的应力差为251.M Pa,而卸荷破坏时的应力差为115.62M Pa;秦岭隧道混合花岗岩加荷试验破坏时的应力差为273.87M Pa ,而卸荷破坏时的应力差155.57M Pa .这说明,岩石在卸荷过程中其强度明显降低.图3岩石加荷试验曲线与5卸荷试验曲线(荷载控制)相比,同类岩石在卸荷过程中的变形量增大,弹性模量降低(如表1所示).秦岭隧道混合花岗岩卸荷弹性模量为44.88GPa(图5a 所示),而相应的加荷弹性模量为53.48GPa.(a )石灰岩;(b )混合花岗岩;(c)含绿色矿物混合花岗岩图4 岩石卸荷试验曲线(L V DT 控制)Fig.4 T est curves of rock sample under u nload ingcondition controlled by L VDT type (a )石灰岩( 1=30.53M Pa , 3=30M Pa ),(b )石灰岩( 1=38.98M Pa, 3=30M Pa),(c)混合花岗岩图5 岩石卸荷试验曲线(F ORCE 控制)Fig.5 T es t cu rves of rock sample un der unloading con dition con tr olled by FORCE type从表1可以看出,岩石卸荷速度越快,其强度越低.位移控制(LVDT 控制)方式围压减小量与轴压增加量的比值为1.13,而荷载控制(FORCE 控制)方式围压减小量与轴压增加量的比值仅为0.14,因此,位移控制卸荷方式下岩石的强度将比荷载控制卸荷方式下岩石的强度低.攀矿石灰岩,位移控制方式卸荷破坏时的应力差为115.62M Pa(破坏时的围压为2.43M Pa ),而荷载控制方式卸荷破坏时的应力差为214.40M Pa (破坏时的围压为9.90M Pa )。
秦岭隧道混合花岗岩,位移控制方式卸荷破坏时的应力差为155.57M Pa (破坏时的围压为5.41M Pa),而荷载控制方式卸荷破坏时的应力差为214.30M Pa(破坏时的围压为0.63M Pa).这表明,在地下工程的施工开挖过程中,可以通过调整施工速度,控制围岩的位移来减缓或降低岩爆的发生.2833期王贤能 黄润秋:岩石卸荷破坏特征与岩爆效应 表1 岩石力学试验结果表T able 1 Res ults of mech anical test of rock sample under loading and unloading conditions岩 性应力控制方式卸荷前应力状态破坏时的应力状态及破坏特征弹性模量轴压围压轴压围压应力差破裂角破坏性质加荷阶段卸荷阶段M Pa M Pa M Pa M Pa 1- 3 (°)GPa GPa 攀矿灰岩加荷实验——261.5410251.3418剪切破坏67.05—卸荷LVDT 控制38.9730118.05 2.43115.626张性破坏41.6336.18卸荷FORCE 控制38.9730226.6612.26214.4020剪切破坏—46.05卸荷FORCE 控制30.5330165.419.97155.4415剪切破坏—44.82秦岭隧道混加荷实验——283.3710273.8719剪切破坏53.48—合花岗岩卸荷LVDT 控制45.4730160.98 5.41155.5714剪张复合型42.8540.73卸荷FORCE 控制30.5330214.930.6324.806剪张复合型—44.88含绿色矿物加荷实验——206.7010196.7019剪切破坏51.13—混合花岗岩卸荷LVDT 控制42.2230148.240.76147.4811张剪复合型49.9042.593 岩石卸荷破坏与岩爆效应岩石在加荷破坏(具有一定围压)时容易发生剪切破坏,破裂角 (与最大主应力的夹角)较大;而卸荷破坏(若围压较低)时,容易发生剪张复合型破坏,其破裂角 较小(如表1所示).a )攀矿灰岩,LVDT 控制卸荷,张性破坏( 1=118.05M Pa , 3=2.43M Pa )b )秦岭隧道混合花岗岩,LVDT 控制卸荷,剪张性破坏( 1=160.98M Pa, 3=5.41M Pa)c)攀矿灰岩,FORCE 控制卸荷,剪切破坏( 1=226.66M Pa, 3=12.26M Pa)d )秦岭隧道混合花岗岩,FORCE 控制卸荷,张剪性破坏( 1=214.93M Pa , 3=0.63M Pa )图6 岩石卸荷破坏迹线Fig.6 Failure characters of rock samples under u nloading conditions 图6为卸荷破坏迹线素描图.图中(a )(b)为攀矿石灰岩和秦岭隧道混合花岗岩在位移控制(LV DT 控制)方式下卸荷破坏迹线;(c)(d)为石灰岩和混合花岗岩在荷载控制(FORCE 控制)下卸荷破坏迹线.从图中可以看出,当卸荷破坏发生时的围压较低时,则其破坏特征以张性或张剪复合型(图6a 、b 、d ):若卸荷破坏发生时围压较高,则其破坏特征以剪切破坏为主(图6c ).地下硐室在开挖卸荷过程中,硐室周边围岩的侧压被卸除,应力发生重分布.当调整后的应力状态达到岩体极限状态时,岩体发生破坏.此处发生的岩体破坏应当是张性破坏或剪张复合型破坏.处在高地应力区的地下硐室开挖过程快速卸荷,形成一系列平行于洞壁连通性较差的张裂隙,这些张裂隙将围岩分割成板状、甚至薄板状.这种板状破裂进一步发育,向硐室突然溃决破坏,从而导致岩爆的发生.谭以安博士对天生桥二级水电站的岩爆断面做了电镜扫描(SEM )分析[5],断面有张性破坏,也有剪切破坏.张性破坏的SEM 形貌特征为沿晶粒拉花、穿晶拉花等;剪切破坏的SEM 形貌特征为沿晶擦花、切晶擦花及擦阶擦花,这说明岩爆属于张性、剪切复合破284山 地 研 究16卷坏,与岩石卸荷试验结果相符.4 结 论岩石在卸荷条件下的变形破坏特征与在加荷条件下的变形破坏特征有很大的差异.在卸荷条件下,岩石的弹性模量比加荷条件下的弹性模量小,破坏时的强度也随卸荷速率增大而明显降低,多呈张性、张剪性破坏,这表明,可以通过调整施工开挖的速度来控制或减缓岩爆的发生.岩爆是在地下洞室开挖卸荷过程中发生的,其特征与岩石的变形破坏特征密切相关,岩爆的破坏也多呈张性、张剪性.本文在探讨岩石卸荷破坏特征与岩爆效应方面仅做了定性分析,而深入研究岩石卸荷破坏理论及岩爆发生准则并应用于实际工程则是一个重要的研究课题.参考文献[1] 张倬元,王士天,王兰生.工程地质分析原理.北京:地质出版社,1981.79～85.[2] 王兰生,赵其华,李天斌.浅生时效构造与人类工程.北京:地质出版社,1991.3～19.[3] 孔德坊.裂隙性粘土.北京:地质出版社,1995.1～4.[4] 吴 刚.岩体在加荷卸荷条件下破坏效应对比分析.岩士力学.1997,18(2).13～16.[5] 谭以安.岩爆形成机理研究.水文地质与工程地质,1989,16(1),34～38.ANALYSIS OF DEFORMATION AND FAILUREFEATURES CHARACTERISTICS OF ROCK UNDERUNLOALDING CONDITIONS AND THEIREFFECTS ON ROCK BURSTWang Xianneng Huang Runqiu(Institute of Engineer ing Geology ,Chengdu University o f T echnology ,Chengdu 610059)AbstractThere exists great difference o f the defor matio n and failure characteristics betw een rock sam ples under loading and unloading conditions.Inthis paper ,the triax ial test is de-signed to sim ulate the excavation of tunnel ,and triax ial tests under loading and unload-ing conditions about thrcc kinds o f rock (mig matitic gr anitc ,m igmatitic g ranitc co ntain-ing g rccn mincral and limcstonc )hav e been done .It show s that the elastic modulus under unlo ading conditio ns is less than that under lo ading conditio ns ,and the strength of rock sam ple descends with the developing of unloading ratio,and the failur e form at o r patter n is tensile type o r tensile-shear com posite ty pe.Ro ck bur st occurs under the unloading co nditions during the ex cav ation of tunnel,its failure fo rmat is also tensile type or ten-sileshear composite type,w hich is prov ed in the field.Key words tr iax ial test under unloading co ndit ions,unloading r atio ,r ock burst effects 2853期王贤能 黄润秋:岩石卸荷破坏特征与岩爆效应 。