鄧 林，武 君，呂 燕

(1.四川建筑職業(yè)技術(shù)學院，四川德陽 618000;2.中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司，北京 100055)

巖爆的機理可以概括為處在一定應(yīng)力環(huán)境中的硬脆性巖石，在外力擾動下使得圍巖中積聚的應(yīng)變能大于克服巖體破壞吸收的能量后使巖石突然以張拉或剪切破壞或張剪復合破壞的形式脫離母巖的一種動力破壞［1-3］。巖體的性質(zhì)是影響巖爆的重要因素，利用巖石的室內(nèi)試驗分析巖體的工程性質(zhì)，分析硬巖巖爆傾向性的定量指標是巖爆預測的重要途徑。國內(nèi)外學者根據(jù)巖石試驗分析巖體能量轉(zhuǎn)移特點，提出了多種能量法預測巖爆，有的研究成果已得到了實際應(yīng)用［4］，解決了一些生產(chǎn)實際問題，但是這些預測方法往往只考慮了其中的某些單一因素，因此，預測結(jié)果與現(xiàn)場實際出現(xiàn)較大的偏差。文章根據(jù)巖石的破壞過程中的能量變化和轉(zhuǎn)移，提出了基于巖石變形破壞過程中能量轉(zhuǎn)移特性的巖爆能量指數(shù)預測法，并利用雅瀘高速公路泥巴山隧道流紋巖進行試驗，將該種方法與現(xiàn)有的能量法預測方法進行對比分析，指出了該方法的適用性。結(jié)合現(xiàn)場實際情況，提出了定量分析的指標。

1 能量法預測巖爆分析

目前，利用巖石室內(nèi)試驗進行巖爆預測的能量法主要有能量沖擊性能指標法和脆性系數(shù)指標法、彈性應(yīng)變能指數(shù)法。

1.1 能量沖擊性能指標法

巖石的沖擊性能指標KE預測巖爆的核心思想是認為只要在開挖過程中巖石吸收的能量大于破壞過程中消耗的能量就發(fā)生巖爆［6］。在巖石的單軸壓縮的應(yīng)力應(yīng)變?nèi)^程曲線中，則是以應(yīng)力峰值為界的左右部分曲線與應(yīng)變坐標所圍成的面積之比。可以用式(1)計算得到巖石的沖擊性能指標KE，認為KE＞1時該巖石將發(fā)生巖爆。

式中，F(xiàn)1為圖1中OAC圍成的面積;F2為圖1中ACED圍成的面積。

圖1 能量沖擊性能指數(shù)法應(yīng)力應(yīng)變?nèi)^程曲線

顯然，F(xiàn)1中包含巖石發(fā)生塑性變形和微裂隙發(fā)展所消耗的能量，而不是峰值后區(qū)巖石破裂所釋放的能量。因此，該指標在預測巖石巖爆時夸大了巖爆發(fā)生的可能性。

1.2 巖石脆性指標法

巖石脆性指標法的物理意義是巖石脆性越強，巖石破壞的突發(fā)性越強［7，8］，即巖石脆性與巖爆有很大的關(guān)系，巖石表現(xiàn)出越大的脆性，巖爆的傾向性就越高。而在實際工程中，巖石的脆性大小常簡單地用巖石的單軸抗壓強度與單軸抗拉強度之比或是用巖石峰值強度前的總變形Lf與永久變形Lb之比來表征，并給出了評價指標，當B=0～0.4，無巖爆，當B=3.5～5.5時，輕微巖爆，當B=5～7.8時，中等巖爆，當B＞7時，強烈?guī)r爆［9-11］。顯然這種結(jié)論要建立在完整的硬巖中才適用，如在流紋巖及玄武巖這類溢出巖中可能存在隱微的原生柱狀節(jié)理，因受節(jié)理面影響，在試件不同位置進行試驗，由試驗所得抗拉強度將會相差很大，另外就是在軟巖中節(jié)理發(fā)育的巖石因節(jié)理的抗拉強度很低，往往造成抗壓強度與抗拉強度比值較大，會造成脆性指數(shù)很大的誤導。因此，用抗壓和抗拉強度之比不能完全反映巖石的彈性變形能的儲存能力［8］。這表明用巖石的單軸抗壓強度與其單軸抗拉強度之比只能表征結(jié)構(gòu)比較完整的巖石的彈性變形能的儲存能力，該方法也夸大了巖爆的可能性。

1.3 彈性應(yīng)變能指數(shù)法

由波蘭人A.Q.Kidybinshi提出的彈性應(yīng)變能指數(shù)(Wet)法計算依據(jù)如圖2所示。

圖2 單軸壓縮卸荷應(yīng)力-應(yīng)變曲線

該理論認為巖爆是圍巖在應(yīng)力調(diào)整變化過程中，早期聚集的彈性應(yīng)變能突然釋放的過程［5］。早期集聚的能量大小可以通過單軸壓縮卸荷試驗得到的卸荷應(yīng)力-應(yīng)變曲線進行分析，即可以采用應(yīng)力應(yīng)變曲線分析在變形過程中損失的能量，可以恢復的彈性變形能與產(chǎn)生塑性變形損失的能量之比表征巖爆發(fā)生的可能性，可用公式(2)表示。

其式中，φsp為巖石破壞峰值強度前儲存的彈性應(yīng)變能，即圖1中AOC圍成的面積;φst為耗散的應(yīng)變能，即圖2中AOB圍成的面積。

該指標將峰值前巖石儲存的能量分為彈性變形能和塑性變形能，反映了巖石彈性變形能的儲存能力，在一定程度上反映巖石破壞時的能量釋放大小，波蘭等國家將其作為了國家標準，給出了定量預測的指標，當Wet＜2.0時，不會產(chǎn)生巖爆，當Wet=2.0～4.9時，中、低強度巖爆，當Wet≥5.0時，嚴重巖爆。但是該指標并沒有涉及巖石峰值強度后的應(yīng)力變化情況，不能完全反映巖石破壞后區(qū)的能量釋放和動力破壞所需能量之間的相對關(guān)系，不能確定巖體是突然破壞還是持續(xù)穩(wěn)定破壞，因此不能完全反映巖爆的傾向性的真實情況。

1.4 巖爆能量指數(shù)法分析

盡管現(xiàn)在的能量法預測巖爆解決了一些生產(chǎn)問題，但從前面的分析可以看出，能量沖擊性能指標法、巖石脆性指數(shù)法及彈性應(yīng)變能指數(shù)法都只考慮到其中的某一方面的因素，并且受試驗條件等因素影響，很多時候也出現(xiàn)了較大的偏差。將以塑性變形為主的黏性土和以彈性變形為主的典型的硬脆性巖石單軸壓縮曲線進行對比分析可知，黏性土壓縮變形曲線峰值強度后曲線多近似為一水平線，而對于巖石應(yīng)力應(yīng)變?nèi)^程曲線則是隨著硬脆性的變化發(fā)生顯著變化，對于軟巖的變形曲線則與黏性土接近，而對于硬質(zhì)性脆的巖石則峰值強度后的曲線似F密度分布曲線，即峰值強度后巖石有一部分彈性變形能。國內(nèi)外學者經(jīng)過大量巖石試驗也證明應(yīng)力應(yīng)變?nèi)^程曲線在峰值強度后區(qū)為F密度分布曲線的巖石往往會產(chǎn)生巖爆［12］?；诖耍梢栽趧傂栽囼灆C上對巖石進行單軸壓縮試驗，獲取應(yīng)力應(yīng)變?nèi)^程曲線，重點分析應(yīng)力應(yīng)變?nèi)^程曲線峰值強度后段應(yīng)力應(yīng)變過程曲線，找出彈性變形與塑性之間的關(guān)系，即可以找出剩余彈性變形的能量與克服裂隙擴張消耗的塑性變形能之間的關(guān)系用以表征巖爆烈度——巖爆能量指數(shù)法，其評價依據(jù)如圖3所示。

由前面的分析可得，如果巖石處于穩(wěn)定塑性流動變形狀態(tài)，則其變形曲線在峰值強度后為一條平行于應(yīng)變軸的水平線(如圖3中AF線段)，即巖體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)為一個動態(tài)穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，繼續(xù)加載吸收的能量就全部轉(zhuǎn)化為巖石塑性變形消耗的能量，巖石不發(fā)生突然破裂或破壞。如果應(yīng)力應(yīng)變?nèi)^程曲線在峰值強度后逐漸下降，如圖3中的AD、ACD'線段，則加載輸入的能量就有一部分轉(zhuǎn)為恢復彈性變形的能量，一部分用于消耗裂隙繼續(xù)擴張塑性變形的能量，說明巖石峰值強度前吸收的能量大于巖石峰值強度后塑性變形所消耗的能量，即有剩余彈性變形能。如果隧道開挖后提供有臨空面，剩余的彈性變形恢復，巖石以巖爆的形式出現(xiàn)以適應(yīng)應(yīng)力的調(diào)整，多余彈性變形能與克服塑性變形消耗的能量之間的大小關(guān)系則可以反映巖石發(fā)生破壞的強烈程度。其計算公式如式(3)所示。

圖3 應(yīng)力應(yīng)變?nèi)^程曲線示意

式中，Bq為巖石巖爆能量指標;A1為ADF圍成的面積;A2為CADE或CAD'E圍成的面積

顯然Bq是一個小于等于1的數(shù)據(jù)，考慮到無巖爆與強巖爆是兩種極端情況，將這兩種邊界指標波動范圍劃得偏小，其余的兩種情況按中間等分劃分，采用如下判別標準進行巖爆預測:

當Bq=0～0.20時，無巖爆;

當Bq=0.20～0.50時，弱巖爆;

當Bq=0.50～0.80時，中等巖爆;

當Bq=0.80～1.00時，強巖爆。

2 試驗分析

采用泥巴山隧道勘察鉆孔巖芯制作試樣，進行室內(nèi)單軸壓縮條件下的荷載-應(yīng)變?nèi)^程試驗與峰值前的加-卸載試驗，試驗在MTS815程控伺服剛性試驗機上進行。試樣為流紋巖，巖性致密堅硬，加工成φ50 mm×100 mm的圓柱試件，典型的應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)^程曲線如圖4所示。

圖4 典型應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)^程曲線

為了比較采用能量指數(shù)Ba與能量沖擊指標KE和能量指數(shù)彈性變形能指數(shù)Wet幾種能量法預測巖爆的異同，根據(jù)室內(nèi)巖石單軸壓縮和卸載所得應(yīng)力－應(yīng)變?nèi)^程曲線，采用前述的公式(1)、公式(2)、公式(3)進行計算，并與現(xiàn)場實際發(fā)生的情況進行比較分析。將計算結(jié)果列于表1中。

表1 能量法分析預測結(jié)果

根據(jù)表1可知，該隧道開挖的過程中將會發(fā)生巖爆，采用不同的判別標準結(jié)果相差較大。到現(xiàn)在隧道即將貫通時，采用巖爆能量指數(shù)法與現(xiàn)場比較吻合，采用彈性變形能指數(shù)法、沖擊指標法、脆性指標法均夸大了巖爆的烈度。

3 結(jié)論與展望

(1)采用沖擊指標法、脆性指標法都放大了巖爆的烈度，夸大了巖爆的可能性。

(2)采用巖爆能量指數(shù)法克服了變形能指數(shù)法不考慮峰值強度后的變形，可以判定是發(fā)生巖爆還是塑性變形。

(3)提出的巖爆能量指數(shù)法考慮了巖體的峰值強度后能量的存儲與轉(zhuǎn)移，克服了沖擊指標法、脆性指標法不考慮破壞階段進一步變形吸收的能量，更能反映巖爆的可能性，且試驗簡單。

(4)利用巖爆能量指數(shù)法判別巖爆是利用大相嶺泥巴山隧道的流紋巖進行試驗并結(jié)合現(xiàn)場實際發(fā)生情況提出的，具有一定的參考價值，但是試驗數(shù)據(jù)還不多，還需要進一步試驗修正。

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