，，，，

(1.長江科學(xué)院 水利部巖土力學(xué)與工程重點實驗室，武漢 430010；2.武漢大學(xué) 水資源與水電工程科學(xué)國家重點實驗室，武漢 430072)

1 研究背景

巖心餅化是鉆探取心過程中特有的巖石力學(xué)現(xiàn)象，現(xiàn)有研究成果表明，高應(yīng)力環(huán)境下鉆孔巖心的餅化現(xiàn)象發(fā)生與否是宏觀判斷鉆孔所在部位巖體應(yīng)力是否屬高應(yīng)力或極高應(yīng)力的主要判斷依據(jù)。

早在20世紀60年代，國外已有學(xué)者對鉆孔巖心餅化現(xiàn)象進行了相關(guān)研究，其中關(guān)于餅裂機制主要有2種觀點：沿巖餅破裂面的剪切破壞和沿鉆孔方向的拉張破壞。Obert和Stephenson(1965)[1]對大理巖進行了室內(nèi)三軸應(yīng)力狀態(tài)的鉆孔試驗，觀察到巖餅端面存在與三軸剪切破壞裂痕一致的痕跡；Durelli等(1968)[2]通過光彈試驗證實了鉆孔過程中巖心底部邊緣存在剪應(yīng)力集中，并指出當(dāng)剪應(yīng)力大于抗剪強度即發(fā)生巖心餅化的巖心餅裂條件；Jaeger和Cook(1963)[3]基于對巖餅斷面形貌的細觀研究，最早指出餅化機理為受拉破壞，這一觀點在后續(xù)的許多試驗研究及理論分析工作中得到了相應(yīng)的支撐。Dyke(1989)[4]、Li和Schmitt(1997)[5]、Matsuki等(2004)[6]、Kaga等(2003)[7]通過三維數(shù)值模型分析了鉆心過程中巖心中拉應(yīng)力的變化，建立了相應(yīng)張拉破壞準(zhǔn)則。Corthésy(2008)等[8]使用彈塑性軟化模型對鉆孔巖心進行了數(shù)值模擬，指出巖心餅裂機制有張拉破壞、剪切破壞及張拉剪切聯(lián)合破壞3種，不同的應(yīng)力場及巖體張拉剪切強度比，破壞機制不同。

國內(nèi)學(xué)者自20世紀80年代以來，圍繞二灘正長巖、天荒坪河床凝灰?guī)r、三峽茅坪深孔花崗巖等工程高應(yīng)力鉆探巖心餅化問題，在高應(yīng)力條件下鉆孔巖心餅化特征、巖體結(jié)構(gòu)與應(yīng)力條件對巖心餅化的影響以及巖心餅化過程斷裂機制分析等方面也取得了重要進展[9-12]。目前的研究表明，地應(yīng)力大小不是決定巖心餅化的唯一因素，應(yīng)力方向、巖體結(jié)構(gòu)強度、鉆孔速率、孔徑同樣對巖心餅裂的破壞機制及幾何形態(tài)有著一定的影響[13]。

隨著經(jīng)濟建設(shè)與國防建設(shè)的不斷發(fā)展，深部巖體工程越來越多,深部巖體工程在開挖洞室或巷道時，圍巖變形和破壞等出現(xiàn)了一系列新的科學(xué)現(xiàn)象,如巖爆、圍巖擠壓大變形以及圍巖的分區(qū)破裂化現(xiàn)象[14]。鉆孔勘探作為了解深埋巖體特性的第一窗口，不僅是巖體取樣和巖體結(jié)構(gòu)編錄的主要手段，同時深部巖體鉆孔取樣和深埋隧洞開挖類似，鉆孔過程中巖心所產(chǎn)生的餅化等現(xiàn)象也反應(yīng)了巖體-應(yīng)力釋放的相互作用。因此，研究高應(yīng)力鉆孔過程中巖心的餅化特征，可以了解應(yīng)力場、應(yīng)力釋放對巖體的影響，對高應(yīng)力地區(qū)地應(yīng)力大小及隧洞開挖過程中巖爆等動力地質(zhì)災(zāi)害進行預(yù)測和評估。

本文總結(jié)分析已有的研究成果，對錦屏深部巖體典型鉆孔巖心餅化特征開展了調(diào)查統(tǒng)計分析，在對巖餅形貌以及鉆孔過程巖心餅裂現(xiàn)象的描述基礎(chǔ)上，結(jié)合數(shù)值模擬方法對鉆孔巖心餅裂進行了機理分析。研究成果對高應(yīng)力條件下的地應(yīng)力場的預(yù)測、鉆孔取心等工作具有一定的借鑒意義。

2 錦屏深部巖體典型巖餅形貌特征

本文利用錦屏白山組 T2b大理部分地應(yīng)力測試鉆孔進行巖心餅裂特征分析，其中：75 mm直徑巖心為錦屏地下實驗室二期7#實驗室洞壁鉆孔巖心；48 mm直徑巖心為2#試驗支洞(長江科學(xué)院深部巖體力學(xué)特性試驗場地)底板鉆孔所取。部分巖心如圖1所示，共統(tǒng)計Φ75 mm巖心240 m，Φ48 mm巖心100 m。

圖1 錦屏深部大理巖(T2b)巖心Fig.1 Core of marble rock (T2b) in Jinping deep underground

圖2 鞍形巖餅起伏形態(tài)與主應(yīng)力關(guān)系Fig.2 Relationship between principal stress and topogra-phy of saddle core disk

2.1 巖餅端面形貌特征

巖餅端面形貌與餅裂機制及地應(yīng)力場關(guān)系密切，巖餅表面斷口是否存在剪切擦痕或拉坎也成為研究者宏觀上判斷餅裂機制是否為剪切或拉斷的主要依據(jù)。

對于均質(zhì)完整性較好的巖石，巖餅端面起伏主要呈平整形、凹面形、鞍形等，其中凹面及鞍面的凹曲方向始終與鉆孔方向一致。在實際鉆孔過程中，受鉆頭振動、水壓、巖石節(jié)理以及巖石自身礦物不均勻性的影響，巖心餅裂的形態(tài)及端面的起伏會更加多樣。在幾種巖餅端面形態(tài)中，以鞍形最為特殊，Haimson等[15]通過鉆孔試驗證實了鞍形巖餅的凹軸與巖心徑向平面內(nèi)的最大主應(yīng)力方向一致，如圖2所示。

本文所統(tǒng)計的部分Φ75 mm和Φ48 mmT2b大理巖鉆孔巖心中，巖餅端面以鞍形為主，平面形次之，部分巖餅受自身節(jié)理及洞室開挖影響殘缺不全。巖餅端面主要特征為：巖餅端面新鮮，無浸染痕跡；巖餅破裂面上在平行于凸軸的方向上沿凹軸逐級分布拉張斷裂坎，拉張斷裂坎呈梯級分布且與凸軸具有一定的對稱性，如圖3所示。

圖3 巖餅端面形貌Fig.3 Texture of core disk surface

2.2 巖餅側(cè)面形貌特征

巖餅的側(cè)面形貌主要體現(xiàn)在巖餅的厚度以及裂紋的分布上。厚度主要受地應(yīng)力大小和巖石強度控制，對于同類巖石，當(dāng)場地地應(yīng)力較大時，鉆進較小深度即可在巖心根部產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力及剪應(yīng)力，因而巖餅厚度越??；而當(dāng)?shù)貞?yīng)力場一定時，巖石強度越高，就需要鉆進更大的深度使巖心根部產(chǎn)生超過巖石破裂強度的應(yīng)力，形成的巖餅相對較厚[16]。

對所選鉆孔進行巖餅厚度統(tǒng)計分析，其中Φ75 mm巖心中巖餅的厚度集中在15～25 mm范圍內(nèi)，Φ48 mm巖心中巖餅厚度集中分布在5～15 mm，巖餅厚度隨鉆孔直徑增大而增長。圖4為巖餅厚度H與直徑D比值(厚徑比H/D)的統(tǒng)計分布。從統(tǒng)計結(jié)果可知：2種直徑巖餅厚度分布范圍不同，但其厚徑比的期望值同在0.2～0.3范圍內(nèi)，僅略有差異。

圖4 巖餅厚徑比統(tǒng)計分布Fig.4 Statistics of core disk thickness-diameter ratio

與之類似的統(tǒng)計結(jié)果也在其他研究中出現(xiàn)，如:姚寶魁[9]對二灘壩址Φ56，Φ110，Φ130 mm 3種直徑的正長巖鉆孔進行了餅化現(xiàn)象統(tǒng)計，3類鉆孔中，巖餅的平均厚徑比分別為0.265，0.27，0.27；劉世煌[10]對拉西瓦電站Φ56 mm鉆孔直徑的花崗巖進行了巖心餅化統(tǒng)計，巖餅的平均厚徑比為0.26；李占海等[17]對錦屏深部實驗室鉆孔巖餅厚度進行了統(tǒng)計分析，其結(jié)果為：當(dāng)孔徑為Φ75 mm時，巖餅厚度集中在1.54～1.97 cm，當(dāng)孔徑為Φ91 mm時,巖餅厚度集中在1.86～2.38 cm，2種直徑巖餅換算之后的厚徑比均在同一范圍內(nèi)。

3 鉆孔巖心應(yīng)力特征分析

在鉆孔切割過程中，巖心內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)十分復(fù)雜，基于本文所觀察的巖餅斷口以拉裂斷坎為主，通過建立二維有限元彈性模型來分析鉆孔過程中巖心內(nèi)部拉應(yīng)力變化，對鉆孔巖心餅化現(xiàn)象及巖餅特征進行力學(xué)揭示。

使用ABAQUS軟件進行數(shù)值模擬，參數(shù)參考文獻[18]中錦屏T2b大理巖力學(xué)試驗結(jié)果，取彈性模量E=64 GPa，泊松比μ=0.26，單位采用國際標(biāo)準(zhǔn)單位系統(tǒng)，拉應(yīng)力為正、壓應(yīng)力為負，所建立的幾何模型如圖5所示。其中:D為巖心直徑；h為鉆孔深度；d為切縫寬度。

圖5 鉆孔巖心二維幾何模型Fig.5 Two-dimensional geometric model of rock drilling

3.1 鉆孔巖心拉應(yīng)力特征

在模型中預(yù)加巖心軸向應(yīng)力場(Sv)和巖心徑向應(yīng)力場(Sh)來模擬地應(yīng)力場，通過分步單元移除來模擬鉆孔切割過程。圖6為模型軸向應(yīng)力場Sv=40 MPa，徑向應(yīng)力場Sh=80 MPa，巖心直徑D=0.06 m時，不同鉆孔深度的巖心中最大主應(yīng)力(σ1>0時)云圖及矢量圖。由圖6可見：當(dāng)鉆孔切割使巖心失去側(cè)向約束，原本處于受壓狀態(tài)的巖心在根部出現(xiàn)拉應(yīng)力；巖心內(nèi)部最大拉應(yīng)力方向與巖心軸向接近平行，夾角在0°～10°范圍內(nèi)；巖心內(nèi)拉應(yīng)力區(qū)呈凹曲條帶狀，凹曲方向與鉆孔方向一致，拉應(yīng)力區(qū)的形狀與鞍形巖餅的端面凹曲形狀相似；隨著鉆孔深入，巖心內(nèi)部拉應(yīng)力區(qū)分布趨于穩(wěn)定變化。

圖6 不同鉆孔深度的巖心拉應(yīng)力云圖及矢量圖Fig.6 Contours and vectors of tensile stress in rock core at different drilling depths

3.2 裂紋初生與擴展

巖心內(nèi)部的拉應(yīng)力隨鉆孔深入而增大，直到處于穩(wěn)定變化階段，鉆進過程中，當(dāng)巖心某部位拉應(yīng)力大于巖石的抗拉強度時，即會發(fā)生局部開裂進而擴展貫穿至整個巖心形成巖餅。

圖7 鉆孔巖心最大拉應(yīng)力分布Fig.7 Distribution of maximum tensile stress in drill core

從最大拉應(yīng)力的數(shù)值大小以及在鉆孔過程中出現(xiàn)的位置來看，巖心中初始裂紋出現(xiàn)在III區(qū)的概率更大，對應(yīng)的裂紋擴展模式為：首先巖心表面局部出現(xiàn)拉裂紋，而后裂紋擴展至貫通巖心表面，同時裂紋向巖心中心擴展直至巖心完全餅裂。在所調(diào)查的鉆孔巖心中，還存在半餅化的巖心，巖心表面局部形成餅裂紋，正是裂紋在表面擴展階段。

3.3 巖心餅裂與地應(yīng)力場的關(guān)系

地應(yīng)力越大，相應(yīng)的巖餅厚度越小，除了通過實測數(shù)據(jù)擬合巖餅厚度與地應(yīng)力大小的關(guān)系式外，國內(nèi)外許多學(xué)者也基于各種餅裂破壞理論，通過數(shù)值、解析、模型試驗等方法推導(dǎo)出以巖餅幾何參數(shù)來估算地應(yīng)力大小的數(shù)學(xué)公式。本文將選取拉應(yīng)力參數(shù)，基于巖心張拉破壞的餅裂機制，通過二維彈性有限元分析，來分析地應(yīng)力大小與巖心餅化的關(guān)系。

3.3.1 張拉破壞指標(biāo)

前文在對鉆孔過程模擬中，當(dāng)鉆孔到某一深度時，巖心內(nèi)部拉應(yīng)力區(qū)將貫通，將拉應(yīng)力區(qū)中各徑向坐標(biāo)的最大拉應(yīng)力連接起來，可得到最大拉應(yīng)力貫通線，如圖8所示。定義最大拉應(yīng)力貫通線上最小拉應(yīng)力為貫通拉應(yīng)力，記為σtc，其含義是巖心內(nèi)部能形成貫穿巖心的拉應(yīng)力云圖的最大值，從圖8中可直觀理解其含義，當(dāng)拉應(yīng)力云圖的下限>σtc時，巖心內(nèi)部拉應(yīng)力云圖會斷開[6]。

圖8 最大拉應(yīng)力貫通線和貫通拉應(yīng)力Fig.8 Line of maximum tensile stress and penetrative tensile stresses

當(dāng)鉆孔巖心以張拉破壞形式餅化時，在鉆孔過程中，巖石抗拉強度σT、最大拉應(yīng)力σtmax以及貫通拉應(yīng)力σtc會存在以下幾種關(guān)系：①σT>σtmax時，巖心內(nèi)部不會出現(xiàn)張拉裂痕；②σT<σtc時，巖心內(nèi)部存在大于巖石抗拉強度的貫通拉應(yīng)力帶，巖心會張拉餅裂；③σtc<σT<σtmax時，巖心內(nèi)部會出現(xiàn)局部張拉裂紋，可能不完全餅裂。

前2種關(guān)系可以明確判斷巖心是否發(fā)生張拉餅裂，當(dāng)使用σT<σtc為判據(jù)研究餅裂與地應(yīng)力的關(guān)系時會高估地應(yīng)力大小，相應(yīng)地，使用σT<σtmax又會低估地應(yīng)力的大小。而實際上應(yīng)力大小并不是決定餅裂的唯一因素，基于斷裂力學(xué)分析,當(dāng)σtc<σT<σtmax時，也可能發(fā)生巖心完全餅裂。本文在以下的分析中，引入巖心中最大拉應(yīng)力貫通線的均值σta，圖9為Sv=40 MPa,Sh=80 MPa,D=0.06 m時，巖心中σtmax,σta,σtc隨鉆孔深度的變化。σta介于σtmax與σtc之間，呈指數(shù)曲線形態(tài)，相比σtmax,σtc的變化特征,σta可以更好地進行擬合分析，因此本文將以σT<σta作為張拉餅裂的判據(jù)。

圖9 最大拉應(yīng)力、貫通拉應(yīng)力及貫通線均值應(yīng)力隨鉆孔深度的變化曲線Fig.9 Curves of maximum tensile stress, penetrative tensile stress and average value of maximum tensile stress cross line versus drilling depth

3.3.2 巖心直徑與巖餅厚度

雖然雙胞山藥因為藤蔓短可以不搭架，但經(jīng)我們研究，搭一個0.6 m左右高的矮架更有利于通風(fēng)透光和田間管理，具有明顯的增產(chǎn)作用。也可采取插樁的辦法，用長度為70 cm左右的粗蘆葦或桑條等，一穴插一根樁。

通過對錦屏深部實驗室?guī)r餅的統(tǒng)計可知，小直徑鉆孔中巖心餅化的比率更高。本文通過分析不同直徑巖心鉆孔的應(yīng)力狀態(tài)來進行揭示。

圖10為巖心直徑D=0.04，0.06，0.08，0.10 m，應(yīng)力場Sv=40 MPa,Sh=80 MPa時，最大拉應(yīng)力均值σta隨鉆孔深度的變化，鉆孔深度用深度與巖心直徑的比值(h/D)表示。圖10中顯示:σta隨鉆孔深入而增加，不同直徑鉆孔的σta-h/D曲線形態(tài)基本一致;在00.6之后，σta趨于穩(wěn)定；鉆孔直徑越小，σta最終越大。因此對于同一應(yīng)力場和巖性，小直徑鉆孔中能達到的破壞拉應(yīng)力更大，相應(yīng)的小直徑鉆孔中巖餅出現(xiàn)的概率更高。

圖10 不同直徑巖心最大拉應(yīng)力貫通線均值隨鉆孔深度的變化曲線Fig.10 Average value of maximum tensile stress cross line in rock core of different diametres against drilling depth

對于不同直徑的鉆孔巖心，當(dāng)0

3.3.3 Sh與Sv對餅化的影響

已有研究表明當(dāng)鉆孔軸向應(yīng)力場增大時，就需要更大的徑向應(yīng)力場才能使巖心餅裂[1]。本文對D=0.06 m的鉆孔數(shù)值模型施加不同的軸向應(yīng)力場和徑向應(yīng)力場組合，計算最大拉應(yīng)力均值，來分析鉆孔軸向應(yīng)力場Sv和徑向應(yīng)力場Sh對巖心餅化的影響。如圖11所示，當(dāng)Sv=40 MPa時，各鉆孔深度的最大拉應(yīng)力均值隨Sh增大而增大；相反，當(dāng)Sh=40 MPa時,各鉆孔深度的最大拉應(yīng)力均值隨Sv增大而減小。該關(guān)系表明，對于巖心鉆孔，Sh增長有利于巖心餅化，而Sv增長不利于巖心餅化。因此，需要在高地應(yīng)力場地通過鉆孔獲取完整巖心時，鉆孔方向須盡量與最大主應(yīng)力方向平行，以得到鉆孔軸向應(yīng)力場Sv大而徑向應(yīng)力場Sh小的應(yīng)力場組合，降低鉆孔過程中最大拉應(yīng)力均值。

圖11 不同地應(yīng)力組合最大拉應(yīng)力貫通線均值隨鉆孔深度的變化曲線Fig.11 Average value of maximum tensile stress cross line under different geostress against drilling depth

3.3.4 巖心餅裂地應(yīng)力估算

前文已述，地應(yīng)力場狀態(tài)是巖心餅化的最主要誘因，通過對地應(yīng)力場和巖心餅化相關(guān)關(guān)系的研究，目前國內(nèi)外已有部分學(xué)者建立了利用巖餅的參數(shù)來估算地應(yīng)力的公式，這些公式有以剪切破壞為理論依據(jù)，也有基于拉伸破壞或斷裂力學(xué)理論而建立。本文將基于拉伸破壞理論，以σT<σta為餅裂判據(jù)，通過線彈性有限元計算模型建立地應(yīng)力估算公式。

對3.3.3節(jié)中的計算結(jié)果,以鉆孔平均應(yīng)力場Sm=(Sh+Sv)/2為分母進行歸一化處理，圖12為不同鉆孔深度，歸一化后徑向應(yīng)力場與最大拉應(yīng)力均值的關(guān)系圖。σta/Sm與Sh/Sm呈線性關(guān)系，可用式(1)進行表達,其中a,b為擬合參數(shù)。

σta/Sm=a(Sh/Sm)+b。

(1)

圖12 最大拉應(yīng)力貫通線均值與徑向應(yīng)力場的關(guān)系Fig.12 Relationship between average value of maximum tensile stress cross line with radial stress

將式(1)以Sh,Sv為變量，進行數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換可以得到式(2)、式(3)。其中參數(shù)A,B隨鉆孔深度變化曲線如圖13所示。

σta=(a+b/2)Sh+(b/2)Sv;

(2)

σta=ASh+BSv。

(3)

圖13 參數(shù)A,B隨深度變化曲線Fig.13 Curves of coefficients A and B varying with depth

參數(shù)A隨鉆孔深度的變化曲線形態(tài)與最大拉應(yīng)力貫通線均值隨鉆孔深度變化曲線一致，參數(shù)B與A的比值保持在-0.22左右，因此式(3)可以簡化為式(4)的形式。

σta=A(Sh-0.22Sv) 。

(4)

將拉伸餅裂判據(jù)代入式(4)有：

σta=A(Sh-0.22Sv)>σT,

(5)

(6)

圖14 巖心餅裂時應(yīng)力場分布Fig.14 Field stress distribu-tion of rock core discing

式(6)為巖心發(fā)生餅裂時的應(yīng)力場組合條件，如圖14所示，當(dāng)Sv,Sh在陰影區(qū)內(nèi)即會出現(xiàn)鉆孔巖心餅化現(xiàn)象。

式(6)中的巖石抗拉強度可通過試驗獲取，參數(shù)A隨鉆孔進深而增大，直到h/D=0.6后基本保持定值，可將A(h/D=0.6)作為臨界參數(shù)。本文所研究的巖石抗拉強度取值可參考周輝等[19]對錦屏T2b大理巖進行的抗拉試驗結(jié)果，其值在4～6 MPa范圍內(nèi)，本文取平均值σT(T2b)=5 MPa；A的臨界值取基于D=0.06 m的線彈性有限元模型的計算結(jié)果，A(h/D=0.6)=0.145。將所取抗拉強度和參數(shù)A臨界值代入式(6)可有錦屏T2b大理巖鉆孔巖心餅化的臨界地應(yīng)力場組合條件，即

Sv<4.55Sh-156.74 。

(7)

對于垂直于洞壁開挖面的鉆孔，孔口段的軸向應(yīng)力場Sv因松弛卸荷，可不予考慮其影響，將Sv=0代入式(7)有錦屏T2b大理巖垂直洞壁鉆孔孔口段巖心餅化的臨界地應(yīng)力場條件，即

Sh>34.44 MPa 。

(8)

4 實例驗證及應(yīng)用

4.1 鉆孔方向與巖心餅化

前文通過數(shù)值模型分析了鉆孔的軸向應(yīng)力場及徑向應(yīng)力場對巖心餅裂的影響，在對7#實驗室洞壁進行地應(yīng)力測試工作中，在同一部位布置了一個水平孔和一個45°仰角的斜孔。其中水平孔與洞壁垂直，相應(yīng)的鉆孔淺表處軸向應(yīng)力場最小，而徑向應(yīng)力場最大，該應(yīng)力組合有利于巖心餅化；而當(dāng)鉆孔與洞壁成一定角度時，鉆孔軸向應(yīng)場開始增大同時徑向應(yīng)力場相應(yīng)地減小，降低了巖心餅化可能性。圖15分別為水平孔和45°仰角孔的淺表段巖心，水平孔除了構(gòu)造及開挖形成的破裂之外，還存在鉆孔過程中形成的餅裂；而斜孔不僅無巖餅，其巖心的完整度也明顯好于水平孔。

圖15 水平孔及45°斜孔孔口段巖心Fig.15 Rock cores in the shallow part of horizontal hole and inclined hole with 45° angle

鑒于以上鉆孔方向?qū)r心餅化影響的理論分析和現(xiàn)象觀察，在高地應(yīng)力場地采用解除法測試淺表地應(yīng)力時以及統(tǒng)計巖體RQD時，可以采用與開挖面成斜角的鉆孔，以降低鉆孔過程中巖心餅化的可能性，保證測試數(shù)據(jù)的有效性。

4.2 平面主應(yīng)力方向

研究表明鞍形巖餅的凹軸與鉆孔徑向平面的最大主應(yīng)力方向一致。本文參考前期的地應(yīng)力測試資料[20]，通過對典型鞍形巖餅形貌測量來進一步驗證。如圖16(a)所示，通過切槽解除法完成了2#試驗支洞底板的平面主應(yīng)力大小及方向的測試，其中底板平面最大主應(yīng)力σH=98.1 MPa，最小主應(yīng)力σh=55 MPa，最小主應(yīng)力與洞軸線夾角為6°。

應(yīng)力測試槽通過圓形鉆頭連續(xù)重疊鉆孔成型，因此可通過巖心的缺口部位來確定巖心的原始方位。分別選取垂直及平行洞軸槽中典型的鞍形巖餅(圖16(b))并進行表面三維掃描，獲得其表面高程數(shù)據(jù)并繪制等高線，通過等高線的分布可以基本判斷鞍形巖餅凹軸的走向，如圖16(c)所示，巖餅凹軸的走向基本與試驗洞底板的最大平面主應(yīng)力方向一致。以上分析結(jié)果進一步證實了可通過鞍形巖餅的形貌來判斷平面主應(yīng)力方向的可行性。

5 結(jié) 論

在對錦屏高地應(yīng)力部分鉆孔巖心餅化特征進行調(diào)查統(tǒng)計分析的基礎(chǔ)上，總結(jié)已有的研究成果，基于巖心張拉餅裂理論進行了鉆孔巖心應(yīng)力分析，主要得到以下結(jié)論：

(1)鉆孔過程中，隨著孔壁應(yīng)力解除，巖心表面形成的拉應(yīng)力集中區(qū)是餅裂紋觸發(fā)的誘因，巖餅端面起伏形貌及斷裂特征受巖心內(nèi)部拉應(yīng)力集中區(qū)控制，表現(xiàn)為巖餅端面凹曲形態(tài)與拉應(yīng)力集中區(qū)形態(tài)一致，斷口以對稱分布的拉坎為主。

(2)足夠大的地應(yīng)力是巖心餅裂的首要地質(zhì)環(huán)境，地應(yīng)力越大,使形成的巖餅厚度越小。

(3)巖心餅化程度受鉆孔直徑、鉆孔方向、鉆孔深度等因素影響。同一場地的巖餅厚徑比基本一致，巖心直徑越小，巖餅的厚度越小。

(4)巖心徑向軸向應(yīng)力場與軸向應(yīng)力場對鉆孔巖心中形成的拉應(yīng)力貢獻不同，徑向應(yīng)力場增大促進巖心拉應(yīng)力增長,而軸向應(yīng)力場增大使巖心拉應(yīng)力減小。

(5)鞍形巖餅凹軸方向與巖心徑向平面最大主應(yīng)力方向一致，可通過鞍形巖餅的端面凹軸走向來判斷平面主應(yīng)力的方向。

(6)基于巖心張拉餅裂破壞模式，通過彈性模型分析，可得到巖心餅化時應(yīng)力場與巖心抗拉強度的關(guān)系式，通過該式得到錦屏T2b大理巖垂直洞壁鉆孔孔口段巖心餅化的臨界地應(yīng)力場條件為Sh>34.44 MPa。

本文是基于錦屏典型巖心餅化現(xiàn)象進行的初步理論分析，對于高應(yīng)力場巖心餅化及巖體應(yīng)力釋放的研究,還需更加系統(tǒng)地開展巖心、巖體及地應(yīng)力場的調(diào)查統(tǒng)計工作及理論研究。

[1] OBERT L，STEPHENSON D E. Stress Conditions under which Core Discing Occurs[J]. Society of Mining Engineers of AIME Transactions, 1965，232(3)：227-235.

[2] DURELLI A J，OBERT L, PARKS V J. Stress Required to Initiate Core Discing[J]. Transaction Society of Mining Engineers, 1968，241：1065-1073.

[3] JAEGER J C，COOK N G W. Pinching-off and Disking of Rocks[J]. Journal of Geophysical Research, 1963，68(6)：1759-1765.

[4] DYKE C G. Core Discing: Its Potential as an Indicator of Principal in Situ Stress Directions[C]∥International Society for Rock Mechanics and Rock Engineering, ISRM International Symposium, Pau, France, August 30-September 2, 1989. Rotterdam：A. A. Balkema，1989:1057.

[5] LI Y, SCHMITT D R. Effects of Poisson’s Ratio and Core Stub Length on Bottomhole Stress Concentrations[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 1997，34(5)：761-773.

[6] MATSUKI K, KAGA N, YOKOYAMA T,etal. Determination of Three Dimensional in Situ Stress from Core Discing Based on Analysis of Principal Tensile Stress[J].International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences，2004，41(7)：1167-1190.

[7] KAGA N，MATSUKI K， SAKAGUCHI K. The in Situ Stress States Associated with Core Discing Estimated by Analysis of Principal Tensile Stress[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 2003，40(5)：653-665.

[8] CORTHéSY R，LEITE M H. A Strain-softening Numerical Model of Core Discing and Damage[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 2008,45(3): 329-350.

[9] 姚寶魁.二灘壩址巖心裂餅現(xiàn)象及其斷裂破壞機制[J]. 地質(zhì)科學(xué)，1986，(3)：300-311.

[10] 劉世煌.拉西瓦水電站的巖芯餅化現(xiàn)象[J].西北水電技術(shù)，1988，(3):11-18.

[11] 尚岳全，孫 琪.天荒坪電站巖芯餅化機制分析[J].地質(zhì)災(zāi)害與環(huán)境保護,1991,2(2):49-52.

[12] 侯發(fā)亮，劉 軍，卓 光.應(yīng)力解除時巖芯中的應(yīng)力狀態(tài)及餅狀巖芯破裂成因分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報, 1986,5(1):61-78.

[13] LIM S S. In-situ Stress Magnitude and Core Disking[D]. Edmonton：University of Alberta，2013.

[14] 錢七虎,李樹忱.深部巖體工程圍巖分區(qū)破裂化現(xiàn)象研究綜述[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2008，27(6)：1278-1284.

[15] HAIMSON B C，LEE M Y. Estimating Deep in Situ Stresses from Borehole Breakouts and Core Disking—Experimental Results in Granite[C]∥Proceedings of the International Workshop on Rock Stress Measurement at Great Depth, the 8th International Congress on Rock Mechanics, Tokyo, September, 1995: Rotterdam: A. A. Balkema, 1995:19-24.

[16] SCHMITT D R，CURRIE C A，ZHANG L. Crustal Stress Determination from Boreholes and Rock Cores: Fundamental Principles[J].Tectonophysics, 2012, 580: 1-26.

[17] 李占海,李邵軍,馮夏庭,等.深部巖體巖芯餅化特征分析與形成機制研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2011,30(11): 2254-2266.

[18] 汪 斌,朱杰兵,鄔愛清,等.錦屏大理巖加、卸載應(yīng)力路徑下力學(xué)性質(zhì)試驗研究[J]巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2008,27(10):2138-2145.

[19] 周 輝,楊艷霜,肖海斌,等.硬脆性大理巖單軸抗拉強度特性的加載速率效應(yīng)研究——試驗特征與機制[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2013，32(9):1868-1875.

[20] 劉元坤,韓曉玉,汪 洋,等.錦屏深部巖體地應(yīng)力測試專題報告[R].武漢：長江水利委員會長江科學(xué)院，2012.