趙 海 軍

(山東華科規(guī)劃建筑設(shè)計(jì)有限公司，山東 聊城 252000)

1 概述

深埋于地下的硬性巖體在高地應(yīng)力作用下易于脆性破壞，如剝落、片幫、巖爆等。合理預(yù)測分析高地應(yīng)力下圍巖破壞范圍，對于地下洞室施工初期支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)選擇十分必要[1]。針對硬脆性巖石破壞模擬分析，很多學(xué)者從不同的方面開展了相關(guān)的研究，結(jié)果顯示采用常規(guī)的強(qiáng)度應(yīng)力比或者彈塑性模型并不能很好的預(yù)測硬脆性巖石發(fā)生片幫的范圍，并相應(yīng)的給出了不同的預(yù)測方法，如m-0準(zhǔn)則、CWFS模型、CSFH模型等[2-4]。地下洞室圍巖破壞范圍與巖體及巖體賦存環(huán)境相關(guān)，地應(yīng)力和巖體強(qiáng)度不僅影響圍巖塑性屈服范圍，同時(shí)也影響屈服區(qū)位置等[5,6]，基于此本文利用m-0準(zhǔn)則，采用Examine2D軟件從埋深變化、側(cè)壓系數(shù)、地層巖性等不同角度對影響深埋地下洞室圍巖脆性破壞的影響因素及規(guī)律進(jìn)行研究，研究結(jié)果可加深對于硬巖脆性破壞的認(rèn)知，為地下工程支護(hù)設(shè)計(jì)提供一定的參考。

2 屈服準(zhǔn)則

Martin等對圍巖脆性破壞進(jìn)行了研究，其中，基于彈性模型的m-0準(zhǔn)則應(yīng)用較廣泛。此準(zhǔn)則考慮了地應(yīng)力作用及巖體強(qiáng)度特性與巖石強(qiáng)度特性之間的不同，并認(rèn)為巖體發(fā)生脆性破壞，主要是黏聚力丟失所致，摩擦角在脆性破壞時(shí)并未被激發(fā)，其作用可被忽略。該準(zhǔn)則是在Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則的基礎(chǔ)上，將巖體質(zhì)量參數(shù)m視為0，s=0.11，即:

σ1-σ3=Aσc

(1)

其中，σ1和σ3分別為最大、最小主應(yīng)力；σc為巖石單軸抗壓強(qiáng)度。

3 影響因素

圍巖脆性破壞的影響因素很多，可分為自然因素和人為因素兩類。此處利用m-0準(zhǔn)則，采用RocScience公司的Examine2D軟件從埋深變化、側(cè)壓系數(shù)、地層巖性等不同角度進(jìn)行單一因素影響研究。

3.1 埋深

不同埋深情況下洞室圍巖塑性屈服如圖1所示。

由圖1可知，對于同一種圍巖而言，隨著埋深的增加圍巖塑性屈服區(qū)逐漸變深，即隨著最大主應(yīng)力量值的增加，圍巖屈服破壞的可能性越大，進(jìn)而進(jìn)一步增加發(fā)生巖爆的可能。

3.2 側(cè)壓系數(shù)

不同側(cè)壓系數(shù)下圍巖塑性屈服情況如圖2所示。

由圖2可知，側(cè)壓系數(shù)小于1.0時(shí)，隨著側(cè)壓系數(shù)的增加，塑性區(qū)深度變化較小，但寬度方向明顯發(fā)生變化。側(cè)壓系數(shù)達(dá)到1.0時(shí)，塑性屈服區(qū)主要分布于環(huán)洞壁方向，無明顯V字形屈服區(qū)出現(xiàn)。側(cè)壓系數(shù)大于1.0時(shí)，V字形屈服區(qū)隨之出現(xiàn)，但出現(xiàn)位置發(fā)生變化，由右拱肩變化至左拱肩，硬性圍巖屈服范圍隨著主應(yīng)力方向的變化而變化。

3.3 粘聚力

巖體粘聚力不同時(shí)，塑性破壞如圖3所示。

由圖3可知，隨著巖體粘聚力強(qiáng)度增高，洞壁圍巖塑性區(qū)范圍逐漸降低，即圍巖強(qiáng)度的增加，洞壁屈服巖體范圍減小，圍巖裂隙化減弱，進(jìn)而發(fā)生巖爆的可能性降低。

3.4 摩擦角

巖體摩擦角不同時(shí)圍巖釋放應(yīng)變能及應(yīng)變能密度的影響如圖4所示。

隨著巖體摩擦強(qiáng)度的增高，洞壁圍巖屈服區(qū)深度逐漸減小。即圍巖強(qiáng)度的增加，洞壁屈服巖體范圍減小，圍巖裂隙化減弱，進(jìn)而發(fā)生巖爆的可能性降低。

4 結(jié)語

本文在利用m-0準(zhǔn)則，采用Examine2D軟件從埋深變化、側(cè)壓系數(shù)、地層巖性等不同角度對影響深埋地下洞室圍巖脆性破壞的影響因素及規(guī)律進(jìn)行研究，得到以下認(rèn)識：

1)對于同一種圍巖而言，隨著埋深的增加圍巖塑性屈服區(qū)逐漸變深，即隨著最大主應(yīng)力量值的增加，圍巖屈服破壞的可能性越大，進(jìn)而進(jìn)一步增加發(fā)生巖爆的可能。側(cè)壓系數(shù)對于硬性圍巖屈服范圍具有較大影響，當(dāng)主應(yīng)力方向發(fā)生變化時(shí)，V型破壞范圍發(fā)生變化。2)巖體粘聚力和膜材強(qiáng)度的增高，將使得圍巖塑性區(qū)范圍逐漸降低，圍巖裂隙化減弱，進(jìn)而發(fā)生巖爆的可能性降低。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張傳慶,馮夏庭,周 輝,等.深部試驗(yàn)隧洞圍巖脆性破壞及數(shù)值模擬[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2010,29(10):2063-2068.

[2] Hajiabdolmajid V,Kaiser P K,Martin C D.Modelling brittle failure of rock[J].International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences,2002(39):731-741.

[3] Martin C D,Kaiser P K,McCreath DR.Hoek-Brown parameters for predicting the depth of brittle failure around tunnels[J].Canadian Geotechnical Jorunal,1999,36(1):51-135.

[4] Kaiser P K,Tannnant D D,McCreat D R.Canadian Rockburst Support Handbook[M].Geomechanics Research Centre,1996．

[5] 王成虎,宋成科,劉立鵬.地下洞室圍巖脆性破壞時(shí)的應(yīng)力特征研究[J].巖土力學(xué),2012(S1):1-7.

[6] 左建平,黃亞明,熊國軍,等.脆性巖石破壞的能量跌落系數(shù)研究[J].巖土力學(xué),2014(2):321-327.