深部围岩分层破裂综述--肖旺

稿件《考虑锚杆支护的峰后软弱围岩数值研究》（稿号：201505076）修改情况汇报尊敬的《水文地质工程地质》编辑部老师：感谢您(们)在百忙之中对稿件评阅，课题组认真学习了审稿专家及编辑部对稿件“考虑锚杆支护的峰后软弱围岩数值研究”（201505076）的审查意见及改进建议。编辑部及专家的真知灼见对提高本文的水平将起到巨大的帮助，课题组表示万分真诚的感谢。现针对审稿专家给出的审稿意见，对稿件相关问题的修改或解释进行汇报:第一条：请斟酌“临界塑性软化系数”和“软弱围岩”的用法，在传统的岩体力学围岩应力分析中，认为在隧道围岩中存在一个塑性和弹性的分界面，发生塑性变形的围岩是不是一定是软弱围岩？解析：基于应变软化模型，临界塑性软化系数η*(即临界塑性剪切应变)[1-4]，一般指岩体到达残余阶段时的塑性剪切应变(如图2所示)。国内外学者研究表明，基于连续介质理论在平面应变状态下对围岩的弹塑性分析研究中，临界塑性剪切应变是体现围岩应变软化特征和衡量岩体峰后脆性的重要因素(具体影响过程，在第二条中阐述)。软弱围岩主要是指岩体强度较低在高应力作用下破坏较为严重或是完整岩样强度较高，但岩体中存在大量的节理裂隙，这类岩体在高应力作用下，均表现为大塑性变形。在深埋隧道或埋深较浅但围岩强度较低时，工程开挖卸载将会导致洞周围岩产生应力重分布，出现应力集中现象，当围岩重分布应力足够大，围岩的二次应力状态可能超过围岩的抗压强度(岩石的屈服极限)或是局部的剪应力超过岩体的抗剪强度，当岩体应力σθ，σr，σc满足塑性屈服准则，该部分岩体将由弹性进入塑性状态，从而发生塑性变形。Mohr-Coulomb屈服准则：crK(1)其中：σθ，σr分别表示隧道围岩的切向、径向应力，即最大，最小主应力。)sin1/()sin1(K；c，φ分别为岩体粘聚力和内摩擦角；σc为岩体强度，)sin1/(cos2cc。《地下结构设计原理与方法》[5]也给出了围岩进入塑性状态的判据(条件)：2σ0≥σc(2)其中：σ0为原岩应力，亦即初始应力场。因此发生塑性变形的围岩不一定是软弱围岩，专家考虑这点更为严谨周到，专家真知灼见的建议给本文重大启示。本文研究深部隧道围岩，深部岩体中节理、裂隙的存在，其力学行为受岩石强度、结构面状况及应力状态等多方面影响，存在节理的硬岩在深部巷道开挖卸载过程中，在高应力条件下，均表现出明显的软岩大塑性变形特性及应变软化特性，岩体变形具有不连续性。因此针对上述问题并结合专家指示，为更全面反应本文研究内容，将本文题目改为“考虑锚杆支护的深部围岩分层破裂机制数值研究”第二条：文中“在一定条件下，临界塑性软化系数η*越小，分层破裂现象越明显”，对于结构性较强的围岩，是否存在这类现象？如层状岩体，还会不会有这种环状破裂？解析：首先阐述分层破裂机理。对于分层破裂机理国内外诸多学者认为[3-4,6-7]：岩石的峰后脆性是影响分层断裂现象产生的重要因素之一。随着岩石峰后脆性的增强，分层断裂现象越明显，断裂层数增多。图1中Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ分别对应着理想弹脆性，峰后应变软化，理想弹塑性这3中模型。分层破裂化是发生在岩石峰值强度后应力下降阶段的岩石破裂现象，岩石峰后脆性(即应力下降阶段的斜率，图1)对洞室围岩的破裂模式有着重要影响。围岩峰后脆性较强时，岩体中出现了非常明显的分层断裂现象[3-4]，断裂带和完整岩体交替出现。临界塑性剪切应变是体现围岩应变软化和衡量岩体脆性的重要因素。图2展示了临界塑性软化系数对围岩峰后脆性的影响，η*越小，AB段越陡，脆性越强，分层破裂现象越明显。苏永华[3-4]等研究了临界塑性剪切应变场对分层断裂的影响；通过数值模拟研究，改变临界塑性剪切应变，得到不同的围岩破裂形态；其研究结果表明：在一定条件下，临界塑性软化系数η*越小，分层破裂现象越明显。而临界塑性软化系数η*与围压有关，围压越大，临界塑性软化系数越大，脆性减弱，岩石表现出延性力学响应，本文正是基于此展开研究。OABCp1r1理想弹塑性理想弹脆性应变软化模型1ⅠⅡⅢOABC弹性塑性软化塑性残余00Mp1r11*图1岩体应力-应变全过程曲线模型图2简化的应变软化模型深部开采中围岩–支护作用关系与浅部不同，由于深部软弱岩体中高应力、高围压在开挖后瞬间释放，致使被支护区域围岩在支护之前便已进入峰后强度软化或残余阶段。开挖过程中引起围岩应力场变化，导致应力集中，当围岩中的应力状态大于岩体破坏强度(即峰后残余强度)时，围岩发生不同程度的拉压破坏，在适当的条件下可能会产生分区破裂现象。由此看来分区破裂化现象是深部岩体工程特有的现象[8]，而开挖过程中岩体峰后应力变化的特性是产生这一物理现象的必要条件。在深部工程支护设计中往往低估或忽略软弱岩体峰后力学行为的重要性，致使支护结构局部破损或整体失稳。因此，深入研究探讨深部软弱岩体峰后力学行为，对于深部巷道开挖与支护结构设计等具有十分重要的意义。结构性较强的围岩，岩体中存在大量软弱结构面和节理裂隙，完整性较差，材料性能表现为各向异性，其力学行为受岩石强度、结构面状况及应力作用方向等多方面影响。中国矿业大学黎立云教授[9]，对层状岩体进行了强度试验和有限元数值计算研究，研究表明：当载荷垂直于层面作用时，此层状岩体极易发生剪切破坏；当平行于层面施加压力时，破坏荷载很小，且易发生层间劈裂破坏。层状岩石的层面方向性对其力学性能影响很大，层状岩体层间材料抗剪切性能较弱，极易沿裂纹方向或结构面发生剪切破坏。钱七虎院士研究了深部岩体力学特征响应[7-8]。在深部隧道开挖过程中若岩体进入峰后强度软化或残余阶段，当围岩中的应力状态大于岩体峰后破坏(残余)强度时，围岩则发生不同程度的拉压破坏，岩体在屈服破坏过程中，无论是结构性强，节理分布岩石，例如层状岩体，或是完整性岩体，都将沿着裂纹扩展并沿软弱结构面产生分层追踪破坏，破坏后都会产生塑性剪切破碎带，所以对于结构性较强的围岩，在适当的条件下也可能会产生分层破裂现象，如图3所示[7-8]，但层状岩体变形破坏受结构面（层理面）控制，各向异性力学特性，所以产生分层破裂不一定是规则环状。采矿工作面完整带裂隙带发现有裂隙的钻孔图3南非Witwatersrand金矿巷道顶板分区破裂化情景[7-8]第三条：请细化得到“图7不同长度锚杆支护下围岩破裂形态”的具体模拟过程及其相关的参数取值。解析：围岩力学参数：参照文献[3-4]，如表1。初始地应力σ0=60MPa，完整岩石的单轴抗压强度σci=45MPa，围岩峰值地质强度指标GSIp=45。围岩软化参数004.03DFLAC。表1围岩力学参数E/GPaψν峰值强度残余强度cp/MPaφp/(°)cr/MPaφr/(°)2.53.750.250.5300.3522锚杆力学参数：弹性模量Es=210GPa，直径ds=22mm，锚杆间纵向间距Sc=0.8m，横向间距Sl=1.2m，锚杆端部支护预紧力P=60KN。锚杆抗拉拔极限轴力根据拉拔测试结果，Tbf=600KN。锚杆提供的最大支护阻力：Pmax=0.625MPa。施加锚杆后由前推导公式可得：围岩软化参数增大至006.03DFLAC，残余粘聚力增大至c*=0.40MPa。具体模拟过程：利用FLAC3D中的Table功能键实现应变软化模型中粘聚力c，内摩擦角φ的变化(本文不考虑剪胀角的软化)。采用塑性剪切应变值来衡量岩体的破坏[3-4]，图7展示的分别是锚杆长度为L=0m，1m，3m，5m(其中L=0m为无锚杆支护条件)时围岩破裂形态分布，其中颜色较深区域为围岩塑性剪切破坏区。现象及机理分析：从文中图7可以看出无锚杆支护时(L=0m)分层断裂现象十分明显，洞壁附近出现了多条延伸长度较大的断裂层，断裂层大致上关于倾角为45°的斜平面对称，分层破裂半径(最大断裂面至隧道临空面的距离，下同)Rd≈5.6m，塑性剪切应变最大值为0.0498。施加L=1m锚杆支护时，断裂层延伸长度减少，分层破裂现象明显减弱，分层破裂半径Rd≈4.2m，塑性剪切应变最大值为0.0421。这说明增加锚杆支护使围岩围压增大，岩体强度增强，导致峰后脆性减弱，塑性剪切应变值降低，有效抑制了破裂区范围。但当锚杆支护长度从3m增加至5m时，分层破裂现象变化不明显。(具体数值结果针对文中图7在已在文中细化)第四条：图8中所示的这种径向应力循环增大、减小的原因是什么？文中的分析和图8不能很好地对应，请予以细化，并充分论证。解析：深部地下工程开挖，对于靠近巷道临空面一定范围的围岩，相当于卸载径向力，同时由于应力转移和传递形成更高的环向应力。工程开挖将会导致洞周围岩产生应力重分布，出现应力集中现象，当围岩重分布应力足够大，超过岩石的屈服极限时，围岩将由原来的弹性状态转化为塑性状态。塑性状态的岩体裂隙增多，岩体力学参数诸如内聚力、内摩擦角和变形模量值均会降低。陈士林[10]等，王明洋[11]等根据地下结构开挖应力重分布理论和支撑压力理论分析，从宏观上导出了深部地下工程开挖围岩的多重自由面应力模型(如图4所示)。原理（原因）--多重自由面应力模型：在离隧道临空面一定距离的围岩支承压力区(当r≈r1时)，围岩破坏可能顺着半径为r=r1的圆柱面的切向面发展；岩石沿着隧道形状的同心圆层状柱曲面发生分层断裂，导致r0≤r≤r1区域的围岩卸载；r=r1面(或者在该卸载面的附近区域)将由于径向应力的卸载而形成新的自由面，同样r=r1处也变成新的圆柱面半径，围岩中的应力将发生重分布，此时在岩体内就可能再次形成新的支承压力区(如图4所示)。这样又会出现新的破坏区，形成巷道围岩中二个“自由面”。这样循环往复，形成多重开挖自由面效应，从而形成多个断裂层，因此围岩径向应力，环向应力随着断裂层也产生循环震荡变化。r1ro1rr0r0rr图4深部隧道多重自由面应力模型图5峰值应力区的微单元体对处于支承压力区的微单元体进行受力分析，如图5，此时可认为单元体径向应力σr和切向应力σθ(也称环向应力)均为主应力，且其环向应力比初始围压大，而径向应力小于初始围压。微单元体相当于处于较大的主压力及较小的侧压力作用下的单轴压缩，当主压力与侧压力满足一定条件时，单元体将发生劈裂破坏。Fairhurst等[12]研究指出，当应力值达到格里菲斯强度时，裂纹将向最大主应力方向扩展。对于圆形洞室，当应力状态满足一定关系时，围岩中的裂纹将沿着最大主应力方向发展，即围岩环向应力方向。当应力足够大时，该裂纹将最终贯通，形成环状断裂，由此产生分层断裂现象的第一个断裂层。第一个断裂层相当于围岩中一个新的自由面，从而在围岩深处进一步形成峰值应力区和新的断裂层。如此反复，直至环向应力和径向应力不再满足断裂发生的条件。机理与讨论：根据文中图8数值模拟结果的应力分布图，可以清晰地看到，隧道围岩中的次生自由面确实是存在的，这个结果为深部工程开挖围岩中的多自由面理论模型提供了数值试验验证。对于浅部岩体，其所处的地应力水平一般较低，巷道围岩在发生一次破坏后，向围岩深处传播的应力波与原岩应力场叠加后不能使深处岩体再一次发生破坏，从而无法形成第二个破裂区。浅部岩体中也就不会出现分层断裂现象。锚杆支护机理：图6中虚线表示是无锚杆支护时的围岩应力，实线表示是施加锚杆支护时的围岩应力。锚杆对围岩提供径向附加应力△σr(阴影部分)，而σr是连续的，因此，深部围岩应力随锚固区应力的增加而提高，而弹塑性分界面的应力是常量。因此锚固区径向应力的增加促使弹塑性分界面向巷道中心移动(图6所示)，塑性区半径减小，围岩变形减小。这就是砂浆锚杆提高围岩稳定性的原因。岩体峰后行为受围压的影响，锚杆支护改善了隧道开挖边界的低围压环境；改善围岩应力状态，控制塑性区的发展；促使应力峰值由围岩深部向洞壁移动，破裂区半径Rd减小，分层破裂化现象减弱。(具体数值结果针对文中图8在已在文中细化)rip弹性圈塑性圈天然应力圈r0r0ro图6砂浆锚杆径向支护力学机理以上是稿件的修改情况，如