（安全技术及工程专业论文）深部岩体损伤破坏评价方法研究.pdf

中南大学硕十学位论文 a b s t r a ( - r a b s t r a c t i ti st h ed e 印m i n i n gt h a ti st h eo n l yw a yo f m i n i n ga tp r e s e n ta n di nt h ef u t u r e a c c o r d i n g t ot h ep r o b l e m se x i t i n gi nt h ed e e pm i n i n ga n dr o c km a s se v a l u a t i o n , t h e f o l l o w i n gs t u d i e sa p p l y i n gt h e o r yo fs y s t e ms a f e t ye n g i n e e r i n ga n dm a t h e m a t i c m e t h o d sa r eg o ta l o n gi nt h i sp a p e r ： ( 1 ) t h ec l a s s i f i c a t i o no fd e e pe n g i n e e r i n gi ss u m m a r i z e da n da n a l y z e di nt h i s p a p e r b a s e do nt h ea n a l y s eo fr o c kd a m a g e ，t h i sp a p e rp o i n t so u tt h a tr o c km a s s d a m a g ei n c l u d e sr o c km a s ss t r u c t u r ed a m a g ea n dr o c kd a m a g e a c c o r d i n gt o t h e r e l a t i o nb e t w e e nr o c km a s sd a m a g ea n dr o c km a s sq u a l i t y , t h er a t i n go fr o c km a s s d a m a g ei sc o n f i r m e d ( 2 ) t h ef a c t o r sa f f e c t i n gd e e pr o c km a s sd a m a g ea r ea n a l y z e ds y s t e m a t i c a l l ya n d d e f e c t so fe s t a b l i s h i n ge v a l u a t i o ni n d e x e sa r ea v o i d e da c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l e s m e n t i o n e di nt h i sp a p e lb a s e do nt h ef a c t o r sa n dp r i n c i p l e s ，t h es y s t e mo ft h er o c k m a s se v a l u a t i o ni n d e x e sa r ec o n s t r u c t e d ，a n da tt h es a m et i m e ，t h eo r i g i n a ld a t aa n d t h ei n d e xq u a n t i t ya r ed e s i g n e da n dw o r k e do u t ( 3 ) a c c o r d i n gt ot h ee s p e c i a le c o l o g i c a ls e t t i n g ，t h ee c o l o g i c a lm o d i f i c a t i o n s a r e a p p l i e di nt h i sp a p e r t h es o f tc o e f f i c i e n t so fr o c ks t r e n g t hc a u s e db yt h et e m p e r a t u r e a n du n d e r g r o u n dw a t e ra r ei n t r o d u c e d ，w h i c hs t u d yr o c km a s sd a m a g ef r o m t e m p e r a t u r ea n dw a t e rc o n t e n t ，a n dt h i sp a p e rg i v e st h em e t h o dw h i c hi sb a s e do nt h e e x p e r i m e n ta n dw a t e rp h y s i c a lf e a t u r e st oc o n f i r mt h es o f tc o e f f i c i e n t s b a s e do nt h e m o h r - c o u l o m bf a i l u r ec r i t e r i o n ，t h ed e s t r u c t i o na p p r o a c h i n gd e g r e ei si n t r o d u c e dt o e v a l u a t et h ed a m a g ec a u s e db yt h ei n - s i t us t r e s s ( 4 ) b a s e do nr m ra s s e s s m e n t ，d e e pr o c ke v a l u a t i o ni sc o n f i r m e d b e c a u s et h e b o u n d a r yv a l u eo ff i r s tt h r e ep a r a m e t e r sa r et h er a n g ev a l u e sw h i c hi n v o l v ei n e v i t a b l e s u b i i e c t i v i t y , t h e m o d i f i c a t i o n so nu n i a x i a l c o m p r e s s i v es t r e n g t h , r o c kq u a l i t y d e s i g n a t i o na n d j o i n ts p a c ea r ea p p l i e dt or m ra s s e s s m e n t s ot h ee v a l u a t i o nr e s u l ti s m o r ee x t e r n a l a tl a s t ，t h ei n - s i t us t r e s sm o d i f i c a t i o nw h i c hm a k e sr m ra s s e s s m e n t m o r es u i t a b l eo f d e e pr o c km a s si sa p p l i e dt or m r ( 5 ) b a s e do nt h ef u z z yt h e o r y , d e e pr o c km a s sd a m a g ea s s e s s m e n ti sc o n f i r m e d 中南大学硕士学位论文 a b s t r c t b e c a u s eo ft h ep a r t i c u l a r i t yo fd e e pr o c km a s s ，e i g h ti n d e x e sw h i c hi n c l u d er o c k s t r e n g t h , r o c ks t r u c t u r ea n dt h ee c o l o g i c a ls e t t i n g sa r ec h o s e n a tt h es a m et i m e ，t h e i n d e xq u a n t i t yt a b l e sa r ed e s i g n e d 1 1 l ew e i g h t so fa l lo ft h ei n d e x e sa r ea s c e r t a i n e d b ya h p , a n dt h r o u g hf u z z ya s s e s s m e n to nd e 印r o c km a s s ，t h er e s u l ti sm o r e r e a s o n a b l e v i at h ea b o v es t u d y , t h i sp a p e rs e t su pas u i to ft h e o r ya n dm e t h o da b o u td e e p r o c km a s sd a m a g ea n dp r o v i d ee x p e c t a t i o n so f s t u d yf o rt h ef u t u r e k e yw o r d s ：r o c km a s sd a m a g e ：s o t tc o e f f i c i e n t ；a n a l o g yc o e f f i c i e n t ：r m r ：a h p ： f u z z yt h e o r y 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均己在论文中作了明确的说明。 作者签名：二觯 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位 论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论 文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名：立熟金鸯导师签名 中南丈学硕七学位论文第一章绪论 1 1 选题依据及意义 第一章绪论 能源和矿产资源是国民经济和社会发展的不可缺少的生产要素和物质基础。 随着工业化的进程，我国已成为世界能源和矿产资源生产和消费大国。2 0 0 3 年， 全国一次能源消费量为1 6 8 亿t c e ( 吨标准煤) ，其中煤炭占能源总消费量的7 4 。 预计2 0 2 0 年我国需求煤炭2 9 亿吨以上，因此在今后相当长的时期内仍需保证煤 炭的高产稳产。在我国，已探明的煤炭资源量占世界总量的1 1 1 ，其中有约 2 9 5 0 0 亿t 煤炭资源埋深在1 0 0 0 m 以下，占煤炭资源总量的5 3 。图1 1 表明了 我国煤炭资源按深度分布的储量。经过半个多世纪的开采，浅部资源大部分已被 开采，随着社会与经济发展需求的日益增长，今后相当长的历史时期内仍需保证 煤炭的高产稳产，这势必促使资源开采不断地在向深部发展。目前，我国统配煤 矿的平均开采深度达4 5 0 m 左右，最大开采深度已接近1 2 0 0 m ( 沈阳矿务局彩屯 矿为1 1 9 7 m ) 。据不完全统计，目前我国已有平顶山、淮南和峰峰等4 3 个矿区的 1 2 0 座矿井的开采深度超过6 0 0 m ，开滦、北票、新汶，沈阳，长广、鸡西、抚 顺、阜新和徐州等1 3 个矿区的2 5 座矿井的开采深度超过8 0 0 m ，其中，开采深 度超过1 0 0 0 m 的除沈阳彩屯矿以外，还有开滦赵各庄矿0 1 5 9 m ) 、新汶孙村矿 ( 1 0 5 5 m ) 和北票冠山矿( 1 0 5 9 m ) 等，此外，开滦唐山矿及马家沟矿和林西矿、北票 台吉矿、新汶华丰矿、长广牛头山七矿、阜新王家营矿和广旺旺苍矿等的开采深 度已接近1 0 0 0 m 。目前，我国煤矿的开采深度正以每年8 - 1 2 m 的速度递增，其 中，东部矿井正以每1 0 年1 0 0 2 5 0 m 的速度发展【l 埘，预计在未来2 0 年很多煤 矿将进人到1 0 0 0 m 到1 5 0 0 m 的深度。在我国，一批金属矿山近年也已进入深部 开采，例如红透山铜矿目前开采已进入9 0 0 , - 1 1 0 0 m 深度；冬瓜山铜矿现已建成2 条超1 0 0 0 m 竖井来进行深部开采；弓长岭铁矿设计开拓深度达1 0 0 0 m , 夹皮沟 金矿二道沟坑口矿体延深至1 0 5 0 m ；湘西金矿开拓3 8 个中段，垂深超过8 5 0 m 。 此外，还有寿王坟铜矿、凡口铅锌矿、金川镍矿、乳山金矿等许多矿山都将进行 深部开采，所有这些都使得深部开采成为未来采矿业发展的必然趋势。 在国外也有许多金属矿采深超过了千米，据不完全统计，其中南非最多，南 非绝大多数金矿的开采深度都在1 0 0 0 m 以下，其中，a n g f o g o l d 有限公司的西部 深水平金矿，采矿深度达3 7 0 0 m ：w e s t d r i e f o v t e n 金矿，矿体赋存地下6 0 0 m ，并 一直延伸至6 0 0 0 m 以下。印度的k o l a r 金矿区，已有3 座金矿采深超2 4 0 0 m ，其 中钱皮恩里夫金矿共开拓1 1 2 个阶段，总深3 2 6 0 m 。俄罗斯的克里沃罗格铁矿区， 已有捷尔任斯基、基洛夫、共产国际等8 座矿山采准深度达9 1 0 m ，开拓深度到 1 5 7 0 m ，将来要达到2 0 0 0 、2 5 0 0 m 。另外，加拿大、美国、澳大利亚的一些有色 金属矿山采深亦超过1 0 0 0 m 1 “1 。图l 一2 给出了部分国家深部开采的极限深度。 1 4 0 0 0 1 2 0 0 0 亿t1 0 0 0 0 8 0 0 0 6 0 0 0 4 0 0 0 2 0 0 0 0 i ” 7 9 。：一”。一一一“一。”二。?z = l c q p l 麓 l l 1 0 0 0 m 6 0 0 - 1 0 0 0 =1 0 0 0 一1 5 0 0 =1 5 0 0 - 2 0 0 0 “ 图1 - 1 我国煤炭资源按深度分布的储量 饿罗斯文兰日本德国英国南非中国 3 8 0 0 m 图卜2 部分国家深部开采的极限深度 ，地表) 一 然而，随着地下开采的不断深入，所产生的一系列工程灾害，如岩层压力大， 巷道围岩变形量显著增大、变形速度快，流变、地温升高等，对深部资源的安全 高效开采造成了巨大威胁。与浅部岩体相比，深部岩体更突出具有漫长地质历史 2 中南大学硕士学位论文第一章绪论 背景、充满建造和改造历史遗留痕迹、并具有现代地质环境特点的复杂地质力学 材料【7 l 见图l - 3 ) ，深部工程灾害产生的原因，归根结底是由于深部岩体其所处 的地球物理环境的特殊性和应力场的复杂性所致。因此，研究深部岩体的损伤破 坏程度，对弄清深部岩体特有的变形破坏特征和控制工程灾害有着重要的意义。 图1 3 深部岩体地质力学特点 1 2 有关深部岩体损伤评价中几个基本概念 深部岩体的损伤评价是一个较新的评价体系，在进行岩体损伤评价研究之 前，有必要首先对深部及其岩体损伤的相关概念进行较深入的探讨。 1 2 1 深部的概念体系 1 以具体深度为指标的深部工程的界定 在对深部工程引起的岩石力学问题研究的过程中，国外采矿、岩土工程界专 家学者相继提出了“深部”的概念。通常认为，深部开采是由于矿床埋藏较深， 而使生产过程出现一些在浅部矿床开采时很少遇到的技术难题的矿山开采。世界 上有着深井开采历史的国家一般认为，当矿山开采深度超过6 0 0 m 即为深井开采， 但对于南非、加拿大等采矿业发达的国家，矿井深度达到8 0 0 1 0 0 0 m 才称为深 井开采；德国将埋深超过8 0 0 1 0 0 0 m 的矿井称为深井，将埋深超过1 2 0 0 m 的矿 井成为超深井开采；日本把深井的“临界深度”界定为6 0 0 m ，而英国和波兰则 将其界定为7 5 0 m 。 国内关于深部概念的研究也取得了一些进展，根据目前和未来的发展趋势， 并结合当前矿山开采的客观实际，大多数专家认为，我国的深部资源开采的深度 可界定为：煤矿8 0 0 1 5 0 0 m ，金属矿山1 0 0 0 2 0 0 0 m 。中国矿业大学的何满潮 教授在文 8 仲考虑围岩变形破坏特征和工程特征，对深部工程进行分类。 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 表1 1 深部工程分类及特点 能量场特 工程类型 深度( ，m ) 围岩变形破坏特征工程特征 征 浅部工程 2 0 0 0 严重大变 区段岩爆 多级排水复合结构 深形 上述关于“深部”的概念均以具体的工程深度为指标定义，在工程应用中具 有局限性【9 1 。为此，一些专家提出以深部岩体特有的力学现象来定义深部的概念。 2 以深部工程特有力学现象为指标的深部工程的界定 文 9 以深部岩体所特有的非线性力学现象( 非线性力学现象是指软岩的非 线性大变形现象和硬岩的冲击地压、岩爆等非线性动力学现象) 来界定深部，认 为工程岩体开始出现非线性力学现象的深度及其以下的深度区间为深部岩体，并 以难度系数和危险指数对深部工程进行评价。文 1 0 以深部岩体工程响应的静力 特征科学现象一分区破裂化现象( 分区破裂化现象是指在深部岩体中开挖洞室或 巷道时，其两侧和工作面前的围岩中会产生交替的破裂区和不破裂区) 来界定深 部。分区破裂化现象的出现与深部岩体工程所在地的地应力量值有关，与巷道或 洞室开挖引起的应力集中系数有关，即与巷道形状有关，还应与巷道( 洞室) 开挖 引起的力学特性( 极限强度、变形模量等) 有关。但是由于分区破裂化现象目前 尚于定性分析阶段，还没有达到定量分析的精确阶段，所以尚没有一个定量界定 “深部”的具体公式，这也成为今后深部岩体力学研究的一个任务。俄罗斯学者 在假定仃。= y h 后，曾经推出了一个界定“深度”的公式，该公式包含了应力集中 系数、岩体单轴压缩强度，岩体弹性模量、拉伸与压缩模量以及岩石的极限拉伸 变形，但是由于推导该公式的分区破裂化机理不全面，因此该公式在实践中并没 有得到承认和推广。 1 2 2 岩体损伤的一般概念 1 2 2 1 损伤的一般概念 1 损伤的基本概念 损伤是一个相对的概念，受损总是相对于无损来说的。损伤最初被应用于工 程材料的研究中，当工程材料承受如冷、热作用、温度变化、化学作用、辐射、 4 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 力荷载或环境条件发生变化等不良条件作用时，在材料中可能产生微观缺陷和微 观裂纹。一般来讲，裂纹是由微观孔洞的成核引起或形成的，微观孔洞一般存在 于非连续区域或是有微观缺陷的区域。这些内部缺陷的影响或许可以通过把它们 划分成单一的有限非连续单元来认识。材料中的缺陷不仅影响裂纹的开裂和材料 的最终破坏，而且还造成材料特性的变化，例如强度、硬度、韧性，稳定性、频 率、使用寿命的降低，还有应力、应变、动态响应和阻尼比的增加1 1 1 l 。 固体材料的破坏一般是累积损伤过程：在物理上是微结构变化的累积过程： 在力学上是宏缺陷的产生与扩展的累积过程。这个过程伴随着能量耗散或熵增 加，造成材料的功能劣化，包括刚度、强度、韧度、稳定性以及寿命的降低。在 一定载荷与环境下，这种引起材料性能劣化的微结构变化过程，即所谓损伤【1 2 1 。 2 损伤形态的多变性1 1 2 】 材料损伤形态是多种多样、千变万化的。对金属而言，在大变形时产生大量 微空洞和微裂纹，最后导致延性断裂；在高温与应力联合作用下发生微空洞而引 起蠕变断裂；原子辐射造成的物质结构变化，氢原子在原子格栅中扩散而产生氢 脆断裂，在低应力循环加载下材料中缺陷的产生与聚合引发宏裂纹，最终导致疲 劳断裂。对于非金属材料，如岩石材料，由于地质演化( 包括地壳运动、江海侵 蚀等) ，经受温度与压力而发生多裂纹；混凝土材料由于性能非均匀性，受裁后 在弱抗力区很易产生裂纹和裂纹群；高分子材料和土材料受环境影响，即使在无 机械应力下，也会性能退化。此外，具有宏观裂纹的材料，受载后其裂纹尖端最 近处常有损伤区，它将直接影响宏裂纹扩展。 3 损伤的实质0 2 j 本质上，损伤是离散的实体，它是材料中的许多间断区，其尺度相当于金属 的晶粒群、聚合物的分子群、木材的细胞群和混凝土的粒料群。损伤的精细分析 可把具体的分布微缺陷当作连续介质中的离散扰动。因而需要发展一种细观力学 方法，即宏、微观相结合的方法，这种方法是材料学与连续介质力学互相渗透的 产物，构成所谓细观损伤力学理论。它一方面略去了具体考察微结构变化的物理 过程细节，免去了统计物理学的冗长计算；另一方面又为损伤造成的宏观有效场 赋与了较为真实的几何形象和物理过程。 通常把材料中的所有微缺陷都认为是损伤。d k r a j c i n o v i c 建议从几何上把微 缺陷分为线缺陷( 类位错缺陷) 、面缺陷( 扁平缺陷) 和体缺陷( 空洞) 。线缺陷的发展 属微观尺度上材料结构的重排列( 品格滑移、扩散) ，与初始的塑性形变一致，构 成了经典的塑性变形微观机制。而面缺陷和体缺k i ( b l j 微裂纹和微空洞) 的产生、 发展、聚合到形成宏裂纹，引起原子键的逐渐失效，往往伴随着非线性的弹性变 形，是目前损伤分析的重要内容。 中南大学硕士学位论文 第一章结论 1 2 2 2 岩石类介质损伤的一般概念 由损伤的实质可知岩石类介质中的所有的微缺陷都可认为是损伤，这种微 缺陷在岩体中主要表现为各种结构面和软弱夹层的存在，在完整岩石中表现为岩 石颗粒内部的裂纹和孔隙的存在。 1 岩体的构造损伤 岩石由于地壳的运动而天然赋存内应力，以后又经历多次地质构造运动，使 应力场变得复杂化，而且破坏了岩体的完整性和连续性，产生许多裂隙，节理和 断层。岩体就是由许多这样的结构面和被其切割的最小岩块集合组成的岩体结构 ( 如图1 4 所示) 。所有的岩石，都有其构造和结构上的特点。岩浆岩具有块状构 造；沉积岩具有层状构造；而变质岩具有片状构造或块状构造的混合。对沉积岩 与由沉积岩变质的变质岩，还表现有层理和层面的形式。岩体中的裂隙、节理、 断层、层理等都称为地质上的结构面。而最小岩块也是具有一定结构的集合体， 通常称为做岩石单元。岩体的力学性质就是岩体结构的力学性质的综合反映。 人们习惯上将具有这种结构特征的岩体，形象地称为节理岩体。当在大范围内分 析研究岩体的变形、破坏等力学特性时，这种岩体中的裂隙、节理、断层、层理 等地质结构面可以称之为岩体的构造损伤。 岩 结构面 贯通节理 不贯通节理 软弱夹层 图1 - 4 岩石一岩体结构示意图【1 习 2 岩石的材料损伤 岩体中的节理和裂隙有贯通的，也有不贯通的。但不贯通的在适当条件下， 如长期风化、温度或应力变化等，又有可能变成连续贯通的。在许多实际工程中， 往往由于节理裂隙形成了岩体的裂隙网络构造。岩体的网络裂隙常常被粘土矿物 充填或被挤压破碎，从而形成力学性能最差的软弱夹层或破碎带，成为岩石工程 中南大学硕士学位论文第一章绪论 稳定的关键。这就是岩石损伤研究的重点。就损伤岩石单元来讨论，它可以看成 是由许多造岩矿物晶体颗粒组成的集合体。在这些颗粒内部和颗粒与颗粒之间的 边界上，又贯穿许多微观的裂隙，而且其边界层的强度，随着胶结物材料的力学 性质也有所不同，因此很容易产生位错，形成裂隙或空腔。这种岩石内部的破碎、 裂纹、错动、空腔等都可以称之为岩石的材料损伤( 如图l 一5 ) 。 颗粒内 部裂纹 颗粒之 间的裂 纹张开 图1 - 5 岩石颗粒内的裂纹和位错【1 3 】 1 3 国内外相关领域研究现状 动面 研究深部岩体损伤破坏特性，其关键是找出在深部这个特殊地质环境下造成 岩体损伤的影响因素和反映岩体损伤的评价因素，并对其程度作出评判。深部岩 体最显著的地质力学特点是受地温、地下水和高地应力的影响，这也是造成岩体 损伤的主要影响因素。在这些影响因素的作用下，深部岩体较之与浅部岩体更为 破碎，岩体完整性受到破坏，这是深部岩体损伤最重要的反映。 1 3 1 深部岩体损伤主要影响因素研究现状 1 岩体结构研究现状 岩体( i o e km a s s ) 通常指地质体中与工程建设有关的那一部分，它由处于一定 应力状态的、被各种结构面所分割的岩石( 岩块、结构体) 所组成1 4 1 。岩体结构主 要是指结构面和岩块的特性以及它们之间的组合【”1 。岩体的结构特征是在漫长 的地质历史发展过程中形成的，是建造与改造综合作用的产物。这种建造与改造， 实质上是对岩体的损伤。对岩体结构特征的研究，是分析评价岩体损伤的重要依 据，主要表现在【l “1 6 1 ：( 1 ) 岩体中的结构面是岩体中力学强度相对薄弱的部位， 它导致岩体力学性能的不连续性、不均一性和各向异性。岩体的结构特征在很大 7 中南大学硕士学位论文第一章绪论 程度上决定了岩体的介质特征和力学属性；( 2 ) 岩体的结构特征对岩体在一定荷 载条件下的变形破坏方式和强度特征起着重要的控制作用；( 3 ) 靠近地表的岩体， 其结构特征在很大程度上展现了外营力对岩体的改造程度。这是由于结构面往往 是风化、地下水等各种外营力较活跃的部位，也常常是这些营力的改造作用能深 入岩体内部的重要通道。 岩体结构不仅可以反映岩体中结构面的发育程度，块体大小，而且可以表征 岩体的完整性及力学性质的优劣。岩体结构是我国工程地质界在评价岩体工程性 质方面取得的重要成果。上世纪6 0 年代，孙玉科教授提出了“岩体结构”的概 念；1 9 7 9 年，谷德振教授在其专著岩体工程地质力学基础i 】中指出“岩体 受力后变形、破坏的可能性、方式和规模受岩体自身结构所制约”，提出岩体工 程地质力学的基本理论就是岩体结构控制论，从地质历史的发展过程一建造与改 造，并运用地质力学的观点，研究了岩体的工程地质特性及力学成因问题，对解 决大型岩体工程建设问题起了很大的作用；王思敬院士等人在地下工程岩体稳 定分析i l8 j 一书中，针对地下工程的特点，将岩体结构划分为四大类十二亚类， 各类岩体均有明确的分类指标( 如完整性系数、基本块度、声波指数、质量系数) 界限值，并针对不同跨度的地下工程，提出了稳定性评价的初步结果及支护方案， 实用性较强；经过长期实践和研究，孙广忠教授于上世纪8 0 年代进一步提出“岩 体结构控制论”是岩体力学的基础理论，并全面、系统地以“岩体结构控制论” 为指导研究了岩体变形、破坏及岩体力学性质的基本规律，提出岩体变形和破坏 是由岩石材料和结构面共同控制的，岩体力学性质不仅决定于岩石材料的力学性 质，而且受控于岩体结构力学效应及环境因素力学效应，提出了岩体可以划分为 连续、碎裂、块裂及板裂四种介质类型，从而建立了完整的岩体结构力学体系【1 9 l ， 1 9 8 9 年出版的岩体结构力学是这一理论体系的代表著作。孙玉科教授i2 0 1 指 出，岩体工程地质力学基础和岩体结构力学这两本著作是相辅相成的， 是对我国工程地质学发展的巨大贡献。成都理工大学张悼元、王士天、王兰生教 授在岩体结构、岩体稳定性分析及工程运用方面，形成了有特色的理论体系和系 统的研究方法【l ”，为国内工程界广泛应用，深得学术界的推崇。他们指出，岩 体的结构特征是在漫长的地质历史发展过程中形成的，特定的建造( 如沉积岩建 造、火成岩建造和变质岩建造) 确定了岩体的原生结构特征，是岩体结构的基础， 而岩体所经历的不同时期、不同程度的构造作用改造在岩体结构的形成中发挥了 重要作用，浅、表生作用改造则在一定程度、一定范围内使岩体结构复杂化，劣 化岩体工程性状t 2 1 叫l ；研究岩体结构应从建造和改造两方面综合考虑，首先按 建造特征将岩体划分为块体状( 或称整体状) 结构、块状结构、层状结构、碎块状 结构和散体状结构等类型：其次按照改造的程度划分出完整的、块裂化或板裂化、 8 中南大学硕士学位论文第一章绪论 碎裂化、散体化四个等级，并将岩体结构分类方案概括为岩体结构类型分析图解。 随着工程经验的积累，国家建委、铁道部、水利电力部等系统制定了适合于各自 行业特点的岩体结构分类规范，每一种岩体结构类型均有明确的结构面间距指 标，并附有工程地质特征评价( 或) 描述，供勘察、设计、施工人员运用。 岩体结构的研究，目前多通过现场统计获得的结构面组数、条数、迹长、间 距、体积节理数等指标进行，其中间距应用最为广泛，其它指标研究很少。随着 计算机技术和图形处理技术的快速发展，结构面网络概率模拟技术在岩体结构、 岩体质量、岩体力学参数等研究中得到日益广泛的应用。c b i n g h a i r l 和 r j s h a n l e y 等【2 5 】在节理产状方面进行了大量的研究；p r i e s t 和h u d s o n 等利用统 计方法得出岩体中不连续面密度、间距和迹长等的概率分布形式，然后利用蒙特 卡洛( m o n t ec a r l o ) 原理和计算机技术模拟岩体中的结构面网络，研究岩体的力学 和水力学特性及岩体稳定性评价；潘别桐、徐光黎、张学年、张兴、徐继先等进 一步完善了岩体结构面网络计算机模拟理论；汪4 , n l i 、陈祖煜应用m o n t ec a r l o 法研究节理岩体的连通率和综合抗剪强度指标；陈剑平等详细研究了节理岩体三 维网络计算机模拟技术 2 6 1 ，并将其应用于三峡大坝等工程，取得了很好的效果。 在描述结构面特征的各参数中，方位、规模和间距起主要作用。显然，这种结构 面网络图并不是岩体节理的真实图象，它只是对真实图象的一个随机抽样，根据 蒙特卡洛原理，随着抽样数目的增加，在模拟图像上获得的有关信息的平均值将 逐步逼近该信息的真实值【2 7 j 。 鉴于结构面统计分析、m o n t ec a r l o 模拟得到的“等效”结构面网络只是对 结构面特征、变化规律的一种近似抽象，不能反映结构面发育的本质特征，且结 构面空闯形态不规则，组成的结构面网络非常复杂，自2 0 世纪8 0 年代以来，国 内外许多学者利用分形几何这一新的数学方法对岩体结构开展了广泛的研究、取 得了丰硕的成果。徐光黎晒j 的研究结果表明在1 07 级( 无标度区间) 范围内，结构 面几何特征( 包括规模、隙宽、密度等) 里现出很强的自相似性。平田隆幸 2 9 1 认为， 节理的空间分布大多具有相似特征，利用这种特征，可以由小范围的节理网络统 计，来推求更大范围的节理网络发育特征及其对岩体力学性质的影响。东北大学 的张继春等人1 3 0 】从分形几何角度研究了岩体节理间距分布特征，并以实测数据 证明了分形分布比负指数分布更接近实测间距分布。黄国明【3 l l 、丁多文【3 2 1 、刘 建国等人1 3 3 j 、陈菲娴【3 4 1 结合具体工程，研究了岩体节理网络的分维特征。秦四 清等 a s 】建立了分维与强度、最大主损伤值、r q d 、i r e 的定量关系，对分维的 物理意义和工程地质意义进行了较深入的分析，提出了用分维大小对岩体进行分 级，为分形理论在岩体结构中的广泛应用奠定了基础。由于分维值的变化区间较 小( 区间长度一般为1 ) ，因此，分维值的准确获取就显得非常重要。目前多数采 9 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 用在野外露头布网或对节理岩面照相的方法进行人工统计，确定分维值，这种方 法操作起来十分繁杂且极易疏漏，不利于分维法的推广陈剑平等人p 6 采用 f o r t r a n 语言编制了计算机裂隙网络分维数求解程序，可以快速、便捷而又准确 地求解复杂网络的分维数。现实自然界中复杂的岩体裂隙网络本身就是种破缺 的混沌性态，并不严格地遵循自相似原理，而是一种具有统计意义上自相似的分 形结构【3 7 1 ，因此。分形应用于岩体结构的研究仍存在不足。 2 岩体热损伤研究现状 2 0 世纪7 0 年代以来，国内外学者在高温岩石力学试验取得了丰硕成果，o d a m 等研究了温度作用下岩石的基本力学性质( 包括杨氏模量、泊松比、单轴抗 压强度、单轴抗拉强度和断裂韧性等) 、岩石的微破裂过程，得到了岩石的基本 力学特性随温度的变化规律和岩石的破坏机理。此外，a t k i n s o n 等利用声发射来 考察了加热时岩石的损伤过程，测量了花岗岩在2 0 5 0 0 c 时断裂韧性。a l m o 等 1 3 s 1 1 9 8 5 考察了花岗岩受到不同温度热处理后的某些力学性质，在温度作用下并 对花岗岩微破裂过程进行了讨论。s u z u k ik 等1 3 9 j ( 1 9 9 4 ) 将花岗岩浸入热水中 观察花岗岩的力学性质随温度和时间的变化规律，同时研究了花岗岩的微破裂扩 展规律。寇绍全等 4 0 l ( 1 9 8 7 ) 系统地研究了热处理的花岗岩的力学特性，得到 了工程中需要的最基本的力学参数，研究表明：颗粒胶接处开裂是热处理时裂纹 的主要生成机制，生成的裂纹具有与晶体颗粒大小相当的尺度，温度高于3 0 0 时，裂纹随温度升高增加很快，温度小于3 0 0 1 2 的热处理对花岗岩抗拉强度的影 响不大。林睦曾等【4 i 】( 1 9 9 1 ) 研究了弹性模量随温度升高而变化的情况，结果 表明，安山岩、花岗岩、石英粗面岩等的弹性模量e 在3 0 0 以下随温度升高而 急剧减小，而超过3 0 0 后，弹性模量几乎保持一定值。而凝灰岩和陶石等岩石 随温度升高，弹性模量变化不大。许锡昌等 4 2 1 ( 2 0 0 0 ) 通过试验初步研究了 2 0 , - , 6 0 0 c 温度范围内长江三峡坝区开挖所得新鲜细粒花岗岩在单轴压缩状态下 主要力学参数随温度的变化规律。弹性模量、单轴压缩强度和泊松比随温度的变 化如图1 - 6 所示。从图l 一6 可以看出，弹性模量e 在7 5 ( 2 处高于2 0 c 处的值， 这是由于7 5 c 是花岗岩的热裂化温度，此处e 出现异常可能是热裂化的影响。 花岗岩含有多种矿物成分，出于各种矿物颗粒的不同热膨胀率以及各向异性颗粒 的不同结晶方位的热弹性性质不同，引起跨颗粒边界的热膨胀不协调，从而造成 颗粒间或颗粒内部的拉或压应力。在7 5 c 以下，随温度的升高，矿物颗粒的受 热膨胀造成花岗岩中原生裂隙逐渐闭合，导致丘逐渐增大，超过7 5 1 2 以后，粒 问或粒内应力进一步增大，大到足以产生微小裂纹或致使原生微小裂纹扩展和加 宽，导致e 逐渐减小；单轴抗压强度在2 0 0 m p a 以后逐渐呈下降趋势。 1 0 中南大学硕七学位论文 第一章绪论 图l - 6 温度对花岗岩力学参数的影响( 据许锡昌等，2 0 0 0 ) 3 岩体地下水损伤研究现状 水作为自然界极其常见的流体，常常影响受力岩石的变形过程，在很多情况 下会加速甚至诱发岩石的变形与破坏 4 3 ，4 4 ，人们对此作过许多研究，主要侧重于 两个方面，一方面是水的物理化学作用，另一方面是水的力学作用。 ( 1 ) 水岩相互作用模式。王士天等开展了水岩相互作用及环境效应的研究 【4 5 】。他们归纳了水岩相互作用的类型及特征，见表1 - 2 。在该研究中，作者归纳 了水岩相互作用的类型，应用到深部资源开采中，主要考虑软化泥化作用、化学 作用和孔隙水压力的作用。 ( 2 ) 水岩相互作用的试验研究。康红普( 1 9 9 4 ) 1 4 6 1 对煤矿开采中遇到的岩石， 如页岩、泥岩及粉砂岩等浸水研究后发现，岩石单轴抗压强度与弹性模量与含水 率基本呈线性关系。曾云( 1 9 9 4 ) 4 r l 对甘肃盘道岭隧洞的泥质砂岩、砖质泥岩和 砖红色砂岩做了不同围压下的岩石软化试验，结果表明：三种岩石各项指标皆有 所下降，其中最大的是粉粘粒含量最高的砖红色砂质泥岩，抗压强度、各种模量 约下降8 0 ，抗剪强度指标中c 值约下降6 0 ，妒值约下降5 0 。说明了软弱岩石 由于水分的浸入，改变了岩石的物理状态，削弱和破坏了颗粒问的联结力，致使 岩石强度降低。汤连生( 2 0 0 0 ) 【4 8 】通过改变水溶液p h 值，测定了岩石弹性模量的 水化学损伤。刑福东( 2 0 0 4 ) 1 4 9 通过对大理岩高围压高外水压下三轴试验，得出 水压力的存在，增加岩石材料的脆性，降低了岩石的强度。朱珍德等( 2 0 0 4 ) 1 5 0 】 通过试验初步研究了层状泥板岩在不同含水率和不同吸水时间下单轴抗压强度 和弹性模量的变化情况。臌( 2 0 0 5 ) t 5 1 1 对炭质泥岩做了不同含水率和不同浸水 时间下的抗剪强度试验，得出了抗剪强度指标c ，妒值的弱化规律。 神卯柚；o - 山。面 中南大学颂士学位论文 第一章绪论 表1 - 2 水岩相互作用的类型及特征p l l 水岩相互作用类型作用特性 软化及泥化作用通过提高土石的含水性丽降低其强度的物理作用 干缩、湿涨与崩解通过改变土石的含水性而恶化其性质的物理作用 渗透变形通过水流带走土石中的细小颗粒而降低其承载力的物理作用 冰冻膨胀作用通过水冻结成冰，产生体积膨胀而促使裂隙劈裂的物理作用 化学潜蚀与溶蚀通过带走土石中可溶成分，而恶化其工程性质的化学作用 渗透压力通过水的渗流对岩体施加一定的力学作用 孔隙水压力通过减小岩体破坏面上的有效正应力而降低其强度的力学作用 水力冲刷作用通过强烈的水流冲击而使岩体破坏的力学作用 水热与汽化膨胀作用地表水渗到地下深处与高温岩体接触而产生的吸热膨胀 。 承载的硅酸盐遇水后，裂隙断部应力集中促使硅氧键发生加速水 应力腐蚀作用 化作用，促使强度降低 4 岩体初始地应力研究现状 在工程开始歼挖、爆破、施工前的岩体地应力场称为初始地应力场。岩体初 始地应力场是一个受多种因素相互作用影响的复杂系统，要精确地、定量地分析 地应力场十分困难。岩体应力状态的确定是工程岩体力学的一个重要问题，初始 地应力场的判定是研究深部岩体破坏特性的重要依据。 ( 1 ) 地应力研究途径与发展。1 9 0 5 - - 1 9 2 1 年海姆( h a i m ) 提出静水压力学说， 假定岩体中垂直应力与上覆岩体重量有关，水平剪力与垂直应力相等。1 9 2 5 1 9 2 6 年金尼克( j i r m e t ) 根据弹性理论，提出垂直应力等于y h ，水平应力等于 o 5 z h 的理论( y 和h 分别代表岩体重度和深度) 。他们的理论都是建立在自重应 力假设的基础上，只不过前者是后者理论的特例( g - - - o 5 ) ，这一基本假设长期被 广泛应用于工程设计中。1 9 2 6 年著名的中国地质学家李四光曾经预言，在许多 地质构造中的水平应力可能远远超过垂赢应力。他认为这种现象在很大程度上归 因于地球旋转，尤其是与旋转速度周期性变化有关的角动量【5 2 1 。世界上许多地 区的地应力测试结果都证实了李四光的预言。在地应力测试技术方面，从1 9 1 5 年哈斯特饵a s t n ) 在斯堪地那维亚半岛开创了岩体中地应力测试工作以来，至今 已发展出多种方法，主要有应力解除法、水压致裂法、钻孔法和非弹性应变恢复 法等。 ( 2 ) 高地应力场的研究与发展。深部岩体通常处于高地应力场中，国内外对高 地应力场的含义迄今还未达成统一的认识。例如工程实践中大多将大于2 0 m p a 的岩体内的初始应力称为高地应力，法国隧协、日本应用地质协会和前苏联顿巴 中南大学硕七学位论文第一章绪论 斯矿区等部门在勘察、设计阶段则采用岩石单轴抗压强度( 疋) 和最大主应力( q ) 的比值r d o - , ( 即岩石强度应力比) 来划分地应力高低级别( 表l 3 ) ，这样划分和评 价的实质是可以反映岩体承受压应力的相对能力。 表1 - 3 国外部分国家地应力分级方案 地应力级别高地应力中等地应力低地应力 我国陶振宇教授( 1 9 8 3 ) 对高地应力给出了一个定性的界定：所谓高地应力是 指其初始应力状态，特别是它们的水平初始应力分量，大大地超过其上覆岩层的 岩体重量。这一定性界定强调了水平地应力的作用。天津大学薛玺成等( 1 9 8 7 ) 建 议用下式来划分地应力量级( 表l - 4 ) ： r 珂= 鲁( 1 3 ) i 式中：一实测地应力的主应力之和；芹一相应测点的自重应力与主应力之和。 袁l - 4 地应力分级方案 姚宝魁、张承娟( 1 9 8 5 ) 认为，陶振字等人的分级、评价方法没有考虑岩体的 变形和稳定条件，因而在工程建设实践中没有实用价值，他们认为应从工程岩体 的变形破坏特性出发，来考虑地应力对不同岩体的影响程度，建议以下式作为判 断高地应力的标准： q ( o 1 5 0 2 0 ) r o( i - 4 ) 我国建设部、国家技术监督局1 9 9 4 年联合发布的岩土工程勘察规范 ( g b 5 0 0 2 1 9 4 ) 中也采用岩石强度应力比( 足触) 来划分高地应力级别，这是迄今 为止可以参照的我国最具权威性的规范标准【5 3 1 ，它规定；足皿= 4 - - 7 为高地应 力，r o o - , 石灰质胶结 泥质胶结；从胶结类型来看，基质胶结 孔隙胶结 接触胶结。 温度和地下水对岩石力学性质影响也很大，本文在后文将予以专门讨论。 综上所述，岩石力学性质受矿物成分、结构构造、地下水和温度四个因素共 1 9 中南大学硕士学位论文第- - 章深都岩体损伤评价指标体系及分级档数的确立 同作用，见图2 1 。 图2 - 1 岩石力学性质影响因素的鱼刺图 2 2 。2 结构面性质影响因素分析 岩体( r o c km a s s ) 通常指地质体中与工程建设有关的那一部分，它由处于一定 应力状态的、被各种结构面所分割的岩石( 岩块、结构体) 所组成。岩体结构主要 是指结构面和岩块的特性以及它们之间的组合。岩体的结构特征是在漫长的地质 历史发展过程中形成的，是建造与改造综合作用的产物。对岩体结构特征的研究， 是分析评价岩体损伤的重要依据，主要表现在【1 4 6 2 】：( 1 ) 岩体中的结构面是岩体 中力学强度相对薄弱的部位，它导致岩体力学性能的不连续性、不均一性和各向 异性。