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发布时间：2022-04-19 22:16
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时间：2023-09-03 20:21
岩爆是洞室围岩压力，达到或超过围岩一定强度时，所产生的脆性断裂现象，国内外研究学者从围岩的强度和能量的不同观点研究其机理，由静力极限平衡条件出发，运用岩石力学的各种强度准则作判据，主要有拉伸———断裂力学机理判据，剪切破坏机制和判据，扩容理论及经验判据，但存有各种不同观点，现以谭以安博士1988年的“国内外岩爆机理和判据研究概述”为主兼容其他，对现在的情况作系统性介绍。
6.1.1.1 强度理论判据
(1)拉抻———断裂力学机理和判据:主要应用格里菲斯理论解释岩爆。谭文介绍A·加里森和T·奥伊森认为岩爆不是岩石基质破损的属性，而仅仅是早已存在的小型断裂的扩展。国内研究者也有的认为岩爆是硬脆性岩体，在地应力作用下，微裂隙扩展而形成的，并将格里菲斯准则作为岩石判据，即
反应力应变岩石力学在工程中应用
时产生岩爆。
式中:KⅠ为洞室围岩中径向压应力因子σγ值;KⅡ为洞室围岩中切向应力因子σθ值;KIC为围岩破裂强度因子。是断裂力学中对张拉———剪切复合断裂判据的运用，不属于单独的格里菲斯理论解，应属拉伸断裂力学机理和判据。
格里菲斯理论或修正理论，是关于开裂发生的理论，认为岩石中充满狭长端尖的裂缝，它们的存在改变了岩石的应力分布，在压应力作用下，裂缝表面某些点，产生拉应力，促使裂缝扩展。这对于微裂隙发生扩展的解释是可以的，它是一个开启准则，但不是破坏准则。由于岩石破坏所需要的应力，要比裂缝开始扩展所需要的应力大得多，况且即使裂缝由开裂扩展，使岩石破坏，也不一定产生岩爆。因此谭博士认为，微裂隙扩展仅是围岩“破裂扩展—破坏—弹射”的初始阶段，故以格里菲斯理论来判断岩爆是否发生，是值得怀疑的。
(2)剪切机理和判据:将库仑—纳/维叶准则，即式(2.4)=σtanφ+c作为岩爆判据。
谭以安博士在国内外岩爆机理和判据研究概述一文中介绍，“E·霍克在“地下工程”一书中虽没有应用库仑/纳维叶准则作为岩爆判据，但他指出，地下洞室片帮乃至岩爆是剪应力作用的结果。斯坦福大学佐巴克教授在利用石油深钻探孔崩落范围反算地应力，也认为占孔崩落是由剪应力造成。在地应力测量研究工作中，以式(2.4)作占孔崩落的力学条件，以圆形洞室的弹性理论为基础，结合占孔崩落的方位、深度和范围，来反算地应力的大小和方向”。1980年缪勒教授来华讲学时，认为岩爆是洞室切向应力σθ对突出糙面物质作用的结果。在1985年美国科技人员来天生桥(Ⅱ级)水电站工地作挖进机咨询时，亦认为岩爆是洞室切向应力σθ对洞室突出物作用的结果，用掘进机施工不会发生岩爆。
岩爆剪切机理的主要问题在于忽视了张应力作用，和岩体破坏之后随之发生的动力弹射所需能量，仅以剪应力作为岩爆判据，显然是不充分的。因为库仑/纳维叶准则是描述岩石当某一平面剪应力达极限值时，岩石则沿该平面破坏，是岩石破坏准则。岩石虽然经历岩石脆性破坏，但脆性破坏并不一定都导致岩爆发生。实际上，岩石力学弹射试验表明，有弹射动力破坏要比非弹射脆性破坏消耗的能量大得多。
国内有的研究者，将格里菲斯破坏准则和库仑/纳维叶准则分别用于判别弱岩爆和强烈岩爆，介于二者之间为中等岩爆。
(3)扩容理论:陈宗基教授等1983研究了在岩石破坏和地震之前与时间有关的扩容，因其探讨的是大范围的岩石，因而在教学模拟中，必须尽可能地有简单的方程式，为此假定岩石保持连续，连续力学定律在这里有效;研究范围界定在最大应力差(σ1-σ3)max=σf(破裂强度)为止的变形过程。最近国内有的学者又将扩容理论应用于岩爆分析，认为σ8/fs>1，则产生扩容，fs为扩容应力应变曲线上屈服极限，是剪切时的上屈服极限值，σ8是八面体理论的法向应力。σ8/σf>1，则产生岩爆。
谭以安博士1988认为，硬质脆性岩体，当最大应力差一旦超过一定极限，岩石就产生体积膨胀，扩容发生;在达到最大破坏强度σf以前，岩体的连续性已发生破坏，变为非连续体，当σ8>σf时，一部分脆性岩体破坏后，随之会产生岩爆，而有些脆性岩体，仅产生脆性破坏，而并不发生岩爆。因此，进一步研究岩体变为非连续体和σ8>σf以后的岩体变形特性，对岩爆发生可能性判断，才是最有意义的。也就是说，任何材料(包括塑、脆、黏弹性……)在破坏前都经过扩容阶段，但破坏形式很不相同，扩容的最终结果可能导致塑性变形、脆性破坏、岩爆破坏等。可见，岩爆发生前，岩体也要扩容，但扩容并不一定产生岩爆这种动力现象。因此应用扩容理论作为岩爆判据是值得进一步探讨的。
(4)经验判据:国内外学者根据已发生岩爆的工程实例，统计得到围岩应力与岩块强度的岩爆经验判据。
a.伊·阿·多尔恰尼诺夫判据
以围岩中最大偏应力压强σd或洞室围岩切向应力σθ与岩石的σc强度之比
σd/σc≤0.3剥落，无弹射
σd/σc=0.5～0.8剥落，弹射
σd/σc>0.8岩爆，强烈弹射
σθ≥(0.3～0.8)σc为岩爆临界应力
b.伊·霍克判据
以围岩中垂直应力σv与岩石σc之比
σv/σc=0.1稳定洞室
σv/σc=0.2少量片帮
σv/σc=0.3严重片帮
σv/σc=0.4需重型支护
σv/σc=0.5可能出现岩爆
c.巴顿判据
以围岩中的最大初始主应力σ1与岩石的单轴抗压强度σc、单轴抗拉强度σt之比，列如表6.1。
表6.1 巴顿判据
d.伊.阿.脱卡匿诺夫(I.A.Turchaninov)判据
以围岩切向应力σθ与围岩轴向应力σr，与岩石σc的关系
│σθ+σr│<0.3σc无岩爆
σθ≥(0.3－0.6)σc为岩爆临界压力
e.国内有的学者根据我国的实践提出
反应力应变岩石力学在工程中应用
反应力应变岩石力学在工程中应用
图6.1 岩爆与Ⅰ50、σθ的关系图
f.鲁斯塞尼斯(Russenes)图示判据
运用洞室围岩点荷载强度与切向应力的关系，用图6.1表示。
这一判据的优点是用人们已知的强度理论判别是否产生岩爆，判别所用有关参数是常用的岩石力学参数，所以易于使用。
上述经验判据中，有的采用初始应力，有的采用洞室切向应力与围岩岩石的单轴抗压强度之比。谭以安博士认为采用后者较好，因为有时在初始应力并不大的情况下，由于洞室方向、形状等影响，也可能造成洞室某些部位应力集中，产生岩爆;但有时初始应力大，如合理布置洞室，改变洞室受力状态，也可能不发生岩爆，因此，围岩表面应力的大小对判别岩爆发生的可能性有实际意义。
经验判据优点在于是实际工程的总结，具有较高的实用性，不足之处在于应力条件，仅是岩爆形成所必不可少的条件，但不是充分条件，实际上，岩爆发生和强烈程度是多种因素造成的，按应力与抗压强度的固定比值进行烈度分级，只能是一种粗略的估计，但并非否定其不可取，而是强调全面考虑。
6.1.1.2 能量理论判据
围岩应力是导致岩爆发生的外部条件，但不是充分条件，因为岩体的结构和构造不同，变形特性也不相同，所以在相同应力条件下，围岩发生岩爆与否，尚取决于岩体的变形特性，常用岩石弹性应变能指数(WET)，及能量冲击性指标Acf作判据。
(1)弹性应变能指数WET分析法
20世纪60年代波兰阿·珂·奇代宾斯基的弹性应变能指数判据，是由岩石单轴抗压强度试验，加载到预计强度的70%～80%，然后卸载，获得应力应变曲线滞复环图6.2。
表示式
式中:φsp为卸载回复后的弹性应变能，为图中BCD部分;φst为加载所耗散的塑性应变能，为图中OABC滞复环。
图6.2 应力应变曲线
表6.2 WET判据表
依据WET值，作出如表6.2的判据。
通过对我国10多个工程的相应试验研究，贾愚如先生等提出很有价值的判别准则，现介绍其系统的论述与成果。
对岩石试件进行单轴加载时，外力所作的功为:
反应力应变岩石力学在工程中应用
其中一部能量耗散于岩石裂缝扩展、变形，破裂及转化为热能，用E1代表，即图6.2中的塑性滞复环，也即前述φst部分;另一部分能量积蓄在岩石中，用E2表示，也即前述φsp部分。E2的大小，决定着岩爆的发生和剧烈程度。
上述研究是按单轴抗压试验，加载到(0.7～0.8)σc时再卸载到0.05σc的应力应变曲线成果。据此作了如下改进性试验:将试件加到0.3σc，再卸载到0.05σc，计算出第一个试件的WET值，而后换用另一个试件加载到0.4σc，再卸到0.05σc，计算出该试件的WET值，逐步增加应力值直到(0.7～0.9)σc。实践证明，应力水平对WET影响不显著。成果列于表6.3。
表6.3 弹性模量指数WET
表中的WET为多个试件的平均值。从表中可以看出，天生桥、二滩、太平驿、瀑布沟水电站实测的WET值分别为6.6、7.3、9.0、5.0，其值大于或等于5，且应力比值σθ/σc>0.3，所以它们在不同程度上都发生了岩爆。而龙羊峡、鲁布革和李家峡水电站实测WET值分别为7.4、7.8、5.7，也都大于5，然而应力比值却小于0.3(龙羊峡实测最大主应力σ1=9.4MPa，李家峡的σ1=5.5MPa，鲁布革的σ1=17MPa，如果将σ1换算成σθ，再与σc相比，其值均小于0.3)未发生岩爆。这表明WET值只反映岩性条件，即是说，岩体只具有发生岩爆的内在因素是不够的，同时必须满足应力条件，即围岩应力要达到临界值，才可能出现岩爆，反之亦然。
根据室内外大量的实测成果与统计分析，建议对新鲜、完整及坚硬的围岩，采用下列联立方程组的判别式预测岩爆。
反应力应变岩石力学在工程中应用
图6.3 应力应变全过程曲线
(2)能量冲击性指标Acf:是国内外学者在刚性试验机上研究煤岩的全应力应变曲线图6.3，由此可得压力—极限强度—残余强度的力学特性曲线全过程，反映储存能量和消耗能量到破坏的特点，建立能量冲击性指标Acf=A1/A2，A1为OAC面积(储蓄能)A2－ABCD面积(耗散能)B为破坏点。
定出判据标准为:Acf<1，无冲击危险存在
Acf=1-2，有冲击危险存在
Acf>2，有严重冲击危险存在
此理论主要是研究煤矿的冲击压，国内亦有用以研究有色金属矿中的岩爆，证实亦具有一定实用性。
谭以安博士认为Acf的优点在于将变形能的积累与释放密切联系起来，出发点是值得借鉴的，但实际上谭博士做的岩石力学弹射试验表明，在很多情况下，由于A1的数值没有达到使岩石产生冲击的临界值，即使A2很小，甚至接近于零的情况下，使A1/A2≥1，以至10以上，也未发生冲击。显然依据A1/A2的相对比值，判断岩石的冲击能，可能会导致错误结论，关键问题在于岩石必须具备积累一定数量弹性能，才有可能使A1超过岩石弹射所需要的能量。
6.1.1.3 数值分析法
20世纪80年代中期水电系统针对西部山区地下洞室所遇挑战性课题，展开岩爆问题的系统研究，并取得了一定初步成果，由于所遇岩爆情况不尽相同，对岩爆认识还无一致看法。由于岩爆形成机制复杂，在理论研究方面突破性进展缓慢。各专业间，似缺乏相互间系统性的紧密相扣。随着经济建设迅速发展，在工程勘设与施工中，迫切要求提高对岩爆预报与防治能力，发展数值分析方法就至关紧要。
(1)数值模拟分析:根据天生桥(Ⅱ级)水电站隧洞中围岩破坏现象所反映的脆性破坏特性，通过理论分析建立了数学模型，经过物理模拟和实际岩爆情况的验证，建立了有限元程序，作施工时的岩爆预测。
岩爆多呈两种破坏形式，一是劈裂破坏，一是剪切破坏。以σ3=σr=0，σ1=σθ的情况，探讨σθ-σr的差应力情况下围岩的脆断破坏特性与演绎，以格里菲斯准则和库仑/纳维叶准则，作为两种岩爆破坏类型的判据。
在模拟分析中，重视对应力状态与特性的研究，放弃国内外普遍采用的以岩石抗压强度作为评判标准，依据破损情况所反映的岩爆两种机制采用两种强度准则。因其应力水平不同，正好反映岩爆的强弱程度。
(2)模糊数学综合评判:模糊数学综合评判，是以查明地质因素为前提，以岩爆岩石力学试验为基础，以模糊数学为工具，多因素综合判断岩爆发生可能性和强烈程度的预测方法。
工程地质和岩体力学问题中，事物之间的差异性，具无明确分类的中间过渡性，如地质条件的好与差，岩石强度的高与低，裂隙的发育与不发育，围岩的稳定与不稳定，岩爆的能否发生，烈度的强与弱等，都是大量的模糊概念。这是由于不同地区地质条件的多变性，同一地区地质条件的复杂性，勘测技术与认知水平的有限性，因而，人们对客观地质条件的认识不可避免地会带有一定的主观性;对受地质背景与自然因素所控制的岩体，目前与将来均不可能对这些模糊问题，给出其精确的本构方程。有些学者在研究岩爆问题时，把岩体假定为均质、连续、各向同性的材料，并将问题*在“峰值强度前的变形范围”之前提条件下，进行严密数学推导，得出了岩爆失稳判据。然而研究前提却忽略了岩爆的核心问题，岩爆在弹射前必然变成非连续体，产生由静变动的力学过程，这一过程是在峰值强度之后，对岩爆这一受多种复杂因素控制的模糊问题，其内在联系很难用某一精确关系式表达。以自然条件下诸多影响因子概略情况作适当模糊性多因素综合判断，以求对岩爆发生的可能性和强烈程度作较精确性预测预报。
模糊数学综合评判，首先确定岩爆产生的主控因素集X，依据目前理论认识X集论域为X=(σθ/σc、β、Ku、Ka、Kw)
σθ/σc为切向应力值与岩石强度的比值。或采用σd/σc作判据，σd是实际三维应力场中三向应力在洞开挖后向洞室方向的偏应力值。
β为岩体结构面与洞室主应力的夹角。为σθ与结构面的夹角，或σr法向线与结构面的夹角，一般洞室面附近的σr≈0，在高应力区将出现被锁闭的张应力，当出现墒情变化时，将出现较大的拉张力，因其具隐性特性一般未加注意。
Ku=εA/εA+B称岩石脆性指数，是岩石应力应变曲线的峰值强度前的总变形与永久变形之比，其比值越大，脆性越高。
Ka=(σc－σs)/σdrc，为应力下降指数，是岩石峰值强度与残余强度之差，再与岩爆临界应力值之比，它反映岩石峰值强度后应力释放性能。
Kw=WE/WEC，为岩石弹性能指数，是岩石峰值强度前弹性应变能的势能与临界弹性能之比。
另据岩爆的破坏方式，爆裂岩块几何形态特征，破坏过程与程度，声学与动力学特征，将岩爆烈度分为4级，构成评价集Y。
Y=(无、弱级、中等、强烈、严重)
根据工程实际资料与试验成果，决定X论域中各因素的具体数据，分别作模糊映射，得到模糊向量Ri，而后组成模糊矩阵R5×4，简称为岩爆“五四”模糊矩阵。
根据X论域中各因素在所研究问题中重要程度，由专家智能系统或工程实际成果作求逆分析，来确定“权值”重分配，得X论域一个模糊向量Ri，A为“权”重分配，A=(a1，a2，a3，a4，a5)，总和为1。
据此作模糊数学合成运算B=A×R，得评判结果B。
这一方法，在天生桥(Ⅱ级)水电站引水隧洞中，经对初期岩爆问题与地质条件调查，室内岩爆岩石力学试验和地应力场数值模拟，预测下一步施工中可能遇到的岩爆问题，在模糊数学综合评判后，对3个地段产生岩爆及其强度的预测预报，获得验证，初步证明这一方法的正确性。
(3)灰色系统理论研究:用灰色聚类信息，进行岩爆预测，是又一多因素综合分析方法。其岩爆预测的因素，完全采用谭以安博士在模糊数学综合评判中所确定的因素与指标，作为单因素判断岩爆灰类数化值。由于单因素数化权值在数量上相差较悬殊，须作以小值为度的灰色均衡无量纲化处理，形成0～10之间的数值，构成灰色权函数，形成灰类权矩阵，求聚类系数，计算灰色聚类向量，确定岩爆等级。据以进行天生桥(Ⅱ级)水电站引水隧洞未挖掘部分岩爆的预测预报，与模糊数学综合评判法所获结果一致。
正确理念，据以进行调查研究和进行相应科学试验，是洞室岩爆能否正确预测预报的基础，分析方法只是一种手段，对岩爆的数值分析研究，应着重于形成机理因素的探索，着重于应力环境及其演绎的探索。