深部岩体的构造和变形与破坏问题.pdf

第 25 卷 第 3 期 岩石力学与工程学报 Vol.25 No.3 2006 年 3 月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering March，2006 收稿日期收稿日期2004–10–25；修回日期修回日期2005–03–14 基金项目基金项目国家自然科学基金重大项目50490275；教育部新世纪优秀人才支持计划项目 作者简介作者简介王明洋1966–，男，博士，1994 年于解放军理工大学获博士学位，现任教授、博士生导师，主要从事防护工程方面的教学与研究工作。 E-mailwmyrf。 深部岩体的构造和变形与破坏问题深部岩体的构造和变形与破坏问题 王明洋，周泽平，钱七虎 解放军理工大学 工程兵工程学院，江苏 南京 210007 摘要摘要随着经济建设与国防建设的不断发展，地下空间开发不断走向深部，如逾千米乃至数千米的矿山如金川镍 矿和南非金矿等、水电工程埋深逾千米的引水隧道、核废料的深层地质处置、深地下防护工程如 700 m 防护岩 层下的北美防空司令部等。伴随着深部岩体工程响应发生了一系列新的特征科学现象，这些特征科学现象与浅部 岩体工程响应相比具有迥异的特点，而且用传统的连续介质力学理论无法圆满地进行解释，从而引起了国际上岩 石力学工程领域专家学者的极大关注，成为近几年该领域研究的热点。根据深部岩体的构造特点、高地应力及含 能和非协调变形的特点，围绕深部岩体工程响应发生的静、动力特征科学现象，提出了深部岩体的构造和变形与 破坏需要研究的科学问题。 关键词关键词岩石力学；深部岩体；变形与破坏；超低摩擦；准共振现象；分区破裂化现象 中图分类号中图分类号TU 435 文献标识码文献标识码A 文章编号文章编号1000–6915200603–0448–08 TECTONIC，，DEATION AND FAILURE PROBLEMS OF DEEP ROCK MASS WANG Ming-yang，ZHOU Ze-ping，QIAN Qi-hu Engineering Institute of Engineering Corps，PLA University of Science and Technology，Nanjing，Jiangsu 210007，China Abstract With the development of national economy and defense， the depth of underground engineering becomes deeper and deeper， such as mines with depth of thousand to several thousands metersfor example， Jinchuan nickel mines and golden mines in South Africa，diversion tunnels with depth of more than thousand meters for hydropower engineering ， deep geological deposition of nuclear waste ， deep underground protection engineeringfor example，air defense headquarter in northern American in 700 m deep underground rock. The engineering response of deep rock mass shows several new characteristic scientific phenomena. In comparison with responses of shallow rock engineering，these new characteristic scientific phenomena have quite different features，and can not be explained by traditional continuum mechanics completely. They attract the attentions of scholars and engineers in the fields of geotechnical engineering and rock mechanics in the world，and become the focus of the study in these fields for last several years. A new branch of rock mechanics－nonlinear deep rock mechanics is being established. The tectonic，deation and failure problems of deep rock are suggested according to the static and dynamic characteristic scientific phenomena and the characteristics of deep rock，such as the block structure feature，the state of high earth stress，the stored energy and the nonlinearity，discontinuity and incompatibility of deation. Key wordsrock mechanics；deep rock mass；deation and failure；anomalous low friction phenomenon； resonance phenomenon；phenomenon of zone disintegration 第 25 卷 第 3 期 王明洋等. 深部岩体的构造和变形与破坏问题 449 1 深部岩体的内禀特性研究深部岩体的内禀特性研究 深部岩体介质的变形、破坏及运动规律与其宏 观弹性、 塑性黏性与摩擦及惯性块体特性密切相 关。介质对能量不管是主动的还是被动的的传承 态度总是通过其边界的变化来完成的，深部岩体的 宏观特性主要取决于原始的岩体构造边界条件和应 力状态。因此，研究深部岩石力学问题首先需要精 细探测岩体原始的构造和应力状态信息[1]内禀特 性。 深部岩体原始构造的精细探测，需要搞清的是 构造的等级、规模和界面性状。这些问题的探究不 能不涉及 M. A. Sadovskii[2]关于地质介质对象的块 系等级构造学说的原则性问题，即对于深部岩体系 统中存在着下列第 i 级别的块体尺寸 i ∆自相似等级 序列公式 0 2∆∆ i i 1 式中 0 ∆为地核直径，；m 105 . 2 6 0 ∆ i为负整数。 通过i的降阶，可从地质构造级别一直到微晶 体级别依次确定每一级别上代表性块体的尺寸。低 一级的系统按照线性嵌入系数嵌入到高一级系统中 去，并且同级块体的尺寸 i ∆与其裂纹的张开尺寸 i δ 之间存在着稳定的统计关系 Θ ∆ δ δ∆ 2 10 − i i 2 式中Θ为系数， 其变化范围为 0.5～2.0；δ∆岩 石力学“不变量” 。 深部岩体构造等级的存在以及岩石力学“不变 量”δ∆的存在，不仅使作为岩石力学分析基础 的连续介质力学中的基本单元体的概念缺乏依据， 而且使圣维南变形协调原理受到质疑。事实上， δ∆可以作为某一构造水平上实际岩体变形或位 移不协调的度量因子，也可以作为表征岩块接触面 粗糙度的一个尺度。一般情况下，依据张开裂缝还 可以搞清不同比例水平的地质构造尺寸周围岩体强 破碎区的范围[3]。 岩石的这些特点决定了在研究岩石的力学行为 时仅仅利用传统的弹塑性力学理论是远远不够的， 必须引入新的观点和方法。为此，研究块系介质中 摆型波参数与岩体构造及力学参数间的关系对于原 始岩体块系探测具有重要的理论与应用价值。 深部岩体的构造单元处于高地应力环境中，由 于其界面处具有黏结和摩擦特性，在微观和宏观上 表现为具有蓄能特性，所以它具有能量源和能量汇 的特性[4]。这一特性可以看作是将作用在边界地段 上的“主动”力通过它们能量流在介质中流动变 换为作用在边界地段上的“被动”力通过它们产生 能量流的某一种机制。 这种机制使之在一定的条件 下转化为具有平均应力及速度的宏观水平上的能 量，转化能力速度的快和慢与块系自身的物理力 学性质内摩擦角、断裂表面能等、块系的大小及 形状原始的和后来激发的边界条件有关，并非常 显著地影响着岩体变形过程中的力学性质和变形稳 定性。 因此，除了首先要探测深部岩体的原始构造特 性及初始应力状态外，要想在岩体形变和体变过程 中回答这些内禀信息所作的投入，需要研究在深部 岩体中集聚能量的份额大小及主要影响因素，并建 立相应的物理力学模型。 2 深部岩体的峰值后变形特性研究深部岩体的峰值后变形特性研究 对于埋深不大的浅部岩体工程1/ cc ＜Rhγ， ， c γ c Rh，分别为岩体的容重、埋深和岩体单轴抗压 强度，h c γ为未扰动岩体的应力状态，例如水平 坑道见图 1a或地下开采层状矿时的掌子面见 图 1b附近，应力分布主要表现在紧靠坑道附近处 的环向应力集中上[5]。 随着坑道埋深的增加，不可恢复变形区的范围 也在加大，在达到强度极限前的弹性与小的不可恢 复的塑性变形还能基本保持协调，可以在连续介质 力学的框架内加以解决。但如果深度达到强度极限 以后1/ cc ＞Rhγ，坑道周围岩体的实际状态与其原 始状态之间的变形不协调性开始表现出来，高地应 力的影响和峰值后变形的发展如此之大，以至于岩 体过渡到一个新的状态。这一变形状态出现的条件 可根据著名的 Zhurkov 公式[6]确定 ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛− KT U tt γσ 0 0exp 3 式中t为破坏时间； 0 U为活化能；σ为单轴拉应 力；γ为活化体积，通常为10～1 000倍原子体积； K为玻尔兹曼常数；T为绝对温度； 0 t为原子的 Debye振动周期数量级别的参数，为10～12 s。 450 岩石力学与工程学报 2006 年 图 1 岩层变形图εθ＜ε Fig.1 Deation of rock strataεθ＜ε Zhurkov公式是材料在外载作用下内部构造状 态发生改变的宏观表现，这种破坏现象中时间因素 的决定性作用是固体微观动力破坏概念的基础。在 材料的蠕变试验中，C. G. Alexandrov得到了如下变 形率表达式 ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛− − bT Uγσ εε 0 0exp 4 式中 0 ε 为极限变形速率，b为常数。 令式3与4相乘，有 const 00 ∗ εετετ 5 试验证明，式5对于性质不同的材料及广泛的 加载变化范围都成立。尽管式5中没有显形地出现 时间变量，但 ∗ ε却反映了在外力作用下材料内部结 构在不同时间发生的变化在破坏时的宏观极限变形 其与岩石力学的不变量δ∆属于同一数量级，也 可认为是一种准时间准则。我国学者葛修润院士的 大量蠕变试验也再次证明了此结论的正确性[7]。因 此，岩体破坏出现准则采用极限变形准则更具物理 基础。 需要注意的是在峰值后变形过程中，通过局部 剪切变形的表面发展， 将材料划分成许多部分块状 或条带状， 并通过沿单个表面滑移的强间断来满足 施加的边界条件。尽管在变形的局部化表面上有足 够的相互作用力能近似满足变形的协调性，但这种 不协调性流动性随变形的发展而加剧，直接导致 介质的破坏分离。需要指出的是此时板块和条带 的体积形状及大小实际上仍停留在达到强度极限 时的水平上，计算的体积变化只与膨胀有关[8]。 因 此， 岩石在新状态中的板块或条带形状及大小新形 成边界条件不仅决定着强度极限后的曲线走向， 而 且它们的相互摩擦就决定了残余强度的大小，明显 带有不确定的统计特性。这一状态与其说是建立了 破坏岩石新的表面，勿宁说是岩块生成适当的边界 原始的和新产生的，使之接近松散块状介质的性 质并决定了岩体的岩石压力及其残余强度的大小。 因此，在不协调变形状态下，残余强度的存在不仅 是保证深部矿山坑道在岩石压力很高条件下稳定性 的主要原因，而且也与深部岩体工程响应发生新的 现象之间存在着密切关系。剪切局部化峰值后变形 会发生滑移线上能量消耗和滑移线外材料弹性势能 减少的转化过程，如果释放的能量少于消耗能量，则 变形过程是稳定的，且只有从外部输入能量时才可 能继续。如果释放的能量多于消耗的，则变形是不 稳定的，且滑移使材料内能的贮存增大，此时部分 能量将转化为动能。目前，对这一变形过程的度量 和描述具有非常诱人的、行之有效的方法主要沿着 两方面发展[5 ，9]一种是借助光滑函数的组合描述 间断位移场的不光滑性，从而引出间断位移场变形 特征新的旋转自由度，通过质点连续介质力学描述 宏观尺度上的岩块行为、有限尺度内间断位移场的 变形梯度描述界面的局部变形行为，从而使能量在 介质中的存储、耗散与通过间断界面的边界转移的 动能得到刻画。另一种是直接采用系统能量取极小 值的变分方法，解决滑移线发展的稳定性问题，确 定变形非稳定性发展时的强度软化特征参数，计算 不稳定过程中转变为动能的那部分弹性能，还可以 在滑移再次变为稳定状态时进一步分析其变形，但 这一方法中目前尚未考虑加载历史的影响。 深部岩体进入峰值后变形过程中，其局部剪切 变形与破坏过程紧密联系。破坏可以认为是介质变 形的最后阶段，表现为原始岩体保持其形状的能力 遭到削弱，此时岩体介质接近松散介质状态，其运 动与块体之间的摩擦有关，存在非黏性和黏性两种 不同的摩擦状态。在非黏性状态下，应力引起的摩 擦只与进入滑移的时刻有关，以后速度与应力无关， 并且可能只受非局部因素的限制。在黏性摩擦状态 下， 单元之间的剪切速度既与非局部因素邻近单元 和边界条件的性状有关，而且还与局部因素作用 a 单个坑道附近 b 掌子面附近 σ σ1 σ3 σ2 第25卷 第3期 王明洋等. 深部岩体的构造和变形与破坏问题 451 在滑移面上的应力有关。 在峰值后变形过程中主要 呈现类似黏性液体的残余抗剪强度，这一强度与破 坏块体大小及形状曲率有关，对空间应力状态可 能存在显著影响，这种可能的影响与深部岩体的开 挖断面大小与速度有关。在松散介质内的应力主要 由两部分组成一部分是由块体介质的体积变形或 者畸变形引起的弹性应力；另一部分是由块体间非 均匀性所引起的非弹性局部应力[10]，这一部分应力 导致介质内的不可逆变形。弹性应力通常线性地与 可逆变形相关联，至于非弹性残余应力在介质有限 变形时出现，并随时间自我松弛，类似非常黏滞 流体介质特征，可用麦克斯韦方程来描述[11] tttd d1 d d 0 γ τ τ 6 式中τ为平均尺寸为∆的非均匀块体介质的主剪 应力，γ为主剪切变形速率， 0 t为应力衰减所需时 间的数量级有时名为麦克斯韦松弛时间，为介 质的剪切模量。 为了评估松弛的特征时间，根据发射声波平均 频率减小的资料间接地证明了 0 t与碎块尺寸成正比 例[12]关系，并可近似采用下式计算 r0 /vt∆ 7 式中 r v为块体松弛运动速度。因此，方程式6变 为 τ ∆ γ τ r d d d dv tt − 8 这一方程的主要特点是，构造非均匀性残余应 力的松弛速率与残余应力的大小成正比，与非均匀 性的尺寸成反比，并在缓慢运动与快速运动的两种 极限情形中都能导出正确的结果[13]。因此，可以把 它作为过渡情形的内插方程。 松散材料的切变膨胀体积变化可以重新确定 变形过程中孔隙空间的变化性质，并且其可能不仅 仅与静水压缩有关。这种变化可采用非相容变形的 扩容方程[5 ，14，15]加以描述 γϕε dv sin 9 式中 v ε为体积扩容变形率；γ为剪切变形变化率； d sinϕ为动摩擦因数，为最大剪应力 n τ与平均静水 应力 n σ之比，即 n n d sin σ τ ϕ 10 式9表征了破碎区介质运动学与破碎块之间 的黏性摩擦状态。如果将主剪切变形速率用式9 的体积扩容变形率代替，可得 τ ∆ ε ϕ τ r v d sind dv t − 11 现实构造块系的能量耗散速率与介质的切变膨 胀特征值无关，主要取决于动摩擦角 d ϕ，且在 d ϕ→ 0时耗散速度也趋近于0，如图2所示的连续曲线一 样，图中 i R为破坏块体的相对滑移位移。图2中 OA段曲线表明滑移由0开始增大时，岩体“强度” 逐渐被调动起来，剪应力与正应力的比值增大，然 后进入峰值后变形软化阶段AB段，或者进入松散 介质极限状态水平分枝线，这在一定程度上可以 用来研究空间和时间上构造发展的过程。 图2 介质变形的动摩擦因数 Fig.2 Dynamic friction factor of medium deation 3 深部岩体中非破坏区的特性研究深部岩体中非破坏区的特性研究 在介质中由爆炸形成的压缩波随着波阵面的扩 展发生形状变化，其幅值会降低。如果在爆炸近区 应力超过介质的强度，将引起介质的破坏，那么在 离爆心足够远的区域 d Rr＞，压缩波的幅值低于介 质的强度而不会引起介质的破坏，这一区域爆炸波 的参数及峰值传播速度都稳定下来。这一情况导致 压缩波幅值上升到最大值的时间随着距离的增加而 保持不变，这只有在介质为弹性时才如此。在弹性 区传播的波，其波动周期与非弹性区的半径成正 比，为 pd/ 2CRT 。因此非弹性区在地下爆炸中被 看作是地震动源，其在所有的振动源中最为简单， 作为初步近似可把其表示为 “膨胀中心” 。 在理想条 件下，这样的源使粒子只沿着扰动传播方向运动， 即压缩波为纵波P波。但是由于现实介质的非均匀 构造，以及与之相连的在形成振动源时运动对称性 的快速破坏， 会出现横波或剪切波S波， 其振动与 纵波的不同之处在于其不与介质的体积变化联系。 sin d ϕ 452 岩石力学与工程学报 2006年 结果“膨胀中心”型的振动源在实际介质中激起纵 波及横波。但是在近区主要的振动能由纵波承载， 纵波在爆炸振动学中起着主要作用。根据非弹性区 与弹性区分隔面上的位移对于时间的依赖关系，确 定所谓的弹性位移势，由此来表达纵波的基本振动 参数。 尽管在破坏区之外利用弹性理论能以足够的精 度确定爆炸地震作用的参数，但是这种近似是有条 件的。因为在破坏区之外，离爆心足够远，可观察 到事实上的不可逆现象，这一现象与现实介质的构 造非均匀性、裂缝系统的储能、不同性质岩层的成 层叠放、地质断层的存在以及其他软弱带等有关， 这些因素均赋予岩体为构造介质。于是自然会得出 这样的概念，即在破坏区之外的变形区域主要集中 于界面及软弱区，能量的耗散过程主要集中于强度 较低岩块的块间间隙，但是由于块间的体积占总岩 体体积很小一部分，其变形对于地震波动过程的“弹 性”描述影响不大。因此，在地震学研究和地壳构 造研究中，作为具有弹性抗力容积变化而产生的 介质可忽略上述效应，从而可以满意地描述地震震 动传播时观察到的许多现象。可是在研究爆炸作用 的其他问题时，如岩体边坡及坑道侧壁的稳定性、 渗透性的变化、不同种类的建筑及结构的行为时， 这些效应可能起着决定性作用。 4 深部岩体中爆炸破坏区特性研究深部岩体中爆炸破坏区特性研究 如上所述，在评价深部岩体中爆炸作用对介质 的稳定性及地下结构的稳定性时，令人关注的是发 生不可逆变形的区域， 也即被认为是破坏的区域近 区。这个区域的性状空腔及近区破坏半径是最终 决定辐射出来波的基本参数，反映能量的分配份额， 揭示爆炸及爆炸地震动等重要特性的关键因素[16]。 在爆炸波中形成的强烈荷载导致岩体性质及组 成岩石的力学性质有很大的变化。试验表明，在环 绕爆炸空腔附近爆炸波阵面上的应力超过40 GPa 时， 岩石发生熔化和相变， 随着离爆心距离的增加， 波阵面的参数因介质中应力、质量速度和能量大小 的突变有很大的不同。对于爆炸产生的强冲击波， 其波速D可按下式计算 αν 0 CD 12 式中 0 C为局部声速， 与岩体的体积压缩率k有关； ν为介质粒子运动速度；≈α1.5。 如果考虑深部介质对运动的滞阻，冲击波参数 会剧烈变化而发展为弱的冲击波或应力波或进一 步发展为地震波，由守恒定律可得如下关系 ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎭ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎬ ⎫ ≈ ≈ p p0 p C v vC k v CD r r r r r ε ρσ σ 13 式中 p C为压缩波传播速度， r σ为径向应力， 0 ρ为 介质初始密度， r v为粒子径向运动速度， r ε为径向 应变，k为岩体的体积压缩率。 由于近区介质的运动特性使其变形接近一维平 面应变状态，剪切与体积变形的改变属于同一数量 级，即存在 θϕ εεεε r ε为体积应变， θϕ εε， 为环向应变， 这一状态导致在坚硬岩体中大幅值纵 波的传播速度与小幅值纵波的传播速度差别很小。 随着应力 r σ跃迁程度的发展， 在应力波中还会产生 与 ϕ σ之间的差值，该差值将达到材料的剪切强度 0 τ ⎪ ⎭ ⎪ ⎬ ⎫ − εσσ τσσ ϕ ϕ k r r 32 2 0 14 一般而言， 0 τ和k将由于应力跃迁或者随着体 积应变的增大而变化。借助于式14，可以计算出 冲击波的主应力 ⎪ ⎪ ⎭ ⎪ ⎪ ⎬ ⎫ − 0 0 3 2 3 4 τεσ τεσ ϕ k k r 15 因而，当应变ε0.1 r σ104 MPa和 0 τk 3 10−≈ 0 τεk时，从力学的观点可知，这一状态类似于 流体动力学状态 p r − θϕ σσσ 16 式中p为实际的平均压力。 应该指出在向式16的状态变化时，假定强 度与“强度消失”无关，而与消耗在体积变化的能 量大大超过消耗在克服形状变化阻力上的能量有 关。同时耗费能量的主要部分与不同的范围有关 体积的变化包括加热和质变，与空腔半径 3 c r成正 比， 而克服滑移面上的剪应力和破坏形成新的表面 则与 2 c r成正比。因为这些现象只具有表面的而没有 第25卷 第3期 王明洋等. 深部岩体的构造和变形与破坏问题 453 体积的特征，所以计算结果及试验研究[17]表明，爆 炸能的绝大部分消耗在非弹性变形区。在爆炸空腔 停止扩张后，地下爆炸的能量分配如下爆炸产物 占总能的10～20，介质的熔化占15左右，耗 散于非弹性区非弹性变形区半径 d R 的能量占 60～70，主要以摩擦成热的形式耗散，用于介 质破裂的能量仅占0.1～1.0。在 d RR＜的区域 内， 有90～95的能量被耗散掉， 只有10～15 的能量进入到弹性区，主要以介质的压缩形式存在。 弹性区的能量一部分用于地震动，而地震动由于几 何发散、吸收及散射而逐渐衰减。根据地震动电信 号整理结果，地震波能量主要取决于爆心岩体的性 质。 在孔隙率较低的坚硬岩石中，空腔的形成主要 是压缩波向外挤压一定体积的介质所致，被挤压的 体积被挤向弹性区，并与爆炸能量Q成正比。空腔 半径 c r及非弹性变形区半径 d R依赖于爆炸能量及 介质的性质，包括可压缩性和强度。 c r和 d R的计算 公式分别如下 ⎪ ⎪ ⎭ ⎪ ⎪ ⎬ ⎫ ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ c c 2 p d 912 c 2 p 31 c 4 r C R C Q r σ ρ σρ β 17 式中ρ， p C分别为介质的密度及介质中的声波速 度； c σ为介质的抗压强度；β为参数，且β0.3～ 0.6。 从上式可以看出，空腔半径符合几何相似原则， 而非弹性变形区半径与空腔半径成正比。空腔及非 弹性变形区半径最终决定了辐射出来的爆炸震动波 的基本参数。 因此，在爆炸近区波动幅值及其衰减程度对介 质性质的不敏感性限制了利用运动参数评价不同材 料破坏特性的信息来源，这也就是为什么在地下岩 体爆炸中不能仅基于介质的变形参数来描述爆炸作 用所有性状的原因，但在近区可以运用运动学关系 研究、确定材料破坏的能量及综合特征参数。同时 还可利用爆炸的运动学特点决定破坏区的边界。作 为破坏区的边界，即取在压缩波中开始出现反向运 动的面 d RR ，也即残余变形与最大变形一致的最 远的面。目前还不能明确地断定 d RR 为在爆炸中 形成的破坏区最终尺寸，因为 d RR 的存在只是与 压缩波耗散过程中速度的变化有关，但可以假定 d RR 确定了压缩波中发生剧烈耗散的区域，也即 发生强烈破碎的区域。至于由环向裂纹的形成所决 定的最大破坏区尺寸，无论从破坏介质体积还是从 在介质中形成的地震动的角度来讲，均为一个不太 重要的爆炸作用尺寸。 尽管岩体在爆炸破坏时有许多表象，但是在岩 体中的爆炸是由岩体的性质及其地质构造所决定 的，破坏特性还不能够被准确无误地加以表征。除 此之外，在描述破坏时， “破坏”概念的条件性也阻 碍了学者们就具体的破坏描述达成一致意见。众多 试验中对于岩体构造的研究表明，在相对的破裂半 径35/ 31 1 qR～ 31 40 kt m时，新形成的裂纹可以 达到这样的相对距离70/ 31 2 qR～ 31 100 kt m。 在 地球物理学中，这一数值被看作是破坏区的半径。 但一些试验及工业爆炸研究表明，应用量测仪器设 备在新形成裂纹的区域很难分出破碎区。这表明在 评价破坏区半径时意见不一致的原因在于，应把 “破坏”的概念与具体的技术过程的实现联系起 来。但是在描述爆炸破坏时存在可靠地评价破坏区 大小及基本变化的方法，例如除了对于介质的直接 研究外，可以利用爆炸近区及远区介质运动的不 同。另一个评价方法在于把破坏区半径与远区震动 波的长短进行比较。 5 深部岩体中超低摩擦、准共振及摆 型波现象 深部岩体中超低摩擦、准共振及摆 型波现象 如果在经典的纵波及横波传播理论中，诸如岩 体的应力–应变状态和其构造被忽略，那么在研究 摆型波时上述参数则起着重要的作用，尤其是变符 号动力反应、摆型波、超常低摩擦效应，它们与岩 体在外作用下的共振现象有关[18]。对于深部动力事 件某一有限区域内等级构造块系岩体，开始对应有 一个最小的基本频率 0 f，但是当具有一定量级的外 部扰动能量或此体积存储的势能得到释放时，此体 积内部块系应力状态的改变导致类似图2的动摩擦 因数的减少，不仅诱导激发了新的边界，而且出现 了块体间边界面性状的改变，从而产生许多新的比 0 f大得多的振动频率 1 f，引起振动平均周期的减 少，伴随耗散能量的减少导致势能转化为动能的速 率加快，使动力事件发生区域的岩体状态过渡到声 学运动状态，出现准共振现象。但是，目前对于摆 型波的理论研究还处于初始阶段，还没有一个理想 的模型把块体及其界面性状考虑进来。摆型波、超 低摩擦效应与许多岩体的现象紧密相连，例如1 454 岩石力学与工程学报 2006年 对于不同等级水平 i ∆的载体而言，分离出来的摆型 波的标准频率谱与采用的钻孔爆炸作业的特征参数 以及一次工程爆破爆落矿层的线性尺寸强度﹑长 度﹑宽度都具有非常紧密的相关性；2 按照摆型 波标准频谱组成的变化曲线随着离爆心区域的距 离可以评估所形成的空腔上岩体附近非线性剪切 区的长度；3 按照摆型波波束的形式，不难评估 相应等级水平的载体–地质板块间的相互摩擦因 数；4 岩石受到冲击时炸心区域的尺寸与动力事 件所激发的摆型波的载波频率有关；5 对于有岩 爆和无岩爆区段上的大型爆破例如，36情况和岩 石冲击情况相应为22， 摆型波载体间的摩擦角有 很大的差别；6 按照共振概念，地压力破坏形式 与地质体进入共振状态时聚积在岩体中的势能的释 放速率有关转换为动能有关，在这种转换中岩块 中的超低摩擦效应起着关键作用。 已知的构造非均匀性尺度表明，在自然界中没 有不具有块系构造的岩体，例如不包含地质断层的 岩体在更高的层次水平上具有强度软弱带。在这种 情况下介质的平均变形由岩石的变形及块体之间的 弱夹层的变形组成。因此岩体的变形主要集中于边 界及强度软弱区，依赖于岩体的具体块体系列及块 体之间强度大小。自然不可逆变形的尺度对应于破 坏结构的尺度水平，在比较远的距离，介质中出现 的不可逆现象与现实岩体的块状构造有关。爆炸引 起的局部破坏在1 000 3/1 kt m的距离上也可能发 生。在任何情况下，在评价由爆炸引起的可能破坏 时，必须考虑到在1 000 3/1 kt m的距离上会出现的 局部破坏。 不可逆变形区半径的评价可按如下方法进行 把岩体理解成线性尺寸为∆的由构造单元组成的整 体。构造单元可以理解成组成岩体的块体，其空间 运动在很大程度上可以自由进行。假设由爆炸作用 引起的变形不超过临界值∆， 那么不可逆变形就 不会有。在块系介质中，最大变形发生在软弱面附 近，因此极限变形尺寸可取∆δ∆/，δ为邻近 块体面之间的相对位移。不可逆变形区半径[19]可由 下式得到 d R mn mnmn Q C AB − −− ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ π ≈ 1 3 1 1 p 2 δ 18 式中BA，均为试验常数；mn，分别为近区速度 衰减系数及时间升压系数。为了获得具体数值，必 须给出∆的数值，通常∆可取为1～210 －5， 而破坏时的应变为10 －4。 因此，必须完善现实介质中爆炸作用的特征概 念，首先是把局部不可逆变形区分离出来作为一个 单独的区域。依赖于具体的岩体特性，这一区域可 定为700～1 200 3/1 kt m。 表1给出介质不可逆变形区域部分特征参数， 包括分区边界上的速度 ** v 及平均的爆炸能量体积 密度 e。 表1 不可逆变形区域部分特征参数 Table 1 Some characteristic parameters of irreversible deation area 爆炸区 R/m v**/ms －1 e/Jm －3 空腔半径 7～12kt1/3 200～500 109 破裂区半径 30～40kt1/3 20～50 107 新生裂纹区 80～120kt1/3 2～5 105 局部不可逆变形区 800～1 100kt1/3 0.10～0.15 102 综上所述， 岩体的块系结构为岩体的基本特征， 许多现象与岩体的构造相联系，尤其是变符号动力 反应、摆型波、超常低摩擦效应，它们与岩体在外 作用下的共振现象有关。共振现象与许多工程中的 问题，如岩爆、脱瓦斯、提高石油产量、地下工程 的防震隔震等相连。因此需要解决块系构造介质中 摆型波和超低摩擦效应产生的物理基础和地质力学 条件，建立深部岩体力学–块系构造介质非线性动 力学理论， 以便为矿山开采、 油气开采及地下深部 战略防护工程的防震隔震提供有力的理论依据。 6 结结 论论 深部岩体工程响应的研究需要紧紧围绕介质的 块系构造特点、高地应力及含能特点和非协调变形 的特点进行。而这些特点需要采用新理论与新方 法，突破传统的连续介质力学的束缚，主要应针对 如下科学问题 1 深部岩体中集聚能量的份额大小及主要影 响因素并建立相应的物理力学模型； 2 深部岩体峰值后变形及其残余强度的一般 理论和数学描述方法； 3 深部岩体分区破裂化现象的空间与时间构 造的物理力学机制及数学描述方法； 4 分区破碎化现象下的深部巷道开挖、支护 原理及其优化设计方法； 第25卷 第3期 王明洋等. 深部岩体的构造和变形与破坏问题 455 5 深部岩体爆炸近区运动学、动力学参数的 刻画； 6 块系构造介质中摆型波和超低摩擦效应产 生的物理基础和地质力学条件研究； 7 深部岩体块系介质的变形与运动模型； 8 深部岩体压力出现的动力形式发生时的准 谐振理论及其应用技术矿山开采、地下爆破、瓦斯 突出的排脱、矿压和岩爆的排除、油气开采等。 参考文献参考文献References [1] 钱七虎. 深部地下空间开发中的关键科学问题[R]. 南京 解放军理 工大学工程兵工程学院，2004.Qian Qihu. Key science problems for deep underground space excavation[R]. Nanjing Engineering Institute of Engineering Corps，PLA University of Science and Technology， 2004.in Chinese [2] Sadovskii M A. Natural lumpiness of rock[J]. Dokl. Akad. Nauk SSR， 1979，2474829–832. [3] Kurlenya M V，Oparin V N. Problems of nonlinear geomechanics part I[J]. Fiz. Tekh. Probl. Razrab.Polezn. Iskop.， 1999， 3 435–442. [4] Revuzhenko P. Mechanics of Elastoplastic Media and Nonstandard Analysis[M]. NovosbirskIzd NGU，2000. [5] 陈宗基. 地下巷道长期稳定性的力学问题[J]. 岩石力学与工程学 报， 1982， 11 1–20.Tan Tjongkie. The mechanical problems for the long-te