基于斷裂損傷力學(xué)的隧道突水破壞機(jī)理研究

楊丁南

(重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院， 重慶 400041)

0 前言

隧道是一個(gè)完整的整體，是地質(zhì)學(xué)體的一部分，與完整的巖石材料相比，它們的力學(xué)性質(zhì)不盡相同，隧道涌水形成于地質(zhì)歷史和存在，體驗(yàn)多種多樣復(fù)雜的地質(zhì)過(guò)程，在這個(gè)過(guò)程中不平衡，在特殊的地質(zhì)環(huán)境中最終發(fā)生，隧道涌水的變形和強(qiáng)度特性比許多復(fù)雜的巖石材料都要強(qiáng)。由于隧道形成過(guò)程復(fù)雜多變，隧道內(nèi)存在許多微裂縫和孔洞，導(dǎo)致復(fù)雜的力學(xué)性能。由于隧道裂縫的產(chǎn)生和加大裂縫，巖體的各種特性都會(huì)都是在變化特性之中。如果不連續(xù)介質(zhì)相當(dāng)于連續(xù)介質(zhì)，那么使用傳統(tǒng)的材料力學(xué)理論會(huì)產(chǎn)生很大的誤差，這會(huì)影響巖體的分析。就是研究這種難以把我的彈塑性過(guò)程，我們需要彈性力學(xué)作為支撐，還要參考斷裂損傷力學(xué)這一理論。作為工程地質(zhì)學(xué)和交叉斷裂力學(xué)的課題，巖石斷裂力學(xué)應(yīng)運(yùn)而生，將存在于巖體節(jié)理裂隙模擬中，采用巖石裂紋萌生，傳播和聚結(jié)的斷裂力學(xué)方法誘導(dǎo)局部破壞過(guò)程，隧道涌水突發(fā)性破壞機(jī)制。

本文在破裂力學(xué)的基礎(chǔ)上，總結(jié)了前人研究隧道突水?dāng)嗔褭C(jī)理的成果。

1 隧道突水?dāng)嗔褭C(jī)制

目前在巖石斷裂機(jī)理研究方面，已逐步將其引入斷裂力學(xué)和損傷力學(xué)理論，在對(duì)巖石斷裂一般線彈性斷裂力學(xué)理論的研究基礎(chǔ)上，結(jié)合應(yīng)力強(qiáng)度因子斷裂準(zhǔn)則和能量Griffith準(zhǔn)則，基于格里菲斯能量準(zhǔn)則，Poston[1]研究了壓縮剪切應(yīng)力作用下巖石類材料的斷裂過(guò)程中裂紋擴(kuò)展方向與初裂的趨勢(shì)之間的關(guān)系。Lajtai認(rèn)為裂紋尖端的應(yīng)力場(chǎng)不均勻，裂紋在壓縮剪切狀態(tài)下具有更大的拉應(yīng)力和更大的壓應(yīng)力。基于裂紋尖端的應(yīng)力梯度模型，建立了新的壓剪斷裂強(qiáng)度理論。 Tang等[2]對(duì)預(yù)裂巖石類材料的裂縫穿透破壞進(jìn)行了研究，并用計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的數(shù)值分析。上世紀(jì)七十年代，中國(guó)的隧道涌水理論產(chǎn)生，之前我們研究積累了一些理論還需要我們?cè)谌〉靡欢ǖ某晒?。劉東艷[3]從斷裂損傷的角度出發(fā)，研究了我們?cè)跀嗔蚜W(xué)分析下的一些問(wèn)題讓我們有了新的認(rèn)識(shí)，建立出一定的有效的模型在此之上我們有理由相信，斷裂隧道的產(chǎn)生等跟隨到有關(guān)系。郭少華[4]在一定的基礎(chǔ)上改變了我們的一定的認(rèn)識(shí)，在此之上我們應(yīng)該好好地利用這種關(guān)系。李樹(shù)才用斷裂損傷力學(xué)的一些原因來(lái)分析我們的模型，從能量理論的角度提出了一種確定裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度的方法，并建中國(guó)隧道發(fā)展的一些有效的長(zhǎng)力。根據(jù)該模型開(kāi)發(fā)了煤礦放頂煤開(kāi)采場(chǎng)的有限元程序，并對(duì)其進(jìn)行了仿真分析，取得了實(shí)際成果。張朗劉東升，基于Griffith理論考慮裂紋擴(kuò)展介質(zhì)參數(shù)的[5]的變異性，將載荷和強(qiáng)度參數(shù)視為隨機(jī)變量，都是在應(yīng)力裂紋擴(kuò)展概率解的條件下求得的并建立了裂紋擴(kuò)展概率的計(jì)算模型，當(dāng)參數(shù)變化較大時(shí)，可靠的分析方法更為合理和實(shí)用。

2 滲流－應(yīng)力耦合作用下的隧道突水?dāng)嗔褭C(jī)制

在發(fā)電和發(fā)展過(guò)程中，隧道涌水處于特定的應(yīng)力場(chǎng)。馬鞍山隧道的涌水破壞了之前的一能用我們不能用。因此，有必要考慮滲流場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)之間的耦合流固效應(yīng)。劉濤[6]等，在前人研究高滲透巖石裂縫演化特性的基礎(chǔ)上，分析研究了壓裂和聚結(jié)機(jī)理作用下巖石裂縫的破壞機(jī)理，基于高滲透性翼裂縫不穩(wěn)定剪切擴(kuò)展的斷裂力學(xué)分析原理，考慮高滲壓力下巖石橋的破壞，壓力剪切巖石損傷演化模型，為高壓隧道突水破壞斷裂定量研究提供理論依據(jù)。陳平[7]考慮了隧道涌水對(duì)馬鞍山隧道涌水的分析應(yīng)用，在此基礎(chǔ)至少我們總結(jié)出一定的模型，這個(gè)模型，我們要好好的珍惜，應(yīng)該我們?yōu)榇四Ｐ彤a(chǎn)生一定的張力，再次得到了論證。這個(gè)例子被證實(shí)，效果很好。

3 結(jié)論

國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)隧道爆破斷裂破壞機(jī)理進(jìn)行了理論分析，實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬。分析了裂紋的萌生，擴(kuò)展和能量變化，取得了很大的成果。從宏觀和微觀的角度分析斷裂損傷力學(xué)基礎(chǔ)上隧道涌水的隧道涌水?dāng)嗔咽C(jī)理的研究已成為一種趨勢(shì)，該方法在實(shí)踐中不斷修正和完善，但仍存在并解決了許多需要進(jìn)一步研究的問(wèn)題研究。

圖1 荷載位于裂紋面

圖2 一對(duì)劈開(kāi)力P作用于裂紋面

[1]Poston.T.and Stewart，I.Catastrophe Theor-y and Its Application[J].London，SanFran-cissco，Melbo，1978.

[2]Lajtal E.Z.Brittle.Fracture in compression[J].Int.Frac.1977.10 (4) : 12－15.

[3]C.A.Tanga，P.Lina，R.H.C.Wong，etal.Analysis of crack coalescence in rock － like materials containing three flaws－partⅡ: numerical approach[J].International Journal of Roc-k Mechanics＆Mining Sciences 38.(2001)925－939.

[4]劉東燕，嚴(yán)春風(fēng)，陳彥峰.壓剪應(yīng)力條件下巖體裂紋擴(kuò)展概率模型研究[J].巖土工程學(xué)報(bào)，1999，21 ( 1) : 56 －59.

[5]郭少華.巖石類材料的壓縮斷裂的實(shí)驗(yàn)與理論研究[D].長(zhǎng)沙:中南大學(xué)，2003.

[6]李術(shù)才，朱維申.復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下斷續(xù)節(jié)理巖體斷裂損傷機(jī)理研究及其應(yīng)用[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，1999，18( 2) : 142－146.

[7]陳平，張有天.隧道突水滲流與應(yīng)力耦合分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，1994.13 ( 4) : 299.