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裂隙岩体能量耗散研究:现状与未来

时间:2023-06-26 理论教育 版权反馈
【摘要】:在工程裂隙岩体中的能量耗散研究方面,当前国内外还只有很少数学者做过初步的研究。在国内,谢和平[102]对岩体中形成的雁形裂纹提出了分形模型并推导出了裂纹造成的能量耗散。岩体发生塑性变形和破裂时,能量发生耗散。Rashid等[134]对韧性材料也提出了一种考虑能量耗散的力学模型但未做工程应用分析。从目前国内外能量方法的研究现状来看,大多数研究工作集中在对地下工程开挖可能引发岩爆的预测上。

裂隙岩体能量耗散研究:现状与未来

在工程裂隙岩体中的能量耗散研究方面,当前国内外还只有很少数学者做过初步的研究。

在国内,谢和平[102]对岩体中形成的雁形裂纹提出了分形模型并推导出了裂纹造成的能量耗散。

朱维申等[103]和温进涛[104]发表过少量的研究论文,并在个别实际工程上做过应用分析,但目前还只限于简化的等效模型。

文学[105]开展了撞击试验,并对冲击波作用下的耗散能计算做了探讨。

李宁等[106]分析了裂隙特性对应力波传播的影响,提出了一个动力损伤模型并与模型试验做了对比。

海波[107]基于裂纹扩展过程中的能量平衡原理,应用滑移型裂纹模型建立了花岗岩材料的动态本构模型。

左宇军等[108]研究了岩石在动-静组合加载条件下的能量变化,并计算了发生岩爆时岩块弹射的平均速度。

刘小明、华安增、王学滨、蔡美峰、李庶林、潘岳等[109-114]分别采用能量守恒原理,提出了判断岩体是否发生岩爆的判别条件。

徐林生、吴刚、王贤能、徐松林、许东俊等[115-120]通过常规三轴试验研究了试样破坏过程中的能量变化以及岩爆现象。陈景涛等[122]则利用真三轴试验模拟了高地应力条件下地下工程开挖引起的复杂的应力路径的变化。

李江腾等[122]使用能量守恒原理和突变理论推导了矿柱失稳的临界载荷及临界应力,提出矿柱失稳的屈曲模型,并指出矿柱发生失稳与矿柱内的劈裂裂纹的分布有关。

Zhang等[123]用Hopkinson杆研究了荷载率对岩石中破裂扩展的影响,并与静载条件下的结果做了对比,并对总的能量中损伤和碎片的动力能的相互关系做了研究。

在国外,Cook[124]指出,当在弹性岩体中进行开挖时,将会引起岩体中的重力势能WG和水平应力势能WH的变化。这两项势能改变的总和等于储存的弹性能Uc、耗散的能量Wr的总和[125](见图1-4)。总之,当地下工程进行开挖时,就会发生势能的改变,应变能储存在围岩中,而多余的能量就被耗散掉。

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图1-4 能量转换示意图

Cook等[125]提出了采矿过程中的能量平衡循环图,如图1-5所示。

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图1-5 采矿过程中的能量平衡循环图

对于能量输入的各种途径来说,重力势能是占主导地位的,能量以弹性能的形式被储存在岩体与支护中。岩体发生塑性变形和破裂时,能量发生耗散。没有耗散掉的能量则以动能的形式释放掉。Salamon[126]针对由于采矿引起的能量变化,提出了严格的计算方法。Itasca咨询公司[127]则将能量的计算嵌入到UDEC程序中,这样,复杂的采矿行为引起的能量计算就可以实现了。

Vardoulakis等[128]将由于开挖引起的岩壁表面平行裂纹作为一种分叉现象进行了研究。他们采用了可以考虑颗粒旋转的Cosserat连续介质理论。Vardoulakis[129]将岩爆作为一种表面不稳定现象来研究。Vardoulakis等[128]以及Vardoulakis等[130]认为可以将钻孔不稳定问题看作为在刚-塑性材料中剪切带的分叉情况来研究,可以预测发生不稳定的临界值。由此得到的结果与试验观察到的结果吻合很好,也证明了钻孔不稳定问题的分叉方法是正确的。

Zheng等[131]]指出在围岩当中的薄板具有无穷大刚度。Jaeger等[132]也在处于静水压力条件下的环状开挖面中观察到了类似的现象。

Bazant等[133]研究了断裂能释放和钻孔中发生岩爆的尺寸效应。Kaiser等[61]研究了开挖面的岩体发生脆性膨胀破坏事的应变突变。

Zheng等[131]研究了洞室岩爆的现象,并指出对于洞壁附近的薄板岩层来说,开挖引起的洞室响应可以用刚度来进行分类。对于非常薄的岩板,所释放的总的能量等于储存的应变能及非常少量的动能。而对于厚一点的岩板来说,则释放出大量的动能。

Rashid等[134]对韧性材料也提出了一种考虑能量耗散的力学模型但未做工程应用分析。

从目前国内外能量方法的研究现状来看,大多数研究工作集中在对地下工程开挖可能引发岩爆的预测上。虽然也有学者研究了洞壁围岩的裂纹扩展现象,但是仅局限于圆形开挖面,对于实际工程中经常出现的直立边墙处的劈裂裂缝的研究,则很少有人涉足。另外,对于高地应力作用下的裂纹扩展研究也是鲜见报道。

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