刘建军
西安市地下铁道有限责任公司运营分公司 陕西西安 710061
摘要：应用统一强度理论推导了非均匀地应力下圆形巷道开挖卸载时岩爆现象岩石的应力场。得到了强度理论参数、轴向应力参数对岩石切向应力的影响曲线，并与岩爆卸载试验结果进行了比较，符合较好。有效的验证了利用围岩应力指数，即切向应力与岩石单轴抗压强度比值进行岩爆烈度分类的正确性，对于预测岩爆提供了理论依据。
关键词：岩爆；统一强度理论；非均匀地应力；巷道
前言
地下空间开发不断走向深部，岩爆现象是深部高地应力区地下工程开采过程中常见的一种地质灾害，是目前工程建设中迫切需要解决的问题之一。岩爆主要表现为大范围的岩体突然破坏、岩片抛射并伴有不同程度的爆炸、撕裂声、围岩能量的猛烈释放，往往给施工人员、设备和地下建筑的安全带来巨大损失。目前，已有很多学者基于岩爆理论和岩爆破坏机制而提出的各种理论预测方法[1]。人们已从强度、刚度、能量稳定、断裂、损伤、分形和突变等方面对岩爆进行理论分析或数值模拟[2-3]，分析其机理并提出了各种判据。利用强度理论预测岩爆在实际工程中简便实用，如文献[5]中提出的利用硐室的最大切向应力与岩石的单轴抗压强度比值 来预测岩爆的判据。这种判据通过某一单一因素进行判定，适用于特定工程，工程适用性有限，且未考虑中间主应力对判断岩爆的影响，本文考虑了中间主应力作为岩爆的判据，对预测岩爆提供了理论依据，具有普适性。
完整岩石真三轴试验证明，岩石的破坏强度不仅与第一主应力和第三主主应力有关，而且还与第二主应力密切相关，即存在着中间主应力效应。本文利用俞茂宏提出的统一强度理论[6]，考虑中间主应力影响，引入材料统一强度参数 和 ，研究了围岩在不均匀应力场下由于开挖卸载而导致岩体破坏并伴随岩爆现象的破坏机理，推导出了计算围岩切向应力 的公式，并与文献中的岩爆试验结果进行了比较，符合较好，验证了用 进行岩爆烈度分类的正确性。本文针对不同拉压比的岩石材料，适用于非均匀地应力下围岩卸载后发生岩爆的判据。对于同种岩石材料，不同应力水平下，考虑中间主应力时，非均匀地应力下围岩卸载后发生岩爆的判据，本文理论推导更具有普适性，为岩爆的预测提供了理论依据。
1 统一强度理论
俞茂宏提出的统一强度理论[6]是以双剪理论为基础，并以此推导得出的，故称之为双剪统一强度理论。在双剪统一强度理论中采用材料压缩和拉伸两个强度参数。如采用岩土工程中常用的剪切强度参数 和正应力影响系数 （一般称为粘结力和摩擦角），则可按关系式 ， 代入，加上这两个参数的意义。即可得出用 和 表示的双剪统一强度理论，它们的数学表达式为
（1a）
（1b）
图2 和围压切向应力 关系
（1）、对于不同的岩体，采用不同的 值，弹性时 ，塑性时 ， 取值参考中华人民共和国国家标准（工程岩体分类标准（GB50218-94）附录C 岩体及结构面物理力学参数）
（2）、表2为文献[3]的岩石试样岩爆分析数据。将表2中的材料参数 （拉压比）和 （抗拉强度）代入式（5）得到围岩切向应力 和 之间的关系如图2
（a）对于不同的岩石种类，材料拉压比 ，围压切向应力 随着拉压比的增加，有增大趋势，随着b的增大，围压切向应力 也增大。
（b）对于相同的岩石种类，，围压切向应力 随着m的增加，逐渐减小，随着b的增大，围压切向应力 也增大。
3.2 本文分析结果与典型实验结果[3]的对比如表2所示。
岩爆是地下开挖脆性围岩的断裂失稳，高应力储能体的存在及高围岩应力是岩爆发生的内在条件，由于在岩体内开挖，改变了围岩的赋存环境，导致围岩内应力场重新分布，只是岩爆产生的外在因素，岩爆的发生与地应力条件、岩性、岩体的结构、岩体构造条件等有关。对于不同的岩体和地应力状态应采用不同的判据，对于表2中的典型实验结果：
表2 岩石试样岩爆分析的数据资料
4 结论
在非均匀地应力场中，圆形隧道由于开挖卸载，导致岩爆现象，预测岩爆发生，可以有效预防灾害。本文应用统一强度理论推导了围压切向应力 与强度理论参数 的关系，验证了用 进行岩爆烈度分类的正确性。对于工程中对围岩开挖过程中，引起岩爆的预测，提供了理论依据。
（1）对于不同的岩石种类，材料拉压比 ，围压切向应力 随着拉压比的增加，有增大趋势，随着 的增大，围压切向应力 也增大。
（2）对于相同的岩石种类，围压切向应力 随着m的增加，逐渐减小，随着 的增大，围压切向应力 也增大。
参考文献：
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[6]俞茂宏. 双剪理论及其应用[M]. 北京：科学出版社，1998.
[7]陈立伟，彭建兵，范文，等. 基于统一强度理论的非均匀应力场圆形巷道围岩塑性分析[J]. 煤炭学报，2007，32（1）：20-23.
作者简介：
刘建军（1983），男，甘肃庆阳人，工学硕士，从事组合结构的强度理论研究。
论文作者:刘建军
论文发表刊物:《防护工程》2018年第10期
论文发表时间:2018/9/27
标签：应力论文; 围岩论文; 强度论文; 岩石论文; 理论论文; 判据论文; 参数论文; 《防护工程》2018年第10期论文;