基于ABAQUS的岩爆形成机理研究

基于ABAQUS的岩爆形成机理研究

刘宇亭,唐益群,王建秀,杨󰀁坪

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(1󰀁同济大学岩土及地下工程教育部重点实验室,上海󰀁200092;2󰀁同济大学地下建筑与工程系,上海󰀁200092)

本文对岩爆进行了分类,从建立岩石材料的损伤本构模型出发,结合断裂力学的有关概念给出了岩石破坏发生的判别准则,从而系统地解释了岩爆的形成机制。结合圆形洞室围岩应力分布,对具体的工

程实例运用ABAQUS进行数值模拟,分析了发生岩爆的地下洞室围岩的应力状态及相应的灾变位置。

岩爆是处于高应力状态下的脆性岩石,因弹性变形能突然释放而产生的岩石碎化、弹射、发声甚至地震等破坏现象。它作为地下洞室开挖过程中发生的一种地质灾害,具有突发性强,缺少明显的前兆等特点。轻微的岩爆会造成岩石的片状剥落、冒顶;强烈的岩爆可将数以吨计的岩块和岩片猛烈抛出,迅速释放大量能量,并伴有剧烈的声响和气浪,严重威胁着工作人员和施工设备的安全。自1738年英国南斯塔福煤矿发生第一次岩爆以来,相继在南非、波兰、美国、日本等18个国家发生了岩爆灾害。我国在采矿、水电工程及铁路隧洞工程中也发生了严重的岩爆灾害,造成了人员伤亡和财产损失。岩爆所经历的物理过程是一个由微观断裂到突发的宏观尺度断裂过程。对岩体而言,区别于其它材料的一个显著特征是岩体内存在大量随机分布的裂隙或缺陷,即使整体性较好的所谓完整岩体也毫不例外。初始裂纹将以稳定的方式朝压缩方向产生分叉。随着载荷增加,裂纹长度将相应增长。当裂纹增长时,自由表面对裂纹扩展具有重要影响。在裂纹达到一定长度后,自由表面的存在导致裂纹非稳定扩展,从而使裂纹长度突然增长并使岩体形成薄层。对岩爆现象的分析发现,许多岩体工程中岩爆往往发生在具有一定大小和数量的节理的地方,而无节理或节理很发育的岩体均不会或极少发生岩爆。在Dyskin和Germanov󰀂ich的基础上,李广平对岩爆作了有益的探讨。彭祝等应用断裂力学的Griffith强度理论提出了岩爆的判别准则。谭以安为岩爆板状破坏机理作了定性的描述。SinghSP等从能量储存和释放的角度进行了分析,强调岩石本身的力学性质是岩爆发生的重要因素。王敏强和侯发亮考虑到了岩爆机理的板梁失稳力学模型。冯涛等人利用扫描电镜试验分析,对因岩爆而形成岩石板状结构进行了研究。LeetLD等从动力学入手,深入研究了爆破和岩爆之间的关系。本文将利用岩石损伤理论利用ABAQUS进行数值模拟,并结合细观理论对模拟结果进行分析,阐释岩爆的破坏机理。