基于断裂力学及随机有限元的隧道岩爆风险分析.pdfVIP

第28卷 第6期 长 江 科 学 院 院 报 Vol_28 No．6 2011年 6月 JournalofYangtzeRiverScientificResearchInstitute Jun．2 0 1 1 文章编号：1001—5485(2011)06—0059—04 基于断裂力学及随机有限元的隧道岩爆风险分析 赵延喜。李 浩 (江苏省交通规划设计院有限公司，南京 210005) 摘要 ：国内外大多数的岩爆预测方法中，都是利用应力强度比进行岩爆预测 ，该理论未考虑工程中存在的大量不确 定性。基于此 ，提出了岩爆发生的断裂力学模型，即认为岩爆是由平行于 自由表面的裂纹扩展造成的，在外荷载作 用下 ，这些微小张性裂纹发生断裂 ，逐渐扩展 、相互连接，当达到一定程度后，形成一定形状的肉眼可见的宏观裂 纹，最终导致岩石破坏。以岩爆的层裂板模型为基础 ，运用可靠度原理及随机有限元方法 ，建立了岩爆发生的概率 风险模型。工程实例计算表明，基于断裂力学及随机有限元的岩爆分析模型，可以较好地反映工程实际，为类似工 程提供参考。 关 键 词：岩爆；深埋隧道；断裂力学 ；随机有限元 中图分类号：U458．3 文献标识码：A 在隧道开挖过程 中，岩爆是常见的一种围岩破 ¨ ＼ ¨{ 、¨ { ＼¨} 坏形式。一般认为围岩切向应力 达到或接近岩 石单轴抗压强度or时发生岩爆，但岩爆的工程实录 ＼ 、 、 ， ， ／ 丁 表明，大多数岩爆发生时 小于 。从国内外的 )氯 岩爆预测方法 一 来看，所采用的岩爆分级指标也 ¨ ／{¨ ／¨I ，}f} 都是 远小于 ，因此需重新对岩爆机理进行分 (b) (c) (d) 析，基于此提出了岩爆机理的断裂力学模型。由于 图1 岩爆破坏过程示意图 工程中存在大量不确定性，现有岩爆预测模型并未 Fig．1 Theprocessofrockburst 考虑参数的随机性，由此结合可靠度及随机有限元 开裂条件，应力强度因子大于断裂韧度时，即K，≥ 方法，建立了岩爆预测的概率风险模型。 K 时，翼裂纹将沿最大压应力方向比较稳定地开始 扩展，如图1(b)；随着荷载的继续增大，由于裂纹间 的相互作用，翼裂纹的扩展将不再稳定，裂纹发生相 1 岩爆发生的断裂力学分析 互连接而形成更长的裂纹，如图1(C)；当裂纹继续 实际上围岩中存在许多微小张性裂纹，在外荷 失稳扩展并且相互连接 ，最后会形成一个 比较长的 载作用下，这些微小张性裂纹发生断裂，并且逐渐扩 薄片状岩层，在高地应力下，会出现较剧烈的岩爆现 展、相互连接。当达到一定程度后，会形成一定形状 象，如图1(d)。这一过程即为基于层裂板模型的岩 的肉眼可见的宏观裂纹，最终导致岩石破坏。如果 爆发生机理。根据岩爆发生的层裂板模型，可以看 积聚的能量较大，则会 以弹射的方式出现，就是岩 出，最后形成的薄片状岩层符合薄板的受力特点，因 爆 。岩爆典型的力学模型为层裂板模型，该模型由 此采用弹性力