单位文秘网 2021-07-22 08:09:10 点击: 次
摘 要:爆破以及地震动荷载作用下诱发的边坡崩塌、基岩损伤、地下工程破坏是常见的工程灾害。研究动荷载作用下岩体的响应.提出稳定性分析方法和控制手段是工程界迫切需要解决的问题,也是岩石动力学研究的主要内容。简要介绍了上述研究内容中的几个相关研究课题的现状,旨在为相关的工作提供参考。
关键词:岩石力学;动荷载;岩体工程安全;概述
爆破和地震是工程中常见的动荷载形式,这两类动荷载在岩体中传播,对岩体中的洞室、边坡以及基岩等造成一定程度的灾害,威胁工程的安全。研究动荷载作用下的岩体响应.提出稳定性分析方法和控制手段是工程界迫切需要解决的问题,也一直是岩石动力学研究的主要内容之一。动荷载作用下岩体的响应及工程安全研究主要包括:动荷载作用下岩石和节理的力学特性,动荷载作用下应力波在节理岩体中传播规律.地震和爆炸动荷载作用下岩体边坡的安全,地震动荷载作用下岩体地下工程的安全.爆炸荷载作用下基岩安全等几个方面的研究工作。
1 动荷载作用下岩石力学特性的研究
岩石材料在动荷载作用下的力学特性包括岩石的动态抗压、抗拉、抗剪强度和变形特性以及岩石的动态断裂特征,是研究动荷载在岩体中传递以及岩体结构在动荷载作用下的响应的重要参数。针对这些问题.从20世纪60年代开始,国内外研究人员通过室内实验及理论分析等进行了较为广泛的研究。例加文[1-4]对岩石材料进行的动态压缩实验结果表明.岩石材料抗压强度普遍地随着应变速率的增加而增加,同时强度的增加幅度随岩石材料的类型、应变速率范围以及围压范围的变化而变化。类似地,文[5~81进行的实验研究结果也表明岩石材料的抗拉、抗剪强度及断裂韧度均随着应变,力口载速率的增加呈现增加的趋势。基于上述的实验研究,人们也对岩石材料在动荷载作用下,特别是在动态压缩荷载作用下的力学机理进行了研究p“”。岩石是一种较典型的非均质材料.普遍包含着不同尺度的缺陷。在压缩荷载作用下.微裂纹将在这些缺陷的周围产生并且扩展和聚合.导致岩石材料的破坏。裂纹的扩展、聚合与岩石材料的宏观力学行为有较密切的关系。基于这些认识,结合断裂力学、细观力学、损伤力学的相关理论,一些裂纹模型被应用于研究岩石材料在压缩荷载作用下的强度以及变形特性。在这些模型中,滑移型裂纹模型得到了展广泛的应用。结合动态断裂准则以及裂纹扩展过程中的能量平衡原理,近年来,这一模型被用来研究岩石材料在动荷载作用下的力学特性,如文[12,13]的工作。文[12,13]的研究结果表明.应用滑移形裂纹模型得到的不同应变速率和围压下的花岗岩强度以及应力.应变关系与实验结果吻合较好。这些研究结果还初步揭示了岩石材料应变速率相关特性的机理。值得指出的是.上述基于裂纹扩展和聚合特征分析岩石类脆性材料在压缩荷载作用下力学特征的研究方法。较合理地反应了岩石类脆性材料的力学特性.架起了岩石材料细观和宏观力学特性之间的桥梁.为岩石材料动态力学特性机理研究以及应用研究提供了一种可行的方法,这已成为目前岩石类脆性材料力学特性研究的热点方向。可以预见的是,借鉴这种思路,针对动态拉伸、剪切荷载作用下岩石的力学特征,可进行类似的研究工作。
2 地震荷载作用下边坡安全研究
地震作用诱发的边坡滑动和坍塌是常见的灾害之一。特别是在山区和丘陵地带,地震诱发的滑坡往往分布广、数量多、危害大。例如,1994年发生在美国Northridge M6.5级地震,触发了面积超过10000 km2的11000处滑坡,经济损失高达300亿美元”。1973年发生于四JI r譬i"炉霍境内的7.9级地震,诱发各种规模滑坡137处(西藏“三江”地区就有数10处),滑坡面积达90 km2,死亡人数2175人Ⅲ1。一般认为,地震荷载对岩体边坡稳定性影响的主要是由于地震惯性力导致边坡整体下滑力加大,降低了边坡的安全系数。边坡的破坏模式、分布、规模等取决于地震能量以及边坡的几何和物理特征。根据这一认识,在过去的几十年中,国内外研究人员针对地震荷载作用下边坡安全进行了大量的研究工作。例如文[16~19]根据地震滑坡统计数据分析了地震滑坡数量、影响面积与地质构造、气候情况、震中距与震级等之间的关系。文【18.191初步建立了评价地震滑坡危险性的综合指数法(综合指数包括坡高系数、岩性条件、坡角影响、地震强度以及降水系数)。与此同时.应用拟静力的极限平衡法、Newmark法以及有限元和离散元模拟,国内外研究人员也对地震荷载作用下边坡的响应以及稳定性分析方面做了一些研究,如文[20~221的工作。由于永久位移标准更准确地反映了地震荷载作用下边坡的响应,同时避免了复杂的数值模拟分析工作,Newmark法较广泛地应用于研究地震荷载作用下边坡安全评价,如文E23~27]的工作。然而,值得指出的是.Newmark法实际上是一个很粗略的计算方法,在分析边坡永久位移时未考虑岩体自身的变形、地震动荷载作用下岩体动态强度以及变形特性与静态特性之间的差异。同时,Newmark方法计算的永久位移实际上是一个平均位移概念,不能反映具有复杂滑动面的节理岩体边坡在地震荷载作用下各点的位移分布情况。另外,也未给出地震荷载作用下边坡瞬时稳定性系数.给实际工程应用中进行评价地震荷载作用下的稳定性造成不便。因此.应用Newmark法提出的永久位移概念,结合数值模拟(如FLAC,IJDEC。3DEC,DDA等),考虑地震荷载的峰值和时程特征,分析地震荷载作用下岩体边坡的稳定性系数以及永久位移。并以上述两个参量评价地震荷载作用下边坡的稳定性,分析动态稳定性系数和永久位移同地震荷载、边坡的几何和物理特性之问的定量关系应该是本课题的研究方向。
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