地下洞群稳定性的能量法分析

通过前面几章的内容，我们从试验现象以及理论分析研究方面对脆性岩石中出现的劈裂裂缝有了较为深入的认识。本章将利用数值分析软件，对前面所得到的理论结果进行验证，并且利用数值试验结果对前述的物理试验做有益的补充和解释。

苏国韶等^[169]研究发现岩石的失稳破坏就是岩石中能量突然释放的结果。岩石内部储存的弹性能释放后，引起岩石的失稳破坏，在工程中往往体现为岩石的灾变破坏，如剥落、塌方、岩爆等。在高地应力下的地下工程开挖过程中，硬脆性岩体能量急剧释放的现象表现的更加突出。目前，我国水电领域大型地下工程发生的岩爆多为应变型岩爆，在开挖面附近的岩体应力超过岩体强度时产生的岩爆，可以是“自励”的，也可以是“远距离诱发式”的。“自励”是指岩体在由三向受力状态突然变为单向或双向受力时，岩体强度迅速降低，岩体储存的弹性应变能超过岩体的极限储存能，从而导致岩体存储的能量迅速释放。释放的能量除能维持岩体继续破坏外，还可能有多余的能量使破碎的岩体产生动能。目前定量探讨大规模岩体存储的能量在峰后耗散能量规律暂时还比较困难，本书也未考虑峰后行为，只是研究峰前的失稳临界状态的能量变化。“远距离诱发式”是指在远处微震事件的应力波的激发下，使处于较高的应力状态并且接近极限平衡状态局部的围岩获得动能而产生不稳定破坏。本书所研究的劈裂裂缝的形式机理应该跟岩石的这种“自励”行为有关。

作为地下洞室的岩石开挖系统（围岩系统和洞室开挖系统），属于开放系统。开挖系统的外部环境可分为自然环境和人为环境。由于自然因素的影响，开挖系统和自然环境中存在着热量的交换和质量的交换。人类的开挖过程行为，也会打破其原有的平衡，与开挖系统之间也存在着能量和质量的交换。因此，从热力学体系的划分上，可将岩石开挖系统作为开放系统研究，任何能量从本质上讲，从对外做功的能力角度可分为可利用能量和不可利用能量。可利用能量转变为不可利用能量的过程是能量耗散的过程。在整体岩体开挖系统未受人工扰动情况下，围岩系统和洞室开挖系统就受到了外界的扰动，其内部的物理力学参量要进行相应的调整，而这种调整过程必定造成能量耗散。(www.xing528.com)

地下洞室的围岩在开挖前处于三维应力状态，在各向应力作用下维持平衡。开挖之后，岩体中存在加载和卸载区，在这些区域中岩体处于弹性状态，这时系统内部没有宏观不可逆过程，处于均匀的变形状态，这也是一种平衡态。耗散结构理论指出：处于平衡态的系统一般具有空间均匀的结构，即无序结构。岩体单元通过开放的系统和外界发生能量交换，岩体单元内造成应力积累。而积累达到一定程度后又对外界制约、反馈。在这个过程中，可能有的岩体单元应力积累较大，处于破裂发展阶段，其应力超过弹性后，岩体进入塑性变形阶段，围岩内微破裂开始出现，且随着应力差的增大而发展，当应力保持不变时，破裂也就会停止发展。此时，有不可逆变形产生，但仅处于开始阶段。系统是一个宏观上不随时间变化的恒定状态，这是一种近平衡状态，它不会改变系统原来的空间均匀性，任何新的结构和状态都不可能产生。处于加载区的岩体，应力集中效应显著增加，岩体的破裂区局部出现，并且不断累积发展，开始从无序状态向有序状态发展。系统此时离平衡状态较远，一方面从外界吸收能量，另一方面又因微破裂发展释放能量，系统的宏观状态也将随时间变化，如变形速率增大，破裂岩体发生膨胀，这是一种距离平衡状态较远的非平衡状态。远离平衡状态仅仅是产生不稳定性的一个必要条件而非充分条件。在此阶段，如果破裂面继续发展，变形急剧增大，系统不能保持稳定的平衡状态。当演化至岩体失稳的临界点时，结构失稳，系统趋于有序，耗散结构形成。围岩因为加卸载造成的应力重分布就是在围岩中发生物理、力学效应的过程。当应力重分布达到一定程度后，就会产生要损耗能量的运动形式，如岩石的塑性变形损耗的塑性能、岩石受拉断裂破坏损耗能。