岩爆发生机理探讨与分析

第 37 卷 第 10 期
·64· 2 0 1 1 年 4 月
山西建筑
SHANXI ARCHITECTURE
Vol． 37 No． 10 Apr． 2011
文章编号: 1009-6825( 2011) 10-0064-02
CFG 桩复合地基在潞安树脂公司项目中的应用
李瑞斯
摘 要: 对 CFG 桩复合地基处理技术在潞安树脂公司项目中的应用进行了介绍，分别阐述了施工方案，相关参数设计及
正如文献［1］所指出近几十年来，国内外很多专家、学者在岩 爆形成机理、预测预报等方面做了大量研究。有的学者认为岩爆 是剪破裂; 也有的学者根据自己的观察和试验结果得出张破裂的 结论; 还有一种观点把产生岩爆的岩体破坏过程分为劈裂成板 条→ 剪( 切) 断成块 → 块片弹射三个阶段式破坏［2，3］。E · Hoek ( 霍克) 认为岩爆是高地应力区洞室围岩剪切破坏作用的产物。 Mastin 和 Haimson 通过有圆孔的砂岩岩板进行单向压缩模拟试 验，砂岩板发生孔 壁 崩 落 现 象，他 们 得 出 这 一 现 象 是 由 于 孔 壁 应 力集中破坏所引起，系张性破坏。我国专家杨淑清教授通过对天 生桥引水隧洞岩爆机制物理模拟试验［4］，总结出岩爆造成围岩劈 裂破坏和剪切破坏的两种机制。劈裂破坏属脆性断裂，而剪破坏 是岩石应力达到峰值强度状态的破坏; 前者形成的破裂面与洞壁 平行，后 者 则 相 交。谭 以 安 博 士 认 为 岩 爆 为 一 个 渐 进 破 坏 过 程［3］。王兰生教授在二郎山隧道岩爆研究基础上，认为岩爆机理 的基本表现形式是压致拉裂、压致剪切拉裂和弯曲鼓折［5］。王青 海教授等按岩爆 形 成 的 力 学 表 现 形 式，将 岩 爆 分 为 劈 裂 破 坏 型、 剪切破坏型和弯折内鼓型三种形式［6，7］。
由于地下开挖，使 洞 室 周 围 的 岩 体 失 去 了 原 有 的 支 撑，破 坏 了原来的受力平 衡 状 态，从 而 引 起 一 定 区 域 内 围 岩 应 力、应 变 和 能量的调整，即应 力 重 分 布 阶 段，因 此 在 这 个 过 程 中 围 岩 区 域 的 环境刚度发生了 变 化，造 成 局 部 应 力 发 生 集 中，在 这 个 集 中 的 区 域，围岩所承受的差应力迅速增大，见图 1。当这个变化造成的差 应力超过岩体的 承 载 能 力 时，围 压 将 发 生 变 形 失 稳，如 果 这 个 变 形失稳发生在短 暂 的 时 间 内，应 变 速 率 很 大 时，就 容 易 发 生 围 岩 系统能量的急剧 释 放，即 发 生 岩 爆 现 象。与 试 验 过 程 不 同 的 是， 对每次试验中岩石是在始终存在围压情况下，即环境刚度不发生 变化，而在实际的 开 挖 中，应 力 的 重 分 布 和 环 境 刚 度 的 变 化 几 乎 是同步进行的，因此试验中逐次释放的能量很可能在实际开挖中 是一次比较彻底释放的。
［1］ 关成立，侯克鹏． 岩爆研究现状［J］． 云南冶金，2006，35( 1) :
［J］． 中南大学学报，2005，36( 2) : 311-316．
12-15．
［8］ 程海旭，吴开统，张 流． 固体围压下完整花岗岩的粘滑现
［2］ 郭 志． 实用岩体力学［M］． 北京: 地质出版社，1996: 190-
3 结语
由于人类开挖地下洞室的活动改变了地下岩体的赋存空间， 也改变了围岩的“环境刚度”，本文根据不同围压下和不同应变速 率下的岩石破坏试验分析了岩爆发生的内在机制。应变率是影响
收稿日期: 2010-12-01 作者简介: 张东奎( 1968- ) ，男，工程师，国家级注册岩土工程师，河北省衡水市水利科学研究院，河北 衡水 053000
目前有关岩爆的研究，主要通过室内单轴压缩试验或者三轴 试验，如郭志等获得了大量的试验数据并进了数据分析。另一种 研究岩爆的方式 就 是 数 值 模 拟，建 立 适 当 模 型，通 过 数 值 分 析 软 件进行预测分析。需要着重指出的是，诱发岩爆的因素主要是人 类活动开挖洞室改变了地下岩体的赋存空间，而这个改变了的赋 存空间又与周围围岩相互作用。单轴压缩和液体传压介质的压 机模拟岩爆过程都不十分理想。因为地下岩石受周围可变形岩 体的围限，处于强约束状态之中，沿最大主应力方向( 轴压方向) 并非理想的刚性加载系统，沿最小主应力方向( 围压方向) 亦并非 流动性极强、刚度 极 低 的 液 体 或 气 体。固 体 围 压 介 质 的 应 用，进 一步揭示了围压系统刚度对岩石失稳形式和应力降的影响，从而 反映轴压系统和围压系统的刚度效应，比较全面地反映了地球内 部的强约束环境。在岩石压缩试验中岩样的失稳形式一般有三 种: 突发失稳、准突发失稳、渐进失稳。突发失稳对应岩爆试件; 准突发失稳对应岩石的加速蠕滑; 渐进失稳对应岩石破坏中的蠕 变。一般说来岩石 的 破 裂 面 的 不 均 匀 性、围 压、应 变 速 率 等 影 响 是岩石破坏的主要因素。
除整个粉质粘土层的欠固结性和非自重湿陷性。2) 地基承载力 不小于 150 kPa。3) 土体压缩模量不小于 6 MPa。4) 有效加固深 度不小于 5 m。
4 CFG 复合地基的设计
世近期的耕土和早期冲洪积成的粉土、粉质粘土及晚更新世冲洪
考虑现场构 筑 物 多 为 混 凝 土 框 架 结 构，基 础 类 型 为 条 形 基
有关。真正诱发岩爆的直接因素就是由于地下洞室开挖引起的
力大学学报，1993，26( 2) : 160-166．
应力重分布造成局部应力集中。这个集中区域就是发生岩爆的 ［5］ 王兰生，徐 进，李天斌，等． 二郎山公路隧道岩爆及烈度分
薄弱区域，当局部 区 域 的 岩 石 的 承 受 能 力 超 过 其 承 载 能 力，就 会
级［J］． 西南公路，1998( 4) : 22-26．
发生突发的应力降，即发生了岩爆。本文试图用应力摩尔圆给出 ［6］ 王青海，李晓红． 地下工程中岩爆灾害的成因及防治措施
了关于岩爆发生机制的解释。
பைடு நூலகம்
［J］． 重庆大学，2003，26( 7) : 116-119．
参考文献:
［7］ 左字军，李夕兵，赵国彦． 洞室层裂屈曲 岩 爆 的 突 变 模 型
制，并分析了岩爆的成因机制和诱发条件，以期促进该领域内相关研究。
关键词: 岩爆，诱导因素，压缩试验，应变率
中图分类号: TU452
文献标识码: A
1 概述
岩爆是在高地应力条件下，地下工程开挖工程中硬脆性围岩 因开挖卸载导致应力分异，从而使储存于岩体中的弹性应变能突 然释放，产生爆裂、松 脱、剥 落、弹 射 甚 至 抛 掷 现 象 的 一 种 动 力 失 稳地质灾害。它直接威胁施工人员、设备的安全，影响工程进度。 岩爆成为世界性的地下工程难题之一。
CFG 复合地基的设计参数: 桩径: 取一般经验值 D = 400 mm。 桩距: 考虑到现场土质为填矸、粉质粘土，基础桩按矩形布置 s1 = 1． 2 m; s2 = 1． 6 m。 桩长: 根据场地地层结构特点，以桩长适中、桩端取较好土层
櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅
质量控制要点，并分析了施工中常见质量问题的原因，为今后同类工程项目提供了一定指导。
关键词: CFG 桩，复合地基，施工工艺，质量问题
中图分类号: TU472． 32
文献标识码: B
0 引言
随着建筑工程的飞速发展，长螺旋钻孔灌注 CFG 桩复合地基 由于充分利用桩间土和桩的特有优势和相对低廉的工程造价得 到了越来越广泛 的 应 用。特 别 是 在 粉 土、粘 土、粉 质 粘 土 等 软 地
第 37 卷 第 10 期 2011 年4 月
山西建筑
SHANXI ARCHITECTURE
Vol． 37 No． 10
Apr． 2011
·63·
文章编号: 1009-6825( 2011) 10-0063-02
岩爆发生机理探讨与分析
张东奎
摘 要: 对目前国内外关于岩爆形成机理的研究现状进行了介绍，从岩石摩尔圆的破坏机理上揭示了岩爆发生的内在机
载的特性，大大提高了软地基基础的承载能力。
地下水位较高，故场地范围内采用强夯处理，处理目的: 1) 彻底消
1 工程概况
山西潞安 20 万 t / 年聚氯乙烯 20 万 t / 年离子膜烧碱项目，位 于山西省长治市屯留县工业园区，占地面积 360 000 m2 。该项目 所处地貌单元属长治盆地西部平原区，地基土主要由第四纪全新
象的试验研究［J］． 中国地震，1993，9( 3) : 211-222．
Inquiry and analysis on the rock burst occurring mechanism
ZHANG Dong-kui Abstract: With an description on the research status of current domestic rock burst mechanism，it demonstrates the internal rock burst mechanism from the damage mechanism of rock Mohr’s circle，and analyzes the rock burst mechanism and initiation conditions，with a view to promote the relevant study in this field． Key words: rock burst，initiation condition，compaction test，strain rate
岩石能否产生岩爆的关键因素。应变率越大发生岩爆的几率越
200．
大，岩爆发生时释放的能量越大，每种岩石都有一个发生突发失 ［3］ 谭以安． 岩爆形成机理研究［J］． 水文地质与工程地质，1989
稳的临界应变速率。岩爆发生的时间与应变率之间的关系不是
( 1) : 3-38．
线性变化的，这与岩石介质物性及破裂面几何形状的非线性分布 ［4］ 杨淑清． 隧洞岩爆机制物理模型试验研究［J］． 武汉水利电
926． 48 m 之间。拟建场地抗震设防烈度为 6 度，场地为不液化场 地。处理后复合地基承载力要求: 复合地基承载力特征值 fak ≥ 220 kPa。基础变形控制: 最大沉降值不大于 60 mm。
3 强夯处理
基处理上，CFG 桩复合地基充分发挥了 CFG 桩及桩间土体共同承
针对项目场地地 质 情 况 多 为 粉 质 粘 土，部 分 场 地 地 势 低 洼，
积成因的粉质粘土、砂土构成。
础，故取 303 变电所数据为代表性数据。
2 场地地质条件及设计要求
项目场地，地基土主要由第四纪全新世近期的耕土和早期冲 洪积成的粉土、粉 质 粘 土 及 晚 更 新 世 冲 洪 积 成 因 的 粉 质 粘 土、砂 土构成。场地土类型为中软场地土，建筑场地类别为Ⅲ类。场地 地下水埋藏于地表下 0． 1 m ～ 8 m，相当于绝对标高 921． 96 m ～
本文从岩石摩尔圆的破坏机理上揭示岩爆发生的内在机制， 分析了岩爆的成因机制和诱发条件。
2 岩石破裂行为
导致岩爆发生的原因很多，其主要是诱导因素在岩体中开挖 洞室，改变了岩体 赋 存 的 空 间 环 境，为 岩 体 产 生 岩 爆 提 供 了 释 放 能量的空间条件。地下开挖岩体或其他机械扰动改变了岩体的 初始应力场，引起 挖 空 区 周 围 的 岩 体 应 力 重 新 分 布 和 应 力 集 中， 围岩应力超过了岩石的抗压强度，为岩体产生岩爆必不可少的能 量积累动力条件。岩体能否产生岩爆还与岩体积累和释放弹性 变形能的时间有关系。当岩体自身的条件相同，围岩应力集中速 度越快，积累弹性变形能越多，瞬间释放的弹性变形能也越多，岩 体产生岩爆程度越强烈。实验表明，应变率是影响岩石破坏的关 键因素［8］。应变率越大发生岩爆的几率越大，岩爆发生时释放的 能量越大，每种岩石都有一个发生突发失稳的临界应变速率。岩 爆发生的时间与应变率之间的关系不是线性变化的，这与岩石介 质物性及破裂面几何形状的非线性分布有关。