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分区破裂化研究现状和一些思考 8!e1T,:b
本次沙龙活动没有权威，没有领导，作为牵头的科学人员，我先发言，提供以下的一些观点供大家讨论。我在研究分区破裂化现象过程中与南京解放军理工大学、山东大学等单位的人员共同进行了一些具体工作。 =l&A9 >\
第一，通过南非和俄罗斯矿山的实测数据，以及我们自己在中国实测的淮南煤矿深部巷道（700多米）、锦屏水电站二级辅助洞巷道现场的实测数据显示，我表明我的观点：在深部的巷道、围岩里确实存在分区破裂化的现象。 9r@T"$V#c
锦屏水电站辅助洞，原来实测的目标是“松动圈”，经过数据整理后，发现“松动圈”只是个笼统的概念，“松动圈”的整体中发现里面是分离的破裂区，中间隔有非破裂区，这些问题稍候可由山东大学的同志介绍。 ?R2`RvQ
第二，什么叫分区破裂化？我们与俄罗斯和南非国家对分区破裂化的理解是一致的，就是围岩里面破裂区和非破裂区交替发生的现象（破裂区——非破裂区——破裂区——非破裂区）。破裂区是破裂区裂缝相对密集的区域，非破裂区也可以称为亚破裂区，不是说里面没有一点裂纹，而是裂纹相对稀疏的区域。 ~4p@m>>
第三，分区破裂化、围岩松动圈和滑移线的分区破裂化是什么概念？哪些相同、哪些不同？相同的如刚才所讲，锦屏辅助洞原来概念叫松动圈，可能几米范围内一个松动圈，实际上发现中间是若干个破裂区和非破裂区交替发生所组成的。有可能分区破裂化这个区域是和传统的松动圈指的是一回事，但如果传统的松动圈指的是一个破裂区的话就不一样了，围岩的剪切引起滑移线；如果这个分布区是若干个滑移线分区，中间有非破裂区，像割开的状况就是一样的；如果仅是滑移线分布就不一样。这是我理解的异同点。 _VIVZ2mU=
第四，在分区破裂化的形成机理里必须重视围岩中引起张拉变形的三个作用。分区破裂化是深部高地应力区的现象，在垂直高地应力作用下，假如圆形巷道径向方向为X方向，巷道的轴向为Y方向，Z方向的高地应力，必然要引起X侧向膨胀，要考虑这个方向的张拉变形作用。同时要考虑就是轴线方向（Y方向）水平地应力所引起的X方向径向的张拉作用。第三个径向张拉怎样引起的呢？是由于开挖面和围岩深部高的应力差，引起的径向向巷道方向的动力变形、动力位移，引起的一个方向的张拉变形，三个变形都做出了贡献，要特别重视第三个动力作用，这是区别浅部和深部的重要原因。浅部应力低，所以这个应力驱动很小，它的动力作用可忽略不计，岩石深部的地应力高，应力梯度大，产生的径向加速度就大，径向的位移就大，这个动力作用就不能忽略。俄罗斯专家多年前曾指出：Y方向即水平轴线方向的应力有重要的作用。国内一些实验也证明了这点。但不能得出来Y方向一定要最大，在我们计算里面，地应力在不同地区这两个比值是不一样的，有的是垂直地应力大，有的是水平地应力大。水平地应力和垂直地应力的关系在大部分情况下是0.8-1.2，也就是1上下。不能说地应力永远水平大，在一些有关地应力方面的著作里面可以看到有4-5的比值情况。 ?V|t7^+:
第五，我们如果做分区破裂化模拟实验，必须先加载后开洞，以前俄罗斯研究总院出版的有关深部岩石模拟著作里面也讲了必须“先加应力后开洞”。俄罗斯有两种开洞方法，一种是钻头，一种是加一个装置后再加载，然后卸掉装置。只有先加载后开洞，才能形成高地应力，产生动力过程，如果先挖洞后加载，不断地逐步加载和变形，加速度就不会有，不能形成高地应力卸载。就得不到分区破裂化这个现象。 k:D;C3vJd
第六，分区破裂化研究有三个阶段：第一，最早的一些的论文叫定性研究，但不系统、不全面，就是画一个点，由这个点来分析怎么变形。但是这个定性很重要，对我们仍然有启发意义。第二是在某些假设条件下的定量研究。我们国内加了一些假设，定量研究出来几个圈破裂了。目前已经进入第三个阶段，就是数值仿真和模拟阶段。是通过给定参数来进行分区破裂化仿真，模拟现场条件高地应力下破裂怎么随时间逐次发生？怎么形成破裂区、非破裂区？第三个阶段最重要，如果目前再研究第一个阶段、第二个阶段就落后了，重点要放在第三个阶段上。 ,XmTKO c
第七，数值模拟仿真的初步研究结果表明： [3":7bB 'E
（1）分区破裂化主要的条件中最关键的因素是高地应力，根据我们计算的结果，地应力大于单轴抗压强度时才产生，反之不产生，或者只产生一个塑性区，不产生多个区。 M[9]t("
（2）地应力大小是决定破裂区数量的主要因素 O/;$0`~hY
（3）水平地应力和垂直地应力大小不同，经过计算，破裂区的形状跟水平和垂直两个地应力相互大小有关，根据锦屏测出的数据发现，如果垂直的地应力小，算出来破裂区有可能不是完整的，四个角上有破裂区。我们把水平地应力加大以后，形成了水平方向的破裂区，像以前南非、俄罗斯计算出来的形状。所以这两个大小是确定这个破裂区形状的重要因素。 (bP\_F5D
（4）围岩里面是否有原生裂纹？原生裂纹就是没有挖洞以前形成的裂纹。原生裂纹是分区破裂化产生分布的重要因素。如果有原生裂纹，相对来说，小一点的地应力就可以产生了，它的形状、分布对于这个分区破裂化分布也是重要因素。 ;1`NsYI2
第八，分区破裂化是发生在峰值强度以后的应力下降段的岩石破裂。 Gx75EQ2
我们研究分区破裂化是峰值强度以后的破裂。所以，分区破裂化数值仿真必须研究岩石应力达到峰值下降后的关系，而且宏观、微观必须一致，也就是微观本构关系一定要跟宏观的应力应变曲线一致，能够反过来以细观推到宏观里出现；否则这个仿真就值得推敲，是不是真实的。比如损伤变量的本构关系应推得下降段的宏观变形模量是负的，损伤变量的关系不是定值，是应变的函数通过损伤反过来再求是不是一致。
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第九、这个观点还没有完成，我们还在继续研究，高地应力深部围岩的三个现象：挤压大变形、岩爆、分区破裂化，深部围岩里面三个问题是一个科学问题的三个现象，应当用统一的理论来解释，用统一的理论来模拟，关键是参数初始状态包括岩性不一样。 tmAc=?|Wa
这是我简单地归纳了我们研究的初步的观点和结果，供各位讨论。 |Bys SJ
什么叫动力过程？什么叫静力过程？什么叫动力加载？什么叫静力加载？在结构动力学的教材中，动荷载就是在结构或介质里面其作用引起的惯性力不能忽略不计；动力加载、静力加载区别的关键是加载速率。在实验机上加载非常慢就是静力加载，加载很快就是动力加载。加载速率有两个因素，一个是峰值大小，一个是从0增加到峰值的时间。为什么浅部的是静力，深部的是动力？因为深、浅地应力可差100倍，同样的卸载时间，就相差100倍了。所以深部的卸载就可能是动载，浅部的就是静力加载，区别是加载速率，加载的峰值和加载的时间或者卸载的时间，是加载和卸载速率的两个因素。 =1D* JU
应力波起的作用是确定介质或结构里面，参加到动力反映的这个区域。假如说桥上一个飞机掉下来，撞在中间，在研究撞击过程的时候不能按桥跨两千米全梁长来算。因为这个边界没参加反映，这个问题要用到应力波的时间。加载速率、动力过程、静力过程、应力波是跟结构和介质的频率有关系。频率对快和慢起很重要的作用。因为结构反映时间和介质反映时间都有频率、有周期，如果是刚性结构的话时间更要严格；如果是柔性结构，它的周期很长，这个反映的就小。所以深部由于地应力高，同样卸载时间，可能是动力加载。浅部就不考虑。 X2#;1 ku
另外，我担心的问题是“仿真”不“真”，我有几个学生在做这方面的实验和计算，没有出现这种现象。我们一定要考虑破坏准则，不能光考虑剪切破坏，要考虑新的强度准则，可以考虑张拉强度准则。光剪切滑移线，应力就不能释放卸载，还要考虑动力过程。 Oh9jr"Gm=
更大的问题，希望大家研究一下微分方程的类型。我们研究分区破裂化，是研究岩石的破坏，一定在峰值后下降段。下降段有什么特点？变形模量是负的，所以数值分析中它的微分方程里是椭圆形的，而在应力—应变曲线的上升段模量是正的，微分方程是双曲线型的。可以用损伤变量，但细观和宏观的一致性很重要。 G~Oj}rn
国外也在研究这个问题，在很多数值分析的文献都能看到。
