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1、岩石脆性计算方法和其对隧道掘进开挖影响 摘要：岩石的脆性对岩石的钻探和开挖有很大的影响，因此它对岩石隧道掘进机（TBM）的施工也有一定的影响，虽然对岩石脆性的研究从很早就开始了，但目前国际上并未形成岩石脆性的定义的统一标准，关于岩石脆性的测量方法也有多种，本文研究总结了前人对脆性的定义和计算方法，并分析各种方法的优缺点和适用范围。文章最后分析总结了岩石的脆性对岩石隧道掘进机（TBM）施工的影响，对TBM的实际施具有一定的指导作用。关键词：脆性；TBM；计算方法中图分类号：U45文献标识码：A文章编号：引言上世纪七、八十年代以来，全断面岩石掘进
2、机（tunnelboringmachine）得到了空前发展，被越来越广泛应用于各国的地铁、铁路、公路、市政、水电隧道等工程建设之中[[[]于跃.盘刀破岩机理的细观数值模拟研究[D].大连:大连理工大学,2010:81.]]。TBM施工能否成功应用受地质条件的影响很大，岩石的脆性正是地质条件的一种表现，它对TBM的掘进施工有很大的影响，尽管众多学者对岩石的脆性进行了大量的研究，提出了多种岩石脆性的计算及测量方法，但目前还没有形成其统一的标准。本文总结了之前学者对岩石脆性的定义和计算方法，分析了各计算方法的优缺点，最后分析了岩石脆性对TBM施工的影
3、响，得到了一些有益的结论。岩石脆性的定义及其计算方法岩石脆性的定义脆性是岩石的一项基本力学性质，理解岩石的脆性对实际的岩石力学项目、地下结构和核废料储存库的施工建设都是至关重要的，但是目前在工程岩石力学界并没有对岩石的脆性形成一致的描述和测量方法[[[]SaffetYagiz.Assessmentofbrittlenessusingrockstrengthanddensitywithpunchpenetrationtest[J].TunnellingandUndergroundSpaceTechnology,2009(24):66–74.]]。
4、研究人员出于不同的研究目的对岩石的脆性做出了不同的定义。Hetenyi（1966）定义岩石的脆性为低延展性；Ramsey（1967）认为当岩石内部凝聚力的破坏时，岩石便表现出了其脆性；Obert和Duvall（1967）对岩石的脆性定义如下：当岩石达到或稍微超出其屈服应力时就会发生断裂破坏的性质，脆性被定义为材料在发生破坏时表现出的极小的或者无塑性流动的性质[[[]OlgayYarali1&ErenSoyer.Theeffectofmechanicalrockpropertiesandbrittlenessondrillability[J].S
5、cientific8ResearchandEssays,2011,6(5):1077-1088.]]。HuckaandDas（1974）指出，虽然岩石脆性的概念尚没有精确的定义，但对于较高脆性的岩石，会观察到其具有以下一些特性：低延伸性，断裂失效，在压力作用下会形成岩石粉末，抗压强度与抗拉强度的比值较高，高弹性，较大的内磨擦角和在被侵入时会形成较多的裂缝；George（1995）认为岩石的脆性是岩石材料的这样的一种能力：在岩石发生持续形变的过程中，不会出现由于施加的应力超过使岩石产生微裂缝的必要应力而引起的永久变形。有关岩石脆性的一般规律是：脆
6、性较大的岩石在极小的变形下就发生破坏。岩石脆性的几种计算（测量）方法及对比由于岩石脆性的定义只是描述了岩石在具体应力条件下变形和破坏的性质，所以至今还没有一个测量岩石的脆性的标准。目前有五种常用的测量岩石脆性的方法（岩石的脆性值可以通过应变、应变能、岩石内磨擦角、抗拉和抗压强度或者专门的试验得到）。（1）基于应变计算方法脆性被定义为一个基于材料发生破坏时的不可逆的线向应变（平行于）的绝对指标，*100%（George,1995）。从岩石破裂的角度来看，岩石分类如下：5%时，岩石为延性。另外一种基于应变的方法是定义脆性为：，如下图1–1所示（Hu
7、ckaandDas,1974）：8图1–1材料脆性的计算（2）基于应变能的计算方法在这种方法中，脆性定义为：，如图5-1所示（(HuckaandDas,1974;Vihtuk,1998）。（3）基于摩尔包络线的方法脆性可以由摩尔包络线在时确定，此时（HuckaandDas,1974），其中是岩石的内摩擦角。（4）基于强度比的方法有以下三个公式：（HuckaandDas,1974;Kahraman,2002;Altindag,2002）；（HuckaandDas,1974;Kahraman,2002）；（Altindag,2002）。式中是单轴抗
8、压强度，是巴西抗拉强度。（5）基于专门试验的计算方法脆性值也可以由专门的试验来取得。（Protodyakonov,1963），是Protodyakon
