软岩巷道流变破坏机理与合理支护时间的确定.pdf

第5 2 卷第4 期 2000 年1 1 月 有色金属 N O N F E R R O U SM E T A L S V 0 1 ．5 2 ．N o ．4 N o v e m b e t20 0 0 软岩巷道流变破坏机理与合理支护时间的确定 王祥秋1 ，陈秋南1 ，韩斌2 1 ．湘潭工学院土木系，湘潭 4 112 0 1 ；2 ．金川I 镍钴研究设计院，金昌7 3 7 10 0 摘要根据岩石流变学原理，对软岩巷道围岩破坏机理进行定性地分析，运用B u r g e r s 流变模型引入损伤变量，对圆形 巷道粘弹性流变破坏规律进行定量的研究，提出了软岩巷道合理支护时间的确定方法。 关键词流变模型；损伤变量；软岩蠕变；支护时间 中图分类号T D 3 5 0 1文献标识码A 文章编号1 0 0 1 0 2 1 1 2 0 0 0 0 4 0 0 1 4 0 4 Y 在软弱岩层或不良岩层中开挖隧洞或巷道，因 软岩本身存在流变变形的特性，其失稳和破坏大都 与时间因素有关，隧洞与巷道开挖之后，由于地应 力的作用围岩往往会向开挖空间缓慢地移动收敛， 具体表现为【l 。2 J 隧洞侧墙逐步向内移动 如图1 所示 ，底板缓慢隆起，拱顶挤压开裂，巷道四周 向开挖空间收敛 如图2 所示 。 图1 巷道侧墙位移 F i g ．1 L a t e r a lw a l ld i s p l a c e m e n to ft u n n e l 目前软岩支护主要采用新奥法。新奥法以围岩 与支架共同作用为基础，允许围岩存在一定量的变 形，在围岩变形尚未达到离层松脱之前进行支护， 充分利用围岩自身的承载能力，虽然该法间接考虑 了围岩流变时效的影响，但由于新奥法由一系列定 性的原则组成，且由于对围岩蠕变机理认识不一， 导致人们对这些定性原则的理解有很大不同。对围 岩的合理支护时间与最大允许变形量等软岩支护设 收稿日期2 0 0 0 0 1 1 0 。 作者简介王祥秋，男，硕士，讲师 计与施工中所需的重要参数，未能给出一个公认 的、完善的定量解答 引，因此可以说新奥法并未 涉及到软岩粘弹性变形的实质。从定量的角度考虑 流变时效对软岩支护的设计与施工的影响具有重要 意义。 图2 巷道收敛变形 F i g ．2 B a c k w a r d sd e f o r m a t i o no ft u n n e l 1 软岩流变破坏机理浅析 1 ．1 从岩体蠕变发展阶段分析 一般岩石的蠕变过程均可分为初始蠕变、等速 蠕变与加速蠕变三个阶段【4 “】，岩体处于初始蠕 变阶段时，蠕变速率随时间迅速递减，岩体变形表 现为以较小的速度向开挖空间移动，在本阶段末 期，岩体蠕变速率趋于稳定，并逐步过渡到等速蠕 变阶段，随着蠕变变形总量的增加，在初始蠕变阶 段末期或等速蠕变阶段初期，岩体内会产生新的裂 缝．且在整个等逮蠕变阶段稳定扩展，直至达到加 速蠕变阶段，岩体蠕变速率迅速增大，岩体内裂缝 加速扩展，最终导致围岩的破坏失稳，如果能选择 万方数据 第4 期王祥秋等软岩巷道流变破坏机理与合理支护时间的确定 一个合理的时间对巷道进行支护，使围岩流变变形 不致于发展到加速蠕变阶段，即可有效地控制围岩 的流变破坏。 1 ．2 从能量的观点分析 根据岩石流变特性，围岩流变回弹能量的变化 可以用图3 表示，在巷道刚成形时围岩的回弹能最 大为w 。；随着时间的推移，能量逐渐释放出来， 回弹能下降到W 。；直到某一时间之后，能量释放 逐渐趋于稳定达到W ，；考虑加固措施时，既不能 在最大回弹能W 。时，也不能在回弹能还相当大的 W 。时，而应当在能量释放趋于稳定，即W f 时才能 进行支护，该点对应于岩石等速蠕变与加速蠕变的 分界点。 1 ．3 从长期强度的观点分析 因为软岩属于流变介质，其强度随时间的推移 而降低，从蠕变初期到等速蠕变阶段的开始，岩体 内部裂缝逐步产生并不断扩展，达到等速蠕变阶段 的末期，岩体强度降低到保持岩体整体性的最低限 度。进入加速蠕变之后，因裂缝进一步加速扩展， 岩体强度迅速降低，最终导致岩体的宏观失稳。研 究表明。围岩强度d 与时间t 呈如图4 所示曲线关 系，巷道开挖围岩的稳定性主要取决于围岩的长期 强度口f 。 0 图3 流变回弹能与时间关系曲线 F i g ．3 R e l a t i o n s h i pb e t w e e nb a c k - e l a s t i c r h e o l o g i c a le n e r g ya n dt i m e b 0 图4 强度与时间的关系曲线 F i g ．4R e l a t i o n s h i pb e t w e e ns t r e n g t ha n dt i m e 2合理支护时间的确定 综上所述，具有流变特性的围岩其破坏的原因 是因为围岩发生蠕变流动，导致围岩内部产生新的 裂缝和裂缝的不断扩展，以及围岩流变引起过量变 形而导致围岩强度低于其长期强度的结果。如能适 时进行支护即可有效阻止围岩的失稳破坏。不同性 质的围岩和不同形状的巷道其计算方法不尽相同， 本文以地下工程中普遍采用的圆形巷道为例，引入 对软岩广泛适用的B u r g e r s 模型，阐述确定合理支 护时间的方法。 如图5 所示的圆形巷道力学模型，假设围岩为 均质各向同性线性粘弹性体，其流变变形规律符合 B u r g e r s 模型。考虑到围岩的流变破坏是由于岩体 内新裂缝的产生与扩展的结果，此处引入损伤变量 ∞对本构模型进行修正。 图5 圆形巷道力学模型 F i g ．5 M e c h a n i c a lm o d e lo fr o u n dt u n n e l 在损伤力学中，引入损伤变量∞来描述因微 观裂隙存在与发展导致材料宏观力学性能的影响程 度。当材料无损伤时∞ 0 ，完全破坏时∞ 1 ；损伤 变量叫由0 变化到1 的过程，即为损伤发展材料性 质劣化的过程；对于实际工程中的岩体，由于残余强 度的存在，∞是小于1 的某一极限值设为∞。，其值可 由循环加卸载试验时杨氏模量E 的变化而求得。 我们用关系式r ’ r ／ 1 一∞。 表示因损伤造 成断面减少而增大了的应力，其中r 。称为有效应 力。由平面应变问题的B u r g e r s 本构关系 [ 1 毒 爰 - 麦2 D 器 D 2 ] r [ 可1 D 可17 7 2 ／G 2 D 2 ] ， 1 式中 叩l ，叩2 一模型粘性参数； G 1 ，G 2 一模型剪切弹性模量； 万方数据 有色金属 D 一对时间t 的常微分算子； r 一剪切应力； y 一剪应变； 用有效应力r ‘代替 1 式中的r ，得修正后的本构 关系为 [ 1 7 2 ／G 2 7 1 ／G 1 7 1 ／G z D 刁17 2 ／ G l G 2 D 2 ] [ 3 ／ 1 一O A p ] [ 7 7 1 D 叩l7 7 2 ／G 2 D 2 ] y 2 假设原岩应力为各向等压状态，即P 亿， 圆形断面巷道长度为无限长。计算时忽略影响区内 的岩体自重，即巷道处于无限大的粘弹性体中，这 样构成了结构与荷载都是对称的平面应变圆孔问 题。 0 ．5 ，侧压系数A 1 ， 3 式中“，一径向位移； R o 一圆巷半径； r 一岩体内任一点到圆形巷道形心的距离； G 一剪切弹性模量； 对式 3 中的“。使用对应性原理得 一ur 小蒜 4 若岩土介质为B u r g e r s 材料，对 2 式的本构方 程有 lD十警DD D 2 l十专≯2 U ， 5 对上式进行l a p l a c e 变换并满足“i 8 Ⅱ 盯u 0 ，t ∈ 一∞，0 一 的要求，则得 口篡鬻辔5 因为 G S Q S ／P S 将 7 式代入 4 式得 一∞p 雨 捣 1 ／ G 2 ／7 2 S ] 对式 8 乱， t e x p 一 第5 2 卷 进行L a p l a c e 逆变换得粘弹性解为 由上式可得蠕变速率为 “小志c 鲁 景唧c 一警，， 1 0 由 1 0 式可知，当t 0 时围岩的位移速率 最大，随时间增长位移速率逐渐减缓，这与工程实 际相符。在支护设计时，为了使围岩变形不致于导 致巷道破坏失稳，可利用现场实测资料，确定适当 的围岩流变速率代入 1 0 式，反求合理的支护时 间。 3应用举例 某铜矿一5 0 m 中段运输平巷围岩属强风化粉质 砂岩。按原设计方案，开挖后立即进行巷道支护， 不到半年时间大部分锚喷网都发生了明显的破坏。 通过现场测试与理论分析，发现该巷道围岩具有明 显的流变特性，其流变特性符合B u r g e r s 模型的特 点，围岩流变参数如表1 所示。 表1 围岩的流变参数 T a b l e1 R h e o l o g i c a lp a r a m e t e r so fs u r r o u n d i n gr o c k m a s s 巷道成形时，测得围岩的最大流变速率 u ， t - 0 0 ．0 6 2 m m ／h ，稳定流变速率“r t 0 ．0 1 9 m m ／h 。通过现场取样，运用循环加、卸载 试验求得围岩的损伤变量平均值∞。 0 ．4 。 已知巷道埋深Z 1 0 0 m ，巷道开挖半径R o 2 m ，围岩容重’，d 2 ．5 9 ／c m 3 ，围岩应力P 2 ．5 M P a ，取“ t 1 0 ．0 1 9 m m ／h 时进行支护，由 1 0 式可求得合理支护时间t 1 5 6 h ，即巷道 开挖1 5 6 h 大约一周 之后进行支护。 实践证明，按该法确定的时间t 进行支护是合 理的，巷道支护已有两年多时间，锚喷网仍未发现 有明显的破坏。 一 趵 V 岛i 鱼∥ 一 叻 L 晚五 生讥 志 | l “ u 2r产 比 秒秒 松 豫∽ 泊为十 质解●●R r介的““鱼G 土题l I 端黼⋯ 脾 h ”斑卜则 ≯ y D 箍 D 监包卫倪丑q 叩 ● | | 聊 ∞ 以 Q ，●●●●●●●，、●●●●●l 箍 D 力，k，L 万方数据 第4 期王祥秋等软岩巷道流变破坏机理与合理支护时间的确定1 7 4结论 奎≥譬季了瑟罢霎差蔷霎慕萋雯曩某妻掌墓警翥蔫 1 软岩巷道的失稳与破坏大都与围岩流变导速蠕变阶段，且围岩的强度不低于其长期强度。 致岩体内部新裂缝的产生与不断扩展有关，引入损 3 本文所述的软岩巷道合理支护时间理论与 伤变量对理想的粘弹性流变本构方程进行修正，以方法，对其它本构关系模型及地下工程围岩支护也 确定巷道的合理支护时间更切合工程实际。 具有一定指导意义。 2 围岩强度与流变回弹能在巷道成形时最 参考文献 1 陈宗基．金川有色金属公司内部资料 2 宋恕夏主编．金川矿山岩体工程变形破坏图片集，1 9 9 9 ．3 7 3 范秋雁等．岩土工程学报，1 9 9 7 ，1 9 2 7 7 4 刘雄．岩石流变学概论．北京地质出版社，1 9 9 4 ．1 0 8 5 范广勤．岩土工程流变学．北京煤炭工业出版社，1 9 9 2 ．1 1 3 6 王祥秋等．湘潭矿冶学院学报，1 9 9 9 ， 4 6 8 A N A L Y S i SO FR H E O L O G I C A LF A I L U R EM E C H A N I S MA N DD E C I S l 0 N0 F o P T I M U MS U P P O R TT I M EF o RS O F TR O C KT U N N E L W A N GX i a n g q i u1 ，C H E NQ i u n a n1 ，H A NB i n 9 2 1 ．X i a n g t a nP o l y t e c h n i c a lU n i v e r s i ■，X i a n g t a n4 1 1 2 0 1 ； 2 ．J i n c h u a nE n g i n e e r i n ga n dR e s c a r c hI n s t i t u t eo fN i c k e la n dC o b a l t ，J i n c h a n g7 3 7 1 0 0 A B S T R A C T B a s e do nt h er h e o l o g i c a lp r i n c i p l eo fr o c k ，t h i sp a p e ra n a l y s e st h es u r r o u n d i n gr o c k m a s sf a i l u r em e c h a n i s m q u a l i t a t i v e l yf o rs o f tr o c kt u n n e l ．U s i n gt h er h e o l o g i c a lm o d e lo fb u r g e r sa n di n t r o d u c i n gt h ed a m a g ev a r i a b l e ， t h ev i s c o u se l a s t i cr h e o l o g i c a lr e g u l a r i t i e sf o rt h er o u n dt u n n e lw e r eq u a n t i t a t i v e l yr e s e a r c h e d ．D e c i s i o n a lm e a n s o fo p t i m u ms u p p o r tt i m ew a ss u g g e s t e df o rs o f tr o c kt u n n e l ． K E YW O R D S r h e o l o g i c a lm o d e l ；d a m a g ev a r i a b l e ；c r e e po fs o f tr o c k ；s u p p o r tt i m e 万方数据