断续节理岩体中围岩破裂区的试验研究.pdf

第3 7 卷第1 期中国矿业大学学报V 0 1 ．3 7N o ．1 0 8 年1 月J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g T e c h n o l o g y J a n ．2 0 0 8 断续节理岩体中围岩破裂区的试验研究 刘刚1 ，赵坚1 ’2 ，宋宏伟1 ，李元海1 1 ．中国矿业大学建筑工程学院深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，江苏徐州2 2 1 0 0 8 ； 2 ．瑞士联邦理工大学岩石力学研究所，瑞士洛桑C H1 0 1 5 摘要为了研究断续节理对围岩破裂区形成与扩展以及破裂区大小的影响，采用真三轴巷道平 面应变模型试验台，运用数字照相进行变形量测的方法，研究分析了断续节理岩体中裂纹的产 生、扩展与贯通机理及其围岩的破坏失稳行为．结果表明在断续节理岩体中，围岩破裂区是由于 新生裂纹与原有节理相互贯通，导致岩体中产生纵横交错的贯通裂隙所致；在断续节理的影响 下，巷道围岩破裂区并不是均匀发展，而是首先产生于顶板节理附近，然后向巷道周边其它相邻 部位发展；最终的破裂区厚度在平行于节理方向最大，而在垂直于节理方向的厚度最小． 关键词断续节理；围岩破裂区；模型试验；稳定性 中图分类号T U9 4 1 ；T U9 4 2文献标识码A文章编号1 0 0 0 1 9 6 4 2 0 0 8 0 1 0 0 6 2 0 5 M o d e lE x p e r i m e n t so nt h eB r o k e nZ o n ei n I n t e r m i t t e n t l yJo i n t e dS u r r o u n d i n gR o c k L I UG a n 9 1 ，Z H A OJ i a n l ”，S O N GH o n g w e i l ，L IY u a n h a i l 1 ．S c h o o lo fA r c h i t e c t u r ea n dC i v i lE n g i n e e r i n gS t a t eK e yL a b o r a t o r y _ o fG e o m e c h a n i c sa n d D e e pU n d e r g r o u n dE n g i n e e r i n g ，C h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g T e c h n o l o g y ，X u z h o u ，J i a n g s u2 2 1 0 0 8 ，C h i n a ； 2 ．E c o l eP o l y t e c h n i q u eF 6 d 6 r a l ed eL a u s a n n e ，L a b o r a t o i r ed eM 6 c a n i q u e sd e sR o c h e s ，I ．a u s a n n eC H 一1 0 1 5 ，S w i t z e r l a n d A b s t r a c t At r i a x i a lr o a d w a ym o d e la n dd i g i t a lp h o t o g r a m m e t r yw e r eu s e dt oa n a l y z et h ed e f o r m a t i o no ft h es u r r o u n d i n gr o c kt h a th a di n t e r m i t t e n tj o i n t s ．T h ee f f e c t o ft h ei n t e r m i t t e n t jo i n t so nt h ep r o d u c t i o n ，g r o w t ha n ds i z eo ft h eb r o k e nz o n ei nt h e ．r o c kw a si n v e s t i g a t e d ． C r a c ki n i t i a t i o n ，p r o p a g a t i o na n dc o a l e s c e n c em e c h a n i s m s3 8w e l la sf a i l u r eb e h a v i o ro ft h er o c k ared i s c u s s e d ．T h er e s u l t ss h o wt h a tc r a c kp r o p a g a t i o na n dc o a l e s c e n c ew i t h i nt h ej o i n t sp r o d u c ei n t e r l a c e dc r a c k si nt h es u r r o u n d i n gr o c k s ．I n t e r m i t t e n tj o i n t si n f l u e n c et h ed e v e l o p m e n t o fab r o k e nr o c kz o n ei nau s u a l l yu n s y m m e t r i c a lw a y ．T h eb r o k e nr o c ki sp r o d u c e dp r i m a r i l y n e a r b yt h er o o fj o i n t so ft h er o a d w a ya n d ．t h e ni te x p a n d si n t ot h ec o n j o i n tp a r t ．T h em a x i m u m t h i c k n e s so ft h eb r o k e nr o c kz o n ep a r a l l e l st h ej o i n tw h i l et h em i n i m u mt h i c k n e s si Sn o r m a lt o t h ed i r e c t i o no ft h ejo i n t ． K e yw o r d s i n t e r m i t t e n tjo i n t ；b r o k e nr o c kz o n e ；m o d e le x p e r i m e n t ；s t a b i l i t y 中国矿业大学董方庭等人阻2 3 从1 9 7 9 年开始， 以现场研究地下工程附近岩体的客观状态松 动破裂人手，在现场大量实测围岩松动圈的基础 上，提出了松动圈围岩稳定性分类方法，得到了煤 炭系统的广泛应用．董方庭等人又结合相似模型实 验和理论分析，深入研究了围岩松动圈的性质，于 1 9 8 5 年正式提出了松动圈支护理论，认为地下工 程人工支护的对象是松动圈发展过程中的碎胀力． 收稿日期2 0 0 6 一0 9 0 7 基金项目国家重点基础研究发展计划 9 7 3 项目 2 0 0 2 C B 4 1 2 7 0 1 ，2 0 0 2 C B 4 1 2 7 0 3 作者简介刘刚 1 9 6 9 一 ；男，陕西省兴平市人，副教授，工学博士，从事岩石力学及地下工程稳定性方面的研究 E m a i l l i u g a n g c u m t 1 6 3 ．C O I T I T e l 0 5 1 6 8 3 9 9 5 9 9 2 万方数据 第1 期刘刚等断续节理岩体中围岩破裂区的试验研究 围岩松动圈支护理沦自从提出及应用以来，一直处 于不断地改进、完善和发展过程中．然而，以前的研 究，包括模型试验、数值模拟和理论分析等，均没有 考虑节理对破裂区的形成机理、扩展深度等的影 响．但在现场研究中，岩体中的节理是客观存在的， 实测的围岩破裂区包含了节理的影响．因此，采用 相似模型试验方法，研究深埋应力场中不同节理倾 角、密度的断续节理岩体在开挖条件下巷道周边围 岩破裂区的形成和扩展机理，进而达到评价地下工 程岩体稳定性的目的．以下本文所称的围岩破裂区 与围岩松动圈在本质上相同，不过“围岩破裂区”的 概念更能反映其客观的物理力学状态． 1 试验设计 1 ．1 真三轴巷道平面模型试验台 本研究利用中国矿业大学的真三轴巷道平面 应变模型试验台，其主体结构为6 个具有足够强度 和刚度的铸钢框架，通过3 6 个铸钢加强筋连接块 和1 4 8 个垂3 0 的螺栓组装成整体框架，铸钢框架 与模型之间为3 套互相独立的液压枕，液压枕和模 型之间为1 0l l l m 厚的钢板，与模型之间通过黄油 铺设减摩纸，以减小边界摩擦效应．通过给3 套液 压枕加载而实现对模型的6 面加载，最大施加载荷 为1 0M P a ．由于3 套液压枕加载系统相互独立，因 此能够实现效果较好的真三轴巷道模型试验[ 3 ] ． 模型为立式布置，试验台中的模型J 弋寸为1 ．0 m 1 ．01 T I X0 ．2m ．根据模型试验台的几何尺寸取 几何相似比例吼一4 0 ，在模型中开挖圆形巷道，其 直径为0 ．1I T I ．试验台1 ．0m 1 ．0m 的大型液压 枕与铸钢框架的中部留有0 ．2m 0 ．2m 的窗口， 可嵌入0 ．2m 0 ．2m 厚5m m 的钢板，在该钢板 中间预留各种形状的巷道断面可供选择，便于开挖 各种断面形状的巷道和量测巷道的收敛位移．本次 研究在原有试验台架的基础上，重新铸造了前框 架，将原前铸钢框架中部留有的0 ．2m 0 ．21 T I 观 察窗口扩大至0 ．4m 0 ．4m ．采用2 0m m 厚的有 机玻璃板代替前液压枕，这样可采用数字照相方法 对模型巷道的位移场进行测量和分析． 1 ．2相似材料 选用石腊和砂的混合物作为模型材料，根据所 需要的力学参数选择不同的配比．模型制作时，先 用电烘箱将砂子加热至1 5 0 ℃左右，然后加入粒状 石蜡恒温保持3 0m i n 左右，等石蜡完全融化后迅 速将两者搅拌均匀并快速铺人模型台架内浇铸成 型．文献E 4 ] 中列出了几种典型配比的石腊与砂混 合相似材料及其所对应模拟岩石与煤的主要力学 指标．与“石膏胶结材料”相比，这种模型材料具有 模型制作简单、试验周期短、材料的力学性能稳定 不受湿度影响 、材料可以复用等优点． 1 ．3 断续节理的模拟 采用与文献[ 5 6 ] 类似的方法模拟断续节理， 即将拌和好的模型材料浇注到模具中，经简单振实 后，选用厚度为2 ．0 ～3 ．0m m 刀片按设计角度和 密度插入模型中，随后将云母粉灌人刀片所切开的 缝隙中，’可形成宽1 ．5 ～2 ．0m m 的窄缝来模拟闭 合断续机理，随后认真进行振实．图1 为试验完毕 后打开模型时，模型中的节理情况．试验证明，在砂 子与石蜡高温胶结材料中，云母粉能较好地模拟节 理的实际情况． 图1 模型中的节理 F i g ．1J o i n t si nm o d e l 模型铺装要求不问断进行，防止模型材料冷却 后两层之间的分层现象．每一模型在自然压实、固 结7 2h 后开巷，然后增大围压 应力增量为0 ．1 M P a ，等围岩应力与位移的调整、稳定后 1 5m i n 进行相应数据测量和照相，直至巷道失稳破坏． 2 量测方法 2 ．1 围岩破裂区 试验完毕，打开台架，通过把钢针压进试验终 了模型表面一定深度时所需的压力来判别破裂区 的范围，图2 为模型压针压力与巷道围岩位置的关 系曲线 ．从曲线中可以看出在巷道周边围岩压针 压力较小，即在巷道周边存在一个破裂区；在模型 边界上的压针压力也较小，这是由于液压枕加载时 使得模型边界上的部分区域发生松动破坏的缘故． * 宋宏伟，鹿守敏．淮南潘三矿软岩支护物理模拟研究报告．徐州中国矿业大学鉴定资料，1 9 9 2 万方数据 中国矿业大学学报第3 7 卷 罢 巷 1 0 5憾1 0I U2 0j U4 0，U6 0 H c m 图2 模型中压针压力曲线 F i g ．2 C u r v e so fs t r e s si nt e s tm o d e l sb yn e e d l e 2 ．2 围岩的收敛变形 围岩破坏后沿原生节理的离层滑移以及新裂 纹的生成与扩展，意味着围岩体积的增加，势必引 起巷道的收敛位移．在试验中通过杠杆引伸仪和电 子数显百分表测量在加载过程中巷道的收敛位移 图3 ．杠杆引伸仪通过磁力表座可固定在加载框 架上，百分表的量程为1 0m m ，精度为0 ．0 1m m ． 百 巷 道 图3巷道表面收敛测量不意图 F i g ．3 M e a s u r eo fc o n v e r g e n c eo fr o a d w a y 2 ．3 变形场和位移场 采用数字照相进行变形量测一一D P D M d i g - i t a l p h o t o g r a m m e t r y f o rd e f o r m a t i o nm e a s u r e m e n t 的方法．D P D M 系统主要由图像采集硬件系 统与图像分析和结果后处理软件系统组成．图像采 集硬件系统，主要包括高分辨率数码相机、相机安 装与固定框架和照明设备等．软件系统工具的支持 是D P D M 技术应用与推广的关键．李元海等人[ 7 伽 研究开发了一套数字图像分析 G e o D I C 硝’ 与结果 可视化后处理 P o s t V i e w e r 系统．其中，G e o D I C 2 0 主要功能包括图像序列除初始图像以外的控制基 准点自动匹配和对应文件生成、测点与分析参数设 置、测点网格检查、结果查看、变形数据输出和图像 转动误差校正等；P o s t V i e w e r 作为图像分析结果 的后处理程序，可以生成和显示变形网格、矢量图、 等色图 或云图 ，同时具有查询、统计分析、数据提 取、批量处理和输出等功能． 在试验中，铺设模型时事先在观测窗口 4 0 0 m m 4 0 0m m 有机玻璃板内侧4 个角布置4 个固 定的特征点，组成一个3 5 0m m 3 5 0m m 的正方 形，以便于数字照相分析．然后，在“开挖一加压一 围岩变形一平衡一量测与照相一加压一围岩变形 一平衡一量测与照相⋯一破坏”的过程中，间隔一 定时间 1 5r a i n 对观测面进行数字照相 采用佳能 数码相机，其分辨率为12 0 0 万象素，拍摄r a w 格 式的彩色图片 ．最后将拍得的照片输入计算机，采 用数字图像分析 G e o D I C 2 0 与结果可视化后处理 P o s t V i e w e r 系统对其进行分析，得出不同加载应 力作用下围岩中的位移场． 3 试验结果分析 3 ．1 巷道围岩的位移场分析 图4 为应用D P D M 技术图像分析的结果，为 某模型加载到2 ．1 ，2 ．3M P a 时的变形等值线图和 变形矢量图．图中问圆形部分为开挖的巷道，巷道 内部变形等值线属于程序自动生成，没有任何意义． 图4 模型围岩位移场和位移矢量分布 F i g ．4D i s p l a c e m e n tf i e l da n dd i s p l a c e m e n tv e c t o r si ns u r r o u n d i n gr o c k 从图4 可以看出，在断续节理的影响下，巷道 围岩破裂区并不是均匀发展，而是首先产生于顶板 节理附近的某局部点，然后向巷道周边其它相邻部 位发展．而且最终的破裂区在平行于节理方向最 大，而在垂直于节理方向最小，形成近似于长轴平 行于节理、短轴垂直于节理的椭圆形． 围岩破裂后会发生位移，而没有破裂的围岩只 产生较小的整体 弹塑性 位移，因此根据巷道周边 围岩位移的大小即可确定出围岩破裂区．图5 为模 型加载至1 ．8 ，2 ．1 ，2 ．4M P a 时巷道周边围岩的位 移场曲线．根据位移曲线的变化情况，即可确定出 当应力达到1 ．8 ，2 ．1 ，2 ．4M P a 时巷道周边的围岩 破裂区分别为1 6 ，2 6 和3 4m m ． 万方数据 第1 期刘刚等断续节理岩体中围岩破裂区的试验研究 2 ．5 E 2 ．0 E 蠢1 ．5 辽1 ．0 0 ．5 ， 固 刮，。 巷道直径 ‰ 肚 1 0 0m r n Z’l6 5 g 4 螽， 迥2 1 一 ．‘ 婪阳婚队 。 』 洲。 巷道直径． ．D - 1 0 0 m m ． 吕 g 蹿 堪 05 01 0 01 5 02 0 02 5 0 3 0 03 5 00 5 01 0 01 5 02 0 02 5 03 0 03 5 0 距离／m m 距离／m m a 0 1 ．8M P a b 0 2 ．1M P a 一 ■ 氏 t l ～ ▲．．●▲▲正 巷道直径． ‘t ‘▲．▲▲ - 摹’、r - r 一一k D 1 0 0m n l3 4 1 1 ．7 0 5 0 1 0 0 1 5 02 0 02 5 03 0 0 3 5 0 距离／m m c 0 2 ．4M P a 图5巷道围岩位移沿巷道径向距离的变化曲线 F i g ．5D i s p l a c e m e n ta g a i n s tr a d i a ld i s t a n c eo fr o a d w a y 由图5 可以看出，从巷道周边至围岩深部，围 岩位移值依次降低．由于图形分析的边界 1 ．5 倍 的巷道跨度 没有达到开挖扰动区的边界 3 ～5 倍 的巷道跨度 ，所以相对深部的围岩位移并没有降 低为零，而是在某一数值上下浮动．随着应力的增 加，一方面围岩的变形量增大，巷道周边的位移值 从1 ．8 ，4 ．5 增大到6 ．3m m ，而巷道深部围岩的整 体变形量则分别维持在0 ．7 ，1 ．8 增大到2 ．5m m 左右；另一方面围岩破裂区也在扩大，从1 ．8M P a 的1 6m m ，2 ．1M P a 的2 6F i l m 扩大到2 ．3M P a 的 3 4I T l m ． 在同一应力水平下，巷道左右两侧位移值的大 小也不同．在1 ．8M P a 时巷道左帮的位移值大于 右侧，随着应力的增大，右帮的位移值逐渐增大并 大于左帮．说明在应力作用下，一方面节理的分布 对巷道收敛变形有很大的影响；另一方面说明巷道 围岩的应力和变形处于不断的自我调整、平衡过程 中．由于节理分布的影响，围岩破裂区并不是均匀 发展的，在平行于节理方向的围岩破裂区厚度要大 于其他方向的破裂区厚度． 3 ．2 断续节理岩体巷道的破坏情况 当节理倾角为3 0 。时，在加载的初期，两帮位 移基本相等，但右帮 上帮 稍大于左帮 下帮 ．产 生初始破裂区时的应力为1 ．2M P a ，此时的收敛值 为2 ．5 9m m ．随后，随着应力的增大，明显可见在 垂直于节理方向产生次生裂纹．在1 ．6M P a 时巷 道局部开始掉落块体，其最大块径约为1 5m n q ，此 时的围岩破裂区为1 0m m ，收敛值为6 ．2 7m m ．当 应力达到1 ．8M P a 时，开始出现大量的冒顶现象， 最大块径约为3 0I T l m ，此时的围岩破裂区为1 6 m m ，收敛值为9 ．7 11 T i m ．当应力增大到2 ．4M P a 时发生了严重的冒落现象，最大的围岩破裂区为 3 8r a m 相当于3 8 ％的巷道跨度 ，收敛值为2 2 ．8 0 r a m 左帮1 1 ．1 1m i t t ，右帮1 1 ．6 9m m ，巷道围岩 完全失去承载能力．巷道左右两帮位移值、收敛值 及围岩破裂区随应力增加的变化过程见图6 ． 4 3 0 5 g2 3 5 0 懿 。 0 ．2 0 ．40 ．60 81 ．0 1 ．2 } ．41 ．6 1 ．8202 ．2 2 ．4 应力／M P a 图6围岩破裂区、收敛值及位移值随应力的变化曲线 F i g ．6 V a r i a t i o n so fb r o k e nr o c kz o n e ， c o n v e r g e n c ea n dd i s p l a c e m e n tw i t hs t r e s s 由于节理倾角的影响，围岩破裂区在顶底部与 左右两帮很不均衡，见图7 ．巷道帮部以上的岩体， 由于节理临空，在主压应力与水平剪切力作用下容 易产生破坏，因此破裂区较大．而在巷道帮部及以 下的岩体，节理在主压应力作用与水平剪切力作用 下，不容易产生破坏，因此破裂区较小．巷道最终的 破裂区表现为顶底部大而左右两帮稍小，呈不规则 的马蹄形，并在右帮下部出现台阶 台阶的高度为 节理的长度 ． a 中问状态 b 最终状态 图7 模型巷道的破坏形态及围岩破裂区形状 F i g ．7D e s t r o y e df o r m sa n dt h es h a p e so f b r o k e nr o c kz o n eo fm o d e l i n gr o a d w a y 3 ．3 围岩的稳定性评价 围岩表面所产生的新生裂纹基本上都沿垂直 于节理的方向发展．在节理岩体中，围岩破裂区是 由于新生裂纹与节理相互贯通导致纵横交错的贯 通裂隙所致[ 9 ] ．若相邻节理的新生裂纹没有贯通， 可以认为岩体仍具有较高的强度，但已进入极限状 态，虽然仍可以承受较高的荷载，但会很快破坏． 如图7 所示，由于节理分布的原因，在模型巷 道顶、帮部共出现了3 次冒落现象，且一次比一次 严重．冒落的较大块体是由于在垂直于节理方向产 生了贯穿的次生裂纹，沿着已有的2 个节理面滑落 万方数据 6 6中国矿业大学学报第3 7 卷 所致 图8 ．在这种情况下，为维护巷道的稳定，必 E 3 ] 须采用较大长度的锚索进行支护，而若采用长度较 短的锚杆，其作用仅可以维护巷道帮部的稳定，对 于巷道顶部的大型冒落块体则起不到安全作用． 图8模型巷道冒落的楔状块体 F i g ．8W e d g ef a l l i n gf r o mm o d e l i n gr o a d w a y 4 结论 1 在节理岩体中，围岩破裂区是由于新生裂 纹与节理相互贯通导致纵横交错的贯通裂隙所致． 如果相邻节理的新生裂纹没有贯通，可以认为岩体 仍具有较高的强度，但已进入极限状态，虽然仍可 以承受较高的荷载，但会很快破坏． 2 围岩破裂后会发生位移，而没有破裂的围 岩只产生很小的弹塑性位移，因此根据巷道周边围 岩位移的大小即可确定出围岩破裂区的边界． 3 在断续节理的影响下，巷道围岩破裂区并 不是均匀发展，而是首先产生于顶板节理附近，然 后向巷道周边相邻部位发展，而且最终的破裂区在 平行于节理方向最大，而在垂直于节理方向最小． 4 冒落的较大块体是由于在垂直于节理方向 产生了贯穿的次生裂纹，沿着已有2 个节理面滑落 所致． 参考文献 [ 1 ] E 2 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] 董方庭，宋宏伟，郭志宏，等．巷道围岩松动圈支护 理论[ J ] ．煤炭学报，1 9 9 4 ，1 9 1 2 1 3 2 ． D O N GF a n g r t i n g ，S O N GH o n g w e i ，G U OZ h i h o n g ，e ta 1 ．R o a d w a ys u p p o r tt h e o r yb a s e do nb r o k e nr o c kz o n e [ J ] ．J o u r n a lo fC h i n aC o a lS o c i e t y ， 1 9 9 4 ，1 9 1 2 1 3 2 ．[ 9 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