深部岩体非线性蠕变变形预测的研究.pdf

第3 O卷第4期 2 0 0 5年8月 煤 炭 学 报 J OURN AL O F C HI NA C OA L S OC I E T Y V0 1 ． 3 O N 4 Au 昏 2 0 0 5 文章编号 0 2 5 3 9 9 9 3 2 0 0 5 o 4一 o 4 0 9一 O 5 深部岩体 非线性蠕变变 形预 测的研 究 王永 岩 ， 魏 佳 ， 齐 瑶 ， 杨彩红 ， 李 剑光 1 ．辽宁工程技术大学 力学与工程科学 系，辽 宁 阜新1 2 3 0 0 0；2 ．北京师范大学 环境科 学研究所 ，北京1 0 0 8 7 5 摘要利用蠕 变实验数据进行数值模拟 ，得 出了深部软岩巷道围岩在高地应力作用下的蠕变方 程，建立了蠕变与时间和应力的定量关 系．通过计算得到 了应力差 一蠕变曲线；时间 一应力差 一 蠕变三维曲面．得 出了地应力差是引起蠕 变的主要 因素 ，对深层软岩巷道进行 了变形仿真分析 ， 并实现 了与实测变形的对比 ． 关键词 深部开采 ；蠕变变形；高地应力；巷道围岩；地应力差 中图分类号 T U 4 5 4 ；T D 3 1 1 文献标识码 A S t u dy o n pr e d i c t i o n f o r no n l i n e a r c r e e p d e f o r ma t i o n o f de e p r o c k s WA N G Y o n g ． y a n ，WE I J i a ， Q I J u n ，Y A N G C a i ． h o n g ，L I J i a n ． g u a n g 1 ．D ．o f 口 n a n d E n g i n e e r i n g S c ie n c e ， L i a o n i n g T e c h n ic a l U n iv e r s t i y ，F u x i n j i ng N o r m a l U n i v e r s i t y ，B e ij i ng 1 0 0 8 7 5 ，C h i n a Abs t r a c tThe c r e e p e q u a t i o n o f s o f t r oc k t u n n e l s u r r o u nd i n g r o c k u n de r t he a c t i o n o f h i【 s h g r o u n d s t r e s s e s i n d e e p mi n i n g wa s fit t e d b y d a t a o b t a i ne d f r o m c r e e p e x p e rime n t s ．Th e q ua n t i t a t i v e r e l ati o n s hi p a mo n g c r e e p，t i me a n d s tr e s s d e v i a t i o n wa s f o u n d 。T h e s t r e s s d e v i a t i o n - c r e e p c u r v e s a n d t i me s t r e s s d e v i a t i o n - c r e e p s u r f a c e we r e g o t t e n b y s c i e n t i fic c a l c u l a t i o n，a n d i t i s p r o v e d t h a t g r o u nd s t r e s s d e v i a t i o n i s t h e ma i n r e a s o n f o r c r e e p o f r oc k i n de e p rai n- i n g ． Th e d e f o r ma t i o n o f s o ft r oc k t u nn e l s u rro un d i n g r o c k i n d e e p mi n i n g wa s c alc u l a t e d an d t h e r e s u l t s we r e C O rn- p a r e d t o t h e a c t u al s i t u a t i o n a s a n i mp o r t a n t r e f e r e n c e t o s o ft r ock e n g i n e e rin g ． Ke y wo r d s d e e p mi n i n g ；c r e e p s t r a i n；h i g h g r o u n d s t r e s s ；s u rro u n d i n g r o c k；g r o u n d s tre s s d e v i a t i o n 随着开采 向纵深发展 ，深部岩体的变形破坏规律的研究一直是地下工程研究 的热点问题．随着采深 的增加 ，温度 、压力将逐渐加大 ，岩石由硬变软 ，表现出大变形 的非线性蠕变现象 ，开采深度 的加大 ，岩 体工程处于复杂的环境场 应力场 、温度场 和渗流场 之 中，仅就地应力而言 ，深部 的原岩应力更大 ， 开挖卸载必将导致采区围岩应力 的重新分布 ．在 国内，采 深超过 1 0 0 0 m的矿井 到处可见 如华丰 矿 、新汶矿等 ，在深层岩体中，巷道的破坏主要是岩爆 和发生流变等大变形破坏两种情况 J ．本文 以 深层岩体 的蠕变实验数据为依据 ，采用非线性流变理论 ，选取不同蠕变模型 ，对深层岩体流变规律和蠕变 破坏过程进行 了深入的研究 ，得 出了地应力差是引起蠕变变形 问题的主要 因素．实现 了蠕变过程仿真． 1 蠕变试验 采用 自制 的静 载 油压 三轴 实验 装置 进行 三轴 蠕变 试验 ，根 据实 测 软岩 试件 的数据 E2 ． 0 2 收稿 日期 2 0 0 5 0 3 2 1 基金项 目国家 自然科学基金资助项 目 5 0 2 7 4 0 4 1 ；辽宁省科学技术计划项 目 2 0 0 3 2 3 0 0 0 3 作者简 介 王永 岩 1 9 5 6一 ，男 ，辽 宁锦州人 ，博士 ，教授 ，博士生导师 ．T e l 0 4 1 8 3 3 5 1 0 1 4 ，Em a i l b o d a o s h i 1 2 6 ． e o m 维普资讯 4 1 0 煤 炭 学 报 2 0 0 5 年 第3 0 卷 1 0 MP a ；／ ．L 0 ． 1 6 。采用连续分段加载方法 ，将加载应 力分 为 o - 2 ，4 ，6 ，8 ，1 0 ，1 2 M P a共 6个档 ， 从小到大依次加载．每次加载后 ，通过百分表观测变形数据 ，直至轴向变形恒定不变为止 ，再进行下一阶 段加载．实验测得 的数据见表 1 ． 表 1 单轴蠕变试验蠕变应变数据 Ta b l e 1 Cr e e p s t r a d a t a o f n n f a a l c r e e p t e s t 2 仿真计算 地应力条件 引 。 ～ 0． 72 0 ． 0 55 9 日 ， 。 l lIi 0． 8 0 0． 02 3 4 日 ， 0 ．7 6 0 ． 0 39 6 5 ／ 一-／ ， 8 p 一 ’ q 0 ． 3 2 0 ． 0 28 0 H ， 。 。 p一 q 0 ． 4 4 0． 011 6 5 且 式中， 。 ～ ， 。 分别为水平方 向地应力 的最大 、最小值 ，MP a ；o r 。 为水平方 向平均地应力 ，MP a ；o r 为 铅垂方面地应力 ，MP a ；o r 。 为水平方向与铅垂方向地应力之差 ，M P a ． 由上式可得 ， 5 0 0～1 5 0 0 IT I 深矿井的地应力见表 2 ． 表 2深度 5 0 01 5 0 0 IT I 的地应力 Ta b l e 2 Th e g r o u n d s b 8 s o f d e p t h s f r o m 5 0 0 t o 1 5 0 0 m 维普资讯 第 4期 王永岩 等 深部 岩体 非线性蠕变变形预测 的研究 4 l l 2 ． 1 几何模型 、蠕变模型及参数 的选取 将深部软岩巷道简化成长 、宽 、高分别为 1 0，1 0 ，1 5 m 的三 维计算模型，为了提高计算效率 ，考虑 到结构的对称性 ，实算模型 只取巷道的一半．在应用非线性有限元分析 中，我们根据单轴蠕变 实验的规律和数据 J ，采用 了如图 1 所示的蠕变模型． 经过拟合得蠕变模型 C 0 ． C 2 t c ] “ e - C 4 ／ T ／ ／ C 3 1 的参数分别 为 8 6 4 2 0 C 7 0 0 9 4 6 1 6 ． 一 图 1 C l c2 tc3 le -C4／ r／ C 3 1 2 ． 2 结 果分 析 的单轴蠕变拟合图 对巷道 1 5 0 0 m深处开挖 3 0 d后的应力 、应变 、位移和蠕变分F i 昏 s C l o ． C 2 t c 3 l e - c ／ r ／ C 3 析 i n 。 d c r e e p m 。 1 应力和应变最大应力出现在巷道顶中部为 1 4 5 ． 0 MP a ，在巷道底 中部 的应力次之为 6 7 ． 5 M P a ． 正是这样的应力集中促使垮落或底臌的发生．应力矢量 图 2 a ， b 也表明应力 主要集 中在巷道的顶 部 ，其次是底部和两侧．最大应变集中在巷道顶 中部 ，达到 0 。 1 2 4 ，底部 的应变是 0 。 0 5 7 ．这说 明大应变 主要产生在顶部和底部．应变矢量图 2 C ， d 中显示在巷道顶部和底部 的应变矢量 比较密集 ，应变 很 大 ． 一 5 ． 4 _4 i 0 6 3 ． 6 5 X 1 0 “t 6 7 5 ， x 1 0 7 9． 8 ， 6 x l o 7 1 ． 3 0 8 x l O g 1 0 8 o ‘。 o q 9 ； 0 0 l 躺 0一．0． 一8 4 ． 0．o 90 5 O4 6．12 1 0 X ． 3 9 o1 0 7 5 ． ．2 0X 1 0 ’8 ． 31 X 1 0 1 ． 1 4X 1 0 0 1 ． 4 5 X 1 0 0 01 6 6 9 6 u u 4 j 61 9 u U， u 5 4 3 U ／ O u ‘ I Z 4 j u a b c d 图 2 应力和应变 F i g ． 2 S t r e s s a n d s t r a i n s a 应力等值线 ； b 应力矢量 ； c 应变等值线 ； d 应变矢量 2 位移和蠕变巷道两侧的位移最大 ，达 0 ． 1 7 1 4 m，而顶部和底部次之 ，如 图 3 a ， b 所 示 ，这与实际比较吻合．蠕 变是 产生大变形 的主要因素 ，图 3 C 为蠕 变等值线 ，蠕变最大处 方框 处 值为0 ． 0 5 1 8 1 5，此处也是应变和应力最大处．这说明在高地应力作用下 ，岩体已经进入了流变阶段 ， 蠕变量非常大 ，占总应变的 4 1 ． 8％ ，这也证明了蠕变是深部高应力岩体应变的主要因素．图 3 d 为蠕 变矢量 ，可见在巷道顶部的蠕变最大． 为了更真实地展示 围岩蠕变变化的全过程 ，表 3 给出了随时间变化的蠕变量和蠕变速度．由此可见 ， 在 3 0 d内是加速蠕变阶段． 由分析计算结果不难看出 ，随着开采的深入 ，巷 道围岩的变形迅速增大 ，其 中蠕变 占主要 因素．巷道 围岩大变形破坏 主要取 决于地应力差 的大小 ．随 着地应力差的增大 ，巷道 围岩的变形也越来越大．当 岩体在深部三向高地应力的作用下 ，地应力差不大 ， 岩体 内部裂纹被压 紧，承受能力增大 ，所 以很稳定 、 表 3 蠕变量统计 Ta b l e 3 Th e s t a 缸s t i c s o f c r e e p s 维普资讯 4 l 2 煤 炭 学 报 2 0 0 5 年第3 O 卷 不破坏 ；巷道开挖后 ，部分应力被释放 ，围岩的应力差突然变大 ，内部的裂纹张开，形成一些断裂带 ，使 承载能力迅速降低．如果破坏时间长就产生大变形 ，如果破坏时间短而剧烈就形成 了岩爆． 1 0 0 ． 0 3 8 0 8 7 0 ． 0 7 6 1 7 4 0 ． 1 l 4 2 6 0 ． 1 5 2 3 4 7 0 ． 01 9 0 4 3 0 ．05 7 l 3 0 ． 0 9 5 2l 7 0 ． 1 3 3 3 04 0 ． 1 71 3 9l a 0 0 ． 0 3 8 0 8 7 0 ． 0 7 6 l 7 4 0 ． 1 1 4 2 6 0 ． 1 5 2 3 4 7 0 ． 01 9 04 3 0 ． 0 5 7 1 3 0．0 9 5 21 7 0 ． 1 3 3 3 04 0 ． 1 71 3 91 b 0 ．6 0 o 5 5 0 ． O O 6 2l 7 0 ． 0l 7 61 6 0 ． 0 2 9 01 6 0 ． O 4 O 4l 5 0 ． 0 5l 8l 5 c d 图3 位移和蠕变 F i g ． 3 Di s p l a c e me n t a n d c r e e p a 位移 等值线 ； b 位移矢量 ； c 蠕变等值线 ； d 蠕变矢量 3 随时间和地应力变化的蠕 变分析选取模型上 2 4 0单元 的 1 2 7节点 ，如图4所示．计算得到该点 的数据并绘出这节点在不 同地应力差 深度下的一组 “ 时间 一蠕变曲线”，如图 5所示． 3．2 5 5～ a ， l l o 0m 2 ． O 9 O～ a ， l O 0 om 0．9 25～ a ，9 0 o m 9 ． 7 6 0～ a ， 8 0 0 m 8 ． 5 9 5～ a ， 7 o 0 m 7 ．43 0～ a ， 6 o 0 m 6．2 6 5～ a ， 5 o 0m 图 5 不 同地应力差 深度 下的时间 一蠕变曲线 图 4 2 4 O单元 1 2 7节点 F i 5 T i m e ．c陀印 s t r a i n c ur v es a t d i ffe r e nt F i 昏4 1 27 n o d e s o f 2 4 0 e l e men t s g r o u n d s t i e s s d e v i a t i o n d e p t h 由图 5可以看 出，当应力差增大时 ，即随着开采深度增大时蠕变也增大 ，且蠕变速度加快．而在浅部 不同深度下的岩石蠕变速度基本一样 ，随着采深的增加 ，岩石蠕变变形增大 ，变形速度也越来越快．这与 试验中得到的结论是完全一样的． 图 6为计算得 出的蠕 变变形 的非线性 过程 ．它不仅仅 是时 间的 函数 ，同时也是应 力差 的函数 ，即 t ， ．这里 的应力差与蠕变应变关系表现为非线性 ，这 与非线性流变理论相吻合．非线性 流变理 论仅指出应变与应力水平有关 ，而在蠕变问题分析时，实验和计算结果表明，应力差是产生蠕变变形的主 要 因素． 此外 ，若用不同时刻 t 平面或应力差 深度 平面来切此空间曲面 ，将得到相应 t 时刻的应力差 深 度 一 蠕变曲线和相应的应力差 深度的时间 一 蠕变曲线．在实际工程中，如果我们先通过计算获得 了某矿区深部岩体 的非线性流变曲面 ，就可 以利用这个方法来科学地预测巷道 围岩在不同时间和不同深度 5 0 5 0 5 0 5 0 啪 啪 Ⅲ 0 0 0 0 0 0 0 0 b 维普资讯 第4期 王永岩等深部岩体非线性蠕变变形预测的研究 4 1 3 a b 图6 插值前后时间 一地应力差 深度 一非线性蠕变曲面 Fi g ． 6 Ti me g r ou n d s t r es s de v i a t i o n s t r a i n no nl i n e a r c r e e p s u r f a c e 下的岩石的蠕变变形 ，从而合理地对其支护． 3 结 论 1 利用 T a b l e C u r v e s 3 D绘制了 “ 时间 一地应力差 深度 一蠕变” 非线性 流变 曲面 ，不仅证实 了 非线性流变理论 ，而且为深部工程 中的巷道 围岩的变形预测探索 了新 的途径． 2 通过单轴蠕变试验验证了非线性流变理论 ，并进一步得 出蠕变应变的大小随应力差 增大而增 大 ；蠕变速率也随着 的增加而增大变形规律 ，并且蠕变应变 、应力差和时间组成一个空间曲面，这正 是非线性蠕变模型． 3 利用 A N S Y S有限元分析软件对 5 0 0～1 5 0 0 m不 同深度的高应力巷道围岩进行了数值模拟，实现 了巷道围岩变形破坏过程的可视化和过程仿真． 4 利用单轴蠕变试验数据 ，拟合了蠕变方程 ，建立 了蠕变应变与时间和轴向应力的定量关系． 参考文献 [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] 郑榕明，陆浩亮 ， 孙均．软土工程中的非线性流变分析 [ J ] ．岩土工程学报 ， 1 9 9 6 ，1 8 5 1 1 3 ． 王永岩．软岩巷道变形与压力分析、控制及预测 [ J ] ．岩石力学与工程学报 ， 2 0 0 4，2 3 1 1 5 81 5 9 ． 刘高， 聂德新， 韩文峰．高应力软岩巷道围岩变形破坏研究 [ J ] ．岩石力学与工程学报， 2 0 0 0 ，1 9 6 7 2 6 7 3 0 ． 何满潮 ，吕晓俭，景海河。深部工程围岩特性及非线性动态力学设计理念 [ J ] ．岩土力学与工程学报，2 0 0 2 ，2 1 8 1 2 1 51 2 2 4 ． 张志强，关宝树．软弱围岩隧道在高地应力条件下的变形规律研究 [ J ] ．岩3 - 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