貫通節(jié)理砂巖峰后變形試驗(yàn)研究及其在隧道支護(hù)中的應(yīng)用

平 洋,李樹(shù)忱,汪 雷

(山東大學(xué)巖土與結(jié)構(gòu)工程研究中心,山東濟(jì)南 250061)

貫通節(jié)理砂巖峰后變形試驗(yàn)研究及其在隧道支護(hù)中的應(yīng)用

平 洋,李樹(shù)忱,汪 雷

(山東大學(xué)巖土與結(jié)構(gòu)工程研究中心,山東濟(jì)南 250061)

深部資源開(kāi)發(fā)中地下硐室圍巖穩(wěn)定控制必須面對(duì)峰后碎裂巖體的變形和破壞問(wèn)題,但目前對(duì)峰值強(qiáng)度后的變形特征和強(qiáng)度特性研究不足,認(rèn)識(shí)不充分,常導(dǎo)致大體積塌方、大變形等重大工程事故。采用RLW－1000型巖石三軸伺服剛性機(jī)對(duì)不同圍壓貫穿裂隙圓柱體標(biāo)準(zhǔn)試件進(jìn)行常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn),分析裂隙巖體在不同圍壓下裂隙巖體的峰后強(qiáng)度和變形特性。試驗(yàn)結(jié)果表明:裂隙試件的峰值強(qiáng)度,殘余強(qiáng)度和峰值應(yīng)變基本上是隨著圍壓的增大而增大;圍壓越小,裂隙巖石峰后擴(kuò)容現(xiàn)象越明顯,巖石擴(kuò)容隨圍壓增大而減小,且?guī)r石可塑性和圍壓共同影響巖石擴(kuò)容。結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)將峰后非連續(xù)體變形控制在殘余強(qiáng)度的初始階段,能以相對(duì)較低的支護(hù)阻力有效控制過(guò)高的破裂膨脹變形發(fā)生,保證隧道圍巖的穩(wěn)定。

圍壓;峰后;隧道支護(hù);三軸壓縮試驗(yàn);殘余強(qiáng)度;最佳支護(hù)力

巖石類材料的峰后力學(xué)行為一直是巖石力學(xué)研究領(lǐng)域的重點(diǎn),也是難點(diǎn)之一?，F(xiàn)在已經(jīng)有足夠的證據(jù)證實(shí):巷道圍巖存在斷裂帶是普遍現(xiàn)象,巷道支護(hù)所涉及的對(duì)象正是這些處于峰后的破裂巖體,巷道地壓的顯現(xiàn)也正是峰后破裂巖體的力學(xué)表現(xiàn)。研究巖石材料在峰后力學(xué)行為對(duì)于指導(dǎo)巷道支護(hù)具有重要的意義[1－3]。

在20世紀(jì)五六十年代,Bridgeman和Handin就對(duì)剪脹進(jìn)行過(guò)研究。之后,Brance等在高圍壓下做了系統(tǒng)試驗(yàn),并闡明了宏觀破裂之前出現(xiàn)微裂紋的過(guò)程[4]。W.R.Wawersik和Fairhurst對(duì)一些比較堅(jiān)硬的巖石如砂巖等進(jìn)行了峰后試驗(yàn)和研究,提出了將巖石單軸壓縮試驗(yàn)的全過(guò)程曲線峰值后特性分為“Ⅰ型”和“Ⅱ型”兩個(gè)基本類型,這種分類法似乎已成為被普遍接受的定論[5]。T.G.Joseph通過(guò)試驗(yàn)得出了峰值強(qiáng)度與殘余強(qiáng)度的關(guān)系曲線,得到隨著圍壓的增大,峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度不斷增大[6]。Fang等在巖石三軸試驗(yàn)基礎(chǔ)上,提出了強(qiáng)度退化指數(shù)的概念,利用強(qiáng)度退化指數(shù)可以較好地?cái)M合巖石峰后強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)和圍壓的關(guān)系[7]。李曉[8]利用MTS電伺服巖石力學(xué)試驗(yàn)機(jī)對(duì)煤礦頂板頁(yè)巖進(jìn)行了峰后蠕變?cè)囼?yàn),建立了巖石峰后的統(tǒng)計(jì)損傷模型。陳慶敏通過(guò)改造普通試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行了巖石殘余強(qiáng)度與變形特性的試驗(yàn)研究[9],研究指出,巖石的殘余強(qiáng)度與殘余變形不再是巖石材料的本質(zhì)屬性,而是巖塊與巖塊之間的結(jié)構(gòu)屬性。靖洪文等[10－11]分析不同圍壓下巖石應(yīng)力－應(yīng)變?cè)囼?yàn)中完整巖石強(qiáng)度、剪脹力及體積應(yīng)變隨圍壓的變化情況規(guī)律,揭示了高應(yīng)力作用下松動(dòng)圈巷道圍巖大變形的力學(xué)機(jī)理,提出了破裂巖體圍巖與支護(hù)相互作用及最佳支護(hù)力位于“剪脹二期”初始點(diǎn)的新觀點(diǎn)。楊米加和賀永年[12]采用預(yù)先制裂的方法,即先使巖樣在單軸和三軸壓力下破壞,然后測(cè)試其隨荷載變形的特性,通過(guò)在伺服試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行巖石破壞后強(qiáng)度試驗(yàn),得出了巖石破壞后強(qiáng)度隨圍壓的增加逐漸由不穩(wěn)定向穩(wěn)定過(guò)渡的特性,并得出了巖石的二次峰值強(qiáng)度與初次破壞狀態(tài)的統(tǒng)計(jì)關(guān)系式。韓立軍認(rèn)為破碎巖峰后呈現(xiàn)的是結(jié)構(gòu)效應(yīng),并采用套管對(duì)試件加以環(huán)向約束,應(yīng)用能量耗散原理對(duì)巖石全應(yīng)力應(yīng)變過(guò)程進(jìn)行分析,對(duì)環(huán)向約束條件下巖石破壞后的結(jié)構(gòu)效應(yīng)和錨注加固特性進(jìn)行了細(xì)致深入的研究[13]。楊超等[14]運(yùn)用Hoek提出的由主應(yīng)力圓包絡(luò)線確定黏聚力和內(nèi)摩擦角等效數(shù)值的方法和曲線擬合的方法,研究了圍壓對(duì)軟巖峰后軟化特性的影響以及軟巖峰后宏觀物性參數(shù)的應(yīng)變軟化規(guī)律。目前對(duì)于含有節(jié)理裂隙的巖體峰后變形特性影響三軸試驗(yàn)的研究鮮有報(bào)道[15－16],由于巖石力學(xué)屬性的復(fù)雜性以及試驗(yàn)設(shè)備、測(cè)試手段的限制,這方面的研究也一直是一個(gè)難點(diǎn),而開(kāi)展此類研究并將其應(yīng)用到實(shí)際工程中具有一定的實(shí)際意義。

深部資源開(kāi)發(fā)中地下硐室圍巖穩(wěn)定控制必須面對(duì)峰后碎裂巖體的變形和破壞問(wèn)題,而對(duì)峰值強(qiáng)度后的變形特征和強(qiáng)度特性研究不足,認(rèn)識(shí)不充分,常導(dǎo)致大體積塌方、大變形等重大工程事故,為了充分了解破裂巖石本身的自穩(wěn)性能,本文采用室內(nèi)三軸壓縮試驗(yàn)分析了在不同圍壓下砂巖的峰后特性,試驗(yàn)結(jié)果可反映深部地下工程圍巖在不同支護(hù)所形成的結(jié)構(gòu)性約束條件下的承載能力和穩(wěn)定性。

1 室內(nèi)三軸壓縮試驗(yàn)

1.1 試件制備

試件選用高100 mm、直徑50 mm的標(biāo)準(zhǔn)圓柱形巖石試塊,如圖1所示(圖中β為加載面與節(jié)理面間的夾角,β的取值分別為30°和50°)。

圖1 含貫通節(jié)理的巖體受力分布Fig.1 The stress distribution of jointed specimen

試件采用標(biāo)號(hào)425普通硅酸鹽水泥、砂子、水、減水劑按照1∶2.60∶0.35∶0.02的比例進(jìn)行配比,在攪拌機(jī)中攪拌120次,然后再加水?dāng)嚢?20次,攪拌均勻之后將混合材料放入制作好的模具中(為了達(dá)到制作直徑50 mm、高度100 mm的標(biāo)準(zhǔn)巖石試塊,由于取芯后還要上、下兩端打磨,所以矩形模具的尺寸也要做成稍微大些102 mm×102 mm×102 mm),然后在振動(dòng)臺(tái)上振動(dòng)150 s,振動(dòng)之后的材料已經(jīng)稍微有強(qiáng)度和一定的和易性,再用0.1 mm厚的薄鋼片沿著模具的刻槽插入預(yù)制出不同角度的裂隙,并在混合物初凝之前拔出薄鋼片。養(yǎng)護(hù)24 h后拆模,再養(yǎng)護(hù)28 d。

將養(yǎng)護(hù)好的試件用取芯機(jī)取芯,得出節(jié)理在中間的標(biāo)準(zhǔn)圓柱體巖石試塊(圖2)。再用打磨機(jī)將兩端打磨平整,得到含不同傾角預(yù)制貫穿節(jié)理的類巖石材料的標(biāo)準(zhǔn)試件。按照上述比例配置出的類巖石材料與現(xiàn)實(shí)工程中的砂巖較好地符合了相似理論的要求。通過(guò)一系列的試驗(yàn)得出此材料制作的完整試件的物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

圖2 含貫通節(jié)理的巖石試件示意Fig.2 Schemes of jointed specimen

表1 模型材料和砂巖的物理力學(xué)參數(shù)測(cè)試指標(biāo)Table 1 Physical-mechanical parameters of mortar sample and sandstone

1.2 試驗(yàn)設(shè)備及加載條件

試驗(yàn)采用山東大學(xué)RLW－1000型巖石三軸流變儀完成(圖3),其主要技術(shù)參數(shù)如下:

(1)加載系統(tǒng):最大軸向壓力為1 000 kN,最大圍壓為50 MPa,測(cè)量精度為±2%。

(2)應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng):最大軸向變形為8 mm;最大徑向變形為4 mm;測(cè)量精度均為±0.5%。適合試樣尺寸為直徑50～75 mm、高度100～150 mm。

圖3 RLW－1000伺服三軸壓力機(jī)及位移傳感器裝置Fig.3 RLW－1000 servo-controlling testing machine and schemes of displacement sensor

(3)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng):可以連續(xù)工作1 000 h;試驗(yàn)中可以記錄環(huán)境溫度,實(shí)時(shí)記錄繪制應(yīng)力、應(yīng)變和時(shí)間關(guān)系曲線;并可以隨時(shí)輸出數(shù)據(jù),以便深入分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程由計(jì)算機(jī)自動(dòng)采集記錄應(yīng)力－應(yīng)變?nèi)^(guò)程,對(duì)每個(gè)節(jié)理傾角試件系列,進(jìn)行了完全相同試驗(yàn)條件的重復(fù)試驗(yàn),每個(gè)系列做出5個(gè),選取中間值作為該角度的代表,則試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 貫穿裂隙試件三軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果Table 2 The test results of the fractured specimens under triaxial compression

2.1 圍壓作用下峰后巖石強(qiáng)度基本特性

對(duì)于巖石的強(qiáng)度特征,國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者[15－18]已進(jìn)行了多方面的研究,但對(duì)峰值后巖石強(qiáng)度的基本特性研究較少。對(duì)于深部巷道圍巖支護(hù)來(lái)講,巖石峰值后強(qiáng)度特性又顯得尤為重要。

以傾角為30°和50°為例,分析圍壓對(duì)含貫通節(jié)理砂巖的峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度的影響,如圖4所示。擬合得到峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度與圍壓變化之間的函數(shù)關(guān)系如圖4中的實(shí)線(傾角為30°)和虛線(傾角為50°)。從圖中可知:

圖4 裂隙巖體強(qiáng)度與圍壓關(guān)系曲線Fig.4 Relationship between strength of fractured rock mass and confining pressure

(1)隨著圍壓增加,類砂巖峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度曲線呈非線性增大,隨著圍壓增加,類砂巖峰值強(qiáng)度的增大率逐漸減小,趨于平穩(wěn)。當(dāng)圍壓從0增加到3 MPa時(shí),峰值強(qiáng)度提高了3倍;當(dāng)圍壓從0增加到5 MPa時(shí),峰值強(qiáng)度提高了3～4倍;0～10 MPa時(shí),峰值強(qiáng)度提高了3～6倍;表明在低圍壓條件下,圍壓對(duì)其峰值強(qiáng)度影響較大。表明在圍巖未破壞前(未達(dá)到峰值強(qiáng)度時(shí)),圍壓對(duì)其強(qiáng)度影響較小。即峰值前圍巖不需支護(hù),大量的彈塑性力學(xué)(連續(xù)體)研究成果充分證明了這一點(diǎn)[11,19]。

(2)隨著圍壓的增大,在不同傾角下類砂巖殘余強(qiáng)度的變化趨勢(shì)相似,增長(zhǎng)幅度較大。當(dāng)圍壓從0增加到10 MPa時(shí),巖石的殘余強(qiáng)度約提高12倍。峰值后,巖石表現(xiàn)出對(duì)圍壓變化很敏感。圍巖破壞后,圍壓等價(jià)于破裂巖體所受的支護(hù)阻力,支護(hù)阻力可使其殘余強(qiáng)度提高。它實(shí)質(zhì)上反映出圍巖松動(dòng)圈內(nèi)殘余強(qiáng)度在不同支護(hù)阻力下的值。當(dāng)節(jié)理傾角為30°時(shí),經(jīng)擬合得到的圍巖殘余強(qiáng)度與支護(hù)阻力的關(guān)系式為σ0=－0.245 1σ23+8.117 9σ3+5.825 7;當(dāng)傾角為50°時(shí),圍巖殘余強(qiáng)度與支護(hù)阻力的關(guān)系式為σ0=－0.308 3σ23+7.962 8σ3+3.443 9。圍壓和節(jié)理共同影響著巖體的強(qiáng)度。所以對(duì)于深部巷道支護(hù)來(lái)講,從安全經(jīng)濟(jì)角度出發(fā),支護(hù)阻力或者說(shuō)圍壓有一最佳值,可根據(jù)實(shí)際工程情況確定。

為了充分利用圍巖的自承力,在開(kāi)掘巷道后應(yīng)使安設(shè)支護(hù)的時(shí)間盡量推遲一些,這樣,才能達(dá)到通過(guò)變形釋放能量的效果和有利于減輕支護(hù)受載。但是為了保證安全,支護(hù)時(shí)間又不宜過(guò)晚[11,18]。

2.2 裂隙巖體應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

峰值強(qiáng)度后的曲線揭示了巖石在強(qiáng)度峰值后仍具有承載能力的實(shí)質(zhì),雖然這種承載性在單軸情況下是不穩(wěn)定的,但是對(duì)于地下巖石處于多向壓縮條件下,卻有重要意義[20]。全應(yīng)力－應(yīng)變曲線給巖石工程帶來(lái)了重要信息,利用巖石強(qiáng)度峰值后承載能力的觀念更是地下巖石工程穩(wěn)定理論的重要部分。

巷道圍巖破壞后的主要變形特征是應(yīng)變軟化,所以在此將三軸試驗(yàn)得到的應(yīng)力(σ1－σ3)－軸向應(yīng)變(ε1)曲線分為3階段:峰前、峰后軟化階段、殘余強(qiáng)度階段。巖石應(yīng)力－應(yīng)變曲線峰前部分,巖石的力學(xué)性質(zhì)一般較為穩(wěn)定,在此將重點(diǎn)研究含貫穿節(jié)理類砂巖的峰后變形特性。在此以傾角為50°為例,分析地下裂隙巖體的力學(xué)特性。在不同圍壓條件下,裂隙巖體的應(yīng)力－應(yīng)變變化曲線如圖5所示。可以看出在不同圍壓條件下,峰值應(yīng)變隨著圍壓的增大而增大。

圖5 裂隙巖體應(yīng)力－應(yīng)變曲線Fig.5 Stress-strain curves of fractured rock mass

彈性階段的泊松比μ的計(jì)算采用峰值強(qiáng)度前近直線段的ε3/ε1,分別采用采用軟化階段和殘余強(qiáng)度階段ε3/ε1來(lái)定義峰后軟化階段的試泊松比和殘余強(qiáng)度階段試泊松比。峰前徑向應(yīng)變和軸向應(yīng)變速率之比呈現(xiàn)近似線性關(guān)系,并且泊松比μ在0.20～0.25。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中峰值點(diǎn)之后很短的時(shí)間內(nèi),側(cè)向應(yīng)變?chǔ)?和軸向應(yīng)變?chǔ)?之間的關(guān)系是非線性的,但其比值仍能從其曲線上取切線作為軟化階段試泊松比。圖6展示了不同圍壓下傾角30°的裂隙巖石試件在各個(gè)階段的泊松比,從圖中可以看出圍壓對(duì)裂隙巖石試件的峰前彈性階段泊松比影響非常小,而峰后軟化階段和殘余強(qiáng)度階段的ε3/ε1(試泊松比)隨圍壓的增大而減小,且變化較大,圍壓越小,裂隙巖石峰后擴(kuò)容現(xiàn)象越明顯。在側(cè)向應(yīng)變?chǔ)?快速增大,明顯大于軸向應(yīng)變?chǔ)?的增長(zhǎng)速率,表現(xiàn)為明顯的側(cè)向擴(kuò)容。

圖6 不同圍壓下裂隙巖體各個(gè)階段的泊松比Fig.6 Poisson’s ratio of the various stages of fractured rock mass under different confining pressure

巷道的主要支護(hù)對(duì)象是圍巖的碎脹變形,支護(hù)的作用是限制圍巖松動(dòng)圈形成過(guò)程中碎脹力所造成的有害變形。巖石在其承載能力達(dá)到峰值強(qiáng)度后破裂,破碎巖在峰后區(qū)將產(chǎn)生顯著的體積膨脹效應(yīng),表現(xiàn)為巖石擴(kuò)容。把巖石擴(kuò)容定義為:巖石在偏差應(yīng)力作用下其體積由壓縮轉(zhuǎn)變?yōu)榕蛎浀霓D(zhuǎn)折點(diǎn)起直到巖石破壞為止的體積增量[19]。因此,研究巖石擴(kuò)容與支護(hù)作用力之間的相互關(guān)系是確定巖石穩(wěn)定狀態(tài)的重要手段。在巖石力學(xué)室內(nèi)試驗(yàn)時(shí),則表現(xiàn)為巖石擴(kuò)容與圍壓的關(guān)系。

根據(jù)試驗(yàn)得到試件的軸向和徑向應(yīng)變,由εV= ε1+2ε3,計(jì)算得到試件的體積應(yīng)變。體積應(yīng)變是巷道圍巖收斂變形的原因。在不同圍壓條件下,裂隙巖體的體積應(yīng)變變化曲線如圖7所示。結(jié)合圖5和7分析發(fā)現(xiàn):隨著軸向應(yīng)變的增大,體積應(yīng)變首先表現(xiàn)為彈性壓縮;當(dāng)巖石應(yīng)力達(dá)到巖石峰值強(qiáng)度的1/2或2/3處時(shí),體積應(yīng)變由壓縮逐漸向膨脹過(guò)渡即擴(kuò)容(巖石擴(kuò)容起始點(diǎn)定義為在彈性收縮和體積擴(kuò)容兩線性部分的交叉點(diǎn)),應(yīng)力發(fā)生跌落;巖石擴(kuò)容的起始點(diǎn)隨圍壓的增加所需要的軸向應(yīng)變也增加;巖石擴(kuò)容隨圍壓的增大而減小。從試件試驗(yàn)結(jié)果中可以看出:當(dāng)圍壓小于10 MPa時(shí),峰后由破裂和破裂巖塊滑移引起的變形占總體積應(yīng)變的90%～98%,而峰值前由彈塑性引起的變形量較小,占2%～10%。這再次說(shuō)明巷道圍巖支護(hù)對(duì)象是巖石弱化及殘余強(qiáng)度段變形量。圍壓等價(jià)于破裂巖體所受的支護(hù)阻力,如果降低支護(hù)阻力至某一臨界值,圍巖則產(chǎn)生很大的變形量直至失穩(wěn),此時(shí)的臨界值就是維持巷道穩(wěn)定的最小支護(hù)力[11,21]。

把巖石擴(kuò)容線段與水平軸線夾角定義為擴(kuò)容角θ,(圖7)則擴(kuò)容角[21]可由以下表達(dá)式確定:

將εV=ε1+2ε3代入式(1),可以推導(dǎo)出擴(kuò)容角與應(yīng)變的關(guān)系式:

圖7 不同圍壓裂隙巖體應(yīng)變－體積應(yīng)變曲線Fig.7 Strain-volume strain curves of fractured rock mass under different confining pressure

3 硐室圍巖與支護(hù)相互作用機(jī)理分析

隧道圍巖與支護(hù)的共同作用,與圍巖狀態(tài)是密切相關(guān)的。一般開(kāi)巷后應(yīng)及時(shí)進(jìn)行支護(hù),但由于它在時(shí)間上的滯后性和支護(hù)與圍巖間存在一定量的“自然間隙”,因此,它對(duì)圍巖的彈塑性擴(kuò)容變形起不到實(shí)質(zhì)上的支護(hù)作用。巖石試件試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)峰值前(彈塑性階段)巖石體積應(yīng)變處于壓縮狀態(tài),峰值點(diǎn)基本為其轉(zhuǎn)折點(diǎn)[3]。圍巖破裂將使巷道穩(wěn)定性降低,圍巖破裂范圍越大,圍巖穩(wěn)定性越差,但地下工程與地面結(jié)構(gòu)不同,圍巖破裂并不意味圍巖失穩(wěn)。是否失穩(wěn)取決于力能否平衡,圍巖破裂意味著圍巖處于峰值后巖石弱化或殘余強(qiáng)度段狀態(tài)(此時(shí)圍巖應(yīng)力值很小),而且破裂圍巖仍然具有一定的承載能力[21－22]。認(rèn)清這點(diǎn)有利于在客觀的基礎(chǔ)上研究支護(hù)問(wèn)題。

通過(guò)試驗(yàn)得到:圍壓越大,殘余強(qiáng)度越大,則破裂圍巖承載能力也越大。巷道主要支護(hù)對(duì)象是圍巖的破裂膨脹及破裂后巖石塊體非連續(xù)變形。巷道周邊附近圍巖松動(dòng)圈(斷裂帶)的切向應(yīng)力等價(jià)于巖石試件的殘余強(qiáng)度,徑向應(yīng)力等價(jià)于巖石試件所受圍壓,也可以說(shuō)破裂巖體所受的支護(hù)阻力。有效地利用圍巖的自承力,又保證圍巖不發(fā)生松動(dòng)破壞,一個(gè)可行的辦法就是使巷道支護(hù)向圍巖提供一定的阻力,使圍巖在承受一定阻力時(shí)有限制地向巷道空間內(nèi)變形[11]。

圖8為典型的硐室圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)共同作用的關(guān)系曲線,圖中p為支護(hù)力,u為圍巖變形;曲線a′b′c′d′是典型隧道圍巖的開(kāi)挖過(guò)程的特征曲線,開(kāi)挖后,圍巖應(yīng)力急劇減小,后趨于平穩(wěn),變形逐漸增大;直線aa′,bb′,cc′和dd′表示支護(hù)結(jié)構(gòu)的特征曲線,施加支護(hù)后,支護(hù)結(jié)構(gòu)的抗力近似按線彈性增加。分析aa′,bb′,cc′和dd′曲線,可見(jiàn)支護(hù)結(jié)構(gòu)的施作時(shí)間是圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)受力的重要影響因素之一,適當(dāng)延后支護(hù)結(jié)構(gòu)的施工時(shí)間可以充分發(fā)揮圍巖的自承能力,有效降低支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力;而施工不及時(shí)會(huì)導(dǎo)致圍巖的變形顯著增加,產(chǎn)生安全隱患;比較bb′和bc′曲線可知支護(hù)剛度也會(huì)影響相互作用的因素,在同等工況下,選擇支護(hù)剛度較低的柔性支護(hù)可以更大程度的發(fā)揮圍巖的自承能力[23－24]。

圖8 典型圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)相互作用的關(guān)系曲線Fig.8 The interaction relation curve of typical surrounding rock and supporting structure

因此將峰后非連續(xù)體變形控制在殘余強(qiáng)度的初始階段,能以相對(duì)較低的支護(hù)阻力有效控制過(guò)高的破裂膨脹變形發(fā)生,保證隧道圍巖的穩(wěn)定。

4 結(jié) 論

(1)隨著圍壓增加,類砂巖峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度曲線呈非線性增大,峰值后,巖石表現(xiàn)出對(duì)圍壓變化很敏感。

(2)在不同圍壓條件下,峰值應(yīng)變隨著圍壓的增大而增大;圍壓對(duì)裂隙巖石試件的峰前彈性階段泊松比影響非常小,而峰后軟化階段和殘余強(qiáng)度階段的泊松比隨圍壓的增大而減小,且變化較大。

(3)體積應(yīng)變是巷道圍巖收斂變形的主要原因。圍壓越小,裂隙巖石峰后擴(kuò)容現(xiàn)象越明顯,巖石擴(kuò)容隨圍壓增大而減小,且?guī)r石可塑性和圍壓共同影響巖石擴(kuò)容。

(4)將峰后非連續(xù)體變形控制在殘余強(qiáng)度的初始階段,能以相對(duì)較小的支護(hù)阻力有效控制過(guò)高的破裂膨脹變形發(fā)生,保證隧道圍巖的穩(wěn)定。

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Experimental study of post-peak deformation of sandstone with pre-existing transfixion joint and its application in tunnel support

PING Yang,LI Shu-chen,WANG Lei
(Geotechnical and Structural Engineering Research Center,Shandong University,Jinan 250061,China)

Stability control of surrounding rock of underground caverns in deep resources development must face the post-peak deformation and failure problems of cataclastic rock mass,but the research of the post-peak deformation and strength characteristics is insufficient at the moment,so often leading to the large volume collapse,large deformation and other major projects accident.The conventional triaxial compression test of pre-existing transfixion jointed rock cylindrical standard specimen was made by using RLW-1000 type triaxial servo rigid machine in order to study the postpeak strength and deformation characteristics of fractured rock masses in different confining pressures.The results show that the peak strength,residual strength and peak strain of the fractured specimens essentially increases with the confining pressure;The smaller the confining pressure,the more obvious post-peak expansion of fractured rock,rocks expansion with confining pressure decreases,and the combined of rock plasticity and confining pressure effect rock expansion.Combined with the test results analysis found that the post-peak discontinuous deformation control in the initial stage of the residual strength,and relatively low support resistance can effectively control the excessive rupture expan-sion deformation,to ensure the stability of tunnel surrounding rock.

confining pressures;pro-peak;tunnel support;triaxial compression test;residual strength;best supporting force

TD315;TD353

A

0253－9993(2014)04－0644－07

平 洋,李樹(shù)忱,汪 雷.貫通節(jié)理砂巖峰后變形試驗(yàn)研究及其在隧道支護(hù)中的應(yīng)用[J].煤炭學(xué)報(bào),2014,39(4):644－650.

10.13225/j.cnki.jccs.2013.0498

Ping Yang,Li Shuchen,Wang Lei.Experimental study of post-peak deformation of sandstone with pre-existing transfixion joint and its application in tunnel support[J].Journal of China Coal Society,2014,39(4):644－650.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.0498

2013－04－16 責(zé)任編輯:常 琛

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973)資助項(xiàng)目(2010CB732002);國(guó)家自然科學(xué)基金面上基金資助項(xiàng)目(51179098);國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)資助項(xiàng)目(51134001)

平 洋(1986—),女,湖北洪湖人,博士研究生。E－mail:pingyang.1019@163.com。通訊作者:李樹(shù)忱(1973—),男,教授,博士生導(dǎo)師,博士。E－mail:shuchenli@sdu.edu.cn