深部巷道結(jié)構(gòu)面對(duì)巖石破壞的機(jī)理研究

■陳忍　王偉　武中亞　萬通

（中國礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院　江蘇　徐州　221116）

深部巷道結(jié)構(gòu)面對(duì)巖石破壞的機(jī)理研究

■陳忍王偉武中亞萬通

（中國礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院江蘇徐州221116）

基于巖石結(jié)構(gòu)面的庫侖破壞理論，以結(jié)構(gòu)面的傾角和粗糙情況為研究對(duì)象，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行三軸壓縮試驗(yàn)，模擬深部巷道圍巖壓力，研究深部巖體的強(qiáng)度特征及破壞特性。研究表明，結(jié)構(gòu)面的傾角越大，抗壓強(qiáng)度越大，結(jié)構(gòu)面越粗糙，抗壓相對(duì)較大，但影響不太明顯。研究成果可供對(duì)結(jié)構(gòu)面對(duì)巖石強(qiáng)度破壞的基本認(rèn)識(shí)。

結(jié)構(gòu)面三軸壓縮深部巷道傾角粗糙

1　引言

巖體中常常富含各種各樣的結(jié)構(gòu)面，結(jié)構(gòu)面的幾何特征和強(qiáng)度特征對(duì)工程巖體的穩(wěn)定性起著至關(guān)重要的特征。結(jié)構(gòu)面按照粗糙程度的形態(tài)，可以分為平直的，波形的，鋸齒的，臺(tái)階的和不規(guī)則的幾種。這種粗糙結(jié)構(gòu)不僅對(duì)巖石的抗剪強(qiáng)度有影響，對(duì)巖石的抗壓破壞也有一定的影響。

目前，以三軸試驗(yàn)為手段開展的巖體強(qiáng)度結(jié)構(gòu)面效應(yīng)研究很多，通過三軸試驗(yàn)對(duì)單結(jié)構(gòu)面巖石的破裂機(jī)制和強(qiáng)度特性進(jìn)行了研究，比較一致的觀點(diǎn)是：巖石的破壞形式與圍壓關(guān)系密切，同時(shí)還必須考慮巖塊本身及結(jié)構(gòu)面的形式。鑒于這些，本文從巖體強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)面效應(yīng)入手，以常規(guī)的三軸壓縮試驗(yàn)為手段，來探討各種不同的裂隙沿結(jié)構(gòu)面抗壓破壞的影響因素及強(qiáng)度特征。

2　實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

三軸實(shí)驗(yàn)是一種破壞性試驗(yàn)現(xiàn)場一般取樣比較困難，因此需要人工制作不同尺寸和粗糙度的裂隙試樣。設(shè)計(jì)的有直線型A,直線鋸齒形B和鋸齒形C；裂隙傾角a為60°，70°；裂隙長度為定值26mm。

巖石材料的制備和試驗(yàn)條件：

利用多次配合比實(shí)驗(yàn)，特制的高強(qiáng)度水泥砂漿材料，試樣的標(biāo)準(zhǔn)尺寸為D50mm，H100mm。實(shí)現(xiàn)對(duì)不含裂隙的試樣進(jìn)行力學(xué)性質(zhì)的測定，該材料脆性良好，物理力學(xué)性質(zhì)和真實(shí)巖石非常相近，可以很好的進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。如圖1。

圖1　試樣模型

表1　三軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)采取計(jì)算機(jī)全程控制，設(shè)計(jì)的圍壓大小分別為5、10、15Mpa。

3　試驗(yàn)結(jié)果及分析

文中的參數(shù)及術(shù)語如下:σ3圍壓的大小，σ1-σ3平面內(nèi)AB結(jié)構(gòu)面的長度為裂隙長度，AB方向和軸向方向的壓力的夾角為裂隙長度。殘余強(qiáng)度表示試樣進(jìn)入延性時(shí)的差應(yīng)力值。

表1給出各試樣在不同的圍壓條件三軸壓縮試驗(yàn)的結(jié)果。A1, B1,C1表示在傾角為60°，A2,B2,C2表示傾角為70°。X,Y,Z分別表示圍壓為5，10，15Mpa。

分析表1，我們可以發(fā)現(xiàn)如下特征：（1）裂隙傾角相同，裂隙長度相等，三種不同的裂隙試驗(yàn)的峰值強(qiáng)度隨著圍壓的增大而增大，殘余強(qiáng)度也大致呈增大的趨勢。（2）裂隙長度相等，圍壓相同時(shí)，試樣的峰值強(qiáng)度隨著裂隙傾角的增加而增加，殘余強(qiáng)度大致也呈這樣的規(guī)律。（3）在傾角，裂隙長度和圍壓都相等的條件下，鋸齒形結(jié)構(gòu)面的峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度都最大，其次是直線鋸齒形和直線型。

圖2　抗壓強(qiáng)度與圍壓關(guān)系圖

將不同粗糙類型的結(jié)構(gòu)面和不同傾角的最大抗壓強(qiáng)度反應(yīng)在不同圍壓條件下，如圖2。結(jié)構(gòu)面的抗壓強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)面的粗糙程度有一定關(guān)系，越粗糙最大抗壓強(qiáng)度越大，延伸了抗剪強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)面的粗糙相關(guān)的規(guī)律。

4　結(jié)論

（1）深部巷道的所處的環(huán)境即是探討的圍壓，深度的不同，反應(yīng)的巖石三軸試驗(yàn)的圍壓。并且隨著深度的增加，巖石的抗壓強(qiáng)度增大。

（2）在一定條件下，巖石結(jié)構(gòu)面的傾角越大抗壓強(qiáng)度越大。

（3）結(jié)構(gòu)面的粗糙程度和巖石強(qiáng)度有著密切的聯(lián)系，在同一條件下鋸齒形結(jié)構(gòu)面的抗壓強(qiáng)度比直線形更大，但是影響程度較小。

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[2]冒海軍.結(jié)構(gòu)面對(duì)板巖力學(xué)特性影響研究 [J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)2005.(10): 3651-3656

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P62[文獻(xiàn)碼]B

1000-405X（2016）-9-374-1