基于場應(yīng)變的充填體與圍巖組合模型循環(huán)加卸載試驗研究

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(1.華北理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，河北 唐山 063009；2. 華北理工大學(xué) 河北省礦業(yè)開發(fā)與安全工程實驗室，河北 唐山 063009 )

1 研究背景

工程巖體在礦山開采作業(yè)中處于不斷的動態(tài)擾動過程中，每次開采導(dǎo)致的巖體擾動都會引起其應(yīng)力狀態(tài)重新分布，導(dǎo)致工程巖體處于反復(fù)加卸載狀態(tài)。實時監(jiān)測處于反復(fù)加卸載狀態(tài)下的巖體變形情況具有重要的工程實際意義，因此研究循環(huán)加卸載條件下的充填體與圍巖相互作用機理具有重要實際意義。

當前，充填采礦方法在礦山開采工程中被廣泛應(yīng)用，眾多學(xué)者也從不同的角度就充填體對圍巖的力學(xué)作用機理進行了深入的探索，并提出了多種力學(xué)作用機理。Yamaguchi等[1]認為，隨著周圍巖體的變形程度增大，充填體開始發(fā)揮支護作用，即使充填體被充分壓縮，對于圍巖的移動變形還是會起到很大制約作用，而非只起到對圍巖的支護作用；巖體由于變形破壞產(chǎn)生的裂隙和塑性變形致使體積膨脹，會出現(xiàn)新的壓力拱。蔡嗣經(jīng)等[2]根據(jù)充填體與圍巖的相互作用機理采用Drucker-Prager強度準則確立了充填體-圍巖的力學(xué)模型。秦帥等[3]、彭志華[4]通過試驗研究，進一步論證了充填體的應(yīng)力吸收與應(yīng)力轉(zhuǎn)移、應(yīng)力隔離、被動支撐等作用。Liu等[5]探討了不同灰砂比充填體的破壞機理及充填體與圍巖的相互作用機理。Xue等[6]為確定最佳的沿空留巷寬度，利用數(shù)值模擬等方法研究了不同充填寬度下巷道圍巖變形破壞機理。馬小亮等[7]、吳彬等[8]研究了在循環(huán)加卸載過程中不同側(cè)應(yīng)力和不同應(yīng)變速率下的混凝土的損傷規(guī)律。趙星光等[9]、焦貴德等[10]、趙闖等[11]分析了不同種類巖石在循環(huán)加卸載過程中的破壞規(guī)律。

傳統(tǒng)方法布設(shè)應(yīng)變片監(jiān)測的是埋設(shè)區(qū)域的局部應(yīng)變，對于全場變形的測量還存在一定的缺陷。全場應(yīng)變儀則能夠進行高精度的非接觸全場應(yīng)變監(jiān)測，故作為一種新型監(jiān)測手段被眾多學(xué)者用于監(jiān)測巖石受壓過程中的變形場情況。米紅林[12]利用電阻應(yīng)變計驗證了數(shù)字散斑相關(guān)測量技術(shù)，能夠用于巖石等材料的形變檢測、預(yù)報變形信息，其結(jié)果可以定量和定性顯示。郭文婧等[13]基于數(shù)字散斑相關(guān)方法開發(fā)了一種虛擬引伸計測量方法，并通過實驗驗證了虛擬引伸計的可靠性。彭瑞東等[14]將亞像素插值和相關(guān)系數(shù)插值相結(jié)合，有效提升了數(shù)字散斑相關(guān)法的搜索效率和計算精度，并通過自行研發(fā)的數(shù)字散斑相關(guān)方法程序?qū)崿F(xiàn)了巖石SEM圖像中微小變形的分析計算。宋義敏等[15]采用白光數(shù)字散斑相關(guān)方法作為實驗的觀察手段，對單軸壓縮條件下巖石變形破壞進行了研究。

盡管近年來國內(nèi)外的學(xué)者對充填體與圍巖的破裂機理進行了大量的研究，獲得了很多有意義的結(jié)果，但這些結(jié)果主要是針對充填體的作用以及在額定荷載下充填體與圍巖相互作用，對于多次擾動下的充填體與圍巖相互作用機理研究不夠充分。本文采用VIC-3D非接觸全場應(yīng)變儀對循環(huán)加卸載過程中組合模型的應(yīng)變同步監(jiān)測，通過分析試驗中的應(yīng)力-應(yīng)變曲線以及場應(yīng)變演變情況，對組合模型的裂隙演變規(guī)律進行探索，以揭示循環(huán)加卸載條件下充填體與圍巖相互作用機理。

圖1 組合模型示意圖Fig.1 Schematic diagram of combined model of surrounding rock and mining stope

2 充填體與圍巖組合模型加卸載試驗

2.1 試樣制備與試驗方法

根據(jù)充填采礦法的原理，設(shè)計了如圖1所示的組合模型，立方體巖石試塊尺寸為150 mm×150 mm×150 mm，在立方體試塊中心開挖Φ50 mm×150 mm的圓柱孔洞模擬采場并充填。為了研究不同種類巖石的影響，圍巖采用大理巖、花崗巖、玄武巖3種巖石來模擬。

在立方體試塊孔中灌注質(zhì)量濃度為70%、灰砂比為1∶8的充填體，形成圍巖與充填體組合模型。在溫度20℃和濕度95%條件下將組合模型養(yǎng)護28 d，達到養(yǎng)護齡期后開始加卸載試驗。

在試驗過程中將側(cè)向壓力設(shè)為恒定荷載，模擬礦山應(yīng)力條件，選取5，10，15 MPa 3種不同側(cè)壓力；軸向采用速率為0.2 mm/min的位移控制方式進行逐級加卸載。循環(huán)上限應(yīng)力初始值為20 MPa，以20 MPa為梯度逐級增加上限應(yīng)力進行加卸載試驗，至試件達到峰值強度而破壞；在實際工程中，充填體與圍巖是存在于一定壓應(yīng)力下，因此每次卸載到抗壓強度的5%左右，軸向下限應(yīng)力設(shè)為5 MPa。每種巖石每種側(cè)壓力情況重復(fù)進行5次試驗，共計進行了45次組合模型試驗。同時，為了比較，每種巖石還進行了未充填圍巖模型試驗。

2.2 試驗設(shè)備及裝置

本次試驗采用RLW-3000微機控制剪切蠕變試驗機對充填體與圍巖組合模型進行雙軸加載，使用美國CSI公司生產(chǎn)的VIC-3D非接觸全場應(yīng)變儀監(jiān)測組合模型的軸向應(yīng)變、橫向應(yīng)變，試驗設(shè)備如圖2。在本次試驗中，為了便于觀測，區(qū)域選擇前端面進行研究，除去試驗中儀器所占位置，以菱形區(qū)域為研究對象。VIC-3D非接觸全場應(yīng)變測量系統(tǒng)采用優(yōu)化的3D影像相關(guān)算法，根據(jù)數(shù)字圖像相關(guān)方法對被測對象變形前后散斑場進行采集并轉(zhuǎn)成數(shù)字散斑場進而計算，獲取被測對象表面應(yīng)變分布情況，其測量精度可達±0.015%，能夠清晰發(fā)現(xiàn)臨界破壞點。

圖2 RLW-3000試驗機及全場應(yīng)變儀Fig.2 RLW-3000 testing machine and full-field strain gauge

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 不同側(cè)壓力下組合模型循環(huán)加卸載應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征

組合模型軸向應(yīng)變和橫向應(yīng)變數(shù)值通過全場應(yīng)變儀在所選觀測區(qū)應(yīng)變場進行平均獲得，體積應(yīng)變通過計算獲得。以大理巖為例，進行了以5，10，15 MPa 3種不同側(cè)壓條件下組合模型軸向應(yīng)變、橫向應(yīng)變及體積應(yīng)變與應(yīng)力關(guān)系的試驗結(jié)果分析，并繪制組合模型在循環(huán)加卸載破壞過程中的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線，如圖3所示。

圖3 不同側(cè)壓下大理巖應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.3 Stress-strain curves of marble under different lateral pressures

由圖3可以看出：3種側(cè)壓下的加載與卸載曲線均不重合，每個加卸載循環(huán)都會生成一個塑性滯回環(huán)；隨著循環(huán)的增加，塑性滯回環(huán)慢慢向兩側(cè)移動，破壞變形量的發(fā)展速度逐漸加快，累積變形量不斷增大，滯回環(huán)面積逐漸增大。這是由于在前幾個循環(huán)應(yīng)力水平比較低時，巖石變形主要方式為線彈性變形；進入第3個循環(huán)以后，應(yīng)力卸載點超過了巖石的屈服點，巖樣內(nèi)部較軟區(qū)域最先開始出現(xiàn)屈服弱化現(xiàn)象；隨著荷載的增大，屈服范圍不斷擴大，致使不可逆塑性變形逐漸增大。不同側(cè)壓力下的每個循環(huán)中卸載后留下的塑性變形也有不同，應(yīng)力-應(yīng)變滯回環(huán)在由加載轉(zhuǎn)為卸載時刻是尖葉狀，而非橢圓形，表明巖石的彈性變形響應(yīng)迅速，塑性變形小。

根據(jù)線應(yīng)變與體積應(yīng)變關(guān)系，繪出不同側(cè)壓下的大理石組合模型體積應(yīng)力應(yīng)變曲線(見圖3)。其中橫坐標正數(shù)代表試件受壓體積變小階段，出現(xiàn)這一過程主要是由于在較大的側(cè)壓存在情況下，試件內(nèi)部最初的裂隙在軸向加壓時逐漸壓實導(dǎo)致試件體積減小，如圖3(b)和圖3(c)；負數(shù)代表試件體積增大階段，這是因為隨著循環(huán)加卸載過程中荷載的增加使得試件橫向應(yīng)變逐漸增大，導(dǎo)致試件內(nèi)部裂隙擴張，出現(xiàn)擴容現(xiàn)象。因此大理巖的破裂經(jīng)歷了一個擴容的過程。

為研究側(cè)壓力對組合模型強度的影響，統(tǒng)計了不同側(cè)壓力下軸向應(yīng)力峰值，如表1。

表1 不同側(cè)壓下組合模型軸向應(yīng)力破壞峰值Table 1 Peak values of axial stress at failure of combinedmodel under different lateral pressures

分析表1可知：隨著側(cè)壓力值增加試樣破壞峰值強度增大，表明側(cè)壓阻礙了試樣的破壞和裂隙的滑移，提高了試樣的抗壓強度，并且側(cè)壓越大，滯回環(huán)越密集，巖石的殘余應(yīng)變越小。究其原因為試樣屈服產(chǎn)生裂隙后，在卸載過程中，側(cè)壓力能夠促使原有裂隙閉合，阻礙裂隙滑移，側(cè)壓力增高時裂隙閉合更加充分，試樣的變形減小，從而具有較高的彈性模量，表現(xiàn)出試樣抗變形能力隨側(cè)壓力的增大而逐步提高。

3.2 同一側(cè)壓力下不同種類巖石組合模型加卸載應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征

以側(cè)壓5 MPa條件下的組合模型為例，開展了大理巖、花崗巖、玄武巖3種不同圍巖組合模型軸向張拉應(yīng)變以及橫向應(yīng)變與應(yīng)力關(guān)系的試驗研究，獲得組合模型在破壞過程中的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線，如圖4所示。

圖4 不同組合模型的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.4 Stress-strain curves of combined models with three different rock types

根據(jù)圖4中的3種組合模型在5 MPa側(cè)壓下曲線可以看出：

(1)橫向應(yīng)力-應(yīng)變曲線在每次加載與卸載過程中均不重合，每次加載與卸載曲線都會構(gòu)成一個塑性滯回環(huán)，而且滯回環(huán)的面積隨加卸載循環(huán)的增多而不斷增大。其中，大理巖滯回環(huán)分布稀疏，存在較大塑性變形；玄武巖的滯回環(huán)最密集，各滯回環(huán)幾乎重合，接近線彈性；花崗巖介于二者之中。

(2)大理巖軸向應(yīng)力-應(yīng)變曲線中加載與卸載曲線不重合，存在顯著塑性滯回環(huán)；花崗巖與玄武巖幾乎重合，沒有明顯的塑性滯回環(huán)，其變形主要為彈性變形，幾乎沒有殘余變形。造成這種現(xiàn)象的原因是大理巖的塑性比較好，而花崗巖和玄武巖比較致密堅硬，不易產(chǎn)生殘余應(yīng)變。

4 不同圍巖加卸載破裂應(yīng)變場演變規(guī)律

為了研究組合模型在加卸載破裂過程中的應(yīng)變場演變規(guī)律，進一步分析充填體與圍巖相互作用的破裂機理。本文研究了不同側(cè)向應(yīng)力條件下大理巖、花崗巖、玄武巖3種不同圍巖組合模型x方向的應(yīng)變場，獲得組合模型在加、卸載破壞階段的x方向應(yīng)變場序列圖像，以exx表示x方向應(yīng)變，正數(shù)表示拉伸，負數(shù)表示壓縮。

圖5 大理巖應(yīng)變場序列演變過程Fig.5 Strain field of marble under different lateral pressures

4.1 不同側(cè)壓力下圍巖破裂應(yīng)變場演變規(guī)律

圖5為大理巖應(yīng)變場序列演變過程。由圖5(a)大理巖的x方向應(yīng)變場演化過程可以看出：試驗開始前σ=0(t=0 s)時，試樣x方向應(yīng)變都為0；第1個循環(huán)內(nèi)，整個試樣只有充填體上局部有張拉應(yīng)變區(qū)出現(xiàn)，面積比較小并且為隨機分布，沒有形成條帶區(qū)域；第2個循環(huán)加載至上限應(yīng)力σ=40 MPa(t=1 212 s)時，在充填體的中心有一條明顯的張拉應(yīng)變區(qū)，此時充填體被橫向拉伸，卸載至下限應(yīng)力σ=5 MPa(t=1 728 s)時，應(yīng)變又重新隨機分布；第3個循環(huán)加載至上限應(yīng)力σ=60 MPa(t=2 538 s)時，充填體中心的張拉應(yīng)變區(qū)上下延伸至圍巖內(nèi)，充填體左側(cè)圍巖也產(chǎn)生了一條豎向裂紋，卸載至下限應(yīng)力σ=5 MPa(t=3 361 s)時，在左側(cè)圍巖上仍能看出張拉應(yīng)變區(qū)，說明存在殘余應(yīng)變，該階段試樣已經(jīng)進入屈服階段；第4個循環(huán)加載至上限應(yīng)力σ=80 MPa(t=4 388 s)時，充填體右側(cè)圍巖上也產(chǎn)生了張拉應(yīng)變區(qū)，且?guī)缀跖c左側(cè)的豎向區(qū)域平行，此時充填體上的張拉應(yīng)變區(qū)應(yīng)變值減小,卸載至下限應(yīng)力σ=5 MPa(t=5 442 s)，左右圍巖均存在殘余應(yīng)變；第5個循環(huán)加載至σ=86 MPa(t=6 772 s)，試樣破壞，充填體中心的豎向裂紋閉合，左右兩側(cè)圍巖上張拉應(yīng)變區(qū)面積增大，圍巖左側(cè)裂紋的上部應(yīng)變值大于下部應(yīng)變值，主裂紋上形成一條分支裂紋，圍巖右側(cè)裂紋的下部應(yīng)變值大于上部應(yīng)變值。

同樣分析10 MPa和15 MPa 2種側(cè)壓力條件下大理巖應(yīng)變場演變也有類似規(guī)律。綜合分析3種不同側(cè)壓力下的大理巖應(yīng)變場圖像可知：張拉裂隙均主要產(chǎn)生在采場兩側(cè)圍巖中，基本呈對稱分布。在圍巖中首次出現(xiàn)明顯條帶張拉應(yīng)變的時刻分別為：側(cè)壓5 MPa下的第3個循環(huán)且上限應(yīng)力峰值σ=60 MPa(t=2 538 s)、側(cè)壓10 MPa下的的第4個循環(huán)且上限應(yīng)力峰值σ=80 MPa(t=4 342 s)、側(cè)壓15 MPa下的第5個循環(huán)且應(yīng)力峰值σ=100 MPa(t=6 810 s)。隨著側(cè)壓力值的增大，圍巖最大應(yīng)變值逐漸減小，側(cè)壓力為5 MPa時圍巖最大應(yīng)變值為3.6×10-2，10 MPa時為3.4×10-2，15 MPa時則為1.7×10-2。即側(cè)壓力的增大延遲了兩側(cè)圍巖張拉應(yīng)變的發(fā)生，對應(yīng)循環(huán)荷載下的張拉應(yīng)變值也有所降低，減緩了張拉破壞的出現(xiàn)。

4.2 不同種類圍巖破裂應(yīng)變場演變規(guī)律

在不同種類圍巖中，應(yīng)變場變化也表現(xiàn)出一定的差異性。圖6為側(cè)壓力5 MPa條件下不同圍巖應(yīng)變場演變過程。

圖6 不同種類圍巖應(yīng)變場變化Fig.6 Strain field variation of different types of surrounding rock

由圖6(a)試驗中花崗巖x方向應(yīng)變場演變過程可以看出：該演變過程與大理巖的演變過程類似，第1個加卸載循環(huán)內(nèi)張拉應(yīng)變區(qū)是隨機分布；第2個循環(huán)和第3個循環(huán)每次加載至上限應(yīng)力時充填體中心都產(chǎn)生了張拉應(yīng)變區(qū)，并隨著加卸載次數(shù)的增多而增大，每次卸載至下限應(yīng)力時應(yīng)變重新分布；第4個循環(huán)加載至上限應(yīng)力σ=80 MPa(t=4 688 s)時，充填體中心的張拉應(yīng)變區(qū)增大，程度變深，延伸至圍巖，并且充填體兩幫的上下側(cè)均產(chǎn)生了一條張拉應(yīng)變區(qū)，如圖6(a)中黃色圓圈標注區(qū)域；第5個循環(huán)加載至上限應(yīng)力σ=100 MPa(t=7 398 s)時，充填體兩幫上下側(cè)的張拉應(yīng)變區(qū)各自連接，最終演變?yōu)?條并列條帶狀張拉應(yīng)變帶；第6個循環(huán)加載至σ=118 MPa(t=10 428 s) 時，在第5個循環(huán)中出現(xiàn)的3條張拉應(yīng)變集中帶相互影響和“競爭”，最終兩側(cè)圍巖內(nèi)的2條占優(yōu)，中間充填體內(nèi)的應(yīng)變集中條帶被“淡化”。

由圖6(b)的x方向應(yīng)變場演變過程可以看出：第1個循環(huán)加載至上限應(yīng)力時，充填體左側(cè)有條帶狀的張拉應(yīng)變區(qū)；第2個循環(huán)加載至上限應(yīng)力時，充填體右側(cè)和上下方也出現(xiàn)張拉應(yīng)變區(qū)，表現(xiàn)為充填體周圍環(huán)形的張拉應(yīng)變區(qū)以及充填體正上方、正下方條帶狀的張拉應(yīng)變區(qū)；第3個循環(huán)加載至上限應(yīng)力時，前一個循環(huán)出現(xiàn)的環(huán)狀以及條帶狀張拉應(yīng)變區(qū)面積增大、程度加深；第4個循環(huán)加載至上限應(yīng)力時，除之前充填體周圍的環(huán)狀張拉應(yīng)變區(qū)以及充填體正上、下方的條帶區(qū)域以外，左上方、右上方圍巖也出現(xiàn)了豎向條帶狀的張拉應(yīng)變區(qū)；第5個循環(huán)以及第6個循環(huán)加載至上限應(yīng)力時，之前出現(xiàn)的張拉應(yīng)變區(qū)繼續(xù)增大；自第3個循環(huán)卸載至下限應(yīng)力開始試樣出現(xiàn)殘余變形，表明此循環(huán)開始試樣內(nèi)部較軟區(qū)域最先出現(xiàn)屈服弱化現(xiàn)象。

綜合分析可見：加載期間，采場兩側(cè)圍巖張應(yīng)變增大，呈張裂趨勢；卸載期間，上個循環(huán)的張應(yīng)變減小，呈裂隙閉合趨勢，但仍殘存張應(yīng)變。隨循環(huán)次數(shù)增加，加載產(chǎn)生的張應(yīng)變逐漸擴大，張裂條帶向上下擴展，而卸載殘余張裂也逐漸擴大。循環(huán)加卸載過程中，應(yīng)變場演變特征是：初期荷載較小時表現(xiàn)為應(yīng)變值隨機分布的近似均勻場，隨荷載增大應(yīng)變場從均勻場向非均勻場轉(zhuǎn)變，形成應(yīng)變集中條帶，而不同荷載卸載后應(yīng)變場又趨于近似均勻場。張裂破壞空間的變化一般規(guī)律是：張裂首先出現(xiàn)于充填體中，隨循環(huán)荷載增大，充填體破裂承載力下降，張裂向兩側(cè)圍巖中轉(zhuǎn)移，由此可認為，充填體與圍巖在循環(huán)加卸載作用下并非同步變形、同步承載，具有時空與破壞形式差異。隨巖石種類大理巖、花崗巖、玄武巖變化次序，脆彈性增強，破壞形式具有從雙裂隙向單裂隙轉(zhuǎn)變，且張裂隙增大趨勢。

5 組合模型破裂機理分析

5.1 充填采場圍巖破裂形式

為研究充填體對組合模型強度性能及破裂機理的影響，開展對比試驗，以側(cè)壓力5 MPa為例進行分析。表2為3種巖石未充填、充填試樣的破壞形式。

對于未充填的試樣，垂直應(yīng)力向模擬采場兩側(cè)轉(zhuǎn)移，兩側(cè)承載應(yīng)力，形成應(yīng)力集中，在加卸載后期較高應(yīng)力時兩幫出現(xiàn)強烈的巖爆現(xiàn)象，大理巖和花崗巖的巖爆剝離巖量較多，而玄武巖只是局部巖爆剝離。隨著應(yīng)力的進一步增大，大理巖、花崗巖以巖爆位置為起點形成宏觀剪切裂紋，而玄武巖則未出現(xiàn)顯著裂紋。

根據(jù)應(yīng)變場規(guī)律可知，組合模型的破壞形式主要為形成2條與中心充填體圓柱相切的張拉應(yīng)變區(qū)域。分析其原因為充填體對于圍巖起到了支撐作用，弱化了兩側(cè)圍巖的應(yīng)力集中現(xiàn)象，將模型整體劃分為2類區(qū)域，如圖7。相較于兩幫即Ⅱ區(qū)而言，中心帶即Ⅰ區(qū)的支護能力要弱且彈性模量比Ⅱ區(qū)低，因此在相同的荷載作用下，Ⅰ區(qū)的變形量更大，在Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)的交界面上剪應(yīng)力較集中，存在剪切應(yīng)變。由于大理巖和花崗巖的塑性較好，其組合模型最終破壞形式為剪切破壞；而玄武巖由于脆性較大，在循環(huán)加卸載過程中采場頂?shù)装宄霈F(xiàn)張拉破壞，形成一條垂直的“I”字形破壞帶。

表2 不同種類圍巖破壞形式Table 2 Failure modes of different types ofsurrounding rock

圖7 組合模型破裂應(yīng)變分區(qū)示意圖Fig.7 Zoning of the combined model according to strain at failure

5.2 充填采場圍巖破裂機理分析

巷道開挖后初始的應(yīng)力平衡遭到破壞，會出現(xiàn)新的圍巖應(yīng)力即“二次應(yīng)力”，進而導(dǎo)致巷道圍巖中出現(xiàn)一個應(yīng)力變化區(qū)域，出現(xiàn)應(yīng)力集中。當圓形巷道開挖后，開掘空間無任何人工支護結(jié)構(gòu)時，圓形巷道周邊不會出現(xiàn)拉應(yīng)力的條件是1/3≤λ≤3，其中，λ=q/p，λ為側(cè)壓力系數(shù)；q為圍巖水平應(yīng)力；p為圍巖垂直應(yīng)力。當λ<1/3時，圍巖頂板表現(xiàn)為拉應(yīng)力；當λ>3時，兩幫則出現(xiàn)拉應(yīng)力。根據(jù)不同圍巖組合模型在出現(xiàn)明顯張拉應(yīng)變時刻的垂直應(yīng)力值計算所得λ值(取整分數(shù))如表3所示。

表3 不同組合模型的側(cè)壓系數(shù)Table 3 Lateral pressure coefficient of differentcombined models

由表3可知，不同圍巖的組合模型的側(cè)壓力系數(shù)均遠<1/3，分析原因為充填體對圍巖形成支護反力作用，導(dǎo)致圍巖出現(xiàn)張拉應(yīng)變所需的垂直應(yīng)力值增大，由于充填體充填固結(jié)過程中存在收縮，造成與圍巖不完全接觸，隨著荷載的增加組合模型中充填體與圍巖剝離。對于在整體結(jié)構(gòu)巖體掘進的巷道，其周邊巖體破壞的形式主要有2種：①x型剪切裂縫；②張開裂縫。根據(jù)塑性滑移線理論可知：不同種類的巖石破壞形式不同，軟性巖石出現(xiàn)剪切破壞。如表2中的圖片所示，大理巖左側(cè)出現(xiàn)剪切破壞；對于堅硬巖石則會出現(xiàn)拉伸破壞，玄武巖充填體頂部出現(xiàn)張開裂縫。

6 結(jié) 論

(1)在循環(huán)加卸載過程中3種巖石組合模型均具有很好的記憶特性；組合模型的破裂經(jīng)過一個擴容過程，不可逆塑性變形隨加卸載次數(shù)增加逐漸增大。

(2)強度較低的充填體最先出現(xiàn)豎直條帶狀張拉應(yīng)變集中區(qū)域，并延伸至上下方的圍巖中；隨著荷載的增大，張拉應(yīng)變區(qū)由充填體逐漸向圍巖兩幫移動。充填體與圍巖變形具有時空非同步性與破壞形式差異。

(3)充填體能夠增強圍巖的整體性，減弱采場兩側(cè)圍巖的應(yīng)力集中，提高圍巖的抗壓強度。

(4)應(yīng)變場隨循環(huán)加卸載演變具有從初期的近似均勻場向非均勻場轉(zhuǎn)變趨勢，呈現(xiàn)應(yīng)變局部化特征。隨側(cè)壓力增大，圍巖張拉破壞呈減緩趨勢。

(5)在循環(huán)加卸載過程中，不同種類圍巖的組合模型破壞形式不同：圍巖強度較弱的組合模型出現(xiàn)剪切破壞，圍巖強度大的組合模型則會出現(xiàn)拉伸破壞。