巷道層狀圍巖各向異性工程力學(xué)特性研究

宋 斌

（中鐵西北科學(xué)研究院有限公司 西南分院，四川 成都610031）

巖體力學(xué)性質(zhì)是一切巖體工程設(shè)計支護以及評價的基礎(chǔ)，長期以來都是研究重點，當然也是難點。目前，在實際工程中，通常是把巖體看作均質(zhì)、連續(xù)、各向同性的彈性介質(zhì)來處理[1－3]，然而實際工程中巖體呈現(xiàn)各向異性力學(xué)特征。大量學(xué)者對此進行了研究，表明各向異性變形與強度特性、加載方向、結(jié)構(gòu)特征等有關(guān)[4-5]。Taval lali 和A. Vervoort[6-7]對層狀砂巖進行了劈裂試驗，發(fā)現(xiàn)層狀巖體抗拉強度的各向異性特點非常明顯，并獲得了巖體橫觀各向異性破壞的強度公式；劉杰等[8]考慮巖體各向異性特性下的深埋高地應(yīng)力隧洞開挖卸荷作用，提出了針對層狀巖體變形參數(shù)的卸荷弱化方法。

獲取并確定工程巖體各向異性的力學(xué)性質(zhì)參數(shù)是進行工程設(shè)計支護、穩(wěn)定性評價的基礎(chǔ)依據(jù)，必不可缺。目前確定巖體變形參數(shù)的方法包括理論計算法[9]、現(xiàn)場試驗法[10-11]、經(jīng)驗參數(shù)法[12-13]和數(shù)值分析法[14-15]等。但是各種力學(xué)參數(shù)的獲取方法均在缺陷。經(jīng)驗參數(shù)法經(jīng)濟實用，但區(qū)域性、主觀性強，取值隨意性大，缺乏客觀的依據(jù)[16]；理論計算和數(shù)值分析結(jié)果推測巖體力學(xué)參數(shù)為1 種快速且經(jīng)濟的方法，但需要與可靠的本構(gòu)模型結(jié)合才能相得益彰，同時相關(guān)研究中大多是考慮結(jié)構(gòu)面參數(shù)對巖體各向異性變形的影響，沒有系統(tǒng)完整地描述巖體所處的環(huán)境和狀態(tài)對變形參數(shù)各向異性特征的影響；而現(xiàn)場大尺寸試驗設(shè)備要求規(guī)范，操作水平高。根據(jù)大量實踐證明，巖體現(xiàn)場大型試驗測試力學(xué)參數(shù)直觀性強，較為真實可靠[17-19]。

基于上述巖石力學(xué)參數(shù)獲取的優(yōu)缺點和可靠度考慮，以貴州黔西南永安煤礦306#巷道圍巖為研究對象，采用現(xiàn)場大型原位試驗，分別進行層狀巖體不同受力方向的承壓、剪切試驗，獲取各向異性的力學(xué)參數(shù)值和演化規(guī)律，提出巷道設(shè)計支護、穩(wěn)定性評價采用巖體各向異性的新思路和依據(jù)。

1 工程概況及試驗方案

1.1 工程概況

永安煤礦位于黔西南揚子江臺地的云貴高原，織金背斜北西一翼。306#巷道處于地面以下250.0～300.0 m，圍巖為三疊系法郎組（T2f）中-下統(tǒng)層狀白云質(zhì)灰?guī)r，巖層傾角為27°～32°，節(jié)理較發(fā)育。巷道斷面直墻拱形，寬度為3.5～4.5 m，平均為4.0 m，拱高為1.0～1.5 m，平均為1.2 m，直墻為1.8～2.5 m，平均為2.1 m。

1.2 試驗方案

采用現(xiàn)場原位大型試驗，避免室內(nèi)試驗尺寸或巖體應(yīng)力狀態(tài)的影響。試驗?zāi)康臑楂@取巷道圍巖各向異性力學(xué)參數(shù)，包括承壓板變形測試、巖體抗剪測試。巖體變形試驗采用標準剛性承壓板法，在巷道側(cè)壁以及底部開鑿試樣，清除表層碎石，保證起伏差小于5.0 mm，同時采用高強度水泥漿抹平。巖體變形試驗分為5 組，夾角α 依次為0°、30°、45°、60°、90°，其中α 為承壓板作用力與巖層層面或?qū)永淼膴A角。巖體抗剪試驗在擬定試驗部位鑿切邊50 cm×50 cm×30 cm 的方形試樣，然后在試樣頂部及四周澆注高強度混凝土保護罩，致使剪切試樣不擾動，并預(yù)留剪切縫。巖體剪試驗分為3 組，夾角β 依次為0°、45°、90°，其中β 為剪切面與巖層層面或?qū)永淼膴A角。試驗嚴格按照相關(guān)巖土工程規(guī)范的程序和標準進行，在此不詳細敘述具體過程。

2 巖體各向異性力學(xué)試驗及分析

2.1 巖體變形試驗

巷道圍巖變形特征是設(shè)計支護以及穩(wěn)定性評價的重要參數(shù)。在實際工程中圍巖所受壓力存在差異，如果變形過大，則引起巷道整體變形破壞。巖體變形是巖塊材料和結(jié)構(gòu)變形的總和，通常情況下，巖體結(jié)構(gòu)變形起著控制作用[20]。因此，現(xiàn)場原位試驗避免了室內(nèi)試驗只針對巖石而非巖體的變形，其結(jié)果更符合實際工程。通過繪制不同夾角α 的圍巖巖體變形試驗應(yīng)力-應(yīng)變曲線，獲取變形模量E0，并分析巖體變形機理。

巖體為非彈性體，在外力作用下通常是產(chǎn)生彈性變形和塑性變性，因此得到的應(yīng)力p-變形s 曲線，呈現(xiàn)塑性回滯圈[12]，差異的回滯圈反映測試巖體的特征。依據(jù)規(guī)范分級施加荷載，得出應(yīng)力-變形（p-s）如圖1。

利用剛性承壓板施力于半無限空間巖體表面，并按半無限彈性體表面受局部荷載的Boussinesq formula[21]計算巖體變形模量，如式（1），經(jīng)多個試驗點成果綜合分析，巷道圍巖的變形模量為0.66～1.12 GPa，彈性模量為1.38～1.79 GPa。

式中：E0為巖體變形模量；p 為承壓板單位面積的計算應(yīng)力，MPa；d 為承壓板的直徑；W0為巖體的總變形；μ 為泊松比，采用0.29。

通過試驗記錄并繪制應(yīng)力-變形（p-s）曲線，試驗圍巖體具有以下幾點特征。

1）不同的夾角α 圍巖體承壓變形過程的應(yīng)力-變形（p-s）曲線基本一致，分為壓密階段、彈-塑性變形階段。隨著夾角α 的增大，巖體破壞時的峰值先減小后增大。通過比較相對而言，夾角α 較小時，巖體壓密較為明顯，隨著夾角增大，壓密階段變短，曲線由緩變陡，彈性模量增大。

2）層理平行或垂直于最大主應(yīng)力方向（α=0°、90°）的試樣應(yīng)力-曲線較快進入線性階段，而層理方向和最大主應(yīng)力方向斜交（α=30°、45°、60°）的試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線進入線性階段較慢，其中α=90°試樣進入線性階段最快。

圖1 圍巖巖體不同夾角α 變形曲線圖Fig.1 The deformation curves of surrounding rock with different angles of α

3）圖1（a）的曲線呈上凹形，反映了巖體層理、裂隙的發(fā)育程度非均勻性特征，施加壓力垂直層面時，結(jié)構(gòu)面逐漸壓密，模量逐漸增大，變形模量由大變小。圖1（e）的曲線呈上凸形，反映了巖體所含層理、裂隙隨著深度或者在壓力作用下逐漸增大以及裂隙的再擴展等，導(dǎo)致巖體模量減小。圖1（b）～圖1（d）曲線呈“S”形，反映了巖體由開始的層理、裂隙壓實階段變形量較大，模量較??；其后為巖體的彈性變形段，但該階段較短；最后為層理、裂隙的擴展或滑移變形，變形增大，模量變化幅度較小。

4）隨層理角度的增加，巖樣的抗壓強度、變形模量均呈先減小后增加的“U”型變化規(guī)律，在層理角度為0°和90°時抗壓強度相對較大，60°左右時抗壓強度明顯較小，層理角度為0°～30°和75°～90°時，抗壓強度呈較為緩慢趨勢減小和增大，層理角度為30°～60°和60°～75°時，巖樣的抗壓強度呈較快的趨勢減小和增大。

2.2 巖體原位抗剪試驗

室內(nèi)巖體剪切試驗通常是將巖體制成標準試樣后進行，由于受尺寸效應(yīng)和巖體結(jié)構(gòu)特征的影響，與真實力學(xué)參數(shù)存在誤差。巖體原位剪切試驗?zāi)茌^好的反映真實的剪切力學(xué)參數(shù)，目前對于大型工程或重要工程試驗較多。

通過現(xiàn)場不同條件的剪切以及繪制剪切應(yīng)力-位移、峰、殘強度曲線如圖2 和圖3，與此同時通過Mohr-Coulomb 準則確巖體剪切力學(xué)參數(shù)，試驗成果見表1。圍巖巖體剪切力學(xué)性質(zhì)具有明顯的各向異性特征。

1）夾角β=0°時，通過試驗確定剪切面基本為層面，證明在平行層面方向，層面的剪切強度較小，剪切過程由彈性演變到塑性變形，隨著圍壓增大，峰、殘強度隨之增加。

2）夾角β=45°時，剪切面切過巖層，較為平直，凹凸不明顯，剪切初期斜率較大，隨著應(yīng)力和位的增大，出現(xiàn)非線性變化，達到峰值后塑性破壞。

3）夾角β=90°時，剪切面切過巖層，較為平直，凹凸不明顯，剪切初期斜率較大，隨著應(yīng)力和位移增大，呈現(xiàn)塑性破壞。曲線顯著特征為彈性變形階段斜率較大，位移較短，塑性破壞特征明顯。峰、殘強度曲線近似平行，平均相差為34.6%。

4）峰值強度。以不同夾角β 剪切試驗所獲取的摩擦角值差異較大，其中β=90°試驗值約為β=0°的1.57 倍，其主要原因為β=0°剪切面為巖體層面，層間剪切力學(xué)參數(shù)明顯低于巖體垂直巖層剪切力學(xué)參數(shù)。黏聚力雖然仍是β=45°時最大，但是3 種條件剪切差異較小，在實際工程中影響不大。

圖2 剪切應(yīng)力-位移圖Fig.2 The diagram of shear stress-strain

圖3 剪切峰值-殘余強度圖Fig.3 The diagram of shear peak-residual strength

表1 不同夾角β 原位剪切試驗成果表Table 1 The results of in-situ shear test with different angles of β

5）殘余強度分析。摩擦角衰減度以β=0°時最大，為28.0%，β=（45°、90°）衰減度基本一致，約為23.0%；黏聚力以β=90°時最大，為43.5%，β=（0°、45°）衰減度基本一致，約為35.0%～37%。同樣揭示當β=0°時，殘余強度最小。

3 結(jié) 論

1）針對研究巷道層狀圍巖，通過不同條件下原位變形以及剪切試驗獲取力學(xué)參數(shù)，成果表明：圍巖巖體力學(xué)性質(zhì)具有明顯的各向異性特征。

2）巖體變形試驗中，不同夾角α 獲取的變形曲線呈現(xiàn)凹凸不同，其主要原因為巖體受力過程中節(jié)理裂隙受力變形的空間方位以及巖石各向模量的差異。隨著夾角α 的增加，巖樣的抗壓強度、變形模量均呈先減小后增加的“U”型變化規(guī)律，在層理角度為0°和90°時抗壓強度相對較大，60°左右時抗壓強度明顯較小。

3）圍巖巖體在不同夾角β 條件下進行原位剪切試驗，獲取峰、殘余強度。成果顯示：β=90°時，峰、殘余值力學(xué)參數(shù)最大；β=0°時，峰、殘余強度最?。粌?nèi)摩擦角φ 不同剪切條件下差異較大，而黏聚力c 則差異不明顯，在實際工程中影響不大。

4）研究巷道圍巖力學(xué)性質(zhì)具有各向異性特征，圍巖垂直巖層方向為力學(xué)參數(shù)較大，較為安全。