（岩土工程专业论文）软岩巷道围岩扩容—塑性软化变形及有限元分析.pdf

论文题目： 专业： 硕士生： 指导教师： 软岩巷道围岩扩容一塑性软化变形及有限元分析 岩土工程 ( 签名) ( 签名) y 枷闯釜 煤炭一直占我国能源的7 0 以上，在国民经济建设中占有举足轻重的地位。随着煤 炭开采越来越向深部发展，矿井软岩巷道的支护与维护问题显得越来越突出。能否解决 好软岩巷道的支护等问题，是煤炭开采向纵深发展和安全生产的关键，迫切需要深入的 研究和探索。软岩巷道的变形和位移，对于整个结构的稳定性具有重要的影响。能否准 确地计算和模拟围岩的变形行为，对于我们选择巷道的支护时间和支护方案，具有极其 重要的意义。 本文系统的论述了软岩的特征及其力学属性、围岩变形的影响因素以及软岩巷道的 变形破坏特征。岩体破坏过程中的扩容软化性，对巷道的位移的影响性非常大，本文研 究了岩体在加载和卸载状态下的扩容特性，分析应力状态与岩石的扩容性关系以及岩石 应力扩容膨胀的产生机理。 本文主要从软岩巷道变形破坏机制出发，分析了软岩巷道支护与围岩相互作用机 理。在考虑岩体的扩容性、塑性软化特性条件下，引进扩容梯度、软化模量的概念，运 用弹塑性理论、岩石力学等理论，得出均匀介质中圆形软岩巷道的新的应力及变形的解 析解，以及围岩塑性区、破裂区半径的解析解；并通过实例计算来分析了岩体的扩容梯 度、软化模量对围岩塑性区、破裂区半径以及围岩变形和压力的影响，并与其它理论模 型进行比较，确定本文建立的理论模型的正确性。 本文计算模型应用于石嘴山二矿软岩巷道支护项目，通过理论计算、有限元a n s y s 数值模拟以及现场监测数据分析，进一步确定本文模型的可行性和实用性。 本文的研究与实践，使软岩支护中的工程类比法上升到定量分析，为软岩巷道围岩 及支护压力和变形计算探索了新的途径。它必将在软岩巷道的支护中起着主要的参考作 用。 关键词：软岩巷道；扩容；塑性软化；变形分析；有限元模拟 研究类型：应用研究 要摘 圣 成 国 拴 姚 谷 s u b j e c t ：a n a l y s i sa n df e m s t i m u l a t i o no ft h ed i l a t a n c ya n dt h ep l a s t i c s o f t e n i n gd e f o r m a t i o ni ns o f tr o c k t u n n e l s p e c i a l t y ：g e o t e c h n i q u e n a m e ：y a og u o s h e n g i n s t r u c t o r ：g us h u a n c h e n g a b s t r a c t ( s i g n a t u ( s i g n a t u m o r et h a n7 0p e r c e n to fe n e r g yi sc o a lw h i c ho c c u p i e sap i v o t a lp o s i t i o ni nc o n s t r u c t i o n o fn a t i o n a le c o n o m yi no u rc o u n t r y w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o a lm i n i n g sd e p t h ，t h ep r o b l e m o fs u p p o r t i n ga n dm a i n t a i n i n gf o rs o f tr o c kt u n n e lb e c o m e sm o r ea n dm o r ec o n s p i c u o u s w h e t h e rw ec a ns o l v ei tp r o p e r l yi sak e y p o i n tf o rc o a lm i n i n g sd e v e l o p m e n ti nd e p t ha n d s a f e t yi np r o d u c t i o n s ot h et h o r o u g hs t u d y i n ga n de x p l o r i n g i su r g e n t t h ed e f o r m a t i o na n d d i s p l a c e m e n to ft h es o f tr o c kt u n n e lh a sa ni m p o r t a n ti n f l u e n c eo nt h es t a b i l i t yo ft h ew h o l e s t r u c t u r e i ti sv i t a lf o ru st oc a l c u l a t ea n ds t i m u l a t ee x a c t l yt h ed e f o r m a t i o nc o n d u c to ft h e s u r r o u n d i n gr o c kt oc h o o s et h et i m ea n dp r o g r a mo f t h es u p p o r t i n g t h i sp a p e rm a k e sas y s t e m a t i ce x p o s i t i o nf o rt h ec h a r a c t e r i s t i c sa n dm e c h a n i c sp r o p e r t y o fs o f tr o c k ，c h a r a c t e r i s t i c so fb r o k e ns o f tr o c kt u n n e l ，i n f l u e n c i n gf a c t o r so fs u r r o u n d i n g r o c k sd e f o r m a t i o n t h ec h a r a c t e r i s t i c so fd i l a t a n c ya n ds o f t e n i n gd u r i n gt h er o c km a s s d a m a g ei n f l u e n c et h ed i s p l a c e m e n to f t h et u n n e lg r e a t l y i nt h i st h e s i s ，t h ec h a r a c t e r i s t i co ft h e d i l a t a n c yi sd i s c u s s e du n d e rt h es t a t e o fl o a d i n ga sw e l la su n l o a d i n g t h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h ed i l a t a n c ya n dt h es t r e s ss t a t u so ft h er o c k ，t h eg e n e r a t i o nm e c h a n i s mo ft h e d i l a t a n c ye x p a n d i n go ft h er o c ka r ea n a l y z e d p r o c e e d i n gf r o mt h em e c h a n i s mo fd e f o r m a t i o nd a m a g em e c h a n i s mo ft h es o f tr o c k t u n n e l ，t h i sp a p e ra n a l y s e st h ep r i n c i p l eo fi n t e r a c t i o nb e t w e e ns o f tr o c kt u n n e ls u p p o r t i n ga n d s u r r o u n d i n gr o c k u n d e rt h ec o n d i t i o no ft h ed i l a t a n c ya n dt h ep l a s t i cs o f t e n i n g ，i n t r o d u c i n g t h ed i l a t a n c yg r a d i e n ta n ds o f t e n i n gm o d u l u sa n du s i n gt h et h e o r yo ft h ee l a s t i c p l a s t i ca n d t h er o c km e c h a n i c s ，t h en e wa n a l y t i cs o l u t i o no ft h es t r e s s ，d e f o r m a t i o na n dt h er a d i u so ft h e p l a s t i cz o n ea n dt h eb r o k e nz o n eo f t h er o u n ds o f tr o c kt u n n e l t h r o u g ht h ec a l c u l a t i o no ft h e e x a m p l e ，t h ei n f l u e n c eo ft h ed i l a t a n c yg r a d i e n ta n ds o f t e n i n gm o d u l u so nt h ed e f o r m a t i o n a n dp r e s s u r eo ft h es u r r o u n d i n gr o c ki sa n a l y z e d c o m p a r i n gt h er e s u l tw i t ht h er e s u l t sf r o m t h eo t h e rt h e o r ym o d e l s ，t h em o d e le s t a b l i s h e di nt h i st h e s i si sp r o v e dp r o p e r t h em o d e li sa p p l i e dt ot h ep r o j e c to ft h es o f tr o c kt u n n e li ns h i z u i s h a nn o 2m i n e b y t h et h e o r yc a l c u l a t i o n ，t h es t i m u l a t i o no ft h ef e m - - a n s y sa n dt h ea n a l y s i so ft h ef i e l d m o n i t o r i n gd a t a ，t h ef e a s i b i l i t ya n dp r a c t i c a b i l i t yo ft h i sm o d e li sc o n f i r m e d b yt h es t u d y i n ga n dp r a c t i c i n go ft h et h e s i s ，e n g i n e e r i n ga n a l o g ym e t h o di sp r o m o t e dt o q u a n t i t a t i v ea n a l y s i s t h i st h e s i ss e a r c h e san e ww a yt oc a l c u l a t et h ep r e s s u r ea n dt h e d e f o r m a t i o no ft h es o f tr o c kt u n n e l ss u r r o u n d i n gr o c ka n ds u p p o r t i n g i tw i l lp l a yi m p o r t a n t r o l ei ns o f tr o c kt u n n e ls u p p o r t i n g k e y w o r d s ：s o f tr o c kt u n n e l d i l a t a n c y p l a s t i cs o f t e n i n gd e f o r m a t i o na n a l y s i s f e ms i m u l a t i o n t h e s i s ：a p p l i c a t i o nr e s e a r c h 要柳技大学 学位论文独创性说明 一，9 2 2 9 0 二，。1 ，7 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：留l 眵c 朔歪日期：2 许多j i 石闫 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：卯炒l 司至 指导教师签名：夕荔疵 2 翻拓年石月日 瞄f巨譬t譬e群量譬曩譬b乳露撂fnl|卜l|r10 1 绪论 1 绪论 1 1 引言 随着我国资源开发的进一步发展，开采作业不得不由地面向地下乃至地下更深部转 移，开发深部煤炭等资源，必然遇到软岩问题。同种岩石，在浅部表现为硬岩的力学特 性，而在深部则表现为软岩的力学特性，具有大变形、大地压、难支护的特点。工程软 岩变形产生的突出问题，是在采矿巷道施工中成为经常碰到的技术难题。在现实生产中， 矿井软岩巷道维护费用非常高，据统计一个年生产能力为1 2 0 万吨井工矿，矿井巷道维 护费用高达一亿元以上，在目前市场经济条件下，已经到了煤矿无法承受的地步，因此， 研究煤矿生产中软岩巷道变形力学机制及软岩巷道的支护对策技术问题是煤炭科学工 作者和生产建设者们面临的一项重大而又亟待解决的问题。 1 2 国内外软岩巷道支护理论的发展现状 1 2 1 国际方面 2 0 世纪初发展起来的以h a i m 、r a n k i n e 和h r m i c 理论【l j 为代表的古典压力理论认为， 作用在支护结构上的压力是其上覆岩层的重量y n 。其不同之处在于：a h a i m 认为侧压 系数为1 ，w j m r a n k i n e 根据松散体理论认为侧压系数为t 9 2 ( 4 5 。一 n 2 ) ，而a h h h i i k 根据弹性理论认为是y ( 1 一y ) ，其中，y 、伊、y 分别表示岩体的泊松比、内摩擦角和容 重。 随着开挖深度的增加，人们发现古典压力理论有许多不符合实际之处，于是，坍落 拱理论应运而生，其代表有t e r z a g h i 和j i p o t o 五k o h o b 理论 2 1 。坍落拱理论认为：坍落 拱的高度与地下工程跨度和围岩性质有关。k t e r z a g h i 认为坍落拱形状为矩形，而m m j i p o t o l b 牙k o h o b 则认为坍落拱形状呈抛物线形。坍落拱理论的最大贡献是提出巷道围岩 具有自承能力。 2 0 世纪6 0 年代，奥地利工程师l v r a b c e w i c z 在总结前人经验的基础上，提出了 一种新的隧道设计施工方法，称为新奥地利隧道施工法( n e wa u s t r i a nt u n n e l l i n g m e t h o d ) ，简称新奥法( n a t m ) 【3 1 ，新奥法目前已成为地下工程的主要设计施工方法之 一。1 9 7 8 年，l m u l l e r 教授比较全面地论述了新奥法方法的基本指导思想和主要原则， 并将其概括为2 2 条。 1 9 8 0 年，奥地利土木工程学会地下空间分会把新奥法定义为“在岩体或土体中设置 的以使地下空间的周围岩体形成一个中空筒状支承环结构为目的的设计施工方法”。新 西安科技大学硕士学位论文 奥法的核心是利用围岩的自承作用来支撑隧道，促使围岩本身变为支护结构的重要组成 部分，使围岩与构筑的支护结构共同形成坚固的支承环。虽然新奥法的应用非常广泛， 但不同的应用者对它的解释还存在着许多矛盾【4 刊。实际工程中存在着一种倾向，就是 盲目地把新奥法应用于不适宜的地质条件，因而使巷道工程出现这样或那样的问题。 日本山地宏和樱井春辅提出了围岩支护的应变控制理论【lj 。该理论认为，隧道围岩 的应变随支护结构的增加而减小，而容许应变则随支护结构的增加而增大。因此，通过 增加支护结构，能较容易地将围岩应变控制在容许应变范围之内。 2 0 世纪7 0 年代，m d s a l a m o n 等人又提出了能量支护理论【1 j 。该理论认为，支护 结构与围岩相互作用、共同变形，在变形过程中，围岩释放一部分能量，支护结构吸收 一部分能量，总的能量没有变化。因而，主张利用支护结构自动调整围岩释放的能量和 支护体吸收的能量，支护结构具有自动释放多余能量的功能。 1 2 2 国内方面 我国软岩巷道支护系统研究工作始于1 9 5 8 年，在2 0 世纪8 0 年代以来，与软岩工 程相关的全国性会议召开了2 0 余次，使地下工程软岩问题的理论研究进入了一个新的 阶段。 于学馥教授等人( 1 9 8 1 ) 提出“轴变论 理论【_ 7 1 ，认为巷道坍落可以白行稳定，可 以用弹性理论进行分析，围岩破坏是由于应力超过岩体强度极限引起的，坍落改变巷道 轴比，导致应力重分布，应力重分布的特点是高应力下降，低应力上升，并向无拉力和 均匀分布发展，直到稳定而停止。应力均匀分布的轴比是巷道最稳定的轴比，其形状为 椭圆形。近年来，于学馥教授等人运用系统论、热力学等理论提出开挖系统控制理论【8 j ， 该理论认为：开挖扰动破坏了岩体的平衡，这个不平衡系统具有自组织功能。 冯豫、陆家梁、郑雨天、朱效嘉教授等提出的联合支护技术是在新奥法的基础上发 展起来的【9 】，其观点可以概括为：对于巷道支护，一味强调支护刚度是不行的，要先柔 后刚，先抗后让，柔让适度，稳定支护。由此发展起来的支护形式有锚喷网技术、锚喷 网架技术、锚带网架技术、锚带喷架等联合支护技术。 孙钧、郑雨天和朱效嘉教授等提出的锚喷一弧板支护理论桫j 是对联合支护理论的发 展。该理论的要点是：对软岩总是强调放压是不行的，放压到一定程度，要坚决顶住， 即采用高标号、高强度钢筋混凝土弧板作为联合支护理论先柔后刚的刚性支护形式，坚 决限制和顶住围岩向空中位移。 松动圈理论【l o 】是由中国矿业大学董方庭教授提出的，其主要内容是：凡是坚硬围岩 的裸体巷道，其围岩松动圈都接近于零，此时巷道围岩的弹塑性变形虽然存在，但并不 需要支护。松动圈越大，收敛变形越大，支护难度就越大。因此支护的目的在于防止围 岩松动圈发展过程中的有害变形。 2 1 绪论 主次承载区支护理论【1 1 】是由方祖烈教授提出，认为巷道开挖后，在围岩中形成拉压 域。压缩域在围岩深部，体现了围岩的自承能力，是维护巷道稳定的主承载区；张拉域 形成与巷道周围，通过支护加固，也形成一定的承载力，但其与主承载区相比，只起辅 助的作用，故称为次承载区。主、次承载区的协调作用决定巷道的最终稳定。支护对象 为张拉域，支护结构与支护参数要根据主、次承载区相互作用过程中呈现的动态特征来 确定。支护强度原则上要求一次到位。 应力控制理论【1 2 】，也称为围岩弱化法、卸压法等。该方法起源于前苏联，其基本原 理是通过一定的技术手段改变某些部分围岩的物理力学性质，改善围岩内的应力及能量 分布，人为降低支承压力区围岩的承载能力，使支承压力向围岩深部转移，以此来提高 围岩稳定。 软岩工程力学支护理论【9 , 1 3 】是由何满潮教授运用工程地质学和现代大变形力学相结 合的方法，通过分析软岩变形力学机制，提出的以转化复合型变形力学机制为核心的一 种新的软岩巷道支护理论。 上述介绍的支护理论，主要适用于松散地层和破碎岩体，得出的为松动压力，但对 于形变压力的计算出入较大。 1 3 软岩巷道变形机理的研究现状 对于软岩巷道变形破坏的问题，仅靠一些经验方法是不能够完全解决的，必须做好 理论基础的研究。软岩巷道围岩变形及围岩压力的弹塑性分析方法首先是由r f e n n e r 【1 4 j ( 1 9 3 8 ) 提出的，后来h k a s t n e r 1 5 】( 1 9 5 1 ) 对此又作了重要修正，至今这一计算方法 仍然在国内外被广泛应用，出现在有关岩石力学的教科书中。 f e n n e r 和k a s t n e r 都假设巷道围岩为理想的弹塑性介质，认为岩体破坏后的强度始 终保持原来的极限强度值，所以计算围岩塑性区半径偏小，巷道围岩位移变形偏小；而 在以后文献中常出现的将岩体视为理想脆塑性力学模型所建立的应变软化模型计算的 a i r e y 公式中则假定岩体达到极限强度后，强度立即降至岩体的残余强度，忽略了岩体 破坏后强度是逐渐降低的特性，所以依此计算出的塑性半径与巷道变形位移偏大。上述 计算方法都忽略了岩体破坏后强度是逐渐降低的特性，与实际工程相差甚大。 近年来，国内外有关研究开始考虑岩石的应变软化性，但又忽略了岩石达到极限强 度值后体积膨胀的重要事实，计算过程中假定体积应变为零，其结果与实际严重不符。 软岩巷道变形破坏的机制从宏观上看都有一种膨胀变形力学机制，导致软岩变形破坏的 “膨胀”是指软岩体向巷道空间的变形，它包括了膨胀性矿物的变形，同时也包括了其 它力学机制的变形，现有的文献多考虑的是软岩矿物性膨胀对软岩巷道应力及变形的影 响，很少研究应力扩容性膨胀对软岩巷道应力及变形的影响。 岩石的扩容膨胀性【1 6 】，首先由勃列得曼( b r i d m a n ，1 9 4 9 ) 观测到的，韩丁等人 西安科技大学硕士学位论文 ( h a n d i n ，1 9 6 3 ) 量测了低围压下，贝利( b e r e a ) 砂岩岩样的扩容，在偏应力作用下的 扩容是以与时间有关的体积增加来观测的；继后，派特森( p a t e r s o n ，1 9 6 3 ) ，爱德蒙特 和派特森( e d m o n d ，p a t e r s o n ，1 9 7 2 ) ，勃雷斯、保尔丁和肖尔茨( b r a c e ，p a u l d i n g ，s c h o l z ， 1 9 6 6 ) ，宾那维斯基( b i e n a w s k i ，1 9 6 7 ) ，古鲁茨( c r o u c h ，1 9 7 0 ) ，什巴克和比尔利( z o b a c k ， b y e r l e e ，1 9 7 5 ) ，帕金、格林和福利得曼( p e r k i n g ，g r e e n ，f r i d m a n ，1 9 7 0 ) 、鲁模( r u m m e l ， 1 9 7 4 ) ，茂木清夫( m o g i ，1 9 7 7 ) 等国外学者，他们根据实验室试验发表了许多试验结 果及其分析。 在我国把岩石扩容概念与隧洞、巷道变形联系起来加以研究的是陈宗基教授。陈宗 基教授在1 9 8 3 年的国际岩石力学大会的一篇文章中，强调了岩体中扩容的体积增加， 对潜在膨胀岩石的稳定性的作用。 岩石不同于金属，它服从莫尔一库仑屈服准则，塑性体积不变假设已不再成立。岩 石力学试验表明岩石在破坏过程中由于裂纹扩展而产生扩容膨胀，扩容系数是比较大 的，对某些软岩，扩容系数可达到1 5 ，这远大于弹性体积应变。关于对软岩巷道的弹 塑性应力及变形分析时，不考虑岩石破坏的扩容性因素，若轴对称变形的理论解仍沿用 塑性力学中金属材料m i s e s 和t r e s c a 屈服准则的塑性区体积不变假设，就是一个明显的 缺陷，因此，在对软岩巷道的弹塑性应力及变形分析时，必须考虑岩石破坏的扩容性对 巷道围岩的应力及位移变形的影响。 最新的理论是俞茂宏于1 9 9 1 年提出的统一强度理论【l 7 ，1 8 j 。此理论充分考虑了中间 主应力效应，并将莫尔一库仑强度理论等作为其中的特例进行了系统的概括，形成了一 个统一的强度理论体系。但是统一强度理论在考虑岩体扩容性上比较难以应用于实例。 1 4 本文主要研究内容 本文研究涉及