麻洪蕊

宿州學(xué)院地球科學(xué)與工程學(xué)院，安徽宿州，234000

裂隙巖體是工程建設(shè)中經(jīng)常遇到的施工對(duì)象，它在物理、力學(xué)特征上比一般工程材料具有更顯著的各向異性、非線性及非連續(xù)性，常含有大量斷層、節(jié)理、構(gòu)造裂隙及泥化夾層等不同類型的地質(zhì)結(jié)構(gòu)面，變形與破壞性質(zhì)十分復(fù)雜［1］。

1 問題的提出

巷道開挖后，原先處于平衡的應(yīng)力狀態(tài)受到破壞，導(dǎo)致圍巖應(yīng)力重新分布和局部應(yīng)力集中，引起巖石強(qiáng)度大幅度下降。如果圍巖集中應(yīng)力值小于圍巖強(qiáng)度，圍巖處于彈塑性狀態(tài)，圍巖自行穩(wěn)定，不存在支護(hù)問題；相反，如果巷道周邊一定范圍的圍巖發(fā)生破壞（原有裂隙張開、擴(kuò)展，新裂隙產(chǎn)生），這種破壞從周邊逐漸向深部擴(kuò)展，直到新的應(yīng)力平衡狀態(tài)為止，此時(shí)圍巖中出現(xiàn)了一個(gè)松弛破碎帶，即圍巖松動(dòng)圈［2－3］。此時(shí)，則要實(shí)施支護(hù)并立即或緩慢地發(fā)揮作用。因此，巷道支護(hù)對(duì)象為裂隙巖體［4－5］。

松動(dòng)圈巖體的賦存特點(diǎn)：一是裂隙發(fā)育度增加，裂隙張開度增大；二是圍巖應(yīng)力降低，處于低圍壓狀態(tài)。這些特點(diǎn)決定了松動(dòng)圈裂隙巖體穩(wěn)定性對(duì)圍壓變化非常敏感［6－8］。研究表明，隨圍壓變化，裂隙巖體的破壞機(jī)制發(fā)生改變，張破裂轉(zhuǎn)化為剪切破裂的轉(zhuǎn)化壓力約為（1／5～1／4）σc，而脆性破裂轉(zhuǎn)化為塑性變形的轉(zhuǎn)化壓力約為（1／3～2／3）σc，σc為完整巖石單軸抗壓強(qiáng)度［9－10］。

顯然，如果能夠通過支護(hù)，促使松動(dòng)圈裂隙巖體破壞機(jī)制發(fā)生有利的轉(zhuǎn)化，則將顯著提高圍巖穩(wěn)定性，而提高“松動(dòng)圈”內(nèi)巖體圍壓，則是保持圍巖穩(wěn)定的關(guān)鍵?；诖?，本文通過理論推導(dǎo)，擬獲取巷道支護(hù)力放大效應(yīng)的解析公式以及放大效應(yīng)在塑性區(qū)內(nèi)的變化規(guī)律，進(jìn)而分析支護(hù)與圍巖相互作用的機(jī)理，以獲取放大效應(yīng)對(duì)裂隙巖體破壞機(jī)制轉(zhuǎn)化的作用效果。該研究對(duì)于深化裂隙巖體巷道支護(hù)力理論認(rèn)識(shí)以及優(yōu)化加固方法具有一定的參考價(jià)值。

2 基本概念

2.1 裂隙巖體結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度

設(shè)含裂隙巖體摩擦角和內(nèi)聚力分別為φ、c，并按下式估算：

上式中，設(shè)含裂隙巖體的剪切面面積A由A1、A2、A3三部分組成，A1為巖石連續(xù)部分面積，A2為閉合裂隙面積，A3為張開裂隙面積，φ0、c0分別為完整巖石內(nèi)摩擦角和內(nèi)聚力。結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度與結(jié)構(gòu)面法向壓應(yīng)力σ之間具有一定的規(guī)律，當(dāng)σ＜σa時(shí)，破壞機(jī)制為沿齒面滑動(dòng)，而當(dāng)σ≥σa時(shí)，破壞機(jī)制為沿剪切平面將鋸齒切斷（σa即為兩種破壞機(jī)制的轉(zhuǎn)化壓應(yīng)力）。

2.2 支護(hù)力放大效應(yīng)

在破裂區(qū)巖體滿足理想塑性介質(zhì)的基本假定條件下，可利用圓形巷道圍巖塑性區(qū)應(yīng)力分析結(jié)果來說明支護(hù)力的作用機(jī)制。設(shè)靜水壓力場應(yīng)力為p，巷道半徑為a，巷道支護(hù)力為pi，采用摩爾－庫倫準(zhǔn)則推導(dǎo)可知，巷道周圍塑性區(qū)徑向正應(yīng)力和環(huán)向正應(yīng)力分別為：

式（2）、（3）說明，塑性區(qū)內(nèi)應(yīng)力與原始應(yīng)力p無關(guān)，而僅與破壞后巖體力學(xué)性質(zhì)φ、c有關(guān)（φ、c與面積A3、A2所占比例有關(guān)）。這一結(jié)果表明，對(duì)同一巖性巷道，塑性區(qū)應(yīng)力是其固有屬性，與埋深及采動(dòng)壓力大小關(guān)系不大，這與完整巖體是完全不同的。此外，巷道支護(hù)力pi也對(duì)塑性區(qū)應(yīng)力有重要影響，而且其貢獻(xiàn)均大于支護(hù)力本身的大小，即存在一個(gè)支護(hù)力放大效應(yīng)，且有如下規(guī)律：

其中kr、kθ分別為支護(hù)力pi引起的σr和σθ的放大倍數(shù)。

圖1 kr、kθ隨著φ及r變化曲線

3 支護(hù)與圍巖相互作用分析

隨著含裂隙巖體內(nèi)應(yīng)力的增加，各微裂隙面上的正壓力也相應(yīng)增大，其結(jié)果使裂隙巖體的結(jié)構(gòu)效應(yīng)逐漸減弱直至消失。首先，微裂隙面上的正壓力增大，將降低巖體裂隙張開度，即提高式（1）中A2所占比例，從而提高裂隙巖體的φ值；其次，會(huì)降低裂隙體的剪脹角，甚至使破壞機(jī)制由沿裂隙面滑動(dòng)轉(zhuǎn)化為對(duì)鋸齒的剪切破壞，后者相當(dāng)于提高式（1）中A1所占比例，從而提高了裂隙巖體c的值。總之，隨著含裂隙巖體內(nèi)應(yīng)力的增加，松動(dòng)圈內(nèi)巖體力學(xué)性質(zhì)將得到改善，裂隙巖體力學(xué)參數(shù)得到提高。

由此就形成了如下的支護(hù)與圍巖相互作用過程：提高支護(hù)力pi，會(huì)增大含裂隙巖體內(nèi)壓應(yīng)力，進(jìn)而改善巖體的“宏觀力學(xué)性質(zhì)”，依據(jù)式（1）增加φ、c值，而且裂隙越發(fā)育，改善效果越顯著；而φ、c值的增加，會(huì)依據(jù)（2）、（3）式提高破裂巖體內(nèi)壓應(yīng)力，同樣裂隙越發(fā)育，改善效果越顯著。上述過程循環(huán)進(jìn)行，將進(jìn)一步增大支護(hù)力pi的“放大效應(yīng)”作用效果。顯然，這種“放大效應(yīng)”是通過降低裂隙張開度、增加閉合裂隙比例，降低裂隙剪脹角直至改變裂隙巖體破壞機(jī)制，從而提高含裂隙巖體宏觀強(qiáng)度來實(shí)現(xiàn)的。支護(hù)作用的本質(zhì)，就是提高已破裂巖體或含裂隙巖體強(qiáng)度φ、c值，而支護(hù)對(duì)完整巖體作用不大。

對(duì)巷道圍巖中的環(huán)向裂隙，σr相當(dāng)于該裂隙面上的正壓力；對(duì)平行于徑向的裂隙，σθ相當(dāng)于該裂隙面上的正壓力；與徑向夾角為α的裂隙面上的正壓力按下式計(jì)算：

σy＝σrsin2α＋σθcos2α（6）因此，圍巖中與徑向夾角越小的裂隙面穩(wěn)定性越好。平行于徑向的裂隙面穩(wěn)定性最好，而平行于環(huán)向的裂隙面穩(wěn)定性最差。

4 案 例

以某圓形煤巷為例，該巷道半徑a＝3.0m，完整煤層c0＝3.0MPa，φ0＝30°，A2／A＝0.3，A1／A＝0.5，由式（1）得φ＝9.826°，c＝1.5MPa。將上述參數(shù)代入（2）、（3）式，并使支護(hù)力pi在0.1～1.0 MPa范圍內(nèi)變化，得到曲線組如圖2所示。設(shè)煤層的單軸抗壓強(qiáng)度為15MPa，張破裂轉(zhuǎn)化為剪切破裂的轉(zhuǎn)化壓力為3.75MPa（按σc／4計(jì)），而脆性破裂轉(zhuǎn)化為塑性變形破壞的轉(zhuǎn)化壓力約為10MPa（按2／3σc計(jì)），則由該圖可以確定出滿足“轉(zhuǎn)化壓力”的圍巖范圍。

由圖2可見，支護(hù)力提高，使張破裂和脆性破裂的范圍明顯減小，而使剪切破裂和塑性變形破壞的范圍明顯增加。例如，支護(hù)力由0.1MPa，提高到1.0MPa，環(huán)向節(jié)理張破裂范圍由r／a＝2.3減小為1.75（圖2a）；徑向節(jié)理脆性破裂范圍由r／a＝2.75減小為2.1（圖2b）。另外，徑向節(jié)理更容易實(shí)現(xiàn)上述轉(zhuǎn)化，因而也更穩(wěn)定。

圖2 支護(hù)力對(duì)塑性區(qū)圍巖應(yīng)力的影響

在圍壓增加的情況下，且張開裂隙完全閉合，則A2／A＝ 0.5，A1／A＝ 0.5，由 （1）式 得φ＝16.102°，c＝1.5MPa，經(jīng)過同樣的計(jì)算，得到相應(yīng)的曲線組以及滿足“轉(zhuǎn)化壓力”的范圍（圖3）。與圖2對(duì)比可見，圖3中的支護(hù)作用更大，且更容易實(shí)現(xiàn)上述轉(zhuǎn)化：支護(hù)力由0.1MPa提高到1.0MPa，張破裂范圍由r／a＝1.9減小為1.6（圖3a），而脆性破裂范圍由r／a＝1.8減小為1.5（圖3b）。

在c＝c0＝3.0MPa、φ＝φ0＝30°條件下，整個(gè)裂隙圍巖都滿足“轉(zhuǎn)化壓力”，則裂隙圍巖結(jié)構(gòu)效應(yīng)消失，相當(dāng)于整個(gè)巷道圍巖均處于彈性未破壞狀態(tài)。

圖3 支護(hù)力對(duì)塑性區(qū)圍巖應(yīng)力的影響

5 結(jié) 論

通過本次研究，取得如下認(rèn)識(shí)：

（1）由于巷道支護(hù)力遠(yuǎn)小于原始地應(yīng)力，因此支護(hù)力在完整巖體巷道中的作用是微不足道的。只有當(dāng)巷道周邊存在破裂區(qū)時(shí)，支護(hù)力的作用才開始顯現(xiàn)。

（2）支護(hù)力作用的本質(zhì)在于通過支護(hù)力放大效應(yīng)，顯著提高破裂區(qū)巖體壓應(yīng)力，降低裂隙張開度，提高裂隙體的“宏觀強(qiáng)度”，并減小張破裂和脆性破裂的范圍，增大剪切破裂和塑性變形破壞的范圍，從而降低裂隙圍巖結(jié)構(gòu)效應(yīng)。

（3）裂隙體“宏觀強(qiáng)度”的提高，反過來又將加大支護(hù)力放大效應(yīng)，進(jìn)一步提高破裂區(qū)巖體壓應(yīng)力。支護(hù)力與破裂巖體的上述相互作用，將使破裂區(qū)巖體殘余強(qiáng)度得到提高，并有效阻止深部圍巖的繼續(xù)破壞。

（4）φ越大，離巷道周邊距離越大，“支護(hù)力放大效應(yīng)”越明顯，在彈塑性交界處達(dá)到最大。正是由于彈塑性交界處應(yīng)力的迅速提高，保證了彈性區(qū)巖體的穩(wěn)定，從而減小了塑性區(qū)范圍。

（5）支護(hù)力的設(shè)計(jì)應(yīng)能至少滿足張破裂轉(zhuǎn)化為剪切破裂的轉(zhuǎn)化壓力，必要時(shí)應(yīng)能達(dá)到脆性破裂轉(zhuǎn)化為塑性變形的轉(zhuǎn)化壓力，將張破裂和脆性破裂的范圍降低到一個(gè)合理范圍，才能實(shí)現(xiàn)圍巖－支護(hù)系統(tǒng)整體穩(wěn)定。

［1］張金良.圍巖松動(dòng)圈理論及其在巷道支護(hù)中的應(yīng)用［J］.赤子，2012（19）：169－169

［2］王健，彭小躍.松動(dòng)圈圍巖分類法在煤巷錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［J］.礦業(yè)工程研究，2009，24（1）：22－24

［3］張緒濤.塊體單元法對(duì)裂隙巖體的模擬及應(yīng)用［D］.南京：河海大學(xué)力學(xué)與材料學(xué)院，2007：1

［4］蘇石.胡麻嶺隧道不同產(chǎn)狀裂隙巖體穩(wěn)定性及支護(hù)力學(xué)特性［J］.路基工程，2012（2）：95－98

［5］劉磊.節(jié)理破碎巖體隧道穩(wěn)定性及錨固效果研究［D］.成都：西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，2010：19－22

［6］雍敏.裂隙巖體破壞機(jī)制非連續(xù)變形方法研究［D］.濟(jì)南：山東大學(xué)土建與水利學(xué)院，2011：65－66

［7］劉濤影，曹平，范祥，等.高滲壓條件下裂隙巖體的劈裂破壞特性［J］.中南大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2012，43（6）：2281－2287

［8］周奎.含三維裂隙的脆性巖體破壞機(jī)理的試驗(yàn)與數(shù)值分析研究［D］.濟(jì)南：山東大學(xué)土建與水利學(xué)院，2011：1－4

［9］孫廣忠.巖體力學(xué)基礎(chǔ)［M］.北京：科學(xué)出版社，1983：137－138

［10］孔德坊.工程巖土學(xué)［M］.北京：地質(zhì)出版社，1992：332－333 （責(zé)任編輯：汪材印）