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(jì)支護(hù)以及評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)，長(zhǎng)期以來(lái)都是研究重點(diǎn)，當(dāng)然也是難點(diǎn)。目前，在實(shí)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(lái)處理[1－3]，然而實(shí)際工程中巖體呈現(xiàn)各向異性力學(xué)特征。大量學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了研究，表明各向異性變形與強(qiáng)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(duì)層狀砂巖進(jìn)行了劈裂試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)層狀巖體抗拉強(qiáng)度的各向異性特點(diǎn)非常明顯，并獲得了巖體橫觀各向異性破壞的強(qiáng)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(kāi)挖卸荷作用，提出了針對(duì)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(jìn)行工程設(shè)計(jì)支護(hù)、穩(wěn)定性評(píng)價(jià)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(jì)算法[9]、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)法[10-11]、經(jīng)驗(yàn)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(yàn)參數(shù)法經(jīng)濟(jì)實(shí)用，但區(qū)域性、主觀性強(qiáng)，取值隨意性大，缺乏客觀的依據(jù)[16]；理論計(jì)算和數(shù)值分析結(jié)果推測(cè)巖體力學(xué)參數(shù)為1 種快速且經(jīng)濟(jì)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(shí)相關(guān)研究中大多是考慮結(jié)構(gòu)面參數(shù)對(duì)巖體各向異性變形的影響，沒(méi)有系統(tǒng)完整地描述巖體所處的環(huán)境和狀態(tài)對(duì)變形參數(shù)各向異性特征的影響；而現(xiàn)場(chǎng)大尺寸試驗(yàn)設(shè)備要求規(guī)范，操作水平高。根據(jù)大量實(shí)踐證明，巖體現(xiàn)場(chǎng)大型試驗(yàn)測(cè)試力學(xué)參數(shù)直觀性強(qiáng)，較為真實(shí)可靠[17-19]。

基于上述巖石力學(xué)參數(shù)獲取的優(yōu)缺點(diǎn)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(duì)象，采用現(xiàn)場(chǎng)大型原位試驗(yàn)，分別進(jìn)行層狀巖體不同受力方向的承壓、剪切試驗(yàn)，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(jì)支護(hù)、穩(wěn)定性評(píng)價(jià)采用巖體各向異性的新思路和依據(jù)。

1 工程概況及試驗(yàn)方案

1.1 工程概況

永安煤礦位于黔西南揚(yáng)子江臺(tái)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(yàn)方案

采用現(xiàn)場(chǎng)原位大型試驗(yàn)，避免室內(nèi)試驗(yàn)尺寸或巖體應(yīng)力狀態(tài)的影響。試驗(yàn)?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(cè)試、巖體抗剪測(cè)試。巖體變形試驗(yàn)采用標(biāo)準(zhǔn)剛性承壓板法，在巷道側(cè)壁以及底部開(kāi)鑿試樣，清除表層碎石，保證起伏差小于5.0 mm，同時(shí)采用高強(qiáng)度水泥漿抹平。巖體變形試驗(yàn)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(yàn)在擬定試驗(yàn)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(qiáng)度混凝土保護(hù)罩，致使剪切試樣不擾動(dòng)，并預(yù)留剪切縫。巖體剪試驗(yàn)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(yàn)嚴(yán)格按照相關(guān)巖土工程規(guī)范的程序和標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，在此不詳細(xì)敘述具體過(guò)程。

2 巖體各向異性力學(xué)試驗(yàn)及分析

2.1 巖體變形試驗(yàn)

巷道圍巖變形特征是設(shè)計(jì)支護(hù)以及穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的重要參數(shù)。在實(shí)際工程中圍巖所受壓力存在差異，如果變形過(guò)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(chǎng)原位試驗(yàn)避免了室內(nèi)試驗(yàn)只針對(duì)巖石而非巖體的變形，其結(jié)果更符合實(shí)際工程。通過(guò)繪制不同夾角α 的圍巖巖體變形試驗(yàn)應(yīng)力-應(yīng)變曲線，獲取變形模量E0，并分析巖體變形機(jī)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(cè)試巖體的特征。依據(jù)規(guī)范分級(jí)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(wú)限空間巖體表面，并按半無(wú)限彈性體表面受局部荷載的Boussinesq formula[21]計(jì)算巖體變形模量，如式（1），經(jīng)多個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)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(jì)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(guò)試驗(yàn)記錄并繪制應(yīng)力-變形（p-s）曲線，試驗(yàn)圍巖體具有以下幾點(diǎn)特征。

1）不同的夾角α 圍巖體承壓變形過(guò)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(shí)的峰值先減小后增大。通過(guò)比較相對(duì)而言，夾角α 較小時(shí)，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(jìn)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(jìn)入線性階段較慢，其中α=90°試樣進(jìn)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(shí)，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(kuò)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(kāi)始的層理、裂隙壓實(shí)階段變形量較大，模量較小；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(kuò)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(qiáng)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(shí)抗壓強(qiáng)度相對(duì)較大，60°左右時(shí)抗壓強(qiáng)度明顯較小，層理角度為0°～30°和75°～90°時(shí)，抗壓強(qiáng)度呈較為緩慢趨勢(shì)減小和增大，層理角度為30°～60°和60°～75°時(shí)，巖樣的抗壓強(qiáng)度呈較快的趨勢(shì)減小和增大。

2.2 巖體原位抗剪試驗(yàn)

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

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)不同條件的剪切以及繪制剪切應(yīng)力-位移、峰、殘強(qiáng)度曲線如圖2 和圖3，與此同時(shí)通過(guò)Mohr-Coulomb 準(zhǔn)則確巖體剪切力學(xué)參數(shù)，試驗(yàn)成果見(jiàn)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(shí)，通過(guò)試驗(yàn)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(qiáng)度較小，剪切過(guò)程由彈性演變到塑性變形，隨著圍壓增大，峰、殘強(qiáng)度隨之增加。

2）夾角β=45°時(shí)，剪切面切過(guò)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(dá)到峰值后塑性破壞。

3）夾角β=90°時(shí)，剪切面切過(guò)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(qiáng)度曲線近似平行，平均相差為34.6%。

4）峰值強(qiáng)度。以不同夾角β 剪切試驗(yàn)所獲取的摩擦角值差異較大，其中β=90°試驗(yàn)值約為β=0°的1.57 倍，其主要原因?yàn)棣?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(shí)最大，但是3 種條件剪切差異較小，在實(shí)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(qiáng)度圖Fig.3 The diagram of shear peak-residual strength

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

5）殘余強(qiáng)度分析。摩擦角衰減度以β=0°時(shí)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(shí)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(dāng)β=0°時(shí)，殘余強(qiáng)度最小。

3 結(jié) 論

1）針對(duì)研究巷道層狀圍巖，通過(guò)不同條件下原位變形以及剪切試驗(yàn)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(yàn)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?yàn)閹r體受力過(guò)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(qiáng)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(shí)抗壓強(qiáng)度相對(duì)較大，60°左右時(shí)抗壓強(qiáng)度明顯較小。

3）圍巖巖體在不同夾角β 條件下進(jìn)行原位剪切試驗(yàn)，獲取峰、殘余強(qiáng)度。成果顯示：β=90°時(shí)，峰、殘余值力學(xué)參數(shù)最大；β=0°時(shí)，峰、殘余強(qiáng)度最小；內(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(shí)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?yàn)榱W(xué)參數(shù)較大，較為安全。