巷道层状围岩各向异性工程力学特性研究_宋斌.pdf

第 51 卷第 8 期 2020 年 8 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.8 Aug. 2020 巷道层状围岩各向异性工程力学特性研究 宋斌 （中铁西北科学研究院有限公司 西南分院， 四川 成都 610031） 摘要 永安煤矿巷道围岩以层状白云质灰岩为主， 实践表明围岩岩体不同方向力学参数差异 明显， 具有典型的各向异性力学特征。采用原位试验对巷道围岩进行力学特性试验是获取各向 异性力学参数的有效方法。现场通过夹角 α （0、 30、 45、 60、 90） 进行岩体变形试验， 成果显示 随着夹角 α 的增加， 岩样的抗压强度、 变形模量均呈先减小后增加的 “U” 型变化规律； 以不同夹 角 β （0、 45、 90） 进行原位剪切试验， 成果显示不同夹角峰、 残余强度差异明显， 其中摩擦角衰 减程度不同， 黏聚力则变化较小。根据试验成果分析， 其主要原因为岩体受力过程中节理裂隙受 力变形的空间方位以及岩石各向模量的差异。 关键词 层状围岩； 力学特性； 原位试验； 岩体各向异性； 夹角 中图分类号 TD322文献标志码 A文章编号 1003-496X （2020 ） 08-0058-05 Study on Engineering Mechanical Properties of Anisotropy of Layered Surrounding Rock of Roadway SONG Bin （Southwest Branch of China Railway Northwest Research Institute Co., Ltd., Chengdu 610031, China） Abstract The surrounding rock of coal roadway is mainly bedded dolomitic limestone. The practice shows that the mechanical parameters of surrounding rock vary obviously in different directions, and it has typical anisotropic mechanical properties. It is an effective to obtain anisotropic mechanical parameters by in-situ test. The in-situ rock mass deation tests were carried out at different angles （0, 30, 45, 60, 90） . The results show that the curves obtained at different angles have different deation laws. With the increase of angle α, the compressive strength and deation modulus of rock samples decrease first and then increase in a“U”shape, with different angles of β（0, 45, 90） . The results of in-situ shear tests show that there are obvious differences in peak angle and residual strength, among which the attenuation degree of friction angle is different, while the cohesion changes slightly. According to the analysis of experimental results, the main reasons are the spatial orientation of joint and fracture deation and the difference of rock modulus in each direction during the process of rock mass loading. The research results provide the basis for the mining scheme, stability uation and protective measures of the roadway. Key words layered surrounding rock; mechanical properties; in-situ test; anisotropy of rock mass; included angle DOI10.13347/ki.mkaq.2020.08.011 宋斌.巷道层状围岩各向异性工程力学特性研究 ［J］ .煤矿安全， 2020， 51 （8） 58-62. SONG Bin. Study on Engineering Mechanical Properties of Anisotropy of Layered Surrounding Rock of Road－ way ［J］ . Safety in Coal Mines, 2020, 51 （8） 58-62. 移动扫码阅读 基金项目 国家自然科学基金青年科学基金资助项目 （41902296） 岩体力学性质是一切岩体工程设计支护以及评 价的基础， 长期以来都是研究重点， 当然也是难点。 目前，在实际工程中，通常是把岩体看作均质、 连 续、 各向同性的弹性介质来处理[1－3]， 然而实际工程 中岩体呈现各向异性力学特征。大量学者对此进行 了研究， 表明各向异性变形与强度特性、 加载方向、 结构特征等有关[4-5]。Taval lali 和 A. Vervoort[6-7]对层 状砂岩进行了劈裂试验，发现层状岩体抗拉强度的 各向异性特点非常明显，并获得了岩体横观各向异 性破坏的强度公式； 刘杰等[8]考虑岩体各向异性特 性下的深埋高地应力隧洞开挖卸荷作用，提出了针 对层状岩体变形参数的卸荷弱化方法。 获取并确定工程岩体各向异性的力学性质参数 是进行工程设计支护、稳定性评价的基础依据， 必 58 ChaoXing 第 51 卷第 8 期 2020 年 8 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.8 Aug. 2020 不可缺。目前确定岩体变形参数的方法包括理论计 算法[9]、 现场试验法[10-11]、 经验参数法[12-13]和数值分析 法[14-15]等。但是各种力学参数的获取方法均在缺陷。 经验参数法经济实用， 但区域性、 主观性强， 取值随 意性大， 缺乏客观的依据[16]； 理论计算和数值分析结 果推测岩体力学参数为 1 种快速且经济的方法， 但 需要与可靠的本构模型结合才能相得益彰，同时相 关研究中大多是考虑结构面参数对岩体各向异性变 形的影响，没有系统完整地描述岩体所处的环境和 状态对变形参数各向异性特征的影响；而现场大尺 寸试验设备要求规范，操作水平高。根据大量实践 证明，岩体现场大型试验测试力学参数直观性强， 较为真实可靠[17-19]。 基于上述岩石力学参数获取的优缺点和可靠度 考虑， 以贵州黔西南永安煤矿 306巷道围岩为研究 对象，采用现场大型原位试验，分别进行层状岩体 不同受力方向的承压、剪切试验，获取各向异性的 力学参数值和演化规律，提出巷道设计支护、稳定 性评价采用岩体各向异性的新思路和依据。 1工程概况及试验方案 1.1工程概况 永安煤矿位于黔西南扬子江台地的云贵高原， 织金背斜北西一翼。306巷道处于地面以下 250.0～ 300.0 m， 围岩为三叠系法郎组 （T2f） 中-下统层状白 云质灰岩， 岩层倾角为 27～32， 节理较发育。巷道 断面直墙拱形， 宽度为 3.5～4.5 m， 平均为 4.0 m， 拱 高为 1.0～1.5 m， 平均为 1.2 m， 直墙为 1.8～2.5 m， 平 均为 2.1 m。 1.2试验方案 采用现场原位大型试验，避免室内试验尺寸或 岩体应力状态的影响。试验目的为获取巷道围岩各 向异性力学参数，包括承压板变形测试、岩体抗剪 测试。岩体变形试验采用标准刚性承压板法，在巷 道侧壁以及底部开凿试样，清除表层碎石，保证起 伏差小于 5.0 mm， 同时采用高强度水泥浆抹平。岩 体变形试验分为 5 组，夹角 α 依次为 0、 30、 45、 60、 90， 其中 α 为承压板作用力与岩层层面或层理 的夹角。岩体抗剪试验在拟定试验部位凿切边 50 cm50 cm30 cm 的方形试样，然后在试样顶部及 四周浇注高强度混凝土保护罩，致使剪切试样不扰 动， 并预留剪切缝。岩体剪试验分为 3 组， 夹角 β 依 次为 0、 45、 90，其中 β 为剪切面与岩层层面或层 理的夹角。试验严格按照相关岩土工程规范的程序 和标准进行， 在此不详细叙述具体过程。 2岩体各向异性力学试验及分析 2.1岩体变形试验 巷道围岩变形特征是设计支护以及稳定性评价 的重要参数。在实际工程中围岩所受压力存在差 异， 如果变形过大， 则引起巷道整体变形破坏。岩体 变形是岩块材料和结构变形的总和， 通常情况下， 岩 体结构变形起着控制作用[20]。 因此， 现场原位试验避 免了室内试验只针对岩石而非岩体的变形，其结果 更符合实际工程。通过绘制不同夹角 α 的围岩岩体 变形试验应力-应变曲线， 获取变形模量 E0， 并分析 岩体变形机理。 岩体为非弹性体，在外力作用下通常是产生弹 性变形和塑性变性，因此得到的应力 p-变形 s 曲 线， 呈现塑性回滞圈[12]， 差异的回滞圈反映测试岩体 的特征。依据规范分级施加荷载，得出应力-变形 （p-s） 如图 1。 利用刚性承压板施力于半无限空间岩体表面， 并按半无限弹性体表面受局部荷载的 Boussinesq ula[21]计算岩体变形模量， 如式 （1） ， 经多个试验 点成果综合分析， 巷道围岩的变形模量为 0.66～1.12 GPa， 弹性模量为 1.38～1.79 GPa。 E0π 4 （1-μ 2） pd W0 （1 ） 式中 E0为岩体变形模量； p 为承压板单位面积 的计算应力， MPa； d 为承压板的直径； W0为岩体的 总变形； μ 为泊松比， 采用 0.29。 通过试验记录并绘制应力-变形 （p-s）曲线， 试验围岩体具有以下几点特征。 1） 不同的夹角 α 围岩体承压变形过程的应力- 变形 （p-s） 曲线基本一致， 分为压密阶段、 弹-塑性 变形阶段。随着夹角 α 的增大， 岩体破坏时的峰值 先减小后增大。通过比较相对而言， 夹角 α 较小时， 岩体压密较为明显， 随着夹角增大， 压密阶段变短， 曲线由缓变陡， 弹性模量增大。 2） 层理平行或垂直于最大主应力方向 （α0、 90） 的试样应力-曲线较快进入线性阶段， 而层理方 向和最大主应力方向斜交 （α30、 45、 60） 的试样 应力-应变曲线进入线性阶段较慢， 其中 α90试样 进入线性阶段最快。 3） 图 1 （a） 的曲线呈上凹形， 反映了岩体层理、 裂隙的发育程度非均匀性特征，施加压力垂直层面 时， 结构面逐渐压密， 模量逐渐增大， 变形模量由大 59 ChaoXing 第 51 卷第 8 期 2020 年 8 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.8 Aug. 2020 图 1围岩岩体不同夹角 α 变形曲线图 Fig.1The deation curves of surrounding rock with different angles of α 变小。图 1 （e） 的曲线呈上凸形， 反映了岩体所含层 理、裂隙随着深度或者在压力作用下逐渐增大以及 裂隙的再扩展等， 导致岩体模量减小。图 1 （b） ～图 1 （d） 曲线呈 “S” 形， 反映了岩体由开始的层理、 裂隙 压实阶段变形量较大，模量较小；其后为岩体的弹 性变形段， 但该阶段较短； 最后为层理、 裂隙的扩展 或滑移变形， 变形增大， 模量变化幅度较小。 4） 随层理角度的增加， 岩样的抗压强度、 变形模 量均呈先减小后增加的 “U” 型变化规律， 在层理角 度为 0和 90时抗压强度相对较大， 60左右时抗压 强度明显较小， 层理角度为 0～30和 75～90时， 抗 压强度呈较为缓慢趋势减小和增大，层理角度为 30～60和 60～75时，岩样的抗压强度呈较快的趋 势减小和增大。 2.2岩体原位抗剪试验 室内岩体剪切试验通常是将岩体制成标准试样 后进行，由于受尺寸效应和岩体结构特征的影响， 与真实力学参数存在误差。岩体原位剪切试验能较 好的反映真实的剪切力学参数，目前对于大型工程 或重要工程试验较多。 通过现场不同条件的剪切以及绘制剪切应力- 位移、 峰、 残强度曲线如图 2 和图 3， 与此同时通过 Mohr-Coulomb 准则确岩体剪切力学参数， 试验成果 见表 1。围岩岩体剪切力学性质具有明显的各向异 性特征。 1） 夹角 β0时， 通过试验确定剪切面基本为层 面， 证明在平行层面方向， 层面的剪切强度较小， 剪 切过程由弹性演变到塑性变形， 随着围压增大， 峰、 残强度随之增加。 2） 夹角 β45时， 剪切面切过岩层， 较为平直， 凹凸不明显，剪切初期斜率较大，随着应力和位的 增大， 出现非线性变化， 达到峰值后塑性破坏。 3） 夹角 β90时， 剪切面切过岩层， 较为平直， 凹凸不明显，剪切初期斜率较大，随着应力和位移 增大，呈现塑性破坏。曲线显著特征为弹性变形阶 段斜率较大， 位移较短， 塑性破坏特征明显。峰、 残 强度曲线近似平行， 平均相差为 34.6。 4） 峰值强度。以不同夹角 β 剪切试验所获取的 摩擦角值差异较大，其中 β90试验值约为 β0的 1.57 倍，其主要原因为 β0剪切面为岩体层面， 层 间剪切力学参数明显低于岩体垂直岩层剪切力学参 数。黏聚力虽然仍是 β45时最大， 但是 3 种条件剪 切差异较小， 在实际工程中影响不大。 5） 残余强度分析。摩擦角衰减度以 β0时最 60 ChaoXing 第 51 卷第 8 期 2020 年 8 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.8 Aug. 2020 β/ （ ） 内摩擦角/ （ ） 内摩擦角 衰减度/ 黏聚力/kPa黏聚力 衰减度/峰值残余值峰值残余值 025.018.028.034.321.637.0 4533.025.223.637.724.535.0 9039.230.123.236.120.443.5 表 1不同夹角 β 原位剪切试验成果表 Table 1The results of in-situ shear test with different angles of β 图 3剪切峰值-残余强度图 Fig.3The diagram of shear peak-residual strength 图 2剪切应力-位移图 Fig.2The diagram of shear stress-strain 大， 为 28.0， β （45、 90）衰减度基本一致， 约为 23.0； 黏聚力以 β90时最大， 为 43.5， β （0、 45） 衰减度基本一致， 约为 35.0～37。同样揭示 当 β0时， 残余强度最小。 3结论 1 ） 针对研究巷道层状围岩， 通过不同条件下原 位变形以及剪切试验获取力学参数，成果表明 围 岩岩体力学性质具有明显的各向异性特征。 2 ） 岩体变形试验中， 不同夹角 α 获取的变形曲 线呈现凹凸不同，其主要原因为岩体受力过程中节 理裂隙受力变形的空间方位以及岩石各向模量的差 异。随着夹角 α 的增加， 岩样的抗压强度、 变形模量 均呈先减小后增加的 “U” 型变化规律， 在层理角度 为 0和 90时抗压强度相对较大， 60左右时抗压强 度明显较小。 3） 围岩岩体在不同夹角 β 条件下进行原位剪切 试验， 获取峰、 残余强度。成果显示 β90时， 峰、 残 余值力学参数最大； β0时， 峰、 残余强度最小； 内摩 擦角 φ 不同剪切条件下差异较大， 而黏聚力 c 则差 异不明显， 在实际工程中影响不大。 4） 研究巷道围岩力学性质具有各向异性特征， 围岩垂直岩层方向为力学参数较大， 较为安全。 参考文献 ［1］ 黄春， 左双英， 王嵩， 等.层状各向异性岩体的室内单 轴压缩试验分析 ［J］ .长江科学院院报，2016， 33 （5） 58-62. ［2］ 张航， 朱珍德， 谌凡.压缩荷载作用下脆性岩石弹塑性 损伤耦合本构模型研究 ［J］ .科学技术与工程， 2016， 16 （6） 205-209. ［3］ CHENG W, JIN Y, CHEN M. 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