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中图分类号婴三主3 U D C 6 2 4 硕士学位论文 学校代码 Q 三3 三 密级 垒珏 泥质灰岩蠕变特性及巷道稳定性研究 S t u d yo nC r e e pC h a r a c t e r i s t i c sa n dR o a d w a yS t a b i l i t yo f A r g i l l a c e o u sL i m e s t o n e 作者姓名 学科专业 研究方向 学院 系、所 指导教师 副指导教师 何云 土木工程 岩土工程 资源与安全工程学院 曹平 论文答辩日期丝f 幺煎加答辩委员会主席 中南大学 2 0 1 4 年5 月 万方数据 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中南 大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本 研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名 白云日期址年盘丝曰 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权 保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允许学位 论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用 复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所 将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公 众提供信息服务。 作者签名盛亟导师签名日期业年』月幺日 万方数据 硕士学位论文摘要 泥质灰岩蠕变特性及巷道稳定性研究 摘要岩石流变特性往往是造成巷道围岩变形及失稳的关键因素，在 巷道设计与施工中必须充分考虑岩石的流变效应。本文基于河南省三门峡 铝土矿快速掘进科研项目，以矿区泥质灰岩巷道为研究对象。通过理论研 究、现场工程地质调查、室内试验和数值模拟等技术手段，对泥质灰岩 巷道围岩和支护的稳定性进行分析研究，为矿区安全施工及快速掘进提 供重要的参考依据。本文主要研究成果有 1 岩石的非线性力学特性是岩石内部微裂隙随机分布的宏观体现， 岩石的加速蠕变阶段是岩石蠕变过程中损伤急剧扩展的反映。岩石的 W e i b u l l 统计损伤模型能很好地表征岩石内部微裂隙的随机分布和扩展所 引起的软化特性，将其引入到传统的西原模型中以反映岩石损伤效应对各 蠕变参数产生的劣化，根据L e m a i t r e 应变等效原理建立了岩石非线性蠕 变损伤模型。该模型将岩石的长期强度作为岩石蠕变过程中损伤演化的应 力阈值，将加速蠕变起始点的应变值作为损伤急剧扩展的应变阈值，全面 地描述了岩石蠕变的全过程曲线，对于工程实践具有很好地应用价值。 2 结合摩尔一库伦屈服准则，推导了西原模型蠕变方程的三维有 限元差分形式，实现了数值分析软件F L A C 3 D 的西原模型本构开发。在单 元处于未屈服状态时，模型曲线与广义凯尔文模型曲线实现了很好的吻 合；同时在单元处于屈服状态时，模型曲线呈现出具有恒定蠕变速率的 稳态蠕变阶段，验证了F L A C 3 D 西原本构模型的正确性。 3 运用T R T 6 0 0 0 超前地质探测系统分析矿区泥质灰岩巷道周围岩 体特征，通过室内岩石力学试验获得了泥质灰岩基本力学参数，参照现 有工程技术规范和岩体力学参数的工程处理方法，得到合理的岩体力学 参数，为数值模拟提供准确的计算参数。 4 运用F L A C 3 D 对矿区泥质灰岩巷道进行数值模拟，在分析无支 护结构巷道的基础上，制定了喷射混凝土支护和喷锚支护两种支护方案进 行模拟。数值模拟表明，巷道开挖后围岩主要呈现出拱项下沉、侧墙向内 以及底板鼓起的收敛变形，围岩变形和塑性区扩展约在巷道成形3 0 天后 趋于稳定；两种支护方案均能控制围岩的变形以及限制围岩塑性区的发 展，提高了巷道的稳定性虽然喷锚支护方案的支护效果更好，但由于泥 质灰岩巷道蠕变变形不明显且松动圈范围较小，对巷道采用喷射混凝土 支护方案既能保证巷道的稳定，同时更具有经济性，且更能满足巷道的快 速掘进需求。 T 万方数据 硕士学位论文 摘要 图6 5 幅，表2 1 个，参考文献1 0 3 篇。 关键词流变；损伤力学；西原模型F L A C 3 D ；二次开发；数值模拟 分类号T D 3 5 3 万方数据 硕士学位论文A b s t r a c t S t u d yo nC r e e pC h a r a c t e r i s t i c sa n dR o a d w a yS t a b i l i t yo f A r g i l l a c e o u sL i m e s t o n e A b s t r a c t R h e o l o g i c a le f f e c ti st h ec r i t i c a lf a c t o rw h i c hm a yi n d u c et h e d e f o r m a t i o n sa n de v e nf a i l u r e si ns u r r o u n d i n gr o c k s ．T h e r e f o r er h e o l o g i c a l e f f e c ts h o u l db et a k e ni n t oc o n s i d e r a t i o ns u f f i c i e n t l yi nt h ed e s i g n sa n d c o n s t r u c t i o np r o c e s s e so f t u n n e l s ．B a s e do nt h er e s e a r c ho fs p e e d yd r i v a g ei n t h eS a nM e n x i ab a u x i t em i n ei nH e n a np r o v i n c e ，t h e o r e t i c a ls t u d y ，f i e l d g e o l o g i c a ls u r v e y ，e x p e r i m e n t a lt e s t sa n d n u m e r i c a ls i m u l a t i o n sa r ec o n d u c t e d t oi n v e s t i g a t et h es t a b i l i t yo fs u r r o u n d i n gr o c k sa n dt u n n e ls u p p o r t si nt h e t u n n e l sl o c a t e di na r g i l l a c e o u sl i m e s t o n e ．A b o v es t u d i e sm a yp r o v i d ec r i t i c a l r e f e r e n c e st ot h es a f e t ya n de x c a v a t i o nr a t ei nt h et u n n e lc o n s t r u c t i o n s ．T h e m a i nr e s u l t so b t a i n e da r ew r i t t e na s f11C o n s i d e r i n gt h ee x i s t e n c eo ft h er a n d o m l yd i s t r i b u t e di n n e rc r a c k si n r o c k s ，i n v e s t i g a t i o n so ft h ed a m a g em e c h a n i s m i nt h ec r e e pp r o c e s sa r e c o n d u c t e db a s e do nd a m a g em e c h a n i c s ．A n dt h e nt h es t a t i s t i c a ld a m a g e v a r i a b l eo ft h er o c km i c r o e l e m e n ts t r e n g t hw h i c hf o l l o w sW e i b u l ld i s t r i b u t i o n i Si n t r o d u c e dt oi m p r o v et h eN i s h i h a r am o d e l ．I nt h em o d i f i e dN i s h i h a r a m o d e l ．t h e1 0 n g ．t e r ms t r e n g t hi St r e a t e da st h et h r e s h o l ds t r e s sw h i c hw i l l e n s u r et h a tt h er a t eo fs t e a d yc r e e pi San o n z e r ov a l u e ，a n dt h es t r a i na tt h e s t a r t i n gp o i n to fa c c e l e r a t e dc r e e pi Sv i e w e da st h et h r e s h o l ds t r a i no f a c c e l e r a t e dc r e e p ．T h ed e f i c i e n c yi nd e p i c t i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h e a c c e l e r a t e dc r e e pi nf o r m e rN i s h i h a r am o d e li sc o n q u e r e d ，a n dt h ee n t k ec r e e p C H I V ei Sd e d u c e de x c e l l e n t l yi nt h i si m p r o v e dm o d e l ． f 2 1C o m b i n i n gw i t ht h eM o h r ．C o u l o m bc r i t e r i o n ，t h ef o r mo ff i n i t e e l e m e n td i f f e r e n c ei nt h r e e ．d i m e n s i o ni Sp r o p o s e d ．a n dt h e nt h ec o n s t i t u t i v e d e v e l o i a i i i e n to f N i s h i h a r am o d e li nF L A C “’i Sa c c o m p l i s h e d ．T h ec r e e pc u r v e o fN i s h i h a r am o d e li sf i r e de x c e l l e n t l yw i t hK e l v i nm o d e lc u r v ew h e nt h e e l e m e n t sa r en o ti nt h ey i e l d e ds t a t e s ．a n dt h ec r e e pc u r v ei sc h a r a c t e r i z e db ya s t e a d yc r e e pw i t hc o n s t a n te r e 印r a t e sw h e nt h ee l e m e n t sa r ei nt h ey i e l d e d s t a t e s ．B a s e do na b o v ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ec r e e pc u r v e ，t h ea c c u r a c yo f N i s h i h a r am o d e la p p l i e di nF L A C Ⅲi Sv e i l f l e d ． 3 I n v e s t i g a t i o no nt h ec h a r a c t e r i s t i c so f t h es u r r o u n d i n gr o c k si nt h e t u n n e l sl o c a t e di na r g i l l a c e o u sl i m e s t o n ei sp e r f o r m e db ya p p l y i n gt h e I I I 万方数据 硕士学位论文 A b s t r a c t a d v a n c e dg e o l o g i c a ld e t e c t i o ns y s t e m T R T 6 0 0 0 i nm es t u d y ．B a s e do nt h e e x p e r i m e n t a lt e s t ，b a s i cm e c h a n i c a lp a r a m e t e r so fa r g i l l a c e o u sl i m e s t o n ea r e o b t a i n e d ．A n dt h e n ，a c c o r d i n gc u r r e n tt e c h n i c a lc o d e sa n dt h ee n g i n e e r i n g r e d u c t i o nm e t h o d so fm e c h a n i c a lp a r a m e t e r s ，t h er e a s o n a N em e c h a n i c a l p a r a m e t e r sa d o p t e di ns i m u l a t i o n sa r ea l s op r o p o s e d ． 4 N u m e r i c a la n a l y s i s b a s e do nF L A C mi sc o n d u c t e do nt h e c o m p a r i s o n sa m o n gt h es u p p o r t i n gs c h e m e sa d o p t e di nt h et u n n e l sw h i c ha r e n o ts u p p o r t e d ，s p r a y i n g 。c o n c r e t es u p p o r t e da n db o l t - c o n c r e t e s u p p o s e di n a r g i l l a c e o u sl i m e s t o n e ．I tC a nb ec o n c l u d e df r o mn u m e r i c a la n a l y s i st h a tt h e c r o w ns e t t l e m e n ta n dt h ec o n v e r g e n c e sr e s u l t e df r o mt h ed e f o r m a t i o no ff l o o r a n dl a t e r a lw a l l sa r ee n c o u n t e r e da f t e rt h et u n n e le x c a v a t i o n ．T h ed e f o r m a t i o n a n dt h ee x p a n s i o no f p l a s t i cz o n e si nt h es u r r o u n d i n gr o c k sa r et e n d i n gt ob e s t a b l ei n3 0d a y sa f t e rt h ee x c a v a t i o n ；t h es t a b i l i t yo ft h et u n n e li si m p r o v e d b yc o n t r o l l i n gt h ed e f o r m a t i o na n dc o n s t r a i n i n gt h ed e v e l o p m e n to fp l a s t i c z o n e so fs u r r o u n d i n gr o c k si nb o t ho ft h es u p p o r t i n gp a t t e m s ．A l t h o u g ht h e b o l t c o n c r e t es u p p o r t i n gs c h e m e sa c q u i r et h eb e t t e rs u p p o r t i n ge f f e c t st h a nt h e s p r a y m g 。c o n c r e t es u p p o r t i n gs c h e m e s ，b u td u et ot h es m a l lc r e e pd e f o r m a t i o n a n ds m a l ll o o s ec i r c l ei nt h et u n n e l s l o c a t e di n a r g i l l a c e o u sl i m e s t o n e ， s p r a y i n g ’c o n c r e t es u p p o r t1 Sa ne c o n o m i c a ls u p p o r t i n gp a t t e r nw h i c hc a na l s o m e e tt h er e q u i r e m e n to fs p e e d yd r i v a g e ． 6 5g r a p h s ，21t a b l e s ，10 3r e f e r e n c e s ． K e y w o r d s r h e o l o g y ；d a m a g em e c h a n i c s ；N i s h i h a r ac r e e pm o d e l ；F L A C 3 D s e c o n d a r yd e v e l o p m e n t n u m e r i c a ls i m u l a t i o n C l a s s i f i c a t i o n T D 3 5 3 万方数据 硕士学位论文目录 目录 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．I A b s t r a c t ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．I I I l 绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．1 选题背景和研究意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 ．2 国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一2 1 ．2 ．1 岩石流变力学试验研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．2 ．2 岩石流变模型研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 1 ．2 ．3 流变模型开发和工程应用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 1 - 3 本文研究内容和技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 1 ．3 ．1 研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一1 0 1 ．3 ．2 技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一11 2 岩石蠕变损伤模型研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 2 2 ．1 围岩力学特性研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 2 ．1 ．1 围岩的应力分布⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一1 2 2 ．1 ．2 围岩的压力分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 4 2 ．1 ．3 围岩与支护相互作用分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 6 2 ．2 围岩的蠕变特性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 8 2 ．2 ．1 岩石典型蠕变特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一1 8 2 ．2 ．2 岩石蠕变本构模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一1 9 2 ．2 ．3 围岩位移的蠕变分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一2 2 2 ．2 ．4 围岩的动态分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一2 4 2 ．3 岩石统计损伤本构模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 5 2 ．3 ．1 损伤力学本构模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一2 5 2 ．3 ．2 岩石统计损伤演化方程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 7 2 ．4 岩石蠕变损伤模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 0 2 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 3F L A C 3 D 西原蠕变本构模型开发⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 2 3 ．1F L A C Ⅲ简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 2 3 ．2 有限差分法简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 4 3 ．3 西原蠕变本构模型差分公式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 6 3 ．4 西原模型验证⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 3 3 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 5 4 矿区地质概况和室内岩石力学试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一4 6 4 ．t 矿区地质概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 6 4 ．2T I 盯超前地质探测⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 7 4 ．2 ．1T R T 超前地质探测技术简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 7 4 ．2 ．2T R T 超前地质探测结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 8 4 ．3 泥质灰岩室内试验与数据处理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 1 4 ．3 ．1 岩石密度测定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 2 4 ．3 ．2 单轴压缩试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一5 3 4 ．3 ．3 巴西劈裂试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 5 4 ．3 ．4 单轴蠕变试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 8 V 万方数据 硕士学位论文 目录 4 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 2 5 泥质灰岩巷道数值模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 3 5 ．1 数值模型和计算参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 3 5 ．1 ．1 数值模型的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一6 3 5 ．1 ．2 模型计算参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 4 5 ．2 无支护结构巷道数值模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 7 5 ．3 巷道支护方案数值模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 1 5 ．3 ．1 喷射混凝土支护方案模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 2 5 ．3 ．2 喷锚支护方案模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 5 5 ．3 ．3 支护效果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 8 5 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 0 6 结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一8 l 6 ．1 结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 1 6 ．2 展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 2 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 3 攻读硕士研究生期间主要学术成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 9 致i 射⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一9 0 V 1 万方数据 硕士学位论文 绪论 1 绪论 1 ．1 选题背景和研究意义 自1 9 7 8 年实行改革开发以来，中国的经济在良好的发展环境下实现了突飞猛进， 中国已成为了世界第3 大经济体。经济的高速发展伴随着国家对大量的资源、能源等 的需求，同时也促进了交通、基础设施建设等领域的快速发展。采矿、水利水电、土 木工程、公路铁路等领域的快速发展和建设出现了各类大型的岩体工程，如金川矿区、 三峡工程、锦屏二级水电站、青藏铁路等。随着浅层矿产资源的逐步完结，采矿向着 地下的深部化发展，随之产生的高地压、岩爆等问题限制了巷道的快速掘进及安全施 工；随着水利工程的大规模建设，坝基、库区高边坡、引水隧洞的长期稳定性问题成 为了水利工程建设的关键；随着地下空间大面积的开发利用，地表沉降、大跨度及高 边墙地下工程稳定性问题越来越受到人们的重视；随着高速公路及高速铁路的全面建 设，伴随着大量的隧道、边坡及路基的稳定性问题。因此，以诸多的岩体工程为基础， 我国岩石力学及相关工程技术发展迅速，取得了很多骄人的成就，同时也出现了更多 深层次的岩石力学问题。 岩石是经过长期的地质作用而形成的具有一定结构构造的矿物集合体。相比一般 介质而言岩石具有一种天然的复杂性，矿物和微裂隙的随机分布构成了岩石的非均质 性和不连续性，同时也造成了岩石力学特性的各向异性。岩体是由结构体和节理、裂 隙等不连续面组成的地质体，其力学特性不仅仅受到结构体和不连续面的影响，同时 地下水和岩体的构造分布特征也对岩体的力学特性具有十分重要的影响。作为工程领 域一种普遍的工程材料，岩体力学特性直接影响到岩体工程的安全及稳定性。 大量的工程实践和室内试验表明岩体是一种常见的流变介质I 。运用岩体流变力 学的观点和方法对岩体工程进行分析和研究，可以对诸多工程实际问题作出合理的解 释并制定适当的解决措施。以巷道和隧道等地下工程为例，若不考虑岩体的黏弹塑性 流变特性，则洞室开挖将引起的围岩应力重分布可认为在洞室成洞的瞬间即已经完全 稳定。如果此时围岩的应力小于围岩的强度值时，围岩的变形将不会随着时间的发展 而变化，则毛洞可认为是永久稳定的，而这种观点却有悖于客观事实。通过大量的工 程量测及监控表明，洞室开挖完成后洞周围岩的位移将随时间的发展而变化，若不及 时进行支护，许多成洞之初表现为稳定的围岩在经历一段时间后将发生围岩变形过 大、局部和整体失稳等现象，从而导致洞室坍塌和破坏等工程事故。又例如传统松散 围岩支护理论认为围岩与支护结构之间的作用力是恒定不变的，即在进行支护结构设 计时只考虑围岩的松散压力，不考虑围岩的形变压力。而由于岩体的流变特性，围岩 变形的持续性使得其对支护结构的作用力是不断变化的，特别是对于软岩而言，支护 万方数据 硕士学位论文 绪论 结构主要承受由于围岩蠕变而产生的形变压力。因此，在进行支护结构设计上必须充 分考虑围岩的流变特性而产生的形变压力，才能确保围岩的长期稳定，这也是新奥法 的基本设计原则。工程实践验证了岩体是一种流变介质的客观事实，运用岩体流变力 学理论可以很好地分析围岩变形位移、洞室施工期失稳、围岩与支护间的相互作用力、 边坡变形滑动等工程实践问题，从而揭示了岩体与支护间相互作用机制与时间密切相 关，呈现出一定的“时间效应”。 目前，我国正处于“十二五”规划大规模建设阶段，国民经济的发展和基础设施 建设离不开大量的矿产资源供应，这极大地促进了我国矿山的发展。随着我国矿山开 采正逐步进入深部开采阶段，采矿工程所面临的工程地质环境受到了高地应力场、高 渗透压场、高温度场等因素的相互影响也变得更加复杂。在复杂的地质环境下不仅软 岩将产生较大的变形不利于工程的安全与稳定，甚至在某些情况下坚硬的岩体也将会 表现出非常明显的流变特性[ 2 圳，这给我国巷道支护理论和技术方面带来了新的挑战。 因此，在进行矿山设计、施工及运行过程中重视岩体的流变力学特性，制定合理的支 护结构，对于巷道的长期稳定性和矿山建设具有重要的实践意义。 1 ．2 国内外研究现状 1 ．2 ．1 岩石流变力学试验研究 岩石的流变力学特性是指岩石的内部结构随着时间的变化而不断地进行调整与 重组，使岩石的应力一应变状态随时间的发展而变化的性质【1 ] 。经典的弹塑性理论认 为岩土体的应力一应变状态不受时间因素的影响，应力一应变状态的改变仅取决于应 力大小和应力路径的变化。相比于经典的弹塑性理论，岩土流变力学引入时间因素这 一相对独立的影响因素，对岩土体的力学行为、变形、本构关系、屈服流动及失稳破 坏等方面进行研究，主要包括蠕变、应力松弛、弹性后效和滞后效应、长期强度等研 究内容嘲。 早在古希腊时期，哲学家H e r a c t i t u s 就提出了“流变”一词，其认为流变特性是 包括岩体在内的所有工程材料都具有的基本特性。流变学是基于分子物理、化学、固 体力学而发展成为的一门科学理论，2 0 世纪2 0 年代美国学者B i n g h a m 所著的 F l u i d i t y a n dP l a s t i c i t y 1 6 J 的出版，以及在他的倡议下美国流变协会的成立，开创了流变学研究 的新纪元，标志着流变学成为了一门独立的学科。但随后2 0 多年却少有国内外学者 开展流变学相关研究。1 9 5 9 年法国的M a l p a s s e t 水坝因岩体滑移失稳而发生溃坝，1 9 6 3 年意大利的V a j o n t 水坝发生蠕滑破坏造成2 6 0 0 余人遇难，这两起重大的震惊世界的 岩体失稳事故，引起了全世界学者的对岩体力学广泛重视，同时极大地促进了岩体流 变力学的发展。1 9 6 3 年奥地利学者R a b c e w i c z 从岩体力学的角度总结其长期从事隧道 2 万方数据 硕士学位论文 绪论 施工实践经验，提出了一种隧道合理的施工方法，即新奥法1 7 ] N A T M N e wA u s t r i a n T u n n e l i n gM e t h o d 。不同于传统的隧道支护松动围岩理论，新奥法应用黏弹塑性理论 对隧道施工过程进行分析，注重对围岩和支护的变形进行量测和监控，以此制定合理 的支护结构进行适时支护。这样使得围岩的自支撑能力得到了充分的利用，同时在确 保隧道安全性的前提下，也提高了工程的经济性。新奥法充分考虑到岩体是一种工程 流变介质，着重分析围岩与支护的时间效应。因此，新奥法的提出让全世界的学者意 识到岩体流变力学特性的重要性，岩体流变力学和相关工程技术的研究也成为了全世 界专家学者的研究热点。 自2 0 世纪2 0 年代至今，国内外学者对岩石流变力学特性试验开展了大量的研究， 并获得了丰富的试验成果。就流变试验而言，试验方法包括室内试验和现场试验。室 内试验可分为单轴压缩试验、三轴压缩试验、弯曲试验、扭转试验、岩体结构面剪切 试验、剪切蠕变试验等；现场试验可分为现场岩体压缩试验和剪切蠕变试验等。试验 的加载方式也分为单级加载、分级增量加载、分级增量循环加卸载等。试验涉及的岩 石类别不仅有盐岩、砂岩、页岩等软岩和中硬岩，同时还有大理岩、花岗岩等高强度 硬岩。国外学者首先开展了流变试验研究，最早进行的蠕变试验为1 9 3 9 年G r i g g s 瞵1 对几种不同类型的岩石进行了相关蠕变试验，通过试验G r i g g s 认为岩石发生蠕变变形 的应力阈值约在岩石破坏荷载1 2 ．5 ％至8 0 ％的范围内。随后国外学者纷纷开展了岩石 蠕变试验研究。R o t 9 1 对辉长岩及花岗岩试件进行了弯曲蠕变试验，试验结果表明花岗 岩这类硬岩也具有黏滞性流动的流变特性。K r a I l z 【l o J 在试件峰值应力的8 7 ％的应力水 平下对试件进行加载，并在不同加载时间下进行卸载，对岩石内部裂纹的生成和扩展 进行了研究。M a r a I l i I l i [ 1 1 】以石灰岩为研究对象，进行了单轴蠕变和三轴压剪蠕变试验， 分析了石灰岩的蠕变变形机制。F u j i i t 控】定义了岩石蠕变过程中的3 个特征点 分别为 轴向应变率达到最小值的点、环向应变率达到最小值的点以及环向应变表现为加速蠕 变的起始点 ，结合其定义的3 个特征点对砂岩和花岗岩进行了三轴蠕变试验，提出 可以根据环向应变作为岩石流变破坏的判据。E b e r h a r d t [ 1 3 ] 对岩石进行了单轴蠕变试 验，同时运用显微镜观察岩石试件处于不同蠕变试验阶段的粒径变化，发现硬岩试件 的粒径在蠕变试验过程中呈现出不断减小的趋势。W o n g [ 1 4 1 对类岩材料进行不同应力 条件下的开挖蠕变试验，运用无量纲分析方法不同丰应力比条件下的试件破坏形式及 开挖对试件的影响进行了分析。G a s c ．B a r b i e r [ 1 5 ] 以试验温度和应力路径为试验变量对 黏土质岩进行了三轴蠕变试验，试验结果表明试验温度的增高岩石的蠕变量也将增 大，同时在不同的加载历史条件下，岩石的蠕变速率也将随之变化。T s a i o s ] 对砂岩进 行三轴剪切试验及不同应力路径的流变试验，分析了体积应力与弹性体积应变，剪切 应力与弹性体积应变，剪切应力与剪切应变之问的关系，同时研究了岩石的塑性和黏 塑性膨胀、应变增量、屈服面及势函数等内容。 万方数据 硕士学位论文 绪论 国内开展岩石流变力学特性试验相对国外较晚，最早展开流变学研究的国内学者 是陈宗基院士。1 9 4 8 年陈宗基M 院士和荷兰学者G e u z e [ 1 8 ] 针对W l a g g e m a n s 大桥桩基 的流变破坏问题，采用实心圆柱土样进行扭转试验，系统地对土流变学进行研究。直 到近2 0 多年来，随着我国大型工程项目的建设，遇到了很多岩石流变力学问题，这 极大地促进了我国学者对岩石流变力学特性的研究。陈宗基【1 9 】介绍了岩石试件的一种 阶梯状加载函数式试验方法，可通过一个试件进行试验即可得到岩石蠕变与应力及时 间的函数关系，并以砂岩蠕变试验数据进行了分析。任建喜[ 2 0 l 通过自行研制的C T 扫 描仪对红砂岩单轴蠕变试验进行了C T 实时试验，试验表明岩石处
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