深埋层状岩体地下硐室稳定性及支护技术研究.pdf

分类号⋯⋯⋯⋯⋯UDC密级编号⋯⋯⋯⋯⋯十I 初大警C E N T RA I 。S o U T HU N I V E R S I T Y硕士学位论文论文题目⋯运埋星提麦签地王砜室稳定性学科、专业研究生姓名导师姓名及专业技术职务⋯⋯⋯．毽囊把捷莶砑窕⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯砉圭．王獯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一蠢三涛⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯奎窆．基⋯熬摈⋯⋯⋯⋯⋯ 分类号UDC硕士学位论文密级㈣燃攀密级y r 2 1 _ 9 苓苓。编号深埋层状岩体地下硐室稳定性及支护技术研究S t u d yo nS t a b i l i t yo fU n d e r g r o u n dC a v e m sa n dS u p p o r tT e c h n o l o g yi nD e e pL a y e r e dR o c kM a s s学科专业岩土工程学院 系、所 资源与安全工程学院作者姓名夸乡亍匀指导教师论文答辩日期凼 圭 j答辩委员会主席童尘匿坚中南大学2 0 1 2 年4 月 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。轨日期边匕年上月乒日 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。 作者签名纽导师签名 中南大学硕士学位论文摘要摘要随着我国经济的发展，需要进行大规模的基础设施建设和大量的矿产资源的开发，而层状岩体在自然界中约占陆地面积的2 ／3 ，在我国所占比例更高达7 7 ．3 ％，大规模的工程建设中将遇到大量的具有层状构造岩体的稳定性问题。层状岩体材料因受结构面的影响，表现出具有高度的正交各向异性特征，其稳定性分析也受众多因素的影响而变得极为复杂。本文依托开磷集团沙坝土矿深部井巷工程，采用理论分析、现场试验研究和数值模拟等手段，对深埋层状岩体地下硐室的力学特性、变形破坏特征、宏观破坏特征以及稳定性分析等进行了研究，主要研究内容如下①总结讨论了目前针对层状岩体破坏机理和判据的研究，并对描述层状岩体各向异性特征的数值分析方法进行了分析总结，在此基础上结合沙坝土矿的工程实际，选取适合于节理发育和大变形的岩土工程问题、基于不连续介质模型发展的离散单元法进行模拟分析。②对含单组节理的层状红页岩力学特性进行室内试验研究，研究了其各向异性特征及其破坏模式，得到了岩块和层理结构面的力学参数。③通过对新开挖未支护硐室的表面变形和围岩的内部变形监测分析，硐室开挖后破坏特征的观察描述，开展了现场试验研究，得到了深部高应力软质层状岩体硐室围岩变形破坏特征。④对地下硐室进行稳定性数值分析，并结合现场试验研究结果，对深部高应力软质层状岩体硐室围岩变形破坏机理进行了分析研究。⑤采用正交设计法对硐室稳定性影响因素，如岩层厚度、岩层倾角、硐室埋深、岩体弹性模量及节理面切向刚度等进行了多因素显著性和单因素敏感性分析，得出了影响深部高应力软质层状岩体硐室围岩稳定性的规律。⑥从技术和经济两个方面，提出了控制深埋层状岩体大变形控制方案，并对各方案进行数值计算分析，得出了最优控制方案，并在最优控制方案的基础上进行了锚杆长度的优化分析，最后开展了控制方案的现场试验研究，检验工程实际应用效果。关键词层状岩体，硐室稳定性，各向异性力学特征，离散元 U D E C ，支护技术 中南大学硕士学位论文A B S T R A C TA BS T R A C TW i t ht h ed e v e l o p m e n to fo u rn a t i o n a le c o n o m y , i ti sn e c e s s a r yt oe x p l o i tm i n e r a lr e s o u r c e sm a s s i v e l ya n dc o n s t r u c ti n f r a s t r u c t u r e sa tl a r g es c a l e ．I nt h en a t u r e ，l a y e r e dr o c km a s st a k e sa c c o u n tf o ra b o u tt w o t h i r d so ft h el a n da r e a ，w h i l ei nC h i n at h ep r o p o r t i o ni sa sh i 曲a s7 7 ．3 ％．T h u s ，t h el a r g e - s c a l ec o n s t r u c t i o np r o je c t st h a tw i l le n c o u n t e rt h ep r o b l e mo fs t a b i l i t yo ft h el a y e r e ds t r u c t u r eo fr o c km a s s ．S t r u c t u r a lp l a n eo ft h el a y e r e dr o c km a s sw i l lr e s u l ti nt h eh i g h l yo r t h o t r o p i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h el a y e r e dr o c km a t e r i a l sa n di t ss t a b i l i t ya n a l y s i si sa l s oa f f e c t e db ym a n yf a c t o r s ．A c c o r d i n gt ot h eo p e r a t i n gc o n d i t i o n so ft h ed e e ps i n k i n ga n dd r i v i n ge n g i n e e r i n gi nt h eS h a b a t um i n eo fK a i l i nG r o u p ，t h er e s p o n s e so fu n d e r g r o u n dc h a m b e r st om i n i n go p e r a t i o n s ，s u c ha st h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，d e f o r m a t i o n t o f a i l u r ec h a r a c t e r i s t i c s ，m a c r o s c o p i cf a i l u r em o d e sa n ds u r r o u n d i n gr o c ks t a b i l i t y , w e r ei n v e s t i g a t e db ym e a n so ft h e o r e t i c a la n a l y s i s ，f i e l dt e s t sa n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o ne t c ．T h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t sw e r ea sf o l l o w s T h er e s e a r c h e so nt h el a y e r e dr o c k m a s sf a i l u r em e c h a n i s ma n dc r i t e r i aw e r er e v i e w e da n dd i s c u s s e d ．C o n s i d e r i n gt h ee n g i n e e r i n gp r a c t i c ei nS h a b u t am i n e ，t h ed i s c r e t ee l e m e n tm e t h o db a s e do nd i s c o n t i n u u mw a sa p p l i e dt os t u d yt h eg e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n gp r o b l e m sw i t hd e v e l o p e djo i n t sa n dl a r g ed e f o r m a t i o nb yc o m p a r i n gv a r i o u sn u m e r i c a lm e t h o d sw h i c hc o u l dd e s c r i b et h ec h a r a c t e r i s t i co fa n i s o t r o p yi nt h el a y e r e dr o c km a s s ．L a b o r a t o r yt e s t so nt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fb e d d e dr e ds h a l er o c kc o n t a i n i n gas i n g l es e to fjo i n t sw e r ep e r f o r m e d ．T h em e c h a n i c a lp a r a m e t e r so fr o c ka n db e d d i n gs u r f a c ew e r eo b t a i n e da n da l s ot h ea b o v e m e n t i o n e da n i s o t r o p i cc h a r a c t e r i s t i c sa n df a i l u r em o d e sw e r ee x p o s e d ．P o s t e r i o rt oi ns i t ut e s t s ，t h en e w l y e x c a v a t e ds u r f a c ed e f o r m a t i o na n dt h ei n t e r n a ls u r r o u n d i n gr o c kd e f o r m a t i o nw e r em e a s u r e da n dt h ec h a m b e rf a i l u r em o d e sa f t e re x c a v a t i o nw e r em o n i t o r e da n do b s e r v e d ．C o n s e q u e n t l y , t h es u r r o u n d i n gr o c kd e f o r m a t i o na n df a i l u r em o d e sI I 中南大学硕士学位论文h a p p e n e di nd e e ps o f tb e d d e dr o c kw i t hh i g hs t r e s sw e r eo b t a i n e d ．N u m e r i c a ls i m u l a t i o no nt h es t a b i l i t yo fu n d e r g r o u n dc h a m b e r sw a sc a r r i e do u t ．C o m b i n e dw i t ht h ef i e l dt e s tr e s u l t s ，t h ed e f o r m a t i o nf a i l u r em e c h a n i s mo fd e e ps o f tb e d d e dr o c kw i t hh i g hs t r e s sw a sa n a l y z e d ．T h ee f f e c t so fi n f l u e n c i n gf a c t o r so nt h ec h a m b e rs t a b i l i t y , s u c ha st h eb e dt h i c k n e s s ，t h ei n c l i n a t i o no fr o c k s ，t h eb u r i a ld e p t ho fc h a m b e r ’t h ee l a s t i cm o d u l u so fr o c km a s sa sw e l la st h et a n g e n t i a ls t i f f n e s so f j o i n ts u r f a c ew e r ei n v e s t i g a t e db yu s i n go r t h o g o n a ld e s i g nm e t h o d ．A f t e rd e t e c t i n gt h ev i s i b i l i t yo fm u l t if a c t o r sa n dt h es e n s i t i v i t yo fs i n g l ef a c t o r ,t h er u l eo ft h e s ef a c t o r sa f f e c t i n gt h es u r r o u n d i n gr o c ks t a b i l i t yW a so b t a i n e d ．F r o mt h et e c h n o l o g i c a la n dt h ee c o n o m i ca s p e c t s ，t h ec o n t r o lm e a s u r e st or e s t r i c tt h el i k e l i h o o do fl a r g ed e f o r m a t i o ni nd e e pb u r i e db e d d e dr o c kw e r ep r o p o s e d ．A n dao p t i m a ls c h e m ew a sd e t e r m i n e db ys i m u l a t i n gt h ew o r k i n gs c e n a r i o sn u m e r i c a l l y ．B a s e do nt h eo p t i m a lc o n t r o ls c h e m e ，f u r t h e ro p t i m i z a t i o na n a l y s i st ot h el e n g t ho fr o c kb o l t sw a sc o n d u c t e d ．1 1 1 ep r a c t i c a la p p l i c a t i o ne f f e c t sw e r ev e r i f i e dt h r o u g hf i e l dt e s t s ．K e yw o r d s L a y e r e dr o c km a s s ，c h a m b e rs t a b i l i t y ,m e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fa n i s o t r o p y , U D E C ，s u p p o r tt e c h n o l o g yI I I 中南大学硕士学位论文目录目录摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一IA B S T R A C T ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．I I目录⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I V第一章绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．11 ．1 选题依据及研究意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．11 ．2 层状围岩研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．21 ．2 ．1 层状岩体力学特性研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯21 ．2 ．2 层状岩体地下硐室稳定性研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯41 ．2 ．3 地下工程围岩支护设计研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯51 ．3 本文研究主要内容及研究思路⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6第二章层状岩体地下硐室破坏机理及数值计算方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．82 ．1 层状围岩地下硐室破坏机理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一82 ．1 ．1 硬层状结构岩体硐室围岩破坏机理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯82 ．1 ．2 软层状结构岩体硐室围岩破坏机理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 62 ．1 ．3 互层状结构岩体硐室围岩破坏机理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 72 ．2 地下工程失稳判据分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯172 ．2 ．1 失稳判据⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．172 ．2 ．2 失稳判据的综合应用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 92 ．3 数值计算方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 02 ．3 ．1 离散单元法基本原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 12 ．3 ．2 离散元法的基本方程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 12 ．3 ．3 离散单元法的计算机实施⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 32 ．4 小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 5第三章深埋层状岩体地下硐室围岩力学特性研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 63 ．1 红页岩微观结构分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 63 ．2 试验内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 83 ．2 ．1 单轴抗拉试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 93 ．2 ．2 单轴抗压试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 03 ．2 ．3 直剪试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．313 ．3 试验结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 23 ．3 ．1 红页岩拉伸测试试验结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 3 中南大学硕士学位论文目录3 ．3 ．2 红页岩单轴压缩试验结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 43 ．3 ．3 红页岩岩块及层理面直剪试验结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 73 ．4 小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 8第四章深埋层状岩体硐室稳定性研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 04 ．1 现场试验研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 l4 ．1 ．1 巷道围岩变形监测研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 24 ．1 ．2 现场试验巷道围岩破坏特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 64 ．2 数值模拟及其结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 64 ．3 数值模拟与现场试验研究综合分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 24 ．4 层状岩体地下硐室稳定性影响因素分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 34 ．4 ．1 极差分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 44 ．4 ．2 方差和显著性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 64 ．4 ．3 硐室稳定性影响单因素敏感性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 84 ．5 小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 9第五章深埋层状岩体地下硐室支护技术研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 10 1 锚杆支护理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 l5 ．2 深埋层状岩体巷道围岩大变形控制技术优化研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 55 ．2 ．1 深埋层状岩体巷道围岩大变形控制途径⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 55 ．2 ．2 深埋层状岩体巷道围岩大变形控制方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 75 ．2 ．2 控制方案的数值模拟研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 85 ．2 ．3 锚杆支护参数的优化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 25 ．3 深埋层状岩体巷道围岩大变形控制现场试验研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 45 ．4 小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 5第六章结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 71 主要结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 76 ．2 展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 8参考文献‘⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 9致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 4攻读学位期间的主要科研成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 5V 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 ．1 选题依据及研究意义 第一章绪论 随着我国经济的高速发展，需要进行大规模的基础设施建设和大量的矿产资 源的开发，如大规模的城市地铁工程、大型水利水电工程、高速公路及铁路工程 所涉及到的隧道工程、大型地下商场工程、矿山深部开采中的井巷工程等。地下 硐室稳定性是上述工程的建设中遇到频率较高的工程问题，也是事故发生率较高 的工程问题。 地下硐室稳定性问题是指在地下硐室开挖过程中，原有岩体应力平衡状态因 受开挖扰动的影响遭到破坏，引起开挖硐室围岩的位移、变形和应力重分布现象， 当围岩中的位移、变形和重分布应力达到或超过围岩变形允许值和强度所能承受 的范围时，将造成工程岩体的失稳破坏，给地下硐室的施工和运营带来危害。 层状岩体是典型的复杂岩体之一，通常含有一组优势结构弱面构造 如片理、 层理等 的岩体，优势层理面大多为物质分异面，岩体在平行优势层理面方向组 成基本相同，而在垂直于优势层理面方向的组成则呈单一或软硬交替特征。岩体 材料的强度主要受岩体材料中裂隙、层理、夹层等结构面的数量、性质以及强度 等因素影响，层状岩体因受结构面构造的影响具有非连续、不均匀和各向异性的 特征；层状岩体的变形主要是由结构面的闭合、压缩、张裂和剪切位移引起的， 另外，结构面组合形式对其破坏形式也有较大程度的影响。因此，层状岩体由于 受层理结构面构造影响，不仅使得岩体的变形和强度特征具有明显的各向异性， 岩体材料的破坏机理及其破坏方式也与各向同性的均质岩体存在显著性差异I l l 。 沉积岩是具有层状构造的最主要岩体类型，约占陆地面积的2 ／3 ，而在我国 其所占比例更是高达7 7 ．3 ％；另外，在一些变质岩中也存在较为明显的层状岩体 构造特征，因而在大规模的工程建设中将会遇到大量层状岩体稳定性问题【2 圳。 目前，有关层状岩体的各向异性特征的研究虽然已经开展了很多，并被大家 所熟知，但与之相应的理论和应用仍缺乏系统、深入的研究，特别是深埋高应力 环境下的层状结构岩体地下硐室开挖围岩的变形破坏特征、支护等问题。 本文以贵州开磷集团沙坝土矿 6 4 0 中段大巷为依托工程，通过对层状结构 围岩的各向异性实验研究、层状结构岩体巷道围岩的稳定性分析、层状岩体巷道 围岩稳定性影响因素显著性及敏感性分析、层状岩体巷道围岩锚杆支护设计等研 究工作，系统和深入的分析了深埋高地应力环境下层状岩体地下硐室开挖的变形 破坏特征和支护方案。为系统、全面的研究层状岩体地下硐室开挖变形破坏特征 中南大学硕士学位论文第一章绪论与支护技术提供依据。因此，本论文的研究具有特别重要的理论意义和工程应用价值。1 ．2 层状围岩研究现状1 ．2 ．1 层状岩体力学特性研究现状①岩体材料各向异性概念各向异性是岩土体材料的基本特性，是指岩土体材料的结构特性、力学特性在不同方向上存在显著性差异的性质。随着岩土体力学和材料本构理论的深入研究，逐步被人们所认识，并成为国内外许多专家学者研究的热点之一。根据各向异性特性产生的原因和表现形式，可将其划分为以下两类原生各向异性特性和次生各向异性特性。原生各向异性特性表现出来的岩土体材料力学特性参数是由于岩土体材料在沉积过程中形成的岩土体内矿物颗粒在不同方向的排列存在较大差异引起的【5 1 ，是描述岩土体材料的固有属性参数；次生各向异性特性是指岩土体材料在不同方向的应力状态作用下，导致在各方向的变形不同的现象f 6 J 。例如殷宗泽对有关土体各向异性的定义和相关性状进行了深入的研究【7 ．9 1 。本文所研究的岩土体材料的各向异性属于原生各向异性的范畴。岩土体各向异性体材料可根据物性参数的对称面的数量，可将其划分为以下四种类型极端各向异形体，单对称各向异性体，正交各向异性体以及横观各向同性体。’极端各向异性体内的任一点在沿任意两个不同方向上的力学性质均互不相同，具有2 1 个独立弹性常数。根据弹性对称关系，极端各向异性体可逐步退化为均质各向同性体，相应的独立弹性常数分别变为1 3 、9 、5 和2 。②层状岩体各向异性变形特征的实验研究有关层状岩体各向异性的研究始于上世纪6 0 年代，主要研究其弹性参数确定，如P i n t o z h e n d u i 针对层状岩体提出了正交各向异性体理论【1 1 】，L e k h n i t s k i i的正交各向异性理论【l o 】，S a l a m o n 的等效模型，W a r d l e 的等效各向异性体[ 1 2 - 1 3 】等。在众多理论中，S a l a m o n 的介质等效模型影响最大，通过将层状岩体简化为均质横观各向同性体的方法得到了横观同性体的五个弹性常数。之后，G e r r a r d将S a l a m o n 的介质等效模型进行了推广【l4 1 ，将层状岩体视为等效均质正交弹性体，并通过分层岩体的弹性参数来描述其特性。 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 耋．{． ／7 乳1 5L 一／ 0 ～ ⋯一 03 06 09 0 角度，’ 图1 - 1 弹性模量各向异性特征图卜2 砂岩泊松比与岩层倾角关系图 层状岩体向异性特性的变形试验侧重于对不同岩层倾角的弹性模量、泊松比 的研究，并分析得出不同倾角和围压状况下的变化特征。国内外专家学者对砂岩、 板岩以及页岩的研究较多，通过各种试验对层状岩体结构弹性模量进行了测试研 究，得出如下结论针对完整均质横观各向同性体，其弹性模量随层理结构面倾 角的增大逐渐减小，即平行层理面方向的弹性模量取得最大值，垂直层理面方向 取得最小值，且弹性模量大小呈近似椭圆形变化，如图1 1 所示。全海、曾纪全 等【I 川、S ．A ．L r e m x 1 9 8 7 等研究认为，在层理面倾角处于4 0 。～6 0 。时，其弹 性模量最小，如图1 ．1 中的B 线，而图1 ．1 中的A 线仅是一种特殊情况。 对于层状岩体泊松比∥的研究较少，且主要介质为砂岩，现有研究表明砂 岩的泊松比∥随层理面倾角的增大而增大，如图1 ．2 。另外，席道瑛【1 6 】的针对层 状岩体泊松比的部分实验研究成果与L e k h n i t s k i i 【1 0 】的横观各向同性介质理论相 吻合。 ②层状岩体强度各向异性实验研究 自上世纪中叶开始，国内外岩体力学工作者就开始对完整或含定向节理的岩 体材料的各向异性强度进行了大量的室内试验研究。试验研究所需的试样通过天 然状态各向异性岩石材料的采集和室内人工合成岩石材料进行加工两种途径获 得。其中试样的采集和加工均按层理方向与水平方向的不同夹角 或层理面与最 大主应力方向的夹角 进行制备，来研究不同倾角状态下的各向异性岩石材料强 度的各向异性特征。 对于岩石强度各向异性特征的研究，J e a g e r [ 17 】提出了由单弱面剪理论，认 为描述岩石强度各向异性特征的曲线形状呈肩型，如图1 3 I 所示。H o e kE 和B r o w nET 【1 8 】对含单节理和两组正交节理的岩石材料进一步研究，并得到了其 对应的各向异性强度曲线，分别呈U 型和W 型，如图1 ．3 I I 和 I I I 所示。 中南大学硕士学位论文第一章绪论∞摹～筝罐幽卜式．匆雷口t、} 哆、、／㈣、啊鹃髓剧、图卜3 岩体各向异性特征曲线之后，国内外大量学者对各种不同的岩石材料各向异性强度特征进行了大量室内试验研究。A t t w e l l 等【19 1 、C h e n e v e r t 等【2 0 】、H o e k 等【2 1 1 、D o n a t h 等【2 2 1 、M c L a m o r e等㈣对板岩各向异性强度特征进行了研究；B r o s c h 等【2 4 】、S i n g h 等【2 5 】对片麻岩和片岩各向异性强度特征进行了研究；T i e n 等【2 6 】对人工合成岩各向异性强度特征进行了研究。林天健【2 7 】研究了丹江口、乌江渡等多个水利水电工程坝基与隧道围岩的强度各向异性特征；曾纪全【2 8 】等研究了泥质粉砂岩、泥质灰岩以及含定向裂隙石膏模型的层理面倾角对岩体轻度各向异性特征的影响；周大干等【2 9 j 对油页岩和砂岩的进行了各向异性强度特征试验研究；冒海军【3 0 】等开展了结构面对板岩强度的影响研究；罔象燕等【3 l 】对饱和大理岩和砂岩的强度各向异性特征和应变率效应进行了深入研究。总的来说，目前针对岩石材料强度各向异性特征的研究表明岩石材料的各向异性强度随层理面倾角的变化而变化，层理面倾角效应显著；岩石材料的各向异性强度最大值与最小值之差由其各向异性度大小决定，且差值因岩石种类不同而不同；岩石材料的各向异性抗压强度曲线形状分别呈肩型、U 型、波浪形；各向异性岩石材料随层理面倾角的变化表现出以下三种破坏模式沿弱面滑移破坏；斜交层理面剪切破坏；沿弱面劈裂破坏。1 ．2 ．2 层状岩体地下硐室稳定性研究由于层状岩体分布广泛，很多地下工程在修建的过程中会遇到层状围岩的稳定性问题。层状岩体具有变形和强度各向异性特征，使得层状岩体地下硐室围岩的稳定性问题十分复杂，因此，国内外学者对其进行了大量的研究。如肖明、龚玉锋、俞裕泰【3 2 】采用层状岩体各向异性三维非线性有限元程序对西龙池水电站地下厂房硐室围岩稳定性进行了计算分析，表明了层状岩体各向异性特征对层状岩体地下硐室围岩稳定性有很大的影响。肖明等【3 3 】采用三维有限元程序对琅琊 中南大学硕士学位论文第一章绪论山水电站陡倾角层状结构岩体的地下硐室群开展了稳定性研究。杨林德、王启耀1 3 4 1 在考虑层状结构岩体发生弯折和倾倒失稳破坏的同时，首次采用C o s s e r a t 介质理论对层状结构岩体地下硐室进行数值模拟计算。蒋臻蔚等【3 5 J 认为弯折破坏和沿结构面滑移是层状岩体变形破坏的主要形式，并基于此，开展了陡倾角层状结构岩体地下硐室群的围岩稳定性计算分析。陆海昌【3 6 】基于各向异性弹性常数不变量方程的建立提出了一种针对正交各向异性岩体在非弹性状态下确定岩体弹性常数 主弹性常数及主轴方向 的方法，并得到了正交各向异性体弹性平面问题的解析解及一般巷道围岩的应力分布状态。赵海斌、李学政等1 37 j 对龙滩水电站陡倾角层状岩体地下硐室群围岩进行了原位监测，并与其他分析方法进行对比分析，研究指出原位监测是评价围岩变形与应力变化一种较为客观的手段，巨型地下硐室群围岩稳定性研究的重点在于对工程施工期加强监测，并对监测数据进行科学而系统的分析。胡本雄、刘东燕等【3 8 】引入了等效模量的概念，将层状岩体地下硐室问题转化为均匀各向异性问题进行求解，并深入分析了各向异性特征对地下硐室围岩变形及应力变化的影响。张晓春等【3 9 J 采用R F P A 软件，对层状岩体硐室围岩的层裂及破坏特征进行了数值计算分析，得到了层裂结构的层裂板厚度，并认为受压岩体内裂纹的演化受岩石均质度的影响较大。张玉军等【4 叫2 】将M o h r - C o u l u m n b 准则引入到传统的各向异性本构关系中，对层状岩体中地下硐室进行了弹塑性和粘弹塑性的数值模拟分析。E ．H o e k [ 4 3 J 利用组合悬臂梁理论，对岩体弯曲折断位置进行了有效的估计。李树森等Ⅲ】认为有软弱夹层的地下硐室硐顶因周边可能出现的滑动破坏而形成类似两端固定受均布载荷的跨硐板梁，并分析了最大悬臂长度与砂岩厚度、抗拉强度的关系。苏永华等【4 5 】采用薄板理论对直立层状岩体的破裂进行了深入研究。李刚【4 6 J 采用多层薄板理论对地下硐室进行了分析，得到了硐室顶拱水平岩层的破坏规律。目前，关于层状岩体工程的研究，深埋高应力层状岩体地下硐室围岩的变形、稳定性问题的研究报道较少，而且许多研究仅仅从单一的角度如数值模拟等去分析问题。●1 ．2 ．3 地下工程围岩支护设计研究地下工程支护设计理论和方法经历了一个相当长的发展过程。1 9 世纪初期，地下工程支护方法主要以砖石材料做衬砌、用木支撑的分部开挖，地下工程衬砌结构采用模仿拱桥的计算方法进行设计，认为围岩是作用在衬砌结构上的荷载，而衬砌只作为受力结构。因此，采用这种设计方法设计的衬砌结构的厚度偏大。随着社会的发展和科技的进步，国内外的专家学者提出了多种地下工程设计计算方法。如温克尔提出的局部变形理论，将围岩作为均质、连续介质模型，采 中南大学硕士学位论文第一章绪论用弹性力学的方法进行计算分析。2 0 世纪5 0 年代，喷射混凝土和锚杆作为初期支护的形式在地下工程的修建中得到了广泛应用，这种支护形式允许硐室围岩在开挖后出现一定的变形，围岩再次进行应力重分布，围岩自承载能力得到充分发挥，大幅度减小了衬砌结构的厚度。2 0 世纪6 0 年代，随着计算机技术的发展和岩土本构关系的建立，地下工程支护设计分析进入了计算机数值模拟分析时期。目前，各国普遍采用的隧道及地下工程结构设计方法主要有以下几种①经验设计法，以工程类比为主；②实用设计法，以测试手段为主，包括收敛一约束法、应力应变量测、岩土力学测试 包括现场和实验室 以及相似模拟试验；③作用一反作用法，又称荷载一结构法；④连续介质法，有解析法和数值法两种。目前，工程类比经验设计法是国内外地下工程设计中最常用的方法，但是从经济和安全的角度来看这种设计方法并不合理。新奥法是以测试做为主要手段，得到并按照实际的地质条件来进行设计，即经济又安全，但新奥法的理论研究目前还存在着不足，因此，采用上述多种设计方法相结合的综合设计法是地下工程结构设计的迫切需求。1 ．3 本文研究主要内容及研究思路本文以贵州开磷集团沙坝土矿深埋巷道工程为背景，研究深埋高应力层状岩体巷道围岩的变形破坏特征，并提出了深埋高应力层状岩体巷道围岩大变形控制方案。针对深埋高应力层状岩体的特点，从层状岩体的变形及强度各向异性特征出发，综合运