裂隙岩体巷道支护力放大效应及加固机理研究

2014-05-18麻洪蕊

宿州学院学报 2014年4期

麻洪蕊

宿州学院地球科学与工程学院，安徽宿州，234000

裂隙岩体是工程建设中经常遇到的施工对象，它在物理、力学特征上比一般工程材料具有更显著的各向异性、非线性及非连续性，常含有大量断层、节理、构造裂隙及泥化夹层等不同类型的地质结构面，变形与破坏性质十分复杂［1］。

1 问题的提出

巷道开挖后，原先处于平衡的应力状态受到破坏，导致围岩应力重新分布和局部应力集中，引起岩石强度大幅度下降。如果围岩集中应力值小于围岩强度，围岩处于弹塑性状态，围岩自行稳定，不存在支护问题；相反，如果巷道周边一定范围的围岩发生破坏（原有裂隙张开、扩展，新裂隙产生），这种破坏从周边逐渐向深部扩展，直到新的应力平衡状态为止，此时围岩中出现了一个松弛破碎带，即围岩松动圈［2－3］。此时，则要实施支护并立即或缓慢地发挥作用。因此，巷道支护对象为裂隙岩体［4－5］。

松动圈岩体的赋存特点：一是裂隙发育度增加，裂隙张开度增大；二是围岩应力降低，处于低围压状态。这些特点决定了松动圈裂隙岩体稳定性对围压变化非常敏感［6－8］。研究表明，随围压变化，裂隙岩体的破坏机制发生改变，张破裂转化为剪切破裂的转化压力约为（1／5～1／4）σc，而脆性破裂转化为塑性变形的转化压力约为（1／3～2／3）σc，σc为完整岩石单轴抗压强度［9－10］。

显然，如果能够通过支护，促使松动圈裂隙岩体破坏机制发生有利的转化，则将显著提高围岩稳定性，而提高“松动圈”内岩体围压，则是保持围岩稳定的关键。基于此，本文通过理论推导，拟获取巷道支护力放大效应的解析公式以及放大效应在塑性区内的变化规律，进而分析支护与围岩相互作用的机理，以获取放大效应对裂隙岩体破坏机制转化的作用效果。该研究对于深化裂隙岩体巷道支护力理论认识以及优化加固方法具有一定的参考价值。

2 基本概念

2.1 裂隙岩体结构面强度

设含裂隙岩体摩擦角和内聚力分别为φ、c，并按下式估算：

上式中，设含裂隙岩体的剪切面面积A由A1、A2、A3三部分组成，A1为岩石连续部分面积，A2为闭合裂隙面积，A3为张开裂隙面积，φ0、c0分别为完整岩石内摩擦角和内聚力。结构面抗剪强度与结构面法向压应力σ之间具有一定的规律，当σ＜σa时，破坏机制为沿齿面滑动，而当σ≥σa时，破坏机制为沿剪切平面将锯齿切断（σa即为两种破坏机制的转化压应力）。

2.2 支护力放大效应

在破裂区岩体满足理想塑性介质的基本假定条件下，可利用圆形巷道围岩塑性区应力分析结果来说明支护力的作用机制。设静水压力场应力为p，巷道半径为a，巷道支护力为pi，采用摩尔－库伦准则推导可知，巷道周围塑性区径向正应力和环向正应力分别为：

式（2）、（3）说明，塑性区内应力与原始应力p无关，而仅与破坏后岩体力学性质φ、c有关（φ、c与面积A3、A2所占比例有关）。这一结果表明，对同一岩性巷道，塑性区应力是其固有属性，与埋深及采动压力大小关系不大，这与完整岩体是完全不同的。此外，巷道支护力pi也对塑性区应力有重要影响，而且其贡献均大于支护力本身的大小，即存在一个支护力放大效应，且有如下规律：

其中kr、kθ分别为支护力pi引起的σr和σθ的放大倍数。

图1 kr、kθ随着φ及r变化曲线

3 支护与围岩相互作用分析

随着含裂隙岩体内应力的增加，各微裂隙面上的正压力也相应增大，其结果使裂隙岩体的结构效应逐渐减弱直至消失。首先，微裂隙面上的正压力增大，将降低岩体裂隙张开度，即提高式（1）中A2所占比例，从而提高裂隙岩体的φ值；其次，会降低裂隙体的剪胀角，甚至使破坏机制由沿裂隙面滑动转化为对锯齿的剪切破坏，后者相当于提高式（1）中A1所占比例，从而提高了裂隙岩体c的值。总之，随着含裂隙岩体内应力的增加，松动圈内岩体力学性质将得到改善，裂隙岩体力学参数得到提高。

由此就形成了如下的支护与围岩相互作用过程：提高支护力pi，会增大含裂隙岩体内压应力，进而改善岩体的“宏观力学性质”，依据式（1）增加φ、c值，而且裂隙越发育，改善效果越显著；而φ、c值的增加，会依据（2）、（3）式提高破裂岩体内压应力，同样裂隙越发育，改善效果越显著。上述过程循环进行，将进一步增大支护力pi的“放大效应”作用效果。显然，这种“放大效应”是通过降低裂隙张开度、增加闭合裂隙比例，降低裂隙剪胀角直至改变裂隙岩体破坏机制，从而提高含裂隙岩体宏观强度来实现的。支护作用的本质，就是提高已破裂岩体或含裂隙岩体强度φ、c值，而支护对完整岩体作用不大。

对巷道围岩中的环向裂隙，σr相当于该裂隙面上的正压力；对平行于径向的裂隙，σθ相当于该裂隙面上的正压力；与径向夹角为α的裂隙面上的正压力按下式计算：

σy＝σrsin2α＋σθcos2α（6）因此，围岩中与径向夹角越小的裂隙面稳定性越好。平行于径向的裂隙面稳定性最好，而平行于环向的裂隙面稳定性最差。

4 案例

以某圆形煤巷为例，该巷道半径a＝3.0m，完整煤层c0＝3.0MPa，φ0＝30°，A2／A＝0.3，A1／A＝0.5，由式（1）得φ＝9.826°，c＝1.5MPa。将上述参数代入（2）、（3）式，并使支护力pi在0.1～1.0 MPa范围内变化，得到曲线组如图2所示。设煤层的单轴抗压强度为15MPa，张破裂转化为剪切破裂的转化压力为3.75MPa（按σc／4计），而脆性破裂转化为塑性变形破坏的转化压力约为10MPa（按2／3σc计），则由该图可以确定出满足“转化压力”的围岩范围。

由图2可见，支护力提高，使张破裂和脆性破裂的范围明显减小，而使剪切破裂和塑性变形破坏的范围明显增加。例如，支护力由0.1MPa，提高到1.0MPa，环向节理张破裂范围由r／a＝2.3减小为1.75（图2a）；径向节理脆性破裂范围由r／a＝2.75减小为2.1（图2b）。另外，径向节理更容易实现上述转化，因而也更稳定。

图2 支护力对塑性区围岩应力的影响

在围压增加的情况下，且张开裂隙完全闭合，则A2／A＝ 0.5，A1／A＝ 0.5，由（1）式得φ＝16.102°，c＝1.5MPa，经过同样的计算，得到相应的曲线组以及满足“转化压力”的范围（图3）。与图2对比可见，图3中的支护作用更大，且更容易实现上述转化：支护力由0.1MPa提高到1.0MPa，张破裂范围由r／a＝1.9减小为1.6（图3a），而脆性破裂范围由r／a＝1.8减小为1.5（图3b）。

在c＝c0＝3.0MPa、φ＝φ0＝30°条件下，整个裂隙围岩都满足“转化压力”，则裂隙围岩结构效应消失，相当于整个巷道围岩均处于弹性未破坏状态。