深部围岩变形破坏时效性分析

深部围岩变形破坏时效性分析
1.引言
围岩应力场和位移场的分布规律是地下工程设计中必须解决的主要问题。

地下洞室的失稳破坏，往往是从洞室周边开始、由于围岩应力超载或围岩位移过量所致，而岩石的流变性使得围岩的变形具有很强的时效性。

一方面由于岩石和岩体本身的结构和组成反映出明显的流变性质，另一方面也由于岩体的受力条件(包括长期受力和三轴应力状态)使流变性质更为突出，因此，在矿山和地下工程中表现的力学现象，包括地压、变形、破坏等等几乎都与时间有关。

巷道或隧道开挖后，在地应力的作用下，围岩往往会向巷道或隧道内慢慢地移动收敛，具体表现是:侧墙逐渐向内移动，底板慢慢隆起，顶拱则进一步开裂。

各种长期监测资料表明，自洞室开挖至数月或数年内，围岩的变形和应力分布均随时间发生变化。

现在己经认识到岩体流变的普遍性，并用塑性流动和粘性流动来解释地下工程的时间效应问题。

岩石的流变变形也是导致岩体地下工程中支护结构产生变形和破坏的主要原因，作用于地下结构衬砌上的载荷会随时间而增长，大型边坡和地下洞室的变形会逐渐加大，甚至会引起灾难性的后果。

因此，对地下洞室变形时效性的研究，也是我们在地下工程中合理选择支护类型及支护结构的前提，对于研究开挖后的工程岩体的动态特征以及岩体工程的设计，均具有十分重要的意义。

2.岩体时效(Rock Timeliness)的影响因素
岩体流变性质和时效特征是岩石材料的固有力学属性，也是用以解释和分析地质构造运动现象和进行岩体工程长期稳定性预测的重要依据。

根据大地构造测试结果，地壳目前的平均蠕变速率为106l/s。

不少大断层至今仍有持续移动的迹象。

在边坡、隧洞、基坑、矿井、铁路路基等岩体工程中，岩体流变现象很常见。

近年来，由于能源开发的扩大和环境保护要求的提高，所进行的天然气、液化气、油料以及核废料地下储藏课题研究，将岩石材料在不同荷载水平和不同温度条件下的长期变形与稳定问题提到了十分紧迫和重要的地位。

一般认为，岩体工程中的时间效应主要是由以下几个方面的因素所引起的：
(l)、岩石材料本身所具有的粘性性质，如蠕变、松弛、滞后以及弹性后效等。

一般的软岩，如盐岩、泥岩、粘土岩等，其粘滞系数都达到106-109MPa.S。

硬岩的流变性态相对较弱，如测得的花岗岩的粘滞系数为1013MPa .S。

然而，由于受到成岩过程中的地质构造运动影响，岩石材料中存在各种裂隙、节理、层理等构造面，这一结构特点导致脆性岩体亦呈现较强的
流变性态。

同时，结构面在岩石中的随机分布特点，也使得有关岩石材料流变规律和变形特征的研究变得十分复杂和困难。

(2)、岩石材料所受到的应力水平和加载方式。

在岩体开挖与支护过程中，按所处的空间位置和时间间隔，岩石材料各质点所受到的应力水平和加载速率都是不同的，而这些因素都直接影响到材料的流变规律。

己有观测资料表明，当施加的应力水平相对于材料强度较低情况下，岩石材料一般表现为蠕变速率持续衰减的情况，只有在应力水平达到或超过某一限值时，材料的应变速率才维持在某一常值或持续增大，并很快导致材料的破坏。

室内试验中采取不同的加载速率、加载路径以及加载形式(如单轴压缩、常规三轴等)，所获得的岩石材料应力-应变-时间曲线间存在很大差别。

(3)、温度、湿度和其他赋存环境。

一般情况下，温度的提高使得岩石材料的延性性态增强，导致蠕变量值的明显提高。

地下水溶解和软化了充填在结构面和介质孔隙中的某些粘土质矿物颗粒。

量测所得的变形值表明，与干燥试样相比，饱和岩石无论是在初始蠕变量值上，还是在稳态蠕变速率上都有相应的增长。

3.破碎岩石变形时效性研究
在各种岩体工程中，岩体的应力状态、变形和失稳，都具有明显的时间效应，其根本原因是岩石具有流变性。

岩石的流变性常涉及以下一些基本概念:蠕变、应力松弛、长期强度、弹性后效、粘性流动等。

人们研究较多的是蠕变。

蠕变是在应力不变的条件下，应变随时间逐渐增长的现象。

随着煤炭资源的开采不断向深部发展，在高地应力、高水头作用下深部围岩的大变形问题日显突出。

高地应力下地下工程围岩的松动破碎岩体其破坏的主要方式为岩爆和大变形。

围岩的大变形不是瞬间发生的，而是长时间缓慢流变的结果，其中蠕变是流变的主要形式;另一方面，破碎岩体的导水性强，且遇水后力学性质发生弱化。

破碎岩石的含水状态是影响其蠕变力学性质的一个重要因素，随着时间的增加，松散岩体极易产生失稳导致重大工程事故的发生。

因此，含水状态下围岩的长期稳定性及蠕变一渗流祸合作用下采空区上方的地面沉降一直是深部开采中重大的研究课题。

对于岩体变形的时间效应，目前主要集中于干燥状态的蠕变试验研究及特性分析。

A. K. Parkin采用压缩仪研究了粗粒料的流变特性，认为其沉降规律与时间呈对数关系。

沈珠江等对母岩为灰岩的堆石料进行了流变试验研究，提出了堆石料蠕变的三参数模型;程展林等通过试验提出了九参数堆石料蠕变的数学模型及相应的参数指标;粱军等在大型压缩仪上也进行了有关堆石的蠕变试验，得到其蠕变规律随时间呈指数衰减，认为堆石在应力的持续作用
下，细化破碎的颗粒滑动充填孔隙是发生蠕变的主要原因。

蒋鹏等在大型万能试验机上对成都地区风干状态的卵石土进行了直剪蠕变试验。

根据蠕变试验结果，分析了卵石土的流变特性和长期强度特征。

王勇对面板坝堆石体的瞬间变形部分采用椭圆一抛物线双屈服面模型来模拟，对堆石体的粘塑性变形部分利用沈珠江的研究成果，用双曲线模型拟合蠕变试验曲线，并利用对Cethana坝的观测资料进行反演分析，得到堆石流变模型的参数。

根据所得模型及参数，进一步分析了面板坝中堆石流变对面板应力变形的影响.郭兴文等粗粒料的瞬间变形采用邓肯一张E-B模型模拟，提出了粗粒料流变的修正三参数模型，并对清江水布娅面板坝进行了有限元分析。

汪明元等综述了粗粒料的流变现状，认为对粗粒料的试验研究不充分，并提出考虑到室内试验的缩尺效应，有必要研究粗粒料变形的微细观机理。

利用破碎岩石渗透特性试验系统，分5级应力水平对粒径为10-15mm的破碎岩石进行了如下5种试验:（1)饱和灰岩的变形时间相关性试验;(2)饱和砂岩的变形时间相关性试验;(3)自然含水砂岩的变形时间相关性试验;(4)饱和砂岩在各级应力水平下的渗流蠕变时间相关性(每一级应力水平下先渗流后蠕变)试验;(5)饱和砂岩在各级应力水平下的蠕变渗流(每一级应力水平下先蠕变后渗流)试验。

得到了孔隙度及其变化率的时间历程曲线、孔隙度与孔隙度变化率的关系曲线、各级应力水平下终点孔隙度与轴向应力的关系曲线、孔隙压力时间历程曲线;分析了岩性、含水状态及渗流对蠕变特性的影响;确定了试验中饱和砂岩蠕变模型的三个参数;并对试验结果及其误差进行了分析，得出以下结论:
(a）散体孔隙度的变化率比散体在某个方向的应变率更适合于用以描述散体的蠕变特性。

(b)岩石散体的蠕变特性主要是由当前孔隙度和应力水平决定的，当前孔隙度越大、应力水平越高，孔隙度的变化率就越大。

（c)同一应力水平下，孔隙度的变化率与当前孔隙度之间可用三次多项式拟合;所得孔隙度变化率关于当前孔隙度及应力关系的蠕变方程为研究散体蠕变-渗流的耦合作用提供了一个必不可少的状态方程。

(d)相同应力水平及初始孔隙度下，自然含水状态和饱和含水状态的最终稳定孔隙率有很大差异，饱水砂岩的最终稳定孔隙率明显低于自然含水状态的孔隙率。

这说明破碎岩样与时间有关的变形受含水量的影响是极其明显的。

水极大地增强了岩石的时效性，可以从根本上改变岩石的蠕变性质。

(e)初始孔隙度相同的饱和砂岩与饱和灰岩，因灰岩的单向抗压强度相对砂岩较大，所以相同的应力作用下，灰岩的变形小，其孔隙率相对较高。

(f)每一级相同应力水平下，饱和破碎砂岩先渗流后蠕变试验的终点孔隙率都明显高于先蠕变后渗流的终点孔隙率，可以根据太沙基有效应力原理进行解释。

4.结论
岩体流变性质和时效特征是岩石材料的固有力学属性，也是用以解释和分析地质构造运动现象和进行岩体工程长期稳定性预测的重要依据。

（1）岩体时效的影响因素
(a)岩石材料本身所具有的粘性性质，如蠕变、松弛、滞后以及弹性后效等。

(b)岩石材料所受到的应力水平和加载方式。

(c)温度、湿度和其他赋存环境。

(2)破碎岩石变形时效性研究
(a)破碎岩样与时间有关的变形受含水量的影响是极其明显的，水极大地增强了岩石的时效性。

相同应力水平及初始孔隙度下，自然含水状态和饱和含水状态的最终稳定孔隙率有很大差异，饱水砂岩的最终稳定孔隙率明显低于自然含水状态的孔隙率。

(b)相同的应力水平下，饱和破碎砂岩先渗流后蠕变试验的终点孔隙率都明显高于先蠕变后渗流的终点孔隙率。

参考文献
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[2] 石文博,张蓓.隧道施工过程中围岩变形时效性研究.硕士学位论文,2012.5
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[4] Parkin A K. Creep of rockfill (Part A). Maranhadas Neves E. Advances in rockfill structure[M].London: Kluwer Academic Publishers,1992. 221-239
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