轴变论与围岩变形破坏的基本规律(于学馥)
研究生创新基金项目申请书
山东科技大学
研究生创新基金项目
申请书
项目名称软岩巷道变形机制与支护计谋研究
项目负责人刘辉
所属学院(盖章) 资源与环境工程学院
联系
填表日期2020-07-05
山东科技大学研究生教育学院
二〇一〇年六月编制
填写要求
一、以word文档格式如实填写各项，填写内容必需实事求是，表述明确严谨，空缺项填“无”；
二、表格中字体小四号仿宋体，倍行距；签字部份兰黑色签名；
表格文本中外文名词第一次显现时，要写清全称和缩写，再次显现时能够利用缩写；
三、表中空格不够时，可另附页，但页码要清楚；
四、申请书一概用A4纸打印，与相关附件装订成册。
地下工程围岩变形和破坏的力学机理研究
(3)当P;<0时，PO < a.，巷道围岩处于弹性状
态，可以自稳，无需支护，这时巷道的埋深小于软化
临界深度。
一2c份
3. 3塑性流动圈半径的理论解
(Rf)‘一1
r
(K;一1)a;+:‘·而
(9)
p.，根据松动区的岩体Mohr-Coulomb准则，结合
平衡方程，可以求出松动区岩体的应力分布:
1Kp - 1「
而〕
KpKp - 1
(Rf)‘一，
r
(K;一1)o;+::·衍
其中，只—使围岩不出现塑性软化的最小支护
力。
根据岩石的软化临界荷载的含义可知，
}2BoR,二/，，、，r }Re、二
1u=宁二答号L(1一h)(--一(-) ") I
}一1+h‘、‘’叼、 2尺、r““
J_2Bo ,l一h二‘、二
ift一1 +VhLy 2=一(--r )1+^)J (lo)
!2Bo 1一h.，尺、，二*、，
中处于三轴压力的平衡状态，一旦开挖，这个平衡系
统就会被破坏，围岩应力会重新调整。
以圆形巷道为例，调整的结果，围岩出现了四个
区，自采空区向外依次是:塑性流动区、塑性软化区、
塑性硬化区、弹性区，对于上述各区的划分，国内外
学者(陈进[Ill，蒋宇静[[2]等)在有关的论文中都有过
论述。
一弹性区
图1软岩巷道围岩分区
2圆形巷道围岩的软化模型
巷道(以圆形巷道为例)开挖以后，采空区附近
围岩应力状态由平面应力状态变为单轴应力状态，
极软岩层巷道围岩控制技术研究(开题报告)
陈宗基院士[2,3]于60年代提出，该理论认为：同样矿物成分、同样结构形态，在不同工程环境条件下，会产生不同应力应变，以形成不同的本构关系。例如坚硬的花岗岩，在高温高压工程条件下，会产生不同应力应变。
(2)轴变论理论
于学馥教授[4]提出，认为：巷道坍塌可以自行稳定，开挖扰动破坏了岩体的平衡，这个不平衡系统具有自组织功能。
(14)薛亚东、康天合[27]根据对煤层巷道围岩岩性和层次结构特征分析，认为巷道受力破坏规律和形式受围岩结构，特别是煤层与顶底板强度对比关系的影响。一般规律是煤层相对顶底板越软，则两帮多发生楔形或倒楔形破坏，顶板易形成大块状垮落体；煤层相对顶底板越硬，则两帮多发生片状或鼓形破坏，顶板易形成单抛物拱垮落体。
采矿工程
研究方向
围岩支护
导
师
姓名
王卫军
技术职务
教授
学术专长
围岩支护
主要研究内容
1、极软岩层围岩应力分布规律；
2、围岩塑性区范围大小对巷道围岩变形量与底臌量影响规律；
3、建立不同支护条件下极软岩巷道的力学模型，进行极软岩层围岩控制原理的研究，为极软岩层巷道锚杆支护参数设计提供理论依据；
II．立论依据
II-1研究的理论意义与现实意义
(7)应力控制理论
应力控制理论[12]也称围岩弱化法、卸压法。通过一定的技术手段改变某些部分围岩的物理力学性质，改善围岩内的应力及能量分布，人为降低支撑压力区的承载能力，使支撑压力向围岩深部转移。
(8)软岩工程力学支护理论
何满潮提出了以转化复合型变形力学机制为核心的一种新的软岩巷道支护理论[13~21]。涵盖了从软岩的定义、软岩的基本属性、软岩的连续性概化，到软岩变形力学机制的确定、软岩支护载荷的确定和软岩非线性大变形力学设计方法等。
2008年10月13-11月3日全国主要城市矿石价格汇总
和矿岩物理 力学 特性 。
将 向开挖 临空面发 生 回弹 变 形 ， 总体 上 表现 为 向洞 内收敛 ． 在无 支护措施 的情况 下 ， 挖完后 围岩 的最 开 大 位移可达 一 ．ｍ ９ ６ ｍ。最 大位移 为发生 在拱顶 位 置 的沉降 。
监控 量测来 获得实 际施 工 中的 围岩力学动 态和支护
［ ］ 于学馥等． 下工程围岩稳定性分析 ［ ． ４ 地 Ｍ］ 北京煤炭 工业出版
社 ．９ ３ １８ ．
体 系的工 作 状态 信 息 （ 据 ） 数 。通 过 实 际 监 控数 据
［ 沈明荣． ５］ 岩体 力学［ ． Ｍ】 上海 ： 同济大学出版社 ，００ ２０．
室在施 工过程 中 围岩 和支护结 构 的应 力应变 和主要
算结果影响较大 ， 应依据实际情况 ， 合理选择材料模
型 ， 善实验效 果 。 以改
参 考 文 献：
［ ］ 于学馥， １ 郑颖人 ， 怀恒等． 下工程 围岩稳 定分析 ［ ． 刘 地 Ｍ］ 北
京 ： 炭 工 业 出版 社 ，９０ 煤 １８ ．
６ ｍ处 ， 区域 即为 围岩二次应 力场 的分布 区域 。 该
洞室 开挖 过程 中 ， 室 周边 浅 部 围岩 中 出现 了 洞
厚度 不等 的塑 性破坏 区 ， 比较 而言 ， 以拱顶部 位和底 板 和墙角处 塑性破坏 较为严重 。这些 部位 常常也 是 最大、 最小 主应力集 中区。在开挖 不支护条 件下 ， 围 岩 都有不 同程度 的塑性破坏 区域 出现 。在 拱顶 和底
［ ］ 李世辉． ２ 隧道 支护设 计新论 一 典型 类比分 析法应 用和 理论
【 ． Ｍ］ 北京： 学技术 出版社 ，９９ 科 １９ ．
隧道软岩大变形的力学机制及其防治措施
隧道软岩大变形的力学机制及其防治措施摘要：介绍软岩含义，简要分析隧道围岩变形机制，介绍国内外部分关于隧道变形的支护理论，列举了常见的支护措施及变形控制技术。
关键词：隧道软岩；力学机制；防治措施1软岩含义及力学特性关于软岩的含义至今仍然有多种解释。
1981年在东京召开的“国际软岩学术讨论会”规定“软弱、破碎和风化岩石”为软岩[1]，属于定性的规定。
国际岩石力学学会（ISRM）对软岩给出了定量的规定～定义软质岩为单轴抗压强度在0.5～25MPa的岩石。
近年来，在我国的水工、道路及矿山建设中，越来越多地涉及到软岩工程问题，大量工程实践提供了众多成功经验和失败教训，成为软岩技术发展的推动力。
孙钧教授总结软岩的基本特征是强度低，孔隙率高，容重小，渗水、吸水性好，易风化，易崩解，具有显著的膨胀性和明显的时效特性，认为高地应力地区的岩石蠕变将呈非线性性态发展。
2隧道围岩变形机理隧道围岩变形机理的研究进展和岩体力学的发展存在着紧密的关系。
在长期的工程实践和理论研究中，尤其是近代岩土力学、工程地质力学的发展，使我们对坑道开挖后在围岩中产生的物理力学现象有了一个较为明确的认识。
关于大变形的形成机制，一般分为以下两类[2]：（1）坑道开挖后将引起围岩一定范围内的应力重新分布和局部地壳残余应力的释放：从力学角度看：坑道开挖前的围岩处于初始应力状态，即前面所述的初始地应力场，我们称为一次应力状态。
坑道开挖后由于应力重新分布，坑道周边围岩处于由开挖引起的应力场中，这种应力状态我们称为二次应力状态，又称为毛洞的应力状态。
如果二次应力状态满足坑道稳定的要求，则可不加任何支护，坑道即可自稳。
如果坑道不能自稳就须施加支护措施加以控制，促使其稳定。
因此，采取支护措施后的应力场称为三次应力场或支护后的应力场。
应力控制实质上就是控制围岩的变形和松弛。
这是软弱围岩隧道设计施工的主要原则。
就是说要想控制住围岩的松弛，就要控制住围岩的变形。
（2）岩石中的某些矿物和水反应而发生膨胀。
隧道塌落拱的计算
隧道塌落拱的计算支护结构物在控制围岩的变形、松散或防止岩块坍塌的过程中，自身将受到由于围岩的变形或岩块坍塌所产生的力的作用。
我们把这种来自围岩的，作用在支护结构物上的力称做“山体压力”。
当山体压力作用于支护结构物时，支护结构物对图岩也产生了反作用力。
因此，这个概念反映了围岩与支护结构物之间的相互关系。
在地下工程的长期实践中人们发现，在一般随况下，围岩的这种坍塌是有一定限度的。
当坍塌致使洞室形状改变到一定程度时，将不再发展，即使不加支护，围岩自身亦可建立起新的平衡。
这也就是说，如果不加支护，洞空开挖前后围岩力学形态将经历“相对平衡——变形、破坏、坍塌——相对平衡”的过程，这种过程的最终产物就是“坍落拱”。
对此，有不少技术工作者总结了这种规律，并建立了一些简单的数学公式来描述不加支护情况下围岩最终坍塌的范围即坍落拱的形状。
主要有以下五种方法：1. 三角形公式如图a 示：（注：以下所有图示均以单线铁路隧道Ⅴ级围岩为例） 侧壁稳定时其高度为：ϕtg b h = 侧壁不稳定时其高度为：ϕϕtg b tg h +-︒⨯=)2/45(H h －坍落洪高；b －洞室跨度之半；H －隧道开挖高度；φ－岩体内摩擦角。
图a(单位：mm)2. 轴变论公式20世纪50年代末。
我国学者于学馥教授提出了轴变论，他提出了在二维应力场中，使围岩保持稳定的最佳洞形是具有一定轴比的椭圆。
1978年瑞合兹（） 和贝觉克门（）又从理论计算方面解决了这一问题。
从围岩稳定的观点选择最佳洞形，就是要找具有最小应力集中的洞形，这种洞形称为“谐洞”。
形成“谐洞”的条件为：如图b 所示。
λ1=qq －椭圆轴比；λ－围岩侧压力系数，据有关资料，当埋深小于500m 时，λ=～，松散软弱地层中，λ=～。
图b(单位：mm)塌落拱高度即为椭圆长轴，即：λab =a －椭圆短轴长，等于隧道开挖半径；b －椭圆长轴长。
3. 梯形公式包里索夫等人从层状岩体坍落后出现的块体平衡出发，认为在层状围岩中坍落拱的形状为一梯形，如图c 所示，其高度为：()a a L h h cos sin 1⨯+=式中：h －塌落拱高度，m ；L －洞室跨度,m ；a －层面倾角；图c （单位：mm ）δδζtg a nr h a L h i i n 2cos 04.0cos 1-=其中：ζ－压缩蠕变系数，可取ζ=～；h i －层厚，即层面间距,m ；n －承载能力安全系数，可取n =4；δn －抗压强度,N/cm 2；γi －岩体容重,t/m 3；δ－冒落边界与层面间的交角，根据试验资料，对坚硬裂隙性岩石当沉积深度不大和中等时，这个倾角δ等于60°～80°。
第三章岩石流变力学
式。目前的经验公式一般用于描述初期蠕变和等速蠕变；对于加速
蠕变，至今尚未找到简单适用的经验公式。蠕变的经验公式主要有：
1.幂函数型：
(t) At n
ε(t)
n>0
n<0
A、n—试验常数，与应
力水平、材料特性等有
关
0
t
2.对数型
t 0 B logt Dt
0 — 瞬时弹性应变
B、D — 试验常数
f .t
表示流动（应变速率）与应力、时间的关系。 5、硬化理论
f .
随着变形增加，变形速率减少，仿佛“硬化”。 6、速率过程理论：从物理化学的角度来描述岩土体的分子热运动
§3.3 岩石蠕变的本构模型
经验公式 本构模型组合模型
积分形式的模型
一.经验公式
经验公式是根据不同试验条件及不同岩石种类求得的数学表达
与时间有关
弹性后效 (流变)流动塑粘性性流流动动
弹性后效：是一种延期发生的弹性变形和弹性恢复，即外力卸载后 弹性变形没有立即完全恢复，而是随着时间才逐渐恢复到零；
流动：变形随时间延续而发生的塑性变形； 粘性流动：在微小外力作用下发生的流动； 塑性流动：在外力达到某个极限后，材料才发生的流动；
第三章岩石流变学
§3.1 岩石工程中的流变问题 流变(theology): 物质在外部条件不变的情况下，应力和应变随时
间变化的现象．流变性又称粘性（viscosity).
按卸载后变形是否恢复
弹性变形 (可恢复变形 ) 塑性变形(不可恢复变形
)
物体变形
与时间无关
(瞬时变形)塑 弹性 性
按与时间之间的关系
我们知道，在塑性力学中，塑性本构关系包含三个方面：屈服 条件，加卸载条件和本构方程．
第二节洞室围岩变形及破坏的基本类型
R、K、J红层及T灰岩等中的含膏地层 泥炭、淤泥、沼泽等地 我国东南沿海有红树林残体的冲积层 我国长江以南的酸性红土 含硫矿床的地下水层 冶炼厂、化工厂、废渣场、堆煤场等地的地下水层
第三节 地下洞室特殊地质问题
T＝T0 (H h)G
0.05 k
道的现象。地下洞室中，地下水影响可归纳为以下几个方面：
1．以静水压力的形式作用于同室衬砌。 2．使岩石和结构面软化，使其强度降低。 3．促使围岩中的软弱夹层泥化，减少层间阻力，造成岩体易于
滑动。
4．石膏、岩盐及某些以蒙脱石为主的粘土岩类，在地下水的作 用下将易发生剧烈的溶解或膨胀。随着膨胀的产生，将会出
v
v H
H H
v
第二节 洞室围岩变形及破坏的基本类型
三. 松散围岩的变形与破坏： 1. 重力坍塌：固结程度差的散体结构围岩，开挖后在重 力作用下自由坍落。
塑流涌出：当开挖饱水断层破碎带时，松散物质常形 成碎屑流涌出。
第三节 地下洞室特殊地质问题
一. 突水突泥： 突水突泥是指隧道开挖过程中，突然产生大量的水或泥涌入隧
第二节 洞室围岩变形及破坏的基本类型
隧道掌子面
隧道掌子面开挖
隧道掌子面开挖
隧道盾构施工
隧道盾构施工
隧道锚喷支护
隧道衬砌施工
建好的地下厂房（二滩电站）
第二节 洞室围岩变形及破坏的基本类型
一. 围岩应力引起的变形与破坏
1. 围 岩：工程开挖后，应力变化范围内的岩体。 2. 二次应力：工程开挖后，岩体中一定范围内原始应力
常温、常压下各种易爆炸气体与空气合成的混合物的爆炸界限值
气体名称 爆炸限度含量 气体名称 爆炸限度含量
甲烷（沼气）