軟巖工程力學(xué)-1

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1、軟巖工程力學(xué)J1緒論1.1軟巖工程力學(xué)的概念軟巖工程系指與塑性大變形工程巖體有關(guān)的巖體工程，如軟巖邊坡工程、軟巖隧道及軟巖巷道工程等⑴。煤與沉積巖體共生，沉積巖體與火成巖體、變質(zhì)巖體比較，往往是強(qiáng)度低、變形較大，特別是沉積巖巖體中與煤系地層共生的砂質(zhì)頁巖、泥巖、泥質(zhì)砂巖類巖體更是如此。因此，煤礦軟巖巷道工程更為突出。本書的軟巖工程一詞，主要指煤礦軟巖巷道工程，簡稱軟巖工程。軟巖工程的研究任務(wù)，就是研究軟巖巷道的變形力學(xué)機(jī)制及軟巖巷道的支護(hù)對策技術(shù)。軟巖工程力學(xué)是近年來發(fā)展起來的，是與巖石力學(xué)有關(guān)的一門新興力學(xué)分支，它是借助工程地質(zhì)學(xué)和大變形力學(xué)

2、的集成分析方法，研究在工程力擾動作用影響范I韋I內(nèi)軟巖工程巖體的力學(xué)行為的科學(xué)。軟巖工程力學(xué)一方面強(qiáng)調(diào)地質(zhì)體受地質(zhì)過程和地質(zhì)建造的影響，其力學(xué)行為有過去地質(zhì)構(gòu)造的烙??；另一方面，軟巖工程力學(xué)強(qiáng)調(diào)工程擾動力的作用以及工程巖體在英作用下所發(fā)生的顯著塑性變形。顯著的塑性變形是指以塑性變形為主體的變形量超過了工程設(shè)計的允許變形值并影響了工程的正常使用，它包含顯著的彈性變形、粘彈塑性變形、連續(xù)變形和非連續(xù)變形等。受擾動作用影響范圍內(nèi)的工程巖體是軟巖工程力學(xué)研究的主要對象，包括巖塊、結(jié)構(gòu)面及其空間組合特征。軟巖工程力學(xué)是研究和解決軟巖工程問題的理論基礎(chǔ)。1

3、.2軟巖工程力學(xué)的研究現(xiàn)狀1.2.1軟巖巷道支護(hù)理論本世紀(jì)初發(fā)展起來的以海姆(Haim.A)、朗金(Rankine.W.J.M)和金尼克(nhhk,A.H.)理論[2]為代表的古典壓力理論作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的壓力是其上覆巖層的重量?H。其不同之處在于：海姆認(rèn)為側(cè)壓系數(shù)為1,朗金根據(jù)松散體理論認(rèn)為是tg2(45???/2)°,而金尼克根據(jù)彈性理論認(rèn)為是?/(1??),其中？、？、？分別表示巖體的泊松比、內(nèi)摩擦角和容重。但是隨著開挖深度的增加，人們發(fā)現(xiàn)古典壓力理論許多方面都有不符合實際Z處，于是，坍落拱理論應(yīng)運(yùn)而生，其代表有太沙基(Terzaghi.

4、K.)和普氏(M?M.nPOTOH^SIKOHOe)理論⑶。坍落拱理論認(rèn)為：坍落拱的高度與地下工程跨度和圍巖性質(zhì)有關(guān)。太沙基認(rèn)為坍落拱形狀為矩形，而普氏則認(rèn)為坍落拱形狀呈拋物線形。坍落拱理論的最大貢獻(xiàn)是提出巷道圍巖具冇自承能力。50年代以來，人們開始用彈塑性力學(xué)來解決巷道支護(hù)問題，其中最著名的是芬納(Fenner)[4]公式和卡斯特納(Kasterner.H.)⑸公式。60年代，奧地利工程師L.V.Rabcewicz在總結(jié)前人經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，提出了一種新的隧道設(shè)計施工方法，被稱為新奧地利隧道施工方法(NewAustrianTunnelingMet

5、hod),簡稱新奧法(NATM)[6],新奧法目前已成為地下工程的主耍設(shè)計施工方法Z-O1978年，米勒教授比較全面地論述了新奧法方法的基本指導(dǎo)思想和主要原則，并將其概括為22條。1980年，奧地利土木工程學(xué)會地下空間分會把新奧法定義為：“在巖體或土體中設(shè)置的使地下空間的周圍巖體形成一個中空筒狀支承環(huán)結(jié)構(gòu)為冃的的設(shè)計施工方法?！毙聤W法的核心是利用圍巖的自承作用來支撐隧道，促使圍巖本身變?yōu)橹ёo(hù)結(jié)構(gòu)的重要組成部分,使圍巖與構(gòu)筑的支護(hù)結(jié)構(gòu)共同形成為堅固的支承環(huán)。新奧法自奧地利起源Z后，先后在歐洲諸國，特別是在意大利、挪威、瑞典、德國、法國、英國、芬蘭

6、等大量修建山地與城市隧道的國家得以應(yīng)用與發(fā)展，然后世界各國，特別是亞洲的日本、中國、印度；北美的美國、加拿大；南美的巴西、智利；非洲的南非、萊索托以及澳洲的澳大利亞。新西蘭等國家都成功地把它應(yīng)用于一些不同地質(zhì)情況下的隧道施工之中。并口從最初的隧道施工擴(kuò)展到采礦、冶金、水力電力等其它巖土工程領(lǐng)域。雖然新奧法的應(yīng)用己如此廣泛，但不同的應(yīng)用者對它的解釋還存在著許多矛盾[7-9]o實際工程中存在著一種傾向，就是肓目地把新奧法應(yīng)用于不適宜的地質(zhì)條件，從而使這些巷道工程岀現(xiàn)這樣或那樣的問題。這種情況在我國也同樣存在，尤其是煤礦，人們對軟巖的物理含義和力學(xué)性

7、質(zhì)理解不夠、對利用儀器進(jìn)行巷道變形及荷載測量的重要性認(rèn)識不足，不僅時常出現(xiàn)不合理地套用新奧法理論來解釋煤礦采動影響巷道、極軟弱膨脹松散圍巖巷道的支護(hù)機(jī)理,而且也出現(xiàn)過因應(yīng)用新奧法不當(dāng)，而造成錨噴或錨噴網(wǎng)支護(hù)的巷道大面積垮落、坍塌等事故，導(dǎo)致人力、物力的巨大浪費與損失。日本山地宏和櫻井春輔提岀了圍巖支護(hù)的應(yīng)變控制理論⑵。該理論認(rèn)為：隧道圍巖的應(yīng)變隨支護(hù)結(jié)構(gòu)的增加而減小，而容許應(yīng)變則隨支護(hù)結(jié)構(gòu)的增加而增大。因此，通過增加支護(hù)結(jié)構(gòu)，能較容易地將圍巖應(yīng)變控制在容許應(yīng)變范圍之內(nèi)。支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計則是在由工程測量結(jié)果確定了對應(yīng)于應(yīng)變的支護(hù)工程的感應(yīng)系數(shù)后確定

8、的。70年代，薩拉蒙(M?D.Salamon)等人又提出了能量支護(hù)理論[2],該理論認(rèn)為：支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖相互作用、共同變形，在變形過程中，圍巖釋放一部