软岩工程力学-6

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1、1916软岩巷道支护荷载的确定6软岩巷道支护荷载的确定如何确定软岩巷道支护荷载一直是困扰巷道支护设计的重要问题之一，支架应承受多大的荷载才能确保巷道围岩的稳定也是长期以来没能很好解决的问题。巷道围岩失稳破坏的主要原因是支护体与巷道围岩之间出现强度不耦合、刚度不耦合、变形不耦合以及其它不耦合因素综合作用的结果。当其处于耦合状态时，巷道能够保持稳定的平衡状态；当某些部位出现不耦合，支护体不能抵御巷道围岩的变形与破坏时，支护体和围岩将在其不耦合的部位发生变形和破坏，进而导致整个巷道的失稳。因此，要维持巷道及支护体的稳定，关键是进行关键部位的耦合支

2、护。关键部位出现的时间就是最佳支护时段，此时的支护荷载为软岩巷道最小支护荷载，简称软岩巷道支护荷载。下面针对软岩巷道在静压条件和动压条件以及巷道底板稳定(不出现底臌)和不稳定(出现底臌)的不同情况下，分别讨论软岩巷道支护荷载的确定方法。6.1静压条件下软岩巷道支护荷载的确定6.1.1软岩巷道弹塑性状态圈状模型巷道开挖以前，地下岩体在特定地应力场中处于三轴压力的平衡状态，巷道一旦开挖，这个平衡系统就会被破坏，围岩应力会重新调整。1916软岩巷道支护荷载的确定巷道开挖后，巷道壁面围岩由三维应力状态变为二维应力状态，最大主应力是沿巷道壁面的切线方

3、向，巷道壁面切向应力达到最大值。最小主应力是沿巷道的径向应力，径向应力在巷道周边为零，向围岩内部逐渐增大，这个应力调整过程是瞬间完成的。如果巷道埋深超过软化临界深度，调整后的应力高于岩体强度的部分岩体就发生破坏，靠近壁面的岩体最先破坏，最大主应力集中区向围岩内部移动。硐周围岩应力又重新进行调整，调整的结果，围岩出现了四个区，自空区向外依次是：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[84，蒋宇静[85]等)在有关的论文中都有过论述。弹性区、塑性硬化区、塑性软化区和塑性流动区的力学行为与岩石的全应力—应

4、变曲线中的相应段是对应的，其中弹性区对应于弹性变形阶段，塑性硬化区对应于塑性硬化阶段，塑性软化区对应于岩石的峰后软化阶段，塑性流动区对应于岩石的松动破坏阶段，见图6-1。6.1.2软岩巷道围岩的承载机理软岩巷道开挖后，围岩产生变形，围岩的承载能力逐渐增大，当围岩变形达到最佳支护时间时，弹性区和塑性硬化区变形稳定，可以自稳，而塑性软化区和塑性流动区是不稳定区，必须施加一个支护力才能保持稳定。在构造不发育的地区，对于大埋深的巷道，假定围岩处于静水压力状态，根据在最佳支护时段围岩的变形破坏情况可以分为五种类型：(1)当巷道只有稳定的弹性区时，岩石

5、变形满足虎克定律，其应力—应变关系为线性，这种状态岩石可以自稳，无需支护，见图6-2。当DUTS=DUe时，DRf=DRs=DRh=0，P1=0(2)当巷道有稳定的弹性区和塑性硬化区时，表明巷道围岩所受的围岩应力增大，但巷道仍然可以自稳，见图6-3。当时，1916软岩巷道支护荷载的确定塑性流动区塑性软化区塑性硬化区弹性区es1aRsRfRh图6-1静压条件下软岩巷道围岩分区图6-2围岩弹性状态应力—应变关系DRh=C1P2=0(3)当巷道开挖后达到最佳支护时间时，巷道存在弹性区、塑性硬化区、塑性软化区，且各区的变形趋于稳定，不随时间发生变化

6、，见图6-4，该状态可以表达为：当时，1916软岩巷道支护荷载的确定图6-3围岩弹性—塑硬状态应力—应变关系图6-4围岩弹性—塑硬—塑软状态应力—应变关系DRs=C2，DRh=C3；这时，在忽略塑性软化区承载力的条件下，支护力可以近似表达为：P3=(4)当巷道开挖后达到最佳支护时间时，巷道存在弹性区、塑性硬化区、塑性软化区和塑性流动区，且各区变形随时间发生变化，未达到稳定，见图6-5，该状态可表达为：当时，DPL=f1(t)，DPS=f2(t)，DPH=f3(t)；这时，1916软岩巷道支护荷载的确定图6-5围岩非稳定弹性—塑硬—塑软—塑流

7、状态应力—应变关系P4=+P0其中P0——维持塑性流动区短期内不再发展的临界支护力，kN；PI——维持巷道稳定的支护力，kN，I=1，2，3，4；DRf——塑性流动区半径增量，m；DRs——塑性软化区半径增量，m；DRh——塑性硬化区半径增量，m；DUe——达到最佳支护时间时的弹性变形量增量，m；——达到最佳支护时间时塑性硬化区的塑性变形量增量，m；——达到最佳支护时间时塑性软化区的塑性变形量增量，m；DUTS——达到最佳支护时间的总变形量增量，m；VS——塑性软化区和流动区岩体的体积，m3；VL——塑性流动区岩体的体积，m3。6.1.3巷

8、道围岩承载结构现代支护理论认为，巷道围岩支护应充分发挥围岩自承作用，以围岩来支护围岩，围岩的自承力是由巷道的断面形态和围岩本身的物理力学性质决定的。研究表明[86-93]1916