弱胶结软岩巷道围岩灾变机理及锚固效应研究

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弱胶结软岩在我国西部分布非常广泛,由于特殊的成岩环境和沉积过程,形成了极其不稳定的力学行为:强度低、易风化、遇水后极易软化、崩解,开挖后岩质迅速劣化,致使巷道大冒顶、高片帮、严重底臌等工程事故频繁发生。所以,弱胶结软岩工程灾变机理及防治问题是西部岩土工程建设中亟待解决的问题。本文以西部典型矿区弱胶结软岩和煤巷为研究对象,综合利用理论、实验与数值模拟手段,对弱胶结围岩的本构关系、损伤机制、强度理论、灾变机理、锚固效应等方面展开研究,主要研究成果如下:  (1)弱胶结软岩、煤样的损伤行为及本构关系。通过典型矿区弱胶结软岩和煤样的室内压缩试验,分析了软岩、煤样在单轴和三轴压缩下的破坏特征及损伤行为;建立了弱胶结软岩的应变软化统计损伤本构模型;在考虑峰后刚度劣化的基础上,建立了弱胶结软岩体的峰后强度演化方程,并将模型嵌入FLAC3D软件进行了数值分析。  (2)煤-岩组合体的等效强度准则及界面效应影响。采用变形能等效理论,建立了煤-岩组合体的等效模型,考虑煤、岩交界面的粘结强度影响,基于Mohr-Coulomb强度准则建立了煤、岩两种不同介质复合体的整体破坏准则,结果表明,Jaeger提出的单一岩体“二维软弱面滑动破坏理论”是本文模型的特殊情况;其次,建立了煤-岩界面附近两体介质的微元分析模型,给出了两体在界面效应下的应力传递及派生应力解析式,分析了两体刚度比、界面倾角及应力状态水平对界面附近两体强度的影响。  (3)不同界面效应下煤-岩组合体破坏的强度和刚度关联性分析。考虑弱体在破坏中的弹性能释放和自身刚度影响,建立了煤-岩共同作用系统产生灾变(非稳定破坏)的能量演化和刚度判断准则,结果表明利用本文模型得到的弱体产生非稳定性破坏的灾变点比Cook提出的刚度判据结果要提前;根据煤、岩两体不同界面状态,建立了“一体两介质”和“两体两介质”力学模型,并分析了不同模型下两体系统破坏的刚度和强度相关性及破坏演化过程,找出了组合模型破坏的前兆信息和变化规律。  (4)弱胶结软岩-煤复合围岩的灾变机理分析。建立了西部典型矿区弱胶结软岩巷道围岩的力学模型,重点针对复合软岩顶板中软弱岩层对巷道围岩稳定性影响的厚度效应、刚度效应和强度效应进行分析;并进一步分析了岩、煤层不同刚度匹配对巷道稳定性的影响;最后,针对软弱顶板的弯曲破坏,考虑岩体的拉、压弹性模量差异建立了围岩的损伤力学模型。  (5)弹塑性软岩锚固效应的量化分析模型。以轴对称锚固巷道为例,建立了锚杆的锚固作用分析模型;采用叠加法,推导了锚固区内及锚固区外围岩以及锚杆的轴力解析解,提出了加固效应的量化指标,分析了锚杆的锚固效应,并讨论了锚杆轴力变化规律及影响因素,提出了控制围岩塑性区发展的临界支护参数。  (6)弱胶结软岩巷道复合软岩顶板锚固效应解析及载荷传递机理分析。采用均匀化方法将锚杆对围岩的作用均布在锚固区岩体内,建立了含软弱层理面复合软岩的加锚力学模型,提出用加固效应因子来度量锚固效应,推出了穿层锚杆加固效应与围岩变形状态的定量关系,并进一步得到了复杂应力状态下锚杆屈服失效的参数相关表达式;采用数值模拟,建立了不同软硬组合下复合软岩顶板的计算模型,分析了不同岩层赋存状态、层理面位置和应力水平下锚固体轴力、横向剪力以及界面剪应力的分布规律。结果表明,锚固体承受的载荷与最软弱岩层的变形具有很强的关联性。
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