圍巖、支護作用

1、圍巖、支護作用一、引言巖石地下工程結(jié)構(gòu)設(shè)計理論與方法的發(fā)展至今已有百余年的歷史，與巖石力 學(xué)的發(fā)展有著密切的關(guān)系。眾多學(xué)者（1-13）進行了大量的研究工作，為巖石地下 工程的理論研究、設(shè)計與施工做出了重要的貢獻。但工程中的支護設(shè)計仍然采用 以經(jīng)驗為主的工程類比設(shè)計法，再輔之以現(xiàn)場監(jiān)控和理論分析設(shè)計法的原則。20世紀5060年代，由彈塑性力學(xué)方法導(dǎo)出的圍巖一支護相互作用理論曾經(jīng) 一度在巖石力學(xué)界占據(jù)主導(dǎo)地位。其基本思路和理論基礎(chǔ)（1-7 ）是：將卡斯特納 方程代入軸對稱圓巷周邊的彈塑性位移計算公式，得到圍巖特性曲線；再與支護 結(jié)構(gòu)的支護特性曲線相交求得交點的坐標(biāo)即為圍巖與支護結(jié)構(gòu)達到平衡時需要

2、滿足的條件。我對卡斯特納方程和基于彈塑性變形的圍巖一支護相互作用機制的缺陷和 錯誤作了初步討論與分析，但認識的深度和廣度尚待提高，個別認識尚存在瑕疵。深入的分析與研究表明：（1）卡斯特納方程求解中，對支護反力？1的力學(xué)簡 化處理存在缺陷，不具有工程實際意義；（2）基于彈塑性變形的圍巖特性曲線在 工程實踐中并不存在，因此也不存在其與支護特性曲線相交的可能性。分析認為，造成巖石地下工程結(jié)構(gòu)現(xiàn)場支護不理想甚至失效的根本原因是設(shè) 計理論、設(shè)計方法落后，不能滿足工程實際情況的需要。其核心問題是，對圍巖 一支護作用機制的認識，在有些方面概念混亂、不清，甚至是錯誤的。本文詳細地分析卡斯特納方程和圍巖一支護相

3、互作用機制認識上存在的缺 陷和錯誤，建立基于流變變形的圍巖一支護相互作用機制的概念模型，并據(jù)該模 型得出一些很重要的結(jié)論。二、圍巖一支護作用機制評述2. 1卡斯特納方程中的支護反力不具有工程意義卡斯特納方程（1-7）為1sin 甲Rp = R0 Po+CCOt 1-sin e 2sin 甲（1）P1+c cot e式中：肆為塑性區(qū)半徑；R為巷道半徑；Po為原巖應(yīng)力；P。為襯砌的支護反力； c，緲分別為圍巖的黏聚力和內(nèi)摩擦角。為了避免產(chǎn)生誤解和歧義，以下對相關(guān)問題的討論在諸如范圍、假定條件等 方面均與卡斯特納方程求解模型的條件完全相同。分析認為，在卡氏方程求解的 力學(xué)模型中，對支護力n進行的力學(xué)

4、處理存在缺陷：（1）模型視支護力P1與原巖應(yīng)力是同時作用的，即開挖體被取出后立即有P， 作用到巷道周邊上，P1與Po。是同步加載的，這與工程實際不符。求解過程中 忽視了巖石地下工程問題的根本特點，即“先受力（原巖應(yīng)力），后挖洞，再支護”。 現(xiàn)場中的Po與P1。非同步加載，即Po先加載，P1需要滯后于Po一段時間才可能 加載上去。模型對支護力P1，進行的力學(xué)處理不能描述圍巖一支護相互作用的真實狀 況。因為，圍巖開挖之后的變形中除了包含有彈性變形以外還有塑性變形。眾所 周知，塑性變形是不可逆的，是與加載路徑、加載歷史等相關(guān)的。因此，當(dāng)圍巖 存在塑性區(qū)時，對P1的力學(xué)處理不考慮加載路徑和加載歷史在力

5、學(xué)和工程實踐意 義上均是錯誤的。（2）模型視支護力P1，為主動支護力、一次性加載，與工程實際不符。事實 上，地下工程中的支護力P1，是一個時變值，是隨著圍巖向巷道內(nèi)發(fā)生流變變 形的增大而增大的被動反力，且是分次或者逐漸加載上去的。要使圍巖一支護系 統(tǒng)達到新的平衡，支護結(jié)構(gòu)的被動支護反力是由零逐漸增大到圍巖與支護結(jié)構(gòu)平 衡時的P?的，這一過程決定于圍巖不斷地向洞室內(nèi)發(fā)生流變變形的性質(zhì)和大小以 及支護結(jié)構(gòu)的變形性質(zhì)和剛度等。主動支護力與被動支護反力的區(qū)別是顯著的，區(qū)分兩者在物理和力學(xué)意 義上的不同之處非常重要。首先，兩種力的來源和產(chǎn)生機制不同。主動支護力來 源于圍巖之外，獨立于圍巖且與圍巖的狀況無

6、關(guān)，是支護結(jié)構(gòu)主動施加于圍巖上 的力，其大小和作用時機與圍巖是否發(fā)生收斂變形無關(guān)。被動支護反力與圍巖有 關(guān)，且依賴于圍巖狀況的改變的，是圍巖的收斂流變變形對支護結(jié)構(gòu)擠壓進而使 支護結(jié)構(gòu)對圍巖產(chǎn)生被動的支護反力，其大小和作用時機與圍巖的收斂流變變形 有關(guān)。其次，兩種力的作用效果不同。主動支護力使巷道周邊圍巖產(chǎn)生指向圍巖 深處的“擴張”變形，力的作用效果使巷道斷面尺寸變大。被動支護反力使圍巖 產(chǎn)生指向巷道內(nèi)部的收斂流變變形，力的作用效果使巷道斷面尺寸變小。這兩者 在力學(xué)機制上的區(qū)別有點類似于土力學(xué)中的主動土壓力和被動土壓力的區(qū)別。對Pl的理解一直概念混亂，在建立力學(xué)模型時，往往認為P，是支護結(jié)構(gòu)主

7、 動施加于圍巖的主動支護力，主動施力者是支護結(jié)構(gòu)，這是錯誤的。事實上，P， 是圍巖發(fā)生流變變形時對支護結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的擠壓作用力，主動施力者是圍巖。支護 結(jié)構(gòu)為了阻止圍巖的收斂流變變形而對圍巖產(chǎn)生反作用力，大小是P，方向相 反。在巖石地下工程中，除預(yù)應(yīng)力錨桿給圍巖的支護力可以勉強簡化為主動支護 力以外，其余均僅能簡化為被動支護反力。而卡氏方程求解的力學(xué)模型中錯誤地 將P.簡化為支護結(jié)構(gòu)對圍巖的主動支護力，因此是不符合工程實際的。從彈塑性變形經(jīng)歷的時間歷程上看，因為巷道圍巖彈塑性變形是立即發(fā) 生并完成的，支護根本趕不上圍巖彈塑性變形，因此，在圍巖的彈塑性求解中不 應(yīng)考慮支護力Pl的作用?；谝陨系姆治?/p>

8、，卡斯特納方程求解的力學(xué)模型對支護反力P。進行的簡化 處理沒有真實地反映巖石地下工程中被動支護反力的物理意義，雖然從純粹的數(shù) 學(xué)和力學(xué)意義上看是正確的，但從工程實際角度看卻存在嚴重錯誤。因此，不具 有工程實踐意義。2卡氏方程求解之相關(guān)公式的討論2. 1彈性區(qū)應(yīng)力的討論卡氏方程求解的彈性區(qū)應(yīng)力(1-7)為Oe0 = P。 c cot o + P sin o Oer1sin o2P+ccot o 1-sin o 2 sin o Ro 2 Pi+ccos or(2)式中：O0、Oe分別為圍巖彈性區(qū)的切向應(yīng)力和徑向應(yīng)力；r為圍巖任意一點的半徑。令P。=P。并代入式(2)得件cc .a1sin op 2

9、 /c、O0 = P ccos o + P sino 1 - sino 2sin o 20(3)o e 00rr根據(jù)基本的力學(xué)概念，當(dāng)主動支護力P.等于原巖應(yīng)力時，相當(dāng)于被開挖體 沒有被取出，此時“圍巖”的應(yīng)力場沒有被開挖擾動，應(yīng)該還是原巖應(yīng)力場，因 此，“圍巖”不存在彈性區(qū)。但式（3）表明圍巖此時還存在著彈性區(qū)，這顯然是 一個謬誤的結(jié)論。2. 2. 2塑性區(qū)應(yīng)力的討論卡氏方程求解的塑性區(qū)應(yīng)力（1-7）為2 sin eP1 + c cot 甲OP =rOP P1+ c cot 甲 1+sin e1sin e2 sin e1sin e ccot e (5)r 1 sin e ccot e （4）

10、Op分別為圍巖塑性區(qū)的切向應(yīng)力和徑向應(yīng)力。式中：P、令，r=Ro, P。=0并代入式（4）, （5）得op = 0（6a）r(6b)2c cos eOP=1 sin e =氣巷道周邊的徑向應(yīng)力P為0，切向應(yīng)力恰好等于巖石的單軸抗壓強度，并且。P、。與？。無關(guān)，另取決于強度準則。由式6）可得出，巷道周邊上的應(yīng)力狀 實際上是二向應(yīng)力狀態(tài)，即一個是巷道周邊的切向應(yīng)力，大小等于Oc ；另一個 是巷道軸向的應(yīng)力oz，因為卡氏方程沒有對進行oz求解，根據(jù)工程實踐及基本的 力學(xué)判斷，不妨近似地取oz = P。如果巷道處于高地應(yīng)力區(qū)或深部巖體區(qū)，而巖石的單軸抗壓強度相對較小，即P。遠遠大于0c時，可將此時的應(yīng)

11、力狀態(tài)簡化為單向應(yīng)力狀態(tài)，由此，將得出 巷道沿著其軸向方向在巷道周邊處首先被壓壞的結(jié)論，這一結(jié)論顯然也是有悖于 力學(xué)基本原理和現(xiàn)場實際的。分析認為，產(chǎn)生上述謬誤的原因是，卡斯特納方程求解中忽略了以下問題： 塑性區(qū)應(yīng)力求解，沒有使用到假設(shè)的理想彈塑性材料的塑性本構(gòu)關(guān)系這一條 件。求解中，雖然使用了庫侖屈服準則，但沒有與假設(shè)條件即塑性區(qū)應(yīng)力os建立 聯(lián)系。（2）塑性區(qū)應(yīng)力求解，沒有考慮沿巷道軸向方向的應(yīng)力oz的影響。事實上， 因為求解中沒有使用塑性本構(gòu)關(guān)系，也無法對塑性區(qū)的oz進行求解。（3）沒有求 解圍巖開始屈服時的原巖應(yīng)力。2. 3基于彈塑性變形的圍巖特性曲線不具有工程實踐意義巷道周邊的彈塑性

12、位移計算公式為sin 甲/ 、U0=2GR0 P0 + ccot甲 RP （7）式中：u0為巷道周邊的彈塑性位移；G為剪切模量，且G=E/2 （1+v）。將式（1）代入式（7），得到經(jīng)典的基于彈塑性變形的圍巖特性曲線，即1sin 甲U = sin e R p + c cot 甲（P0+ccos ） 1sin sin 甲 （8）0 2G 00P1+ccos e圍巖一支護相互作用理論的核心內(nèi)容自誕生起就一直占據(jù)巖石力學(xué)的主導(dǎo) 地位，至今仍被作為巖石地下工程支護結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本原理（1-13）。但是，支 護實踐卻表明，該理論其實還遠遠達不到能用來進行支護設(shè)計的程度。應(yīng)用該理 論設(shè)計的地下工程，理論上設(shè)

13、計的支護力足夠，但有時仍會發(fā)生破壞，且找不到 原因，通常將其歸結(jié)為基于連續(xù)介質(zhì)的小變形彈塑性理論，在解決巖石強度峰 值后的性態(tài)問題上至今還非常乏力。這一解釋或許可能是其不能應(yīng)用于支護實踐 的諸多原因之，但是，有些圍巖的應(yīng)力并未達到巖石的強度峰值，該理論仍然 不能準確地對其進行支護設(shè)計，圍巖與支護結(jié)構(gòu)經(jīng)過長期的變形仍然會發(fā)生破壞。本文認為，這一理論不能指導(dǎo)支護設(shè)計的最要原因是，在分析、應(yīng)用圍巖一 支護相互作用機制時存在缺陷，即忽視、混淆了巖石地下工程的圍巖彈塑性變形 和流變變形之間的區(qū)別以及這兩種變形發(fā)生的時間與作用過程的不同。事實上， 圍巖彈塑性變形是在巖石地下工程被開挖后的瞬間即完成的，而流

14、變變形是在巖 石地下工程被開挖后的相當(dāng)長的一段時間內(nèi)隨著時間不斷發(fā)生、變化的。當(dāng)對圍 巖進行支護之后，才會發(fā)生圍巖一支護的相互作用問題。顯然，對圍巖進行支護 時，圍巖已經(jīng)處于流變變形階段，圍巖一支護的相互作用機制在討論圍巖特性曲 線時應(yīng)該采用流變變形階段的特性曲線。遺憾的是，圍巖流變變形階段的特性曲 線目前還沒有得到。分析認為，基于彈塑性變形的圍巖特性曲線在工程中根本就不存在：（1）巖石地下工程的彈塑性變形在其開挖之后的瞬間即發(fā)生并完成了，是 與時間無關(guān)的變形，這也是彈塑性力學(xué)認識材料（包括巖石類材料）的變形特性的 基本觀點（15-20）。當(dāng)然，也有學(xué)者認為塑性變形也是有變形時間的。但本文分

15、析認為，塑性變形既使有變形時間，其量級可能也很小，以致于塑性力學(xué)至今還 沒有研究清楚塑性變形與時間的關(guān)系，而且有關(guān)塑性力學(xué)的專著、文獻基本都不 涉及材料的塑性變形與時間的關(guān)系研究（15-20）。目前的彈、塑性力學(xué)理論盡管認識到塑性變形與溫度、時間有關(guān)，但其最新 進展中對材料所做的假設(shè)條件之一仍然是時間因素對材料塑性變形性質(zhì)的影響 可以不考慮。在卡斯特納方程和現(xiàn)有的圍巖一支護相互作用機制的推導(dǎo)過程中所 涉及的彈、塑性力學(xué)的內(nèi)容（理論、基本概念、模型等）并沒有超出現(xiàn)有的彈、塑 性力學(xué)的最新進展（15-20）。也就是說，卡斯特納方程和現(xiàn)有的圍巖一支護相互 作用機制的推導(dǎo)過程中所涉及的彈、塑性力學(xué)的變

16、形都是與時間無關(guān)的，即都是 瞬時完成的。蔡美峰等指出，“物體的彈性和塑性與時間無關(guān)，都屬于即時變形。如果外 界條件不變，物體的應(yīng)變或應(yīng)力隨時間而變化，則稱物體具有流變性”。鄭穎人 等（19-21）指出，將考慮時間因素對材料性質(zhì)的影響問題，劃歸至“流變學(xué)” 范圍。分析到這里，有充足的理由認為：卡氏方程和現(xiàn)有圍巖一支護相互作用機制在推導(dǎo)過程中所涉及的彈、塑性變形都是與時間無關(guān)的瞬時變形。支持這一觀點的論著與研究成果還有：“嚴格地說，以往應(yīng)用彈性力學(xué)和彈 塑性力學(xué)求得的巷道變形和應(yīng)力都是瞬時發(fā)生的，是量測不到且無法阻止的，人 們所量測到的和用支護加以阻擋的都是流變產(chǎn)生的變形和應(yīng)力”。“若不計巖體的

17、黏性流變特性，則洞體開挖后洞周附近圍巖的應(yīng)力重分布和彈性或彈塑性的收斂 變形是以彈性或彈塑性波的傳播速度進行的，以彈性波而言即為按聲波波速傳播， 則應(yīng)視為在成洞瞬間就已經(jīng)全部完成”。遺憾的是，以上研究沒有給出詳細的分析和依據(jù)，更沒有意識到將這一重要 發(fā)現(xiàn)與卡斯特納方程、現(xiàn)有圍巖一支護相互作用機制聯(lián)系起來，因而沒有發(fā)現(xiàn)它 們的錯誤和缺陷。而這一遺漏，正是本文研究的理論意義和實踐價值所在。（2）關(guān)于“立即支護”問題。工程中的“立即支護”在時間上是幾小時至幾 天甚至幾周的量級。工程中的圍巖支護，一般分為臨時（初次）支護和永久（-次） 支護。初次支護需要經(jīng)過出渣等工序才能進行，需要至少幾小時的間隔時間

18、。提 供主要支護反力作用的二次支護一般距離開挖面較遠，即圍巖從開挖到被支護的 間隔時間較長?，F(xiàn)場中，二次支護的滯后時間一般是幾天至幾周以上。假定在洞室開挖后可以立即進行支護（盡管這是不可能實現(xiàn)的），待其真正起 到支護作用時也需要至少幾小時至幾天的時間。因為，支護結(jié)構(gòu)（混凝土或噴射 混凝土）從澆注（或噴射）至其達到設(shè)計強度需要一定的養(yǎng)護/凝固時間。而且， 在支護結(jié)構(gòu)的養(yǎng)護凝固過程中，其能提供的支護反力是隨著自身強度的不斷增加 而增加的、是時變的?；谝陨戏治稣J為，既然工程中的支護反力A無法在圍巖的彈塑性變形發(fā) 生時對圍巖進行及時、有效的支護（因為支護根本就趕不上圍巖彈塑性變形的發(fā) 生），那么，卡

19、氏方程中就不應(yīng)該有支護反力P1，或者只能Pl=0，因此，由卡 氏方程和彈塑性公式推導(dǎo)的圍巖特性曲線（圖1中的口曲線）在工程實際中根本 就不存在，當(dāng)然也就不存在它與支護結(jié)構(gòu)的支護特性曲線（圖1中的b曲線）相交 的可能性。2. 4求解圍巖一支護相互作用的平衡點的方法存在概念和邏輯錯誤自圍巖一支護相互作用機制被提出以來，相關(guān)的討論文獻舉不勝舉，但其基 本思路均是將圍巖的特性曲線與支護的特性曲線進行相交來求解圍巖一支護相 互作用的平衡點（解析法或做圖法）。作者要質(zhì)疑的是這一思路在概念及邏輯上的 正確性。眾所周知，圖1中的曲線a代表的工程意義是：巷道開挖后圍巖變形達到穩(wěn) 定狀態(tài)時的圍巖特性曲線，即圍巖特

20、性曲線上的每一個點已經(jīng)是代表圍巖一支護 相互作用的最終結(jié)果，不同的支護參數(shù)、支護時機所產(chǎn)生的最終支護結(jié)果在圍巖 特性曲線上對應(yīng)著不同的點。因此，圍巖特性曲線已經(jīng)是描述圍巖一支護達到最 終平衡狀態(tài)時的狀態(tài)函數(shù)，即離散函數(shù)，它不能描述圍巖被支護結(jié)構(gòu)的支護反力 作用后的具體變化過程。圖1中的曲線b代表的工程意義是：支護結(jié)構(gòu)在與圍巖 變形過程中被圍巖擠壓進而產(chǎn)生的被動支護反力，被動支護反力的大小隨著兩者 共同變形的增加而增加，它可以描述支護結(jié)構(gòu)被圍巖作用的具體變化過程，是連 續(xù)函數(shù)。假定不考慮曲線a在工程中的實際意義（盡管節(jié)2. 3已經(jīng)討論清楚，曲線口 在工程中無實際意義）：（1）當(dāng)圖1中的曲線b開始

21、工作即開始進行支護時，它所對應(yīng)的曲線a已經(jīng) 而且必須發(fā)生了一個位移（不妨記為 ）。根據(jù)曲線a的工程意義，若將圍巖 的位移控制在p01處，就需要給圍巖施加對應(yīng)的一個支護力P11這樣才能保證支護 結(jié)構(gòu)在圍巖位移發(fā)生到吒1時開始架設(shè)并進行支護。但是，在支護結(jié)構(gòu)開始架設(shè)、 支護之前，支護結(jié)構(gòu)是無法提供支護力P11，的。那么，在開始進行支護之前， 對應(yīng)于圍巖已經(jīng)發(fā)生的位移吒偵勺支護力P。由誰來提供呢?現(xiàn)場中顯然找不到支 護力P11，的提供者。另外，假使有支護力、。，已經(jīng)在支承著圍巖了，并將圍巖 的位移控制在01處，那么，再對圍巖進行支護即架設(shè)曲線6（同時還要解除P”。） 還有什么意義呢？（2）對于支護時

22、機或支護剛度問題的研究，通常采用圖1來討論。但是，在 討論這一問題時，同樣面臨一個困境，即在開始進行支護之前存在由誰來負責(zé)先將圍巖支承、控制在進行支護時所需要的3圍巖一支護相互作用 流變變形機制那個位置的問題?，F(xiàn)有的概念模型建立與分析理論無法回答這個問 題。以上分析表明，將圖l中的曲線口 a，b進行相交求解的思路在概念上、邏 輯上是錯誤的。三、圍巖一支護相互作用流變變形機制的概念模型建立與分析1圍巖流變變形的求解思路在巖石地下工程中經(jīng)?？梢杂^察到一些與時間有關(guān)的現(xiàn)象，例如，巷道掘進 后，開始圍巖不坍塌，但過一段時間后卻逐漸塌落；又如支架上的壓力或圍巖位 移往往在一段時間內(nèi)隨著時間而增長，這些現(xiàn)

23、象用彈性、塑性理論均無法解釋， 因為這些理論均與時間無關(guān)（15.21）求解圍巖流變變形問題的途徑主要有：（1 ）建立巖石材料的黏彈性、黏彈塑 性的本構(gòu)方程。（2）建立巖石材料的三維蠕變方程。建立黏彈性、黏彈塑性的本 構(gòu)方程的方法有：（1）根據(jù)流變模型建立微分形式的本構(gòu)方程。（2）直接由試驗結(jié) 果建立積分形式的本構(gòu)方程。這兩種途徑是相通的，微分形式的本構(gòu)方程比較直 觀，易于接受和理解，但能求解的解答比較有限（24.25），利用積分形式的本構(gòu) 方程進行的求解更少。應(yīng)用黏彈本構(gòu)方程推演靜水壓力作用下的圓形巷道問題， 劉保國等（10.15）已經(jīng)作了初步的研究?？傊瑖鷰r流變變形的求解已有初步的研究成果

24、，但進一步的研究是當(dāng)前面 臨的急迫問題。2基于流變變形特性的完整圍巖支護的基本原則應(yīng)用巖石流變力學(xué)解決巖石地下工程的支護問題時，應(yīng)當(dāng)注意產(chǎn)生流變的閾 值問題，即流變下限。該下限值視圍壓情況均可由流變試驗具體確定。當(dāng)圍巖的 應(yīng)力水平達到或超過流變下限值時，就將產(chǎn)生流變效應(yīng)；反之，如圍巖的應(yīng)力水 平小于其流變下限值，則不會產(chǎn)生流變。據(jù)此，本文提出對完整圍巖進行支護的基本原則是：（1）不論是軟巖還是硬 巖，當(dāng)圍巖的應(yīng)力水達到或超過其流變下限值時，都將可能產(chǎn)生流變效應(yīng)，應(yīng)該 按照巖石流變力學(xué)特性（圍巖流變特性曲線）進行支護設(shè)計。這時的支護目的主要 是通過支護結(jié)構(gòu)對圍巖提供支護反力來改善圍巖的應(yīng)力狀態(tài)進

25、而控制圍巖的流 變變形。（2）反之，不論是軟巖還是硬巖，如圍巖的應(yīng)力水平小于其流變下限值， 則不會產(chǎn)生流變，可以不進行力學(xué)意義上的支護。但是，為了控制圍巖的進一步 劣化，應(yīng)進行維護意義上的支護，如及時噴混凝土封閉圍巖等。3. 3圍巖一支護相互作用流變變形機制的概念模型建立與新認識3. 3. 1巖石側(cè)向流變性質(zhì)概述幾乎所有的巖石都具有流變變形性質(zhì)，但是工程中的圍巖是否發(fā)生流變變形 決定于圍巖應(yīng)力水平的大小以及支護反力的大小。巖石的流變性質(zhì)包含：蠕變、 松弛、彈性后效和黏性流動。通常，巖石流變變形主要是指巖石蠕變變形。因此， 以下提到蠕變、蠕變變形等除特別需要說明之處均統(tǒng)一使用流變、流變變形。工程

26、中的圍巖，在有（無）支護結(jié)構(gòu)的作用下，其徑向流變位移與巖石試件的 側(cè)向流變變形在邊界條件上和相似條件上是最符合的目前，對巖石流變變形的研究主要集中于其軸向蠕變，極少研究側(cè)向蠕變。 巖石的側(cè)向蠕變研究是今后應(yīng)該加強的，尤其是對側(cè)向約束條件下的巖石側(cè)向流 變特性的研究。3. 3. 2圍巖一支護相互作用流變變形機制的概念模型建立根據(jù)上述分析，本文建立圍巖一支護相互作用的流變變形機制的概念模型， 為了簡單、明了地說明圍巖一支護相互作用流變力學(xué)機制本文僅考慮圍巖洞室周 邊的徑向流變位移變形與該圍巖的巖石單軸壓縮側(cè)向流變應(yīng)變的關(guān)系為線性關(guān) 系。顯然，這樣的選取并不改變巖石蠕變3階段和3水平的特性。p -在

27、沒有 找到的解析關(guān)系之前，巷道周邊的徑向流變位移變形采用下式近似地計算：|1 = 3R05R0 （9）式中：為巖石側(cè)向約束條件下的側(cè)向流變應(yīng)變。3. 3. 3圍巖一支護相互作用流變變形機制的新認識假定當(dāng)支護結(jié)構(gòu)在t1時刻開始支護，與圍巖開始發(fā)生相互作用。在t1時刻，圍巖流變特性曲線口 a，b，c的流變位移變形分別為、覽、氣，支護特性曲 線a、b、c的變形均為0。隨著圍巖流變變形的繼續(xù)增加，支護結(jié)構(gòu)因被動地被擠壓而發(fā)生收斂變形， 進而對圍巖施加不斷增長的支護反力，護特性曲線a、b、c。假定當(dāng)圍巖與支 護結(jié)構(gòu)的相互作用至t2時刻時達到新的平衡狀態(tài)，圍巖流變變形停止。在如時 刻，圍巖流變特性曲線a，

28、b，c的流變位移變形分另覽、覽、吃。在圍巖與支護的相互作用時段一 tl內(nèi)，圍巖相對于曲線a，b，c所完成的流變位移變形增量分別為呷-炸、群-吁、沖-坪。由于支護結(jié)構(gòu)和圍巖的 l2 l1 l2 l1 l2 l1相互作用，假定兩者的相互作用是符合變形協(xié)調(diào)關(guān)系的，則支護結(jié)構(gòu)的被動徑向 位移也分別為?此、呻吁、K 無e）。相應(yīng)地,在t2時刻,需要支護結(jié)構(gòu)提供的支護反力分別、Pt：、Pt；有Pa 二 t2= Kc(11 a Hat2t1(10a)Pb 二 t2二K*1b Hbt2t1(10b)Pc 二二 K (|1C 1c(10c)t2ct2t1式中Kc為支護（襯砌）厚壁圓筒的支護剛度。3. 4基于圍巖

29、一支護相互作用流變變形機制的分析根據(jù)3. 3建立的圍巖一支護相互作用流變變形機制的概念模型及其對新機制的認識，可以獲得有關(guān)支護問題的初步研究成如下:通常第1階段的流變變形一般發(fā)生的較快，待現(xiàn)場工程進行支護時已經(jīng) 發(fā)生完成，現(xiàn)場一般支護不到，能支護到的流變變形大部分在其第II，III階段。巖石的流變試驗表明，在應(yīng)力水平適中時，巖石的流變變形存在穩(wěn)定流 變階段，即II階段。分析認為，對圍巖流變變形進行控制的最佳、最有效的時 機應(yīng)該是在圍巖流變變形的11階段。在II階段內(nèi)，如果能使圍巖與支護達到平衡， 圍巖的流變變形停止，圍巖將是穩(wěn)定的。如果過了 II階段，圍巖與支護還未達 到平衡，圍巖的流變變形還

30、未停止，圍巖將進入加速流變的三階段，這個階段一 般是無法再穩(wěn)定圍巖的。圍巖的應(yīng)力水平對支護反力的影響很大。當(dāng)圍巖應(yīng)力水平較低時即口曲 線，其蠕變變形較小，達到平衡時需要的支護反力也較小，如曲線a所示。當(dāng)圍 巖應(yīng)力水平較高時即b和c曲線，其蠕變變形也較大，達到平衡時需要的支護反 力也較大，如曲線b和c，所示。支護剛度對支護反力的影響很大。支護剛度越大，達到平衡時需要的支 護反力也越大，如曲線c所示。支護剛度越小，達到平衡時需要的支護 反力也越小，如曲線c，所示。支護時機對支護效果的影響很大。一般地，支護時機越早越好。但在現(xiàn) 場的施工條件下，至開始支護時，圍巖流變變形一般已經(jīng)處于II或III階段。

31、這 時，如果支護時機過晚，支護結(jié)構(gòu)無法在II階段將圍巖流變變形控制住，一旦 圍巖流變進入其III階段，將無法對圍巖再進行有效的支護控制。綜合考慮支護的剛度和支護時機才能獲得最佳的支護效果。如果支護剛 度低，一般要求盡早進行支護。即使支護的時機較早，但如果支護剛度過低，也 難以保證在圍巖流變的II階段內(nèi)有效地控制住流變變形。如果支護剛度大，支 護可以晚一些。但如果現(xiàn)場條件和工藝允許，也應(yīng)該盡早進行支護，支護的越早 支護效果越好。對于應(yīng)力水平極高的圍巖，如曲線d所示，一般在現(xiàn)場環(huán)境下無法實施 有效的支護，或者說支護極其困難。因為，此時的支護將面臨兩種困境：其一， 支護時機很有限，通常是來不及支護，

32、或者說支護時機很難控制；其二，支護的 代價可能非常大，因為流變變形大，所以要求支護結(jié)構(gòu)提供的支護反力通常很大。高地應(yīng)力和深部巖石力學(xué)的支護問題就屬于圍巖的應(yīng)力水平極高這種情況。對軟巖和中硬及以上巖石在流變變形階段進行支護的初步認識。大量的流 變試驗(7, 2832)表明：軟巖在第1階段和第1I階段的流交變形一般比中硬 及以上巖石大，有的甚至大10倍以上；軟巖在第1和II階段完成其流變變形所 需的時間也比中硬及以上巖石長，大部分在2倍以上。因此，結(jié)合圖3的機制模 型分析認為：對于軟巖巷道的支護，必須讓開其流變變形的第1階段，以避免支護結(jié)構(gòu) 與圍巖相互作用之后因圍巖流變變形過大而迫使支護結(jié)構(gòu)提供較

33、大的支護反力。對于軟巖巷道的支護，一般有充分的支護時間。因為，軟巖在第1階段變 形時間一般有幾天以上，而中硬及以上巖石在第1階段變形時間一般只有約為1 d。因此，中硬及以上巖石要及時進行二次支護(如果需要力學(xué)意義上的支護)， 軟巖需要根據(jù)流變變形量測的結(jié)果再定，待其進入第1I階段再進行二次支護， 不能太早。對于相同的支護結(jié)構(gòu)來說，中硬及以上巖石的流變變形較小，相互作用之 后需要支護結(jié)構(gòu)提供的支護反力也較小。軟巖的流變變形較大，而支護結(jié)構(gòu)(通 常較多使用的是澆注或噴射混凝土)能退讓的變形有限，全使兩者相互作用之后 需要支護結(jié)構(gòu)提供的支護反力也較大。這就是為什么工程中的軟巖巷道的支護經(jīng) 常失敗、支

34、護結(jié)構(gòu)經(jīng)常被擠壞。而中硬及以上巖石巷道的支護結(jié)構(gòu)則較少發(fā)生破 壞的真正原因，只有用圍巖一支護相互作用的流變變形機制才可能分析清楚。關(guān)于新奧法及時封閉巖面問題。新奧法提倡及時封閉巖面(6)，這是必要 且正確的。但在現(xiàn)實中，大部分巖石地下工程只能在臨時支護中做到，甚至也有 一些做不到。待到進行永久支護時，變形已經(jīng)發(fā)生了相當(dāng)長的時間，彈塑性變形 早已經(jīng)發(fā)生并結(jié)束，圍巖進入流變階段。因此，支護時機很重要。在不同的時間段進行支護，需要按照相應(yīng)時間段的 圍巖變形特性進行計算、設(shè)計。從目前的支護技術(shù)來看，臨時支護在彈塑性變形 發(fā)生之后盡早支護是有可能的，這對封閉巖面、避免圍巖進一步劣化是有益的。 盡管不同的施工方法其支護時間間隔會相差較大，但對中硬及以上巖石如果需要 力學(xué)意義上的支護則應(yīng)盡可能早地進行永久支護，在現(xiàn)場條件下也是有可能實現(xiàn) 的。在上述對相關(guān)問題的認識及初步研究成果中，有些認識是根據(jù)新機制得出的 新認識有些認識雖然與現(xiàn)有的認識是一致的，但分析所用的機制不同，這里應(yīng)用 的是流變變形機制。應(yīng)當(dāng)指出，在上述現(xiàn)