基于全應(yīng)力-應(yīng)變曲線的軟巖強(qiáng)度全應(yīng)力-應(yīng)變曲線研究

基于全應(yīng)力-應(yīng)變曲線的軟巖強(qiáng)度全應(yīng)力-應(yīng)變曲線研究

1圍壓、地下水對巖石力學(xué)強(qiáng)度影響的研究隨著交通和采礦業(yè)的快速發(fā)展，越來越多的隧道和其他地下工程不得不穿過軟巖層。對于此類不良地質(zhì)工程問題，軟巖的力學(xué)特性研究就成為了工程界最為關(guān)注的問題之一。國內(nèi)外學(xué)者就圍壓對巖石力學(xué)強(qiáng)度的影響做了大量的室內(nèi)三軸試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果認(rèn)為：(1)巖石抗壓強(qiáng)度隨著圍壓的增加而提高；(2)飽水狀態(tài)對巖石力學(xué)強(qiáng)度影響的試驗(yàn)研究相對較少，一般認(rèn)為飽水時(shí)間越長，巖石抗壓強(qiáng)度越低；(3)同時(shí)考慮地下水和圍壓對巖石力學(xué)強(qiáng)度影響的試驗(yàn)研究相對較少。然而在實(shí)際巖體工程中，巖石一般處于三向應(yīng)力狀態(tài)并同時(shí)承受地下水的作用。因此，圍壓和地下水對巖石力學(xué)強(qiáng)度的影響規(guī)律研究就顯得尤為重要。鑒于此，本文以宜萬鐵路堡鎮(zhèn)隧道高地應(yīng)力大變形段的炭質(zhì)頁巖為研究對象，結(jié)合圍巖賦存條件，利用常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)研究圍壓和飽水時(shí)間對軟巖力學(xué)強(qiáng)度的影響規(guī)律，為堡鎮(zhèn)隧道高地應(yīng)力大變形段的設(shè)計(jì)、施工和安全運(yùn)營等提供理論依據(jù)，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果提出高地應(yīng)力大變形段圍巖的支護(hù)原則。2圍巖級別及圍巖結(jié)構(gòu)堡鎮(zhèn)隧道位于賀家坪～榔坪，采用左、右兩單線方案，全長約11.5km。左線DK72+834～DK79+887段及右線YDK72+248～YDK79+995段埋深較大，局部地段達(dá)到630m；左線穿越志留系碎屑巖10.263km，其中O2+3泥灰?guī)r、頁巖段長1.3km，按照國際巖石力學(xué)學(xué)會于1990年和1993年定義的軟巖概念(單軸抗壓強(qiáng)度cR=0.5～25.0MPa)來看，基本可定為軟巖。圍巖級別劃分情況如下：III級圍巖4818m，占整個(gè)隧道長度的41.67%；IV級6589m，占整個(gè)隧道長度的56.98%；V級圍巖156m，占整個(gè)隧道長度的1.35%。根據(jù)測試及分析隧道洞身最大水平主應(yīng)力為16MPa，隧道橫截面內(nèi)的最大初始應(yīng)力σmax約為14.75MPa。對應(yīng)巖體(炭質(zhì)頁巖、砂質(zhì)頁巖和灰?guī)r)，其單軸抗壓強(qiáng)度cR=3.9～9.1MPa,Rcσmax=0.26～0.60<4.00，根據(jù)《工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)》(GB50218–94)，該區(qū)屬極高應(yīng)力區(qū)，隧道極可能產(chǎn)生大的位移和變形。堡鎮(zhèn)隧道是宜萬鐵路建設(shè)的控制性工程之一，地質(zhì)條件之復(fù)雜實(shí)屬罕見，工程特點(diǎn)可以概括為：深埋、偏壓、富水、高地應(yīng)力，軟巖、順層、山高谷深、地質(zhì)復(fù)雜、施工風(fēng)險(xiǎn)多、科技含量大及建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)高。3大變形段軟巖室內(nèi)試驗(yàn)研究XTR01–01型微機(jī)控制電液伺服巖石三軸試驗(yàn)儀(如圖1所示)是由長春市新特技術(shù)有限責(zé)任公司研制。由軸壓系統(tǒng)、側(cè)向壓力系統(tǒng)、孔隙水系統(tǒng)和微機(jī)系統(tǒng)4部分組成。試驗(yàn)機(jī)可作巖石單軸及三軸(包括帶孔隙水壓)的各種試驗(yàn)。采用雙層微機(jī)測控配置，高分辨率快速全數(shù)字化自動(dòng)控制技術(shù)，用高級語言編制巖石力學(xué)性能試驗(yàn)專用的積木式控制軟件和可視軟件支持，良好的中文人機(jī)交換界面，自動(dòng)數(shù)據(jù)采集，自動(dòng)存儲，屏幕動(dòng)態(tài)顯示試驗(yàn)全過程。結(jié)合宜萬鐵路堡鎮(zhèn)隧道重大工程建設(shè)，根據(jù)堡鎮(zhèn)隧道高地應(yīng)力大變形段所揭示的圍巖情況、地應(yīng)力和地下水分布情況以及現(xiàn)場監(jiān)控量測資料和圍巖收斂變形特征，認(rèn)為引起隧道大變形的主導(dǎo)因素是軟巖、高地應(yīng)力和地下水。因此開展堡鎮(zhèn)隧道高地應(yīng)力大變形段軟巖在不同飽水時(shí)間和不同圍壓下力學(xué)性質(zhì)變化規(guī)律的室內(nèi)試驗(yàn)研究，對于揭示軟巖力學(xué)性質(zhì)的飽水軟化和軟巖強(qiáng)度隨圍壓增加而提高的本質(zhì)和規(guī)律及指導(dǎo)大變形段工程支護(hù)實(shí)踐具有重要意義。試驗(yàn)巖樣取自大變形段廣泛分布的炭質(zhì)頁巖，巖體中裂隙發(fā)育，失水易干裂，浸水易軟化，巖體強(qiáng)度低，膠結(jié)程度差，易風(fēng)化，地下水較發(fā)育。炭質(zhì)頁巖容重為27.19kN/m3，含水率2%～4%。試驗(yàn)巖樣尺寸為φ50.00mm×l00.00mm，制樣過程造成的巖樣尺寸誤差為±0.4mm，其試驗(yàn)設(shè)計(jì)流程如圖2所示。本試驗(yàn)采用不同圍壓和不同飽水時(shí)間下炭質(zhì)頁巖的三軸試驗(yàn)方法，試驗(yàn)采用軸向位移控制，速率為0.1mm/minㄢ4軟巖充水三軸試驗(yàn)的結(jié)果和分析4.1cdd-dd首先，將所采集的巖樣進(jìn)行分類、選樣并用油性彩筆標(biāo)號，選取飽水時(shí)間為1個(gè)月的巖樣試件進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)(包括單軸和三軸試驗(yàn))采用軸向位移控制，縱向應(yīng)變率為1×10-5s-1。對于三軸壓縮試驗(yàn)采用先加圍壓至預(yù)定值，然后加軸向力直至試樣破壞。最后，根據(jù)計(jì)算機(jī)自動(dòng)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和擬合，繪出炭質(zhì)頁巖全應(yīng)力–應(yīng)變曲線。圖3為幾條比較有代表性的全應(yīng)力–應(yīng)變曲線(圖中曲線上的數(shù)據(jù)為圍壓)。從炭質(zhì)頁巖三軸壓縮全過程典型曲線(見圖4)可以看出，炭質(zhì)頁巖的應(yīng)力–應(yīng)變?nèi)^程曲線可以劃分為OA,AB,BC,CD,DE五段，以峰值點(diǎn)C為界，全過程曲線可劃分為峰前和峰后兩個(gè)區(qū)域。(1)OA段。該段的應(yīng)力–應(yīng)變曲線向上凹，但解除荷載后沒有殘余變形，有學(xué)者把這一階段分為壓密區(qū)，點(diǎn)A為壓密點(diǎn)。壓密區(qū)對應(yīng)于圖4中的OA段，它是由于巖石試件中的微裂隙或節(jié)理面壓密而產(chǎn)生的，對于所研究的節(jié)理、裂隙發(fā)育的炭質(zhì)頁巖而言，壓密是其強(qiáng)度性質(zhì)的主要特征之一。(2)AB段。該曲線段接近于直線，應(yīng)力與應(yīng)變基本呈線形關(guān)系，試件結(jié)構(gòu)無明顯變化，屬于線彈性變形階段。試驗(yàn)結(jié)果表明，用來描述AB段的彈性模量和圍壓呈線性關(guān)系，彈性模量隨著圍壓的增加而增大。(3)BC段，是巖石微裂隙開始產(chǎn)生、擴(kuò)展、累積的階段。巖石內(nèi)部的裂隙開始逐漸擴(kuò)展并釋放能量。這一階段，有些稱之為屈服階段，為非彈性變形。試驗(yàn)結(jié)果表明，BC段曲線斜率和泊松比與應(yīng)變和圍壓有關(guān)，其中曲線斜率隨著圍壓的增加而增大，泊松比隨著圍壓的增加而減小，曲線斜率隨著應(yīng)變的增加而減小，泊松比隨著應(yīng)變的增加而增加。點(diǎn)C的應(yīng)力稱為峰值強(qiáng)度，也就是通常意義上的強(qiáng)度。(4)CD段，是應(yīng)變軟化段。在峰值強(qiáng)度之后，隨著應(yīng)變的增加，應(yīng)力下降，巖石發(fā)生應(yīng)變軟化。軸向壓力使試件形成破裂面，強(qiáng)度降低，應(yīng)變增長。這種強(qiáng)度隨應(yīng)變增長而逐漸下降的破壞稱為漸進(jìn)破壞。點(diǎn)D的應(yīng)力稱為殘余強(qiáng)度。試驗(yàn)結(jié)果表明，殘余強(qiáng)度與圍壓呈線性關(guān)系，隨著圍壓的增加而增大。(5)DE段，是塑性流動(dòng)階段。隨著塑性變形的持續(xù)發(fā)展，最終強(qiáng)度不再降低，達(dá)到破碎、松動(dòng)的殘余強(qiáng)度，并有相當(dāng)大的體積擴(kuò)容，這個(gè)階段可以認(rèn)為是理想的塑性階段。在單軸受壓的情況下，由于沒有側(cè)向壓力，炭質(zhì)頁巖在變形不大的情況下就產(chǎn)生破壞，這種破壞為脆性破壞，表現(xiàn)了通常所見到的巖石脆性特征，其殘余強(qiáng)度趨于0ㄢ4.2軟巖力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)為了模擬軟巖的賦存條件，考慮地下水和圍壓對其強(qiáng)度的影響，按照圖2的試驗(yàn)設(shè)計(jì)流程，將所采集的巖樣分別在天然狀態(tài)、飽水2周、1個(gè)月、2個(gè)月和3個(gè)月時(shí)，開展軟巖的力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)，采用剛性三軸試驗(yàn)機(jī)測定軟巖的抗壓強(qiáng)度。最后通過統(tǒng)計(jì)和擬合，獲得飽水時(shí)間和圍壓對軟巖力學(xué)性質(zhì)的影響規(guī)律。通過三軸強(qiáng)度試驗(yàn)，得到軟巖在不同飽水狀態(tài)下和不同圍壓下的三軸試驗(yàn)強(qiáng)度值，結(jié)果如表1所示。4.2.1抗壓強(qiáng)度分析方法在不同飽水狀態(tài)下，巖樣在不同圍壓下的強(qiáng)度試驗(yàn)曲線如圖5所示。從圖5中可知，圍壓對試驗(yàn)曲線的影響近似于指數(shù)變化。因而，采用關(guān)系式y(tǒng)=aexp(bx)對巖樣在不同圍壓下抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)值進(jìn)行擬合，可以得到不同飽水時(shí)間下抗壓強(qiáng)度與圍壓的關(guān)系式。由圖5還可以看出，擬合曲線與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合。分析圖5中的擬合曲線表明：在不同飽水時(shí)間下，軟巖抗壓強(qiáng)度隨圍壓的變化基本符合指數(shù)變化規(guī)律，圍壓對軟巖強(qiáng)度影響規(guī)律不受飽水時(shí)間的影響，隨圍壓的增長炭質(zhì)頁巖抗壓強(qiáng)度逐漸增高。4.2.2抗壓強(qiáng)度與飽水時(shí)間關(guān)系式的擬合在不同圍壓下，飽水時(shí)間對軟巖強(qiáng)度影響曲線如圖6所示。由圖6可知，飽水時(shí)間對軟巖強(qiáng)度影響規(guī)律分2種情況：(1)當(dāng)圍壓為0～15MPa時(shí)，其試驗(yàn)曲線近似于指數(shù)變化，因而采用關(guān)系式y(tǒng)=a+bexp(-kx)對巖樣在不同飽水時(shí)間的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)值進(jìn)行擬合。從圖6(a)～(d)可以看出，擬合曲線與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合。(2)當(dāng)圍壓為20～25MPa時(shí)，其試驗(yàn)曲線近似于線性變化，因而采用關(guān)系式y(tǒng)=a+bx對巖樣在不同飽水時(shí)間的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)值進(jìn)行擬合?？梢缘玫讲煌瑖鷫合驴箟簭?qiáng)度與飽水時(shí)間的關(guān)系式。從圖6(e)，(f)可以看出，擬合曲線與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合。4.3礦物強(qiáng)度的影響巖石三軸抗壓強(qiáng)度受礦物成分、結(jié)構(gòu)構(gòu)造、結(jié)晶情況、試樣尺寸、圍壓、加載速率、應(yīng)力路徑、孔隙水壓力、溫度及飽水時(shí)間等因素影響，不同的礦物本身有著不同的強(qiáng)度。在常規(guī)三軸試驗(yàn)中，由相同的礦物組成的巖石的變形破壞規(guī)律受圍壓和飽水時(shí)間的影響較大。4.3.1低圍壓和單軸試驗(yàn)巖樣破壞的破壞特征(1)巖樣試件在受壓后發(fā)生的變形與破壞形態(tài)與其所受的圍壓密切相關(guān)，隨著圍壓的增大，主應(yīng)力差–應(yīng)變曲線斜率增大，破壞荷載增大，塑性變形明顯增大，表明巖樣試件的剛度和強(qiáng)度隨圍壓的增大而增大，有一定的壓硬性。(2)巖石破壞后，殘余強(qiáng)度隨圍壓增大而提高，同時(shí)，隨著圍壓的增大，峰值應(yīng)力對應(yīng)的應(yīng)變值有所增大，巖石的變形特性表現(xiàn)為低圍壓下的脆性向高圍壓下的延性轉(zhuǎn)變。(3)在圍壓作用下，當(dāng)軸向壓力較小時(shí)，主應(yīng)力差–應(yīng)變曲線呈上凹形，隨著應(yīng)力水平的增大，曲線呈直線形，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到一定程度時(shí)，曲線呈下凹形，直至巖石破壞，巖石屬塑–彈–塑性體，是一種以孔隙和裂隙行為為主導(dǎo)的變形。因此在壓應(yīng)力下，先是孔隙和裂隙閉合，巖石剛度加大，曲線斜率增大上凹，孔隙和裂隙閉合后，巖石發(fā)生彈性變形，其后裂隙穩(wěn)定擴(kuò)展生成新的裂隙，曲線下凹，發(fā)生“擴(kuò)容”，直至破壞。(4)圍壓較低(σ3≤5MPa)或單軸試驗(yàn)時(shí)，巖石呈脆性破壞，破壞過程瞬時(shí)完成，當(dāng)巖體中有近豎直向裂隙時(shí)表現(xiàn)為沿裂隙面的拉張破壞。當(dāng)裂隙面與最大主應(yīng)力方向約成45°時(shí)，表現(xiàn)為沿裂隙面的剪切滑移破壞，破壞時(shí)發(fā)出較低且清脆的聲響。低圍壓或單軸試驗(yàn)巖樣破壞后的典型破壞狀況如圖7所示。(5)圍壓較大時(shí)(σ3>5MPa)，巖石進(jìn)入韌性剪切破壞，破壞過程有一定的延時(shí)，表現(xiàn)為微裂隙隨應(yīng)力增大而逐漸擴(kuò)展，最后導(dǎo)致巖石的完全破壞，具有一定的應(yīng)變軟化特性。(6)從試驗(yàn)過程來看，受巖石孔隙、裂隙和成巖作用程度的影響，在低圍壓狀態(tài)下，巖石性質(zhì)以各向異性為主導(dǎo)，巖石呈脆性拉張破壞，即破壞面平行于主壓應(yīng)力方向，或者沿裂隙面發(fā)生破壞。當(dāng)圍壓增大時(shí)，巖石被壓密，在軸向應(yīng)力作用下，礦物顆粒發(fā)生剪切滑移，顆粒間接觸更為緊密，各向異性減弱，各向同性性質(zhì)有所增加，要使之破壞，應(yīng)增大應(yīng)力，導(dǎo)致了巖石的應(yīng)變硬化現(xiàn)象。高圍巖水平下，巖石試件發(fā)生塑性破壞如圖8所示。4.3.2飽和水過程中炭質(zhì)頁巖抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律(1)巖石試件的飽水軟化是指巖石與水相互作用時(shí)強(qiáng)度降低的性能，軟化作用的機(jī)制是由于水分子進(jìn)入粒間間隙而削弱了粒間連結(jié)造成的。此外，水是一種良好的溶劑，可以溶解許多巖石試件中的礦物成分，對巖石試件也起了軟化作用。(2)隧道圍巖遇水軟化是指地下水沿著圍巖孔隙、裂隙等結(jié)構(gòu)面滲透到巖體中的過程中發(fā)生了一系列的物理和化學(xué)作用，從而使巖體發(fā)生物理或化學(xué)方面的變化，如體積增大、容重增加，有些含親水性高的礦物浸水后其顆粒之間水膜增厚而引起巖石的膨脹。由于膨脹作用，使得巖體內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力不均勻或部分膠結(jié)物被溶解，從而導(dǎo)致巖石顆粒分散，即崩解，因此造成圍巖強(qiáng)度相對降低。(3)分析圖6中2種擬合曲線，可以發(fā)現(xiàn)：(1)圍壓低于20MPa時(shí)(圖6(a)～(d))，炭質(zhì)頁巖在飽水過程中抗壓強(qiáng)度的變化呈指數(shù)形式，但隨著飽水時(shí)間的增大，飽水時(shí)間對炭質(zhì)頁巖抗壓強(qiáng)度的影響逐漸減弱，且2個(gè)月的飽水時(shí)間為炭質(zhì)頁巖抗壓強(qiáng)度趨于穩(wěn)定的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。(2)圍壓達(dá)到20MPa后(圖6(e)，(f))，炭質(zhì)頁巖在飽水過程中抗壓強(qiáng)度的變化呈直線性變化。雖然隨飽水時(shí)間的增長，炭質(zhì)頁巖抗壓強(qiáng)度有降低的趨勢，但從試驗(yàn)結(jié)果的波動(dòng)性來看，此時(shí)可以不考慮飽水時(shí)間對炭質(zhì)頁巖抗壓強(qiáng)度的影響，沒有明確的抗壓強(qiáng)度時(shí)趨于穩(wěn)定的飽水時(shí)間轉(zhuǎn)折點(diǎn)，且圍壓為20MPa時(shí)則為飽水時(shí)間對炭質(zhì)頁巖抗壓強(qiáng)度失去影響的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。5高地應(yīng)力大變形段隧道圍巖動(dòng)態(tài)演化路徑對于地下工程而言，在圍巖應(yīng)力重分布過程中，圍巖必將按照其應(yīng)力–應(yīng)變關(guān)系隨應(yīng)力而產(chǎn)生相應(yīng)的變位(圍巖的回彈變形、塑性變形及黏性變形)，以適應(yīng)應(yīng)力狀態(tài)的變化，并在圍巖系統(tǒng)能量最低的原則下，與圍巖應(yīng)力共同發(fā)展演化，以求在新的平衡點(diǎn)上達(dá)到新的穩(wěn)定平衡狀態(tài)，這一過程即為圍巖的動(dòng)態(tài)演化過程。從試驗(yàn)結(jié)果來看，巖石在峰值前變形量較小，而峰后巖石體積變形要比峰值前大得多，峰后破裂圍巖體積膨脹變形才是圍巖收斂變形的主要原因。因此，依據(jù)彈塑性等理論進(jìn)行隧道支護(hù)研究是不準(zhǔn)確的、不客觀的，應(yīng)該在對圍巖動(dòng)態(tài)演化過程正確認(rèn)識的基礎(chǔ)上，結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果、施工方法、支護(hù)結(jié)構(gòu)型式和支護(hù)時(shí)間等，探求堡鎮(zhèn)隧道高地應(yīng)力大變形段軟巖支護(hù)方法，以控制并適合圍巖動(dòng)態(tài)演化路徑，使隧道圍巖以穩(wěn)定方式達(dá)到新的穩(wěn)定平衡狀態(tài)。下面就堡鎮(zhèn)隧道高地應(yīng)力大變形段軟巖支護(hù)提出4點(diǎn)建議：(1)全巖動(dòng)態(tài)特性高應(yīng)力區(qū)軟巖大變形具有“變形快、變形量大且破壞嚴(yán)重、持續(xù)時(shí)間長”的基本特征，但同時(shí)又表現(xiàn)出時(shí)間上和空間上不均勻、不對稱等諸多特征。這些特征正是開挖卸荷引起的、始于掌子面前方的半芯巖體的圍巖動(dòng)態(tài)過程的必然結(jié)果，其根本在于圍巖破壞后的體積膨脹，必須從高地應(yīng)力環(huán)境下軟弱圍巖的動(dòng)態(tài)全過程出發(fā)，根據(jù)動(dòng)態(tài)特征(圍巖應(yīng)力時(shí)空特征、圍巖結(jié)構(gòu)變化特征、圍巖變形破壞特征及機(jī)制等)，制定能適應(yīng)其動(dòng)態(tài)特征的最佳支護(hù)型式和支護(hù)方法。從圍巖動(dòng)態(tài)變化的觀點(diǎn)出發(fā)，結(jié)合軟巖強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果可以知道，圍巖的動(dòng)態(tài)自掌子面前方的半芯巖體就開始發(fā)生，也即圍巖應(yīng)力、圍巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)在掌子面前方就開始演化，并引起相應(yīng)變形(預(yù)收斂)。半芯巖體的預(yù)收斂使掌子面發(fā)生各種變形。在堡鎮(zhèn)隧道大變形段所揭示的軟巖中，掌子面的這種變形較為顯著，因此，對掌子面進(jìn)行超前支護(hù)(如安設(shè)超前小導(dǎo)管、掌子面注漿以及爆破后，立即向掌子面噴射素混凝土等)，通過超前支護(hù)改善掌子面圍巖應(yīng)力狀態(tài)，提高掌子面圍巖強(qiáng)度，防止掌子面巖體的過度變形，是保護(hù)圍巖的第一步。(2)以圍巖為支護(hù)對象關(guān)于支護(hù)對象，在以前的研究和工程實(shí)踐中，存在兩種主要觀點(diǎn)。一種觀點(diǎn)認(rèn)為，導(dǎo)致圍巖變形破壞的原因是圍巖應(yīng)力，故支護(hù)對象應(yīng)該是圍巖應(yīng)力(如軟巖巷道中的“碎脹力”、“膨脹力”等)。另一種觀點(diǎn)則認(rèn)為，圍巖支護(hù)對象是圍巖的變形和破壞，故支護(hù)就是對巷道的變形采取措施。對于堡鎮(zhèn)隧道大變形段而言，由于其劇烈變形破壞只是圍巖復(fù)雜動(dòng)態(tài)的最終表現(xiàn)，應(yīng)力變化只是外因，而內(nèi)在原因是圍巖自身結(jié)構(gòu)的變化。因此，從這種意義上，圍巖支護(hù)對象不應(yīng)該是結(jié)果(變形或破壞)，也不應(yīng)該是外因(圍巖應(yīng)力)，而應(yīng)該是內(nèi)因(圍巖及其結(jié)構(gòu))?？傊诟叩貞?yīng)力環(huán)境下軟弱圍巖支護(hù)的研究和實(shí)踐中，應(yīng)始終堅(jiān)持以圍巖為支護(hù)對象的原則。根據(jù)軟巖三軸試驗(yàn)結(jié)果和圍巖結(jié)構(gòu)特征、動(dòng)態(tài)特征、變形破壞機(jī)制等，探討改善圍巖應(yīng)力狀態(tài)的各種工程措施，力求提高圍巖的強(qiáng)度，充分發(fā)揮圍巖自身的承載能力。(3)圍巖穩(wěn)定性下降在地下工程中，開挖導(dǎo)致工程巖體既有卸荷又有加荷，這是地下工程與其他巖石工程的根本區(qū)別。開挖導(dǎo)致圍巖回彈變形，引起一定范圍內(nèi)圍巖的應(yīng)力釋放和轉(zhuǎn)移，應(yīng)力重分布導(dǎo)致徑向應(yīng)力釋放(卸荷)，切向應(yīng)力增加(加荷)，應(yīng)力差增大。在洞壁及其附近，由初始的三向應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)殡p向壓縮狀態(tài)(掌子面上、洞壁處為單向應(yīng)力狀態(tài))，造成巖石強(qiáng)度大幅度下降，使洞室向不穩(wěn)定方向發(fā)展。如果圍巖中集中的應(yīng)力值小于下降后的巖石強(qiáng)度，圍巖處于彈塑性狀態(tài)，圍巖自行穩(wěn)定；反之，圍巖將發(fā)生破壞。這種破壞從周邊逐漸向深部擴(kuò)展，直至達(dá)到新的三向應(yīng)力平衡狀態(tài)為止，此時(shí)圍巖中出現(xiàn)了一個(gè)破裂帶，把這個(gè)由于應(yīng)力作用產(chǎn)生的破裂帶稱為圍巖松動(dòng)圈。在無約束狀態(tài)下，圍巖松動(dòng)圈具有極易松散的潛在特性，而且也易受到各種因素的擾動(dòng)，因此，必須加強(qiáng)對它的保護(hù)，從而更好地利用圍巖。地下工程開挖前，所有節(jié)理裂隙、含一定厚度斷層泥的大小斷層以及接觸破碎帶緊密閉合，導(dǎo)水性較弱。從堡鎮(zhèn)隧道大變形段開挖揭示的圍巖實(shí)際情況來看，原巖應(yīng)力高且開挖作用較大，圍巖松馳卸荷強(qiáng)烈，導(dǎo)致圍巖內(nèi)的結(jié)構(gòu)面以不同形式張開或滑移，地下水便沿這些張開結(jié)構(gòu)面(或剪切滑移造成的空間)活動(dòng)，地下水的存在與參與，必將通過力學(xué)作用和物理化學(xué)作用，弱化其作用范圍內(nèi)的圍巖性質(zhì)，使圍巖發(fā)生更大的變形和更嚴(yán)重的破壞，于是巖體結(jié)構(gòu)也隨之產(chǎn)生更大的變化，這種變化又促進(jìn)水的運(yùn)動(dòng)。保護(hù)圍巖可以降低地下水對圍巖的軟化作用，進(jìn)而降低圍巖的變形破壞程度。(4)動(dòng)圍巖自承能力巖石具有峰后強(qiáng)度，這是巖石的一個(gè)重要特征，表明巖石破壞以后，并不是完全失去承載能力，而是仍然具有一定的殘余強(qiáng)度。圍巖支護(hù)的最佳途徑是充分發(fā)揮和調(diào)動(dòng)圍巖的自承能力，使其成為支護(hù)結(jié)構(gòu)的一部分，從而以最低的支護(hù)代價(jià)獲得滿足工程要求的穩(wěn)定性，按承載圈理論，即利用圍巖自身形成主動(dòng)承載圈。從軟巖的三軸試驗(yàn)曲線(圖3)來看，隨著圍壓的增大，巖石的變形