基于非线性变形的岩体加固机理研究

本项目在理论分析的基础上，论证基于不平衡力的变形加固理论和塑性极限定理的关系。采用数值模拟和试验研究对比的方式，验证变形加固理论。采用不含加固措施的结构试件（加固通过外荷载模拟），主要对变形加固理论所确定的关键加固区域和加固力大小进行定量验证。然后基于这些研究基础，提出广义不平衡力模型，建立相应的理论框架，从能量原理和非线性变分原理出发，论证该模型在岩土力学中的普适性。采用该模型，可以将加固措施、岩体中的软弱带等统一到非线性有限元的迭代计算中，而且在加固机理的研究中，可以充分考虑到岩体的非线性变形特征。基于结构试件，考虑试件中存在的缺陷、加固措施等特殊结构，进行有无缺陷、有无加固措施和多项加固措施等各种情况下的承压试验。同时和数值模拟进行对比，在验证广义不平衡力模型的基础上，对基于非线性变形的岩体加固机理进行研究。 2100433B

现场岩体的变形主要受岩体中包含的各种地质界面即结构面的控制，另外岩体中的应力也对变形有重要影响。当岩体承载时，变形的大部分表现为结构面的闭合和沿结构面的滑动，坚硬岩块本身的变形仅占次要地位。因此岩体的应力－应变关系曲线也远较岩块复杂。据研究，在现场加载条件下，典型的岩体应力-变形曲线（即σ-W曲线）如图2所示。图中I线为应力和变形呈线性关系;Ⅱ线表明加载的前一阶段为裂隙闭合阶段，后一阶段可视为线性关系；Ⅲ线说明在压力作用下，岩体逐渐屈服；Ⅳ线与Ⅱ线相似；Ⅴ线与Ⅲ线相似；Ⅵ线表示在较小的应力作用下，岩体出现负变形，是其中封闭应力释放的结果。

岩体的卸载变形主要表现在开挖地下洞室时围岩的回弹和松动。在岩体中挖洞时，由于原来岩体的受力状态发生变化，巷道周围的岩体即围岩会产生回弹区（围岩应力释放所涉及的范围）和松动区（围岩松动所涉及的范围）（图3）。当其他条件相同时，地下工程的侧墙往往会形成塑性楔体，首先向内变形或破坏，进而危及整个围岩的稳定性。岩体在卸载作用下的变形规律目前仍研究得不够深透。对于地下工程，常在现场布置仪器观测围岩变形与时间的关系。

岩体变形可分为材料变形型与结构变形型两类。材料变形型可细分为结构体弹性变形、结构体粘性变形、结构面闭合变形和结构面错动变形。结构变形可细分为结构体滚动变形、板裂体结构变形、结构面滑动变形、软弱夹层压缩和挤出变形。

岩体变形不仅与受力状态密切相关，而且受岩体结构控制。不同结构的岩体变形也不同。块裂结构岩体最主要的变形是沿结构面滑动；完整结构岩体的变形，主要是岩石材料变形及微裂隙闭合和少量的错动变形；板裂结构岩体的变形主要是结构变形，包括板柱横向弯曲和纵向缩短；碎裂结构岩体变形更为复杂，几乎包括所有的变形成分。

1、岩体变形控制量化分析的基础是正确获得岩体的变形破坏规律攻相应的变形参数及强度参数。变形参数包括变形模量和弹性模量；岩体变形参数需要通过岩体变形试验来获得。岩体变形试验按照施加荷载的作用方向也可分为以下两类。

①法向变形试验：承压板法、狭缝法、单双轴三轴压缩试验、环形试验等。

②切向变形试验：倾斜剪切仪、挖试洞等。

2、岩体现场变形试验方法分为静力法和动力法。

静力法是在选定的岩体表面、槽壁或钻孔壁面施加法向荷载，并测量变形值，然后绘制压力-变形关系曲线，计算岩体的变形参数。常用的静力法有：承压板试验、径向荷载试验、水压法等。

目前，应用最广的动力法是承压板法：

承压板法常采用刚性承压板法和柔性承压板法两种，其中，刚性承压饭法试验适用于各级岩石体。通常在平巷中进行，先在选择好的岩面上清除浮石，平整好岩面，接着依次安装承压板、千斤顶、传力柱和变形量表等，施压使整个系统接触紧密；整个系统应具有足够的刚度和强度，所有部件中心应保持在同一轴线上轴线应与加压方向一致，试点受力方向宜与工程岩体实际受力方向一致。试验最大压力不宜小于工程设计压力的1.2倍，宜等分5级施加；加压前应对测表进行初始稳定读数观测，每隔10min同时测读各测表一次，连续三次读数不变后开始加压；加压方式宜采用逐级一次循环法，根据需要可采用大循环法或逐级多次循环法。采用何种加荷方式，可根据岩体结构和工程要求而定。

完整岩体可采用大循环加荷方式，以确定岩体在不同荷载下的变形特性；多裂隙岩体可采用多循环或单循环加荷方式，以了解各种结构面对岩体变形的影响。试验记录应包括：工程名称、岩石名称、试点编号、试点位置、试验方法、试点描述、测表布置、测表编号、压力表编号、承压板尺寸,压力变形、试验人员、试验日期。每级压力加压或退压后应立即读数。以后每隔10 min读数- -次，当所有测表相邻两次读数差与同级压力下第一次读数和前一级压力下最后一次读数差之比小于5%时，即可施加或退至下一级压力。卸压稳定标准与加用相同。 2100433B