深部软弱地层TBM围岩力学行为试验研究

2014-06-07 05:55刘泉声刘恺德黄诗冰
煤炭学报 2014年10期
关键词:卸荷力学轴向

黄 兴,刘泉声,2,刘 滨,刘恺德,黄诗冰

(1.中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室,湖北武汉 430071;2.武汉大学土木建筑工程学院水工岩石力学教育部重点实验室,湖北武汉 430072;3.中国煤炭科工集团西安研究院有限公司,陕西西安 710054)

深部软弱地层TBM围岩力学行为试验研究

黄 兴1,刘泉声1,2,刘 滨1,刘恺德3,黄诗冰1

(1.中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室,湖北武汉 430071;2.武汉大学土木建筑工程学院水工岩石力学教育部重点实验室,湖北武汉 430072;3.中国煤炭科工集团西安研究院有限公司,陕西西安 710054)

为揭示TBM深部软弱围岩变形破坏力学特性,开展了反映深埋隧道TBM机械开挖卸荷本质——高初始围压下缓慢准静态卸荷这一卸荷特征的砂质泥岩三轴卸围压试验,研究结果表明:缓慢卸荷条件下的岩石峰前应力-应变曲线接近于常规三轴压缩峰前应力-应变曲线,卸荷屈服阶段产生损伤扩容,侧向变形加速增长,从体积压缩开始转向扩容;应力达到峰值强度后,岩石首先发生1~2级脆性跌落,随着围压继续缓慢卸荷,岩石沿一条斜率较小的近似斜直线发生伴随有多级次生微破裂的线性应变软化;岩石变形全过程由弹性变形段、峰前卸荷损伤扩容段、峰后脆性跌落段、含有多级微破裂的线性应变软化段以及残余强度阶段组成;岩石缓慢卸荷发生宏观张剪复合破坏,并伴有轴向劈裂裂纹,破裂断面为由许多劈裂裂纹相互贯通形成具有一定宽度的剪切带,剪切带内劈裂的岩片在轴向挤压力和沿破裂面的剪切力共同作用下被挤压和摩擦成许多细颗粒和岩粉。

TBM;机械开挖;软岩;缓慢准静态卸荷;三轴卸围压试验

目前,TBM(全断面隧道掘进机)在长大隧道和矿山超千米深部巷道建设中应用越来越广泛[1]。TBM最适宜在中硬岩掘进[2-4],围岩稳定性好、破岩效率高,然而在深长隧(巷)道掘进中TBM往往需要频繁穿越高地应力软弱岩层。深部高地应力和岩体软弱结构构成了围岩挤压大变形的基本条件,TBM开挖扰动使得围岩极易产生强烈挤压大变形[5-6]。护盾式TBM的盾壳与围岩间的间隙较小,围岩挤压大变形极易导致TBM护盾被卡,造成长时间卡机停工,甚至护盾损毁,严重影响工程进度,并进一步造成重大经济损失和严重社会影响。

造成TBM围岩挤压大变形及其导致的卡机灾害的根源是对TBM开挖条件下深部高地应力软弱围岩挤压大变形力学特性认识不清,对挤压大变形机理研究不深。

目前,关于加载状态下岩石变形破坏特性的试验、理论和应用研究已得到广泛研究[7-8]。但实际上,地下工程开挖围岩应力重分布,径向应力减小,切向应力增大。使得围岩不再处于单纯的加载状态,而是在一个方向处于加载状态,在另一方向却处于卸荷状态。研究表明[9],岩体在卸荷状态下的力学特性与加载条件下存在很大差异,而且卸荷方式、卸荷应力路径、卸荷速率对岩石力学行为有重要影响。目前已有许多学者开展了岩石在卸荷状态下力学特性的研究[7-9],并取得了一定进展。但总的来说,对卸荷条件下岩石力学特性的研究还不成熟,且这些研究很少涉及开挖方式,几乎都没有考虑不同开挖方式对应的卸荷方式和卸荷路径的差异,因而研究结果的适用范围值得商议。关于深部高地应力岩体在TBM机械开挖这一卸荷方式下的变形破坏特性及其力学机理研究更是极其少,如Ramoni[10]、Graziani[11]等学者在计算TBM护盾区域围岩收敛变形及其对护盾的挤压力时仍然采用的是常规加载条件下的本构模型和力学参数,并未考虑TBM机械开挖卸荷条件下围岩的变形破坏特性。

目前,地下工程主要有爆破开挖和以TBM为代表的机械开挖这2种开挖方式。大量研究结果表明,开挖对围岩的扰动规律与开挖方式、围岩应力释放特征密切相关。钻爆法开挖对围岩的扰动为爆破荷载和高速动态卸荷作用的结果,而TBM机械开挖对围压的卸荷方式为缓慢准静态卸荷,深埋隧(巷)道TBM卸荷方式则为高初始围压下的缓慢准静态卸荷。正因为这2种开挖方式的卸荷特征存在本质差异,因而对围岩的扰动影响也存在巨大差异。普遍认为TBM开挖围岩扰动区范围要明显小于钻爆法开挖扰动区范围。而目前国内外尚未开展深部高应力软弱围岩TBM开挖缓慢准静态卸荷条件下围岩力学行为研究。

因此,亟需开展反映TBM机械开挖卸荷特征的试验研究,研究深部软弱岩体在TBM开挖缓慢准静态卸荷条件下的瞬时力学响应,从而为TBM掘进下围岩挤压大变形及其导致的卡机灾害预测提供理论依据。

1 三轴卸围压试验

拟开展不同初始围压在不同卸荷速率下的软岩三轴卸围压试验,研究TBM机械开挖缓慢准静态卸荷条件下深部软岩的力学特性。

1.1 试验条件

(1)岩石试样。

试验岩样为取自淮南潘一东矿-848 m水平的砂质泥岩,埋深1 020 m。砂质泥岩单轴压缩和常规三轴压缩试验应力应变曲线和主要力学参数分别如图1和表1所示,可看出砂质泥岩为典型的深部软岩。

图1 三轴压缩(σ1-σ3)-ε1曲线Fig.1 The(σ1-σ3)-ε1curves of triaxial tests

表1 砂质泥岩三轴压缩试验结果Table 1 The triaxial compression test results of sandy mudstone

(2)卸荷应力路径。

试验所采用的荷载控制方式对岩石应力-应变曲线,尤其是对峰后变形曲线形态有较大影响[12]。卸围压试验通常有2种控制方式[13]:①应力控制,包括恒轴压卸围压、加轴压卸围压、轴压围压不等量卸压和保持应力差不变(轴压、围压等量减少);②变形控制,常规三轴加载后保持轴向变形速率进行控制,同时降低围压,特点是卸围压过程中试验机轴向继续对岩样压缩做功,即轴向变形控制的增轴压卸围压试验。

同一岩石,可能因控制方式的不同而得出不同的峰后变形曲线。当采用应力控制时峰后轴向应力往往来不及调整,极易导致岩样发生崩溃式破坏、突然爆裂(图2),难于获取完整的峰后应力应变曲线。又由于TBM开挖过程中,近场围岩的径向应力逐渐卸荷,至开挖轮廓处卸为0,切向应力增大。为了尽量与TBM开挖实际情况(对应于开挖后围岩径向卸荷、切向加载的应力状态)吻合,同时为了保证岩石越过峰值后能获取完整的峰后应力-应变曲线,本试验选择轴向变形控制,即可控式的升轴压卸围压试验(图3)。

图2 采用应力控制的花岗岩应力-应变曲线(RMT-150C)Fig.2 Stress-strain curve of granite controlled by stress

(3)卸荷速率。

已有学者开展了卸荷速率对岩石变形特性[14-15]和强度特性[16]的影响规律研究,然而这些研究针对的都是大理岩之类的硬岩,且卸荷速率的设置并未对应TBM缓慢准静态卸荷速率。因此需要进一步研究TBM开挖缓慢卸荷速率下软岩的力学响应。

图3 试样UL20-1R三轴卸围压试验应力路径Fig.3 The stress path of triaxial unloading confining pressure test of sample UL20-1R

为了使三轴卸围压试验能反映TBM开挖卸荷的特征——缓慢准静态卸荷,假设TBM开挖对隧硐轮廓上的围岩为线性卸荷,卸荷速率设为2个较小的常量,分别设为0.005,0.010 MPa/s,并开展快速卸荷试验(卸荷速率为0.05,0.50 MPa/s),将缓慢准静态卸荷下的试验结果与快速卸荷条件下的试验结果相比较。

(4)卸荷起点应力水平。

为了使三轴卸围压试验的应力水平能反映深部地层的典型应力特征——高地应力,卸荷初始围压σ3依次设置为10,20,30,40,50 MPa。

卸荷起点轴向应力σ′1应设置为大于单轴抗压强度,略高于比例极限,为常规三轴压缩强度的60%~80%,根据图1和表1砂质泥岩常规三轴压缩试验结果制定相应的卸荷起点(表2)。

表2 卸荷起点应力水平Table 2 The stress level of unloading start point

1.2 试验过程

试验控制过程如下:

(1)首先以0.5 MPa/s的加载速率按静水压力条件逐步施加σ1,σ2,σ3至预定的围压值(分别为10,20,30,40,50 MPa);

(2)稳定围压σ3,采用应力控制方式以0.5 MPa/s的速率逐步施加轴向应力至卸荷起点σ′1;

(3)继续采用轴向变形控制方式以0.001 mm/s的轴向变形速率增加轴压至试样破坏,同时按照设定的卸荷速率卸围压(设定的卸荷速率分别为0.005, 0.010,0.050,0.500 MPa/s),直至试样破坏。

试验过程中其他试样的应力路径类似图3。

试件编号命名规则:第1部分——字母“UL”为“unloading”的英文缩写,字母“TT”为“triaxial testing”三轴压缩;第2部分——数字“10”,“20”等表示初始围压值;第3部分——数字“1”,“2”,“3”,“4”分别表示卸荷速率为0.005,0.010,0.050, 0.500 MPa/s,最后一个字母代表试验机类型(本次三轴卸围压试验分别在RMT-150C,MTS815.03试验机上开展了每一种卸荷条件下的试验,“M”代表MTS815.03,“R”代表RMT-150C)。

2 试验结果

2.1 卸荷应力-应变曲线

砂质泥岩同一初始围压水平(10,20,30,40和50 MPa)在各卸荷速率(0.005,0.010,0.050, 0.500 MPa/s)条件下及常规三轴压缩应力-应变关系曲线如图4~8所示,其他试验结果见表3。

表3 三轴卸围压试验结果Table 3 The experimental results of triaxial unloading confining pressure tests

2.2 卸荷变形特征

由于三轴压缩和三轴卸围压两者应力路径不同,对比砂质泥岩三轴压缩和卸围压试验应力应变曲线(图4~8)可发现加载和卸荷2种应力状态下岩石变形破坏过程存在显著差异:岩石在加、卸荷状态下变形均随偏应力增大而增加,但在卸荷条件下从卸荷点起,轴向变形曲线变缓,向右发展,侧向变形加速增大,体积应变曲线开始向左偏移,即从体积压缩转向扩容;相同差应力下,卸荷扩容量大于加载扩容量;在接近峰值强度时,卸荷条件下较小偏应力增量便能产生较大轴向和侧向应变;相同初始围压条件下,卸荷破坏所需的偏应力值远小于三轴压缩破坏所需偏应力值,卸荷峰值强度明显小于加载峰值强度,表明卸荷状态下岩石更容易破坏,且破坏更剧烈。

图4 初始围压10 MPa不同卸荷速率应力-应变曲线Fig.4 The stress-strain curves under different unloading rates of initial confining pressure 10 MPa

图5 初始围压20 MPa不同卸荷速率应力-应变曲线Fig.5 The stress-strain curves under different unloading rates of initial confining pressure 20 MPa

从图4~8可看出,卸荷条件下砂质泥岩轴向、侧向和体积变形均受卸荷速率影响显著,将三轴压缩和各初始围压不同卸荷速率下砂质泥岩应力-应变曲线放在同一幅图中对比分析(图9),从而获取TBM机械开挖缓慢准静态卸荷条件下软岩的变形特征。

同一初始围压在各卸荷速率条件下,卸荷点之前各试样的加载速率一样,其应力-应变曲线与三轴压缩试验条件下的应力-应变曲线基本一致;从卸荷点开始,三轴卸荷状态下的应力-应变曲线开始随卸荷速率呈现差异。

图6 初始围压30 MPa不同卸荷速率应力-应变曲线Fig.6 The stress-strain curves under different unloading rates of initial confining pressure 30 MPa

图7 初始围压40 MPa不同卸荷速率应力-应变曲线Fig.7 The stress-strain curves under different unloading rates of initial confining pressure 40 MPa

图8 初始围压50 MPa不同卸荷速率应力-应变曲线Fig.8 The stress-strain curves under different unloading rates of initial confining pressure 50 MPa

图9 不同卸荷速率条件下应力-应变曲线Fig.9 The stress-strain curves under different unloading rates

图10 初始围压30 MPa不同卸荷速率轴向应力应变曲线Fig.10 The stress-axial strain curves under different unloading rates of initial confining pressure 30 MPa

以初始围压30 MPa的试样为例,将同一初始围压不同卸荷速率下的轴向应力应变曲线放在同一幅图中进行比较(图10),该图表明卸荷速率对砂质泥岩变形规律有重要影响。当卸荷速率较快时,如 UL30-3M(卸荷速率0.050 MPa/s)和UL30-4M(卸荷速率0.500 MPa/s),峰前卸荷屈服阶段应力-应变曲线明显偏离三轴压缩试验曲线,峰后基本沿铅垂线发生瞬间脆性破坏(如UL30-3M的D″E″段和UL30-4M的D‴E‴)。然而,当卸荷速率缓慢时(卸荷速率0.005,0.010 MPa/s),如UL30-1M(0.005 MPa/s)和UL30-2M(0.010 MPa/s),其卸荷峰前应力-应变曲线接近三轴压缩峰前应力-应变曲线;当偏应力接近峰值承载强度时变形略增大,轴向应力-应变曲线略向右偏移;当偏应力值达到峰值承载强度后,试样发生规模较小的脆性跌落(如UL30-1M的DE段和UL30-2M的D′E′段),然后沿一条较平缓的近似斜直线发生线性应变软化(如UL30-1M的EF段和UL30-2M的E′F′)。且卸荷速率越大,峰值强度越低(从UL30-1M到UL30-4M,卸荷速率依次增大,峰值强度依次降低),峰后脆性跌落幅度越大、破坏越剧烈。

以试样UL10-1M(初始围压10 MPa,卸荷速率0.005 MPa/s)和UL50-2M(初始围压50 MPa,卸荷速率0.010 MPa/s)为例(图11),进一步详细分析砂质泥岩在缓慢卸荷条件下的变形规律:卸荷速率缓慢时,三轴卸荷条件下的峰前应力-应变曲线与三轴压缩条件下的应力-应变曲线较接近(OD段),临近峰值点时变形略增大,轴向应力-应变曲线略向右偏移,这一阶段(BD段)试样塑性变形增加,试样内部损伤不断积累,而且体积变形开始明显往左偏移(开始扩容),这一阶段称为峰前损伤扩容段[17],这也印证了TBM掘进围岩扰动损伤区和围岩收敛变形要比常规钻爆法开挖条件下小。在峰值点后,试样往往发生1~2级规模较小的脆性跌落(DE段),然后沿一条斜率较小的近似斜直线发生线性应变软化(EF段)。由于MTS试验机的刚度约为RMT试验机刚度的两倍,从MTS试验机获取的卸荷应力-应变曲线可以看出,缓慢卸荷条件下砂质泥岩在峰后线性应变软化段(EF段)出现多级规模较小的脆性跌落(FG段),然后应力值又能及时的基本沿脆性跌落线上升恢复到约为发生该级脆性跌落前应力值的90%,然后继续按线性应变软化规律变形,在后续卸围压过程中,依次产生多级这样的小规模脆性跌落和应力值的及时上升恢复,即在峰后线性软化段(EF段)由于缓慢卸荷作用不断产生次生微破裂(FG段)。在其他试样上也有类似的规律(图12)。因此,可以将缓慢准静态卸荷条件下软岩的变形规律概况为:缓慢卸荷过程中,峰值点前岩石产生损伤扩容,体积应变曲线明显往扩容方向发展,达到峰值强度后,岩石首先沿已贯通的破裂面滑移,由于围压卸荷缓慢、残余围压较高,岩石随围压卸荷总体服从线性应变软化规律继续变形,且线性软化变形过程中伴随多级微破裂,裂纹不断的演化扩展、汇聚以及次生裂纹的形成,此阶段应力-应变曲线总体上服从线性软化变形规律。

图11 三轴缓慢卸荷试验应力-应变规律Fig.11 The stress-strain curves under smooth unloading tests

图12 卸荷速率0.005 MPa/s偏应力-应变曲线Fig.12 The stress-strain curves under unloading rate of 0.005 MPa/s

峰后线性应变软化段产生多级次生微破裂这一特征是软岩在缓慢卸荷条件下比较特有的,文献[18]中的大理岩三轴应力松弛应力应变曲线虽然也出现了个别类似的峰后微破裂,但文中并未明确指出这一现象及其产生的原因。本文通过试验首次发现和明确指出缓慢卸荷条件下峰后线性软化段出现多级微破裂这一现象,并在后续研究中对其内在的机制进行了分析。

试验时当砂质泥岩线性应变软化阶段结束后便停止试验了,未获取残余强度阶段应力应变曲线,但只要在线性应变软化段结束后停止卸围压并保持轴向应变率,试样便进入残余强度阶段。因此,TBM开挖缓慢卸荷条件下偏应力-应变全过程曲线由弹性段(OB)、峰前卸荷损伤扩容段(BD)、峰后脆性破坏段(DE)、含有多级微破裂的线性软化段(EF),以及残余强度阶段组成。

2.3 卸荷破坏特征

三轴压缩试样以剪切破坏为主,而卸荷条件下,相当于在加载应力状态上叠加了一个侧向的拉应力,试件易产生平行于轴向的张拉型裂纹,发生宏观张剪复合破坏。

同样,砂质泥岩卸荷破坏特征也受卸荷速率影响显著。卸荷速率较快时(0.050,0.500 MPa/s),试样瞬间脆性跌落,形成较单一的剪切破裂面,该破裂面宽度较小,且较光滑,破裂面经历的摩擦较小。

而缓慢卸荷条件下(0.005和0.010 MPa/s),卸荷破坏过程中伴有轴向劈裂裂纹,破坏断面为具有一定宽度的剪切带,剪切带内劈裂的岩片在轴向挤压力和沿劈裂面的剪切力共同作用下被挤压和摩擦成许多细颗粒和岩粉。试样达到极限承载强度之前围压卸荷量较小,随着初始围压逐渐提高,侧向约束逐渐增强,岩石破坏时凹凸破裂面间的摩擦作用也不断增强,从而导致试样剪切破裂面破碎程度增加,剪切带内被挤压摩擦成的岩粉和细颗粒增多。

3 变形破坏机制分析

砂质泥岩变形破坏特征随卸荷速率的上述变化规律是由其内在机制决定的。当卸荷速率较快时,试件环向的应力约束大幅度快速解除,承载力急剧降低,试样瞬间的脆性破坏破裂面便已基本贯通,试样破坏时基本沿已贯通的破裂面滑移、错动和扩容,因此峰后呈瞬间剧烈的脆性跌落。当缓慢卸荷时,应力水平达到峰值强度时试样内部形成宏观贯通裂纹,发生一级规模较小的脆性破坏,因此应力应变曲线峰值点后发生1~2级脆性跌落;然后随着围压继续缓慢卸除,此时残余围压仍然较高,而轴向采用变形控制,即卸荷过程中仍然保持一定的轴向压缩应变速率,试样轴向一直处于加载状态,于是在挤压和剪切共同作用下使得已形成的剪切破坏面内劈裂岩片被挤压摩擦破碎成粉末和细小颗粒,并诱发拉应力作用下在剪切破裂带外侧形成许多二次劈裂裂纹,同时围压卸荷过程中岩石吸收了轴向应力做功并转化为相应的应变能和表面能,因此轴向加载应力对围压卸荷过程中岩样的损伤-破裂也在一定程度上起到了压致拉裂的促进作用,加快了裂隙扩展、增强了裂隙扩展的规模,故在这一阶段可观察到多级微破裂,这一阶段岩石变形随围压卸荷总体服从线性应变软化规律。

4 结 论

(1)卸荷条件下,从卸荷点起,轴向变形曲线变缓,向右发展,侧向变形加速增长,体积变形从体积压缩开始转向扩容;相同偏应力下,卸荷扩容量大于加载扩容量;接近峰值强度时,较小的偏应力增量便能产生较大的轴向和侧向应变;卸荷峰值强度明显低于加载峰值强度;卸荷条件下岩石更易破坏,破坏程度更为剧烈。

(2)TBM机械开挖缓慢准静态卸荷过程中,岩石在峰前产生损伤扩容,体积应变曲线明显向扩容方向发展,达到峰值强度后,岩石首先沿已贯通的破裂面滑移,发生1~2级脆性跌落,然后随着围压继续卸荷岩石沿一条斜率较小的近似斜直线发生线性应变软化,且线性软化变形过程中发生多级次生微破裂。

(3)缓慢卸荷下的软岩变形全过程经历弹性变形阶段、峰前卸荷损伤扩容阶段、峰后脆性破坏段、含有多级微破裂的线性软化段,以及残余强度阶段。

(4)三轴压缩试样以剪切破坏为主,而卸荷条件下,试样发生张剪复合破坏。缓慢卸荷破坏伴有轴向劈裂裂纹,形成具有一定宽度的剪切破裂带,且剪切带内劈裂的岩片在轴向挤压力和沿剪切面的剪切力共同作用下被挤压和摩擦成许多细小岩石颗粒和岩粉。

(5)TBM缓慢卸荷条件下软岩的上述变形破坏规律取决于其内在机制:当应力水平达到峰值承载强度时,试样内部形成宏观贯通裂纹,因此峰后应力应变曲线发生1~2级脆性跌落;随着围压继续缓慢卸荷,但此时残余围压仍然较高,而轴向采用的是变形控制,即轴向一直处于加载状态,于是试样在轴向挤压力和沿破裂面的剪切力共同作用下使得破裂面内的岩片不断扭曲、破碎,轴向加载应力对围压卸荷过程中岩石的损伤-破裂在一定程度上起到了压致拉裂的促进作用,加快了裂隙扩展、增强了裂隙扩展的规模,故在这一阶段出现多级微破裂,这一阶段岩石变形随围压卸荷总体服从线性应变软化规律。

关于卸荷速率和围压对岩石变形破坏特征和力学参数的影响规律及TBM开挖缓慢卸荷条件下软弱围岩的变形机理将在后续研究中探讨。此外,下一步还将研究TBM开挖后软弱围岩显著的时效变形特性。

[1] 刘泉声,黄 兴,时 凯,等.煤矿超千米深部全断面岩石巷道掘进机的提出及关键岩石力学问题[J].煤炭学报,2012,37 (12):2006-2013.

Liu Quansheng,Huang Xing,Shi Kai,et al.Utilization of full face roadway boring machine in coal mines deeper than 1 000 m and the key rock mechanics problems[J].Journal of China Coal Society, 2012,37(12):2006-2013.

[2] 王梦恕,李典璜,张镜剑,等.岩石隧道掘进机(TBM)施工及工程实例[M].北京:中国铁道出版社,2004.

[3] 张镜剑,傅冰骏.隧道掘进机在我国应用的进展[J].岩石力学与工程学报,2007,26(2):226-238.

Zhang Jingjian,Fu Bingjun.Advances in tunnel boring machine application in China[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2007,26(2):226-238.

[4] 时 凯.复合地层TBM盘形滚刀破岩机理及刀盘-掘进面相互作用[D].武汉:中国科学院大学,2013.

Shi Kai.Mechanism of rock fragmentation by disc cutters and interaction between cutterhead of TBM and mixed-face[D].Wuhan:The University of Chinese Academy of Sciences,2013.

[5] 刘泉声,黄 兴,时 凯,等.超千米深部全断面岩石掘进机卡机机理[J].煤炭学报,2013,38(1):78-84.

Liu Quansheng,Huang Xing,Shi Kai,et al.Jamming mechanism of full face tunnel boring machine in over thousand-meter depths[J].Journal of China Coal Society,2013,38(1):78-84.

[6] 黄 兴.超千米深井岩石巷道全断面掘进机(RBM)卡机机理及预测防治[D].武汉:中国科学院大学,2011.

Huang Xing.Study on full face roadway boring machine(RBM) jamming mechanism and prevention in super kilometers deep well [D].Wuhan:The University of Chinese Academy of Sciences, 2011.

[7] 黄润秋,黄 达.卸荷条件下花岗岩力学特性试验研究[J].岩石力学与工程学报,2008,27(11):2205-2213.

Huang Runqiu,Huang Da.Experimental research on mechanical properties of granites under unloading condition[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2008,27(11):2205-2213.

[8] 张成良,赵晓霞.辉绿岩在加、卸荷条件下的岩体力学特性试验[J].煤炭学报,2011,36(S2):224-230.

Zhang Chengliang,Zhao Xiaoxia.Experiment on mechanics properties of diabase under the press of loading and unloading[J].Journal of China Coal Society,2011,36(S2):224-230.

[9] 李建林,王瑞红,蒋昱州,等.砂岩三轴卸荷力学特性试验研究[J].岩石力学与工程学报,2010,29(10):2034-2041.

Li Jianlin,Wang Ruihong,Jiang Yuzhou,et al.Experimental study of sandstone mechanical properties by unloading triaxial tests[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2010,29(10): 2034-2041.

[10] Ramoni M,Anagnostou G.The interaction between shield,ground and tunnel support in TBM tunnelling through squeezing ground [M].Springer,2010.

[11] Graziani A,Capata A,Rombadi P.Analysis of rock-TBM-lining interaction in squeezing rock[J].Felsbau Magazin,2007,25(6): 23-31.

[12] 刘恺德.采动条件下含瓦斯煤岩力学行为变异机制研究[D].武汉:中国科学院大学,2013.

Liu Kaide.Study on variation mechanism of mechanical behavior of coal containing gas under mining conditions[D].Wuhan:The University of Chinese Academy of Sciences,2013.

[13] 朱杰兵.高应力下岩石卸荷及其流变特性研究[D].北京:中国科学院研究生院,2009.

Zhu Jiebing.Study on unloading mechanics and its rheological properties of rock under high stress[D].Beijing:Graduate School of Chinese Academy of Sciences,2009.

[14] 邱士利,冯夏庭,张传庆,等.不同卸围压速率下深埋大理岩卸荷力学特性试验研究[J].岩石力学与工程学报,2010,29(9): 1807-1817.

Qiu Shili,Feng Xiating,Zhang Chuanqing,et al.Experimental research on mechanical properties of deep-buried marble under different unloading rates of confining pressures[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2010,29(9):1807-1817.

[15] 黄润秋,黄 达.高地应力条件下卸荷速率对锦屏大理岩力学特性影响规律的试验研究[J].岩石力学与工程学报,2010,29 (1):21-33.

Huang Runqiu,Huang Da.Experimental research on affection laws of unloading rates on mechanical properties of Jinping marble under high geostress[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2010,29(1):21-33.

[16] 张 凯,周 辉,潘鹏志,等.不同卸荷速率下岩石强度特性试验研究[J].岩土力学,2010,31(7):2072-2078.

Zhang Kai,Zhou Hui,Pan Pengzhi,et al.Characteristics of strength of rocks under different unloading rates[J].Rock and Soil Mechanics,2010,31(7):2072-2078.

[17] Lu Xingli,Liu Quansheng,Su Peifang.Deformation mechanism and support measures for stress-induced cracked rock mass of deep coal mine roadway[A].International Symposium on Geomechanics and Geotechnics:From Micro to Macro[C].London:Taylor& Francis Group,2011:845-853.

[18] 伍向阳.岩石的应力松弛、应变硬化和应变软化[J].地球物理学进展,1996,11(4):71-76.

Wu Xiangyang.Stress relaxation,strain hardening and strain softening in rocks[J].Progress in Geophysics,1996,11(4):71-76.

Experimental research on the mechanical behavior of deep soft surrounding rock tunneling by TBM

HUANG Xing1,LIU Quan-sheng1,2,LIU Bin1,LIU Kai-de3,HUANG Shi-bing1

(1.State Key Laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering,Institute of Rock and Soil Mechanics,Chinese Academy of Sciences,Wuhan 430071, China;2.Key Laboratory of Rock Mechanics in Hydraulic Structural Engineering,School of Civil Engineering,Wuhan University,Wuhan 430072,China;3. Xi’an Research Institute,China Coal Technology and Engineering Group Corporation,Xi’an 710054,China)

In order to understand the deformation and failure characteristics of deep soft ground under the condition of TBM mechanical excavation,a sandy mudstone triaxial unloading test was carried out which simulated the natural unloading characteristics of TBM excavation,a smooth quasi-static confining pressure unloading process with high initial confining pressure.The results show that:The pre-peak stress-strain curve under the condition of smooth quasi-static unloading confining pressure is close to the condition of conventional triaxial compression test;At the unloading yield stage,the specimens show damage dilatation,the lateral deformation curve accelerates its growth,resulting in the volumetric strain turning from compression into dilatation;Beyond the peak strength,initially the specimens show once or twice modest brittle drop,then the rock samples have linear strain softening along a small slope approximation oblique line with the continuous slowly unloading confining pressure,which is accompanied by multistage micro fractures;The complete deformation process is composed of elastic deformation,unloading damage dilatancy,post-peak brittlenessdrop,linear strain softening deformation containing multistage micro fractures and residual stress period;The specimens show a macroscopic shear composite failure accompanied by axial splitting cracks during the process of smooth unloading failure,and the fracture surface is a shear zone with a certain width which is formed by a lot of split cracks interpermeation,and the shear zone is squeezed and rubbed into fine particles and powder as a result of the interaction of axial extrusion and the shear stress along shear plane.

TBM;mechanized tunnelling;soft surrounding rock;smooth quasi-static unloading;triaxial unloading test

U451

A

0253-9993(2014)10-1977-10

2013-10-06 责任编辑:常 琛

国家重点基础研究发展计划(973)资助项目(2014CB046904);国家自然科学基金资助项目(41130742,41102198)

黄 兴(1987—),男,江西兴国人,助理研究员,博士。E-mail:huangxing220808@163.com

黄 兴,刘泉声,刘 滨,等.深部软弱地层TBM围岩力学行为试验研究[J].煤炭学报,2014,39(10):1977-1986.

10.13225/ j.cnki.jccs.2013.1444

Huang Xing,Liu Quansheng,Liu Bin,et al.Experimental research on the mechanical behavior of deep soft surrounding rock tunneling by TBM[J].Journal of China Coal Society,2014,39(10):1977-1986.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.1444

猜你喜欢
卸荷力学轴向
采煤机扭矩轴卸荷槽数值模拟分析
大型立式单级引黄离心泵轴向力平衡的研究
弟子规·余力学文(十)
弟子规·余力学文(六)
弟子规·余力学文(四)
飞机冲压空气涡轮系统液压泵的卸荷方法
荒铣加工轴向切深识别方法
安全卸荷减速顶的研制
安全卸荷减速顶性能参数试验研究
一种可承受径向和轴向载荷的超声悬浮轴承