考虑湿度场情况下膨胀岩巷道围岩变形规律研究

摘要

目前，国内外对湿度场条件下膨胀岩巷道围岩变形规律相关研究尚不全面。本文首先设计了相似材料模型试验，探究了在开挖用水、底板滞水以及初始地应力联合作用条件下膨胀岩巷道围岩变形和洞壁变形规律。 （1）在开挖用水、底板滞水以及初始地应力联合作用条件下，膨胀岩巷道围岩变形影响区大致形状是：巷道围岩变形区以巷道拱顶与底板中线连线为对称轴形成了一个较为规则的弧圈，其上半部分为半圆，下半部分为半椭圆。 （2）对采集到的洞壁位移数据，绘制了时间位移关系曲线图，从而较为直观地观察侧帮收敛和拱顶下沉位移情况，得出侧帮收敛时间位移曲线与拱顶下沉时间位移曲线较为相似。两者在前期由于荷载的施加都呈现较快地增长，随后缓慢增长并逐渐趋于稳定，虽然拱顶下沉量在中期呈现增长放缓，但趋势仍较快。 基于项目基金已研究得到的湿度场分布规律，介绍了在ABAQUS中湿度场的典型建模过程，并实现了湿度场与地应力场的耦合，对比分析了模型试验与数值模拟的结果，验证了数值模拟的可行性。 系统分析了在湿度场条件下，围岩膨胀性、衬砌、埋深、高跨比及侧压力系数对巷道围岩变形的影响，得到了膨胀岩巷道围岩变形的一般规律，为膨胀岩巷道选择合理支护方案及有关的设计施工提出了有价值的建议和参考。 （1）在同一工况下，膨胀性围岩各向收敛变形比无膨胀性围岩平均大出40%左右，所以在工程实际中膨胀性围岩必须考虑湿度场的影响，并加强支护。 （2）在无膨胀性围岩巷道条件下，衬砌能很好地减小此巷道顶板下沉量，而在有膨胀性围岩巷道中，衬砌的作用更为明显，从施加衬砌前顶板下沉量26.9cm和底鼓量14.3cm降低到施加衬砌后顶板下沉量12.0cm和底鼓量11.5cm，所以实际工程中，考虑巷道围岩是否有膨胀性是十分有必要的，膨胀岩巷道围岩变形很大，而衬砌能够使围岩减少50%左右的变形。 （3）针对高跨比为1:2、水平应力与竖直应力比为0.5的直墙拱形巷道，随着埋深的增大，两帮变形逐渐增大且增大趋势随时间增加而更为明显，但是总体上每增加25m埋深，两帮位移增大1cm左右；埋深越大，顶板下沉量和底鼓量越大。在无膨胀性围岩巷道中，埋深每增大25m，顶板下沉量增大0.8cm左右，底鼓量增大0.8cm左右；在膨胀岩巷道中，埋深每增大25m，顶板下沉增大2.3cm左右，而底鼓量变形逐渐增大并且主要体现在两帮底部。 （4）随着埋深增大，围岩塑性变形区向两帮底部和两侧扩展，尤其在膨胀岩巷道中，塑性变形区扩展导致两帮底部竖向变形越来越大，所以深埋时须对两帮底部加强支（5）当巷道高跨比较小，应力比较小时，主要受到垂直应力的作用，顶板变形大而底板变形小。当围岩有膨胀性时，顶板变形增大50%以上，在此情况下，应当加强顶板支护结构。 当巷道高跨比较大，应力比较大时，主要受到水平应力的作用，巷道受到挤压，两帮压力传递到底板，使得底板变形大而顶板变形小。当围岩有膨胀性时，底板变形增大30%，在此情况下，应当加强底板支护结构。 （6）应力比增大，围岩受水平应力的影响增大，受垂直应力的影响较小，围岩塑性变形区向顶板、底板扩展。在该条件巷道中，应力比增大0.5，两帮变形位移增大3cm，底板受到水平应力挤压变形尤为明显，在应力比较大时，底板变形会达到4倍之多，应当加强底板与两帮的支护结构。

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