軟巖工程力學圖書目錄

• 前言

• 目錄

• 第一章 緒論

• 第二章 軟巖的概念及其分類

• 第三章 軟巖的物理力學特性

• 第四章 軟巖工程巖體力學基礎

• 第五章 軟巖工程穩(wěn)定性控制理論

• 第六章 軟巖巷道支護荷載的確定

• 第七章 軟巖工程非線性大變形力學設計方法

• 第八章 軟巖工程穩(wěn)定性控制新技術

• 第九章 軟巖巷道支護工程實踐

• 第十章 軟巖工程新技術展望

• 參考文獻

本書共十章，內(nèi)容包括：軟巖的概念及其分類、軟巖的物理力學特性、軟巖工程巖體力學基礎、軟巖工程穩(wěn)定性控制理論、軟巖巷道支護荷載的確定、軟巖工程非線性大變形力學設計方法等。

1　軟巖的概念及工程分類

關于軟巖的概念，國內(nèi)外有十幾種之多[8,9]，大體上可分為描述性定義、指標化定義和工程定義，且各有其優(yōu)缺點。本文在研究前人關于軟巖概念的基礎上，提出了新的軟巖概念及其分類體系[10]。

1.1　地質(zhì)軟巖的概念

人們普遍采用的軟巖定義基本上可歸于地質(zhì)軟巖的范疇，按地質(zhì)學的巖性劃分，地質(zhì)軟巖是指強度低、孔隙度大、膠結程度差、受構造面切割及風化影響顯著或含有大量膨脹性粘土礦物的松、散、軟、弱巖層，該類巖石多為泥巖、頁巖、粉砂巖和泥質(zhì)砂巖等單軸抗壓強度小于25 MPa的巖石，是天然形成的復雜的地質(zhì)介質(zhì)。國際巖石力學會將軟巖定義為單軸抗壓強度（σc）在0.5～25 MPa之間的一類巖石[1]，其分類依據(jù)基本上是依強度指標。

該軟巖定義用于工程實踐中會出現(xiàn)矛盾。如巷道所處深度足夠的淺，地應力水平足夠的低，則小于25 MPa的巖石也不會產(chǎn)生軟巖的特征；相反，大于25 MPa的巖石，其工程部位足夠的深，地應力水平足夠的高，也可以產(chǎn)生軟巖的大變形、大地壓和難支護的現(xiàn)象。因此，地質(zhì)軟巖的定義不能用于工程實踐，故而提出了工程軟巖的概念。

1.2　工程軟巖的概念

工程軟巖是指在工程力作用下能產(chǎn)生顯著塑性變形的工程巖體。流行的軟巖定義強調(diào)了軟巖的軟、弱、松、散等低強度的特點，同時應強調(diào)軟巖所承受的工程力荷載的大小，強調(diào)從軟巖的強度和工程力荷載的對立統(tǒng)一關系中分析、把握軟巖的相對性實質(zhì)。

該定義的主題詞是工程力、顯著變形和工程巖體。工程巖體是軟巖工程研究的主要對象，是巷道、邊坡、基坑開挖擾動影響范圍之內(nèi)的巖體，包含巖塊、結構面及其空間組合特征。工程力是指作用在工程巖體上的力的總和，它可以是重力、構造殘余應力、水的作用力和工程擾動力以及膨脹應力等；顯著塑性變形是指以塑性變形為主體的變形量超過了工程設計的允許變形值并影響了工程的正常使用，顯著塑性變形包含顯著的彈塑性變形、粘彈塑性變形，連續(xù)性變形和非連續(xù)性變形等。此定義揭示了軟巖的相對性實質(zhì)，即取決于工程力與巖體強度的相互關系。當工程力一定時，不同巖體，強度高于工程力水平的大多表現(xiàn)為硬巖的力學特性，強度低于工程力水平的則可能表現(xiàn)為軟巖的力學特性；對同種巖石，在較低工程力作用下，表現(xiàn)為硬巖的變形特性，在較高工程力的作用下則可能表現(xiàn)為軟巖的變形特性。

1.3 　軟巖的兩個基本力學屬性

軟巖有兩個基本力學屬性：軟化臨界荷載和軟巖臨界深度[8]。它揭示了軟巖的相對性實質(zhì)。

1.3.1　軟化臨界荷載

軟巖的蠕變試驗表明，當所施加的荷載小于某一荷載水平時，巖石處于穩(wěn)定變形狀態(tài)，蠕變曲線趨于某一變形值，隨時間延伸而不再變化；當所施加的荷載大于某一荷載水平時，巖石出現(xiàn)明顯的塑性變形加速現(xiàn)象，即產(chǎn)生不穩(wěn)定變形，這一荷載，稱為軟巖的軟化臨界荷載，亦即能使巖石產(chǎn)生明顯變形的最小荷載。巖石種類一定時，其軟化臨界荷載是客觀存在的。當巖石所受荷載水平低于軟化臨界荷載時，該巖石屬于硬巖范疇；而只有當荷載水平高于軟化臨界荷載時，該巖石表現(xiàn)出軟巖的大變形特性，此時該巖石稱之為軟巖。

1.3.2　軟化臨界深度

與軟化臨界荷載相對應地存在著軟化臨界深度。對特定礦區(qū)，軟化臨界深度也是一個客觀量。當巷道的位置大于某一開采深度時，圍巖產(chǎn)生明顯的塑性大變形、大地壓和難支護現(xiàn)象；但當巷道位置較淺，即小于某一深度時，大變形、大地壓現(xiàn)象明顯消失。這一臨界深度，稱之為巖石軟化臨界深度。軟化臨界深度的地應力水平大致相當于軟化臨界荷載。

1.3.3　軟巖兩個基本屬性之間的關系

軟化臨界荷載和軟化臨界深度可以相互推求，在無構造殘余應力的礦區(qū)，其公式為：

(1)

(2)

在構造應力或其他附加應力均存在礦區(qū)，其公式為：

(3)

(4)

式中：HCS為軟化臨界深度，m； σCS為軟化臨界荷載，MPa； ΔσjCS 為殘余應力，MPa； j=1為構造殘余應力； j=2為膨脹應力； j=3為動載荷附加應力； γi為上覆巖層第i巖層容重t.m－3； H為上覆巖層總厚度，m； hi為上覆巖層第i層厚度，m； N為上覆巖層層數(shù)。

1.4　軟巖的工程分類

按照工程軟巖的定義，根據(jù)產(chǎn)生塑性變形的機理不同，將軟巖分為四類，即膨脹性軟巖(或稱低強度軟巖)、高應力軟巖、節(jié)理化軟巖和復合型軟巖。具體的分級分類指標如表1所示。

表1　 軟巖工程分類與分級總表

Table 1　Classification and grading of soft rock

軟巖分類 分類指標 軟巖分級 分級指標

σc/MPa 泥質(zhì)含量 結構面

膨脹性軟巖 <25 >25% 少 　 蒙脫石含量/(%) ω0/（%） 自由膨脹變量/(%)

弱膨脹軟巖 <10 <10 >15

中膨脹軟巖 10～30 10～50 10～15

強膨脹軟巖 >30 >50 <10

高應力軟巖 ≥25 ≤25% 少 　 工程巖體應力水平/MPa

高應力軟巖 25～50

超高應力軟巖 50～75

極高應力軟巖 >75

節(jié)理化軟巖 低～中等 少含 多組 　 JS/條.m－2 節(jié)理間距 完整指數(shù)Kv

較破碎軟巖 0～15 0.2～0.4 0.55～0.35

破碎軟巖 15～30 0.1～0.2 0.35～0.15

極破碎軟巖 >3 <0.1 <0.15

復合型軟巖 低～高 含 少～多組 根據(jù)具體條件進行分類和分級

1.5　 我國膨脹型軟巖的地質(zhì)力學化學特征

不同地質(zhì)時期的軟巖由于其成生環(huán)境不同，礦物成分與含量也不同，表現(xiàn)在工程上其水理性質(zhì)、化學性質(zhì)和力學性質(zhì)都存在較大的差別(表2)[11～12]。

表2　 我國膨脹型軟巖的地質(zhì)力學化學特征

Table 2　 The geomechanical and chemical Characteristics of the swelling soft rocks in China

軟巖性質(zhì) 類別 古生代軟巖 中生代軟巖 新生代軟巖

水理性質(zhì) 基本不含蒙脫石，吸水量低，巖塊吸水率小于10%，膨脹性、崩解性和軟化性質(zhì)不明顯。 含少量蒙脫石和大量伊/蒙混層礦物，吸水量明顯，巖塊吸水率為10%～70%，有較強的膨脹性和吸水軟化性不明顯，少量軟巖膨脹性和吸水力低。 含大量蒙脫石和大量伊/蒙混層礦物，吸水量強，巖塊吸水率為20%～80%，膨脹性和吸水軟化性顯著。

化學性質(zhì) pH值 5.4～10.1，最小為4.98，最大為10.38 7.1～10.1，最小為6.82，最大為10.18 7.8～10，最小為4.4，最大為10.02

比表面積/

m2.g－1 20～100 100～350，最小24.27，最大為717 150～450，最小為18.15，最大為555.4

陽離子

交換量/

meg.100g－1 10～20，最小為5.09，最大為38.07 20～50，最小為8.13，最大為86.73 25～60.最小為7.02，最大為79.8

力學性質(zhì) 抗壓強度/

MPa 24～40 15～30 小于10

抗拉強度/

MPa 1～2 0.4～1 小于0.5

(長期強度)/(瞬時強度)/

(%) 40～70 30～60 10～40

彈性模量 較大 較低 很低

泊松比 較小 比較大 較大

2　 軟巖變形力學機制及其轉(zhuǎn)化對策

2.1　軟巖變形力學機制

軟巖巷道支護盲目性的表現(xiàn)之一是對其變形力學機制不清楚。不同的軟巖在其特定的地質(zhì)力學環(huán)境中所表現(xiàn)出的變形機制不同。軟巖巷道之所以具有大變形、大地壓、難支護的特點，是因為軟巖巷道圍巖并非具有單一的變形力學機制，而是同時具有多種變形力學機制的“并發(fā)癥”和“綜合癥”—復合型變形力學機制。軟巖變形力學機制可分為三類十三亞類(圖1)。每種變形力學機制有其獨特的特征型礦物、力學作用和結構特點，其軟巖巷道的破壞特征也有所不同(表3)。

表3　軟巖巷道變形機制及破壞特點

Table 3　 Deformation mechanism and failure characteristics of adit in soft rocks

類型 亞型 控制性因素

特征型 軟巖巷道破壞特點

Ⅰ型

ⅠA型 分子吸水機制，晶胞之間可吸收無定量水分子，吸水能力強 蒙脫石型 圍巖暴露后，容易風化，軟化，裂隙化：Ⅰ型巷道底鼓、擠幫、難支護，其嚴重程度從 ⅠA、ⅠAB、ⅠB依次減弱；ⅠC型則看微隙發(fā)育程度。

ⅠAB型 ⅠA & ⅠB決定于混層比 伊/蒙混層型

ⅠB型 膠體吸水機制，晶胞之間不允許進入水分子，粘粒表面形成水的吸附層 高嶺石型

ⅠC型 微隙-毛細吸水機制 微隙型

Ⅱ型

ⅡA型 殘余構造應力 構造應力型 變型破壞與方向有關，與深度無關

ⅡB型 自重應力 重力型 與方向無關，與深度有關

ⅡC型 地下水 水力型 僅與地下水有關

ⅡD型 工程開挖活動 工程偏應力型 與設計有關，巷道密集，巖柱偏小

Ⅲ型

ⅢA型 斷層、斷裂帶 斷層型 塌方、冒頂

ⅢB型 軟弱夾層 弱層型 超挖、平頂

ⅢC型 層理 層理型 規(guī)則鋸齒狀

ⅢD型 優(yōu)勢節(jié)理 節(jié)理型 不規(guī)則鋸齒狀

ⅢE型 隨機節(jié)理 隨機節(jié)理型 掉塊

圖1　 軟巖巷道變形力學機制

Fig.1　Deformation mechanism of adit in soft rocks

因此，要想有效地進行軟巖巷道支護，單一的支護方法是難以奏效的，必須“對癥下藥”,采取符合這種“綜合癥”、“并發(fā)癥”特點的聯(lián)合支護方法。為此，要對軟巖巷道實施成功支護，須運用以下3個技術關鍵：

2.1.1　軟巖變形力學機制的確定

通過野外工程地質(zhì)研究和室內(nèi)物化力學試驗分析以及理論分析，可正確地確定軟巖巷道的變形力學機制類型。I型變形力學機制主要依據(jù)其特征礦物和微隙發(fā)育情況進行確定；II型變形力學機制主要是根據(jù)受力特點及在工程力作用下巷道的特征來確定；III型變形力學機制主要是受結構面影響的非對稱變形力學機制，要求首先鑒別結構面的力學性質(zhì)及其構造體系歸屬，然后再依據(jù)其產(chǎn)狀與巷道走向的相互交切關系來確定。

2.1.2　復合型變形力學機制的轉(zhuǎn)化

軟巖巷道的變形力學機制通常是三種以上變形力學機制的復合類型。不同復合型具不同的支護技術對策要點，因此，其支護的關鍵技術對策是有效地把復合型轉(zhuǎn)化為單一型。

2.1.3　合理地運用復合型轉(zhuǎn)化技術

要做好軟巖支護工作，除了正確地確定軟巖巷道變形力學機制類型、有效地轉(zhuǎn)化復合型的變形力學機制之外，要十分注重、合理地運用復合型向單一型轉(zhuǎn)化技術。即軟巖變形過程中的每個支護力學措施的效果與時間、支護順序密切有關，每個環(huán)節(jié)都將是十分考究，必須適應其復合型變形力學機制特點。只有這樣，才能保證支護做到“對癥下藥”，才能保證支護成功。

2.2　軟巖軟化路徑及狀態(tài)方程

巖石在工程力的作用下進入軟巖狀態(tài)的途徑，從理論上可分為四種類型，即初始軟化型、強度軟化型、應力增長型、強度降低與應力增加復合型。

2.2.1　初始軟化型

在工程開挖之初（T=0），巖石軟化臨界荷載（σcs）小于圍巖應力（σmax），巷道持續(xù)變形不止，表明巖石即進入軟巖狀態(tài)。該種類型稱為初始軟化型。其狀態(tài)方程為：

(5)

式中 U=Uc Upo Upr； U為總變形，mm； Uc為彈性變形，mm； Upo為與時間無關的塑性變形，mm； Upr為與時間有關的塑性變形（如流變等），mm。

2.2.2　強度軟化型

在工程開挖一段時間以后（T=t），圍巖應力為常量，圍巖的軟化臨界荷載由于風化、裂隙化等影響不斷降低，使得fs<1，巷道圍巖持續(xù)變形。這種類型稱為強度降低型。其軟化狀態(tài)方程為：

(6)

2.2.3　應力增長型

隨著工程開挖的不斷進行（T≥t），圍巖的最大應力值不斷增加，()，圍巖的軟化臨界荷載保持不變（σcs=C），在某一時刻，圍巖開始進入軟巖狀態(tài)（fs≤1）,巷道圍巖持續(xù)變形不止。（），表明圍巖進入了軟巖狀態(tài)。該種類型稱為應力增長型，其狀態(tài)方程為：

(7)

2.2.4　 強度降低和應力增長復合型

隨著工程開挖的不斷進行(T≥t),圍巖最大應力值不斷增加(），圍巖的軟化臨界荷載不斷降低(σcs=f2(t),≤0),在某一時刻,圍巖開始進入軟巖狀態(tài)(fs<1),巷道持續(xù)變形.該種類型稱為強度降低和應力增長復合型,其狀態(tài)方程為：

(8)

3　軟巖巷道支護原理

3.1　軟巖巷道支護原理

軟巖巷道支護和硬巖巷道支護原理截然不同，這是由它們的本構關系不同所決定的。硬巖巷道支護不允許硬巖進入塑性，因進入塑性狀態(tài)的硬巖將喪失承載能力。而軟巖巷道另一個獨特之處是，其巨大的塑性能(如膨脹變形能等)必須以某種形式釋放出來[13]。假設巷道開挖后使圍巖向臨空區(qū)運動各種力(包括重力、水作用力、膨脹力、構造應力和工程偏應力等)的合力T(圖2)，則軟巖巷道支護原理可以表示為：

T=D R S　(9)

式中：T為挖掉巷道巖體后使圍巖向臨空區(qū)運動的合力，包括重力、水作用力、膨脹力、構造應力和工程偏應力等；D 為以變形的形式轉(zhuǎn)化的工程力，可以包括①彈塑性轉(zhuǎn)化(與時間無關)；②粘彈塑性轉(zhuǎn)化(與時間有關)；③膨脹力的轉(zhuǎn)化(與時間有關)。對于軟巖來講，主要是塑性能以變形的方式釋放；R 為圍巖自撐力，即圍巖本身具有一定強度，可承擔部分或全部荷載；S 為工程支護力。

圖2　PT合力示意圖

Fig.2　Scheme of resultant force PT

式(9)和圖2表示如下意義：

(1)巷道開挖后引起的圍巖向臨空區(qū)運動的合力T并不是純粹由工程支護力S全部承擔，而是由三部分共同分擔。T首先由軟巖的彈塑性能以變形的方式釋放一部分，亦即T的一部分轉(zhuǎn)化為巖體形變。其次，T的另一部分由巖體本身自承力承擔。如果巖體強度很高，R>T－D，則巷道可以自穩(wěn)。對于軟巖，R較小，一般R

①PD→max；

②PR→max；

③PS→min。

實際上，要使PD→max，PR就不能達到最大；要使PR→max，PD就不能達到最大。要同時滿足PD→max，PR→max，關鍵是選取變形能釋放的時間和支護時間。

3.2　 最佳支護時間和最佳支護時段

巖石力學理論和工程實際表明，巷道開挖以后，巷道圍巖的變形會逐漸加大。以變形速度區(qū)分，可劃分三個階段：即減速變形階段、近似線性的恒速變形階段和加速變形階段。當進入加速變形階段時，巖體本身結構改組，產(chǎn)生新裂紋，強度就大大降低。顯然，加速變形階段可以使D→max，但卻大大降低了R，這不滿足優(yōu)化原則。解決這個問題的關鍵是最佳支護時間概念的建立和最佳支護時段的確定。

3.2.1　最佳支護時間和最佳支護時段的概念

最佳支護時間系指可以使(R D)同時達到最大的支護時間，其意義如圖3所示。圖3表明，最佳支護時間就是(PR PD)-t曲線峰值點所對應的時間TS。實踐證明該點與PD-t曲線和PR-t曲線的交點所對應的時間基本相同。此時，支護使PD在優(yōu)化意義上充分地達到最大，最佳支護時間點的確定，在工程實踐中是難以辦到的，所以提出了最佳支護時段概念，最佳支護時段的概念如圖4所示。

圖3　 最佳支護時間Ts的含義

Fig.3　 The meaning of optimum supporting time Ts

圖4　最佳支護時段的含義

Fig.4　 The meaning of optimum supporting period

3.2.2　 最佳支護時間(TS)的物理意義

巷道開挖以后，原有的天然應力狀態(tài)被破壞，圍巖中應力重新分布，切向應力增大的同時，徑向應力減小，并在硐壁處達到極限。這種變化促使圍巖向巷道臨空區(qū)變形，圍巖本身的裂隙發(fā)生擴容和擴展，力學性質(zhì)隨之不斷惡化。在圍巖應力條件下，切向應力在硐壁附近發(fā)生高度集中，致使這一區(qū)域巖層屈服而進入塑性工作狀態(tài)。進入塑性狀態(tài)的圍巖稱為塑性區(qū)。塑性區(qū)的出現(xiàn)，使應力集中區(qū)從巖壁向縱深偏移，當應力集中的強度超過圍巖屈服強度時，又將出現(xiàn)新的塑性區(qū)，如此逐層推進，使塑性區(qū)不斷向縱深發(fā)展。假若不采取適當支護措施，臨空塑性區(qū)將隨變形加大而出現(xiàn)松動破壞。塑性區(qū)和松動破壞區(qū)截然不同，松動破壞區(qū)沒有承載能力，而塑性區(qū)具有承載能力。

塑性區(qū)可分為穩(wěn)定塑性區(qū)和非穩(wěn)定塑性區(qū)。出現(xiàn)松動破壞之前的最大塑性區(qū)范圍，稱為穩(wěn)定塑性區(qū)；出現(xiàn)了松動破壞區(qū)之后的塑性區(qū)，稱為非穩(wěn)定塑性區(qū)。穩(wěn)定塑性區(qū)所對應的宏觀圍巖的徑向變形稱為穩(wěn)定變形；非穩(wěn)定塑性區(qū)所對應的圍巖的徑向變形稱為非穩(wěn)定變形。 塑性區(qū)的出現(xiàn)改變了圍巖的應力狀態(tài)，這種變化對支護來講具有兩個力學效應：(1)圍巖中切向應力和徑向應力降低，減小了作用于支護體上的荷載；(2)應力集中區(qū)向深層偏移，減小了應力集中的破壞作用。在巷道兩幫發(fā)生應力集中時，兩幫巖石處于極不利的單軸受力狀態(tài)條件，極易產(chǎn)生片幫破壞。

應力集中偏移深部后，一方面應力集中程度降低，另一方面深部巖石處于三軸受力狀態(tài)，其破壞可能性大大減小。因此，對于高應力軟巖巷道支護來講，要允許出現(xiàn)穩(wěn)定塑性區(qū)，嚴格限制非穩(wěn)定塑性區(qū)的擴展。其宏觀判別標志就是最佳支護時間Ts。Ts之前出現(xiàn)的變形稱穩(wěn)定變形，對應的塑性區(qū)稱穩(wěn)定塑性區(qū)。所以最佳支護時間的力學含義就是最大限度地發(fā)揮塑性區(qū)承載能力而又不出現(xiàn)松動破壞時所對應的時間。它可以通過計算機監(jiān)控得到，也可以通過現(xiàn)場特征判斷直接得到。

3.2.3　 最佳支護時間的確定

研究表明，變形力學狀態(tài)進入圖4中A區(qū)時，支護體多產(chǎn)生鱗狀剝落；變形力學狀態(tài)進入B區(qū)時，伴隨著片狀剝落；進入C區(qū)后，將產(chǎn)生塊狀崩落和結構失穩(wěn)。因此，判別最佳支護時間(段)就是鱗、片狀剝落的高應力腐蝕現(xiàn)象出現(xiàn)的時間。

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查研究，張性、張扭性裂縫，寬度達到1～3 mm，即已進入A區(qū)和B區(qū)，即進入耦合支護的時間；巷道表面各點變形量達到設計余量的60%，即進入耦合支護的時間。

4　 關鍵部位耦合支護理論

研究發(fā)現(xiàn)，無論是新開巷道、還是翻修巷道，其破壞是一個漸進的力學過程，是從某一個或幾個部位開始變形、損傷、破壞，進而導致整個支護體失穩(wěn)。這些首先破壞的部位，我們稱為關鍵部位。

4.1　 關鍵部位產(chǎn)生的力學機理

關鍵部位的產(chǎn)生是巷道圍巖和支護相互作用的工程力學破壞現(xiàn)象。其機理是軟巖巷道已進入非線性塑性大變形階段，變形場是非線性力學場。眾所周知，線性力學的變形場是協(xié)調(diào)的、可以疊加的，是能量保守場；而軟巖非線性力學的塑性大變形場則是不協(xié)調(diào)的、力學量不可疊加，是能量耗散場。因此，軟巖巷道的支護與圍巖相互作用后出現(xiàn)關鍵部位的機理頗為復雜，有如下4種類型(圖5)。

圖5　 關鍵部位的產(chǎn)生機理

Fig.5　Mechanism for formation of key blocks

Ⅰ型關鍵部位是指支護體和圍巖的強度不耦合，非均勻的荷載作用在等強的支護體上，形成局部過載，產(chǎn)生局部破壞，最終導致支護體失穩(wěn)；

Ⅱ型關鍵部位是指支護體和圍巖的剛度正向不耦合，支護體剛度小于圍巖剛度，圍巖產(chǎn)生的過量變形得不到限制，使圍巖劇烈變形區(qū)先損傷、強度降低，從而將其本身所承擔的荷載傳遞到支護體上，形成局部過載而產(chǎn)生破壞；

Ⅲ型關鍵部位是指支護體和圍巖的剛度負向不耦合，支護體剛度大于圍巖剛度，圍巖的膨脹性等能量不能充分轉(zhuǎn)化為變形能而釋放，造成局部能量聚集，使支護體局部過載而首先產(chǎn)生破壞；

Ⅳ 型關鍵部位的支護體和圍巖結構變形不耦合，支護體產(chǎn)生均勻的變形，圍巖中的結構面(如軟弱夾層、層理面、斷層面、節(jié)理面等)產(chǎn)生差異性滑移變形，使支護體局部發(fā)生破壞。

4.2　 關鍵部位的特征及識別準則

4.2.1　關鍵部位的變形特征

通過對各種類型的巷道位移測試曲線分析，關鍵部位的變形特征曲線均是不穩(wěn)定的變形曲線，大體上可分為4種類型(圖6)。

圖6　巷道關鍵部位的變形特征

Fig.6　Characteristics of deformation of key block of adit

1.關鍵部位未支護圍巖變形特征；

2，3.關鍵部位圍巖支護不耦合的變形特征；

4.圍巖支護耦合的穩(wěn)定變形特征；

第1種類型曲線的特征是減速—加速變形型，反映了該關鍵部位的圍巖強度遠低于荷載，經(jīng)歷了一段減速變形后，在荷載作用下變形急速增加而破壞；

第2種類型曲線的特征是緩慢減速變形型，反映了該關鍵部位圍巖和支護體的聯(lián)合強度仍然低于荷載；

第3種類型曲線特征是減速-恒速-加速變形型，說明了該關鍵部位的圍巖和支護體共同作用強度仍略低于荷載；

第4種類型曲線特征是減速穩(wěn)定型，反映了支護體和圍巖相互作用是耦合的。前三種曲線類型都是關鍵部位的變形曲線特征類型。

4.2.2　關鍵部位的裂紋特征

通過研究，本文提出了工程裂紋反分析理論，并用之確定需要耦合支護的關鍵部位。該理論可表述為：地下巷道工程是封閉性工程，在工程荷載作用下，在出現(xiàn)明顯的變形之前，巷道工程時常在一些局部出現(xiàn)細小的工程裂紋。根據(jù)裂紋的力學性質(zhì)(拉、壓、剪、扭、彎)、復合力學性質(zhì)(壓扭性、張扭性等)和裂紋體系的配套關系，可以推得產(chǎn)生裂紋部位的工程荷載性質(zhì)及整個巷道工程的工程荷載組合特征。據(jù)此，不僅可以進行耦合支護對策設計，而且可確定出合理的耦合支護順序。

在巷道的關鍵部位，工程裂紋出現(xiàn)時常伴隨著高應力腐蝕現(xiàn)象，即在支護體關鍵部位產(chǎn)生鱗片狀、片狀支護體剝落。高應力腐蝕分為4個階段：鱗片狀剝落階段、片狀剝落階段、塊狀崩落(塑性鉸出現(xiàn))階段和結構失穩(wěn)(崩塌垮落)階段。

4.2.3　關鍵部位的識別準則

(1)變形準則：巷道巖面各點變形及其速率同時滿足①Ui≥0.6[U]；②時，則表示出現(xiàn)了關鍵部位；

(2)強度破壞準則：出現(xiàn)了高應力腐蝕現(xiàn)象，表征產(chǎn)生了關鍵部位；

(3)空間位置準則：根據(jù)關鍵部位特征及其空間位置關系，可分為同位型關鍵部位和異位型關鍵部位；同位型關鍵部位是指破壞特征出現(xiàn)的位置就是關鍵部位的空間位置所在，是一致的；異位型關鍵部位是指破壞特征出現(xiàn)的位置和關鍵部位的空間位置是不一致的，破壞特征出現(xiàn)只能證明已產(chǎn)生了關鍵部位，但關鍵部位的空間位置所在，必須做具體的力學分析才能得出。根據(jù)研究，張性、張扭性裂紋的出現(xiàn)是同位型關鍵部位；壓性、壓扭性裂紋等高應力腐蝕現(xiàn)象的出現(xiàn)位置可能是異位型，也可能是同位型。

4.2.4　關鍵部位耦合支護時間

關鍵部位耦合支護時間就是圖4所示的最佳支護時段。

5　軟巖巷道最小支護荷載的確定

如何確定軟巖巷道支護荷載一直是困擾巷道設計的重要問題之一，支架應承受多大的荷載才能確保巷道圍巖的穩(wěn)定也是長期以來沒能很好解決的問題。巷道圍巖失穩(wěn)破壞的主要原因是支護體與巷道圍巖之間出現(xiàn)強度不耦合、剛度不耦合、變形不耦合以及各種不耦合因素綜合作用的結果。當其處于耦合狀態(tài)時，巷道能夠保持穩(wěn)定的平衡狀態(tài)；當某些部位出現(xiàn)不耦合，支護體不能抵御巷道圍巖的變形與破壞時，支護體和圍巖將在其不耦合的部位發(fā)生變形和破壞，進而導致整個巷道的失穩(wěn)。因此，要維持巷道及支護體的穩(wěn)定，關鍵是進行關鍵部位的耦合支護。關鍵部位出現(xiàn)的時間就是最佳支護時段，此時的支護荷載為軟巖巷道最小支護荷載，簡稱軟巖巷道支護荷載。本文將就靜壓條件和動壓條件以及巷道底板穩(wěn)定（不出現(xiàn)底臌）和不穩(wěn)定（出現(xiàn)底臌）的情況下[14-16]，巷道最小支護荷載的確定方法分別予以詳細的討論。

5.1　靜壓條件下巷道支護荷載的確定

5.1.1　軟巖巷道彈塑性狀態(tài)圈狀模型

巷道開挖以前，地下巖體在特定地應力場中處于三軸壓力的平衡狀態(tài)，巷道一旦開挖，這個平衡系統(tǒng)就會被破壞，圍巖應力會重新調(diào)整，出現(xiàn)了四個區(qū)，自空區(qū)向外依次是：塑性流動區(qū)、塑性軟化區(qū)、塑性硬化區(qū)、彈性區(qū)[17～20]。各區(qū)的力學行為與巖石的全應力-應變曲線中的相應段相對應，其中彈性區(qū)對應于彈性變形階段，塑性硬化區(qū)對應于塑性硬化階段，塑性軟化區(qū)對應于巖石的峰后軟化階段，塑性流動區(qū)對應于巖石的松動破壞階段(圖7)。

圖7　 軟巖巷道圍巖分區(qū)

Fig.7　Zoning of soft rock around adit

5.1.2　巷道圍巖各分區(qū)范圍的確定

對于靜壓條件下的軟巖巷道來講，巷道圍巖塑性軟化和塑性流動的范圍是由所遭受的圍巖應力和其本身的強度決定的。由于巷道圍巖彈性區(qū)和塑性硬化區(qū)巖體本構關系相差不大，研究中可以將這兩個區(qū)的應力應變關系視為線彈性，圍巖具有一定的自撐能力，因此,只要確定對巷道支護荷載產(chǎn)生影響的塑性軟化區(qū)和塑性流動區(qū)的范圍即可。

通過對巷道圍巖各區(qū)之間的應力-應變分析，可以得出在假定圓形巷道處于靜水壓力P0、半徑為a，不考慮圍巖自重的情況下，可以得到塑性軟化區(qū)半徑和塑性流動區(qū)半徑之比ζ的表達式為：

(10)

式中，Re為塑性軟化區(qū)半徑，Rf為塑性流動區(qū)半徑，φ0為巖石峰值內(nèi)摩擦角，φ*為巖石殘余內(nèi)摩擦角，B0為彈塑性交界面處應變，K*P為應變軟化區(qū)最大塑性應變與最小塑性應變之比，具體求解公式為：

Mφ為摩擦角軟化模量，即發(fā)生單位塑性應變內(nèi)摩擦角的損失量。摩擦角軟化模量只與巖體本身的性質(zhì)有關，而與所受外力和巷道開挖尺寸無關，因此，對于特定的巖石，其摩擦角軟化模量(Mφ)是一定的，具體求解公式為：

假定圓形巷道開挖時，由于施加了支護力Pi，沒有出現(xiàn)塑性軟化區(qū)，則滿足邊界條件，當r=a時，σr=Pi，據(jù)此可以推導出塑性軟化圈半徑：

(11)

式中，Pi為使圍巖不出現(xiàn)軟性軟化的最小支護力。

根據(jù)軟巖的軟化臨界荷載的含義可知：

Pi=P0-σcs

式中，P0為巷道圍巖應力，σCS為巷道圍巖的軟化臨界荷載。

其中，

(1)當Pi=0時，P0=σCS，巷道處于軟化臨界狀態(tài)，只有彈性區(qū)，可以自穩(wěn)，這時巷道的埋深為軟化臨界深度；

(2)當Pi>0時，P0>σCS，巷道圍巖出現(xiàn)塑性軟化，這時巷道的埋深大于軟化臨界深度；

(3)當Pi<0時，P0<σCS，巷道圍巖處于彈性狀態(tài)，可以自穩(wěn)，無需支護，巷道的埋深小于軟化臨界深度。

由式(10)、式(11)可以得出塑性流動圈半徑為：

(12)

5.1.3　軟巖巷道支護荷載的確定

下面分兩種情況分別加以討論：一是巷道底板穩(wěn)定（不出現(xiàn)底臌）；二是巷道底板不穩(wěn)定（出現(xiàn)底臌）。判斷底板穩(wěn)定性的主要指標是底板巖層的軟化臨界深度(HCS)及軟化臨界荷載(σCS)。具體判別方法如下：

如果：

H≥HCS或σCS≤KmaxγH　(13)

則巷道底板為不穩(wěn)定型，否則為底板穩(wěn)定型。

式中：H為巷道埋深(m)，HCS為煤體的軟化臨界深度(m)，σCS為煤體的軟化臨界荷載(MPa)，γ為上覆巖層平均容重(kN.m－3)。

5.1.3.1　無底臌情況下巷道支護荷載的確定

巷道開挖以后，巷道表面呈二維受力狀態(tài)，其破壞形式多為張裂；但對于圍巖內(nèi)部，由于受到一定的圍壓作用，巖石多為剪切破壞，這里就采用剪切破壞面作為破壞的邊界面。從莫爾強度理論中已知，圍巖任一點剪切破裂面與最大應力方向的夾角：β=45°-

以圓形巷道為例。在圓外擬合一外接正方形，從點C、D分別引兩條直線，與垂直方向夾角β=45°－φ/2，從圓心引兩條直線分別過C、D兩點，這樣可以將圓形巷道周圍的塑性軟化圈和塑性流動圈圍巖分為4個區(qū)(圖8)。

圖8　圓形巷道支護荷載計算分區(qū)圖

fig.8　The clculated zones of support

load on circular adit

1.塑性流動區(qū)；2.塑性軟化區(qū)；

3.塑性硬化區(qū)；4.彈性區(qū)

為簡化計算，特作以下假定：

①假定在最佳時間實施支護時，塑性硬化圈已經(jīng)穩(wěn)定，可以自穩(wěn)，支護荷載的求解時不考慮塑性硬化圈產(chǎn)生的荷載，這時，我們要計算的支護荷載主要是由塑性軟化圈和塑性流動圈圍巖的重力作用引起的；

②不考慮各區(qū)之間的相互作用力；

③塑性軟化區(qū)和塑性流動區(qū)承載能力忽略不計。

在圖8中，Ⅰ區(qū)圍巖荷載作用于巷道頂板，Ⅱ、Ⅳ區(qū)圍巖作用于作用于巷道兩幫。

(1)頂板荷載的計算

包括塑性軟化區(qū)和塑性流動區(qū)，由于巖體變形程度不同，這兩個區(qū)的巖體強度衰減程度也不同，為了簡化計算和提高支護工程的安全系數(shù)，這里將塑性軟化區(qū)和塑性流動區(qū)巖體的內(nèi)聚力視為零，則該區(qū)的支護荷載等于該區(qū)巖體的重力。

則頂板的支護荷載為：

Psu=k.(WABba Wabih)/LAB　(14)

式中：W為相應塊體的重力。Psu為巷道的支護荷載(kN.m－2)，LAB為弧AB的長度(m)，k為支護安全系數(shù)，k取值范圍：1.05～2.0。

(2) 幫部荷載的確定

以左幫為例，幫部支護荷載為：

Psu=k.(WAafC Wahgf)sinβ.cosβ/LAB　(15)

式中,Psu為巷道的支護荷載(kN.m－2)，

5.1.3.2　有底臌情況下巷道支護荷載的確定

有底臌情況下的軟巖巷道頂板及兩幫支護荷載的確定方法與無底臌時軟巖巷道支護荷載確定方法相同。下面給出底板支護荷載的計算方法。

(1) 計算模型

底板在不穩(wěn)定情況下，在巷道底板以上巖層重力的作用下，在巷道底板產(chǎn)生塑性滑移區(qū)，如果巷道圍巖作用于巷道底板的作用力不相等，則會產(chǎn)生不均衡滑移。底板滑移邊界為如圖9所示的GG'HF'F。塑性滑移區(qū)共分5個區(qū)，即1個①區(qū)，2個②區(qū)，2個③區(qū)。在②區(qū)的最大主應力σ1為垂直方向，故滑移破裂面與水平面成45° φ/2，稱為主動滑移區(qū)；在③區(qū)的最大主應力σ1為水平方向，故其滑移破裂面與水平面成45°-φ/2，稱為被動滑移區(qū)。為了簡化計算，底板支護荷載的計算模型加以進一步簡化，如圖10a所示。

圖9　底板塑性滑移線及分區(qū)示意圖

Fig.9　The plastic slipping boundary

and zoning of adit bottom

在開挖巷道底板施加支護力PS后，要使巷道底板保持穩(wěn)定，③區(qū)破裂面上各力在x方向和y方向上分力的合力應保持平衡(圖10b)，而且，各力對于A、G'、H三點的轉(zhuǎn)動力矩也保持平衡，由此可以建立在極限平衡狀態(tài)下的平衡方程：

Fx=0,Fy=0,Mi=0　(16)

由式(16)得：

(17)

圖10　巷道底板支護荷載計算模型(a)

與③區(qū)受力分析圖(b)

Fig.10　Model for calculation of support

load on adit bottom(a) and analysis

of force applied to zone ③(b)

式中，

l1為AH長度，m；l2為AG′長度，m；l3為G′H長度，m；σ2n為作用在AG′所在面上的法向應力，kN.m－2；；a為巷道寬度，m；W0為作用于底板的巷道圍巖塑性區(qū)以內(nèi)巖體重量，kN；W1為①區(qū)巖體重量，kN；W2為②區(qū)巖體重量，kN；W3為③區(qū)巖體重量，kN；

k1=(sinβ-tanφcosβ)l1

k2=(cosβ-tanφsinβ)l2

k3=(sinα-tanφcosα)l3

L=l1cosα l3cosα-l2sinβ

k′1=(cosβ tanφsinβ)l1

k′2=(sinβ tanφcosβ)l2

k′3=(cosα tanφsinα)l3

L′=l1sinβ－l3sinα l2cosβ

5.2　沿空順槽巷道支護荷載的確定

5.2.1　沿空順槽巷道圍巖應力雙峰分布模型

與靜壓條件下軟巖巷道不同，對于沿空順槽巷道，由于受回采工作引起的覆巖運動和支承壓力變化的影響，采場周圍巖層的原始地應力平衡狀態(tài)遭到破壞，引起巖體內(nèi)的應力重新分布?；夭晒ぷ髅鎯蓚让后w上的支承壓力也發(fā)生了變化，研究證明，上區(qū)段采場老頂觸矸穩(wěn)定后，沿空順槽巷道未開挖前的圍巖應力分布如圖11所示。

由圖11可以看出，在煤體上方應力分布與底板應力分布組成了“應力雙峰”，也可稱作“駝峰模型”。即存在兩個應力高峰，一個為kγH，位于采場老頂在煤體內(nèi)斷裂的部位；另一個為k1γH，位于采場老頂在采場采空區(qū)觸矸的部位。各個部位應力分布大小關系為：

kγΗ>k1γΗ>γΗ>k2γΗ

式中：γ為上覆巖層容重，kN.m－3；H為巷道埋深，m；k，k1，k2為應力集中系數(shù)。

圖11　沿空順槽圍巖“應力雙峰”分布模型

Fig.11　Mode for double-stress of rock

around adit along nest goaf

煤體上方應力分布“雙峰模型”的前峰分布形態(tài)規(guī)律是研究的主體。其特點是按應力值相對大小可以分為3個區(qū)，即應力集中區(qū)、應力低值區(qū)和應力正常區(qū)。根據(jù)巷道圍巖應力分布情況，同樣可以將巷道圍巖分為4個區(qū)(圖12)：①塑性流動區(qū)；②塑性軟化區(qū)；③塑性硬化區(qū)；④彈性區(qū)。其中，塑性流動區(qū)位于低應力區(qū)，塑性軟化區(qū)和塑性硬化區(qū)位于應力集中區(qū)，彈性區(qū)位于應力正常區(qū)。應力低值區(qū)的出現(xiàn)以煤體出現(xiàn)塑性區(qū)為前提，即應力低值區(qū)中的煤體處于塑性軟化狀態(tài)，煤體產(chǎn)生新的裂隙并伴隨顯著變形。而應力集中區(qū)的煤體在老頂斷裂線附近是處于彈性狀態(tài)，仍保持著自身的承載能力，巖體相對比較完整且變形相對較小。兩個應力高峰實際上是與老頂兩端破裂部位密切相關的應力集中區(qū)，是該段巖梁楔的兩個端頭承載支點。煤體中的應力高峰是彈性應力高峰，矸石中的應力高峰是塑性應力高峰。在彈性應力高峰的采空區(qū)一側，存在著一個相對低應力狀態(tài)的峰后煤體。若在峰后煤體中布置巷道，在滿足某種變形量條件下，其支護荷載則相對較小，實際上接近于老頂巖梁之下的直接老頂和頂煤的重量，這是順槽煤巷支護荷載的顯著力學特征。

圖12　沿空順槽圍巖分區(qū)

Fig.12　Zone of rock around adit along nest goaf

①塑性流動區(qū)；②塑性軟化區(qū)；③塑性硬化區(qū)；④彈性區(qū)

LF.塑性流動區(qū)范圍；LS.塑性軟化區(qū)范圍；LH.塑性硬化區(qū)范圍

5.2.2　沿空順槽巷道圍巖分區(qū)范圍確定

由圖12可以看出，塑性流動區(qū)及塑性軟化區(qū)的范圍即為煤壁到老頂在煤體內(nèi)斷裂線的范圍，該范圍即為煤體出現(xiàn)塑性壓縮的范圍。

在考慮煤體不同區(qū)域巖體的強度及極限平衡狀態(tài)的條件下，塑性區(qū)各區(qū)的范圍分別為[4]：

塑性區(qū)范圍：

(18)

塑性軟化區(qū)范圍：

(19)

塑性流動區(qū)范圍：

LF=LP-LS　(20)

式中：k為應力集中系數(shù)，H為巷道埋深，γ為煤層上覆巖層平均容重(kN.m－3)，

σc、σ*c為單軸壓縮時的強度及殘余強度(Pa)，St為塑性區(qū)煤體應變梯度，St=tanα1；α1為塑性區(qū)煤層頂?shù)装遄冃谓侵?，M0為煤體軟化模量，M0=tanθ0，θ0為煤體軟化角(°)。

根據(jù)礦壓理論研究的結果，在這里可以給出老頂在煤壁內(nèi)斷裂線距煤壁的距離(LP)的經(jīng)驗值，從而可以減少計算上的麻煩。具體如下：

當采深<200 m時，LP=0～2 m；

當采深在200 m～400 m之間時，LP=2～5 m；

當采深>400 m時，LP=5～8 m。

由于沿空順槽煤巷的支護范圍即為塑性流動區(qū)及塑性軟化區(qū)的范圍，因此在這里對于塑性硬化區(qū)的范圍可以不必求出。

5.2.3　 沿空順槽巷道支護荷載的確定

5.2.3.1　最小煤柱尺寸的確定

沿空側煤柱尺寸的確定主要考慮巷道開挖后，煤柱在上覆巖層重力作用下，能夠保持自穩(wěn)而且不出現(xiàn)裂隙繼續(xù)擴展、煤柱片幫脫落等破壞現(xiàn)象。由于煤柱煤體處于塑性流動狀態(tài)，因此，煤柱破壞的條件為：

(21)

式中，WP為作用在煤柱上方的巖層重力(kN)，LZ為煤柱寬度(m)，σ*c為煤體的殘余抗壓強度(MPa)。

由此可得最小煤柱寬度為：

(22)

如果：LZ≤LB

則令：LZ=LB 0．5

式中，LB為錨桿長度(m)，mz為直接頂厚度(m)，a為巷道的寬度(m)，γ為直接頂平均容重(kN.m－3)，δ為直接頂垮落角(°)。

5.2.3.2　沿空順槽巷道無底臌時支護荷載的確定

沿空順槽支護荷載的具體計算模型如圖13。為簡化計算，做如下假定：

①假定當實施支護時，上區(qū)段老頂巖梁已觸矸穩(wěn)定，即在最佳掘巷時間掘巷，則此時老頂巖梁承擔了絕大部分上覆巖層產(chǎn)生的自重應力，這時要計算的支護荷載主要是老頂巖梁以下巖層引起的重力；

②不考慮各區(qū)之間的相互作用力；

③忽略塑性軟化區(qū)及塑性流動區(qū)的承載能力。

圖13　沿空順槽支護荷載計算模型

Fig.13　Model for calculating support

load on adit along nest goaf

(1) 頂板支護荷載的確定

為簡化計算和提高錨固體的安全系數(shù)，在此將塑性流動區(qū)及塑性軟化區(qū)巖體的內(nèi)聚力視為零，考慮剪切面上的殘余內(nèi)摩擦力，則頂板的支護荷載為：

PRS=k.（WIC WIE）（1－sinβtanφ*zcosβ）/LC′D′　(23)

式中,φ*z為直接頂殘余內(nèi)摩擦角(°)，WIC為靠近實體煤側直接頂重量(kN)，WIE為靠近采空區(qū)側直接頂重量(kN)。LC′D′為弧C′D′的長度(m)，k為安全系數(shù)，一般取值范圍為1.05～2.0。

(2) 幫部支護荷載的確定

幫部支護荷載的確定分為實體煤一側及臨空區(qū)一側。 實體煤一側支護荷載為：

PCWS=k.（WII WICsinβtanφ*zcosβ)(cosβ

-sinβtanφ*c)/LA′C′　(24)

式中,WⅡ為Ⅱ區(qū)巖體重量(kN)，LA′C′為弧A′C′長度(m)。

采空區(qū)一側幫部支護荷載為：

PEWS=k.（WIV WIEsinβtanφ*zcosβ)(cosβ

-sinβtanφ*c)/LB′D′　(25)

式中,WⅣ為Ⅳ區(qū)巖體重力(kN)，LB′D′為弧B′D′長度(m)。

5.2.3.3　 沿空順槽巷道有底臌時支護荷載的確定

巷道頂板及兩幫支護荷載的確定方法與沿空順槽巷道無底臌時支護荷載確定方法相同。下面計算底板支護荷載。

(1) 底板塑性滑移區(qū)的確定

在底板不穩(wěn)定情況下，在巷道底板以上巖層的重力作用下，在巷道底板產(chǎn)生塑性滑移區(qū)，如果巷道圍巖作用于巷道底板的作用力不相等，則會產(chǎn)生不均衡滑移。底板滑移邊界為圖14所示的GG′HF′F。塑性滑移區(qū)共分5個區(qū)，即1個①區(qū)，2個②區(qū)，2個③區(qū)。在②區(qū)的最大主應力σ1為垂直方向，故滑移破裂面與水平面成45° φ/2，稱為主動滑移區(qū)；在③區(qū)的最大主應力σ1為水平方向，故其滑移破裂面與水平面成45°-φ/2，稱為被動滑移區(qū)。

圖14　底板塑性滑移線及分區(qū)示意圖

Fig.14　The plastic slipping boundary

and zoning of bottom rock

(2) 底板支護荷載計算模型的建立

根據(jù)上述分析可以建立底板支護力計算模型如圖15所示。為簡化計算，模型中將弧線G′H以直線代替。

圖15　沿空順槽底板支護荷載計算模型

Fig.15　Model for calculating of support

load on adit bottom along nest goaf

(3) 底板支護荷載的理論解

對于沿空順槽巷道，巷道底板支護力可以根據(jù)在極限平衡狀態(tài)下各區(qū)之間滑移面上各力的平衡關系求得。由于沿空順槽巷道兩幫傳遞的對底板的作用力基本上不是對稱相等的，因此我們以對底板影響最大的一幫進行受力分析，求得的底板支護荷載PS，可以認為是所要施加的最大支護荷載。下面以巷道實體煤一側為例求底板支護荷載PS，另一側計算方法相同。

在開挖巷道底板施加支護力PS后，要使巷道底板保持穩(wěn)定，③區(qū)破裂面上各力在x方向和y方向上分力的合力應保持平衡(圖16)，而且，各力對于A、G′、H三點的轉(zhuǎn)動力矩也保持平衡，由此可以得到沿空順槽巷道底板的支護荷載。計算公式同(17)式。

圖16　③區(qū)受力分析圖

Fig.16　Analysis of force applied to zone ③

6　 軟巖巷道支護非線性力學設計

6.1　 軟巖巷道支護非線性力學工程設計的內(nèi)容和特點

如果說以經(jīng)驗類比、剛體力學平衡和線性小變形力學理論為基礎的常規(guī)設計理論和方法對于小變形巖土工程（中小邊坡工程、淺基坑和淺埋隧道工程）尚能奏效的話，那么對于大變形巖土工程（高大邊坡、深基坑和深埋隧道）設計就必須用大變形力學設計理論和方法[21]。

這是因為常規(guī)方法遵循的剛體力學或小變形力學理論，研究的介質(zhì)對象是不變形體或彈性體，在力學分析過程中，服從疊加原理，并與荷載的特性、加載的過程無關，因此，其設計方法就是參數(shù)設計。這方面的研究者有Terzaghi(1960),Davision(1972),Bgerrum(1974),和Denby(1977)等科學家；而對大變形巖土工程而言，其標志是進入了顯著塑性變形階段，其設計必須依據(jù)非線性大變形力學理論。這方面的杰出研究者有孫鈞（1968），朱維申（1970），Taylor(1974),Taif(1974),Clough(1977),劉建航（1979）。但豈今為止，雖然非線性大變形力學理論研究得很多，但非線性大變形力學區(qū)別于線性小變形力學是其研究的大變形巖土體介質(zhì)已進入到塑性、粘塑性和流變性的階段，在整個力學過程中，已經(jīng)不服從疊加原理，而且力學平衡關系與各種荷載特性、加載過程密切相關。因此，其設計不能簡單地用參數(shù)設計來進行，而是首先分析和確認作用在巖土體的各種荷載特性，作力學對策設計；接著進行各種力學對策的施加方式、施加過程研究。實踐證明，相同的力學對策，不同的過程，其效果截然不同。所以要進行過程優(yōu)化設計；然后對應著最佳過程再進行最優(yōu)參數(shù)設計。上述思想如表4所示。

表4　大變形軟巖工程設計與常規(guī)設計特點比較

Tabale 4　 The comparison of non-linear

deformation design with normal design