小型围岩试件的开挖卸荷效应试验研究

With more and more large in-stu stress in rock roadway (tunnel) engineering, the stability and maintenance of surrounding rock become much more difficult, it proposes a higher requirement for interaction mechanism between surrounding rock and support. Therefore, the deformation and failure mechanism of surrounding rock under excavate unloading condition should be correctly understanded. It is also a basic issue that needed to be solved in deep underground rock engineering. Given the above instance, combined method of material investigation、lab test、theoretical analysis and numerical simulation will be put forward to study the mechanical characteristics of surrounding rock under the condition of unloading excavation. First of all, SAM-3000 rock triaxial test system、loading and unloading cavern of small roadway surrounding rock sample and triaxial sonic- acoustic emission testing system will be integrally developed, to establish modeling experiment system of roadway unloading excavation and to simulate loading and unloading process during the actual excavate unloading. Secondly, to study deformation rules、stress distribution and failure mechanism of surrounding rock under the simulated conditions of unloading excavation, is to reveal the interaction mechanism between surrounding rock and support, and to ascertain effective ways of inducing self bearing capacity of surrounding rock and improving supporting effect. The above researches provide fundamental design theory for roadway support.

当前，岩石巷道（隧道）工程面临的地应力量级越来越大，巷道的稳定与维护越来越困难，对围岩-支护相互作用机理的认识提出了更高的要求。因此，必须掌握岩石和围岩在巷道（隧道）开挖卸荷条件下的变形与破坏机制，这也是深部岩石地下工程亟待解决的基础性课题。本申请课题拟采用资料调研、室内试验、理论分析、数值仿真相结合的方法，对开挖卸荷条件下岩石巷道（隧道）围岩的力学特性进行深入研究。首先，对SAM-3000型岩石三轴试验系统、小型巷道围岩试件加卸载腔和岩石三轴声波-声发射一体化测试系统进行集成开发，构建“岩石巷道围岩开挖卸荷模型实验系统”，实现对巷道/隧道开挖卸荷的真实加、卸载过程的模拟。其次，在模拟的开挖卸荷条件下，研究巷道围岩的变形规律、应力分布特征和破坏机制，揭示开挖卸荷条件下围岩-支护的相互作用机制，探明发挥巷道围岩自承能力和提高支护结构支护效果的有效途径，为巷道（隧道）支护设计提供基础理论支撑。

本项目完成了计划任务书的全部内容。（1）针对“围岩开挖卸荷条件”的模拟与再现问题，构建与集成了岩石巷道开挖卸荷条件下的模型实验系统，实现了模型试验中的卸荷路径、卸荷速率与卸荷量级等与工程开挖中的岩石巷道的开挖卸荷条件具有很好的相似性、可比性；获得了“巷道围岩开挖卸荷条件”的室内模拟与再现技术；建立了开挖卸荷条件作用下岩石巷道围岩力学行为的试验方法与监测技术；（2）针对开挖卸荷条件下巷道围岩卸荷变形规律问题，基于构建的“巷道/隧道围岩开挖卸荷模型试验系统”，进行了不同卸荷速率、地应力量级、洞径尺寸对围岩卸荷变形影响的系列试验研究，获得了开挖卸荷条件下围岩的变形规律及响应机制；采用FLAC3D软件对开挖卸荷过程进行了数值模拟，获得围岩变形数值解，并进行了两种手段的对比分析；（3）针对开挖卸荷条件下围岩应力分布特征，进行了巷道围岩弹塑性求解，获得了径向、切向应力及变形场；（4）针对开挖卸荷条件下围岩破坏机制问题，基于构建的“巷道/隧道围岩开挖卸荷模型试验系统”，开展了不同卸荷速度、不同开挖半径、不同地应力量级、不同断面形状的破坏性试验研究，揭示了这些作用条件下导致巷道围岩破坏的作用机制；获得了提高和最大限度地发挥巷道围岩自承能力的有效途径和开挖方法。（5）项目研究成果在山西阳泉荫营矿进行了应用试验研究，取得良好效果；（6）项目研究期间，出版专著1本，发明专利1项，申请发明专利1项，发表EI收录论文8篇，培养青年教师2名，培养博士生2名（毕业1名），硕士生6名（毕业1名）。本项目的研究成果，初步揭示了开挖卸荷条件下巷道围岩的变形机制和破坏特征，为发挥巷道围岩自承能力和提高支护结构的支护效果具有重要的理论意义和工程实用价值，可为巷道（隧道）支护设计提供基础理论支撑。