弱胶结软岩本构关系及其工程灾害孕育与演化机理研究

为了解决我国新疆、甘肃、宁夏、蒙西等西部地区弱胶结软岩工程灾害防治和岩土工程建设中亟待解决的问题。本课题研究了“弱胶结软岩劣化机理及其本构关系研究、弱胶结软岩界面剪切渗流流变耦合损伤演化模型研究、弱胶结软岩工程灾害孕育与演化机理研究”等内容。其研究成果不仅解决了西部地区软岩工程中亟待解决的关键理论问题，为其它地区类似岩体工程建设和灾害防治提供了理论基础，有广泛的应用前景，而且丰富和发展了岩石力学学科理论。 本课题依托煤矿井巷工程，在不同含水率状态下进行系列岩块变形、破坏试验和岩样界面剪切渗流流变耦合试验，结合数值模拟和理论分析，掌握了典型弱胶结软岩劣化机理及其本构关系；揭示了弱胶结软岩界面的力学特性和几何形态与岩体等效变形模量和有效强度的相关性。提出了弱胶结软岩界面剪切渗流流变耦合模型和单裂隙岩体流固耦合本构关系；在基础上进行了系列数值模拟分析，推出了多界面软岩渗流流变耦合损伤演化方程和给出了强度准则，确定了与岩体基本力学性质和应力状态相关的岩体裂隙水渗透系数计算公式。揭示了开挖、水蚀对弱胶结软岩的劣化和岩体界面水岩耦合作用剪切破坏机制，遵循热力学框架和形变能等效原则，建立了弱胶结软岩损伤准则、流变损伤演化方程及其多界面剪切渗流流变耦合方程。 基于理论成果，结合典型工程进行正交数值分析和工程测试信息反演，研究弱胶结软岩在工程地质环境下，围岩开挖力学响应规律，揭示工程灾害孕育、发生机理，提出灾害度量参数，建立灾害预测模型。在我国西部弱胶结软岩矿区井巷工程、济南地铁岩土混合地层隧道、青岛地铁土岩胶结地层隧道、郑州软土层下穿黄河调水隧道、长沙市旁穿浏阳河富水砾石软土地层并下穿公路和铁路两用桥隧道等工程中应用。共发表期刊论文40篇，其中SCU收录5篇，EI收录5篇；国家授权发明专利8项。

在我国新疆、甘肃、宁夏、蒙西等西部地区广泛分布着三叠纪、白垩纪、侏罗纪弱胶结软岩。由于其强度低，易风化，开挖、遇水后极易软化、崩解，岩质迅速劣化，致使基坑坍塌、边坡滑落、巷道大冒顶、高片帮、严重底臌等工程灾害频繁发生。所以，弱胶结软岩工程灾害防治问题是西部岩土工程建设中亟待解决的问题。本课题依托煤矿井巷工程，采集多种典型岩样，在不同含水率状态下进行系列岩块变形、破坏试验和大尺度岩样界面剪切渗流流变耦合试验，揭示开挖、水蚀对弱胶结软岩的劣化机理，探索不同岩层界面水岩耦合作用剪切破坏机制；基于热力学框架和形变能等效原则，建立弱胶结软岩损伤准则、流变损伤演化方程及其多界面剪切渗流流变耦合方程；将以上本构关系嵌入通用软件，结合典型工程进行正交数值分析和工程测试信息反演等综合方法，研究弱胶结软岩在工程地质环境下，围岩开挖力学响应规律，揭示工程灾害孕育、发生机理，提出灾害度量参数，建立灾害预测模型。

弱胶结软岩在西部广泛分布，由于其胶结差、强度低、遇水泥化、自稳性差，给矿山工程、水利水电工程和交通工程等相关岩土工程施工和维护带来极大的困难，严重威胁生产安全。针对其中的关键问题，我们进行了弱胶结软岩巷道锚喷结构加固机理及其动力损伤研究，掌握了典型弱胶结软岩变形破坏规律，揭示了围岩开挖劣化和锚喷结构加固机理，为工程加固提出了可靠的设计理论和施工技术。在弱胶结软岩的本构关系、损伤机制、强度理论、灾变机理、工程锚固效应等方面取得系列理论成果，并在煤矿巷道支护中得到应用，产生了重大经济效益和安全效益。发表相关论文29篇（其中SCI和EI收录分别为8和17篇）；授权专利7项（其中发明专利2项）；获省科技进步奖2项；中国煤炭工业协会科学技术奖2项。培养博士生3名（一篇获山东省优秀博士学位论文，二篇获校优秀博士学位论文）。 主要成果归纳如下： （1）建立了弱胶结软岩、煤单体的本构关系。通过典型矿区弱胶结软岩和煤体的室内物理力学性质试验，建立了弱胶结软岩的损伤本构模型；掌握了峰后劣化规律，提出了弱胶结软岩体的峰后强度演化方程，并将模型嵌入数值分析软件进行了数值分析与工程应用。 （2）揭示了煤-岩组合体的等效强度准则及界面效应影响机理。采用变形能等效理论，研究煤、岩交界面的强度影响机制，建立了煤-岩体的等效模型和破坏准则，导出了在界面效应下的应力传递及派生应力解析解，探索了煤-岩体的破坏演化机理、破坏的前兆信息和变化规律。 （3）创建了弱胶结软岩巷道复合顶板锚固效应解析方法，揭示其荷载传递机理。采用等效理论和均匀化方法处理锚固区岩体，推出了锚固体的加固效应度量因子和穿层锚杆加固效应与围岩变形状态的定量关系，并进一步得到了复杂应力状态下锚杆屈服失效的参数解析表达式；建立了不同软硬组合下复合软岩顶板的数值计算模型，分析了不同岩层赋存状态、层理面位置和应力水平下锚固体应力的分布规律。 （4）建立了西部典型矿区弱胶结软岩巷道围岩的力学模型和锚固模型。针对复合型软弱岩层对巷道围岩稳定性影响的厚度效应、刚度效应和强度效应进行分析，考虑岩体的拉、压弹性模量差异建立了围岩的损伤力学模型，通过数值方法揭示围岩的损伤演化机理和变形破坏规律，推导锚固体解析解，确定加固效应量化指标，分析了锚杆的锚固效应，优化了支护参数。在伊犁矿区、陕西孟村煤矿等和地质条件类似工程中应用。

本书围绕弱胶结软岩大变形破坏控制理论与技术这一关键问题展开系统研究：基于岩体力学试验，建立了弱胶结软岩的本构模型及峰后强度演化方程；从锚杆锚固效应入手，建立了隧洞围岩锚固效应量化分析模型；建立了软岩隧洞围岩-锚杆耦合流变理论模型，并进行了理论解析；开发了新型高强恒阻大变形锚杆，建立了锚杆-围岩耦合模型，并进行了锚固效应对参数的响应分析；研究了单一锚网索支护体系失效机理，提出了锚网索-混凝土拱架双耦合支护理论与技术；设计研发了高应力软岩巷道定量让压约束混凝土拱架；探讨了松散破碎围岩注浆加固强度增长规律，揭示了富水破碎带围岩注浆加固机理，开发了注浆加固技术。

弱胶结软岩在西部矿区分布广泛，由于其胶结差、强度低、遇水泥化、自稳性差，给煤矿巷道支护带来极大的困难，严重威胁生产安全，因此有必要研究这类软岩巷道锚喷结构加固机理；揭示地下水和施工动力对锚喷结构加固的劣化规律；为其可靠、合理的设计提供理论依据和方法。采用模型试验、现场测试、数值模拟和理论分析相结合的研究方法，在试验模型内设置裂隙水通道、测试锚杆和测试元件,观测巷道开挖时在动力荷载和裂隙水作用下锚喷结构加固效应、围岩应力、应变、松动圈的发展规律。选择典型的弱胶结软岩巷道，在不同动、静荷载及物理环境下，测试锚喷结构和巷道围岩相关参数。分析室内、外试验结果，揭示掘进动力、裂隙水渗流、岩体泥化等因素对加固效应劣化和围岩变形失稳的规律，运用流变损伤力学理论建立力学模型和稳定性准则，并将新建的模型和准则嵌入相关计算软件，进行数值模拟分析，结合试验信息分析优化理论模型。