軟巖工程力學相關問題的探討

關于軟巖工程力學相關問題的探討

　　軟巖是指在工程力學作用下能夠產生顯著的變形的工程巖體，下面是小編搜集整理的一篇探究軟巖工程力學問題的論文范文，供大家閱讀參考。

　　摘要：隨著人類社會的經濟的發展，人類采礦活動不斷深入，軟巖也隨之不斷增加。因此所遇到的困難也越來越復雜多變。本文主要分析了軟巖工程力學中的相關問題，以及簡要的介紹了隧道大變形問題的處理方法和措施。

　　關鍵詞：軟巖;軟巖工程;工程力學;措施

　　一，軟巖工程力學

　　(一)軟巖的概念

　　軟巖工程是一個相對的概念，在不同的地區、不同的埋藏深度，都會使軟巖工程所表現出來的特性發生不確定性的變化，甚至使軟巖工程發生根本性的徹底變化。軟巖是指在工程力學作用下能夠產生顯著的變形的工程巖體。軟巖的特性主要表現在兩個方面，―是一種工程巖體，二是具有顯著塑性變形。

　　軟巖是一種工程巖體，與建筑工程密切相關，沒有工程作參考，就無軟巖可談。軟巖的巖體在工程力學作用下均能產生顯著得塑性變形。這種變形，部分是有利于工程巖體維護的，但是另外部分則是有害于工程巖體的維護，在沒有顯著變形作參考地前提下，也難以搞清楚什么是軟巖。

　　在傳統意義上，軟巖是指存在于硬巖和土體之間的一種介質。例如，在我國大西北地區存在著大量的黃土窯洞，其工程介質是黃土，但它既沒有支護，也沒有顯著的變形，因此不可能稱之為軟巖，只能將其稱之為硬巖。因此軟巖是一種特殊的工程介質。

　　事實上，目前國內外對硬巖、軟巖和土之間尚且沒有嚴格的區分界限。但是有一種標準可以明確區分其介質是屬于硬巖、軟巖還是土。硬巖和土的工程問題，均可以采用傳統的力學方法來描述和解決，但是軟巖的工程問題，是很難采用傳統力學方法加以解決的。

　　(二)軟巖的兩個基本力學屬性

　　軟巖主要擁有兩個基本的力學屬性，一是軟化臨界荷載，二是軟化臨界深度。

　　隨著科學技術的發展和應用水平的不斷提高，特別是圍壓的增大，軟巖所產生的塑性變形明顯有所增加，這使得在低應力水平作用下表現為硬巖特性的巖石，在提高了應力水平的前提下會顯示出了明顯的塑性變形。對于已經給定的工程軟巖，均由彈性變形為主的工程狀態向以塑性變形為主的工程狀態轉化的臨界點，將其稱之為軟化的突變點，而與之相對應的應力水平稱之為軟化臨界荷載。

　　軟化臨界深度與軟化臨界荷載也是交相對應的，巖石亦存在著一個軟化臨界深度。對已經給定的礦區，其中軟化臨界深度也是一個客觀的變量。

　　(三)軟巖工程的分類

　　軟巖的變形和流動型式對于軟巖支護作用及其優化作用具有極其重要的影響意義。因此，軟巖工程的分類主要依據它的變形流動型式，軟巖工程的分類主要包括以下幾個方面：一是連續變形型軟巖，二是不連續流動型軟巖，三是復合型軟巖。其中連續變形型軟巖又可以分為塑變形型軟巖和流變性軟巖，而不連續流動型軟巖可以劃分為松散流動型軟巖和節理滑移型軟巖。由此可見，軟巖根據不同的標準可以分為很多種類。

　　二、軟巖工程力學在應用中存在的主要問題

　　(一)特殊的時間效應問題

　　軟巖工程力學的方法和傳統的固體力學方法，在變形以及時間因素的關系描述方面具有很大的異同。軟巖工程力學中應該考慮的變形是最多的，它不僅需要考慮傳統固體力學中所研究的各種變形的分量，而且還有一些是軟巖工程中所特有的。這些獨特的變形分量與時間有密切關系的變形也是軟巖大變形、大位移的根源。

　　(二)非光滑變形的問題

　　目前，大多數軟巖工程存在著諸多的非光滑性變形的問題，對于如何解決這樣的問題，不同的工程單位可能會采取不同的措施。但是大部分都會首先對軟巖的巖體進行具體的分析處理，并且在此基礎上針對不同的介質。采取各自相應的措施來解決。但是在做巖體的連續性概化之前，首先應該根據軟巖巖體的具體情況，綜合運用相應的措施和方法來進行概化，決對不能沿用傳統的方式，只是采用固體力學的方式來衡量工程軟巖。

　　(三)軟巖的大變形問題

　　軟巖的大變形問題主要是指，非線性力學問題，其中主要包括幾何和物理非線性問題。在實際生活中出現的巖體工程力學問題是大變形問題，如采礦沉陷、軟巖巷道的收幫等問題。顯然，軟巖工程力學目前一直沿用的還是彈塑性理論，雖然在應用過程中考慮了材料基本特性，但是嚴格意義上講，卻仍然是小的變形近似與理論。因此，軟巖工程力學面臨的狀況是依靠彈塑性理論來企圖解決軟巖大變形的問題。

　　(四)工程巖體力學設計理論和設計方法問題

　　軟巖工程的變形具有高度非線性的特點，工程的力學設計主要是采用非線性的大變形工程力學設計技術。在國內，目前研究巖體非線性力學問題的很多，但是最關鍵的一點就是對如何進行非線性力學設計的研究卻少之又少，甚至根本沒有這方面的研究。因此，到目前為止，工程巖體力學設計任然是依據小變形的力學參數設計方法。然而，對于那些大變形的軟巖工程力學而言，只有采用塑性變形技術手段，其設計方法必須是依據非線性的大變形力學理論，否則可能會影響工程的整體質量。

　　三、軟巖隧道大變形

　　(一)軟巖大變形原因分析

　　1.地應力場對隧道變形的影響

　　隧道通過易變形的頁巖，容易發生嚴重的流塑性變形，從而導致巖體被破壞。因此，高的應力是隧道發生大變形的重要條件，也是隧道大變形的誘因。

　　2.地下水對隧道變形的影響

　　地下水的存在和運動對隧道的影響至關重要，巖體顆粒由此會產生動力作用，由于水體對巖體會造成損傷，導致巖體的強度可能降低，巖體的孔隙率會增大。因此，地下水的發育是隧道發生大變形的內在因素，也是重要誘因之一。

　　3.圍巖強度對隧道變形的影響

　　不同巖體的抗壓強度是不相同的，在軟巖上施工圍巖變形程度的差異較大，根據巖體變形破壞的理論，當圍巖壓力超過巖體的抗壓強度的時候，巖體將會發生強烈的變形和破壞。

　　4.初期支護對隧道變形的影響

　　通過對錨桿的監測和分析可以得知，錨桿如果沒有被打入穩定巖體中形成可靠的圍巖加固圈，因此不能起到充分控制圍巖流塑性變形的作用。

　　5.施工方法對隧道變形的影響

　　施工方法也對隧道的變形有著非常重要的影響。軟巖變形除了與上述的四項因素有關之外，還與施工方法也是有非常重要的關系時。其中的影響因素有很多，主要可能有以下原因造成工期緊、現場管理復雜等，這些都直接影響到了軟巖的變形。

　　(二)防治技術措施

　　1.施工方面

　　對于開挖后的軟巖必須進行適當的應力釋放作用，當應力釋放到一定的程度時，就要及時采取有效的支護措施，要盡一切可能保證隧道結構的安全和可行。對于造成隧道大變形的原因，從施工角度可以從以下幾個方面解決。

　　首先，減少對圍巖的開挖和破壞。在建筑施工時要盡量減少誘發圍巖變形的不利因素，控制圍巖變形的惡性發展。對軟弱圍巖要進行支護，加固破碎的圍巖，加固圍巖的變形。保護隧道的安全。

　　其次，多重支護相結合使用。不僅要利用長錨桿，而且還要利用其它一些列可以加固軟巖的工具，用以加固軟巖的應力，防止軟巖隧道出現故障等問題。

　　最后，在施工過程中采用短臺階開挖的方法。這樣可以有效的減緩圍巖變形的速率，使初期錨噴支護和鋼架能夠及早封閉成環，與圍巖一起形成拱，控制軟巖大變形。

　　2.設計方面

　　在隧道的施工過程中采用新技術新方法，有助于隧道的安全和加固操作。隧道的結構設計理念主要是“先柔后剛，以柔克剛”。也就是指隧道開挖后首先設置柔性支護，允許軟弱圍巖有一定的變形，充分發揮圍巖的自承的作用，使圍巖和初期支護的組合體共同承受圍巖荷載和變形，隧道在設計中主要貫徹以下的設計方針：

　　―是，優化洞型，選擇合理斷面;

　　二是，措施得當，控制變形;

　　三是，先柔后剛，以柔克剛;

　　四是，預留變形，謹防侵入凈空;

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