膨胀岩中巷道围岩湿度场与次生应力场研究

在具膨胀性的岩体中开挖巷道时，为了防止围岩遇水膨胀造成底板鼓胀、顶板垮冒和支护结构受压破坏等工程事故，需要准确计算分析巷道开挖在围岩中形成的次生应力场和支护结构受到的荷载大小及分布形式。但是，经典的膨胀理论只能对底板鼓胀或某些点的变形进行预测；一些能够体现岩石遇水膨胀的解析方法只能用于岩石均匀含水的圆形巷道围岩应力、变形计算；湿度应力场理论在采用数值模拟方法计算围岩应力和变形方面独具优势，但必须事先给定围岩含水即湿度的分布函数。本项研究采用相似材料模拟试验方法，对采用钻爆法施工的巷道围岩含水量与原始应力大小、巷道开挖工艺的关系进行深入研究，探索膨胀性围岩在不同的地质环境和施工工艺条件下的湿度分布规律，并编制基于湿度应力场理论的巷道围岩应力和变形计算程序，以期为膨胀岩巷道围岩应力、变形计算和合理支护结构设计提供依据。

本项目完成的主要研究工作包括：膨胀性相似材料选择与配比研究，膨胀性围岩湿度场相似材料模型试验研究，膨胀性围岩次生应力场研究，相似材料含水量实时量测系统研制。. 通过相似材料配比试验，找到了比较合适的用于相似材料模型试验采用的相似材料组分、配比及膨胀岩相似材料模型制作工艺，配制成的相似材料具有容重小、强度低以及弹性模量小，能够体现膨胀岩的特性，同时具有浇筑易成型的优点，适合膨胀岩中巷道围岩的湿度场相似材料模型试验研究。. 采用相似材料模型试验方法，开展了直墙拱形隧道和小静距并行隧道在不同工况下围岩中含水量分布特征，为计算分析巷道支护结构受力提供了前提条件。对直墙拱形隧道，试验研究表明，膨胀岩中巷道围岩的湿度等值线从整体看，会呈现梨形，上小下大，湿度等值线环绕在巷道掌子面外围，以闭合弧圈的方式沿径向方向朝外扩散；膨胀岩中巷道围岩的湿度等值线在巷道底板下部围岩区域内，会形成一个由许多椭圆弧围成的影响圈，该椭圆弧影响圈位于左右直墙与底板的交角线内，高约为1.5R（拱顶大圆弧半径），其圈内的湿度较巷道围岩的其它部位的湿度大，且圈内的湿度越靠近底板越大；初始应力对巷道围岩的湿度影响不大；底板有无仰拱以及仰拱施作时机，对巷道围岩的湿度大小有显著影响。. 将膨胀变形作为塑性体积变形考虑，根据单元应力状态分解，得到了膨胀岩的屈服准则，建立了膨胀岩湿度场本构模型，推导出了塑性流动理论的增量迭代格式，开发了数值计算代码，并用工程实例进行了验证，结果表明所建立的湿度场本构模型是合理的。. 先后用石膏块和陶瓷作为吸湿材料研制含水量传感器，自制的含水量传感器具有良好的敏感度，可在恶劣的环境（如高温、低温等）中使用，具备良好的温度稳定性和化学稳定性，研制的测试仪可实现在线实时测试，具有很好的工程应用价值。