Comparative analysis on plastic zone in deep soft rock roadway surrounding rock considering rheology or not

Technische Samenvatting: Vergelijkende Analyse van de Plasticiteitszone in Diepe Zachte Rotsen rondom Wegtrajecten, met en zonder Rekologie

Probleemstelling
Diepe mijnbouw in China krijgt frequent te maken met wegtrajecten in zachte gesteentevormaties die een uitgesproken rekologische (tijdsafhankelijke) gedraging vertonen. Traditionele elastoplastische analyses van het omringende gesteente van wegtrajecten vertrouwen vaak op de piekcompressieve sterkte van gesteenteprofielen als het faalcriterium, waarbij de rekologische kenmerken van het gesteente worden genegeerd. Deze benadering leidt er vaak toe dat theoretische resultaten de sterkte van het omringende gesteente overschatten en de omvang van de deformatie en de plastische (verzwakkings)zone onderschatten, wat resulteert in ontwerpen die afwijken van de technische realiteit en de langetermijnstabiliteit in gevaar brengen. Het kernprobleem dat wordt aangestipt, is de discrepantie tussen theoretische voorspellingen van de plasticiteitszone en werkelijke veldobservaties in diepe zachte gesteente-wegtrajecten, specifiek veroorzaakt door het weglaten van rekologische effecten en de foutieve identificatie van de piekstress-toestand in gestabiliseerd omringend gesteente.

Methodologie
De studie maakt gebruik van een veelzijdige aanpak die veldmonitoring, laboratoriumtesten, theoretische afleiding en numerieke simulatie combineert, gecentreerd rond de -848 m laadgelijkrichter kamer test-wegtraject in een mijn.

1. Veldonderzoek: De onderzoekslocatie werd gekozen omdat het omringende gesteente een stabiele toestand had bereikt na ernstige initiële deformatie. Monitoringsecties maten oppervlakteverplaatsingen (boogwelving, dak-vloer convergentie, vloerhoeken) om stabiliteit te bevestigennen. Ultrasonische golfsnelheidstesten werden uitgevoerd om de werkelijke diepte van de verzwakkingszone (plasticiteitszone) in het veld te bepalen, die varieerde van 2,7 tot 3,2 m bij de wanden.
2. Laboratoriumtesten: Gesteentecores werden getest om mechanische parameters te bepalen.
   • Triaxiale Compressie: Monsters werden getest onder omgevingsdrukken van 0, 4, 8, 12 en 16 MPa om volledige spanning-rekcurves en pieksterktes ($\sigma_{pk}$) te verkrijgen.
   • Kruiptesten: Stap-belastingskruiptesten werden uitgevoerd onder dezelfde omgevingsdrukken.
   • Bepaling van Langetermijnsterkte: Met behulp van de "kruipterminatie-trajecttheorie" werd de intersectie van het passende kruipterminatie-traject en de volledige spanning-rekcurve gebruikt om de langetermijnsterkte ($\sigma_{\infty}$) voor elke omgevingsdruk te bepalen.
3. Theoretische Analyse: Een elastisch-bros-plastisch model werd opgesteld. De studie leidde analytische oplossingen af voor de plasticiteitszone-radius onder twee condities:
   • Geval A (Rekologie in acht genomen): De piekspanning van het omringende gesteente ($\sigma_s$) werd gedefinieerd als de langetermijnsterkte ($\sigma_{\infty}$).
   • Geval B (Rekologie genegeerd): De piekspanning werd gedefinieerd als de piekcompressieve sterkte ($\sigma_{pk}$).
   • Oplossingen werden afgeleid voor zowel axiale condities ($\lambda = 1$) als biaxiale ongelijke spanningsvelden ($\lambda = 0,86$) met behulp van de spanning-constructiemethode.
4. Numerieke Simulatie: ABAQUS eindige-elementensoftware werd gebruikt om het wegtraject te simuleren. Er werden twee modellen gedraaid: één met de langetermijnsterkteparameters (cohesie $c_0 = 5,58$ MPa) en één met de pieksterkteparameters (cohesie $c_0' = 11,26$ MPa).

Belangrijkste Bijdragen

• Herdefinitie van het Piekspanning-criterium: Het artikel stelt voor dat voor gestabiliseerde diepe zachte gesteente-wegtrajecten de piekspanning van het omringende gesteente moet worden gelijkgesteld aan de langetermijnsterkte van het gesteente onder een gegeven omgevingsdruk, in plaats van de kortstondige piekcompressieve sterkte. Dit is gebaseerd op de premisse dat als de spanning de langetermijnsterkte overschrijdt, instabiele rekologische deformatie zal voortduren totdat de spanning tot een stabiel niveau daalt.
• Analytische Oplossingen: De studie biedt expliciete elastoplastische analytische oplossingen voor de plasticiteitszone-radius en spanningsverdeling, waarbij onderscheid wordt gemaakt tussen scenario's waarin rekologie wordt meegewogen (gebruikmakend van langetermijnsterkte) en wordt genegeerd (gebruikmakend van pieksterkte).
• Vergelijkende Validatie: Door veldgegevens te integreren, toont de studie kwantitatief de omvang van de fout aan die wordt geïntroduceerd door het negeren van rekologie.

Resultaten

• Veldobservaties: De gemeten diepte van de verzwakkingszone bij de wanden van het wegtraject was 2,7–3,2 m.
• Theoretische Vergelijking:
  • Negeren van Rekologie: Bij gebruik van pieksterkte was de berekende plasticiteitszone-radius ongeveer 2,83 m (voor $\lambda=1$) en 2,93–3,22 m (voor $\lambda=0,86$). De resulterende plasticiteitszone-diepte bij de wanden was slechts ~0,68 m, wat suggereert dat het gesteente grotendeels elastisch bleef. Dit onderschatte de werkelijke verzwakkingszone aanzienlijk.
  • Rekologie in acht genomen: Bij gebruik van langetermijnsterkte was de berekende plasticiteitszone-radius 4,96 m ($\lambda=1$) en 4,69–5,24 m ($\lambda=0,86$). De resulterende plasticiteitszone-diepte bij de wanden was 2,42 m tot 2,70 m, wat nauw aansloot bij het in het veld gemeten bereik van 2,7–3,2 m.
• Numerieke Simulatie: De simulatieresultaten weerspiegelden de theoretische bevindingen. Het negeren van rekologie leverde een kleine, hoefijzervormige plasticiteitszone op (~0,58 m diepte), terwijl het in acht nemen van rekologie een elliptische verdeling produceerde met een diepte van ~2,12 m, wat veel dichter bij de veldrealiteit lag.
• Spanningsverdeling: Het negeren van rekologie leidde tot een significante overschatting van de sterkte van het omringende gesteente en een onvoorzichtige beoordeling van de stabiliteit.

Betekenis en Claims
Het artikel claimt dat de rekologische kenmerken van gesteente een dominante factor zijn in de deformatie en spanningsverdeling van diepe zachte gesteente-wegtrajecten. De primaire betekenis ligt in de bevinding dat het negeren van rekologie leidt tot een substantiële overschatting van de sterkte van het omringende gesteente, wat resulteert in berekeningen van de plasticiteitszone die aanzienlijk afwijken van de technische praktijk en veiligheidsrisico's in de hand werken.

De auteurs stellen dat voor de beoordeling van de langetermijnstabiliteit en het ondersteundingsontwerp van diepe zachte gesteente-wegtrajecten de rekologische kenmerken volledig in acht moeten worden genomen. Specifiek moet de piekspanning in theoretische modellen gebaseerd zijn op de langetermijnsterkte van het gesteente in plaats van de instantane pieksterkte. Deze benadering zorgt ervoor dat theoretische analyses en technische ontwerpen consistent zijn met de werkelijke deformatie-evolutie en stabiliteitscondities die in het veld worden waargenomen. De studie concludeert dat hoewel exacte analytische oplossingen voor biaxiale ongelijke druk complex blijven, de voorgestelde benadering die rekening houdt met rekologie een betrouwbare en veiligere basis biedt voor technische toepassingen.