不同开挖方式下深部岩体能量积聚特性

探讨了不同开挖扰动下围岩塑性损伤分布以及应变能调整过程,对高地应力条件下机械法(TBM)以及钻爆法开挖进行了数值模拟,并比较了不同开挖方式导致的围岩损伤和应变能积聚特征.结合锦屏二级水电站引水隧洞现场监测资料,验证了不同开挖方式下围岩应变能积聚对岩体损伤区及岩爆孕育的影响.研究结果表明:高地应力下岩体开挖卸荷使围岩应变能呈现出驼峰状积聚形态,由表及里按低→高→低分布;TBM开挖后围岩中应变能的积聚峰值明显高于钻爆法,而应变能的积聚区域却较浅.开挖后围岩发生低等级岩爆的风险较钻爆法高.     

侧压影响下圆形洞室岩爆双轴物理模拟试验研究

为研究侧压影响下圆形洞室岩爆机制,采用双轴加载装置对含孔洞红砂岩试样进行了物理模拟试验,期间采用高速相机观测了孔洞破坏全过程。研究结果表明:岩爆过程可划分为平静期、剥落期、屈曲期和岩爆期四个时期;洞壁垂直起裂应力和岩爆V型槽破坏深度均随侧压增大而呈线性增大趋势。侧压主要从两方面影响岩爆发生:一是影响洞室破坏机制,当侧压较低时,洞壁垂直方向起裂应力小、水平方向应力梯度小,以拉伸破坏机制为主,破坏范围小,而侧压较大时,洞壁浅部区域破坏机制与低侧压时类似,但洞壁深部区域由于水平应力增加,受力类似三轴压缩,以剪切破坏机制为主,破坏范围大;二是影响洞壁能量积聚释放特征,由于侧压增大,平静期持续时间增加,而破坏期持续时间减小,造成洞壁破坏时单位时间内能量释放率增加,岩爆发生更加剧烈。     

高地应力隧道岩爆实验及模拟预测

为了深入了解高应力区岩爆机理、围岩失稳特征与应力场的变化关系,以黑石岭隧道岩爆为研究背景,运用强度准则理论分析、物理实验和三维应力场数值模拟的方法进行综合研究。研究发现,脆硬性岩体开挖卸荷后应力场σ_1、σ_3的变化态势对岩体破坏特征有直接影响,围岩σ_3值的增长抑制岩石的径向位移,造就应力场环向梯度的偏大,加上岩体聚集的较高的弹性应变能,是诱发岩爆的主要原因。掌握岩体岩性及破坏过程中应力-应变关系,研究分析开挖卸荷应力场的变化趋势,是预测判别岩爆及其发生位置的重要方法。     

渗流效应对基于广义非线性屈服准则洞室弹塑性解的影响

考虑渗流效应,基于广义Hoek-Brown非线性屈服准则,推导出圆形洞室围岩塑性区半径、洞壁径向位移和洞室周边径向应力的数值解.绘制在考虑渗流的情况下和基于广义Hoek-Brown屈服准则的不同围岩条件下,圆形洞室内外水头差h与R/e(R为塑性区半径,e为洞室半径)的关系曲线、围岩特性曲线和径向应力的分布曲线.研究结果表明:在水头差相同时,位于较差围岩中洞室的塑性区比位于较好围岩中洞室的塑性区发展快;在支护力相同时,支护结构对处于较差围岩中的圆形洞室洞壁位移约束效果较差;在围岩质量较差时,渗流效应对圆形洞室径向应力的影响比围岩质量较好时的影响大.     

岩土材料的屈服条件与破坏条件

 固体材料受力以后,从弹性到塑性直至发生破坏,在这个过程中材料从弹性进入塑性称为屈服,屈服是一个过程,初始屈服材料还处于弹性状态,是弹性极限点;经过塑性发展达到破坏,破坏是塑性极限点。破坏也是一个渐进过程,首先在材料内一些点达到破坏,然后破坏点逐渐增多直至贯通,发展成破坏面形成整体破坏。塑性力学中规定材料进入无限塑性状态,应力不变,应变无限增大时称为破坏,因此理想塑性用应力表述的屈服条件就是破坏条件,它们都与历史参量无关。但是初始屈服与破坏时的应变状态是不同的,前者表示材料从弹性刚进入屈服,后者表示材料从塑性进入破坏,表明屈服条件不等同破坏条件。     

圆形洞室应力状态及塑性区分析

为了研究圆形洞室开挖后洞壁围岩和工作面前方围岩的应力状态和塑性区范围,采用数值模拟和理论计算相结合的方法,对不同埋深下的圆形洞室进行了FLAC3D模拟,揭示了开挖后的力学特性。结果表明:对于洞壁围岩而言,随着初始应力的增加,最大的切应力不是线性增加的,其增加的幅度在逐渐减小;而最大切应力与初始应力的比值维持在稳定的范围内。塑性区范围随埋深的增加在逐渐地扩大,但增加的幅度也在减小。对工作面前方围岩而言,切向应力和径向应力逐渐靠近初始应力的速度明显快于洞壁围岩,但其切向应力明显小于洞壁围岩的切向应力;随着埋深的增加,工作面前方最大切应力与初始应力的比值处于缓慢增加的过程;随着埋深的增加,工作面前方围岩的塑性区范围比洞壁围岩的大,进一步验证了工作面处存在应力集中现象。     

深埋隧洞不同掘进方式下即时型岩爆微震对比分析

对某水电站引水洞和施工排水洞钻爆法及TBM开挖段的施工过程进行连续性实时微震监测,将即时型岩爆孕育及发生过程中获得的微震信息进行了对比分析.结果表明:深埋硬岩地下隧洞即时型岩爆的孕育及发生过程中,微震事件在空间位置上从初始的不规则零散分布不断向岩爆区域集合,并且数量不断增加;累计微震释放能以及塑性体积的平均微震释放能均不断增大,TBM开挖过程中岩体能量释放要大于钻爆法开挖;TBM开挖强烈岩爆发生前有轻微~中等岩爆伴随发生并且随着岩爆的孕育过程而逐渐递增,而钻爆法开挖不具有这一现象.     

基于渗流作用被锚巷道弹塑性分析

为研究渗流作用下全长黏结锚杆支护巷道围岩应力与位移分布,通过将巷道围岩视为均匀、连续的多孔介质,锚杆对围岩的支护反力与渗流作用力转化为圆形巷道轴对称径向体积力并同时作用于应力场,考虑锚杆对围岩参数的强化,建立力学模型,采用弹塑性分析方法,推导了围岩应力与位移弹性解析解和基于Mohr-Coulomb屈服准则的塑性解析解,求得巷道围岩塑性区半径和洞壁位移表达式,在此基础上可对理解渗流作用下锚杆支护巷道进行分析判断。结果表明:本文计算的理论解与FLAC~(3D)数值模拟结果相近,从而验证了本文理论的合理性;通过算例,考虑渗流作用对塑性区范围和洞壁位移影响更严重;锚杆长度和预紧力与塑性区范围和洞壁位移成反相关关系,锚杆排距与塑性区范围和洞壁位移成正相关关系。锚杆支护参数对支护效果更敏感。在相同的条件下,考虑渗流需要锚杆提供更大的锚固力。为避免渗流作用引起巷道失稳,可合理增大锚杆长度,缩小锚杆排距,增大锚杆预紧力。     

水泥乳化沥青砂浆力学性能的能量机制

研究了CRTS I型水泥乳化沥青砂浆(CA砂浆)在不同应变率加载条件下的总应变能、耗散应变能和弹性应变能的演变规律,结果表明:应变率越大,CA砂浆内部积聚的弹性应变能越多,峰值应力越大;弹性应变能在峰值应力前大量积聚,之后不断释放转化为破裂面贯通的表面能;应变率越大,弹性应变能占总应变能的比例(We/W)减小的幅度越小,但弹性应变能的释放量越大,释放的速率也越高,CA砂浆强度衰减越快,脆性越明显;耗散应变能随应变增大而不断增加,耗散应变能主要以裂纹的扩展与错位摩擦的方式产生;应变率越大,CA砂浆内部产生的细小裂纹越多,裂纹的扩展受到变形速率的限制,耗散应变能占总应变能的比例(Wd/W)越小.     

大凉山地区深埋高地应力公路隧道岩爆机理及防治对策

本文以乐西高速大凉山2号隧道工程为依托,对大凉山地区深埋高地应力公路隧道岩爆机理及防治对策进行研究。从深埋隧道岩爆孕育力学角度出发,结合能量及应力条件,运用有限元分析软件MIDAS-GTS-NX分别建立隧道在不同埋深、进深及断面形状的三维有限元模型,对围岩应力特征进行比较分析。研究结果表明：从力学角度来看,岩爆的孕育过程是由弹性转换为塑性,并发生在塑性岩体中,周围弹性岩体负责为其提供能量,围岩储存的能量和开挖导致的应力集中分别是岩爆发生的根本条件和触发条件;隧道埋深、进深以及断面形状是影响隧道岩爆的重要因素,其中埋深对其影响最为明显,围岩最大主应力与隧道埋深、开挖进深及断面大小呈正相关性;隧道埋深在600 m左右时,围岩最大主应力达到45.90 MPa。根据强度应力比法,结合施工钻孔取芯参数,最终结果表明大凉山隧道属于极高地应力区,具有发生岩爆的风险,施工时应当采取相关防范措施。     

双江口水电站深埋地下隧洞微震活动特征分析

双江口水电站尾调交通洞埋深大,围岩主要由花岗岩组成,地应力高,地应力与岩体强度比值大,开挖卸荷作用下围岩极易发生岩爆现象。本文结合地质资料、开挖形式,对岩爆分布及破坏特征进行了分析。并利用微震监测,采集并分析微震事件特征,揭露了岩爆与微震事件的内在联系,研究结果发现：双江口尾调交通洞微震事件主要聚集于靠山侧,在岩爆发生前24小时突然聚集;高应力围岩在开挖作用下的应力调整是岩爆发生的根本原因。该研究结果可为类似工程中岩爆的监测与预报提供一定的借鉴作用。     

不同岩石数值计算材料下的洞室稳定对比分析

利用数值模拟分析软件,研究了不同岩石材料下的洞室稳定性。结果表明:(1)由于岩体屈服变形的影响,弹性材料下洞壁围岩最大主应力极值最高,弹塑性材料次之,弹脆性材料极值最低。(2)三种材料下地下洞室开挖后最小主应力量值分布基本相似,环洞壁方向量值接近于0。(3)弹性、弹塑性及弹-脆-塑性三种材料所对应的位移情况基本相同,变化规律亦基本相同。(4)洞室围岩不稳定部位,弹性模型计算时稳定系数低于1.0,弹塑性及弹-脆-塑性量值为1.0。采用数值软件模拟分析洞壁围岩稳定时,选用不同材料时应注意相应的取值。     

动力弹射型岩爆发生机理及反馈机制

为研究动力弹射型岩爆发生机理和破坏特征,结合岩爆现场实录资料及理论分析,建立模拟动力弹射型岩爆的变截面杆模型,提出系统相对稳定度的概念,并分析了影响系统相对稳定度的参数,建立岩爆体应变率的反馈环,最后实验模拟了岩爆过程.结果表明,岩爆是由于隧洞围岩局部应力集中造成的,弹性体与岩爆体体积比、弹性体弹性模量与岩爆体软化系数之比均与系统相对稳定度呈负相关,岩爆发生的过程是一个正反馈调节的过程,在岩爆发生前,弹性体与岩爆体应变能持续累积,岩爆发生时瞬时释放,造成碎块弹射.分析结论与实验结果为研究动力弹射型岩爆的发生机制提供了参考.     

双江口水电站深埋地下隧洞微震活动的特征分析

双江口水电站尾调交通洞埋深大,围岩主要由花岗岩组成,地应力高,地应力与岩体强度比值大,开挖卸荷作用下围岩极易发生岩爆现象。结合地质资料、开挖形式,对岩爆分布及破坏特征进行了分析。并利用微震监测,采集微震事件频次并分析微震事件特征,揭露了岩爆与微震事件的内在联系。研究结果发现:双江口尾调交通洞微震事件主要聚集于靠山侧,在岩爆发生前24 h突然聚集;高应力围岩在开挖作用下的应力调整是岩爆发生的根本原因。该研究结果可为类似工程中岩爆的监测与预报提供一定的借鉴作用。     

深部岩体脆延转化特性与覆岩塑性极限状态研究

为了研究深部开采覆岩变形破坏规律,基于深部岩体的脆延转化特性,采用解析分析方法,对深部采场上覆岩层极限承载能力进行了研究。结果表明:深部岩体在拉应力超过弹性极限强度后表现出塑性软化特性,承载能力随拉应变的增大而降低;深部开采上覆岩层的变形破坏规律主要受弯矩支配;随着采煤工作面的推进,采空区长度逐渐增大,上覆岩层所受弯矩逐渐增加,拉应变逐渐增大,当局部拉应力达到弹性极限强度时岩层处于弹性极限状态;随着采煤工作面的继续推进,弯矩继续增加,拉应变继续增大,最终岩层达到塑性极限状态,弯矩达到塑性极限值,岩层失去承载能力而断裂。关键岩层达到塑性极限状态时,因断裂而释放大量变形能,诱发冲击地压等矿山动力灾害。     

埋深对TBM法掘进隧道应力变形的影响

为了研究不同隧道埋深对围岩应力变形和塑性区发展趋势的影响,对TBM法掘进隧道时的围岩稳定性进行有限元数值分析,分析不同埋深条件对围岩应力变形和塑性区发展趋势的影响。计算结果表明,随着埋深的增加,应力、位移、塑性区、发生岩爆的几率都有不同程度的增加。地应力以构造应力为主,洞周不存在拉应力区,塑性区呈环状分布。当埋深较大时,进行管片收敛变形计算时采用MC准则要优于DP准则,当侧压系数增大时,管片应力变形有不同程度的增加。掌子面附近管片收敛较小,往洞口方向收敛变形值逐渐增大,在距掌子面500 m之外的管片收敛变形趋于稳定。     

热力耦合作用下圆形水工隧洞围岩弹塑性解析解

为研究圆形水工隧洞围岩弹塑性区受力特点,基于Mogi-Coulomb强度准则和弹塑性理论,考虑温度和衬砌结构的影响,推导热力耦合作用下水工隧洞围岩应力、洞壁位移和围岩塑性区半径的解析解。依托新疆某高地温水工隧洞工程进行计算分析,对中间主应力系数、温度、混凝土强度、衬砌厚度和围岩应力分布及塑性区半径间的关系展开参数分析。结果表明：温度变化产生的拉应力会使衬砌结构对围岩支反力减小,围岩塑性区半径和洞壁位移有所增大,隧洞岩体稳定性变差;中间主应力系数b对岩体强度影响较大,b=0.5时围岩塑性区半径明显小于不考虑中间主应力时的塑性区半径;提高混凝土强度和增加衬砌厚度在初始阶段都能明显限制围岩塑性区发展,虽后续效果都不佳,但增大衬砌厚度更能限制围岩塑性区发展。     

考虑材料软化的洞室围岩弹塑性分析的统一解

基于统一强度理论,考虑岩土材料的软化特性,用弹性塑性软化塑性残余三线性应力应变模型推导出了洞室围岩塑性残余区半径、塑性软化区半径、洞周边位移、围岩内任一点应力及围岩压力的解析计算公式。同时给出了洞室围岩所处应力状态的判别式。得出的解答具有广泛意义。著名的Kastner公式、Airey公式均为本文的特例。通过实例分析了软化及不同强度模型对计算结果的影响。     

深埋隧道围岩滑移面验证及稳定性分析

为了采用安全系数分析深埋圆形盾构隧道稳定性,以隧道围岩弹塑性区域的应力分布为基础,采用变分方法验证围岩滑移面的分布形态.将围岩简化为理想弹塑性材料,结合弹塑性区域应变分布获得围岩极限塑性半径.基于Mohr-Coulomb准则,选取隧道安全系数为极限塑性半径内沿隧道滑移面围岩的抗剪强度与剪切力之比,获得以安全系数为隧道稳定性指标的分析方法.通过算例分析得出极限应变与屈服应变比值、围岩力学参数和支护参数与隧道相对塑性半径和安全系数的关系.研究结果表明:增加围岩内聚力、内摩擦角及支护压力能有效抑制隧道塑性区半径发展与提高隧道安全系数;围岩变形协调能力越好,整体越稳定.     

深埋公路隧道高地应力场特征分析及岩爆预测

深埋隧道岩体中有较高地应力,在岩石强度较高的围岩处易发生岩爆,影响围岩稳定性。笔架山公路隧道埋深大,为降低其安全建设风险,本文通过工程区岩样岩体力学实验对围岩性质进行研究,结合地应力资料建立三维有限元地质模型反演隧址区地应力场,最终利用谷-陶岩爆判据和强度应力比岩爆判据对笔架山隧道岩爆状态进行预测。结果表明：隧道工程区内岩体有中等-强烈岩爆倾向;隧道沿线地应力场由自重应力场主导,大多数区段岩体处于极高应力状态,且水平最大主应力与隧道夹角较小,有利于围岩稳定;开挖后沿线围岩最大主应力峰值为63.2MPa,均发生在断面侧壁,因此在该部位发生岩爆的可能性较大;隧道沿线24%区段有发生岩爆的可能,且以中等-高岩爆活动为主,岩爆预测结果可为隧道开挖施工和灾害防治提供参考。