围岩瞬态卸荷应力及塑性区分布的有限元分析

深部地下工程围岩卸荷导致的拉伸破坏是一个常见但没有得到充分研究的科学现象.将卸荷视为动态力学过程,基于连续介质弹塑性力学理论,运用有限元软件COMSOLMultiphysics对围岩瞬态卸荷破坏成因进行初步探究,建立了围岩瞬态卸荷塑性力学模型.研究结果表明:开挖将在围岩中激起强烈的卸载扰动,应力场的重新分布是由动力响应过渡到静力作用的动态过程.瞬态卸荷将导致开挖自由面附近产生拉应力.尽管拉应力时间短、幅值低、范围小,但由于岩石抗压不抗拉的特性,在高地应力条件下,拉应力可导致围岩产生拉伸破坏.分析表明横向惯性作用可能是导致这一现象的原因之一.     

基于修正莫尔-库仑准则的围岩瞬态卸荷塑性变形分析

将卸荷视为动态过程,采用包含拉伸截断和帽盖模型的修正莫尔-库仑准则,对不同开挖形状和应力状态条件下围岩瞬态卸荷塑性区进行了分析.研究结果表明:瞬态卸荷可导致自由面附近产生塑性变形,造成围岩损伤弱化甚至破坏;拉伸应力是造成围岩动态卸荷破坏的重要因素;塑性变形随着埋深的增加而增大;最大压应力方向易于产生塑性变形,以拉伸变形为主,当初始应力满足一定条件时,最小压应力方向将产生严重压剪塑性变形;从卸荷的角度考虑,巷道断面曲率较大为宜,尽量避免直线形边界.     

巷道围岩卸荷破坏裂隙发展模型试验研究

为了深入研究巷道围岩卸荷破坏裂隙发展规律,针对试验考察巷道突然开挖卸荷后周边围岩裂纹的扩展状况,自行设计巷道卸荷试验装置和试验方法,采用有机玻璃板模拟围岩,中心挖去缺口部分代表巷道,遵循试验模拟的相似模型准则来设计试验,并采用高速摄影方法对模型裂缝的发展进行拍摄.试验结果表明:围岩中的弱面不但是加载过程中最容易破坏的位置,也是卸荷破坏过程中强度最薄弱的位置;裂纹的扩展方向与主要卸荷方向垂直,属于拉伸破坏类型;卸荷后在巷道的角部产生了拉应力集中.     

微型桩支护作用下的深基坑开挖过程力学响应分析

借助ABAQUS分析软件建立深基坑微型桩支护体系三维有限元模型,对开挖卸荷过程中微型桩的力学响应进行分析,探究由于开挖卸荷引起的体系应力、变形变化规律.分析结果表明,在基坑开挖卸荷过程中,当开挖到一定深度时,锚固段以上土体应力渐趋于零,而锚固段以下土体应力逐渐呈梯形分布;开挖过程中桩身承受正反弯矩,正弯矩逐渐增大,负弯矩则先增大后减小,锚固段可能出现走滑的现象;开挖结束后,桩身在靠近基坑底面处产生局部的倒"S"形扭曲变形,桩体呈双点拉剪破坏.     

基于离散元地下厂房围岩变形破坏特征分析

为了研究结构面对中等地应力区地下厂房开挖过程中应力调整以及围岩变形破坏的影响,以某抽水蓄能电站地下厂房为研究对象,采用离散元软件3DEC对其开挖过程进行仿真计算.研究表明:在开挖断面不大时,掌子面附近的结构面会阻挡围岩应力向深部的调整,加剧拱脚处的应力集中程度,使围岩以应力型破坏为主;当开挖断面增大,围岩卸荷松弛明显,结构面控制型破坏将逐渐占优;用3DEC模拟出的陡倾型结构面的张开是围岩位移产生的主要原因,且其张开位移受前几期的开挖影响较大.研究成果可为类似陡倾角大跨度地下工程开挖的稳定性分析及支护设计提供借鉴.     

高速冲切诱发应变能瞬态释放动力效应

建立了弹-靶冲切模型,通过数值模拟获得了应力瞬态卸荷条件下靶板能量的变化过程;提出了考虑时间效应的能量释放速率指标,建立了以能量释放速率为核心的能量破坏准则,揭示了应力瞬态卸荷条件下靶板的破坏机理;同时,分析了靶板损伤程度与卸荷速率的关系.研究表明:在高速冲切诱发的应力瞬态卸载条件下,靶板中的能量呈现出动态波动的特征,应变能先减小后增大最后趋于稳定,动态变化过程中产生动力峰值.能量快速释放是导致靶板破坏的重要机理之一,在40MPa的应力水平下,能量瞬态释放可使靶板损伤区范围增大4.8%～11.9%.     

低地应力区地下洞室开挖后围岩应力数值模拟

以西北地区某水利工程地下洞室工程为例,采用弹塑性二维有限元法对低地应力区地下洞室围岩开挖后围岩应力进行了数值模拟研究,模拟出了低地应力区地下洞室围岩开挖后围岩应力值及其分布规律.结果表明,低地应力区地下洞室开挖后洞室围岩形成应力集中现象,侧壁位置处产生的压应力值大于洞顶位置压应力值,且洞顶产生拉应力.该研究成果将有助于进一步研究低地应力区地下洞室围岩变形破坏机理及其稳定性,对保障地下洞室工程的圆满进行具有重要的理论价值和现实意义.     

深埋隧道围岩应变软化模型参数的正交设计

研究高应力环境下岩体单元塑性软化变形对深埋隧道围岩位移的影响规律,采用基于莫尔库仑与拉破坏复合破坏准则的应变软化模型对深埋隧道的开挖卸荷进行数值仿真,按照正交实验方法设计计算方案。根据计算结果,得出应变软化模型力学参数对围岩水平收敛位移影响程度的大小,建立围岩水平收敛位移与应变软化模型力学参数之间的经验公式,为深埋隧道围岩的稳定性分析提供了理论依据,对实际工程施工也有重要的参考价值。     

高应力下脆性岩石卸荷力学特性及数值模拟

高地应力下脆性岩体工程开挖变形机理、稳定性评价及灾害控制技术研究一直是岩石力学和工程地质研究的难点问题。基于高应力下脆性岩石卸荷力学试验分析,明确了卸荷过程中的岩石力学参数及变形破坏演化规律,发现高应力下脆性岩石的破坏具有较明显的应变强度特征。分析了高应力下脆性岩石卸荷破坏采用张拉屈服的Griffith应变强度准则的合理性,建立了考虑卸荷屈服引起岩体力学参数变化的弹脆塑性数值计算方法,并在实际工程中得以验证。     

不同卸荷路径下的页岩蠕变特性试验研究

地下硐室围岩流变现象显著,对硐室开挖与运营造成巨大威胁。以某深埋矿井巷道页岩为例,参照地下硐室实际开挖情况设计轴压与围压等比卸荷应力路径,同时开展恒轴压卸围压、等比卸荷两种应力路径下的蠕变试验,研究页岩在不同卸荷路径下的蠕变力学特性。试验发现：(1)页岩在两种卸荷路径下的蠕变特性十分明显,轴向应变量值始终高于侧向应变;(2)岩石在破坏应力水平下的轴向应变增长程度小于侧向应变,岩石的侧向扩容较为明显;(3)等比卸荷和恒轴压卸围压条件下的岩石长期强度分别为47.69MPa和62.85MPa,等比卸荷应力条件下岩石更易屈服破坏。研究成果可为地下硐室长期稳定性研究提供一定参考。     

基于围岩破坏区和承载力的锚杆支护设计

从岩石力学最大周向拉应力破坏准则理论出发,结合隧道工程实例,运用理论分析和现场试验数据统计分析的方法,研究了隧道开挖过程中破坏区域的范围和破坏规律,并对破坏区域的承载能力进行了分析。结果表明:隧道开挖过程中围岩破坏区域承载了很大的荷载,而支护体系承受的荷载只是很小一部分;围岩破坏范围和破坏区域的承载能力可以通过岩体的力学参数进行计算得出。工程应用表明,锚杆支护设计参数可以通过计算围岩的破坏区域和承载能力获得。     

对深部地下坑道围岩分区变形机理的探讨

为了解释在深地下矿井里观察到的疏松区与压缩区交替出现的分区现象,探讨深部巷道围岩分区变形机理,运用滑移破坏岩石强度理论,研究了深部岩体的应力-应变特征,揭示了岩体分区破碎化现象的力学原理,并得出以下几点结论:坑道围岩区域破碎成因受外部条件影响较小;深部岩体的应力-应变状态决定其变形与破坏;高地应力转移所造成的劈裂效应导致岩体破碎分区化;应力场的传递和转移受深部岩体的开挖形状和力学性质等影响,地应力的加大和集中,产生了性质不同的变形破坏区域.     

露天转地下开采岩体稳定性三维数值模拟

露天转地下开采围岩应力和工程尺度同时影响着地下工程和露天边坡的稳定性.通过三维数值模拟,揭示了露天边坡内地下开采采场周围和边坡的力学环境,探讨了围岩移动变形、应力分布和破坏机理,分析了边坡稳定性状况.研究表明,在扰动边坡下进行地下开采,坡脚处的局部弧形破坏区将进一步恶化,但不会影响边坡的整体稳定性.由于边坡的卸荷作用,导致采场上覆岩层成拱机制减弱,采空区覆岩存在整体垮冒的可能性.     

脆性岩石三轴卸荷实验研究

根据煤矿现场复杂高应力脆性围岩巷道顶板变形、破坏实际，对其岩石试样进行了卸荷破坏三轴实验，研究深部复杂高应力脆性破坏围岩的变形、破坏机理及其力学特性。实验研究结果表明，在深部复杂高应力环境下，中等稳定脆性围岩巷道顶板破坏属于卸荷不平衡力引起的变形破坏，必须采用围岩一支护体之间的刚度、强度、变形相互耦合支护技术，才能有效防止巷道顶板发生剪切、错动或断裂破坏。     

基于峰后特征的深部隧道围岩分层断裂数值分析

为了揭示深部隧道工程围岩的分层断裂机理而展开数值实验研究.分析了深部地层岩体历史及赋存环境,认为深部岩体在力学上处于峰后阶段,根据岩石峰后应力-应变特征选定了围岩的峰后特征指标及其开挖响应方程.建立了数值实验模型,设计了开挖数值模拟的围岩响应监控方案.完成了大量的开挖数值模拟,实现了深部围岩分层断裂现象在数值模拟中的重现.基于实验中围岩应力、变形分布的全程监测结果,在确定围岩分层断裂产生条件的基础上,进一步研究得到了围岩分层断裂层数、分层断裂圈半径、最大峰值应力等参数与峰后特征指标的关系.根据地下结构开挖围岩应力重分布及岩石力学破裂机理,分析了分层断裂中次生自由面、多重似开挖面形成的力学机制.所得数值模拟结果,为深部工程围岩的分层断裂提供了验证依据,消解了长期以来数值模拟中没有观察到分层断裂现象的困惑.     

岩石厚壁圆筒三向压缩下的卸荷试验与岩石强度破坏

为研究地下工程开挖影响,采用厚壁圆筒多轴应力试验,对试样施加较高的轴对称内、外壁压力及轴向荷载后,进行内、外壁卸荷破坏试验.试验的破坏结果是在厚壁圆筒壁间形成环向主要破裂面.这一破裂现象在以往相关文献中未见报道,与通常弹塑性理论分析的较高应力发生在圆筒内缘、破坏从内缘开始的结论不同.这一结果与深部矿山巷道围岩出现的分区破裂(zonal disintegration)现象类似.     

渗流对CRD法开挖浅埋偏压隧道洞口段影响的分析

针对在隧道洞口段采用CRD法开挖过程中,因渗流作用而导致围岩的物理力学状态发生变化和引发的问题。在考虑渗流的情况下,运用FLAC_3D软件,分析浅埋偏压隧道围岩在CRD法施工时物理力学状态的变化规律。结果表明：在开挖周围产生较集中的漏斗形状的孔隙水压力区域;地形的偏压造成隧洞右侧的应力大于左侧,随着CRD法的分步开挖,每步开挖后造成的导洞在拱顶、底板、边墙处横向均产生了应力集中,左洞在完全开挖与支护后,应力集中现象逐渐减少;在考虑渗流时第三步开挖对初始开挖处围岩变形影响最大;在CRD法开挖过程中,对围岩变形影响较大的是第七步;拱腰和拱顶发生的位移,在考虑渗流时大于未考虑渗流时的情况,但拱底出现与上述相反的现象。     

高应力破裂岩体地压显现及其控制技术

小官庄铁矿进路开挖以后支护巷道破坏严重,其围岩变形为无收敛变形的情况.为掌握其地压活动规律,应用岩石破裂过程分析系统,并考虑岩石本身的蠕变特性,模拟其采用无底柱分段崩落法进路开挖过程,对进路开挖过程巷道围岩应力变化进行数值分析.结果表明:随着进路开挖,进路会出现片帮、底鼓和顶板下沉等现象;在矿岩接触带出现高应力集中,导致两进路之间的间柱破坏严重,并随着进路开挖应力逐步向新开挖两进路之间的间柱转移;开挖顺序造成边界矿体出现高应力集中,导致边界矿体难采.采用锚网支护技术有效地控制了巷道围岩的变形破坏,确保开采的顺利进行.     

十房高速通省隧道变形破坏原因分析

十房高速通省隧道围岩是具有一定倾角片理面的武当群片岩,在隧道施工过程中左洞ZK114+473桩号附近左拱腰部位出现钢拱腰压断现象。针对这一现象,在大量工程地质资料和现场调查的基础上,结合室内实验结果,综合分析了其变形破坏机理;并利用通用离散元程序UDEC进行隧道开挖后的力学特性和变形特性分析,得出在片岩岩性、片理面倾角和隧道偏压效应共同作用下在拱腰处产生的拉应力是隧道拱腰部位容易产生变形破坏的主要原因,对隧道的开挖和支护具有一定的指导意义。     

高渗压条件下裂隙岩体的劈裂破坏特性

基于岩体工程中普遍存在节理裂隙岩体,裂隙岩体在地下工程卸荷扰动后形成复杂应力状态和高水头压力的共同作用下将发生压剪复合破坏或拉剪复合破坏,对裂纹面的应力状态进行分析以判定其破坏模式,并进一步研究岩体裂纹开裂特性及岩桥断裂贯通力学机理,建立相应的临界水压和初裂强度判据。同时,对处于水力劈裂状态的高水头压力隧洞围岩的破坏特性进行模拟。研究结果表明:隧洞在高渗透水压的驱动下周边围岩开始发生水力劈裂,形成拉剪劈裂区;随着内水外渗的发展,随即在拉剪劈裂区外侧形成压剪劈裂带,同时,拉剪区和压剪区继续扩展直至渗流衰减趋于稳定。