基于Hoek-Brown强度准则的洞室稳定影响分析

基于非线性Hoek-Brown强度准则,引入洞室围岩稳定系数,研究分析了岩体力学参数及初始应力场对地下洞室稳定性的影响。结果表明,保持σ3不变,侧压系数k增加以及保持σ3不变,主应力差σ1-σ3增加时,洞室稳定性相应降低。Hoek-Brown强度准则中,表征岩体特征参数GSI、mi以及岩石单轴抗压强度σci量值增加,洞室稳定性亦相应增加。     

围岩质量综合评判模型和大坝建基面优选模型的建立

阐述了岩体质量及其影响因素的复杂性和不确定性，采用模糊数学方法建立了考虑岩石单轴抗压强度，RQD，裂隙间隙，裂隙面粗糙度系数，裂隙水压力与最大应力比值的5因素洞室围岩综合评判模型，以及考虑岩体纵滤波速，完整性系数，变形模量，均一性系数，RQD，裂隙间距，承压水顶板岩体自重应力与承压水头比值的7在坝建基面模糊优选模型。     

深埋垂直板裂结构岩体中洞室失稳破坏机制

采用RFPA数值模拟软件对深埋垂直板裂结构岩体中洞室围岩失稳破坏过程进行了模拟,研究了在不同侧压力系数条件下板裂围岩的失稳破坏特点,并与完整岩体中相同条件下的洞室的失稳破坏情况进行了对比.研究结果表明,侧压力系数对深埋垂直板裂结构洞室围岩的破坏形式具有重要影响,边墙岩柱的溃屈失稳破坏发生在侧压力系数小于1的情况;当侧压力系数大于1时,破坏集中发生在拱顶和隧道底部,边墙岩柱不发生溃屈破坏.指出梁板理论应用于板裂结构岩体洞室稳定性评价的局限性.在深埋情况下,洞室围岩的破坏以应力控制为主,结构面的影响居于次要地位.     

地应力对脆性岩体洞群稳定性的影响

利用岩体脆性破坏准则和Examine2D软件,分析不同地应力及洞形、洞群下围岩破坏深度af变化规律。基于中国大陆地应力分布规律,分析三大岩类代表性岩石性质随洞室埋深af变化规律并与实际工程进行对比。研究结果表明:af与主应力比k近似呈直线关系,随着k增加,屈服范围逐渐偏离最小主应力向45°夹角发展;单洞室破坏范围呈轴对称形式,多洞室破坏范围呈点对称方式;当主应力方向与洞轴连线呈45°时,屈服范围最易于合并;洞群效应随洞间距增加逐渐降低;洞形不同应力集中系数不同,选择长短轴长度之比与应力比k相接近的椭圆形谐洞,可有效降低破坏深度;af与岩石单轴抗压强度σc呈指数函数关系,当σc大于(9σ10-3σ30)(其中,σ10和σ30分别为最大、最小初始地应力)时,不会发生脆性破坏;af变化规律与实际结果具有较好的一致性;采用脆性岩体破坏准则可对破坏深度进行预测。     

矿物成分强度对岩石单轴抗压强度的影响

利用FLAC3D数值模拟软件,构建了岩石单轴抗压强度试验数值模型。分析研究了矿物弹性模量E、泊松比ν、黏聚力c、摩擦角φ、剪胀角ψ以及加载速率V等对于岩石单轴抗压强度的影响规律。结果表明:岩石单轴抗压强度与弹性模量之间表现出较为明显的线性关系,即岩体中含有硬度较大矿物成分时,岩体强度呈增加趋势。泊松比增加岩石强度亦出现一定程度的增大,之间呈现指数函数关系。岩石所含矿物黏聚力、摩擦角升高,岩石单轴抗压强度升高。单轴抗压强度与黏聚力、摩擦角之间成多项式关系。岩石单轴抗压强度随剪胀角增加而增加,并成多项式关系。相较于摩擦角而言,摩擦角对于岩石单轴抗压强度的影响更大。UCS与加载速率之间近似呈直线关系。     

工程岩体质量分级的数量化理论Ⅱ判别模型及应用

为快速准确地对岩体质量进行分级，采用数量化理论Ⅱ建立了工程岩体质量判别模型。案例一中选取岩石单轴抗压强度、岩体声波纵波速度、体积节理数、节理面粗糙度系数、节理面风化变异系数和透水系数作为评价指标，案例二中选取回采巷道巷道埋深、巷道跨度、直接顶与煤层厚度之比、围岩单轴抗压强度、围岩节理裂隙发育程度和围岩松动圈尺度作为评价指标，分别对案例一、案例二中不同工程岩体实测样本进行训练，构建相应的线性判别函数，确定各类岩体样本在6维空间中所对应的样本中心点；用建立的模型对训练样本进行判别并对未知样本岩体质量等级进行了预测。案例一中判别正确率为100％，且10个预测样本中只有1个发生误判，案例二中判别正确率为93.3％。研究结果表明：该模型判别过程简单，具有较高的判别正确率，可以作为一种行之有效的岩体质量分级方法在岩体工程中推广应用。     

不同地应力特征下超大跨扁平地下洞室水平地震响应分析

超大跨扁平地下洞室建设难度大、力学作用复杂，其地震响应研究目前尚处于探索阶段。为揭示超大跨地下洞室地震响应机理，依托国内某超大跨扁平洞室工程，采用动力时程法进行不同侧压力系数的洞室塑性区、Mises应力及位移的水平向地震响应分析，结果表明:地震作用下，围岩塑性区及塑性应变最大值均显著增加；静水压力条件下，围岩静力及地震围岩塑性应变均为最小；侧压力系数λ< 1时，洞室拱顶、底板中、拱脚及侧墙底部Mises应力均增加，且拱顶、底板中应力增长幅度小于拱脚及侧墙底部应力增长幅度；侧压力系数λ≥1时，水平向地震作用下洞室拱顶、底板中与静力工况相比应力基本无变化；随着侧压力系数的增加，洞室拱顶底板中水平相对位移逐渐减小，当侧压力系数λ≥1时，水平相对位移基本保持稳定。     

约简概念格与模糊优选在地下工程岩体质量评判中的应用

为了对地下工程岩体质量进行正确评判并提高评判效率,利用约简概念格对影响地下工程岩体稳定性的5项指标进行约简。5项指标分别为岩石质量指标、岩石单轴饱和抗压强度、完整性系数、结构面强度系数和地下水渗水量。以广州抽水蓄能电站1期地下工程岩体17组实测数据和8组插值数据作为学习样本,利用约简概念格对指标约简后得到岩石质量指标、岩石单轴饱和抗压强度和结构面强度系数这3项指标,用模糊优选法对约简后样本进行岩体质量评判,评判结果与实测结果吻合,然后将该模型用于该电站2期地下工程岩体质量评价。研究结果表明:利用约简概念格与模糊优选构建的模型的评判结果和粗糙集-逼近理想解的排序法(RS-TOPSIS)、突变级数法、人工神经网络(ANN)和支持向量机(SVM)的评判结果一致。利用约简概念格与模糊优选构建的模型减少了评判所需的指标,提高了评判效率。     

基于粗糙集和改进功效系数法的岩体质量评价

将改进的功效系数法应用于地下工程岩体质量评价中,选取岩石质量指标、岩体完整性系数、结构面强度系数、岩石单轴饱和抗压强度和地下水渗水量作为主要评价指标,对30组现场典型数据样本进行学习.运用粗糙集理论确定各指标的权重,建立地下工程岩体质量评价的粗糙集和改进功效系数法模型,并应用到实际工程岩体质量评价中.结果表明:建立的粗糙集和改进功效系数法模型原理简单,对岩体质量分级的准确率为90%.将该模型应用到广东抽水蓄能电站地下工程岩体质量分级,评价结果与实际情况符合较好.     

某抽水蓄能电站地下洞室群围岩三维稳定分析

某抽水蓄能电站地下厂房为大跨度、高边墙地下洞室群,地质条件复杂,分布软弱夹层,高边墙及洞室间岩体的稳定性是洞室设计的关键因素。根据水压致裂法地应力测试数据计算侧压力系数,构造初始地应力场,按照开挖顺序建立三维弹塑性计算模型,分析地下洞室群围岩应力与变形特征、塑性区分布,评价了地下厂房洞室群围岩稳定性,为洞室设计提供科学依据和基础数据。     

地下厂房锚杆支护的反向传播神经网络智能化设计模型

水电站地下厂房的支护设计一般采用工程类比法,而西南地区高地应力、大跨度地下洞室的修建难度往往超出以往的工程,难以完全适应。亟待建立考虑复杂地质条件影响的围岩支护定量设计理论和方法。在29个跨度为18.0～34.0 m,强度应力比为2.00～80.8的地下厂房支护参数的基础上,采用反向传播(back propagration, BP)神经网络方法,训练出了地下厂房系统锚杆支护的智能化设计模型。该模型通过输入洞室跨度值和强度应力比对系统锚杆直径、间排距进行优化设计。采用对神经网络权重分析的方法探讨了洞室跨度和强度应力比对系统锚杆支护方案选择的影响程度。研究结果表明:基于BP神经网络的水电站地下厂房系统锚杆支护的智能化设计模型具有良好适用性和可靠性;在仅考虑强度应力比和洞室跨度的情况下,水电站地下厂房系统锚杆的支护设计应该优先考虑强度应力比的大小。     

盐穴地下储油库热质交换及蠕变

为了确保盐穴储油库的密闭性和安全性,建立了油、卤水和围岩的热交换模型以及由于温度变化而引起的溶腔压力变化模型,同时建立了岩盐蠕变和渗透模型.通过TDMA算法对模型进行了求解,结果表明,油在7 a的放置过程中,温度升高了8.635℃,压力升高了8.97 MPa,即温度升高1℃压力约升高1 MPa.另外,盐穴的蠕变量随着放置时间的增加而减小.岩盐的渗透率很小,油的渗透量可以忽略.温度变化对溶腔压力有重要的影响,油和卤水的热膨胀系数与可压缩系数的比值决定了温度变化对压力的影响程度.在实际注油时,要准确测量油和卤水的可压缩系数和热膨胀系数,以便对溶腔内液体的温度和压力做出正确的预测和判断.     

金坛盐穴储气库畸形对盐腔体积影响

金坛盐穴储气库属于层状盐岩型储气库，建设过程中经常出现腔体畸形、偏溶现象，严重降低盐腔有效体积。研究腔体畸形对盐腔体积的影响规律，并在造腔过程中加以控制，将有助于加快库容工作气形成。结合金坛盐穴储气库实际盐腔情况，分析了腔体畸形、偏溶和底坑形状对盐腔有效体积的影响，并根据其形成原因给出了相应解决措施。结果表明，金坛盐穴储气库畸形、偏溶腔体约占总数的30%，畸形系数（11.8~90.1）×10^-3，畸形系数越大盐层利用率越低；畸形导致横截面为椭圆形，且不同深度的腔体直径差别较大，使腔体周围盐层利用率降低；偏溶使井间矿柱宽度过低，矿柱比减小，腔体直径受限，腔体积严重降低；底坑形状可分为“V”形、“一”形、“\”形、“A”形4种，其注气排卤效率依次降低，其中，“\”形、“A”形最不利盐腔空间利用，严重降低储气体积。对于腔体畸形可采用的控制手段有降低排量、采用正循环、天然气阻溶回溶等技术。对于偏溶可采用预测偏溶方向合理设计井位、降低矿柱比增加腔体直径等措施。底坑畸形尚无有效控制手段和提高注气排卤措施。该研究为后期腔体形状控制和提高盐腔体积奠定了理论基础，将有助于加快金坛盐穴储气库建设速度。     

富水岩溶隧道掌子面安全岩柱厚度研究

富水岩溶隧道施工时掌子面前方的安全岩柱对保障隧道的安全施工至关重要。为了计算出较为合理的隧道掌子面安全岩柱厚度,以华丽高速营盘山隧道为依托,基于塑性区贯通准则及位移突变准则,建立三维流固耦合数值模型,分别对不同埋深、溶洞内水压力及开挖方法下的掌子面安全岩柱厚度进行了研究,并给出掌子面安全岩柱厚度的区间。结果表明：隧道安全岩柱厚度随隧道埋深及掌子面前方溶洞内水压增加而增大;隧道一次开挖洞径越小,支护越及时,安全岩柱厚度越小;最小安全岩柱厚度区间随隧道埋深增加而增大,但随掌子面前方溶洞内水压增大而减小。采用CRD法开挖时,掌子面安全岩柱厚度及安全岩柱厚度区间均最小,对岩溶隧道掌子面的稳定性也最好。     

地下水封洞库施工期洞室围岩变形松弛典型特征与规律

地下水封洞库施工期洞室围岩变形松弛特征与规律对其稳定性评价与灾害防治具有重要意义。基于地下水封洞库工程特征与典型洞库工程实例,整理分析了大量洞室围岩内部变形、表层变形、波速与锚杆应力等监测数据。结果表明：预埋的多点位移计测点位移主要为0.5-3mm,收敛位移监测值主要为4-8mm,拱顶沉降监测值主要为3-6mm,围岩时效变形不明显;围岩变形与爆破开挖有关,当掌子面或后续台阶开挖面接近监测断面时,变形出现陡增;围岩质量越差,开挖面空间效应越不明显;基于典型围岩特征曲线经验公式,结合预埋的多点位移计监测数据与数值模拟,提出了地下水封洞库洞室围岩损失位移确定方法,发现损失位移占最终收敛位移50%-60%;基于波速变化率提出围岩松弛程度评价指标,发现围岩最大松弛程度约为0.47,松弛深度为1.5m;洞室围岩锚杆受力普遍较小,锚杆拉应力与围岩变形基本同步变化。     

圆形洞室模型在双轴加载下的力学特征分析

为探究圆形洞室围岩在不同围压下加载过程中的力学特征变化,对制作的含圆形洞室的类岩石材料进行双轴加压试验,运用数字图像技术记录全场应变演化过程,并根据室内试验建立颗粒流模型,探究了围压对洞室围岩的抗压强度以及裂纹的发育的影响。结果表明：尺寸效应对模型的力学特征影响较大,圆形洞室模型峰值抗压强度随着洞室尺寸的增加而减小;当围压增大时,压剪作用增强,洞室模型的破坏模式由以张拉应变为主向拉剪复合破坏为主转变;圆形洞室应变集中区域会随着围压的增大由洞口上下侧向两帮转移;当围压逐渐增大,张拉作用被抑制,洞口两侧破坏程度逐渐增加,收缩变形程度逐渐增大;最后通过数值模拟验证了圆形洞室围岩在不同围压下加载过程中的力学变化特征。     

关于地下岩盐溶腔利用的特性研究

岩盐的蠕变、卤水的热膨胀以及卤水的渗漏是影响地下岩盐溶腔长期演变过程的三个主要因素．综述了国外在这三个方面的研究现状，以及国外学者所得到的一些结论．由于我国对岩盐溶解机理、岩盐溶腔的利用以及岩盐溶腔长期演变特性的研究相对薄弱，提出了在地下岩盐溶腔利用的过程中的一些建议．     

隧道与前方大型溶洞应力集中叠加效应

在陆家寨岩溶隧道施工期间,曾预报并揭露大型溶洞,施工过程中接近溶腔段围岩变形较大且伴随围岩块体脱落,给隧道施工带来极大的安全隐患。基于深埋球形洞室的弹塑性二次应力分布,结合新奥法隧道施工理念,利用FLAC3D模拟隧道开挖接近并进入大型溶洞的过程。在自重应力场下分析不同大小的球形洞室周围应力场对隧道围岩变形的影响。结果表明:球形洞室会在周围形成中心半径为1. 5倍洞室半径的应力集中带;隧道开挖接近应力集中带时,将引起隧道前方应力集中区与溶洞应力集中带的叠加;随着隧道继续开挖,叠加效应在下一个进尺完成后失效;分布在隧道两侧围岩,该叠加再分散的过程会造成拱顶、拱肩的变形增大,影响隧道开挖的安全。研究为中国岩溶隧道的建设有重要的参考和借鉴价值。