裂隙岩体中隧道变形破坏的节理有限元模拟计算

裂隙岩体是地下工程施工中经常遇到的一类岩体,研究其变形和破坏机理是工程安全施工的保证。以天平线关山隧道工程为例,采用基于修正Goodman单元的节理网络有限元法,将裂隙岩体看作由岩块和节理、裂隙组成的二元结构,其中岩块和节理、裂隙分别采用线性Mohr-Coulomb强度准则和非线性Barton-Bandis剪切强度准则。通过有限元软件Phase~2模拟分析了隧道开挖过程中裂隙岩体的变形破坏特点以及不同工况下隧道拱顶的沉降量,并讨论了Barton-Bandis准则中节理粗糙程度(J_(RC))的取值对围岩稳定性的影响。研究方法为裂隙岩体的数值计算提供了新手段,节理粗糙度(J_(RC))的反演结果能为支护设计和加固措施提供参考依据。     

岩体隧道施工诱发的关键块体三维模型及其验证

在岩体隧道工程岩体结构面的观测基础上,研究了结构面三维模型及网络模拟技术,通过不连续面网络图模拟真实岩体的几何特征,讨论了两种块体搜索方法,即根据确定结构面参数搜索确定块体和根据节理面网络图搜索随机块体的方法.引入概率理论对被节理切割的岩体中关键块进行了分析,采用蒙特卡罗法和面向对象的编程技术,给出了基于统计原理的岩体不连续面三维计算机模拟方法.建立了岩体工程适用的块体搜索和计算模型,实现岩体隧道工程的关键块体计算机搜索、三维显示和旋转等.     

三维贯通节理对大跨隧道围岩稳定性的影响

为了探究贯通节理对大跨隧道围岩稳定性影响规律,运用3DEC软件结合离散元强度折减法,以剪切滑移区面积指标为稳定性判据计算大跨隧道围岩安全系数,分析三维状态下节理的走向、倾角、间距、力学参数对围岩稳定性的影响规律。研究结果表明：在大跨隧道围岩中,节理倾向影响稳定性程度由大到小依次为X向、Z向、Y向,仅有单向节理时,ψ>60°时围岩较不稳定;在双向节理组合下,节理倾角致使隧道失稳的经验判别式;节理间距对大跨隧道稳定性的影响程度根据不同块体形状而产生差异,拱顶分布长条形块体时影响最大,洞周分布尖条形块体时影响最小;节理力学参数对大跨隧道稳定性影响程度由大到小依次为内摩擦角、法向刚度、切向刚度、黏聚力;大跨隧道围岩节理倾角由水平到垂直的过程中,围岩变形破坏由拱顶沉降、拱底隆起转变为以拱顶、拱肩大变形及滑移为主。研究结果可为节理岩体中大跨隧道围岩稳定性判定及支护优化提供借鉴。     

关山隧道高地应力破碎围岩地段变形及支护试验研究

本文以天平铁路关山隧道高地应力破碎围岩地段的掉块引起坍塌及初期支护大变形问题为研究对象,选取试验段,对工程地质和围岩监控量测数据进行分析,揭示了小断面隧道围岩破碎崩塌、初期支护变形破坏发生的主要因素,即小断面隧道施工工法、围岩破碎稳定性、围岩节理和微裂隙发育、节理密集带发育、支护结构刚度,提出了采用"多台阶、短进尺、少装药、快封闭、强支护"的工程实施措施,从而有效控制破碎围岩变形量,确保小断面隧道在高地应力破碎围岩地段支护质量和安全。     

赤平极射投影在隧道围岩稳定分析中的应用

在隧道施工过程中,由于岩体天然应力状态遭到破坏,引起隧道周围岩体的应力重分布,当这种应力重分布超过围岩所能承受的范围时,将造成某些块体沿着结构面失稳,进而造成工程岩体的失稳破坏,给施工带来严重威胁,直接影响施工的安全和进度。块体理论是近年来发展和完善起来的一种岩体工程稳定性分析研究方法,随着国内外学者认识和研究的深入,其研究方法己经较为成熟,块体理论赤平解析法是基于块体理论的一种岩体稳定的计算方法,文章将介绍此方法在隧道围岩稳定分析中的应用。     

大跨度岩体隧道工程块体滑落的概率分析

介绍了块体理论,在沈阳至大连高速公路韩家岭隧道工程岩体结构面的观测和调研的基础上,引入概率理论对被节理切割的岩体中关键块进行了分析,推导了概率分析模型,从而使原来的一些关键块体转化为稳定块体,使滑落块体的数量更接近实际工程,并应用于韩家岭隧道工程稳定性分析中·初步结果表明,块体理论适用于像韩家岭大跨度隧道工程等局部围岩稳定性分析问题,大跨度岩体工程的稳定性主要取决于结构面的产状和物理力学性质,以及临空面的几何形态,提出的概率分析理论符合工程实际·     

基于GSI的裂隙化岩体力学参数的确定

裂隙化矿岩体的力学强度特征和参数,主要受到岩块力学参数和岩体的节理裂隙参数的影响。为确定井下开采裂隙化矿岩体的力学强度参数,引入节理间距和节理面粗糙度系数(JRC)对地质强度指标(GSI)系统进行定量化的分级和参数取值,建立了定量化的GSI评价体系,综合采矿活动的影响因子,实现了裂隙化岩体力学强度参数的计算。以锌铜矿体的裂隙化矿岩体结构为研究对象,在进行的岩体工程地质调查基础上,取得了上下盘围岩的节理裂隙间距和节理结构面粗糙度系数,定量确定了上下盘围岩的裂隙化岩体强度力学参数。研究结果表明,运用定量化的GSI方法,可以实现裂隙矿岩体结构强度参数的确定,得到了锌铜矿体的上盘和下盘围岩的强度特征参数,其弹性模量分别为5.749 GPa和4.483 GPa,内聚力分别为3.126 MPa和2.772 MPa,内摩擦角分别为24.56°和23.08°。这些力学强度参数指标为裂隙矿岩体的采矿工程设计提供了基础参数。     

基岩斜坡变形与破坏的岩体结构模式分析

岩体结构,特别是软弱结构面对基岩斜坡变形与破坏具有显著的控制作用,岩体结构模式分析是建立斜坡地质模型和数学模型的关键和评价斜坡稳定性的基础。岩层层面、断裂构造、节理裂隙、片理与劈理以及侵入体和围岩的接触带等是控制基岩斜坡稳定的软弱结构面,这些成因不同、大小不一的结构面将岩体分割成性质各异、力学强度不均的各种岩体结构体,构成了15种基岩斜坡变形、破坏的岩体结构基本模式。不同结构体的重新组合与排列是斜坡失稳的内在原因。三峡库区11种岩体结构类型的岸坡存在着多种形式的变形与破坏。     

裂隙岩体巷道顶板失稳的块体力学分析与支护强度设计

受完全切割性裂隙影响的地下岩体巷道顶板失稳问题具有与众不同的显著特点,由贯通性构造裂隙切割形成的块体结构形状以及裂隙弱面的强度性质决定着顶板的变形破坏过程和支护强度确定.应用关键块体的力学基础理论,研究了顶板岩体常见的"楔形块体"和"六面体块体"失稳准则和滑动力大小,由此探讨了该条件下合理支护强度参数的设计确定,用2个现场实例证明了该设计方法的实用性.图5,参6.     

叙大铁路隧道节理特征对围岩变形的影响

节理发育是隧道变形的主要影响因素之一。以叙大铁路隧道节理的发育特征情况为背景,采用离散元软件UDEC对隧道围岩节理特征进行了数值模拟,分析了围岩节理组数、倾角、间距以及围岩支护对隧道变形的影响。研究结果表明,隧道变形随节理组数增大而增大,主要点变形区域受节理倾角控制,当隧道节理间距小于1cm时,对隧道围岩变形影响较大。     

碎裂介质围岩变形及稳定分析

引入碎裂岩体组合的结构模式及其变形本构规律，建立了碎裂介质圆形峒室围岩稳定和变形性质的分析理论，同时，提出以面体形变比认识围岩岩体结构特征的新观念。模型实例分析表明：碎裂岩体结构控制着围岩变形及稳起性，而且结构面的作用远远超过岩体组成成分岩块的作用。     

一种利用光纤光栅技术的巷道实时监测系统

提出了基于光纤光栅原理对巷道关键断面的应变和位移进行监测的实施方案,系统采集大量数据进行分析得到关键截面应变和围岩变形规律,为生产管理者提供科学的判断依据,并及时采取相应措施,阻止围岩失稳、避免突发性破坏的发生。     

动态原位监测技术在顺层岩体隧道的应用—以六汉隧道为工程实例

为明确六汉隧道浅埋顺层岩体开挖后围岩应力变化规律及特征。基于FLAC_^3D数值模拟分析顺层围岩隧道变形特性,对岩层节理面处偏压应力及二衬结构变形特征进行了施工期动态原位监测。结果表明：浅埋顺层岩体地形隧道开挖致使岩层节理面两侧局部应力不均衡,出现较大偏压应力和剪切应力;基于近9个月的监测点数据显示开挖20~30 m与80~90 m后,隧道初支与围岩接触应力变化明显,前者应力变化速率达到峰值,而后者开始趋于稳定;二衬混凝土结构应变随时间变化的响应规律表明初支结构承受围岩变形大部分有效荷载,二衬分担围岩变形传递的局部不均衡应力。其现场监测结果为今后该类型隧道设计与支护荷载的计算奠定了理论基础。     

隧道围岩稳定性及其支护作用分析

针对隧道设计中的围岩力学特性及其荷载效应、"支护-围岩"动态作用特点及支护结构体系的协同作用原理3个基本问题进行研究.首先基于对大量山岭隧道围岩变形监测结果的统计分析,指出围岩变形规律和基本特点,以隧道掌子面围岩变形加剧点、初期支护施作和围岩变形稳定作为3个关键节点对"支护-围岩"力学演化过程的作用特点进行分析.提出了"浅层围岩"与"深层围岩"组成复合围岩结构的新理念,对围岩失稳的动态特征进行阐述,并通过计算分析指出了隧道围岩失稳模式、失稳机理和失稳范围的确定方法.基于围岩失稳模式推导作用于支护结构的围岩荷载计算公式,它包括由浅层围岩确定的"给定荷载"和深层围岩传递的"形变荷载"两部分.建立支护结构体系的协同作用力学分析模型,分析了弹塑性条件下影响塑性区变化的关键因素,揭示了初步加固圈层与后续支护圈层的协同作用原理.研究结论对实现隧道工程的动态化、定量化设计和施工具有重要的指导意义.     

加固顶板和两帮控制回采巷道底臌研究

回采巷道围岩是由顶板、两帮和底板共同组成的复合结构体,各部位的岩体强度、应力状态及变形破坏等特性方面的差异显著,尤其受采动影响后,巷道围岩各部位变形发展不均匀性显著,往往造成巷道围岩产生结构性失稳破坏。为提高巷道围岩的结构稳定性,通过理论分析和数值模拟分析了提高顶板和两帮强度对底板岩层稳定性的影响。研究结果表明:加固顶板减小了顶板挠曲位移量,同时可以促使围岩应力向深部围岩转移,降低了底板岩层的应力集中程度,有利于控制底板变形;加固两帮可以提高巷道两帮围岩强度,促使应力向两帮转移,有利于减小发生底鼓的底板岩层宽度和两帮移近量,从而减小底板的挠曲效应和压曲效应。分析结果还表明,加强两帮对于减小底鼓量的效果更为明显。在上述分析的基础上,进行了加固顶板和两帮控制巷道底鼓支护技术的现场工业性试验,试验结果表明加固顶板和两帮可有效地控制巷道底鼓。     

大强煤矿深井软岩马头门支护技术

以大强煤矿副立井马头门硐室为工程背景,根据工程地质条件和围岩特点,借助FLAC3D有限差分程序进行传统支护下的数值计算。结果表明,该硐室采用传统的锚网喷＋锚索＋普通混凝土支护形式,出现围岩变形明显、应力集中程度大、硐室围岩整体失稳破坏的情况。为解决这一问题,结合软岩工程力学理论及室内物化实验结果,分析马头门硐室的破坏机理,提出恒阻大变形锚网索＋底角锚杆＋柔层桁架耦合支护的力学控制对策。实践表明,新型支护技术有效地控制了深井软岩马头门硐室围岩的大变形破坏,取得了良好的支护效果,具有推广应用价值。     

高地应力富水软岩铁路隧道变形机理及施工控制措施

云南玉磨铁路曼勒一号隧道地处喀斯特地貌区,现场施工中遇围岩地应力高、变形量大、变形持续时间较长等问题,导致初支变形严重,影响施工进度,其中高地应力是导致围岩大变形的主要原因。通过建立力学模型分析与施工现场试验,提出开挖迂回导坑释放高地应力的控制措施,降低隧道围岩大变形风险。研究结果显示：通过数值模拟分析增设迂回导坑后,隧道正洞围岩变形量有效降低,拱顶沉降及拱腰收敛分别降低38.46%和58.34%,围岩塑性区最大塑性应变减小25.40%,围岩及初支结构应力减少了20%～24%。现场施工中,迂回导坑段隧道比仅开挖隧道正洞的围岩变形量减少了61.92%。迂回导坑的开挖能够有效控制变形量及变形速率,现场试验效果良好,施工进度得以加快。     

井壁稳定多场耦合分析研究进展

井壁稳定问题是石油钻井过程中十分重要的问题,而地层流体、钻井液性能、温度等因素对井壁稳定有重要影响。通过对目前国内外井壁失稳分析的研究现状进行总结,将钻井过程中井壁失稳的影响因素分为岩石结构场、应力场、渗流场、温度场和化学场等5类作用场,分析了这5类作用场的具体内容及产生原因,由此对井壁失稳多场耦合的作用场影响和发展现状进行了较为系统的分析。在进行井壁失稳多场耦合分析时,应力场和岩石结构场是研究的基础,在总结国内外井壁失稳研究方法的基础上,对岩石结构类型和岩石变形机制进行了分类;以岩石结构场和应力场为基础,结合其他3种作用场的影响,着重分析了包括三场、四场和五场耦合在内的井壁稳定多场耦合研究发展现状;对于四场和五场耦合分析而言,孔隙介质热弹性理论和孔隙介质化学热弹性理论应用较为广泛。最后结合不同作用场的特点和现代钻井工艺的发展方向展望了其发展趋势。