深部巷道围岩变形破坏规律的数值模拟研究

巷道随开采深度的增加,其围岩变形会逐渐增大,特别是深部巷道.本文采用FLAC3D软件,分析深部巷道的掘进过程中围岩变形规律及应力分布.研究表明:巷道开挖后,顶板会产生了高达144 mm的下沉变形量,底部产生了将近15 mm拱起变形量,两帮偏移量高达208 mm;围岩应力会产生二次分布,其中顶底部会产生最大0.12 MP...     

湿度场下矩形巷道围岩破坏规律的数值研究

为探究高湿度环境对矩形巷道破坏过程的影响,利用湿度-应力-损伤耦合模型,采用岩石破裂过程分析软件湿度版,建立3种层状岩层煤巷数值模型及3种开采方式的煤-岩巷道数值模型,再现湿度场下矩形巷道围岩破坏过程,分析湿度场下巷道变形随时间变化的特点。结果表明:湿度对矩形巷道的变形和破坏有显著影响。煤巷的破坏裂纹首先在两帮的煤层中萌生,进而扩展到强度较低的顶板或者底板,最终扩展到强度较高的岩层中;煤-岩巷道顶板的变形量与煤层的相对位置有关,虽然破坏同样先出现在煤层中,但是与煤巷不同的是,裂纹向距离煤层近的顶板或底板扩展。     

不同侧压系数下复合地层变形破坏特征数值模拟

针对中国中西部挤压造山带大埋深不同侧压系数(0.5~2.0)下复合地层在工程开挖扰动下复杂叠加的变形破坏特征,采用有限差分程序FLAC3D对3种不同组合型式的复合地层开展了数值模拟研究。同时结合软岩和硬岩解析解的分析对比,发现开挖卸荷作用下复合地层位移量比均质软岩小,前者随侧压系数增加位移量较大的点由顶拱向边墙转移变化。硬岩中富集的主应力比软岩中高。软岩塑性区半径最大的是前软后硬型,比上下叠置型复合地层的结果大很多。后者接近该深度下的均质软岩隧道的塑性圈半径。本文结果可为复合地层中隧道工程设计和施工提供参考。     

影响巷道变形与破坏节理力学参数的正交数值模拟试验研究

采用正交数值模拟试验方法研究了节理力学参数对巷道变形与破坏的影响.选择法向刚度、切向刚度、粘聚力、内摩擦角、剪胀角、抗拉强度等6个因素、5个水平的正交试验方法进行了相关的UDEC数值模拟试验.试验结果表明:节理法向刚度和内摩擦角是影响巷道变形与破坏最敏感也是最重要的参数,增大节理法向刚度和内摩擦角可显著提高节理的抗变形能力;节理粘聚力和切向刚度对巷道变形也有明显影响.     

回采巷道围岩结构特征及变形破坏规律研究

通过对西山、汾西，霍州等矿区９个煤矿２１个煤层的调查统计，将回采恭延顶板按岩层结构分为多层薄层顶板，复合顶板、厚层整体顶板和厚煤层顶板４种类型，并对典型围岩结构进行了相似材料模拟试验。     

巷道围岩锚固结构面剪切特性与破坏特征研究

为研究锚固巷道围岩结构面的剪切特性与破坏特征,采用FLAC^3D软件建立粗糙锚固结构面数值模型开展剪切试验,对锚固系统的剪切特性以及受力变形和破坏特征进行了系统研究。结果表明：锚杆能够有效提高结构面的抗剪能力,锚固系统的剪切应力在峰值位移处提升了0.33 MPa,在剪切结束时提升了0.93 MPa。锚杆所受剪切应力集中在结构面附近,锚杆所受的轴力在结构面两侧呈两组对称分布的压应力区和拉应力区。锚杆在结构面处的剪切应变较大,拉应变次之。锚固剂-围岩界面和锚杆-锚固剂界面的剪切应力在结构面处最大,锚杆-锚固剂界面所受剪切应力和受力范围更大。塑性破坏主要产生在锚杆与结构面相交处和结构面凸起处,锚固剂多是发生拉伸破坏,围岩则多是发生剪切破坏。锚杆-锚固剂界面更容易发生脱离,导致锚固系统失效。     

强开采条件巷道变形破坏与能量转移分析

为进一步研究强开采条件下巷道变形破坏与能量转移特征,采用了RFPA计算软件,对巷道变形破坏及能量传递特征进行分析,研究开采过程中巷道变形破坏规律。研究结果表明,巷道顶部及两端应力集中现象较严重,且随着开采的不断推进,应力值不断增加,在顶部中间部位和两端处易产生裂缝并不断发育,甚至发生局部破坏;从能量释放角度分析可知,随着开挖的推进,能量积聚发生在裂缝发生和扩展区域,也是应力集中部位,当岩体内能量达到材料破坏强度时,材料将发生破坏,表现为拉应力作用下的破坏。数值计算结果可为开采中巷道安全和稳定提供可靠依据。     

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.     

断层影响下千米深井巷道围岩破坏机制及控制

为解决深部巷道断层附近围岩变形量大的问题,以山东鑫汇金矿-1 070 m水平石门巷道为研究背景,现场调查发现巷道存在冒顶和片帮等隐患,且巷道断面尺寸在原有支护下2个月后由3.6 m×3.1 m缩减到3.1 m×2.5 m.采取修正后的Hoek Brown准则引入Hoek Brown常数(m1)、岩体地质强度指标(GSI)和扰动因子（D）3个参数,计算后发现临界失稳半径与Hoek Brown常数、地质强度指标和岩石单轴抗压强度呈负相关,与围岩应力和扰动因子呈正相关.在此基础上,通过数值模拟对比了原方案和 “超前管棚注浆支护+锚梁网喷+长锚索+钢支架”联合支护方案的效果,结果表明：巷道顶底板变形量最大分别减小了400和300 mm,底板变形量两帮变形量最大减小了200 mm,检验了支护方案的有效性.方案实施后,现场监测表明,巷道顶底板及两帮的围岩变形量维持在250 mm以内,巷道围岩状况满足工程的需要.     

金能煤矿软岩掘进巷道变形破坏特征及控制技术研究

针对软岩巷道围岩在掘进过程中呈现出的顶板下沉量大、两帮收敛严重等特点,为解决巷道围岩稳定性控制的难题,以金能煤矿二采区1201工作面的运输顺槽为研究对象,基于工作面巷道工程地质条件,采用现场实测、数值模拟和工业性试验等方法,阐述了软岩巷道的变形破坏特征,提出了3种不同的围岩控制方案,利用FLAC3D软件模拟了该巷道围岩水平位移、垂直位移和塑性区分布情况,并进行现场测试。工程应用结果表明：“锚索+W钢带+U型钢+注浆”的支护方案效果明显,提高了围岩的承载能力,实现了巷道围岩的稳定性控制。     

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.     

节理岩体中隧洞开挖的渐进破坏模式

节理岩体中隧洞的破坏模式与节理属性密切相关．基于一个能描述多组节理的岩体模型,采用数值模拟技术研究了节理倾角和侧压力系数对节理岩体中隧洞破坏模式的影响结果表明,节理岩体中隧洞的破坏模式受节理倾角控制．在较小节理倾角下,主要表现为肩部岩体的弯曲断裂、节理之间的分离和边墙岩体的压碎;在较大的节理倾角下,主要以边墙岩体的压碎和节理之间层状岩体的滑移为主侧压力系数亦影响隧洞破坏模式,在较小的侧压力系数下,隧洞破坏主要受节理倾角影响;随着侧压力系数的增大,其破坏主要受构造应力影响．这些结论可为隧洞支护设计和施工提供参考     

岩石破裂过程中围压效应的数值试验研究

ＲＦＰＡ系统研究了围压对岩石破裂过程宏观力学行为的影响。计算结果表明,由于岩石非均匀的基本特征。具有带拉伸截断的Ｃｏｕｌｏｍｂ准则的基元构成的宏观破坏规律（Ｍｏｈｒ圆的包络线）是复杂的、一笥的,与物理试验结果表明出良好的一致性,在较低围压条件下,岩石的压缩强度同围压系数具有线性关系。岩石的应力－应变全过程曲线随着围压的增加,延性和压缩强度均随之提高,模拟结果同试验结果有着良好的一致性。     

地面堆载作用下既有隧道的工作状态

随着城市的快速发展,在既有盾构隧道周边地块的开发利用过程中,进行地面堆载是不可避免的,为评估地面堆载对隧道结构安全的影响,以区间盾构隧道为工程背景,首先,采用等效轴向刚度模型理论计算得出隧道变形界限值;其次,采用ABAQUS数值模拟软件,以隧道下卧软土层为地层条件建立三维实体数值模型,分析不同堆载范围和不同堆载大小对隧道结构纵向变形曲率、环缝张开量以及螺栓应力的影响;最后,将计算结果与隧道变形界限值进行对比,判定结构是否安全,并依此划分隧道的工作状态。研究成果对软土地区盾构隧道的结构设计和安全保护具有重要意义。     

隧道衬砌结构安全性的有限元数值模拟分析

利用ANSYS有限元分析软件,对某公路隧道的设计与开挖过程进行了仿真分析.采用二维弹塑性有限元分析方法,对衬砌结构的内力进行计算和分析.并结合公路隧道设计规范给定的极限状态方程,计算出隧道衬砌的强度安全系数.研究衬砌厚度变化对其安全系数和结构稳定性的影响,为类似隧道设计施工提供科学依据.     

裂纹长度对裂隙岩体力学特性及破坏模式的影响

采用伺服控制岩石力学试验机对水泥砂浆材料制备的类岩石试件进行单轴加载,利用颗粒流离散元软件对岩体进行单轴加载数值模拟试验,研究不同预制裂纹长度下裂隙试件的力学特征及破坏规律.结果表明:随着裂纹长度的增加,裂隙试件的峰值强度、峰值应变和弹性模量均减小,裂隙模型脆性减弱,延性增强,且随着裂纹长度的增加,弹性模量的降幅逐渐增大,敏感度增强;引入强度劣化系数来定量分析裂隙试件的劣化特征,当裂纹长度从10 mm增加到15 mm时,劣化系数增长迅速,试件强度下跌明显,强度敏感度最大;裂纹长度影响裂隙试件的最终破坏模式,在0°原生裂纹下,随着裂纹长度的增加,裂隙试件的破坏模式由剪切破坏为主变为剪切、张拉复合破坏再转化为出现宏观裂纹的张拉破坏.     

不同围压下岩石破坏全过程数值模拟

虚内键模型认为固体材料在细观上是由离散的质量微粒组成,质量微粒之间由虚内键连接,通过虚内键之间特定的连接法则和相互作用推导出了材料的宏观本构方程并将破坏准则嵌入到了本构方程中.采用Monte-Carlo方法来描述岩石材料的非均质性,并假定微元强度服从Weibull分布,通过虚内键的密度或刚度演化,再现了不同围压下岩石破坏全过程.根据数值模拟结果,利用最小二乘法的线性拟合,得出了岩石强度随围压变化的表达式.     

软、硬地层中局部堆载对隧道横向变形影响的试验研究

通过缩尺模型试验研究了局部堆载位置对软、硬地层中隧道横向变形的影响机理,考虑不同堆载位置和隧道穿越土层性质,测量了分级加?卸载过程中隧道管片的椭圆度、接头张开量和附加土压力的变化情况。试验结果表明,当荷载大小相同时,随堆载偏心距增加,隧道椭圆度先迅速减小然后趋于平缓,堆载导致软土层隧道的椭圆度大于硬土层隧道,并且增加偏心距后软土层隧道椭圆度的减小更明显。增加堆载偏心距可以有效减小隧道接头的张开量,正上方堆载时变形主要发生在隧道左右肩部与顶部接头,偏心堆载时变形主要发生在荷载对侧的肩部与顶部接头。堆载作用下砂土层隧道土压力分布较均匀,而软土层隧道土压力主要集中于水平方向,随着偏心距增加,土压力逐渐减小且主要集中点向荷载对侧的斜截面转移。最后,采用有限元模拟进行了主要影响因素的参数分析,对运营隧道上方堆载与保护提出了相关建议。     

混凝土试件裂纹扩展及破坏过程的计算机模拟

运用一个材料破坏过程分析ＭＦＰＡ＾２Ｄ系统,研究了混凝土试件中的裂纹扩展及破坏过程。该方法认为宏观破坏行为是由于具有弹性一脆性特征的细观微元体不断破裂造成的。而造成微元体不断破裂的原因是策元体材料性质的非均匀性。本文根据骨科类型和考虑界面与否,分４种情况模拟了混凝土试件的变形与破坏过程并给出模拟结果及结果分析。     

不同位置空洞条件下隧道的破坏模式试验研究

隧道空洞是影响隧道稳定性的重要原因之一,因此开展了空洞在拱肩、边墙、拱脚及拱底等位置的模型试验,总结出存在不同位置的空洞隧道的破坏形式和破坏顺序.试验结果表明:拱肩空洞模型在空洞的边界位置和拱脚处现受压破坏,底板出现开裂;边墙空洞模型在空洞位置相应的衬砌出现压溃及拱顶产生开裂;拱脚空洞模型是拱脚位置衬砌受压破坏以及拱顶产生开裂;底部空洞模型是在底板衬砌位置及相应拱肩衬砌受压破坏以及拱顶出现开裂,研究结果为隧道的顺利施工和后期维护提供参考依据.