基于块体理论的围岩稳定性分析及数值模拟研究

岩体的完整性及节理裂隙的发育程度是影响围岩稳定性的主要因素。潜在失稳块体将引起围岩掉块、剥落、滑移甚至坍方等失稳现象。以小三岔口隧道为依托,基于块体理论研究,借助围岩结构分析和数值模拟相结合的方法,从岩体结构特征入手,定位隧道开挖潜在失稳区域,寻找可动块体,确定关键块体,深入分析围岩失稳变形模式,揭示无支护条件下围岩的变形、受力特征并提出针对性施工建议。研究结果显示:岩体节理裂隙发育、节理面相互切割成不利组合和岩块结构面结合性差是围岩失稳的根本原因;关键块体的运动是造成围岩失稳的直接原因。     

金川矿区龙首矿西二副井1 240~1 120 m段井筒破坏机理分析

由于受到断层、不稳地围岩、地下水和地应力等影响,金川矿区龙首矿西二采区副井井筒在1 240～1 120 m段发生变形和破裂,严重影响矿山正常安全生产。为研究副井1 240～1 120 m段井筒破坏机理,从工程地质条件、地应力环境以及工程的设计施工等因素对于副井井筒的破裂机理进行分析,认为软弱岩层、断层及膨胀性黏土矿物围岩等工程地质条件是造成副井变形破裂的主要原因;随着井筒深度的增加,井筒附近的地应力不断集中,亦是造成井筒不稳定的重要因素;支护刚度不够、锚杆长度不足等因素也是造成副井变形破裂的重要因素。在综合考虑上述影响因素的基础上,通过建立井筒的三维数值模型,分析了井筒变形破坏过程。     

浅埋偏压隧道洞口段软弱围岩失稳机制分析

浅埋偏压隧道洞口段极易发生围岩失稳,本文以沪昆客专湖南段田家山隧道为例,基于现场地质调查,分析围岩变形破坏特征,从地质角度探讨浅埋偏压隧道洞口段围岩失稳的影响因素,基于监测数据并运用数值模拟方法研究围岩失稳机制,总结围岩失稳破坏模式,提出针对性的处治措施.研究表明:围岩失稳是多因素协同作用的结果,浅埋偏压作用和地下水是造成围岩失稳的关键因素;围岩破坏模式可归结为重力坍塌和膨胀内鼓的协同破坏模式;在围岩失稳机制分析的基础上,提出了"地下+地表"的综合处治措施,可有效地控制围岩变形.     

具有不同倾角层状结构面岩体中隧道稳定性数值分析

通过引入细观层次的微元体,采用损伤力学和统计理论的单元本构模型,利用岩石破裂过程分析软件RFPA(realisticfailureprocessanalysis),对具有不同倾角层状软弱结构面岩体中隧道的变形破坏特征、隧道周边关键部位的位移进行了分析·结果表明,层状结构面倾角大小对围岩的破坏失稳模式有显著的影响·随结构面倾角的增大,隧道周边应力分布的非对称性逐渐增强,从而造成了破坏模式的非对称性·结构面倾角增大对边墙的受力有不利影响·这对于进一步深入理解具有软弱结构面中隧道破坏失稳机理并采取有效的加固措施等具有理论和实践意义·     

大跨度矩形巷道围岩失稳破坏机制及数值模拟

巷道围岩的失稳破坏是资源开采阶段面临的重要问题。首先,对巷道围岩失稳机制进行了理论分析,探究巷道稳定性的主要因素,并基于ANSYS/LS-DYNA仿真平台对不同跨度巷道（4 、6 、8 、10 m）进行动静荷载耦合响应数值模拟分析。结果表明：当巷道埋深、底板梁厚度等因素一定时,巷道跨度是影响巷道围岩失稳的主要因素。巷道围岩在初始静应力场作用时,第一主应力随着跨度的增加呈现逐渐增大的趋势;跨度的增加（10 m）会使巷道围岩x和y方向的应力发生突增现象,均在巷道底板处有相对较大的拉应力。巷道跨度的增大,导致左右两帮的移近量有所增加;顶板下沉和底板隆起的程度显著增加,加剧巷道失稳破坏风险。在静动荷载耦合作用下,巷道围岩发生失稳破坏,破坏程度随跨度的增加而增加。     

深部巷道围岩热-固耦合条件下的变形破坏数值分析

为研究深部巷道围岩热-固耦合条件下的变形破坏特征,根据深部巷道围岩体稳态温度场模型,得出了热-固耦合条件下深部巷道围岩体应力场、位移场及塑性圈半径的解析解,总结了热应力作用下围岩变形破坏的影响因素。借助Comsol Multiphysics多物理场耦合仿真软件对深部巷道围岩进行热-固耦合数值模拟,并将岩石力学参数与温度的关系引入模拟计算,分析了热应力、支护阻力对围岩变形破坏的影响规律。仿真结果显示,围岩热应力场分布呈非线性变化,浅部应力梯度大,深部应力梯度小;当巷内温度低于原岩温度时,热应力为压应力;随原岩温度升高,径向卸压范围及切向应力集中范围扩大,围岩塑性圈宽度和径向位移值有所增大;随巷内支护阻力提高,围岩塑性圈宽度和径向位移值则有所减小。现场试验发现,巷道围岩热应力场、应力场及位移场计算结果与实测结果吻合较好。     

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.     

地面超载条件下覆跨比对浅埋隧道稳定性的影响

以青岛地铁江西路站为工程背景,通过典型数值模型的计算与分析,研究了地面超载环境中覆跨比对浅埋隧道的变形与受力特征等开挖稳定性规律.结果表明:不同覆跨比下浅埋隧道的破坏形态相似,首先是拱肩部位的围岩发生剪切破坏,然后破坏面逐渐发展至地表,围岩的塑性区形状呈倒锥体;覆跨比大小对隧道的围岩稳定性影响显著,覆跨比小于0.2时,围岩的破坏程度严重,出现地表、拱顶沉降变形不收敛的现象;覆跨比增大,有利于加强围岩与支护的共同作用,可以控制地层的变形发展、降低围岩的应力扰动;地面超载值越高,隧道结构的变形与地表沉降越大,围岩的应力扰动也越严重.     

泥页岩多场耦合流变模型

在泥页岩井壁稳定性分析中,考虑岩石的流变特性和初始微缺陷造成的损伤及其耦合发生过程中的演化扩展,以经典半透膜渗透理论和多孔介质有效应力原理为基础,建立了泥页岩岩石应力场、化学场与渗流场耦合作用下的流变分析模型,给出了泥页岩在力学与化学耦合下蠕变损伤的有限元分析格式,分析了其对应力场、孔隙压力、渗透率的影响。结果表明:井壁围岩蠕变损伤导致其变形具有明显的时效性和非线性特性,应力最大值不在井壁上,而是在近井壁地带,在井眼附近会形成应力集中,造成井眼破坏,导致井壁失稳;围岩孔隙压力随时间、距离的增长而增大后趋于平衡;岩石蠕变损伤发展引起渗透率先减小后增大,其演化率与岩石的裂缝扩展一致。     

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.     

多重采动煤柱留巷累积损伤特征及围岩协同控制

采动应力影响下煤柱护巷呈现复杂的非稳定和非线性变形特征,煤体结构损伤导致支护系统失效现象频发。以寺河煤矿双侧开采扰动下盘区大巷留设问题为工程背景,数值模拟分析大巷从掘巷至双侧工作面回采全过程的围岩应力及变形破坏特征。结果表明双侧采空后大巷应力集中系数达3.55。基于巷道累积损伤破坏特征针对性提出"三主动"围岩协同控制方法,水力压裂主动切顶卸压,缩短侧向支承压力的作用时间,改变煤柱应力分配比例;注浆加固主动围岩改性,重塑煤岩体完整性,提升围岩承载能力;锚杆锚索主动高强支护,确保预应力向围岩深部传递,形成稳定的承载结构。井下工作面超前支护应力、围岩表面位移监测评价分析显示,协同方案有效控制了多重回采扰动下大巷围岩变形,确保了工作面安全高效开采。     

圆形巷道围岩破坏机制解析及静动耦合响应力学行为

非等压圆形巷道围岩塑性区相关问题是影响围岩破坏失稳的重要因素。首先,基于Mohr-Coulomb破坏准则,分析非等压圆形巷道围岩塑性区边界条件,探究侧压系数对塑性区形成的影响机制。此外,利用ANSYS/LS-DYNA仿真平台对不同侧压系数下的巷道围岩力学行为进行静动载荷耦合响应数值模拟。结果表明：侧压系数的增大显著改变围岩有效应力的分布特征。有效应力场的分布特性与塑性区边界理论解具有一定的吻合性。不同侧压系数的应力场作用时,巷道围岩的变形具有显著的差异性,随着侧压系数的增大,围岩发生较大的非均匀性变形。静动耦合作用下顶板和底板的围岩破坏区域显著增加,但两帮围岩的破坏面积有减小的趋势。     

地震作用下地下厂房混凝土衬砌结构稳定分析

针对混凝土循环荷载作用下的率相关性和疲劳损伤特性,提出考虑拉、剪损伤各向异性的混凝土动力本构模型,并推导出损伤变量动态演化方程;针对围岩与衬砌动力相互作用特点,提出考虑围岩与衬砌非连续变形的显式动力有限元积分方法;由此,构建地下厂房混凝土衬砌结构动力响应分析方法,并将该方法应用于映秀湾水电站地下厂房抗震稳定计算。衬砌结构各部位在地震下处于同步震动状态,其中衬砌顶拱应力和位移波动幅度较大;主厂房衬砌顶拱与边墙最大相对位移达到1.6 cm,说明主厂房发生了较为明显的结构变形;衬砌结构损伤区主要分布在顶拱处,其中拉裂损伤造成的损伤破坏较为严重;围岩对衬砌结构的约束作用有助于衬砌结构的抗震稳定性。应用上述方法所得的计算结果较为合理地反映了衬砌结构动力响应特征,可为地下厂房混凝土衬砌结构抗震设计提供参考。     

蜂窝状软粘土蠕变微观分析

为预测软粘土的蠕变变形特征,建立蜂窝状软粘土微结构蠕变失稳力学模型.借助材料力学中对蜂窝结构的研究成果,从微观结构稳定性的角度研究影响软土变形和蠕变的主要几何-力学因素,分析软粘土微结构的变形失稳.研究表明:微结构的变形失稳与其受力状态、几何形状与尺寸等因素密切相关;当竖向应力一定时,随着围压的增大,蠕变屈曲破坏时间变长;当微结构受到扰动时,其蠕变失稳状态也会发生变化,围压的增加会使得微结构的蠕变失稳受到抑制.     

滑坡触发因素及其影响的原位试验

在相同地质条件下,采用人工降雨模拟试验和机械开挖模拟原位试验,研究滑坡触发因素及其对滑坡的影响.研究结果表明:堆积层边坡在降雨入渗影响下多为浅层松弛型破坏,降雨入渗造成土体中孔隙水压力增加,致使边坡土体的抗剪强度由于有效应力减少及土体吸水软化而降低;堆积层边坡在切坡开挖影响下多为浅层牵引式破坏,变形形态为从坡面到坡面以下逐渐减小的松弛形变形;降雨和入渗双重效应可能是降雨诱发堆积层边坡失稳的主要原因之一,在强降雨影响下,易发生滑塌事故.该研究结果可为滑坡的时间、空间和强度预报提供理论依据.     

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.     

动力灾害过程中锚杆支护的极限承载能力数值模拟研究

通过对深部巷道遭受冲击扰动的应力动态演化和围岩破坏的过程进行数值模拟,分析了锚杆与围岩的耦合体系承载冲击的能力,得到了深部锚杆支护巷道抵御动力冲击能力的规律。研究结果表明:水平方向的冲击应力波对巷道底脚和顶板破坏最严重,造成巷道断面挤压变形,同时引起冲击扰动壁面岩块受应力波叠加作用产生弹射;一定的锚杆支护结构在其承载范围能够抵御相应强度的动力冲击,但在更强冲击荷载下对巷道造成的破坏严重加剧,致使锚杆大量失效,并最终导致整个支护体系完全失去支护能力;冲击扰动对靠近扰动源壁面破坏严重,对其他壁面影响较小;原岩应力大小对冲击破坏影响明显,采深越大,冲击扰动造成围岩变形幅度越大,锚杆支护体系破坏更严重。研究结果为进一步开发深部巷道抗冲击破坏稳定性控制技术及制定方案提供了依据。     

考虑温度荷载的机场沥青道面复杂应力状态研究及性能评估

飞机在跑道上进行低速滑行转弯时,对道面同时作用竖向力与水平推力,同时温度也是影响机场沥青道面结构特性的主要因素之一。在此道面区域有竖向力、水平力和温度共同作用,从而加重了沥青道面的损坏并影响其运行安全。针对此问题,利用有限元软件ABAQUS建立机场沥青道面结构的温度场分析模型及温度与复杂荷载耦合分析模型,分析东北和华北地区不同气候条件下道面结构内部温度场的变化规律。华北、东北地区气候条件下,随着道面结构深度的增加,温度变化由剧烈趋于平缓,较之跑道表面其下每层最高温度不断延后;进而开展跑道转弯区和直线区复杂应力与温度耦合作用下沥青道面结构内部应力状态及变形规律分析。分析表明,在转弯区和直线区道面中面层底部剪应力大于上面层底部及下面层底部,面层竖向应力随深度衰减;随着荷载作用次数的增加,竖向变形量与剪切强度前期增加较快,尤其是在道面出现中等损坏之前增加最快,中等损坏后直到严重损坏两者增加均变缓。进一步,设计模型试验模拟沥青道面在复杂应力与温度耦合作用下的受力状态,获得道面结构剪切强度及其变形规律,与上述数值分析结果相一致。在上述数值分析和试验研究基础上,提出基于道面结构应力和变形的道面性能评估量化指标。     

软弱围岩变形三维物理模拟监测系统构建

软岩井筒围岩变形易受多组相交剪切结构面、岩性、埋深等因数影响,在复杂地质作用下,非线性变形特征明显。宁夏宁东矿区地质环境十分脆弱,围岩性质复杂且多次出现此种现象。通过调查研究,在系统地分析软岩井筒围岩的局部化应力-变形机理的基础上,针对性的构建了"声-光-力"集成监测的三维可控加载物理模拟实验平台,形成了"人-机"结合的信息化识别立体模拟防控体系。为后期实验过程和结果分析提供基础支撑。     

软岩大变形隧道锚喷支护的力学效应及失效原因分析

目前隧道锚喷支护设计仍采用以经验为主的工程类比法,由此造成支护参数与围岩地质条件不能完全匹配,在软弱岩体隧道中常引发围岩失稳大变形现象。以油坊坪隧道为例,首先对现场围岩失稳及破坏特点进行了分析,运用剪切滑移理论对锚喷支护系统的力学效应进行计算分析。计算结果表明,设计的锚喷支护参数具有足够的安全度,现场围岩失稳主要是由于施工扰动,促使本来较为软弱破碎围岩进一步恶化,造成锚喷支护体系无法达到设计的支护抗力,加上远超过计算值的实际形变围岩压力最终形成剪切破坏;据此提出施工方面的建议,为类似条件下隧道施工避灾减灾提供参考。