深部巷道围岩蠕变的数值模拟

煤矿深部开采时,针对高地应力下岩体蠕变导致的巷道围岩变形问题,分析了围岩变形破坏特征,并结合现场相关地质资料,采用FLAC^3D程序的Burgers蠕变模块,对不同围压条件下巷道围岩蠕变问题进行模拟研究。结果表明：围岩的蠕变存在着初始蠕变和稳定蠕变两个阶段;围岩的蠕变移近量、变形速率和应力均随时间的延长而增大,最终趋于稳定。该研究对高地应力条件下巷道施工有一定指导意义。     

考虑蠕变效应的软岩特大断面隧道围岩抗力系数计算

根据软岩具有蠕变时效的特点,考虑岩体应力-应变全过程曲线,基于鲍格斯(Burgers)蠕变力学模型,推导出了考虑蠕变效应及初始地应力的隧道抗力系数计算公式。以沪昆高速铁路特大断面软岩隧道——明山隧道为工程依托,通过现场水压致裂试验获取隧道初始地应力以及室内岩石试验,获取围岩物理力学参数,代入该公式得到了明山隧道的围岩抗力系数。研究结果表明:该公式能够可靠的运用于具有蠕变效应的软岩隧道衬砌支护设计计算中;当围岩出现塑性流动变形时,围岩仍具有与衬砌共同承载的能力,这一研究结果对隧道衬砌设计具有十分重要的实际指导意义。     

软岩蠕变扰动现场观测与试验研究

对极软地层深井软岩巷道围岩变形进行现场监测,主要分析外界动压扰动对软岩巷道围岩变形的影响,并设计出软岩蠕变扰动室内试验,选取红砂岩试件分别研究在较低应力和较高应力水平下蠕变受外界扰动的响应,试验表明红砂岩在较低应力状态时蠕变变形受扰动影响不明显,扰动变形呈现衰减形式,在较高应力状态时蠕变受扰动非常敏感,蠕变变形速率快速增加,扰动变形量也急剧增大。     

基于修正西原模型与Lade-Duncan准则的隧道围岩蠕变效应研究

为探究软岩隧道围岩变形的蠕变时效性,采用非定常黏滞体对西原模型进行修正。基于Lade-Duncan准则,分析了围岩黏弹性和塑性阶段隧道围岩变形过程,推导得到了隧道围岩黏弹塑性解。以某高速公路隧道为工程研究对象,计算了蠕变时效过程的围岩位移值;并通过现场拱顶沉降监测的方法,实测了隧道围岩的蠕变变形,通过对比理论计算值与现场实测值,验证了理论计算的准确性。理论计算显示,当t=0时,隧道围岩将发生蠕变现象,此时围岩位移值为17.890 mm;当t为常数时,围岩位移随着时间的变化逐渐增大;当t=∞时围岩发生充分蠕变,围岩位移达到极值为26.451 mm。现场监测结果显示,围岩变形第一次稳定拱顶累计变形为19.1 mm,此后进入蠕变阶段,达到第二次稳定拱顶累计变形为29.3 mm。初始蠕变变形的理论计算与实际监测结果之间的误差为6.76%,最终蠕变变形的理论计算与实际监测结果之间的误差为10.77%,两者误差较小,反映了理论计算具有较高的准确度。在理论层面,考虑蠕变效应后围岩变形增加了47.85%;在实际层面,考虑蠕变效应后围岩变形增加了53.4%,皆反映了蠕变效应举足轻重的作用。由此可见,对于软岩隧道在进行支护设计时,必须考虑蠕变效应,避免因后期围岩蠕变效应导致初支失效进而影响隧道的整体稳定性。     

考虑蠕变影响的隧道围岩抗力系数计算方法

基于Winkler局部变形理论,将高速铁路隧道围岩划分为能够考虑蠕变效应的3个有限环模型。在应力应变全过程曲线的基础上,采用伯格斯(Burgers)蠕变力学模型模拟黏弹性区的蠕变变形,推导考虑围岩蠕变效应的围岩抗力系数公式。为研究红砂岩隧道衬砌设计的围岩抗力特性,以沪昆(上海—昆明)高速铁路特大断面隧道即店塘边隧道红砂岩段为工程依托,分别计算该段围岩有无考虑蠕变效应的抗力系数。研究结果表明:考虑红砂岩的蠕变效应后,围岩抗力系数有所降低;当红砂岩段围岩软弱破碎、出现塑性流动变形时,围岩抗力系数并不为0 MPa/m,围岩仍具有分担荷载的能力。这可对隧道衬砌设计提供参考。     

粒子群算法在时效变形参数反演中的应用

以往的现场刚性承压板压缩蠕变试验中部假设岩体变形为黏弹性变形,然后推求岩体的蠕变变形公式,并结合最小二乘法反演获得蠕变参数,这种方法由于进行了黏弹性变形的假设从而无法考虑岩体的黏塑性变形,为此,采用粒子群智能算法的数值反演方法进行研究,并且提出将流变模型中控制瞬时变形和时效变形的2种参数分开反演的二次粒子群算法.研究结果表明:采用这种方法可以有效地减小反演的难度,提高了反演精度;将此方法应用于现场压缩蠕变试验的参数反演,拟合时效变形参数曲线与试验曲线较吻合,从而可获得相应的流变参数.     

基于互层岩体的非定常黏弹塑性蠕变模型及有限元分析

为研究互层岩体在考虑时效变形作用时的蠕变特性，提出了一种考虑应力、应变阈值的非定常黏弹塑性五元件模型。该模型能够同时描述岩体的瞬时弹性应变、黏弹性蠕变、线性黏塑性蠕变和非线性黏塑性蠕变（加速蠕变），推导得出了其在三维应力状态下的蠕变方程；基于ABAQUS有限元软件完成了UMAT子程序的研发，并通过对比岩体的室内蠕变试验与该模型数值模拟结果来验证模型的适用性。结果表明：蠕变试验结果与数值计算结果相吻合，非定常黏弹塑性模型不仅可以精确描述减速蠕变和稳态蠕变过程，还可以较好地描述岩体的加速蠕变过程，从而验证了该模型的适用性与有效性。     

排水条件下吹填软土蠕变特性

为深入了解排水条件下吹填软土的蠕变变形和黏滞特性变化规律,对沿海地区软土地基的长期沉降进行合理预测。以天津滨海吹填软土为研究对象,利用三轴流变仪开展一系列的蠕变试验,分析不同排水条件、围压、固结比和初始静偏应力对其蠕变变形的影响,并在此基础上探讨排水条件下黏滞系数的变化规律,构建相应预测模型,同时,利用试验数据对计算结果进行验证。最后给出排水条件下考虑围压和时间等因素吹填软土蠕变变形的预测公式,构建不同蠕变变形阶段黏滞系数的预测模型,并验证模型的可行性。研究结果表明：排水和增大围压、固结比均可有效弱化吹填软土的蠕变效应,初始静偏应力的影响则存在临界值,小于该值时,蠕变变形减小,反之,蠕变变形明显;排水蠕变过程中黏滞系数随围压和固结比的增大而增大,且在小偏应力作用时,呈指数增长趋势,大偏应力作用时,增长幅度近乎线性且速率缓慢,而随初始静偏应力的增大而近乎线性减小;不同蠕变变形阶段,黏滞系数的表现存在差异性,其中线性黏弹与线性黏塑阶段,黏滞系数仅为时间函数,而非线性黏塑阶段,黏滞系数同时为时间和应力函数。研究成果可为吹填软土场地施工提供参考。     

大理岩裂隙岩体流变特性试验研究

该文提出并运用地质作用分析与力学过程模拟、力学参数控制相结合的岩体试件制备与试验技术方法,将取自某大型水电工程深埋引水隧洞围岩的典型大理岩块标准试件制备成含有裂隙的岩体试件,通过单轴压缩蠕变、单轴压缩松弛、单轴压缩卸荷和三轴压缩蠕变试验,揭示了大理岩体的流变特性。试验结果表明:该大理岩体的流变特性可用西原模型来表征,并据此求解了流变参数和长期强度;岩体的强度存在显著时效弱化特征,与瞬时强度参数相比,c_∞降低了60%,φ_∞降低了14%;岩体抗剪强度的时效弱化效应与岩体应力有关,低应力下的强度时效弱化效应比高应力下更为显著。这些成果与方法可供工程与同类研究参考。     

不同粗糙度系数结构面分级剪切蠕变特性

掌握结构面剪切蠕变特性的规律是揭示岩体时效变形与破坏的根本途径。通过对Barton标准剖面线第1条和第10条人工水泥砂浆结构面分别开展了恒定法向力条件下的分级剪切蠕变试验,研究了结构面剪切蠕变特性随粗糙度系数(JRC)、法向应力、剪应力的变化规律。同时,采用离散元软件(PFC^2D)对不同粗糙度系数的Barton标准剖面线结构面进行了分级剪切蠕变数值模拟研究。结果表明：在恒定法向力条件下,同一结构面剪切蠕变量、蠕变速率均随剪应力增加而增加;在恒定法向应力及剪应力作用下,剪切蠕变随粗糙度系数增加而减小,结构面剪切蠕变数值模拟结果验证了同样的结论;另外,蠕变变形位移云图结果表明结构面试样沿结构面剪切加载方向,剪切蠕变随距离增加而减小;随着粗糙度系数增加,结构面剪切蠕变破坏模式由滑移摩擦为主逐渐向剪断破坏为主过渡。研究成果可为岩体工程的长期安全稳定性评价提供理论依据。     

非线性准则下隧道围岩响应的理论和数值分析

采用Hoek-Brown非线性准则描述岩土破坏特征更能反映岩体固有特点和非线性破坏特征,以及岩石强度、结构面组数、所处应力状态对岩体强度的影响。首先,通过理论分析,得到了围岩开挖后应力和变形情况;然后,利用数值计算软件,建立了Hoek-Brown准则下隧道的数值计算方法和计算模型,分析了隧道在开挖情况下的应力变形情况,得到围岩的径向应力、切向应力、剪应变分布、塑性区分布和位移情况,并将数值计算结果与理论计算结果进行对比,结果表明:①隧道开挖引起岩体的扰动,使其从平衡状态转为不平衡状态。随着时间的推移,不平衡力逐渐在岩体中消散均化,岩体的扰动逐渐减小,最终趋于平衡。②数值解均略大于理论解,但二者差别十分微小,从而验证了数值方法的正确性。     

饱水状态下煤矿粉砂岩蠕变特性试验研究

为探究地下水对深部岩体蠕变力学特性的影响,利用ZYSS2000岩石高温高压蠕变仪对饱水状态下的煤矿深部粉砂岩开展单轴压缩蠕变试验。试验结果表明,煤矿粉砂岩在各级应力作用下,轴向和侧向蠕变曲线较为相似,主要表现为减速蠕变和等速蠕变,其中减速蠕变段历时较短,等速蠕变段历时较长;体积蠕变曲线表现出压缩向扩容转化的特征;随应力的逐级增大,煤矿粉砂岩的瞬时应变、蠕变应变及稳态蠕变速率整体呈增长趋势,但应力的增大对煤矿粉砂岩侧向变形的影响比轴向变形要大;粉砂岩蠕变过程中的等时应力-应变曲线,表明粉砂岩侧向的时效变形与非线性特性较轴向更明显。     

大桥隧道锚碇三维粘弹塑性数值模拟

为了解某大桥隧道锚碇及围岩体在张拉荷载下的变形状态及时效特性,采用三维显式有限差分软件FLAC3D对该大桥隧道锚碇系统进行三维粘弹塑性数值模拟.根据地质资料以及混凝土锚碇结构尺寸,建立隧道锚碇的三维计算模型,对岩体与锚碇之间的相互作用以及锚碇结构在长期荷载作用下的破坏模式进行研究,分析了由于施工开挖引起的锚碇和隧道围岩的位移及其应力变化.分析结果表明:当考虑岩体的流变力学特性后,在设计荷载作用下,锚碇和隧道围岩的变形均有所增加;与弹塑性计算结果比较,施加荷栽后经流变分析得到的隧道顶拱和底板的切向应力有所降低,拉应力的量值及拉应力区的范围减小,塑性区体积进一步扩大.     

热力耦合作用下圆形水工隧洞围岩弹塑性解析解

为研究圆形水工隧洞围岩弹塑性区受力特点,基于Mogi-Coulomb强度准则和弹塑性理论,考虑温度和衬砌结构的影响,推导热力耦合作用下水工隧洞围岩应力、洞壁位移和围岩塑性区半径的解析解。依托新疆某高地温水工隧洞工程进行计算分析,对中间主应力系数、温度、混凝土强度、衬砌厚度和围岩应力分布及塑性区半径间的关系展开参数分析。结果表明：温度变化产生的拉应力会使衬砌结构对围岩支反力减小,围岩塑性区半径和洞壁位移有所增大,隧洞岩体稳定性变差;中间主应力系数b对岩体强度影响较大,b=0.5时围岩塑性区半径明显小于不考虑中间主应力时的塑性区半径;提高混凝土强度和增加衬砌厚度在初始阶段都能明显限制围岩塑性区发展,虽后续效果都不佳,但增大衬砌厚度更能限制围岩塑性区发展。     

考虑劣化效应与支护时机的深埋软岩隧道变形分析

深埋软岩隧道的围岩变形与其自身参数劣化、流变特性及支护结构施作时机等密切相关.借助建立的深埋软岩圆形隧道复合式衬砌力学模型,在考虑塑性区围岩强度参数(黏聚力、内摩擦角)和刚度参数(弹性模量)的劣化效应后,基于统一强度准则得到了复合式衬砌支护结构各个支护阶段的围岩黏弹塑性解析式.研究结果表明：适当考虑中间主应力及围岩强度参数、刚度参数的劣化效应后,得到的变形量与深埋软岩隧道围岩的实际变形量吻合效果更好;残余黏聚力、残余内摩擦角、残余弹性模量对围岩瞬时变形、后期蠕变变形、二次衬砌支护抗力影响均较大,而且取值越小时围岩变形量与所需二次衬砌支护抗力越大;增加锚杆长度、缩小锚杆间距、增大初支厚度能有效控制围岩瞬时变形和后期蠕变变形;二次衬砌的施作时机对围岩后期蠕变变形影响较大,围岩瞬时变形结束后尽快施作二次衬砌可以有效控制围岩后期蠕变变形.     

基于HOEK-BROWN软化模型的支护结构稳定性分析

根据HOEK-BROWN强度准则,引入计算岩体峰后地质强度指标及其强度参数的方法,并总结岩体临界软化参数η*的计算方法,分析不同因素对η*的影响。基于锚喷组合支护特征曲线,利用收敛-约束原理分析开挖方法和支护时机对隧道支护结构稳定性的影响。研究结果表明:采用不同开挖方法获得的围岩特征曲线和纵向变形曲线存在差异;与弹塑性模型相比,采用应变软化模型计算得到的支护结构稳定性系数更高;采用台阶法开挖能大大提高隧道支护结构稳定性系数;距离开挖面越远处设置支护可以使其稳定性系数更高,但不利于围岩变形的控制,在实际支护设计中,应综合考虑支护结构稳定性和围岩变形控制这2个因素。     

基于应力和时间双重影响下岩石蠕变模型研究

为了更好地描述岩石蠕变的全过程和表征加速蠕变阶段的变形特性,研究岩石蠕变力学机理并引入弹塑性损伤体,改进广义开尔文蠕变模型,进而构建1个可反映岩石加速蠕变变形特征的弹塑性损伤体蠕变模型,并提出一种确定蠕变模型参数的方法;通过室内三轴蠕变试验计算出不同时间和应力作用下的蠕变参数,分析不同应力作用下蠕变参数与时间关系,揭示蠕变参数劣化的实质和岩石蠕变变形破坏的机理。研究结果表明:当岩石的体积压缩状态转化为扩容状态后,体积模量的绝对值随蠕变应力增大而减小,且随应力水平增大以及时间推移,岩石的蠕变扩容效果越来越明显;而损伤影响程度系数反映了在蠕变变形过程中岩石内部损伤程度,当损伤影响程度系数增大时,岩石内部的损伤程度以及岩石的加速蠕变变形也越大;通过分析蠕变参数在时间作用下劣化规律,验证了该方法是合适可行的,且建立考虑应力和时间双重影响的蠕变模型,也较好地模拟了岩石从衰减蠕变到加速蠕变的变形全过程,同时更加准确地反映了岩石的衰减和稳定蠕变阶段的蠕变特性。     

基于非连续变形分析的黄河上游某电站库岸边坡稳定性分析

为深入研究黄河上游某电站库岸边坡倾倒变形的诱发因素和破坏机理，通过建立库岸边坡的二维非连续变形分析（DDA）概化分析模型，对比分析了水位变动导致的瞬时变形和蠕变作用产生的时效变形对库岸边坡整体变形的影响，模拟库岸边坡整体和细部的变形形态，并采用校验模型将计算结果与实测变形进行对比，验证了应用DDA数值模拟方法的合理性。研究结果表明：库岸边坡倾倒变形的诱发因素是蓄水作用，变形与水位变动具有明显的相关性；该库岸边坡变形主要为时效变形，由于蓄水扰动引起的直接变形较小，在研究变形中必须考虑蠕变作用；DDA模拟岸坡整体和细部的变形形态与真实情况较为吻合，持续的倾倒变形致使局部块体失稳，但对库岸边坡整体变形的影响较小。     

泥岩非线性蠕变损伤-渗透愈合耦合模型及其应用

以某泥岩高放废物处置库为研究背景,根据室内试验和现场试验成果,提出了考虑泥岩应变硬化和软化以及蠕变效应的损伤判断准则和修正MohrCoulomb屈服破坏准则,建立了一种新的泥岩非线性黏弹塑性损伤模型;探讨了泥岩的渗透性演化机制,以泥岩损伤-渗透耦合及其自愈合为主线,建立了泥岩损伤-渗流耦合模型及渗透性自愈合演化方程.然后对地下储库施工过程进行了数值模拟,研究结果表明:施工质量对围岩扰动区有明显的影响,人工掘进巷道最大损伤约为0.38,明显大于采用盾构法施工的巷道;开挖后围岩渗透率明显增大,人工掘进巷道约为原岩的109倍,盾构施工巷道约为原岩的24倍;围岩蠕变损伤在巷道施工完成初期增长速度较快,扰动区渗透率略有增大,此后愈合应力和水化学效应对围岩渗透率的影响大于蠕变损伤的影响,扰动区渗透性逐渐恢复,约3年后渗透率愈合到原岩的数量级10~(-19)m~2.所提出的模型能有效地描述泥岩水-力耦合特性,对软岩隧洞长期稳定性的预测与预报具有一定的参考意义.     

基于软岩流变特性的“围岩-锚杆”系统稳定性模拟研究

针对新河煤矿-760 m软岩巷道变形大且持久的特点,采用三维数值模拟方法,分析了软岩巷道的流变特性对“围岩-锚杆”系统的影响,研究了流变软岩巷道围岩位移以及锚杆受力的发展变化特征.研究结果表明：锚杆轴应力与剪应力符合中性点理论,并且岩体弹性模量越小,锚杆剪应力越小,分布范围越大、越均匀,岩体弹性模量越大,剪应力越大,其作用范围越小、越集中,并且围岩位移会随着岩体弹性模量的减小而增大,即岩体越软,围岩位移越大.但通过锚注加固作用,该类软岩巷道围岩位移都得到了有效的控制,锚杆剪应力的分布特征研究为锚杆锚固形式在不同强度岩体中的选择提供了依据.