基于结构面几何参数的深部隧洞围岩破坏机理研究

岩体的强度主要由结构面控制,为确定结构面对隧洞围岩的影响,在对围岩中单一结构面的应力分布和破坏形式进行理论分析的基础上,研究了结构面倾角以及结构面到隧洞中心的距离对节理围岩破坏机理的影响。并利用3DEC离散元程序分别对不同结构面分布、不同岩石强度和结构面强度下18种组合的围岩变形进行了计算,分析了结构面不同分布情况下围岩的破坏模式;对比分析岩石、结构面强度不同组合下岩石强度和变形特征,研究了结构面力学变形性质在岩体损伤破坏中的贡献。研究结果表明:结构面距开挖轮廓线越近越容易发生破坏;结构面倾角影响结构面首先发生破坏的位置;结构面的分布决定围岩首先发生破坏的位置,结构面的破坏不一定会导致围岩的破坏。研究成果对不同结构面组合分布的围岩变形和破坏分析具有一定的指导意义。     

不同倾角层状砂岩单轴压缩及数值模拟试验研究

地下层状岩体存在节理、断层等结构面,层状岩体是许多基础设施和地下工程的载体,层状岩体具有明显的各向异性。为探明具有不同结构面倾角岩石的力学性质和破裂模式对水利裂缝扩展的影响,人工制作不同角度结构面的岩石模型,并开展单轴压缩试验和ＦＬＡＣ3Ｄ数值模拟对岩样进行破裂模式和力学参数各向异性分析。结果表明当结构面倾角为0°时,试样发生劈裂破坏,宏观破裂面沿着结构面,结构面主导岩石的破坏模式;倾角为15°、30°和45°时,试样由劈裂张拉破坏逐渐转换为剪切破坏,宏观破坏面主要沿节理面发生,节理主导岩石破坏的作用开始逐渐削弱。倾角60°、75°和90°时,裂缝会穿过结构面,宏观破裂面不沿着节理层面。相同角度的饱水模型的单轴抗压强度明显降低,随着节理面倾角的减小,岩石单轴抗压强度出现先减小再增大的现象,图像趋势为“勺”形。研究结果可为矿区水力裂缝扩展趋势、岩层失稳破坏风险评估提供参考。     

粉砂质板岩隧洞围岩变形破坏特征及稳定性研究

以东南亚某在建水电站引水隧洞粉砂质板岩段洞室开挖工程为依托，在现场地质调查测绘的基础上，对粉砂质板岩段围岩变形破坏特征进行分析，结果表明:粉砂质板岩段围岩的变形破坏主要分两种，一种由Ⅳ级结构面相互切割引起的局部垮塌掉块；另一种由断层引起的大规模垮塌变形。并基于有限元软件模拟断层分布发育特征对洞室稳定性的影响，结果表明:断层倾角在30°～60°对洞室稳定性影响较大，当断层位于隧洞中心上部时，对围岩变形的影响最大，特别左侧腰线部位岩体；当其位于隧洞中心下方，影响次之；与隧道中心相交时，影响最弱。研究成果可为后续类似洞段开挖支护方案提供参考借鉴。     

各向异性片岩隧道支护结构承载力学特性研究

为了更好地了解各向异性片岩隧道支护结构受力的分布特征规律,对武当群片岩隧道区不同片理面倾角的隧道围岩初期支护及二次衬砌承载特性展开了监控量测。通过对实测数据分析表明围岩稳定后二次衬砌分担的围岩荷载远大于初期支护分担的围岩荷载,大部分二次衬砌分担的围岩荷载比高达80%~90%,这导致部分断面已超过了相关规范中关于软岩支护结构承载比例的规定,对二次衬砌后续运营稳定性会产生较大影响;片岩隧道支护结构受力表现出明显的各向异性特征,当片理面倾角<45°时,随着片岩片理面倾角的增大,支护结构稳定时水平侧受力呈增加趋势;当片理面倾角>55°时,水平受力呈较陡减小趋势;隧道支护结构不同部位受力相差较大且具有明显的非对称性,片岩隧道围岩及支护受力均存在顺层偏压特性。     

陡倾结构面影响下巨型地下洞室穹顶开挖围岩稳定性分析

白鹤滩水电站地下洞室群规模宏大且围岩地质条件复杂,左岸尾调室洞径达48 m,埋深330 m,受中高地应力、陡倾裂隙、断层等影响,大型穹顶开挖面临着局部高应力区围岩脆性破坏和结构面控制下围岩松弛区变形稳定问题。采用3DEC数值分析软件对多组结构面控制下左岸尾调室开挖过程中围岩变形特征及应力集中程度进行数值模拟,采用三维空间等值面技术分别比较了开挖过程中围岩变形分布特征和应力集中分布特征。研究表明,受大主应力及结构面组合影响,围岩高应力破坏风险不高;但陡倾结构面的存在对穹顶围岩变形有较大影响,围岩变形最大的区域发生在穹顶NW向侧翼区域;陡倾结构面交叉切割使得穹顶局部部位浅层岩体松弛更加突出,易发生松弛坍塌破坏。研究工作的成果可为类似深埋地下工程施工及支护方案的确定提供参考。     

层状软岩流变参数各向异性特征试验研究

为了研究层状软弱岩体流变参数的各向异性特征,以白龙江流域在建电站引水隧洞工程为背景,对层状软岩不同倾角作用下流变参数的各向异性特征进行试验研究,并采用最小二乘法对试验数据进行拟合,获得基于Burgers模型流变参数以及流变参数与岩石倾角的二元方程。结果表明:软岩倾角的不同直接影响其蠕变破坏模式及长期强度;试验获得的流变参数随着倾角由0°增至90°的顺序增加逐渐减小,且各参数变化趋势基本相同,呈锯齿状变化;试验得出的各流变参数与岩石倾角的二元方程可以在已知岩石倾角的条件下求出各流变参数,从而本构模型变为应力与应变的线性关系式,为施工中更好的了解软岩变形情况提供了一种计算方法。更多还原     

顺倾层状岩质边坡失稳破坏机制及稳定性影响研究

为探讨顺倾层状岩质边坡的失稳变形破坏机制,基于SRM强度折减法,采用Midas-GTS NX岩土分析软件对一坡角为60°的硬质岩夹软岩顺层边坡进行数值模拟,通过改变边坡的几何条件,探讨并查明了该形式边坡的变形破坏形式及稳定性。结果表明:结构面倾角对顺倾层状岩质边坡变形规律影响明显,以水平层状边坡和直立层状边坡为临界点,随着结构面倾角不断增加,顺倾层状边坡破坏模式体现为:压剪破坏→滑移-压致拉裂破坏→滑移-拉裂破坏→滑移-劈转破坏→滑移-弯曲破坏→弯曲-崩塌复合破坏,边坡安全系数随倾角的增大先减小再增大,在结构面倾角为40°时稳定性最差,在90°达到最大值;随着结构面厚度的增加,边坡安全系数呈线性减小趋势;随着结构面间距的不断增加,边坡安全系数呈增大趋势,不过增加速率逐渐减小。     

通天河调水区岩体结构的工程地质特征

通过对通天河调水区引水线路岩体结构的定性和定量研究，划分了岩体结构面两种主要成因类型，即原生结构面和构造结构面。根据结构面几何参数的统计，确定结构面走向作倾角概率模型为正态分布，间距为负指数分布，并对岩体结构类型特征进行了描述。     

乌鲁木齐地铁隧道互层围岩损伤演化规律模拟研究

为了研究乌鲁木齐地铁隧道穿越区强风化泥岩、砂岩所组成互层围岩的损伤演化规律,通过颗粒流软件标定已获取的强风化泥岩、砂岩所对应的微观参数,并组成不同几何特征的互层围岩进行单轴试验模拟,分析不同围岩层厚比、岩层倾角的力学特性及其中代表性3组裂纹的发展规律及能量演化。结果表明,围岩层厚比为0.2～0.6,围岩倾角为0°、20°、80°时,对互层围岩单轴抗压强度的影响较大;随着层厚比的继续增加,互层围压的单轴抗压强度的变化趋于平缓;不同的围岩层厚、岩层倾角组合试样有不同的破坏模式,对应的裂纹发展及能量演化也有较大差异。     

如美水电站坡体变形破坏的地质模式

边坡的工程地质模式可归纳为有明显控制性结构面和无明显控制性结构面的边坡工程地质模式。在实际工程中,边坡的破坏大都是受结构面控制的,结构面很大程度上决定了边坡破坏的模式、滑动的方向和滑动坡体的大小。结合祁生文等的研究成果,通过对如美水电站的地质调查,对工程区内坡体的破坏模式进行研究分析。结果表明:坝址区内结构面控制着边坡的变形破坏,其变形破坏模式符合祁生文等提出的当岩质边坡具有明显控制性结构面时,边坡的变形破坏决定于结构面的形态特征及与边坡特征的组合形式。如美水电站坝址区内结构面的形态特征主要表现为缓倾坡外,边坡的破坏形式也主要表现为顺结构面向坡外滑动。     

似层状结构岩体变形参数的软弱层带厚度效应

通过对赋存于似层状态结构玄武岩岩体中随机发育缓倾角软弱结构面的发育特征，即厚度，密度或间距的统计分析，获得了对其本岩体变形模量考虑软弱结构面厚度效应的弱化参数，最后通过“厚度加权”和“变形等效”法得到水平和垂直的变形模量值。     

滑雪赛道结构面倾角对基岩破坏模式影响研究

岩体中结构面的空间产状分布是影响岩体变形及破坏模式的关键因素之一,节理岩体的破坏有不连续性,离散单元法成为研究节理岩体破坏模式的有效方法之一。以高山滑雪中心赛道基岩为对象,采用颗粒流离散单元方法对含有不同倾角节理的岩石试件进行数值试验,研究了不同倾角节理对岩石强度的影响以及岩石试件的破坏模式。结果表明:含节理面岩石试件的抗压强度显著低于基岩,节理面倾角对其抗压强度的影响随着角度的增大会出现一定程度的降低,当其数值不大于45°时,其影响并不明显;但当节理倾角大于45°时,抗压强度会开始发生显著的降低,达到75°时其强度值最低。     

小垂距交叉软岩隧道现场监测分析

针对公路与铁路小垂距交叉软岩隧道的特点,以云南某上穿公路隧道为背景,对该隧道右幅交叉段进行隧道净空收敛、围岩内部结构应力、围岩深部位移等项目的监测。根据监测结果,分析该隧道的围岩和支护结构的变形以及受力特点。结果表明,隧道右幅交叉段Ⅴ级围岩采用三台阶临时仰拱法开挖是可行的,能够有效地控制围岩变形,围岩稳定变形时间在30 d左右。监测成果可用于对隧道稳定性进行评估与预警,以便及时调整支护参数,保证隧道施工安全性。     

无中导连拱隧道施工掌子面纵向合理间距研究

基于单洞工法施工的无中导连拱隧道后行洞施工紧邻先行洞,后行洞和先行洞施工时掌子面 的纵向间距对围岩变形及支护结构受力的影响不可忽视。以云南省某隧道为工程依托,建立三维弹塑 性模型采用数值计算方法开展了连拱隧道动态施工的仿真研究,对连拱隧道开挖中监测断面拱顶沉降 以及支护结构受力的空间影响效应、左右洞的相互影响效应进行分析。为避免施工中两洞影响区域的 叠加,从先行洞拱顶沉降变化得出合理间距不小于 32ｍ（约 2．5Ｄ）,根据支护结构受力得出合理间距不 小于 28ｍ（约 2．2Ｄ）。综合来看,两开挖面的合理间距应控制在 32ｍ（约 2．5Ｄ）左右。     

隧道三台阶开挖锁脚锚管倾角优化研究

跨度大、扁平率高的隧道在施工过程中拱顶沉降等控制要求十分严格,台阶法因其施工效率高、控制隧道变形能力较强等优点而被广泛采用。工程实际中若支护结构封闭较晚,隧道变形则较难控制,打设锁脚锚管是控制隧道变形的有效手段,然而目前关于锁脚锚管施工和设计方面的研究较少。以新疆石人子沟隧道为例,开展了锁脚锚管倾角优化分析。分析认为,上台阶锁脚锚管是施工控制的关键,锁脚锚管最优倾角范围为上台阶0°~45°、中台阶0°~56°、下台阶10°~60°;且从控制隧道变形的角度考虑,倾角在所述范围内应尽可能大,这与诸多现场经验结论较为吻合,相关成果可以为类似工程提供参考。     

杨房沟水电站地下洞室关键岩石力学问题及工程对策研究

杨房沟水电站地下洞室群规模宏大、地质条件复杂,施工期围岩稳定问题突出。为解决洞室开挖过程中普遍揭露的脆性岩体高应力破坏、缓倾结构面导致的顶拱变形破坏、喷层开裂脱落等岩石力学问题,结合施工地质、监测成果和数值模拟开展动态反馈分析,对洞群围岩稳定性进行了系统地分析和预测。结果表明,在洞室群开挖过程中,上游侧拱肩位置存在应力集中,是导致脆性硬岩发生片帮破坏的主要原因,而及时、有效的系统支护对抑制围岩应力型破坏至关重要;缓倾结构面对顶拱围岩变形与稳定起着控制性作用,主要表现为断层下盘岩体坍塌破坏和深层变形问题;在中高地应力条件下,受不利地质构造和施工质量等因素控制,洞室顶拱混凝土喷层容易发生开裂、脱落问题。通过开展施工期围岩监测反馈分析,不仅能够解释围岩变形破坏机制,而且能够为支护设计优化和信息化施工提供科学依据。     

含软弱夹层引水隧道锚杆加固试验研究

为了研究引水工程穿越含软弱夹层隧道时围岩的稳定性问题,通过室内模型试验,以水泥砂浆和石膏分别模拟岩体和夹层,采用单轴抗压试验方法研究不同倾角夹层和锚杆倾角、长度及直径对岩体力学参数的影响.结果表明:(1)30°和60°倾角的夹层力学特性明显低于水平和垂直夹层的力学特性,通过加入锚杆方式能极大地提高岩体的强度等力学参数;(2)锚杆与夹层倾角为0°-30°、锚杆长度为7cm以及锚杆直径为3cm为最优锚固方案,而且试样破坏时会出现较规则的"龟裂"现象.     

三种倾角结构面对岩体变形破坏特征影响研究

以山西朔州麻家梁煤矿砂岩以及张集煤矿闪长岩为例,将岩样加工成60°,75°,90°三种倾角结构面的岩样,并对加工后的结构面进行水泥填充,进而研究3种倾角结构面对岩体力学特性与破坏形态的影响。单轴压缩试验与数值模拟试验结果表明:随着倾角的增大,两种岩性岩样单轴抗压强度都呈现上升的趋势,同条件下的闪长岩岩样单轴抗压强度要小于砂岩岩样单轴抗压强度;结构面倾角为60°与75°的岩样主要从顶部与侧面结构面附近萌生裂隙开始发生破坏,随着加载应力不断增大,岩体顶部应力集中部分将出现破碎并使岩体完全破坏,而结构面倾角为90°的岩样主要是由于岩体顶部萌生出大量竖向扩张劈裂隙使岩体发生破坏。     

层理白云岩力学特性及隧道围岩位移特征研究

为探究贵阳地区层理白云岩力学特性及受层理影响的白云岩隧道围岩位移特征规律,对取自贵阳某隧道工程施工现场的层理白云岩试件进行了单轴压缩、巴西劈裂和电镜扫描(SEM)试验,并对5种层理倾角下的白云岩隧道工况进行了数值模拟分析。研究结果表明:层理白云岩抗压强度较高,随着层理角度增大,抗压强度呈先减小后增大趋势;试件破坏形态分为劈裂破坏、压剪滑移破坏及压碎破坏三种,且抗压强度大小为压碎破坏>劈裂破坏>压剪滑移破坏;层理白云岩抗拉强度具有一定的离散性,随着层理角度增大,抗拉强度整体呈下降趋势;层理白云岩岩质处微观结构排列有序,形状多呈规则的多面体,整体结构面较平滑完整,颗粒间的紧密程度较高;夹层处微观结构排列杂乱无规律,微观颗粒形状大小不一且不规则,颗粒间的结合较松散;白云岩隧道受层理影响,22.5°层理隧道围岩位移最大,隧道最大位移发生于隧道与层理交界区域,设计时可对该区域加强支护,从而达到有效控制围岩位移的目的。     

层理白云岩力学特性及隧道围岩位移特征研究

为探究贵阳地区层理白云岩力学特性及受层理影响的白云岩隧道围岩位移特征规律,对取自贵阳某隧道工程施工现场的层理白云岩试件进行了单轴压缩、巴西劈裂和电镜扫描(SEM)试验,并对5种层理倾角下的白云岩隧道工况进行了数值模拟分析。研究结果表明:层理白云岩抗压强度较高,随着层理角度增大,抗压强度呈先减小后增大趋势;试件破坏形态分为劈裂破坏、压剪滑移破坏及压碎破坏三种,且抗压强度大小为压碎破坏劈裂破坏压剪滑移破坏;层理白云岩抗拉强度具有一定的离散性,随着层理角度增大,抗拉强度整体呈下降趋势;层理白云岩岩质处微观结构排列有序,形状多呈规则的多面体,整体结构面较平滑完整,颗粒间的紧密程度较高;夹层处微观结构排列杂乱无规律,微观颗粒形状大小不一且不规则,颗粒间的结合较松散;白云岩隧道受层理影响,22.5°层理隧道围岩位移最大,隧道最大位移发生于隧道与层理交界区域,设计时可对该区域加强支护,从而达到有效控制围岩位移的目的。