柳海矿运输大巷返修工程深部软岩支护设计研究

通过现场调查、室内试验以及理论分析,柳海矿运输大巷支护现状进行分析研究,总结破坏原因。根据现场工程地质条件、岩石特性和破坏特点,确定软岩变形力学机制为高应力膨胀性软岩,并提出采用预留刚隙柔层支护技术进行支护。     

软岩隧道变形特性与监控预警体系优化

以四川绵阳市梅家沟软岩隧道为工程背景,分析了现场软岩隧道大变形特性和机理。基于监控量测数据对隧道的周边收敛和拱顶下沉的变形规律进行了研究。基于数理统计的原理对数据进行统计分析,结合现场分步开挖工况,提出了隧道台阶法开挖下分级分步,动态预警的监控思想。依据现场软岩隧道预警频率,确定周边收敛的分级预警阈值,建立了周边收敛预警体系,总结了实时监测的适用条件。工程现场监控实践表明:该预警体系能够充分发挥支护结构的承载能力,为现场安全施工提供有效的判据,并给支护体系的优化提供积极的指导作用,对开展软岩隧道施工监控量测工作具有重要的实践价值。     

延边地区公路沿线膨胀性软岩的发现与试验研究

延边地区公路沿线滑坡调查中，发现了一种工程性质不良、易于导致滑坡地质灾害的膨胀性软岩，通过对其物质组成、水理、力学和物化性质的一系列试验研究(包括蠕变、直剪、三轴压缩、膨胀、崩解、X光衍射和电镜扫描试验等)，认为该软岩属强膨胀性软岩，粘粒矿物成分主要为蒙脱石和伊、蒙混层矿物。通过研究它们的成因、分布和成灾机理，提出了治理措施。     

膨胀性软岩隧道结构受力计算研究

以北非典型的泥灰岩病害工程为依托,研究膨胀性软岩的工程表现,寻找获得可靠隧道衬砌设计的软岩条件。通过对工程地层参数选用、原设计力学模型计算、施工中遇到的问题、变更设计、病害处理等方面的研究,得出在常规的围岩压力理论下,应将膨胀性侧向压力、地下水的动态压力、塑性变形和残余应力考虑在设计应力折减之内,采用荷载—结构计算模型计算膨胀性软岩隧道结构受力。研究结论可供治理膨胀性软岩隧道病害及同类工程勘察设计和施工借鉴。     

南京长江三桥软岩工程地质特征探讨

软岩具有特殊的工程地质特性,具有膨胀性、软化性、崩解性和不均匀性等特点。结合南京长江三桥工程勘察的结果,分析了桥位区软岩分布规律及其物理力学性质,并对软岩在实际工程施工中存在的工程地质方面的危害进行了探讨。     

用全封闭格栅钢架控制膨胀性软岩巷道变形破坏的研究与实践EI北大核心CSCD

膨胀软岩巷道围岩黏土矿物含量高、自身强度低、亲水膨胀性强,在复杂地应力和水理作用下极易发生变形失稳。结合小屯矿轨道大巷支护变更工程实践,通过地质调查、现场观测及室内试验等手段分析发现:巷道渗水量大,围岩节理裂隙发育、孔隙率高,膨胀性黏土含量高,水化作用后耐崩解性差都加剧了围岩的变形失稳。针对性地提出以格栅钢架为主体结构的"全封闭格栅钢架+挂网+锚杆+喷射/浇筑混凝土"联合支护体系,通过数值模拟,揭示了全封闭支护设计的整体性优势,并对支护方案的格栅钢架间距和锚杆长度进行优化,制定出适用现场工况的钢架规格参数及其施工工艺流程。同时辅以集水坑降低底板水位,最终以全封闭格栅钢架为主体结构的联合支护体系有效地控制了巷道围岩变形,在小屯煤矿膨胀软岩巷道取得了成功应用。     

红层软岩填料的工程特性与填筑施工控制

红层软岩广泛分布于我国西南、西北、华中及华南地区,其具有易崩解、易风化、遇水易软化等特点。其作为地基填料,若未经科学合理处理,往往容易引发不同程度的开裂、沉陷甚至滑塌等病害。以中-贵联络线广元分输压气站填方工程为例,在对场地内红层软岩崩解性、压实性以及压实体水稳定性和膨胀性充分试验研究的基础上,结合场地试验段工程实践,提出了一整套红层软岩填料的合理填筑施工工艺,最终取得了良好应用效果。     

用全封闭格栅钢架控制膨胀性软岩巷道变形破坏的研究与实践

膨胀软岩巷道围岩黏土矿物含量高、自身强度低、亲水膨胀性强,在复杂地应力和水理作用下极易发生变形失稳。结合小屯矿轨道大巷支护变更工程实践,通过地质调查、现场观测及室内试验等手段分析发现:巷道渗水量大,围岩节理裂隙发育、孔隙率高,膨胀性黏土含量高,水化作用后耐崩解性差都加剧了围岩的变形失稳。针对性地提出以格栅钢架为主体结构的"全封闭格栅钢架+挂网+锚杆+喷射/浇筑混凝土"联合支护体系,通过数值模拟,揭示了全封闭支护设计的整体性优势,并对支护方案的格栅钢架间距和锚杆长度进行优化,制定出适用现场工况的钢架规格参数及其施工工艺流程。同时辅以集水坑降低底板水位,最终以全封闭格栅钢架为主体结构的联合支护体系有效地控制了巷道围岩变形,在小屯煤矿膨胀软岩巷道取得了成功应用。     

防膨胀软岩注浆材料试验及应用研究

 为研制一种防膨胀软岩注浆材料以满足膨胀性软岩巷道注浆加固的需求。通过室内试验,研究注浆材料的密度、析水率、凝结时间、流动度、结石体强度等主要性能参数。通过现场试验,研究注浆材料对膨胀性软岩巷道围岩的注浆加固性能。研究结果表明：当注浆材料的水灰比为0.5∶1,添加剂比率为5‰时,注浆材料的主要性能参数最优;该注浆材料能有效提高破碎膨胀性软岩的强度,改善膨胀性软岩巷道围岩的特性,防止软岩巷道围岩在注浆时发生吸水膨胀变形,是一种较好的防软岩膨胀注浆材料。     

膨胀性软岩隧道支护结构受力特性及缓释方法

隧道工程中因软岩的膨胀性而诱发的隧道支护结构失稳现象十分普遍。以膨胀性软岩导致隧道围岩结构非均匀受力为出发点，研究膨胀性软岩隧道支护结构的受力特性，试图建立一种膨胀性软岩隧道支护结构受力缓释方法。在初期支护与二次衬砌之间植入团粒膨润土作为缓冲层，开展室内缩尺物理模型试验。通过MIDAS GTS NX软件建立三维数值模型，对比分析加入缓冲层前、后的膨胀性软岩隧道支护结构的受力特性。根据隧道力学理论推导构建膨胀性软岩隧道支护结构受力缓释模型，得到缓释系数表达式，据此验证膨胀性软岩隧道支护结构受力缓释方法的实用性。研究结果表明：加入缓冲层后，支护结构的变形及围岩膨胀力较加入前明显变小，变形均呈拱顶下沉、拱底向上隆起、拱腰向内收敛的特征；缓冲层通过对抗、弱化、传递以减小作用于支护结构上的围岩膨胀力，使单一的集中受力体系转变为均布荷载体系；通过缓释模型计算得出缓释系数为30%～50%，表明在初期支护与二次衬砌之间植入团粒膨润土作为缓冲层可以起到缓释膨胀力的作用，可为解决软岩隧道膨胀问题提供参考。     

物化型软岩微结构单元特征及其胀缩性研究

在对物化型软岩的物质组成、矿物结构及其失水-吸水过程的物理力学机制研究的基础上，提出物化型软岩由硬质砂粒-黏土矿物叠层构成的四面体微结构单元的胀缩几何模型，建立相应的胀缩几何方程。所建立的胀缩方程为定量进行软岩胀缩性能的研究提供理论基础，但这个胀缩方程的具体应用还有待于对各类软岩的成分组成、各类黏土矿物的结构特征以及胀缩性能参数等进行进一步的定量研究。     

劣质岩(问题岩)的类型及其工程特性

本文将具有各种不良工程特性并极易引发工程事故的岩石和岩体称为“劣质岩”(问题岩)”。文中分别论述了极软岩、膨胀岩、构造岩、片状变质岩、含盐岩、疏松岩、风化岩等常见劣质岩(问题岩)的成因和工程特性,以引起工程界的注意和进一步研究。     

岩体稳定性分析与评判准则研究

在评价现有岩体稳定性分析方法的基础上，指出其中的不足之处。从摩擦理论和矢量几何出发，基于非线性有限元计算成果，导出了三维可能滑体的抗滑稳定安全系数计算公式，并根据工程稳定问题的力学机理，建立了岩体稳定性评判的干扰能量法。针对没有明显滑动面的岩体稳定性问题，基于可量化的干扰能量准则和静力准则，建立了确定潜在滑动面、最危险滑向和最小安全系数的失稳警戒指标的量化标准，完善了岩体稳定性评判体系，从而为解决没有明显滑动面的岩体稳定性评判量化指标这一难题奠定了力学基础。地下洞室群及高拱坝坝肩稳定性的工程实例计算表明，根据岩体的干扰能量值及等值线分布情况定出滑面，按静力法和干扰能量法量化评判岩体稳定性是合理可行的。     

考虑深部岩体各向异性强度的井壁稳定分析

目前在工程设计中,仍粗略地将节理岩体近似为各向同性体,在考虑节理对岩体强度的弱化作用时,均根据节理连通率对完整岩石的抗剪强度参数进行折减,因而未能反映岩体的各向异性特性。这对于浅部岩体工程来讲,也许是可以接受的,但随着建井深度的增加,进入深部状态的岩体表现出更强的各向异性特征,岩体的各向异性将不能忽略。将节理各向异性几何分布特征对岩体力学性能的影响通过微面的节理连通率来反映,从莫尔–库仑抗剪条件出发,采用方向分布函数分析方法,曾提出了一个基于二阶连通率组构张量的节理岩体各向异性强度准则。简要论述该各向异性强度准则,根据该准则研究了井筒的弹性稳定问题。研究表明:考虑岩体的各向异性强度对井筒进行钻井灌浆分析时,在给定的泥浆压力下,沿最大地应力方向钻井的安全系数并不一定比沿其他方向钻井的安全系数高。     

深部软弱岩体峰后等效力学模型及数值计算研究

软弱岩体给深部开采工程中的巷道支护等带来一系列棘手的问题,深入研究深部软弱岩体峰后非线性破坏行为,对于保证深部巷道围岩的安全稳定性具有十分重要的意义。基于连续介质理论及量化GSI围岩评级系统,依据Hoek-Brown强度准则,通过理论分析并结合前人的研究成果详细论证了等效节理岩体应变软化模型在深部岩体力学理论上的科学性与可行性。采用程序语言在FLAC^3D中编写等效节理岩体应变软化模型,分别采用常规弹塑性模型与应变软化模型对比分析深部围岩开挖面空间效应曲线;结合深部竖井支护工程设计及现场应用等进行了算例验证。得出结论如下：等效节理岩体应变软化模型所体现软弱岩体峰后强度参数衰减规律表明：岩体峰后行为受岩体质量等级和围压的影响较大,围岩在峰后卸载过程中软化参数并不是恒定值,而是随着围压的大小而变化;通过对深部软弱围岩开挖面空间约束效应曲线的计算可知,基于Mohr-Coulomb和Hoek-Brown强度准则的理想弹塑性模型计算结果基本一致,弹塑性模型与应变软化模型的计算结果相差较大,主要体现在中等地质指标范围;现场实际应用表明,等效节理岩体应变软化模型能够较为真实的反映深部软弱岩体的峰后力学行为,并在围岩地质强度指标与岩体连续介质理论之间建立联系,便于工程应用,并可为类似工程提供借鉴。     

膨胀岩隧洞时效变形预测模型及应用

膨胀性软岩隧洞变形是一个以吸水膨胀性变形为主,蠕变、扩容等多因素影响的复杂时变问题。为了预测隧洞开挖后围岩的变形,假设隧道围岩遵循Burgers体与Hoek-Brown准则组合的黏弹塑性模型,并结合湿度场理论和非关联的流动法则,推导了膨胀性软岩遇水工况下的黏弹-塑性时效变形方程,最后根据所得的位移解析式,结合理想案例和Nabetachiyama隧道实例分析了不同参数对深埋圆形隧洞围岩位移随时间变化的影响规律。结果表明:采用的预测模型可以较好地预测膨胀性软岩在遇水工况下的时效变形,且参数相对较少,物理意义明确,识别简单,本文方法可以很好地应用于地下工程实践。     

节理裂隙岩体地基输电线路基础承载性能现场试验研究

针对输电线路工程中节理裂隙发育的岩石地基,结合新疆节理裂隙岩体地基220~750k V输电线路工程荷载特点,根据以往理论研究与试验研究成果,选择软岩地基的全风化、强风化等不同风化程度,开展覆盖层厚度(2m-3m)的岩石复合基础上拔、水平、上拔+水平的现场真型试验,分析基础的荷载位移变化规律、钢筋的应力应变规律,监测上拔破坏岩体裂缝产生、扩展及贯通的全过程,研究岩石基础在不同覆盖层厚度条件下的承载特性。     

深埋隧道锚岩体力学参数综合取值研究

深埋岩石工程勘察设计阶段中岩体原位试验工作困难,针对深埋复杂岩体力学参数选取问题,提出在岩体地质分析基础上,综合原位试验和Hoek-Brown准则的岩体力学参数取值方法。该方法首先依据勘探成果分析岩体地质特征,对工程区岩体进行分类,应用Hoek-Brown准则确定各类岩体力学参数并采用经验参数核对校正,确定设计阶段岩体力学参数。最终根据施工开挖揭示地质信息和原位试验,校正设计阶段岩体力学参数。该方法应用于川藏高速公路泸定大渡河特大桥隧道锚区域蚀变二长花岗岩岩体力学参数确定,实例分析表明:岩体原位试验成果离散性大,试验成果难以代表大范围复杂岩体力学参数;Hoek-Brown准则估算岩体内摩擦角与原位试验基本一致,黏聚力则偏高较多,需要采用经验参数校正;复杂岩体力学参数的选取,需在地质分析基础上综合采用各种方法相互验证。     

Hoek-Brown强度准则研究进展与应用综述

1980年E. Hoek和E. T. Brown提出了Hoek-Brown(H-B)强度准则,已充分得到岩石力学与工程研究者的认同,并进行研究和应用。首先系统地阐述H-B强度准则研究进展：E. Hoek和E. T. Brown对H-B强度准则的研究成果、三维H-B强度准则、H-B强度准则岩石和岩体参数研究、考虑层状节理的H-B强度准则及其参数的各向异性研究。再对过去30 a国内外基于H-B强度准则工程应用的成果进行总结。最后对笔者所开展的H-B强度准则最新研究工作进行介绍：提出一种真正意义上的广义三维H-B强度准则,并采用3种Lode角函数进行屈服面修正,使其可以直接应用于后续本构模型建立和数值软件嵌入;采用三维颗粒流模型进行微观数值建模,对H-B强度准则岩石和岩体参数开展微观研究并建立多尺度联系,为参数的确定提供更加可靠的依据。     

基于应变的岩石类脆性材料损伤研究

在三轴压缩条件下岩石类材料的破坏具有延性破坏和脆性破坏两种类型。岩石发生破坏的机理是构成岩石的矿物颗粒之间发生相对位移。一般而言，岩石在力的作用下发生拉或剪破坏，在破坏发展过程中哪一种破坏类型取得优势地位，岩石最终便以那种形式破坏。最大拉应变准则能够解决岩石拉破坏问题，但不能解释破裂角的存在。岩石为各向异性体，应变主轴不同于加载轴，因此不能用加载轴上的应变来描述岩石的强度。考虑3个方向拉应变的应变强度准则能够描述岩石的强度，也能够在一定程度上描述破裂角的变化。理论分析和实验室试验证实了这一结论。并且随中间主应力的升高，岩石应变破坏准则的变化与抗压强度准则、最大拉应变准则的变化具有相同的规律。