深部圆形隧洞板裂屈曲岩爆的模拟试验研究

 为了深入认识深部圆形隧洞中板裂屈曲岩爆的发生机制,采用大尺寸真三轴岩石试验系统对含预制孔洞红砂岩立方体(100 mm×100 mm×100 mm)试样进行模拟试验研究。首先根据地应力随深度分布规律,在水平向垂直隧洞轴向方向设定最小主应力,竖直向垂直隧洞轴向方向设定最大主应力,在3个方向分别加载到初始应力状态。然后保持另外2个方向应力不变,在竖直向垂直隧洞轴向方向进行加载直至隧洞洞壁围岩发生破坏,并且在保证试样整体不发生破坏条件下,逐级加载至洞壁发生岩爆。利用安装的微型摄像机对试验过程中洞壁围岩破坏全过程进行实时监测和记录,结合三维加载和洞壁受力情况,再现了深埋硬岩圆形隧洞板裂屈曲岩爆全过程。研究结果表明：岩爆过程可划分为平静期、细颗粒弹射和剥落期、板裂屈曲破坏和强烈破坏四个时期。岩爆可滞后应力发生,具有时间效应,并且受加载率影响明显。岩爆破坏深度达到更高静应力水平下的稳定状态,形成的V–型槽具有应力不敏感期;通过合理优化隧洞断面几何参数,可发挥结构强度尺寸效应,对岩爆发生起一定抑制作用。     

断面形状对深部巷道破裂特征的影响

通过模型试验研究了直墙拱形和圆形巷道的破裂特征,通过数值模拟研究了直墙拱形、圆形、正方形、长方形和三心拱形巷道的破裂特征。对比了模型试验与数值模拟的结果,两者吻合较好,验证了数值模拟的合理性。分析了断面形式对巷道塑性区、位移及应力的影响。针对巷道所具有的破坏形式及特征,开展了相应的支护对策研究。最后得出,相同条件下,巷道断面曲率变化越小,巷道围岩破裂范围越小,破裂程度越轻。深部巷道采用锚杆加强两帮支护能够有效控制变形,加强两帮支护是一种经济高效的支护方式。     

单轴压缩下含孔洞混合片麻岩破裂试验研究

针对地下隧道坚硬围岩破裂机制的复杂性,对含孔洞混合片麻岩进行单轴压缩试验,并实时观测含孔洞混合片麻岩加载过程中的破裂特征,获得了不同轴向应力下混合片麻岩孔洞周围初始裂纹、板裂裂纹和远场裂纹起裂和扩展过程。并根据混合片麻岩基本力学特性,采用应力平均化方法进行单轴压缩下含孔洞混合片麻岩初始裂纹和板裂裂纹的起裂分析,得到的应力平均解与试验结果基本符合,同时指出理论分析的不足之处,最后对孔洞大小的尺寸效应问题进行分析。     

深部高应力圆形隧洞内部卸荷条件下岩爆模拟试验和强度弱化效应研究

为了模拟深部高应力圆形隧洞在内部卸荷条件下洞壁发生岩爆的过程,以具有中等岩爆倾向性的红砂岩作为试验材料,利用TRW–3000岩石真三轴电液伺服诱变试验系统,对100 mm×100 mm×100 mm立方体红砂岩试样开展了先加载后钻孔卸荷条件下的岩爆模拟试验。试验模拟500 m深度的二维应力状态,首先对试样加载至设定的初始应力状态,然后利用自主研发的岩石钻孔卸荷试验装置进行岩石内部钻孔卸荷(孔洞直径为25mm),之后在竖直方向加载至洞壁发生破坏,达到模拟效果后主动卸载。试验过程中,利用微型摄像机监控并记录洞壁的整个破坏过程。为了对比卸荷作用的影响,对预先贯穿孔洞(孔洞直径为25mm)的同尺寸红砂岩试样开展了先开孔后加载条件下的岩爆模拟试验。试验结果表明,2种试验条件下均可实现岩爆过程的模拟,整个试验过程均可以划分为平静阶段、颗粒弹射阶段、岩片剥落阶段,最终在洞壁两侧形成V型槽。与先开孔后加载试验相比,先加载后开孔试验中洞壁的初始破坏应力较低,洞壁更容易发生破坏,并且洞壁发生岩爆破坏的严重程度较强,产生的岩片尺寸较大,洞壁剥落岩片的总质量较高,形成的V型槽深度较深,破坏范围较广。试验对比结果表明,高应力岩石内部卸荷会对围岩造成一定程度和范围的损伤,诱发围岩产生明显的强度弱化效应。     

含双圆形孔洞砂岩单轴压缩力学特性试验研究

孔洞作为岩石内部微缺陷的基本形式之一,其破裂演化机制是岩石力学领域研究的重要课题。对预制双圆形孔洞的板状砂岩试样进行室内单轴压缩试验,研究孔心距2b和倾角?对砂岩强度、变形特征及破裂演化过程等的影响规律。试验结果表明:随孔心距2b的增大,试样的峰值强度和弹性模量均表现为先增大后又减小的特征,孔心距2b分别为22 mm和27 mm时峰值强度和弹性模量达到最大值;随倾角?的增大,峰值强度和弹性模量整体表现为先减小后增大的趋势,倾角?等于60°时峰值强度和弹性模量达到最小值。双圆形孔洞的初始破坏均表现为孔洞内壁塌落破坏,而孔心距2b和倾角?对起裂应力水平、孔洞搭接方式及破裂演化过程均具有重要的影响。     

直墙拱形洞室围岩稳定性的结构面效应分析

本文以工程概化的思想,设计了15°、30°、45°、60°、75°五种典型倾角结构面分别位于直墙拱形洞室拱肩附近、横穿直墙拱形洞室断面及位于直墙拱形洞室拱脚附近不同情况,并建立数值模型,开展不同倾角、不同位置结构面控制条件下围岩应力分布、围岩变形与破坏的特征分析,为探讨不同结构面控制围岩变形与破坏的机理提供理论基础,具有显著的工程应用价值。     

含孔洞型缺陷砂岩真三轴力学特性研究

为深入认识深部含缺陷型岩石的力学行为与破坏特征,利用砂岩材料加工为不同孔径、不同孔数的立方体试样(50 mm×50 mm×100 mm),并利用GCTS RTX-3000岩石三轴仪对含孔洞型缺陷砂岩试件开展了真三轴试验,侧向应力加载到一定值后保持不变,最大主应力继续加载直至试件破坏,探究Mogi-Coulomb强度准则...     

剪切波作用下直墙拱形巷道围岩破坏特征研究

直墙拱形巷道围岩在剪切波作用下会发生不同程度的破坏,通过直墙拱形巷道围岩的相似材料模型振动台实验与数值计算方法,共同研究了直墙拱形巷道围岩在剪切波作用下的受力及破坏规律。研究表明:剪切波作用下,直墙拱形巷道围岩在墙角处形成应力集中现象,直墙拱形巷道围岩的墙角底板和拱帮位置最容易积累损伤,直墙拱形巷道容易发生墙角处开裂破坏和直墙局部塌落破坏,且墙角处的的裂缝位置和方向对其他部位裂缝位置有着明显的影响,即直墙拱形巷道墙角处的裂缝由剪切波作用产生,巷道其他部位的裂缝的出现受到墙角处的裂缝和剪切波共同作用产生。     

主应力方向对围岩稳定性的影响

采用模型试验和数值模拟方法研究了在不同方向的主应力作用下,直墙拱形隧道的围岩损伤破坏规律,考虑了隧道内含有裂纹和不含裂纹两种情况,利用水泥砂浆制作了直墙拱形隧道模型,并利用有机玻璃光弹试验对无裂纹隧道的试验结果加以验证;数值模拟采用混凝土损伤塑性模型,计算出隧道周边各点的应力,而对于含有裂纹的隧道计算了裂纹尖端的无量纲应力强度因子Y_Ⅰ和Y_Ⅱ,与模型试验结果吻合较好。结果表明：对于无裂纹的隧道,当主应力方向与隧道垂直边墙的夹角=45°左右时,隧道的抗压强度最低;对于带裂纹的隧道,当裂纹与垂直边墙的夹角=130°时,裂纹尖端无量纲应力强度因子Y_Ⅱ最大,其隧道强度最低;对于含有裂纹且=130°的直墙拱形隧道,当主应力方向与隧道垂直边墙的夹角较小时或在70°左右时,隧道的抗压强度最低。     

深部硬岩开挖隧洞围岩稳定性数值模拟

通过RFPA方法考虑岩石材料的细观非均匀特性,对深埋硬岩隧洞全断面一次开挖和分断面多次开挖进行数值模拟分析,直观呈现隧道围岩破裂面位置与形态渐进破坏诱致失稳的演化全过程,并与现场破坏情况对比研究,旨在揭示两种不同施工过程中应力演化、位移扩展、能量释放多个特征方面对围岩稳定性的影响及其破坏机制。数值模拟结果表明,隧洞围岩稳定性采用分断面多次开挖优于全断面一次开挖方式,为应对1#引水隧洞TBM掘进到锦屏山核部强岩爆风险,排引2#横通道往西洞段采用钻爆法超前实施导洞方案为最佳。虽然分断面开挖可以显著地降低围岩破坏风险,但不能彻底排除多次扩挖过程中围岩大塌方的情况,则建议这些洞段直接钻爆扩挖到位,让TBM步进安全通过为宜。同时深埋硬岩"城门型"隧道的破坏机制是来自侧壁破坏为主而拱形部位不存在压力拱破坏,与浅埋隧道的破坏在拱顶的破坏机制有明显区别,对认识隧道破坏机制有重要意义。     

Mechanism of zonal disintegration around deep underground excavations under triaxial stress – Insight from numerical test

The failure pattern and failure mechanism around deep underground excavations under tri-axial stress, in particular the zonal disintegration at different scales, were studied through three-dimensional numerical tests. It is found that the failure patterns of deep underground openings are obviously influenced by the triaxial stress. Zonal disintegration is a general failure mode of deep surrounding rock mass under high triaxial stress, where the alternate fracture zones and intact zones are formed by the intersection of the fully developed shear dominated fractures. The circular failure pattern of zonal disintegration is only a very specific failure pattern of zonal disintegration that is more likely to be formed when the horizontal stress in the direction of tunnel axis being the maximum principal stress. Sometimes the circular failure pattern of zonal disintegration is only the miss-judgment based on the limited borehole observations. Numerical results also denote that the heterogeneities of rock masses play a very important role on the scale of zonal disintegration.     

不同TBM掘进速率下洞室围岩开挖扰动区研究

 在不同卸荷速率下三轴加卸载室内试验成果的基础上,以Hoek-Brown经验强度准则为依据,拟合出在不同卸荷速率下板岩的力学参数(黏聚力和内摩擦角)。在分析TBM掘进特点的基础上,提出能反映其特点的数值模拟方法,并在FLAC3D程序中引入加卸载准则,对不同掘进速率下隧洞围岩的开挖扰动效应进行数值模拟研究。结果显示：掘进速率越快,围岩开挖扰动效应越小,围岩越稳定;隧洞围岩在开挖后变形较为均匀;在隧洞的径向,位移和应力变化较为明显的呈现为3个区域,即强变化区、弱变化区和平稳区;最大主应力随着洞径方向逐渐由单向应力状态向二向应力状态和三向应力状态转变,第二偏应力不变量在隧洞轴向方向形成一闭合的应力集中区域,称为“应力墙”,该区域在TBM掘进过程中对刀头切割岩体达到破岩的效果极为有利;隧洞围岩开挖扰动区随TBM掘进速率变化较大,当掘进速率增加一倍后,其扰动区由1.1 m降低到0.4 m,减小了64%。     

主应力对洞室围岩失稳破坏行为的影响研究

 针对复杂应力环境三向应力状态下地下洞室围岩破坏条件和破裂机制,采用统计损伤理论和数值模拟方法,建立三维非均匀性地质模型,考虑应力的三维效应,引入强度折减法,一方面在保持模型边界条件的同时实现洞室围岩的逐步破坏,另一方面以此定量评价不同应力场中洞室安全稳定状况,探讨不同侧压力系数和轴向应力条件下洞室围岩破坏模式,探究中间主应力对洞室稳定性的影响以及深部岩体分区破裂化现象产生条件和破裂规律等。结果表明,侧压力系数影响洞室围岩初始破裂形成部位和发展趋势;不同的轴向应力使得洞室围岩破裂区域和范围显著不同,在不同的侧压力系数条件下,轴向应力影响洞室稳定的规律存在差异;不同方向中间主应力对洞室围岩安全稳定状况的影响是不同的;当洞室轴线方向与最大水平应力方向平行时,较大的轴向应力会使洞室围岩产生分区破裂化现象,围岩破坏的区域也是拉应变集中的区域等。这些结果对进一步揭示地下洞室围岩非线性变形破坏行为,评价岩土工程安全稳定性,采取合理的支护措施等均具有重要意义。     

深部隧道框架式真三轴物理试验系统研制与应用

为了研究深部隧(巷)道围岩稳定性机理与支护控制技术,以千米埋深为基本条件,考虑三轴六面恒压加载和数字照相量测先进技术的应用,研制了一套结构紧凑、特色鲜明的真三轴框架式大型物理模拟试验系统。该系统由模型加载反力框架、以扁油缸与真空回油为特色的液压加载控制系统、自行研制的数字照相变形量测与围岩应力测试系统和开挖支护辅助装置4部分组成,可用于长1000 mm×宽1000 mm×厚1000 mm的深部隧(巷)道大型物理相似模型试验研究。最后给出在深部矿山巷道围岩变形受力观测分析与围岩分区破裂化现象再现试验的应用实例。应用结果表明,本套试验系统对于研究包括矿山巷道、TBM隧道在内的深部隧(巷)道工程开挖与支护过程中围岩变形与应力分布规律及其稳定控制作用机理都具有重要价值。     

Shear testing on rock tunnel models under constant normal stress conditions

Large shear deformation problems are frequently encountered in geotechnical engineering. To expose the shear failure mechanism of rock tunnels, compression-shear tests for rock models with circular tunnel were carried out, including single tunnel and adjacent double tunnels. The failure process is recorded by the external video and miniature cameras around the tunnel, accompanied by real-time acoustic emission monitoring. The experiments indicate that the shearing processes of rock tunnel can be divided into four steps: (i) cracks appeared around tunnels, (ii) shear cracks and spalling ejection developed, (iii) floor warping occurred, and (iv) shear cracks ran through the tunnel model. Besides, the roughness of the sheared fracture surface decreased with the increase in normal stress. Corresponding numerical simulation indicates that there are tensile stress concentrations and compressive stress concentrations around the tunnel during the shearing process, while the compressive stress concentration areas are under high risk of failure and the existence of adjacent tunnels will increase the degree of stress concentration.     

Mine-by试验洞开挖过程中围岩应力路径与破坏模式分析

 地下洞室开挖过程中,围岩经历了复杂的应力路径,正确刻画围岩的应力路径及其影响是岩石地下工程中亟待解决的关键科学问题。基于起裂判据(CIC)、扰动应力比( )和Lode参数等力学表征指标,采用FLAC3D对Mine-by试验洞掌子面掘进过程中围岩的复杂应力路径和破坏模式进行探讨。研究表明：围岩应力场的扰动主要集中在掌子面前后一倍洞径范围内,围岩损伤受掌子面附近高度集中的偏应力和应力主轴旋转支配;随掌子面掘进,围岩顶部和底部偏应力集中程度加大,应力比n逐渐降低,逐步形成V型剥落,而隧洞边墙部位逐渐卸荷,损伤破裂转变为拉应力控制;原位岩体的应力路径涉及应力主轴旋转效应,远比实验室的单调加载路径复杂,Mine-by试验洞开挖过程中,在掌子面的顶部和底部,围岩大主应力方向几乎没有转动,而中主应力和小主应力旋转一定角度(35.2°)后回到初始方向,由于中主应力超过了岩体起裂强度(CIC＞1),其方向的旋转加剧了围岩的损伤程度。相关认识和结论具有一定的理论和工程意义。     

指数型岩石真三轴强度准则

岩石强度是工程岩体稳定性评价和结构优化设计的前提和基础,通过岩石真三轴试验分析了岩石强度演变特征:(1)随着最小主应力的增加,岩石强度逐渐增大,但增幅逐渐减小并趋于零;(2)岩石广义压拉强度比随静水压力的增大呈先增大再减小的规律,并最终趋于1,即在π平面上呈三角形向圆形转变的过程;(3)岩石强度随中间主应力增大表现为先增大再减小的过程。三参数型指数函数完全符合岩石强度在子午面上的基本特点,而L_(WW),L_(MN)和L_(YMH) 3个罗德函数准确反映了中间主应力对岩石强度的影响,且无条件满足拉压子午面区间光滑、连续、外凸性要求。利用π平面广义拉压强度比和罗德函数将指数型拉压子午面结合,构建了指数型真三轴强度准则,分析了强度参数对岩石强度的影响及其空间包络特征。最后采用14种岩石的真三轴试验数据对指数型真三轴强度准则进行了最优拟合误差分析,结果表明指数型真三轴强度准则均具有良好的拟合精度,可正确描述软–硬不同性质岩石的强度特征。