多组贯穿裂隙岩体变形特性研究

 天然岩体通常含有多组平行分布的贯穿裂隙,因此,在工程设计和围岩的稳定性分析中,研究多组贯穿裂隙岩体的变形及其变形特性具有重要意义。假设岩块为各向同性线弹性体,裂隙的应力与位移之间满足线性刚度关系,利用莫尔应力圆方法,建立多组贯穿裂隙岩体变形的计算模型。在此基础上,将裂隙岩体等效为各向异性连续体,给出裂隙岩体的等效弹性模量和等效泊松比,研究岩块和裂隙的材料和几何参数对岩体等效弹性模量和等效泊松比的影响。模型能较全面的考虑构成岩体的岩块和裂隙的材料参数与几何参数对岩体变形的影响,对预测岩体的变形和稳定性有一定的参考价值。     

软岩地层深部开采地表下沉分析

针对软岩地层深部地下大面积开采岩体移动变形预测问题，利用弹塑性力学理论建立了相应的预测分析理论模型。用所建立的弹性理论模型对某铁矿地表移动变形进行了计算分析，并将理论预测结果和实测资料进行了对比。文中用弹塑性有限元法分析了不同弹性模量、泊松比、内聚力、内摩擦角等物理力学参数对地表下沉的影响；对软岩地层深部开采地表移动进行了计算分析。结果表明，弹性模量对地表下沉影响较大，而其他参数影响较小。结果表明，弹塑性力学方法适用于分析软岩地层大面积开挖岩体移动预测问题。     

嘎隆拉隧道围岩力学参数对变形的敏感性分析

以嘎隆拉隧道为研究背景，根据现场地质状况建立可变参数的有限元模型，以现场监测变形数据为基础，对力学参数（弹性模量、泊松比、黏聚力、内摩擦角）和侧压力系数进行反分析，获取现场围岩参数的真实值。在此基础上，基于敏感性分析方法，研究围岩力学参数对变形的敏感性。研究结果表明：拱顶沉降对弹性模量比较敏感，对其它参数的敏感性相对较小；而周边收敛则相反，泊松比、内摩擦角、黏聚力要比弹性模量更为敏感。研究结果对嘎隆拉隧道的稳定性分析具有一定的参考价值。     

高温高压下花岗岩中钻孔围岩的热物理及力学特性试验研究

 采用自主研制的20 MN伺服控制高温高压岩体三轴试验机,对f 200 mm×400mm的花岗岩体内含f 40 mm的钻孔在600 ℃以内及6 000 m埋深静水压力下钻孔围岩的热弹性变形进行深入的试验研究。根据热弹性变形试验结果反演计算出高温高压下钻孔围岩的热物理及力学特性参数,并对钻孔围岩的热物理及力学参数进行认真细致的分析。研究结果表明：(1) 高温不同埋深应力下钻孔围岩的热变形可分为3个阶段：低温热变形微弱阶段,中高温热变形快速增长阶段,高温热变形平稳阶段,且埋深(即应力大小)对于钻孔围岩的热变形具有明显的影响;(2) 高温高压下含有钻孔的花岗岩体以剪切方式破坏,花岗岩体在经历500 ℃～600 ℃的高温仍呈现出脆性特征,岩体破坏的条件为6 000 m埋深静水压力,600 ℃左右;(3) 高温下钻孔围岩的弹性模量随温度的升高呈负指数规律减小;(4) 高温下钻孔围岩的泊松比随温度的升高总体呈增大的趋势;(5) 高温不同埋深应力下钻孔围岩的热膨胀系数不同,埋深对钻孔围岩的热膨胀系数具有很大影响。研究结果可为高温岩体地热开发深钻施工及钻井围岩稳定性维护提供理论依据与技术储备。     

考虑岩体空间变异性的隧洞围岩变形随机分析

准确和全面地预测隧洞开挖所引起的围岩变形是隧洞设计和施工中的一个关键问题。目前常用的确定性分析方法不能考虑岩体的空间变异性,而这种空间变异性对围岩变形计算结果的准确性和可靠性有着重要的影响。为此,提出采用非侵入式随机分析方法研究岩体空间变异性对围岩变形的影响。采用随机场模拟岩体的空间变异性,采用有限元计算围岩的变形,研究岩体弹性模量和侧压力系数的空间变异性对围岩变形特别是地表位移的影响。结果表明,非侵入式随机分析方法的优势在于有限元计算和随机分析不耦合。侧压力系数的空间变异性对围岩变形的影响远小于弹性模量的影响。由于低强度占优效应的影响,岩体的特征模量小于数学平均值。弹性模量随机场中横向和竖向波动范围参数对围岩变形有明显不同的影响。     

高应力硬岩地区岩体结构对地下洞室围岩稳定的控制效应研究

官地水电站地下厂房属典型的硬岩地区深埋大型地下洞室群,其重要特点是同时面临高地应力和结构面发育这2个不利条件,实测最大主应力为25～35 MPa,厂区无大的断层和软弱结构面,但错动带和裂隙十分发育。通过对地下洞室群施工过程中出现的围岩局部失稳破坏现象进行全面的分析整理,对三大洞室的岩体结构特征和围岩变形破坏模式进行系统的分析、比较和总结,从而对影响围岩稳定的两大控制因素——地应力和岩体结构对官地地下厂房洞室群围岩稳定的影响程度和方式进行分析和对比。研究表明,由于三大洞室围岩类别以II类为主,岩体结构以块状～次块状结构为主,围岩具有较高的力学强度和强度应力比,从而具有较强的抵抗应力破坏的能力;岩体结构对地下厂房围岩变形与稳定的控制作用较地应力则更为明显,地下洞室群开挖过程中出现的局部失稳或较大变形多与不利方位的结构面直接相关。三大洞室围岩岩体结构特征总体上的相似性非常明确,反映在三大洞室围岩的变形特征和破坏模式上具有很好的统一性。然而,三大洞室的岩体结构特征也存在一定的差异,导致岩体结构影响围岩稳定的方式和程度有所不同。结构面发育造成的另一个不利影响是为坚硬岩体在高地应力条件下产生卸荷时效变形提供了内部条件。因此,在强度应力比较高的硬岩地区,应充分重视岩体结构及其演化对围岩变形和稳定的控制效应。     

断层位置及强度对地下洞室围岩稳定性影响

岩体工程的稳定性主要受岩体结构控制,而断层是岩体工程中最常见的一类规模较大的地质不连续面。断层的力学性质及其与洞室的相对位置关系决定了围岩的稳定状态,通过数值计算及三峡工程地下厂房变形监测分析表明：断层的存在严重恶化了围岩的应力及变形分布,不同断层位置、不同自然应力场条件下围岩的应力及变形特征存在着明显的差异;断层摩擦强度对断层位于顶拱部位时的围岩变形影响较大,而粘聚力对断层位于边墙部位时影响较大,而且这种影响规律随侧压系数的增大而增大。     

采动底板层状岩体应力分布规律及破坏深度研究

准确预测采动底板破坏深度是承压水上采煤中的一个关键问题.将底板层状岩体视为横观各向同性连续体,根据煤层上覆载荷分布特点,推导出煤层采动后的底板任一点应力解析解.在此基础上,分析横观各向同性底板变形参数的各向异性度(E1/E2,μ1/μ2)对应力分布规律的影响.根据应力计算结果,利用Mohr-Coulomb屈服准则,试算搜索出横观各向同性岩体危险剪切面并判断该面是否破坏.算例显示,弹性模量各向异性度对采动底板各种应力分布影响较大,而泊松比各向异性度只对水平应力影响较大,对垂直应力和剪应力的影响远小于弹性模量各向异性度的影响.由于考虑了层状岩体变形和强度的各向异性,横观各向同性底板最大破坏深度及其位置的计算结果与现场注水试验基本相符,较各向同性底板的计算精度要高.     

卸荷损伤对节理岩体变形特性影响研究

节理岩体在加载与卸荷条件下,力学特性显著不同,现阶段对于节理岩体卸荷条件下的损伤特性研究较少,且未考虑不同卸荷程度对节理岩体力学特性的影响,基于此,本文开展含不同倾角预制节理岩体在不同程度卸荷损伤后重复加载试验,综合分析卸荷程度、节理倾角及围压对岩体变形特性的影响规律。研究结果表明:(1)岩样的峰值强度随着卸荷量的增加有不同程度的降低,卸荷程度较低时,对岩样极限强度影响较小,随着卸荷量逐渐增大,岩样极限强度降低程度增大。(2)围压较低时,岩样脆性跌落特征明显,随着围压的增高,岩样破坏后达到残余强度的变形开始增加,不同卸荷量造成的差异开始逐渐减小。(3)节理及卸荷量对岩样泊松比均有较大影响,节理岩样泊松比大于完整岩样,节理倾角为45°时,岩样泊松比最大;岩样泊松比随卸荷程度增加而增大,卸荷程度越高,泊松比增大速度越快。(4)节理岩体弹性模量与加载围压的大小、节理倾角以及卸荷损伤程度均有关系。随着围压的升高,岩样弹性模量逐渐增大,其增长速度随围压增大而逐渐降低;卸荷程度越高,岩样弹性模量降低程度越大,对于含不同倾角节理的岩体,影响程度又不一样,其中含45°,60°倾角节理所受影响最大。     

基于Ansys有限元软件在节理参数对围岩变形的敏感性分析

运用Ansys有限元分析软件探讨节理参数对围岩变形的影响.具体分析了节理的弹性模量、泊松比、倾角、连通率及其节宽比对围岩变形的影响,主要就各节理参数对位移量值大小的影响进行了敏感性分析,并得到了一些有益的结论.     

考虑蠕变特性的高应力软岩隧道变形预测方法与实践

为研究高应力软岩蠕变特性对隧道围岩变形预测的影响，以木寨岭公路隧道为依托，首先采用三维计算模型与多元线性回归相结合的方法分析初始地应力场，并结合围岩段落划分，选择典型计算断面；其次，提出基于[BQ]值的围岩参数取值方法，确定典型计算断面的围岩参数；而后，开展基于M-C模型和Cvsic模型的断面变形计算，剖析岩体蠕变特性对围岩变形的影响；最终，对比了预测结果与实际围岩变形。结果表明：(1)岩体蠕变特性对围岩变形具有明显增大效应，围岩位移增长量与横断面平均主应力呈正相关；(2)围岩条件越差，蠕变增大效应越显著；横断面平均主应力越大，蠕变增大效应中位移增长量越大，而位移增长率变化不明显；(3)蠕变特性对围岩变形等级预测有明显影响，M-C模型预测结果弱于Cvisc模型，与实际围岩变形情况存在较大差异。研究结果为在高应力软岩隧道变形预测中引入岩体蠕变效应奠定了实践基础。     

膏溶角砾岩不同天然含水率情况下力学特性的试验研究

针对天然含水率不同的膏溶角砾岩,采用RMT-150B型岩石电液伺服试验机,进行了烘干和天然情况下力学性能的试验研究。比较分析了烘干和天然条件下含水率对岩石应力应变曲线、峰值强度、弹性模量和泊松比变化情况。研究表明:含水率的不同对岩石的峰值强度、弹性模量和泊松比等力学性质有显著影响,随着含水率的增加,膏溶角砾岩的峰值强度和弹性模量呈指数减少,而泊松比呈线性增大。烘干后,岩石的力学性质发生了很大的变化,峰值强度、弹性模量都有很大的提高,岩石表现出脆性,岩石的天然含水率对烘干后的力学性质改变影响很大。     

岩体力学参数的敏感性综合评价分析方法研究

 针对岩体力学参数敏感性分析单指标方法的局限性,提出基于敏感度熵权的属性识别综合评价模型,这种评价分析方法可以充分考虑各种评价指标,对模型参数的敏感性进行整体性分析,避免单指标方法评价结果的片面性,同时该方法也为模型参数敏感性分析提供一种新思路。在此基础上,结合硬脆性岩体介质的黏聚力弱化–摩擦强化模型,将上述的评价方法应用于锦屏二级水电站引水隧洞辅助洞围岩模型参数的敏感性分析中,分析认为,影响围岩变形和塑性区大小的主要因素为最终内摩擦角、起始黏聚力和弹性模量,其次为残余黏聚力、内摩擦角临界塑性应变、起始内摩擦角、黏聚力临界塑性应变;再者为泊松比、抗拉强度。应用研究结果表明,这一分析方法将会对硬脆性岩体力学参数的分析和反演提供重要的参考价值。     

基于层状岩体卸荷演化的锦屏I级地下厂房洞室群稳定性与调控

 锦屏I级水电站地下厂房洞室群开挖支护设计与施工控制以及整体稳定性等问题十分突出,施工期已经明显呈现出高应力、低强度应力比条件下围岩的卸荷变形与破坏特征。根据锦屏I级地下厂房层状岩体力学特性,采用考虑卸荷演化的层状岩体本构模型及其数值模拟方法,反演获得初始地应力场以及层状岩体力学参数。在此基础上,对锦屏I级地下厂房洞室群进行三维数值模拟分析,获得一些对高应力下锦屏I级水电站大型地下洞室群施工期围岩稳定与支护安全等方面的认识,提出洞室群围岩应力释放调控、松弛区承载力调控以及变形开裂调控等适时工程调控措施与建议。研究结果表明,洞室群整体开挖完成后的现场监测结果和围岩稳定现状等证实了所提出的认识和调控措施的合理性,表明层状岩体本构模型及其数值模拟分析方法能够较好地反映高应力下层状岩体中大型地下洞室群施工期的工作性状。     

分级加载条件下岩石流变特性的试验研究

以红砂岩为例,采用重力加载式流变仪,在分级加载条件下对岩石的蠕变特性进行了单轴压缩蠕变试验研究,重点观察和分析了蠕变条件下岩石的弹性模量和泊松比的变形效应,同时对其他时效变形特点进行了分析。试验结果表明,侧向稳定蠕变阶段的应力门槛值低于轴向稳定蠕变的应力门槛值;侧向蠕变有明显的加速蠕变阶段,且比轴向加速蠕变阶段出现得早,而轴向蠕变的第三阶段则不太明显,一经出现试样随即破坏。在单体分级加载条件下,受蠕变的影响,随应力水平和变形量的增加,岩石的瞬时弹性模量有明显的增大,泊松比的变化则更为显著。     

大型洞室群稳定性分析与智能动态优化设计的数值仿真研究

 为实现数值仿真计算结果能准确反映大型洞室围岩实际力学行为,结合锦屏二级水电站地下厂房枢纽洞室群稳定性分析,在阐述大型地下洞室群数值仿真计算要点基础上,首先重点从岩体本构模型识别和力学参数识别2个方面详细介绍如何实现数值仿真计算的正确化。采用考虑空间分布协调的多元监测信息的6次岩体力学参数跟踪识别,获得锦屏二级地下厂房岩体的等效力学参数,从而通过参数反分析的方法在一定程度上证明岩体等效力学参数具有相对稳定性和可识别性。同时,结合数值模拟展现出的围岩应力、变形、塑性区等方面计算结果与工程岩体的具体地质条件和洞室群结构特点,论述锦屏二级水电站地下厂房上游高边墙变形较大、下游侧拱围岩与喷混凝土破坏、母线洞环状开裂、交叉洞口局部塌落等洞室围岩的变形与破坏机制。最后,结合锦屏二级地下厂房枢纽洞室群稳定性分析与实践的研究认识,对大型地下洞室修建中诸如结构面密集的高边墙支护问题、围岩应力集中区支护问题、工程区地下水对围岩稳定性影响等问题进行论述,并探讨如何通过数值仿真计算、现场监测与经验丰富的专业人员的有机结合来实现大型地下洞室群稳定性设计的科学化。     

含结构面板岩变形特征分析

在三轴压缩实验基础上,研究含一组结构面的板岩在不同湿度与压力下的力学特性及变形规律,利用Hoek-Brown强度准则分析了板岩的破坏特征,建立了相应的岩体强度准则与力学参数求取方法;利用FLAC程序模拟计算了不同埋深条件下板岩岩体中开挖隧洞后洞周变形规律,分析了岩体变形特征.研究结果表明:1)基于Hoek-Brown准则建立了含结构面的板岩岩体强度破坏准则,确定出的不同地质条件下板岩岩体力学强度参数;2)扰动程度对岩体强度参数有较大的影响,且影响程度随着隧洞埋深的增加而增大;3)数值模拟结果显示,西线工程软岩隧洞的围岩变形主要受开挖断面、埋深及物理力学参教等多因素的影响.     

大变形锚杆支护效应分析

根据大变形锚杆的力学和变形特性,建立大变形锚杆–围岩相互作用结构模型,研究锚杆加固圆形隧道时的支护效应,并通过数值模拟验证了模型和求解方法的有效性。采用上述求解方法,定量分析了原岩应力、岩体强度以及大变形锚杆安装密度、长度和安装时间对其支护效果的影响规律。结果表明,在高应力或极软岩等恶劣地质条件下,围岩产生较大位移的情况下,大变形锚杆可以更好的发挥支护效应。大变形锚杆加固的主要作用在于限制塑性区围岩的变形,对塑性区边界的位置以及弹性区岩体变形的控制效果不明显。还通过改变安装锚杆时等效内支撑力的大小,揭示了锚杆安装时间对其支护效应的影响规律。研究结果可为大变形锚杆支护设计及参数优化提供基础理论依据。     

基于敏感性分析的围岩力学参数反演方法研究

由于影响隧道变形的围岩强度参数和变形参数较多,现有的反分析研究主要集中在算法的优化上,因而忽略了工程应用的便利性和实用性。针对这种状况,以南京某隧道工程为依托,结合数值模拟,提出了基于敏感性分析的反演方法。根据工程实际,将围岩和支护结构综合考虑分为初始围岩区(简称Z₁),松动圈与锚杆锚固共同作用区(简称Z₂)以及钢支撑和喷射砼等效作用区(简称Z₃);通过安排试算初始值,利用FLAC^3D程序计算并分析不同的力学参数对不同隧道变形的敏感性,从而确定反演流程;根据反演流程结合各测点的实测变形值获取合理、准确的围岩力学参数。研究结果表明:与常规的反演方法相比,通过敏感性分析确定隧道不同变形的主控因素,以此变形来反演该主控因素参数在很大程度上提高了工程应用的效率与可靠度;拱顶下沉受Z₁区弹性模量E₁、Z₂与Z₁区弹性模量比值n的影响较大,受围岩泊松比μ₁的影响相对较小;隧道收敛受E₁、n、μ₁ 三者的影响都较大;围岩力学参数反演结果为E₁=362.6 MPa、n=0.62、μ₁=0.30;现场应用证明了该方法的有效合理性。     

深埋隧道软弱围岩稳定性分析及其锚固控制研究

近年来,随着我国地下基础设施的蓬勃发展,进入大规模地修建地铁项目阶段,城市之间的高铁项目如火如荼地建设中,同时采矿工程不断深入和大型水利工程的修建等。在这些建设过程中,常出现开挖后围岩的失稳破坏而发生塌方,特别是深埋条件下具有强度低、大变形特点的围岩失稳问题尤为突出。因此,开挖后软弱围岩稳定性分析及其加固控制对隧道工程设计和安全施工具有重要的意义。目前,对围岩的力学理论及应用研究取得了一定的成果,但是仍然跟不上现有的隧道工程建设,出现了理论研究明显落后于施工经验的局面,导致频频发生工程事故,究其原因是对开挖隧道后围岩变形特性的认识不足,缺乏及时加固控制的意识。本研究针对这些问题,以开挖隧道后围岩的塑性区力学状态和位移变形为基础,采用理论分析、室内试验和数值模拟等相结合的方式系统研究了开挖隧洞后围岩变形破坏的力学本质,揭示了围岩破坏后塑性区内的力学参数和位移的演化过程,探讨了深埋隧道围岩破坏的渐进性过程及锚杆锚固机制。完成的主要研究工作和成果总结如下:(1)从隧洞开挖后周边围岩的应力状态发生内力重分布为出发点,提出了应变软化模型下围岩的弹塑性有限差分解法,比较不同方法计算结果验证该方法的正确性,参数分析结果表明:剪胀特性对隧道洞壁处围岩的位移和塑性区半径影响较大,需要重点考虑岩体的剪胀性;临界软化系数对围岩的塑性区半径和残余区半径的影响较大;H-B屈服准则中"a"强度参数对判断围岩的稳定性具有重要影响,在计算过程中谨慎取值,建议采用广义H-B屈服准则;基于圆筒理论的弹性应变公式,同样适用于开挖隧道后应变软化围岩的稳定性分析中。(2)针对围岩的剪胀性和应变软化随围压变化的特性,根据剪胀性和应变软化是否考虑围压变化,建立不同的剪胀模型组合,探究了不同质量岩体的力学参数对塑性区围压变化的依赖性。研究结果表明,根据不同质量岩体塑性区内的力学参数对围压的依赖性不同,由于质量较好岩体的围压依赖性较低,建议采用剪胀角和临界软化系数均为固定的剪胀模型,但是质量较差岩体的围压依赖性较强,建议采用剪胀角和临界软化系数均随围压变化的剪胀模型。(3)基于统一强度理论,考虑中间主应力对应变软化围岩稳定性的影响,揭示了中间主应力对围岩特征曲线、纵向位移曲线和塑性区内非线性剪胀性的影响规律。结果表明,围岩稳定性研究的力学模型对分析结果影响较大,弹塑性模型未考虑围岩材料强度的弱化,计算结果偏小,不建议采用;中间主应力可以有效抑制塑性区半径和隧道洞壁处位移的发展,充分发挥围岩承载潜力,不考虑中间主应力效应的莫尔库伦强度准则,计算结果保守,可适当考虑围岩的承载潜力,而双剪强度准则计算结果偏小,不建议采用;纵向塑性发展上,考虑中间主应力的围岩在隧道掘进方向上的位移收敛速度增加,可以适当推迟支护结构施加的时间;对于塑性区内剪胀角变化的影响,中间主应力系数和临界软化系数分别体现在剪胀峰值和剪胀角的变化率上。(4)通过室内模型试验和FLAC3D数值模拟,再现了开挖隧洞后毛洞,施加短锚杆和长锚杆工况下IV级围岩的渐进性破坏过程和研究了锚杆对围岩的锚固效应。开挖隧洞后围岩的渐进性破坏顺序是边墙处的围岩首先发生剪切破坏,随后拱腰处剪切破坏,最后拱顶塌陷破坏;施加锚杆后的围岩,特别是拱顶部分围岩由于锚杆的加固作用形成了"加强梁"的作用,使得拱顶所能承受的最大沉降及其破坏荷载显著增加;锚杆的长度需要穿过拱顶塑性松动区(塑性残余区),否则,被锚固的围岩与上部未被锚固的围岩之间存在"分层"现象;锚杆可以显著改变围岩内部径向应力,表现在锚杆末端处围岩的径向应力增加。(5)锚杆通过与围岩之间的相互作用,其末端的锚固段将洞壁附近拉拔段的围岩"紧箍"起来使得洞壁处周边围岩变形减小;锚杆两端剪应力较大,特别是锚杆末端,应防止锚杆末端的剪应力较大超过砂浆与锚杆之间剪切强度而发生脱落;锚杆施作时机对锚杆应力分布和围岩变形控制影响较大,需要及时施作锚杆以达到较好的锚固效果,以免无效锚固;锚杆对具有大变形和弹性模量小的软弱围岩锚固效果较好,而对质量较好、弹性模量较大的硬岩锚固效果并不显著。