圆形隧道开挖卸荷效应的动静态解析方法及结果分析

针对地下圆形隧道的开挖卸荷效应,基于岩石动力学和弹塑性理论,在求解其动、静态显式解析解方面进行新的尝试。首先,探讨非均匀应力场中圆形隧洞开挖卸荷的力学模型,研究初始应力的分布规律以及卸荷过程的处理方法。基于Laplace变换和留数定理,给出一种计算隧道开挖时围岩响应规律动态解析解的方法,得到线性卸荷条件下围岩应力和位移的解析表达式。其次,考虑岩体的非线性硬化和软化特性,运用弹塑性解析法,推导出围岩应力和位移的静态解析表达式。对比分析动静态解析结果的差异,结果表明：(1) 卸载阶段,惯性力的存在能减少开挖卸荷对围岩的破坏,保持围岩的完整性,故而在动态解析结果中,围岩的扰动范围小,位移小,应力集中系数低,但应力梯度较高。(2) 动态解中,径向应力一直处于压缩状态,而切向应力先拉后压,有利于径向拉裂纹及层板结构的形成。(3) 卸荷速率存在临界值,当卸荷速率达到临界值时,质点的振幅及频率都达到最大值。     

深埋硬岩隧洞系统砂浆锚杆的加固机制与加固效果模拟方法

系统布置的砂浆锚杆是深埋硬岩隧洞主要支护结构,锚杆与围岩组成锚杆–围岩复合结构体,使围岩的力学特性得到改善。基于岩体的莫尔–库仑(M-C)屈服准则,推导锚杆–围岩复合结构体满足M-C准则的应力条件。结合岩体劣化本构模型,提出确定锚杆–围岩复合结构体力学参数的方法。锚杆与弹性围岩和屈服围岩组成的锚杆–围岩复合结构体的力学参数确定方法不同,锚杆与屈服围岩组成的锚杆–围岩复合结构体的力学参数与围岩当前状态的等效塑性应变有关。基于此提出一种模拟隧洞开挖支护过程中系统普通砂浆锚杆加固效果的数值方法。该方法能较好地模拟锚杆支护时机对围岩稳定性的影响。最后运用该方法对锦屏II级水电站2#引水隧洞围岩稳定性进行分析,为隧洞的施工和支护设计提供参考依据。     

中国锦屏地下实验室二期工程安全原位综合监测与分析

 中国锦屏地下实验室是目前世界上埋深最大的实验室。以中国锦屏地下实验室二期(CJPL–II)工程为研究对象,通过变形、开裂、弹性波、扰动应力、微震、声发射、三维激光扫描、岩体结构面遥测、爆破振动测试等原位综合监测手段,实时获取深部地下实验室开挖全过程的岩体响应及其演化特性,实现对深部岩体微观到宏观多尺度破裂、隧洞表面到岩体深部变形的综合监测。研究工程场址的地质辨识方法,给出深部复杂地质结构条件下的地质分区,结合真三轴、结构面实验和地应力测试,揭示各实验室开挖过程中不同的变形特征和破坏模式,实时捕获了深部工程灾害变形破裂的前兆信息,有效预警了岩爆和塌方工程灾害,确保了实验室施工全过程的工程安全。研究成果和基础数据为中国锦屏地下实验室安全建设运行、探讨深部岩体力学与工程科学难题均具有十分重要的意义。     

深埋硬岩隧洞岩爆倾向性指标RVI的建立及验证

 在总结国内外岩爆倾向性研究的主要成果和理论方法的基础上,针对性地提出适合于深埋隧洞工程的岩爆倾向性评估新方法的建立过程和基本构架。分析锦屏II级水电站深埋隧洞群中62例岩爆案例,揭示岩爆的特征和主要控制因素,在此基础上提出新的岩爆倾向性指标RVI及其建立方法,确定RVI中岩爆控制因素的选取原则。RVI由4个控制因子构成,即应力控制因子Fs、岩石物性因子Fr、岩体系统刚度因子Fm和地质构造因子Fg,4个控制因子分别反映不同岩爆控制因素对岩爆倾向性的贡献。研究发现,锦屏II级水电站深埋隧洞岩爆破坏深度与RVI存在显著的相关性,建立的经验关系式的确定系数可达到80%以上,该经验关系式可评估深埋隧洞工程的岩爆倾向性和破坏程度。锦屏II级水电站深埋隧洞典型岩爆实例分析验证RVI的适用性。     

北山花岗岩细观非均质性对单轴压缩力学特性影响的FDEM数值研究

为了研究细观非均质性对北山花岗岩中微裂纹萌生、扩展和贯通等破裂过程的影响,基于有限元/离散元耦合方法(FDEM)和数字图像处理技术(DIP),结合矿物晶体模型(GBM),分别构建3类北山花岗岩细观结构表征模型：聚类均布模型、Voronoi颗粒模型和聚类镶嵌模型。基于3类模型开展了单轴压缩试验研究,探究细观非均质性对北山花岗岩力学特性、声发射(AE)特征以及颗粒尺度裂纹扩展规律的影响。研究结果表明：3类模型均能捕获从微破裂损伤至宏观破裂的演化过程,即首先以晶间张拉裂纹为主,随后产生穿晶断裂,转变为以晶内裂纹为主,张拉破坏占主导地位;细观结构表征方式对模拟岩石的特征应力(启裂应力和损伤应力)控制效应非常显著;Voronoi颗粒模型和聚类镶嵌模型的AE特征与室内试验更为吻合;硬矿物含量的增大,会导致单轴抗压强度、特征应力和弹性模量增大,而泊松比反之;颗粒尺寸的增大,会导致单轴抗压强度和损伤应力明显减小;特征应力与刚度非均质性因子呈负相关。     

不同卸围压速率下深埋大理岩卸荷力学特性试验研究

为了更准确认识卸荷速率对岩石力学性质的影响规律,进行不同卸荷速率的三轴卸围压试验,试验采用新的试验路径和加载方式,减少试验过程对试验结果的不利影响。针对锦屏二级水电站深埋大理岩,通过新提出的描述变量(应变围压柔量)重点分析卸围压速率在0.01～1.0MPa/s范围内围压卸荷对变形规律的影响,研究扩容过程的演化规律和强度特征的差异。研究结果表明,大理岩的轴向变形和扩容过程受卸围压速率的影响较为显著,影响规律主要由初始围压水平控制。卸围压试验扩容过程与常规三轴压缩试验峰前阶段的扩容演化规律存在显著差异。不同卸围压速率破坏时获得的极限承载强度均高于加载速率为0.5MPa/s时常规三轴压缩的峰值强度。随着卸围压速率的增大,极限承载强度不断提高,达到1.0MPa/s速率时极限承载强度可提高10%～15%。     

地下洞室围岩整体稳定性定量评估的方法、云系统与工程实践EI北大核心CSCD

地下岩体工程的迅速发展,使得地下洞室的围岩稳定性定量评估成为当前学界和工程界的重大关切。针对当前地下洞室围岩整体稳定性评估与分级尚无定量标准的现状,提出一套以评分制为基本框架、整合工程地质勘察、数值仿真、现场监测等成果的地下洞室硬质围岩整体稳定性定量评估方法,用于考虑围岩基本质量、地应力、不良地质构造、洞室规模与布置方式、施工方式与质量和地下水等因素对围岩整体稳定性的影响。基于该评估方法的基本原理和评估流程开发了地下洞室围岩稳定性云评估系统,可供使用者便捷有效地判别地下洞室的围岩整体稳定性状态并指导工程实践。将这一定量评估方法和云评估系统应用于多个地下洞室的围岩整体稳定性评估,验证了它们的可靠性和适用性。     

均质各向同性硬岩统一应变能强度准则的建立及验证

 在大量硬岩多轴加、卸荷强度试验成果分析基础上,研究硬岩强度及强度准则的基本特性,指出硬岩多轴加、卸荷强度均具有中间主应力效应、最小主应力效应、静水压力效应、应力Lode角效应和拉压异性效应。以强度准则的Zienkiewicz一般形式为基础,提出在Rankine型强度曲线和Drucker-Prager型强度曲线过渡的两参数表征的偏平面形函数,与有效应变能理论为基础的Wiebols-Cook强度准则的改进型子午面形函数相结合,建立均质各向同性硬岩统一应变能强度准则。大量硬岩加、卸荷试验数据验证了该强度准则能客观地反映各向同性硬岩强度基本特性和硬岩强度的非线性特征。通过参数调整,提出的统一强度准则将大量现有强度准则统一到同一强度理论框架下,极大地方便了强度理论的数值实现,适用于多种各向同性硬质岩类,进一步丰富了统一强度理论研究成果。     

深埋隧洞岩爆孕育规律与机制：即时型岩爆

论述深埋隧洞岩爆孕育过程的现场原位综合观测试验思路和方法,给出利用该方法观测到的岩爆孕育时空演化规律以及基于观测结果的关于岩爆孕育机制的认知成果。通过一系列现场深埋隧洞开挖过程中的多元信息综合观测试验,揭示深埋隧洞的即时型岩爆(隧洞开挖卸荷效应影响过程中的隧洞掌子面及其附近的围岩,开挖后几小时到几天内发生)的裂纹(萌生、扩展、张开和闭合过程)、变形、弹性波、声发射和微震时空演化规律及其在时空上的分布特征。通过对监测的微震信息进行矩张量分析,认识即时型岩爆中应变型和应变–结构面滑移型2类岩爆的孕育机制差异性：前者主要是拉张破裂引起,后者主要是拉张破坏、剪切破裂与拉剪–压剪破裂引起,剪切破裂主要沿着硬性结构面发生,形成爆坑边界。该研究成果为针对时空演化规律的深埋隧洞岩爆的预测和动态调控提供了重要基础。     

均匀地应力场下圆形隧道静态弹塑性解析方法

针对圆形隧道的弹塑性解析中许多能更好地反映岩石特性的本构模型由于数学求解的困难而得不到广泛应用的问题,进行新的尝试。首先,基于单一曲线和体积不可压缩假设,总结完善一种更为简便的解析方法。其次,运用该解析方法,针对6种不同的本构模型,计算围岩的弹性区和塑性区应力、塑性区半径、围岩平衡方程、围岩自承地应力上下限等,得到精确或近似的解析表达式。针对线性软化本构模型,引入Lambert函数给出塑性区半径R的解析表达式,论证围岩平衡曲线中R的取值范围。针对Nelder非线性软化本构模型,引入幂函数给出拐点横坐标以及拐点处降模量的近似计算式。当峰后为Weibull非线性软化本构模型时,由于whittaker函数无法求反函数和极限,故而提出以Gauss公式拟合整条围岩平衡曲线,再以Gauss反函数的求解得到塑性区半径的新思路。最后,对比分析6种本构模型的解析结果之间的差异后得出,非线弹性情况下得到的围岩自承地应力上限比线弹性情况下高,而应力集中系数低,应力集中位置偏离弹塑区边界位于弹性区内,切向应力再分布曲线上不会出现尖角,这些都与实际更为相符。因此,不论是软岩或是硬岩,使用连续而光滑的本构模型进行弹塑性分析可以得到更为符合实际的结果。