软弱岩石峰后应变软化力学特性研究

 软弱岩石给采矿工程中巷道支护和维护带来一系列棘手的问题,深入研究软弱岩石受力变形、破坏的机制和规律,对于保证巷道围岩的安全和稳定具有十分重要的意义。通过对软弱泥岩进行常规三轴压缩试验,得到不同围压下的全应力–应变关系曲线,然后依据峰后岩石任意一点应力状态均满足Mohr-Coulomb极限破坏条件的假设,建立以广义黏聚力 和广义内摩擦角 两个状态参数来表征的软弱岩石后继屈服面模型。在此基础上,利用试验数据绘制岩石峰后不同软化状态时的几组莫尔应力圆,通过“切线法”得出莫尔强度包络线的拟合方程,进而确定出不同围压条件下的 和 值,并借助Matlab软件对广义黏聚力 、广义内摩擦角 与等效塑性剪切应变、围压之间的关系进行最小二乘曲面拟合,得出软弱岩石峰后力学参数的软化规律,结果表明：随着围压的增加,广义黏聚力 值呈快速增加的趋势,而广义内摩擦角 值则显著减小;广义黏聚力 受岩石软化程度的影响也十分明显,从岩石峰值状态到残余状态 值迅速降低,平均降低53.88%,而广义内摩擦角 值在该软化过程中则基本保持稳定。最后,将得到的广义黏聚力 和广义内摩擦角 的拟合方程嵌入到FLAC内置应变软化本构关系中,并利用FLAC3D软件对模型的正确性进行数值模拟验证,结果表明数值模拟曲线与试验曲线比较吻合。     

花岗岩峰后力学特性试验与模型研究

深部围岩在开挖卸载过程中表现出的峰后复杂力学特性一直是工程界十分关注的问题,深入研究岩石峰后力学行为对深部资源开采工程具有重要意义。以深部立井马头门工程为依托,通过室内试验方法研究花岗岩峰后力学特性,采用非线性拟合方法获得花岗岩峰后软化模量与围压的指数关系式,假定岩石的剪胀角为恒定值,基于塑性理论构建考虑围压及剪胀角影响的岩石峰后应变软化模型;以FLAC3D为平台开发数学模型并进行验证,通过构建马头门巷道数值模型,分析深部围岩在应变软化条件下的破坏特征规律。通过研究可知,花岗岩峰后破坏具有脆–延性转化趋势,在高围压条件下,岩石峰后表现出塑性软化破坏特征,岩石峰后软化模量随着围压的增大而减小;通过FLAC3D进行数值验证可知,构建的应变软化模型与试验数据基本吻合,所建立的应变软化模型具有较高的可靠性;通过数值模拟方法分析深部马头门巷道围岩破坏特征可知,巷道拱顶及拱脚等局部区域出现了塑性剪切应变,与现场巷道围岩破损位置及深度基本相同。     

断续节理岩体渐进破坏数值模拟方法及等效力学参数的测定

工程岩体分级标准一般不考虑工程岩体的本构关系,仅提供黏聚力和内摩擦角,岩石的力学参数及现场小尺度的试验结果也不能直接用于工程计算。针对这一问题,利用岩石及结构面的实测参数建立含随机裂隙的岩体数值模型,模拟裂隙岩体渐进破坏过程,并获取岩体等效力学参数的数值模拟方法。计算结果证实,考虑地应力及卸荷条件下,计算获得的岩体强度参数较基于工程岩体分类体系的经验值高30%~50%,各风化、卸荷区结论一致,数值模拟获得的岩体卸载变形模量与工程实测值反演获得的变形模量一致。采用数值模拟方法获取岩体破坏模式、本构关系及相应的强度、变形参数是可行的。     

层状岩体的力学特性及数值模拟分析

本文在分析层状岩体力学特征的基础上，研究了层状岩体的数值模拟方法，并结合算例，分析了洞室开挖后岩体的变形特征。研究表明，层状岩体的力学特性因层面与主应力夹角的变化而变化，采用弹塑性接触面单元可较好地模拟层面的变形特性，层面的存在很大程度上影响洞室围岩次生应力的分布，使得洞室变形增大并且具有明显的不对称性。     

基于岩体波速的Hoek-Brown准则预测岩体力学参数方法及工程应用

 根据建立的由岩体波速估算地质强度指标GSI和岩体扰动参数D的计算公式,引入Hoek-Brown准则,给出岩体波速预测岩体力学参数方法(简称岩体波速法)。以中缅油气管道(国内段)澜沧江跨域工程边坡岩体力学参数研究为例,并以室内岩石物理力学参数和场区声波测试数据为基础,采用岩体波速法和E. Hoek建议法预测场区的岩体力学参数。结果表明：岩体波速法和E. Hoek建议法所得的结果平均相对误差均较小,两者基本等效,数值模拟结果更进一步验证了工程应用效果的合理性。该方法在试验资料不足的情况下,能为岩体力学参数的快速评价提供一条新途径。     

灰岩岩体软弱结构面抗剪强度试验研究

通过对灰岩边坡中的软弱结构面进行室内抗剪试验,发现灰岩中的软弱结构面剪切变形呈较理想的"弹塑性"破坏型,剪切变形过程可分为3个阶段,根据剪应力-变形关系曲线上的比例极限、屈服点和峰值点计算得出软弱结构面不同阶段的强度参数值,由c和tgψ试验结果计算得到的边坡稳定性系数与实际情况吻合,说明试验结果是准确的.室内试验方法克...     

层状岩体的力学特性及数值模拟分析

本文在分析层状岩体力学特征的基础上 ,研究了层状岩体的数值模拟方法 ,并结合算例 ,分析了洞室开挖后岩体的变形特征。研究表明 ,层状岩体的力学特性因层面与主应力夹角的变化而变化 ,采用弹塑性接触面单元可较好地模拟层面的变形特性 ,层面的存在很大程度上影响洞室围岩次生应力的分布 ,使得洞室变形增大并且具有明显的不对称性     

三峡花岗岩峰后力学特性及应变软化模型研究 张 帆，盛 谦，朱泽奇，张勇慧

 通过对三峡花岗岩进行常规三轴压缩试验,得到不同围压下的应力–应变全过程曲线。基于弹塑性理论,通过试验数据拟合屈服面,分析研究花岗岩强度参数与峰后应变软化参量的关系,得出在花岗岩的应变软化过程中,黏聚力c随应变软化参量的增大而快速减小,而内摩擦角j在应变软化的过程中几乎保持不变的结论。在此基础上建立花岗岩峰后应变软化模型,利用FLAC3D程序对花岗岩三轴压缩试验进行了数值模拟,其结果与试验数据比较吻合。     

节理岩体等效模型及其数值计算和室内试验

分别使用Goodman节理单元模型和所推出的等效模型,对具有一组和二组节理的受力岩体进行了有限元计算。最后应用所推出的等效模型对一个在节理岩体中的洞室开挖进行了数值模拟,看到试验与计算结果大致符合,显示了所推出的等效模型是有效的。     

白垩系冻结软岩非线性流变模型试验研究

通过高围压固结、低温冻结后再加卸载的试验方法模拟白垩系冻结软岩地下工程施工应力状态变化过程,大量的试验结果表明：白垩系地层冻结软岩存在起始临界应力阈值,且符合Mises强度函数准则;冻结软岩黏滞系数是时间的一次函数,拟合相关系数达0.99以上。根据试验提出了冻结软岩黏弹塑非线性蠕变本构力学模型,将现场实测结果与计算值进行对比：两者变形规律完全一致且数值较吻合,从而验证了低温软岩本构模型的正确性,可为冻结地下工程和寒区岩土工程数值计算提供参考。     

深埋大跨度软岩硐室让压支护设计研究

针对金川三矿区破碎硐室进行了较系统的支护设计研究,得到了一些有价值的成果。首先根据工程地质和围岩自身的特点,在原设计方案的基础之上提出了三步开挖、二次支护和三次让压的总体计算方案,并采用三水平四因素的正交试验表设计了16个让压支护方案;然后,应用FLAC2D对这16个支护方案分别进行了计算,并采用文中所提出的优选评价指标Es进行了综合评定和分析,得到了最佳让压方案;最后,应用FLAC3D对最佳让压方案进行了24工序的三维开挖与支护计算,并提出了较为合理的开挖与支护建议。实际应用表明,优化后的方案有利于该深埋大跨度软岩硐室的长期稳定,该优化设计方法有一定的推广价值。     

针对钻进的软岩特性研究及软岩地层相似模拟

针对软岩地层钻进分析了软岩的工程特性及软岩的破碎机理,运用相似原理采用相似材料模拟出泥岩（包括页岩、粉砂质泥岩）地层模型,并分析了各种主材及养护条件对模型性质的影响因素,为软岩地层中大口径钻进参数的研究提供了很好的基础。     

大断面软岩硐室开挖非线性力学特性数值模拟研究

运用三维有限差分数值计算软件 (FLAC3D) ,模拟分析了软岩大断面硐室围岩由于开挖方法、开挖顺序的不同而产生不同时效变形与应力状态的力学响应及变形特性。研究结果表明 ,软岩大断面硐室的开挖过程是和应力路径与应力历史密切相关的非线性不可逆过程 ,其开挖设计方案应采用软岩非线性大变形力学设计方法 ,即首先采用力学对策设计 ,然后进行过程优化设计 ,最后进行最优参数设计 ,才能保证硐室围岩在开挖过程中处于最佳稳定状态     

深井软岩巷道锚注支护机理分析及其工程应用

通过对锚注支护机理的阐述,研究了锚注支护修复巷道的可行性,结合典型深井软岩巷道变形与破坏形式特征,设计了该返修巷道锚注支护方案,并完成了现场监测分析与评价,工程实践表明,该技术是解决深井高应力软岩巷道支护的有效途径,具有较高的推广应用价值。     

软岩巷道高强锚杆和锚注支护加固机理分析

基于软弱围岩的变形破坏规律，采用有限差分软件FLAC^2D，对普通锚喷支护、高强锚杆和锚注共同支护前后围岩变形破坏规律进行了数值模拟分析，结果表明，锚注支护利用锚杆与注浆相结合的方法，显著提高了围岩的强度和承载能力，扩大了锚杆的使用范围，能有效地控制软岩巷道的围岩变形，具有显著的经济效益。     

考虑围压依存性的软岩结构性下加载面模型

软岩具有典型的弹塑性变形特点,同时由于其内部的胶结作用具有较强的结构性,因此将软岩视作结构性超固结黏土。软岩残余强度随围压变化是软岩峰后力学特性的一个显著特性,在实际工程中具有显著的意义。通过对孔隙比之差的概念进行扩展,使之能够同时考虑软岩的结构性和超固结性,并且给出合理的发展式。通过引入结构性下加载面的概念,在剑桥模型的基础上建立起软岩的结构性下加载面模型。该模型能够反映围压对软岩结构性破坏速率的影响,最终导致不同围压下软岩达到残余强度变形阶段时所保留的残余结构性存在差异,使得软岩的残余强度随围压变化。将理论计算结果与软岩的三轴压缩排水试验结果进行对比分析,结果表明该模型能够较好的描述软岩的应变硬化和软化特性及体积变形剪胀特性,同时能较好的描述软岩的残余强度随围压变化这一力学特性,并给出合理解释。     

深埋隧洞围岩应力分析及岩爆预测

采用有限元软件,数值模拟分析了相同侧压系数、不同埋深工况下的深埋隧洞围岩应力变化规律,初步判别了岩爆可能性及岩爆发生部位,对隧洞的设计及施工过程中岩爆的防治具有一定的指导作用。     

数值分析方法在评定岩溶稳定性中的应用

为探讨岩溶围岩的稳定性问题，采用了FLAC数值模拟方法，对某高速公路路基下伏岩溶区围岩的稳定性进行了各种不利条件下的分析比较，通过数值模拟结果表明，该方法能较好地评价岩溶地区围岩的稳定性。