考虑中主应力和剪胀的深埋圆形隧道黏弹塑性蠕变解

深埋圆形隧道的开挖支护是与时间相关的复杂力学过程。为了描述这一过程,假设隧道围岩为Burgers体与Drucker-Prager准则组合的黏弹塑性模型。隧道开挖支护完成瞬时围岩表现为弹塑性,此时考虑中主应力的影响,推导出原岩应力和支护反力共同作用下的应力场;随后,假设此应力场保持不变,隧道围岩表现出随时间变化的蠕变性能,进一步推导出深埋圆形隧道考虑剪胀性能的围岩蠕变位移解析式;结合实际算例,分析围岩剪胀角与支护反力对深埋圆形隧道围岩蠕变位移的影响规律。结果表明,剪胀角的变化会对隧道围岩蠕变位移产生较大影响,而支护反力并不能完全控制高地应力作用下的深埋隧道围岩位移随时间的持续增加。     

弹塑性围岩砂浆锚杆支护问题的估算法

本文从现场量测资料出发,拟定锚杆应变深度曲线的数学模型,据此求解锚杆的应力与位移。将锚杆对围岩的反力简化为轴对称径向体积力,根据莫尔-库仑屈服条件求解锚固区径向应力。将锚固区视为承载结构,按照传统支护的围岩变形公式确定锚杆支护的围岩变形。以轴对称解为基础,考虑围岩的周向非均匀变形,从锚杆与其轴线处围岩的应力应变关系入手,建立锚杆与围岩的变形协调条件,提出了求解砂浆锚杆支护问题的基本方程。     

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。     

深埋双轨巷道围岩与支护结构稳定性的有限元仿真分析

采用有限元方法对深埋双轨巷道在无支护和有支护条件下围岩与支护结构的受力及变形特征进行分析,给出两种支护条件下围岩的应力分布特征、巷道周边特征点的变形(位移)大小及破坏区的范围,对支护前后巷道周边特征点处的应力、位移和屈服度进行对比分析,计算了混凝土支护结构所受内力和弯矩的大小,并给出其分布特征图。通过研究得出围岩能够自行稳定、支护结构设计参数合理和原设计方案可行的结论。     

隧道原位单侧扩挖围岩力学特性解析分析

为通过解析计算分析隧道单侧扩挖围岩力学特性的特点,考虑到围岩支护对隧道围岩的稳定起到重要作用,针对已有的隧道围岩力学解析解,在考虑支护反力作用的情况下,结合Schwarz交替法进行求解,提出了隧道原位扩挖围岩力学特性计算的解析算法。经大帽山隧道原位扩挖工程的围岩变形监测数据与abaqus数值模拟验证,结果表明:在考虑支护情况下隧道原位扩挖Schwarz交替法能得到较精确的围岩力学性质,该方法有较好的适用性。随着扩挖宽的的增加其围岩特性如下:(1)在相切处即原隧道在开挖施工部分应力值变化较大,扩挖部分的环向应力在拱顶处有拉应力产生。(2)原隧道竖向,水平位移值变化较小,较稳定。扩挖部分的竖向位移有增大趋势,水平位移有收敛趋势。(3)相较于无支护的情况,有支护力作用下,隧道扩挖水平位移变形趋向于稳定,竖向位移变化较小。     

圆形坑道锚注支护理想弹塑性分析

利用弹塑性力学经典力学模型,结合岩体力学知识,建立圆形坑道围岩和锚注支护力学分析模型,得到了圆形坑道围岩和锚注体弹塑性应力分布、塑性半径和弹塑性位移等与支护反力、原岩应力和岩体C、ψ之间的相互关系.合理地考虑围岩与支护共同作用,推导得出了一系列支护结构的计算公式,对弹塑性岩体的圆形坑道稳定性分析与设计具有较强的实用和指导价值.     

FLAC3D技术在锚杆"耦合"支护工程中的应用研究

隧道开挖后的支护结构设计,唯有在充分考虑原岩条件的支护设计,并确保支护体系、支护结构和参数以及施工工艺过程与围岩变形力学特性相适应、相匹配的条件下,才能达到最大限度发挥围岩自承能力和支护体系支承能力,达到控制围岩变形、维护隧道稳定的目的.亦即唯有使支护设计与原岩条件达到一定程度的"耦合"关系,才能既满足隧道围岩的稳定要求,也同时达到经济合理的目的.文章结合襄武段联拱隧道具体工程条件,就隧道锚杆支护设计与原岩条件的"耦合"问题借助FLAC3D数值模拟技术进行研究,得出了锚杆弹性模量为围岩体等效变形模量的250倍时,锚杆支护刚度就与围岩体强度达到"耦合"状态的结论,为合理设计隧道锚杆支护结构提供了可靠依据.     

FLAC^3D技术在锚杆“耦合”支护工程中的应用研究

隧道开挖后的支护结构设计，唯有在充分考虑原岩条件的支护设计，并确保支护体系、支护结构和参数以及施工工艺过程与围岩变形力学特性相适应、相匹配的条件下，才能达到最大限度发挥围岩自承能力和支护体系支承能力，达到控制围岩变形、维护隧道稳定的目的。亦即唯有使支护设计与原岩条件达到一定程度的“耦合”关系，才能既满足隧道围岩的稳定要求，也同时达到经济合理的目的。文章结合襄武段联拱隧道具体工程条件，就隧道锚杆支护设计与原岩条件的“耦合”问题借助FLAC^3D数值模拟技术进行研究，得出了锚杆弹性模量为围岩体等效变形模量的250倍时，锚杆支护刚度就与围岩体强度达到“耦合”状态的结论，为合理设计隧道锚杆支护结构提供了可靠依据。     

巷道围岩最优恒阻支护计算方法

根据岩石和围岩的蠕变机理以及岩石流变控制原则,在实验研究的基础上,提出了新的岩石稳定蠕变准则,并建立起一个岩石最优恒阻支护计算方法。用这一计算方法能求出岩石恒阻支护的重要技术参数,即最优(小)恒阻支护力、围岩最大允许变形量、恒阻U型钢支架的截面积、联接螺栓的预紧力和直径及最优支护力的拧紧力矩。按最优恒阻支护计算方法设计巷道支护,可以达到经济且安全的最佳支护效果。文中应用了课题组近期岩石流变实验研究的结果:应力偏量第三不变量对岩石蠕变影响显著;岩石侧向蠕变的应力阀值比轴向蠕变应力阀值低20%～40%。这些结果的应用使巷道岩石支护的设计更趋于安全。     

深部围岩蠕变特性对巷道稳定性影响数值模拟

深部巷道施工过程中,围岩及支护的空间变形和受力情况与时间密切相关。以恒大煤矿2233工作面进风巷围岩煤样为原型,通过蠕变压缩试验和FLAC3D数值模拟,分析了时空效应下巷道围岩的受力变形规律和支护结构特征。研究表明:Burgers本构模型可以准确拟合煤样蠕变曲线,辨识后的模型参数能科学地描述该矿巷道蠕变特征,适用性高;在支护作用下,巷道在第3个月后进入稳定蠕变阶段,此时围岩变形的水平收敛值和拱顶沉降值分别为16.38 cm和12.45 cm,围岩所受最大应力为15.49 MPa;云图表明巷道拱肩处的支护效果最差,锚杆变形最为严重,同时由于蠕变长时间的持续作用,1年后巷道的最大围岩变形值为24.98cm,远远超过拱顶处的变形值5 cm。巷道模拟结果与实际变化基本一致,能科学有效的反映深部巷道围岩蠕变规律,为深部矿井安全性和稳定性设计提供一定依据。     

围岩–支护作用机制评述及其流变变形机制 概念模型的建立与分析

 岩石地下工程支护理论的核心问题是围岩–支护相互作用机制。首先,分析卡斯特纳方程和围岩–支护作用机制存在的缺陷和错误,包括：(1) 模型对支护反力的产生及其支护时机、加载路径等力学处理不具有工程实际意义。(2) 由卡氏方程和弹塑性公式推导的围岩特性曲线在工程实际中不存在,因此也不存在与支护结构的支护特性曲线相交的可能性。(3) 将围岩特性曲线和支护特性曲线相交求解围岩–支护相互作用的平衡点存在概念及逻辑上的错误。然后,建立基于流变变形的围岩–支护相互作用机制的概念模型。最后,应用流变机制概念模型对工程实例进行计算,推演围岩与支护的相互作用过程,从理论上证实混凝土结构在一定条件下支护软岩巷道是可以的。提出的流变机制概念模型,既可以对围岩–支护相互作用给出定性解释,也可以应用于岩石地下工程的设计,理论基础可靠,能够应用于工程实践。     

隧道各向异性软岩力学参数反演及蠕变研究

在高地应力条件下具有层理构造的横观各向同性软岩中开挖隧道后,软弱围岩会发生显著的流变变形,直接影响隧道围岩的稳定性及支护结构的长期服役性能。采用数值模型模拟木寨岭隧道大战沟斜井试验洞的开挖蠕变过程,建立并验证了隧道宏观变形特征值与围岩力学计算参数之间的BP神经网络。在此基础上根据6+90试验洞现场变形监测数据,反演得到了该处炭质板岩的塑性及蠕变力学参数。应用另两处监测断面的现场监测曲线验证了基于BP神经网络的反演方法及所得炭质板岩力学参数的可靠性。另外分析了横观各向同性炭质板岩的开挖蠕变力学变形性质,对高地应力条件下横观各向同性软弱围岩中隧洞开挖及支护结构的设计、施工具有重要的指导意义。     

考虑应力路径的深埋隧道黏弹–塑性围岩与支护相互作用

黏弹–塑性岩体中,隧道的支护反力会随时间增加,致使塑性区内已屈服围岩的应力状态从屈服面上回到屈服面以内。因此,研究隧道围岩与支护结构相互作用的长期力学特性时须先弄清其应力路径。考虑应力路径影响,基于广义Kelvin流变模型和Mohr-Coulomb强度准则,给出深埋隧道黏弹–塑性围岩与支护相互作用的应力、应变及位移的简化计算方法。将高地应力软岩隧道的各种"抗让结合"支护技术归纳为"先让后抗"、"边让边抗"、"先控再让后抗"3类,分别分析3类支护措施对围岩应力路径的影响,并对比研究不同支护措施下隧道黏弹–塑性围岩的变形及支护反力。结果表明,考虑应力路径后计算得到的围岩位移更大。在相同的位移释放量、相同的衬砌支护刚度条件下,采用"先让后抗"的措施,围岩初期变形速率非常大,施加永久支护后,后期增长的支护反力也最大。在高地应力、变形严重的条件(例如初始地应力超过20 MPa)下采用"先控再让后抗"措施是最合适的。隧道开挖后立即施作长锚杆主动支护围岩,不仅可以控制围岩在第一阶段的变形速率,提高第一阶段围岩的稳定性,还可以大幅降低第二阶段永久衬砌的支护力,提高第二阶段衬砌结构的稳定性。在地应力不高、变形不严重的条件下(例如初始地应力低于10 MPa)采用"先让后抗"的措施就可以较好地控制围岩变形,不必采用"先控再让后抗"措施。而"边让边抗"措施适用于2种情况之间(例如初始地应力为10～20 MPa)。此外,黏滞系数较小(较软弱)的围岩开挖后变形速率较大,例如当黏滞系数η分别取2×10~9和1×10~(10) Pa·d时,采用"先控再让后抗"措施后围岩初期变形速率分别为17.6和3.5cm/d。因此,黏滞系数较小(较软弱)的围岩在开挖后必须立即施加较大的支护反力以控制围岩变形速率。     

考虑开挖面空间效应的围岩虚拟支护力分析

基于围岩与支护相互作用两阶段分析法,针对静水压力下的圆形隧道,提出了一种预测理想弹塑性、应变软化、弹-脆-塑性围岩下虚拟支护力的数值方法。根据该方法,首先给出了隧道纵向变形曲线与围岩特征曲线的求解程序,在此基础上,根据一定工况下围岩应力应变一致性对虚拟支护力进行耦合求解。通过与其他方法的计算结果对比论证了本文方法的优势。同时还探讨了临界塑性软化系数、岩体质量、初始应力、剪胀系数对虚拟支护力与开挖面空间效应的影响规律,参数分析结果表明:许多关于隧道掘进的数值模拟研究或实际工程中,经常基于弹性假定计算应力释放率,相应的支护设计并不安全。     

大刚度高强度二次支护巷道控制机理与应用

通过理论研究和现场多种支护方式的对比试验,建立了大刚度高强度二次支护巷道黏弹、黏塑性力学模型;进行了软岩巷道一次锚网喷支护、二次大刚度高强度支护围岩稳定控制的理论计算、分析与应用。根据理论计算结果,分析了二次支护前后围岩体应力状态的转化结果,得出了二次支护最大工作阻力值的黏弹、黏塑性理论解析解;并确定了第二次大刚度高强度支护的合理参数,选择了安全可靠的支护方法,实现了巷道的长期稳定。二次支护巷道围岩稳定控制的机理为:一次支护让压围岩体受力达到较低变形速率下的力学平衡,充分发挥围岩的承载作用;二次大刚度高强度支护避免围岩体处于高应力状态下及再次应变软化与蠕变劣化导致的承载力降低、状态恶化,减少巷道岩体偏应力,促进围岩应力向长期强度和巷道稳定的流变停止状态转化。     

软岩支护中钢锚杆的应力松弛模型

软岩工程中的围岩流变是工程支护上最困难的问题,也是造成灾害性事故的主要因素之一,针对这种现象,工程实际中常常用锚杆对软岩进行稳定支护[1]。软岩支护锚杆的设计按照锚杆能提供最佳支护状态的原则进行。所谓最佳状态支护是指锚杆提供的支护能将围岩的蠕变控制在稳定蠕变范围内。要达到这种状态,主要有2种途径：（1）设计锚杆能及时地提供足以使围岩形成稳定蠕变的支护,使围岩尽快形成压缩环;（2）合理设计锚杆支护,使它在恒阻条件下变形,以减少变形给支护带来的附加压力,同时锚杆提供的支护力刚好满足围岩进入稳定蠕变时所需要…     

围岩——支护作用机制评述及其流变变形机制概念模型的建立与分析

岩石地下工程支护理论的核心问题是围岩-支护相互作用机制.首先,分析卡斯特纳方程和围岩-支护作用机制存在的缺陷和错误,包括:(1)模型对支护反力的产生及其支护时机、加载路径等力学处理不具有工程实际意义.(2)由卡氏方程和弹塑性公式推导的围岩特性曲线在工程实际中不存在,因此也不存在与支护结构的支护特性曲线相交的可能性.(3)将围岩特性曲线和支护特性曲线相交求解围岩-支护相互作用的平衡点存在概念及逻辑上的错误.然后,建立基于流变变形的围岩-支护相互作用机制的概念模型.最后,应用流变机制概念模型对工程实例进行计算,推演围岩与支护的相互作用过程,从理论上证实混凝土结构在一定条件下支护软岩巷道是可以的.提出的流变机制概念模型,既可以对围岩-支护相互作用给出定性解释,也可以应用于岩石地下工程的设计,理论基础可靠,能够应用于工程实践.     

端锚式锚杆-围岩耦合流变模型研究

针对端锚式锚杆-围岩结构体在长时条件下支护作用的演化机制,建立了端锚式锚杆-隧洞围岩耦合作用的结构模型。进行了结构模型的基本假设：①圆形隧洞;②深埋;③各向等压原岩应力;④均质且各向同性黏弹性围岩模型;⑤一维黏弹性锚杆模型;⑥锚杆对围岩作用力整体为面力。基于基本假设建立了端锚式锚杆-围岩耦合流变理论模型。假设围岩和锚杆均为Maxwell模型时,求解了圆形隧洞围岩应力和位移的径向分布随时间变化的解析解,获得了锚杆轴力随时间演变的理论公式。基于锚杆（索）流变模型,进行了FLAC^3D数值模拟软件的二次开发;并通过数值模拟与理论计算的对比分析验证了理论模型的合理性,分析了端锚式锚杆-围岩耦合流变规律及其影响因素。该模型对于研究地下隧洞的流变力学行为,分析锚固支护结构的长期稳定性,指导工程支护设计具有重要的基础理论价值。     

芦岭煤矿Ⅲ1024底板巷支护与围岩类型稳定性分析

以芦岭煤矿Ⅲ1024底板巷工程地质条件为背景,通过FLAC3D5.0有限元差分软件,分析该底板巷在不同围岩类型条件下巷道开挖后,在相同支护方案下围岩破坏以及巷道变形情况。研究表明:由于在巷道开挖过程中两帮应力集中逐渐向下底板下移,导致底板应力过大。因此泥岩巷道底臌尤为严重。随着岩性的变化,巷道两帮位移较为显著,顶底板位移差别不大,两帮应力区逐渐降低,巷道水平应力回升至原岩应力更加困难。通过现场矿压监测数据来分析实际巷道围岩变形情况,并提出改善方案,从而保障巷道围岩稳定性,达到工程实际要求。     

考虑围压效应和中主应力的深埋软岩隧道弹塑性解

高地应力深埋软岩隧道开挖卸荷后,断面周边围岩的径向应力急剧降低,围压从围岩深部至隧道洞壁急剧衰减,不同位置岩石的应变软化和剪胀扩容受围压效应的控制。基于三维H-B强度准则建立考虑围压效应和中主应力的深埋软岩隧道弹塑性解计算方法,并依托中老铁路新华隧道计算深埋滇中红层软岩隧道的挤压变形,讨论围压效应和中主应力对围岩应力–应变特征、强度软化特征和剪胀扩容特征的影响,探讨围压效应在不同峰值强度、原岩应力和支护反力下的敏感性。研究结果表明：围压效应通过降低岩石的临界塑性偏应变η^*和增大岩石的峰值剪胀扩容系数K_ψ^p,从而加剧围岩的软化和剪胀程度,进而加剧隧道的挤压变形;中主应力会降低围岩的软化程度,加剧围岩的剪胀扩容,但整体上能有效抑制深埋软岩隧道的挤压变形;岩石峰值强度越低、埋深地应力越大时,隧道的挤压变形受围压效应的影响程度越高。因此分析高地应力深埋软岩隧道开挖卸荷的力学响应时,不能忽视围压效应的影响;支护反力能有效抑制效围压效应对隧道挤压变形的影响,在深埋软岩隧道的施工建设时应及时施作支护结构约束围岩的变形。