结构面在卸载条件下的力学特性研究

在深部岩体工程中,研究节理岩体的卸荷破坏机制,对于揭示节理岩体在卸荷条件下的力学行为及其破坏机理,具有十分重要的理论意义.文章通过规则齿形结构面在卸载条件下的剪切试验,对其力学特性进行了基础性研究,阐述了规则齿形结构面在卸载条件下力学特性的主要特征及其强度、变形等力学特性的主要规律,并与加载条件下的结构面的力学特性进行比较.通过试验分析得出了结构面的综合抗剪强度参数cj和φj,在加卸载条件下的变化规律,结构面强度的变化规律,在此基础上建立了评价结构面剪切强度的经验公式.文章最后还对结构面在加卸载条件下的扩容特性进行了分析,并对现象做出了解释.     

岩体结构面力学特性的试验研究

分析了当前各种工程中岩体所处的应力状态,主要针对结构面在卸载条件下的力学特性进行了基础性的研究,通过进行卸载下结构面的剪切试验,获取了其相应的力学特性,研究了在这样的力学条件下,其强度、变形等力学特性的规律。     

绿片岩软弱结构面的剪切蠕变特性研究

 针对锦屏II级水电站引水隧洞超埋深、高地应力的特点,选取边坡和地下洞室围岩中含有绿片岩软弱结构面的灰白色大理岩为研究对象,对含有软弱结构面的大理岩试样进行分级加载剪切流变试验,并对试验结果进行分析,探讨软弱结构面的蠕变特性。通过对不同法向应力条件下岩体结构面的蠕变力学特性及其规律的研究,以及对结构面剪切蠕变试验过程中的蠕变速率特性进行分析,结果显示结构面的剪切蠕变试验曲线表现出明显的3个阶段。在此基础上选用改进的Burger模型对结构面蠕变试验结果进行拟和分析,并讨论改进的Burger模型对于描述结构面剪切蠕变特性的适用性。     

红砂岩卸载破坏强度特征试验研究

开挖卸载是地下岩石工程中常见的应力路径。具有较高初始应力的岩体在卸载应力路径下表现出与加载时不同的力学行为,往往导致大变形、岩爆等工程灾害。为揭示卸载条件对脆性硬岩破坏的影响规律,采用红砂岩立方体试件开展加、卸载试验,测定红砂岩在加载和不同卸载条件下的强度特征。试验表明:卸载完成后试样经过一段数秒的滞后期,先在靠近卸载自由面处发生板裂,之后整体破坏丧失承载力。在快速卸载条件下,红砂岩的破坏强度均比加载强度有不同程度的降低,下降幅度为8.4%~27.2%;初始侧向应力越大,卸载破坏强度下降幅度越大,初始侧向应力相同时,双面同时卸载工况较单面卸载工况的强度降幅更大。依据试验数据分析卸载破坏应力路径与加载破坏包络面的关系,并建立动力学模型分析卸载破坏的主要影响因素。试验揭示的卸载效应对岩石强度的不利影响,对于合理确定开挖卸载条件下的岩石强度参数具有重要参考意义。     

岩石的劈裂和卸载破坏机制

 概括含缺陷的岩体结构模型,并利用其研究岩石在加载和卸载时内部出现的拉应力及其对岩石破坏模式的影响。为模拟深部岩体的赋存环境,研究3种受力条件下的岩石应力状态：单轴无侧限压缩、具有初始静水压力时的加载和初始静水压力作用下岩石的卸载。分析表明,无论是加载还是卸载,岩体中均将出现局部拉应力。在加载情况下,岩体中出现的拉应力有可能导致平行于加载方向的劈裂;而在卸载情况下,岩石中将在缺陷处形成平行于卸载方向的拉应力。岩石中出现的拉应力主要与岩体内缺陷的物理参数、初始应力大小和卸载速率有关。对卸载时初始应力和卸载速率对缺陷应力集中的影响进行分析,结果表明：卸载速率越快,缺陷处的应力集中越大,若缺陷尺寸较大,岩体中的局部拉应力和初始应力近似成正比。根据得到的局部应力表达式,在深地下工程中,快速卸载将必然导致岩体的拉伸破坏。     

应力波作用下含大型结构面岩体垮塌动力失稳机制

不连续结构面对爆炸应力波在岩体中的传播有很大影响,研究应力波作用下含大型结构面岩体动力垮塌失稳机制,为含结构面等地质构造条件下岩体开采及稳定性控制提供理论依据。以冬瓜山铜矿56–8~#矿房采场回采诱发相邻56–7~#矿柱采场垮塌为工程背景,建立结构面剪切滑移失稳力学模型,基于莫尔–库仑强度准则,采用理论分析方法计算了爆炸应力波通过结构面的透、反射系数,分析应力波通过结构面的应力响应特征;推导结构面发生剪切滑移的能量判据及应力判据,获得结构面的发生剪切失稳的条件。通过对结构面抗剪强度参数进行不断弱化,研究了微差爆破对结构面的破坏规律。研究表明:(1)入射角在一定范围内,反射波不发生相位延迟现象,并且在此入射角范围内,能量耗散系数大于0,结构面发生剪切滑移;(2)结构面是否发生剪切滑移失稳与结构面抗剪强度参数(内摩擦角、黏聚力)及应力波入射角、爆源距结构面距离有关;爆源距结构面的距离越远,结构面的抗剪强度参数越大,越不容易发生剪切滑移失稳。(3)微差爆破造成结构面强度参数不断弱化,使其发生剪切破坏变得容易,当结构面参数达到了发生剪切滑移的临界条件时,则56–7~#矿柱采场发生垮塌。     

双轴应力状态下围岩的力学特性研究综述

双轴应力状态是地下洞室群洞周围岩的一种典型受力形态.针对开挖卸载下围岩的破坏机理及流变特性,结合现有岩样试验以及相关的理论模型,从岩样的加载破坏、岩石的蠕变效应以及围岩的卸载机制等方面进行了总结与归纳,并对深部地下洞室开挖过程中围岩发生的岩爆和劈裂破坏现象进行了综述.分析评价了双轴应力状态下围岩的力学特性研究成果以及最新进展,同时指出目前研究中存在的问题和进一步研究的方向.     

结构面的剪切蠕变特性及本构模型研究

岩体结构面的蠕变特性研究对解决岩石力学实际问题具有很重要的意义,结构面的蠕变力学性态往往控制着岩体的时效变形和长期强度,研究结构面的剪切蠕变特性是岩石流变学的一项重要内容。通过规则齿形结构面在不同法向应力条件下的剪切蠕变试验,研究了不同角度结构面的剪切蠕变特征,并根据蠕变试验结果,对结构面的剪切蠕变特性进行了描述,对结构面剪切蠕变试验过程中的蠕变速率特性进行了研究。研究表明,结构面在蠕变试验过程中,严格意义下的稳态蠕变是不存在的,常说的稳态蠕变实际上是蠕变速度随时间缓慢减小的近似稳态蠕变过程。最后,提出改进Burgers模型来描述蠕变的剪切蠕变特性,并讨论了改进的Burgers模型对于描述结构面剪切蠕变特性的适用性。     

规则齿型结构面剪切特性的模型试验研究

 通过规则齿型结构面在不同法向应力下的剪切试验,对其力学特性进行基础性研究,阐述规则齿型结构面在剪切条件下力学特性的主要特征,以及其强度、变形等力学特性的主要规律。通过对试验数据的分析,对结构面在剪切应力作用下的剪切变形曲线以及不同粗糙度结构面的剪切变形特性进行深入研究,在此基础上提出结构面剪切变形特性的经验本构关系,同时对结构面综合抗剪强度参数在剪切条件下的变化规律进行研究,建立评价结构面剪切强度的经验公式。最后还对结构面在剪切条件下的扩容特性进行分析,并对现象做出解释。     

基于应力松弛试验的结构面长期强度确定方法

为研究结构面的剪切应力松弛特性及应力松弛与长期强度之间的关系,选取Barton标准剖面线中的第4,6和10条作为人工模拟结构面的表面形态,并用水泥砂浆浇筑成试样,在岩石双轴流变仪上进行试验值大于剪切长期强度的循环加载剪切应力松弛试验。基于试验结果,分析结构面在剪切作用下的应力松弛速率特性,以及不同应力水平作用下的结构面应力松弛特性及循环加载条件下的结构面应力松弛特性;讨论蠕变和应力松弛之间的联系,提出通过应力松弛试验对长期强度的求解方法。该研究成果对应力松弛的认识及长期强度的试验确定方法均是一次有意义的探索,可为工程实践提供指导。     

地下硐室围岩应力状态及相关参数测量结果的分析与评价

在深埋及压力硐室工程中,采用水压致裂法测定围岩三维应力状态,宜首先判定围岩应力的分布状况。在具有应力松弛圈、应力集中区与不受开挖影响的正常应力分布域情况下,只有分别进行计算分析,才能更为真实地揭示出硐壁围岩的三维应力分布特征。对于确定压力硐室围岩自身承载能力的水力劈裂测试成果,只有结合裂隙性状、岩层结构状况等进行全面分析,才能准确评价围岩的抗载强度。由于在高压力作用下,岩体中存在的软弱结构面有可能被张裂或扩展,从而改变岩层的透水性,因此只有按照工程运行状态下围岩实际承受的压力进行高压压水测试,才能得到岩层透水性的可靠资料。     

地下硐室围岩应力状态及相关参数 测量结果的分析与评价

 在深埋及压力硐室工程中，采用水压致裂法测定围岩三维应力状态，宜首先判定围岩应力的分布状况。在具有应力松弛圈、应力集中区与不受开挖影响的正常应力分布域情况下，只有分别进行计算分析，才能更为真实地揭示出硐壁围岩的三维应力分布特征。对于确定压力硐室围岩自身承载能力的水力劈裂测试成果，只有结合裂隙性状、岩层结构状况等进行全面分析，才能准确评价围岩的抗载强度。由于在高压力作用下，岩体中存在的软弱结构面有可能被张裂或扩展，从而改变岩层的透水性，因此只有按照工程运行状态下围岩实际承受的压力进行高压压水测试，才能得到岩层透水性的可靠资料。     

不同洞形与加载方式对深部岩体分区破裂影响的模型试验研究

 随着地下工程开挖深度的增加,深部洞室围岩将产生不同于浅部洞室的分区破裂现象。为研究分区破裂的破坏机制和形成机制,以淮南矿区丁集煤矿高地应力深部巷道为工程背景,采用模型相似材料和数控真三维加载模型试验系统,开展圆洞、城门洞和马蹄形洞在沿洞轴向和垂直洞轴向加载条件下的洞室开挖真三维地质力学模型试验。模型试验研究表明：(1) 初始最大主应力平行于洞轴方向且其量值超过1.5倍围岩单轴抗压强度是深部岩体产生分区破裂的重要条件;(2) 洞室分区破裂的范围与洞形和洞室尺寸有关,洞室尺寸越大,分区破裂范围越大。模型试验结果有效揭示分区破裂的形成条件和破坏规律,为深入研究高地应力深部岩体的非线性变形特征与破坏机制奠定了坚实的试验基础。     

向家坝水电站地下厂房缓倾角层状围岩稳定分析

 向家坝水电站地下厂房跨度33.4 m、高85.2 m,为国内最大跨度与高度的地下厂房。缓倾角岩层中大跨度地下洞室群的开挖致使顶拱围岩稳定问题突出,为典型结构面控制型地下岩体工程。采取三维离散单元法与应力位移监测相结合的研究对策,对围岩稳定进行综合分析,实施对穿锚索和系统锚杆的加固对策,并基于监测成果说明厂房顶拱围岩在开挖加固后的稳定性。研究表明,浅至中等埋深结构面控制型围岩稳定问题必须加强工程地质分析,重视岩体的非连续性和各向异性,宜采用非连续介质力学分析方法进行分析,以实施针对性加固措施。     

基于双参负指数分布的改进的岩体本构关系

在结构面迹长、间距服从双参数负指数分布以及对迹长进行统计区间[α1,α2]积分的基础上,结合室内岩石力学实验,建立改进的岩体统计本构模型。通过引入剩余剪应力比h,建立结构面产状与地应力之间的函数关系,量化主地应力方向、岩体结构面产状对岩体力学性质各向异性的控制性作用。研究结果表明:当地应力方向发生变化时,将改变剩余剪应力比h值,进而引起岩体应力–应变曲线发生变化;在此改进的岩体统计本构模型基础上,计算云南小湾水电站坝基岩体的应力–应变曲线,揭示该坝基岩体在不同应力条件下的各向异性特征。     

考虑温度影响的球形盐穴弹塑性解析分析

地下盐穴储库在存储运营过程中洞室内的高温是关乎盐穴稳定性的重要因素。将地下盐穴储库的形状简化为球形,考虑温度不均匀变化产生的热应力以及温度对黏聚力的影响,基于Mohr-Coulomb屈服准则、理想弹塑性模型以及非关联的流动法则,得到了存储内压、地应力和温度共同作用下盐穴储库围岩应力及位移的解析解答,与相同假定下有限元模型的结果吻合很好。分析了温度以及温度引起的盐岩黏聚力劣化对盐穴稳定性的影响。结果表明,温度对于盐穴洞室的稳定性有着不可忽略的作用,温度升高促进了塑性区半径和变形的扩展;高温差下盐岩黏聚力劣化对塑性区的影响更加明显。     

Simulation of cracking near a large underground cavern in a discontinuous rock mass using the expanded distinct element method

The rock masses in a construction site of underground cavern are generally not continuous, due to the presence of discontinuities, such as bedding, joints, faults and fractures. The performance of an underground cavern is principally ruled by the mechanical behaviors of the discontinuities in the vicinity of the cavern. A number of experimental and numerical investigations have demonstrated the significant influences of discontinuities on the mechanical, thermal and hydraulic behaviors of discontinuous rock masses, indicating that the deformation mechanism and stability of rock structures in the discontinuous rock masses depend not only on the existing discontinuities but also on the new cracks generated and thereafter keep propagating due mainly to the stress redistribution induced by excavation.In this study, an expanded distinct element method (EDEM) was developed for simulating the crack generation and propagation due to the shear and tension failures in the matrix rock blocks. Using this method, excavation simulations of deep underground caverns have been carried out on the models with differing depths of cavern and differing geometrical distributions of the existing discontinuities. Model experiments by using the base friction test apparatus were conducted to verify the proposed numerical approach. Furthermore, the support effects of rock bolts on controlling the deformations of the rock mass surrounding a cavern and movements of key blocks were evaluated by means of the EDEM approach.     

溪洛渡水电站超大型地下厂房洞室群岩体工程控制与监测

 金沙江溪洛渡水电站地下厂房洞室群规模巨大,结构复杂,玄武岩组内层间与层内错动带致使岩体非连续性是主要地质问题。采用损伤弹塑性数值方法对围岩稳定性进行分析,确定洞室开挖顺序和支护参数。精细化施工组织,严格控制开挖对岩体的损伤范围,并保证洞室轮廓的良好成型。及时对监测数据进行分析和反演分析,对支护工作量进行动态设计。开挖过程中,位移和应力变化规律较好;开挖完成后,位移和应力总量值较小,洞室围岩稳定性良好。溪洛渡地下厂房洞室群规模为我国已建和在建工程之首,总结其设计、开挖与支护,监测与反演等岩体工程控制措施,对类似工程具有指导和借鉴作用。     

Rock mass response for lined rock caverns subjected to high internal gas pressure

The storage of hydrogen gas in underground lined rock caverns (LRCs) enables the implementation of the first fossil-free steelmaking process to meet the large demand for crude steel. Predicting the response of rock mass is important to ensure that gas leakage due to rupture of the steel lining does not occur. Analytical and numerical models can be used to estimate the rock mass response to high internal pressure; however, the fitness of these models under different in situ stress conditions and cavern shapes has not been studied. In this paper, the suitability of analytical and numerical models to estimate the maximum cavern wall tangential strain under high internal pressure is studied. The analytical model is derived in detail and finite element (FE) models considering both two-dimensional (2D) and three-dimensional (3D) geometries are presented. These models are verified with field measurements from the LRC in Skallen, southwestern Sweden. The analytical model is inexpensive to implement and gives good results for isotropic in situ stress conditions and large cavern heights. For the case of anisotropic horizontal in situ stresses, as the conditions in Skallen, the 3D FE model is the best approach.