深部岩体分区破裂化现象数值模拟

 利用数值手段模拟深部岩体分区破裂现象的产生及演化过程。从岩石的细观结构层次出发,基于最大拉应力准则和应变能密度理论建立单元破坏准则,并应用弹性损伤力学方法来模拟岩石的破坏行为,数值模拟过程中,必须考虑地下洞室开挖释放的能量足够引起围岩产生动力现象,即将开挖过程视为一个动力过程。基于上述思想,通过FLAC3D中的FISH语言开发分区破裂化现象的计算程序,并应用该程序求解某深埋巷道围岩破裂形态,得到破裂区和非破裂区的宽度和数量,数值模拟结果与现场观测成果有很好的一致性。     

深埋巷道分区破裂化机制

深部巷道外部受到远场原岩应力的作用，而内壁受到一个随时间变化的内压作用，开挖过程是动力问题，其运动方程可以用位移势函数来表达。通过对运动方程进行Laplace变换，进而求得其通解。根据弹性力学知识和边界条件得到巷道围岩由于开挖扰动和原岩应力作用引起的弹性应力场和位移场。当该弹性应力场满足破裂条件时，岩体发生破裂，位移不连续，形成破裂区。结合断裂力学知识，确定破裂区岩体的残余强度和产生破裂区的时间，进而确定破裂区和非破裂区的宽度和数量。数值分析结果表明，巷道分区破裂化的产生跟开挖速度与岩石强度有关。该研究可为深部岩体的开挖和支护设计提供初步的理论基础。     

深埋长大公路隧道岩爆预测及防治研究

岩爆作为深埋长大隧道在开挖后常见的一种地质灾害,极大地威胁着施工人员和设备的安全。文章在全面分析了影响岩爆发生的相关因素的基础上,结合工程实际,从影响岩爆发生的众多因素中,有针对性的选取了六个评价指标建立岩爆预测的物元模型,进行可拓学评价。并针对工程区岩爆的等级提出了相应的防治措施。通过实际分析对比表明,该模型评价结果可靠,精度较高,在岩爆预测中有良好的应用前景。     

深部隧道围岩分区破裂的内变量梯度塑性模型

在变形进入到塑性阶段之后,隧道岩体中会产生显著的能量耗散和自我组织现象,岩体粒子之间的长程相互作用明显。为此需要在岩体模型中加入内变量梯度项。作为额外的内变量,引入有效塑性应变梯度这一新变量。利用虚功原理得到岩体的平衡方程、边界条件。利用Clausius-Duhem不等式获得岩体内变量演化方程。对于圆形深部隧道,由上述理论得到有效塑性应变的支配方程和边界条件,并利用岩体理想脆性模型求得支配方程的解。该解能够描述深部隧道围岩的分区破裂现象。     

基于应变梯度理论的分区破裂机制分析研究

 随着地下工程开挖深度的增加,深部洞室围岩中将出现与浅埋洞室破坏模式迥异的分区破裂现象。为进一步研究分区破裂现象的形成机制,基于应变梯度理论和连续损伤力学建立分区破裂弹性损伤软化模型,推导考虑平面外应力影响的准平面应变问题的平衡方程和边界条件,应用Matlab求得深部洞室围岩中径向位移、径向应变和应力的波峰和波谷交替出现的振荡型变化规律。理论计算值与地质力学模型试验实测值在量值与变化规律两方面均符合较好,这证实了分区破裂弹性损伤软化模型在解释深部岩体分区破裂问题中的适用性。深部洞室围岩中应力场的波峰和波谷交替出现的振荡型变化规律是导致分区破裂现象出现的关键原因。     

隧道开挖过程中复杂裂隙围岩的固流耦合分析

隧道通过裂隙岩体的含水区段时,人为扰动了裂隙岩体、地下水等构成的复杂地质系统,是造成各种涌水、突水、突泥事故的重要原因。为了研究复杂地质条件下隧道开挖过程中岩体变形、流体运移相互作用过程,探讨其对隧道涌、突水的影响,在上述复杂过程进行理论分析的基础上,根据深埋隧道围岩裂隙发育规模与工程尺度的关系,建立可以同时考虑不同级别裂隙网络的复杂裂隙岩体水力学模型,采用有限元法对复杂裂隙岩体中开挖隧道的固流耦合过程进行了数值模拟,模拟结果体现了主干裂隙在渗流中的强导水作用和网络状裂隙的贮水功能与渗流滞后效应,开挖过程中复杂裂隙岩体渗流场与应力场的耦合作用显著的增加了隧道围岩屈服区。     

深部岩体的构造和变形与破坏问题

随着经济建设与国防建设的有断发展，地下空间开发不断走向深部，如逾千米乃至数千米的矿山（如金川镍矿和南非金矿等）、水电工程埋深逾千米的引水隧道、核废料的深层地质处置、深地下防护工程（如700m防护岩层下的北美防空司令部）等。伴随着深部岩体工程响应发生了一系列新的特征科学现象，这些特征科学现象与浅部岩体工程响应相比具有迥异的特点，而且用传统的连续介质力学理论无法圆满地进行解释，从而引起了国际上岩石力学工程领域专家学者的极大关注，成为近几年该领域研究的热点。根据深部岩体的构造特点、高地应力及含能和非协调变形的特点，围绕深部岩体工程响应发生的静、动力特征科学现象，提出了深部岩体的构造和变形与破坏需要研究的科学问题。     

深部岩体工程围岩分区破裂化现象研究综述

随着经济建设与国防建设的不断发展,深部岩体工程越来越多,如逾千米乃至数千米的矿山(如金川镍矿和南非金矿等)、锦屏二级引水隧洞及辅助洞、核废料的深层地下存储、深部地下防护工程等.深部岩体工程在开挖洞室或巷道时,围岩变形和破坏等出现了一系列新的科学现象.除了岩爆和围岩挤压大变形以外,围岩的分区破裂化现象也吸引了很多岩石力学工作者的关注.基于国外对分区破裂化现象的实验和理论研究,归纳出分区破裂化现象的主要特征参数及其变化规律,揭示分区破裂化现象产生的条件;提出这一领域的研究方向;同时介绍国内在该领域实验和理论方面的研究进展.     

盾构隧道管片破裂的原因分析及预防

结合具体工程实例,从盾构隧道管片拼装及破裂的特点出发,分析了成型隧道管片破裂的原因,在此基础上提出了一些合理有效的预防和处理措施,从而有效地减少了管片破裂的发生,提高了隧道的施工质量。     

基于开挖卸荷效应的地铁隧道施工过程数值分析

 在地铁隧道实际施工过程中,围岩处于加、卸载的复杂变化过程中。隧道的开挖与支护过程是一个多步骤的、且上一步开挖都会对随后的各次开挖产生影响的复杂过程。依据地下工程问题的特点,即“先受力,后开挖,再支护”,描述并模拟地铁隧道开挖卸荷效应下的真实施工过程。对地铁隧道施工中开挖卸荷效应进行详细分析,提出模拟地铁隧道开挖卸荷效应的四阶段模拟方法。以北京地铁8号线二期01标段西清区间隧道为工程背景,对地铁隧道盾构施工真实过程和开挖卸荷效应进行数值模拟与计算。分析开挖面支护力、支护时机、填充注浆以及考虑与不考虑开挖卸荷效应等因素对地铁隧道开挖与支护的影响,获得基于开挖卸荷效应的地铁隧道盾构施工的围岩–支护作用机制。     

深部巷道围岩的分区破裂机制及“深部”界定探讨

通过分析巷道围岩的应力状态和变形破坏多阶段、多水平的性状，揭示巷道围岩最大支撑压力区的体积变形状态及其后果，得出深部围岩区域破裂现象的发生条件、岩体的初始压力和围岩全过程变形状态，尤其是围岩峰值后状态下材料的残留强度芙系。根据分区破裂现象的出现条件，提出界定浅部及深部工程活动的标准：浅部工程——坑道最大支撑压力区不破坏的深度：深部工程——坑道最大支撑压力区发生破坏的深度。     

深基坑工程施工过程动态反演与变形预测的半解析分析

基于深基坑施工的特点，由半解析层单元建立了施工过程的动态反演和变形动态数值模拟分析方法，据此给出了各土层动态弹性模量的反演值，利用这些参数的反演值预测了各施工阶段的土层和支护结构的变形，预测值与实测结果具有良好的一致性。     

软弱破碎深埋隧道围岩渐进性破坏试验研究

 利用相似模型试验对深埋隧道围岩渐进性破坏特征进行研究。相似模型针对大断面、软弱破碎、深埋铁路隧道围岩。模型材料选择重晶石、石英砂、凡士林按一定比例配制而成。采用自主研发的平面应变模型试验台、气囊加载装置和千斤顶加载装置作为加载系统。利用白光散斑方法监测系统监测加载过程中隧道围岩表面应变场演化规律,利用压力盒监测加载过程中围岩压力的变化。试验结果分析表明：(1) 隧道拱腰处在逐渐加载过程中形成剪切的V型楔形体,拱顶没有破坏但产生较大拉伸变形。拱腰处的剪切破坏范围逐渐扩大到拱顶,最终在拱顶上方形成剪切的拱形裂纹。(2) 拱腰近洞壁一定范围内径向压力先增加后减小说明该处存在松动区,围岩深处存在切向压力升高区对应压力拱拱体;拱顶上方近洞壁存在径向压力减小区域对应松动区,围岩深处最大主应力方向发生偏转,该处对应压力拱位置;深埋隧道围岩受力分区特征为松动区–压力拱拱体–原岩应力区。     

厦门梧村隧道明挖深基坑施工监测分析

 以厦门梧村隧道明挖段深基坑施工为例,对施工期间的支护结构自身安全以及对周边环境的影响相应开展安全监测研究工作。监测内容包括巡视检查、沉降、水平位移、深部位移、地下水位、锚索轴力和爆破振动等。结合场区地质条件和现场施工情况,分别对支护结构及周边环境的监测成果进行较为全面的分析。研究结果表明：地质条件是引起变形监测成果分布差异的主要因素;新临空面的出现会产生较大的位移,对支护桩的稳定有一定的影响;深基坑采用钻爆法开挖时,需要进一步验证边坡支护设计参数选取的合理性。对施工过程中出现的支护桩位移速率过大、边坡滑塌等工程险情进行跟踪监测和分析,监测成果表明相应的处理措施是合理有效的。     

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。     

深埋隧洞岩体开挖瞬态卸荷机制及等效数值模拟

 岩体爆破开挖过程中,开挖荷载瞬态卸荷伴随着爆破破岩的裂纹扩展、爆生气体逸出以及新自由面形成等过程而发生。针对深埋隧洞全断面钻爆开挖,确定分段微差爆破对应的分步开挖荷载,分析爆炸荷载耦合作用下的开挖荷载瞬态卸荷方式与持续时间,实现开挖荷载瞬态卸荷的荷载边界条件的数学描述。考虑到炮孔近区岩体因爆破破碎引起的介质连续性的改变及其所经历的复杂应力状态,根据炮孔周围岩体爆破破坏的空间分布特征,基于等效弹性作用边界的概念,提出群孔起爆条件下爆炸荷载与开挖荷载瞬态卸荷耦合作用的等效数值模拟方法。现场实测振动数据验证了计算结果的正确性。     

深基坑降水过程中土体c、φ值的动态变化

深基坑降水,会增加土体的有效应力并使土体渗流固结。运用太沙基渗流固结原理,可以求得基坑降水后土体固结度Ut。通过土工试验过程的分析,推求得到了降水后基坑土体为任意固结度Ut时的c、φ值计算公式。结合工程算例,分析了深基坑降水过程中其土体c、φ值的动态变化特征。     

锦屏二级深埋隧洞构造型岩爆诱发机制与案例解析

全长超过16 km的锦屏二级深埋隧洞沿线经过不同的地质单元。在开挖过程中,岩爆的诱发受控于地质构造条件以及由其所导致的局部地应力场,其中与地质构造直接关联的构造型岩爆影响最为突出。系统总结国内外深部工程中岩爆研究的前沿成果,结合锦屏二级水电站深埋隧洞工程中大量岩爆案例所揭示的客观规律,将构造型岩爆进一步细分为端部构造型、滑移构造型和应变构造型岩爆。采用离散元程序和相关的岩爆风险评价指标,开展深入地岩爆案例反演和机制解译,揭示深埋隧洞工程不同类型构造型岩爆的发生机制,并分析该类工程环境下关键岩爆控制因素及各因素的控制机制。最后,针对不同类型的构造型岩爆,提出相应的防治方案,可以为类似工程提供借鉴。