考虑围压影响的深埋圆隧围岩应变软化与剪胀特性分析

 不同围压下岩石应变软化与剪胀特性不同,若在隧洞开挖中考虑围岩塑性区域内变化围压影响,其应力–应变场求解方式将区别于既有文献中的传统方法。根据围压影响下应变软化围岩的临界塑性剪切应变变化特征,给出改进的判断围岩是否进入塑性残余区域的规则;引入考虑围压与临界塑性剪切应变的非线性剪胀模型。基于Hoek-Brown屈服准则,根据一定径向应力增量将围岩塑性软化与残余区域分层,采用有限差分法对围岩应力–应变场进行求解;为分析围压对围岩稳定性的影响,根据临界塑性剪切应变与剪胀系数变化与否,设定4种非线性力学模型,深入分析并比较4种力学模型下临界塑性剪切应变、剪胀系数与围岩变形等在塑性软化与残余区域的分布规律。研究结果表明：地质强度指标GSI较小时,考虑围压影响下的围岩应力–应变场与未考虑时差异明显;此时临界塑性剪切应变的减小对开挖边界的围岩剪胀性具一定抑制作用。     

深部软弱地层TBM掘进围岩变形破坏特性室内试验研究

 为了揭示深部软弱地层TBM开挖卸荷围岩变形破坏特性,分析深埋隧道TBM机械开挖卸荷的本质特征为高初始围压下的缓慢准静态卸荷,开展不同卸荷速率下砂质泥岩三轴卸围压试验,研究卸荷速率效应,获取TBM缓慢准静态卸荷围岩变形破坏特性：(1) 缓慢卸荷条件下的峰前应力–应变曲线与常规三轴压缩时较接近,卸荷屈服阶段,岩石产生损伤扩容,侧向变形加速增长,从体积压缩开始转向扩容;(2) 达到峰值强度后,岩石首先沿已贯通的破裂面滑移,发生1～2级规模较小的脆性跌落,随着围压继续缓慢卸除,岩石沿一条斜率较小的近似斜直线发生线性应变软化,且线性应变软化过程中伴随多级微破裂;(3) 岩石变形全过程经历弹性变形、峰前卸荷损伤扩容、峰后脆性跌落、含有多级微破裂的线性应变软化以及残余强度阶段;(4) 缓慢卸荷破坏过程中,岩石发生宏观张剪复合破坏,伴有轴向劈裂裂纹,破裂断面为由许多劈裂裂纹相互贯通形成具有一定宽度的剪切带,剪切带内劈裂的岩片在轴向挤压力和沿剪切面的剪切力共同作用下被挤压和摩擦成许多细颗粒和岩粉。     

考虑流-固耦合的天然气盐岩储库渗流特性研究

根据我国油气储库多为层状盐岩的实际情况,基于流-固耦合分析理论,利用快速拉格朗日有限差分法对层状盐岩储库的渗流特性进行分析。研究了含夹层盐岩天然气储库流-固耦合效应,不同内压下的体积应变与围岩渗透率变化,围岩塑性区分布以及渗流量与渗透压力的变化规律。结果表明:渗透率与体积应变的关系可近似采用线性函数描述,体积应变增大时,盐岩内部空洞和裂隙扩大,使盐岩渗透率增大;在某个渗流压力(洞室内压)条件下,随着盐岩的流变变形,渗流量会趋于某一定值,渗流达到稳定状态。在天然气内压与围岩应力共同作用下,储库围岩塑性区扩展深度随着内压的增大而减小,研究结果对盐岩储气库的安全运行具有一定的指导作用。     

结构性软土三维弹塑性损伤本构模型研究

基于所提出的岩土材料统一各向同性破坏准则,通过引入椭圆–抛物双屈服面模型以及结构性损伤屈服面,结合复合体损伤概念,建立了三维主应力空间中弹塑性损伤本构模型,该模型能够反映结构性软土应力应变的非线性、剪胀剪缩特性、结构性以及中主应力对变形的影响。通过结构性软土试验结果与模型的计算结果对比分析,表明该模型能够较好地预测结构性软土三维空间的应力–应变特性。     

中高应变率下花岗岩动力特性三轴试验研究

利用改进的霍普金森压杆对不同围压、不同应变率下的岩样进行了试验研究,分析了其在中高应变率下的冲击响应特征与破坏模式。基于试验结果发现在围压一定情况下,岩石的动态抗压强度和峰值应变随应变率的增大而增大,其中抗压强度随应变率呈对数增长;弹性模量对围压和应变率不敏感,且应变率越大岩石破碎现象越严重。其次,在应变率相近情况下,花岗岩的动态抗压强度随围压呈增大趋势,其破坏模式由低围压下的轴向劈裂转向高围压下的压剪破坏;高围压下花岗岩应力–应变曲线出现屈服平台,具有明显的脆—延性转化特征。最后,检验了莫尔–库仑准则和霍克–布朗准则的适用性,指出此花岗岩更符合莫尔–库仑准则,其动态强度增大主要由黏聚力的应变率效应引起。     

基于椭圆–抛物双屈服面模型的砂–聚苯乙烯颗粒轻质填料应力应变分析

砂–聚苯乙烯颗粒轻质填料由工程细砂和聚苯乙烯颗粒按一定比例混合形成,有利于节省胶凝材料、降低土工填料附加应力和减小地基沉降,探讨该材料的应力应变关系对指导其工程实践变得尤为重要。基于椭圆–抛物双屈服面模型,推导了考虑轻质填料配比和围压特征的应力应变增量形式方程,结合轻质填料三轴固结排水剪切试验中的应力应变特性,分析了所推导的应力应变增量形式方程的合理性。研究发现,基于椭圆–抛物双屈服面模型的考虑轻质填料配比和围压特征的应力应变增量形式方程能较好地拟合材料偏应力–轴向应变–体变规律,能较好地反映材料的弹塑性、剪胀性和剪缩性,并结合轻质填土的变形机理给予相应解释。     

盐岩球腔储库弹性应力分布的理论解析

假定地下储气库为球形腔体,利用在弹性阶段应力可叠加的基本原理,将球形储气库的受力方式简化分解为静水压力和垂直方向受力。对这2种受力方式下围岩应力分布解析结果进行叠加,获得在远场三轴压应力和储库内部压力共同作用下球腔储气库围岩弹性应力分布的完整解析解。在相同条件下,对盐岩球腔储气库进行数值分析,并将解析解与数值分析结果进行比较,结果表明,应力分布解析解与数值解吻合较好,验证所提出的分析方法是合理可行的。结合Hoek-Brown破坏准则,计算得出储气库不出现塑性破坏时的极限内压值范围。     

深埋隧道软弱围岩稳定性分析及其锚固控制研究

近年来,随着我国地下基础设施的蓬勃发展,进入大规模地修建地铁项目阶段,城市之间的高铁项目如火如荼地建设中,同时采矿工程不断深入和大型水利工程的修建等。在这些建设过程中,常出现开挖后围岩的失稳破坏而发生塌方,特别是深埋条件下具有强度低、大变形特点的围岩失稳问题尤为突出。因此,开挖后软弱围岩稳定性分析及其加固控制对隧道工程设计和安全施工具有重要的意义。目前,对围岩的力学理论及应用研究取得了一定的成果,但是仍然跟不上现有的隧道工程建设,出现了理论研究明显落后于施工经验的局面,导致频频发生工程事故,究其原因是对开挖隧道后围岩变形特性的认识不足,缺乏及时加固控制的意识。本研究针对这些问题,以开挖隧道后围岩的塑性区力学状态和位移变形为基础,采用理论分析、室内试验和数值模拟等相结合的方式系统研究了开挖隧洞后围岩变形破坏的力学本质,揭示了围岩破坏后塑性区内的力学参数和位移的演化过程,探讨了深埋隧道围岩破坏的渐进性过程及锚杆锚固机制。完成的主要研究工作和成果总结如下:(1)从隧洞开挖后周边围岩的应力状态发生内力重分布为出发点,提出了应变软化模型下围岩的弹塑性有限差分解法,比较不同方法计算结果验证该方法的正确性,参数分析结果表明:剪胀特性对隧道洞壁处围岩的位移和塑性区半径影响较大,需要重点考虑岩体的剪胀性;临界软化系数对围岩的塑性区半径和残余区半径的影响较大;H-B屈服准则中"a"强度参数对判断围岩的稳定性具有重要影响,在计算过程中谨慎取值,建议采用广义H-B屈服准则;基于圆筒理论的弹性应变公式,同样适用于开挖隧道后应变软化围岩的稳定性分析中。(2)针对围岩的剪胀性和应变软化随围压变化的特性,根据剪胀性和应变软化是否考虑围压变化,建立不同的剪胀模型组合,探究了不同质量岩体的力学参数对塑性区围压变化的依赖性。研究结果表明,根据不同质量岩体塑性区内的力学参数对围压的依赖性不同,由于质量较好岩体的围压依赖性较低,建议采用剪胀角和临界软化系数均为固定的剪胀模型,但是质量较差岩体的围压依赖性较强,建议采用剪胀角和临界软化系数均随围压变化的剪胀模型。(3)基于统一强度理论,考虑中间主应力对应变软化围岩稳定性的影响,揭示了中间主应力对围岩特征曲线、纵向位移曲线和塑性区内非线性剪胀性的影响规律。结果表明,围岩稳定性研究的力学模型对分析结果影响较大,弹塑性模型未考虑围岩材料强度的弱化,计算结果偏小,不建议采用;中间主应力可以有效抑制塑性区半径和隧道洞壁处位移的发展,充分发挥围岩承载潜力,不考虑中间主应力效应的莫尔库伦强度准则,计算结果保守,可适当考虑围岩的承载潜力,而双剪强度准则计算结果偏小,不建议采用;纵向塑性发展上,考虑中间主应力的围岩在隧道掘进方向上的位移收敛速度增加,可以适当推迟支护结构施加的时间;对于塑性区内剪胀角变化的影响,中间主应力系数和临界软化系数分别体现在剪胀峰值和剪胀角的变化率上。(4)通过室内模型试验和FLAC3D数值模拟,再现了开挖隧洞后毛洞,施加短锚杆和长锚杆工况下IV级围岩的渐进性破坏过程和研究了锚杆对围岩的锚固效应。开挖隧洞后围岩的渐进性破坏顺序是边墙处的围岩首先发生剪切破坏,随后拱腰处剪切破坏,最后拱顶塌陷破坏;施加锚杆后的围岩,特别是拱顶部分围岩由于锚杆的加固作用形成了"加强梁"的作用,使得拱顶所能承受的最大沉降及其破坏荷载显著增加;锚杆的长度需要穿过拱顶塑性松动区(塑性残余区),否则,被锚固的围岩与上部未被锚固的围岩之间存在"分层"现象;锚杆可以显著改变围岩内部径向应力,表现在锚杆末端处围岩的径向应力增加。(5)锚杆通过与围岩之间的相互作用,其末端的锚固段将洞壁附近拉拔段的围岩"紧箍"起来使得洞壁处周边围岩变形减小;锚杆两端剪应力较大,特别是锚杆末端,应防止锚杆末端的剪应力较大超过砂浆与锚杆之间剪切强度而发生脱落;锚杆施作时机对锚杆应力分布和围岩变形控制影响较大,需要及时施作锚杆以达到较好的锚固效果,以免无效锚固;锚杆对具有大变形和弹性模量小的软弱围岩锚固效果较好,而对质量较好、弹性模量较大的硬岩锚固效果并不显著。     

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。     

考虑围压效应和塑性演化机制的中密砂力学模型

为了实现对中密砂工程受荷变形的准确预测,基于岩土材料宏观弹塑性理论框架和三轴试验结果,分析中密砂变形、强度的影响因素和特征,建立适应的屈服准则、硬化法则和流动法则。研究结果表明:(1)中密砂的三轴力学特征对围压较为敏感,随围压增大,应力–应变曲线形态逐渐变化,线性段斜率和峰值强度增大,软化段减弱并消失,体积应变–轴向应变曲线线性段斜率基本无变化,体积剪胀程度减小,高围压试验结束时体积应变相对初始加载时仍处于剪缩状态;(2)考虑中密砂的围压效应和剪切破坏,采用第三主应力和等效塑性剪应变增量表达塑性内变量,峰值点处塑性内变量大于0.5,相对岩石更为滞后;(3)弹性模量随围压呈指数型函数规律增大,泊松比近似为常数;(4)塑性变形过程中最大主应力和最小主应力近似符合线性规律,内摩擦角近似线性增大,黏聚力先增大后减小并符合指数类函数特征;(5)剪胀角在低围压下随塑性变形逐渐减小,高围压下先增大后减小,高围压下剪胀角低于低围压;(6)数值曲线与试验数据吻合度高,可表达中密砂围压效应和塑性演化机制,适用于对应力状态敏感的中密砂的精确计算。     

应变加载速率对盐岩力学性能的影响

 对盐岩进行不同围压下变应变加载速率的三轴压缩强度与变形特性的室内测试,分析应变加载速率对盐岩三轴强度、轴向应变及侧向应变以及破裂形式等物理力学性质的影响。在所测试的应变加载速率范围内,加载速率对盐岩三轴强度的影响可分为3个阶段：无明显影响的弹性阶段、强度差异形成的塑性阶段初期、强度差异保持的应变硬化阶段,最终的结果是抗压强度随着加载速率的提高而增大。对试验后岩样的破坏形式进行细观分析可知,高应变加载速率对盐岩内部结构造成的破坏更明显,裂纹长度大且外观明显,与低应变率下的裂纹破裂形式有显著的差异。对三轴试验后的岩样进行单轴压缩测试,发现三轴试验时的应变率较大,试验后岩样的弹性模量越小,表明高应变率导致盐岩的结构破坏更严重,对盐岩的内部损伤越大。对比不同围压下的试验数据并结合其他单轴试验下的研究结果,得出围压是加载速率对盐岩性质有无影响的先决条件,并且围压越高加载速率对盐岩力学性质的影响越明显的结论。以本次试验研究所得成果出发,结合实际工程中盐岩溶腔的各种用途以及建造、运营的各个阶段内不同的盐岩应变率进行分析,提出对工程有益的建议。     

自然与饱水状态下岩溶灰岩力学性质及能量机制试验研究

 为研究饱水对岩溶灰岩力学性质和能量机制的影响,利用RMT–150B岩石力学试验系统分别对自然和饱水状态试样进行单轴压缩和常规三轴压缩试验。试验结果表明：饱水对岩溶灰岩的强度和变形特征影响显著,2种状态下试样峰值强度与围压的回归关系可用以主应力表达的Coulomb强度准则表征;岩溶灰岩试样的似软化系数及其降低速率均随围压增加而减小。从能量角度对2种状态试样损伤破坏过程中的能量特征进行试验研究,结果表明：饱水状态试样吸收的总应变能U,峰前储存的可释放应变能 及二者随轴向应变的增加速率均小于自然状态的对应值;随含水量增加 逐渐下降,峰后 释放率随围压增加而逐步下降,整体上饱水试样的 释放率较大;峰值应力处试样各应变能随围压线性递增,2种状态下耗散能差值随围压的变化是试样破坏形式差异的内在原因;岩溶灰岩试样全过程能量实时演化过程具有阶段性,2种状态下压密和弹性变形阶段耗散能差别细微,但进入屈服阶段后,饱水状态试样耗散能增加更快。     

饱和状态下硬岩三轴流变变形与破裂机制研究

利用岩石全自动流变伺服仪对饱和状态下坚硬大理岩和绿片岩进行了三轴压缩流变试验,基于得到的硬岩三轴流变试验结果,研究了硬岩在不同围压作用下的轴向应变以及侧向应变随时间的变化规律,从而为岩石工程流变数值分析时参数的辨识提供了可靠的试验依据。然后研究了硬岩轴向变形与侧向变形之间的关系,探讨了围压与粒径对岩石轴向以及侧向变形特性的影响规律,分析了岩石三轴流变过程中的塑性变形特性,讨论了流变应力水平对岩石侧向-轴向变形特性的影响规律。最后对不同围压作用下岩石流变破裂断口微细观特征进行了分析。     

地下盐岩储库群临界间距与破损分析

 为研究地下储库整体稳定性和损伤破坏规律,提出基于变形稳定理论的地下储库群稳定性判别方法。将强度折减系数K和塑性余能范数ΔE的关系曲线作为储库整体稳定性和破坏的关键判据,用不平衡力展示失稳破坏的部位和模式。建立以屈服函数作为损伤控制变量的分析方法,并用于研究储库不平衡力与位移的关系。研究双储库的临界间距、破坏模式和埋深对储库稳定性的影响,分析单储库洞周围岩损伤对不平衡力的作用。研究结果表明,用不平衡力和塑性余能范数来定量评价地下储库群的稳定性是合适的,基于屈服函数的破损分析可为岩石进入塑性阶段后的力学行为研究提供新的思路。     

不等侧压下煤岩力学变形特性及声发射时空特征

通过煤岩的无侧限压缩试验测得其力学参数后,采用颗粒流软件和编制的Fish程序获得煤岩细观力学参数,而后进行双向不等侧压煤岩试验,分析研究煤岩变形、声发射和损伤特征,获得以下结论:随着侧压比增加,煤岩刚度角略增大,脆度角增大,强化角保持一定值,软化角先增大后减小;侧压比对煤岩的线性体缩阶段没有影响,对线性扩容阶段影响明显,对非线性扩容阶段影响显著。在非线性扩容阶段,低侧压比仍保持线性扩容,而高侧压比煤岩则急剧扩容失稳破坏;声发射最大强度与峰值应力并不对应,具有一定的滞后性,侧压比对声发射的滞后效应基本没有影响,声发射最大强度对应应力与峰值应力之比值大致在0.92左右;侧压比小时煤岩沿着单一剪切面发生剪切破坏,侧压比大时煤岩呈现X型共轭剪切破坏,且随着侧压比的增加,煤岩破坏的主控破裂面宽度加大,并逐渐形成破碎带,破碎带内煤岩呈粉碎性破坏状态。     

盐岩短期强度和变形特性试验研究

分别选定湖北应城盐矿和江苏金坛盐矿为示范工程,通过盐岩单轴压缩试验、三轴压缩试验及巴西劈裂试验,对两盐矿的盐岩试样的短期强度和变形特征进行分析,获得盐岩的短期强度和变形的力学参数。分析表明,两盐矿的盐岩表现出许多共同的力学特性,但在量值上却有差异。利用试验结果绘制莫尔包络线,分别得到两盐岩的强度参数,结果表明,两地盐岩的强度均符合Mohr-Coulomb破坏准则。试样弹塑性变形能力和扩容变形能力的分析表明,盐岩具有一定的塑性变形和扩容变形能力,高围压下还表现出明显的应变硬化特征。本研究成果可为盐岩地下工程稳定性分析及能源深部地下储存及选址提供一定的参考。     

注采气循环荷载作用下含夹层岩盐储库洞室夹层在不同模型下粘塑性变形分析

本文根据我国岩盐矿层的复杂性，结合现有的岩盐和层状岩盐的压缩试验进行分析，以不同运行内压和泥岩央层作为切入点分析了洞室的粘塑性变形和稳定性。在循环内压的作用下洞室稳定性要好于稳定内压，但在循环内压作用的初期．洞室围岩产生了波动性变形，应注意对注采气速率的控制。以免洞室围岩受到大的围压波动从而产生较大的位移变形．否则会对洞室的稳定性不利。     

砂岩卸围压变形过程中渗透特性与声发射试验研究

 利用岩石伺服试验系统,对江西红砂岩岩样进行气体渗透三轴试验及声发射监测,研究在常规加载、峰前卸围压和峰后卸围压3种应力路径下,岩样变形破坏过程中的渗透规律和声发射特征。试验结果表明：(1) 随着有效围压的增大,岩石岩样的应力峰值逐渐增大,岩样的应力峰值对有效围压很敏感。(2) 常规加载时,渗透率在岩石屈服前呈现略微下降的趋势,屈服后迅速增长,峰后应变软化阶段有小幅回落;峰前和峰后卸围压时,在卸载之前渗透规律与常规加载时相同,卸载后渗透率均呈急剧增长的趋势,增幅也较大,其中峰前卸围压后渗透率增幅最大。(3) 在相同加载方式下,围压的增大不影响渗透率曲线的发展趋势,只影响渗透率在各阶段量值的大小。(4) 常规加载时,岩石声发射活动在屈服前比较平静,屈服后声发射活动非常活跃,峰后应变软化阶段声发射活动再次趋于平静;峰前卸围压不久后,声发射活动异常活跃、密集,能量数相对值较大并有明显峰值;峰后卸围压过程与常规加载过程中声发射规律相似。(5) 岩样的破坏过程中,随围压增大,脆性减弱、延性增强,在同一围压水平下,峰前卸围压破碎程度最高,脆性最强。(6) 岩石扩容点与渗透率最小值所对应的轴向应变值十分接近,体应变和渗透率随轴向应变的变化趋势对应较好,声发射活动的密集阶段均发生在体积膨胀之后,渗透率、声发射、应力及(体)应变之间存在一定对应关系。     

锦屏大理岩加、卸载应力路径下力学性质试验研究

 地下岩体开挖卸荷应力路径不同于加载应力路径,由此引起的岩体强度、变形特征和破坏机制也不尽相同。针对锦屏二级水电站引水隧洞群围岩赋存于高地应力环境的特点,对其中3# 引水隧洞大理岩开展单轴加、卸载以及三轴压缩和高应力条件下的峰前、峰后卸围压等4种不同应力路径力学试验,得到了的应力–应变全过程曲线、变形破坏特征和主要力学参数的变化规律。试验研究结果表明：(1) 建立在岩样单轴逐级等量加、卸载应力路径下的回滞环面积递减,尤以屈服阶段的卸载对应变影响最大;(2) 不同围压下岩样三轴压缩全过程试验结果表明,当围压达到40 MPa时,应变软化特性转化为理想塑性,可以认为该值为锦屏大理岩脆－延转化点;(3) 对比以上不同应力路径下的强度准则方程以及峰前、峰后黏聚力和内摩擦角,相同初始应力条件下,岩石卸载破坏所需应力变化量比三轴压缩破坏情况下对应的应力变化量小,说明岩石卸载更容易导致破坏;(4) 在变形破坏机制方面,由于峰后比峰前卸围压塑性变形大,岩样塑性变形已吸收较多的弹性变形能,其脆性特性受到抑制,因而不像峰前卸围压破坏具有突发性,岩样由张性破坏过渡到张剪性破坏;(5) 根据大理岩岩样加、卸载破坏断口SEM扫描结果,从细观角度验证了脆性岩石在不同路径下微观剪断裂破坏机制。总之,以上研究结果揭示了锦屏大理岩加、卸载应力路径下力学特性差异,对解决工程实际问题具有重要的参考价值。