深部节理岩体局部破裂化数值模拟分析

基于Hoek-Brown应变软化模型及量化地质强度指标IGS围岩评级系统,分析了深部节理岩体在开挖卸载过程中强度的弱化行为.通过FLAC3D软件构建精细数值模型,分析不同IGS质量等级岩体局部破裂化特征.研究表明:当IGS=75时,围岩局部破裂化现象并不明显,随着IGS指标的降低,围岩出现应变局部化现象,破碎带范围随着IGS指标降低而增大;当采用不同网格密度的数值模型进行计算时,围岩最终位移量较为接近,但所获得的围岩特征曲线在低围岩压力区域存在一定差异,表明在采用收敛约束法计算支护结构稳定性时,不考虑分区破裂化影响时所获得的计算结果要偏于安全.     

深部硐室围岩分区破裂化现象数值模拟研究

围绕深部岩体工程的分区破裂化现象,通过数值模拟方法研究了深部硐室围岩分区破裂化现象产生的力学机理及其应力的变化规律。针对深部圆形硐室围岩,分别对应力状态PyPx、Py=Px、PyPx进行数值模拟,发现了深部围岩产生的应力集中现象。当应力集中的应力值超过岩石的强度时,就会产生分区破裂化现象。     

深部巷道围岩间隔性区域断裂研究

深部巷道围岩间隔性区域断裂现象,与浅部围岩破裂状态有显著不同,用浅部岩体力学的弹塑性理论不能很好的解释这一现象．采用能量平衡分析方法,研究了深部巷道围岩间隔性区域断裂结构的形成机理,分析了岩石形成这一有序结构的过程,并给出了结构的序列关系．结果表明：深部巷道围岩断裂位置不出现在巷道周边,而出现在围岩内部的弹性能分布不稳定极值点处;深部巷道围岩间隔性区域断裂是深部岩体在高地应力作用下由开挖卸载引起的一种自然响应,岩石力学性质的非稳定性是巷道围岩出现这种断裂的自身原因;深部巷道围岩间隔性区域断裂序列关系跟巷道半径、围岩所处的应力状态、围岩的黏聚力和内摩擦角有关．     

海底隧道突水分析及其在翔安隧道中的应用

基于岩体极限平衡理论,分别对海底隧道正常地质段和断层处的突水机理进行了力学分析,给出了隧道突水的临界水压力公式．以翔安隧道2个风化深槽及2个断面为例进行了突水风险计算预测．分析表明:正常地质段,隧道突水临界水压力随着隧道半径的增大而减小,随着围岩的单轴抗压强度的增大而增大,随着隧道埋深的增大而增大;断层处,当破碎带倾角大于或等于围岩内摩擦角时,存在突水的可能,且破碎带倾角愈大、内摩擦角愈小,突水的可能性就愈大．     

海相地层新意法施工隧道掌子面失稳模式及围岩变形规律分析

以深圳地铁12号线2期工程松岗站与既有6号线折返线北侧暗挖通道为研究背景,通过FLAC3D有限元数值模拟和理论分析的方法研究了新意法施工条件下不同海相地层围岩级别、隧道埋置深度、隧道洞径、隧道掌子面预加固强度对隧道掌子面失稳模式及围岩变形规律。当隧道掌子面不进行预加固时,掌子面挤出位移随着隧道埋置深度的增加而增加;围岩等级越大,掌子面挤出位移随隧道埋深的变化越明显;当围岩等级为VI6时,隧道埋深在5 m到45 m,掌子面均发生了失稳现象;当隧道埋深取5 m、洞径取5.8 m时,其他固定参数不变;随着围岩内摩擦角、黏聚力、掌子面预加固深度的增大,隧道掌子面挤出位移逐渐减小。     

深部大规模松软围岩巷道破坏分区理论分析

综合考虑巷道破坏特征及典型软岩应力应变曲线特征,对深部巷道松软围岩进行破坏分区,提出了适合破坏分区的四线段本构模型,建立了深部大规模松软围岩巷道应力分析的力学模型,推导了不同破坏分区应力解,得出了界定各破坏分区范围的表达式,结合具体工程验证了巷道破坏分区划分的正确性和合理性.研究表明:深部松软巷道围岩自巷道向外分别为塑性流动区、应变软化区、塑性硬化区和弹性区4个分区,各分区临界应力满足Mohr-Coulomb准则;围岩塑性区的范围随支护阻力、应变硬化系数、应变软化系数以及内摩擦角的增大而减小,随扩容系数的增大而增大;各分区范围的理论解能够有效指导支护设计,实现对深部大规模松软围岩巷道的长期稳定.     

深埋圆型巷道围岩变形规律的透明岩体试验研究

借鉴透明土技术,采用自行研制的透明岩体实验装置进行岩体物理模型试验研究,分析了无构造应力作用下深埋圆型巷道围岩内部变形破裂的演化规律.结果表明:随着巷道埋深的增大,圆型巷道顶底部围岩沿着巷道两侧拱腰斜向上32°~34°的2条弧线向巷道内发生滑动,从而导致巷道失稳破坏;当荷载达到一定值时,巷道围岩将发生软化现象,岩体变形速率开始急剧增大,巷道表面将在左上、右上、左下和右下4个角部区域产生最大收敛;巷道围岩的破裂发展在加载过程中大致可分为未破裂、裂纹开始出现、上下裂纹开始交汇、裂纹开始交错贯通、裂纹大幅交错贯通、裂纹偏转压密6个阶段.     

考虑隧底隆起斜坡段浅埋隧道稳定性上限分析

采用极限分析上限法,基于内外能耗守恒原理,通过构建考虑隧底隆起的斜坡地段浅埋隧道破坏模式,推导出围岩压力的计算式,并通过典型算例重点分析了典型因素对隧道围岩稳定性的影响。研究结果表明:基于泰沙基极限平衡法进行隧道围岩支护设计较为保守,不考虑隧底隆起的极限分析方法次之考虑隧底隆起极限分析方法的风险最大;斜坡地表倾角增大对浅埋隧道稳定性有着不可忽视的不利影响;围岩压力随岩土侧压力系数减小、埋深增大、断面尺寸加大而增大;岩土黏聚力增大、内摩擦角增大对提高浅埋隧道围岩稳定性有积极作用。     

岩爆倾向岩石巷帮钻孔爆破卸压的静态模拟

冲击地压、大变形或分区破裂化正成为我国深部开采的难题.高地压是导致冲击地压、大变形或分区破裂化的根源.钻孔爆破卸压是转移或释放高地压的有效措施.以厂坝铅锌矿灰岩为样本,应用FLAC3D静态模拟巷道掘进中巷帮钻孔卸压的钻孔间距、钻孔深度及有无孔底爆破的卸压效果.研究表明:巷道埋深越深,支承压力越大,钻孔间距也将越大;钻孔深度介于支承压力峰值与支承压力区最大宽度所处的位置之间;仅钻孔而不孔底爆破的卸压效果不明显.上述研究规律应用于文峪金矿、豫灵镇某万米平巷和东桐峪金矿的灰岩、大理岩巷道掘进,成功控制了岩爆飞石.巷道穿过无岩爆倾向的岩石,如煌斑岩时,尽管不会发生岩爆,但是将它们的钻孔间距、钻孔深度较岩爆倾向地段增大0.5~1.0 m并类似孔底爆破,可以确保支承压力持续向围岩深部转移或部分释放,避免巷帮因应力集中而发生开裂或片帮.     

基于Hoek-Brown准则等效强度参数的工程应用

为研究重庆至长沙省际公路共和隧道层状围岩稳定性，减小模拟值与实测值误差，并充分考虑倾角效应、静水压力效应和罗德角效应，将适用于层状岩体的修正Hoek-Brown(H-B)准则在■平面与Mohr-Coulomb(M-C)准则进行瞬时等效，推导出用于层状岩体的等效强度参数公式，计算得到不同倾角下砂质页岩等效c、φ值，然后输入FLAC^3D遍布节理模型中对原岩体参数进行修正。结果表明：1)修正岩体参数法所得关键点位移变化规律与修正前一致，且位移量大于修正前，但当倾角大于60°后，该法适用性有所降低；2)修正后围岩各关键点偏应力(σ₁-σ₃)始终大于修正前，且二者塑性区随倾角变化趋势一致；3)当岩体内摩擦角小于节理内摩擦角时，围岩塑性区面积较大；反之，当岩体内摩擦角大于节理内摩擦角时，塑性区面积较小。     

高应力回采巷道围岩破裂机理及危险性评价

用弹塑性力学中的复变函数方法求解了巷道围岩的应力函数,研究了高应力回采巷道围岩破裂机理,提出了用危险函数来评价巷道围岩破裂的危险性和确定滑移面分布特征的方法.结果表明:对一定特定内摩擦角(φ0)的巷道围岩,只有当q/C≥4.1156e0.0606φ0时,巷道围岩才会出现破裂区.当15°≤φ0≤23°时,围岩裂隙向巷道表面及深部两侧方向扩展而形成一定范围的破裂区;当23°<φ0≤60°时,围岩承载能力升高,围岩裂隙由巷道表面向巷道深部方向扩展.在工程实践中,此方法有效控制了围岩的变形.     

深埋巷道破裂围岩位移分析

针对深埋巷道围岩普遍处于破裂状态的特点，采用非连续变形分析（DDA）软件对巷道围岩松动圈非连续体位移影响因素的变化规律进行了模拟研究．分析了用锚杆、锚索和注浆加固以增加围岩破裂面的黏结力、抗拉强度和内摩擦角的数值朱减少位移量的机理，提出了非连续体巷道失稳破坏的判断标准，并对埋深1159m的大松动圈围岩巷道的非连续体位移进行了定量计算和实地观测．实测结果与DDA软件计算值比较吻合，说明对于深埋巷道破裂围岩采用DDA方法进行位移计算和支护参数设计是可行的．     

裂隙岩体断裂破坏扩展数值模拟研究

为进一步了解复杂裂隙断裂破坏过程,基于断裂力学理论,采用PFC2D软件对不同裂隙数量岩体进行数值试验,分析裂隙倾角、围压等因素对岩体强度及裂纹扩展的影响规律。研究表明：随着裂隙倾角增大,单裂隙峰值应力和起裂应力先减小后增大,当围压由2 MPa增加到8 MPa时,峰值应力约从120 MPa增大到160 MPa,且起裂应力随着围压增大而增大,与理论分析结果一致;双裂隙倾角为30°和45°裂隙扩展以翼型裂纹和次生斜裂纹为主,裂隙倾角为60°和90°时主要为共面次生裂纹;不同围压下,随着预制裂隙数量增多,裂隙岩体试样峰值应力逐渐减小。研究成果为进一步探索裂隙岩体失稳破坏规律提供参考。     

Fractured rock mass hydraulic fracturing under hydrodynamic and hydrostatic pressure joint action

According to the stress state of the crack surface, crack rock mass can be divided into complex composite tensile-shear fracture and composite compression-shear fracture from the perspective of fracture mechanics. By studying the hydraulic fracturing effect of groundwater on rock fracture, the tangential friction force equation of hydrodynamic pressure to rock fracture is deduced. The hydraulic fracturing of hydrostatic and hydrodynamic pressure to rock fracture is investigated to derive the equation of critical pressure when the hydraulic fracturing effect occurs in the rock fracture. Then, the crack angle that is most prone to hydraulic fracturing is determined. The relationships between crack direction and both lateral pressure coefficient and friction angle of the fracture surface are analyzed. Results show that considering the joint effect of hydrodynamic and hydrostatic pressure, the critical pressure does not vary with the direction of the crack when the surrounding rock stationary lateral pressure coefficient is equal to 1.0. Under composite tensile-shear fracture, the crack parallel to the direction of the main stress is the most prone to hydraulic fracturing. Under compression-shear fracture, the hydrodynamic pressure resulting in the most dangerous crack angle varies at different lateral pressure coefficients; this pressure decreases when the friction angle of the fracture surface increases. By referring to the subway tunnel collapse case, the impact of fractured rock mass hydraulic fracturing generated by hydrostatic and hydrodynamic pressure joint action is calculated and analyzed.     

基于ABAQUS和正交试验的隧道围岩稳定性分析

在城市地铁施工过程中,为了保证围岩的稳定性,以某市地铁10号线某车站区间作为研究对象,采用CRD法进行施工,利用有限元软件ABAQUS建立隧道三维模型,经过数值模拟计算得到在不同施工时步下围岩应力场、位移场和衬砌的受力情况.在数值模拟的基础上运用正交设计法分析影响围岩稳定性的因素.结果表明,随着隧道在不同施工时步下进行开挖,围岩的应力呈现逐渐降低的趋势,围岩的位移呈现逐渐增大的趋势.通过极差和方差分析,得到影响围岩稳定性因素的重要性排序依次为弹性模量、粘聚力、泊松比、内摩擦角和膨胀角.     

膨胀特性对软岩巷道围岩变形规律的影响研究

针对软岩巷道的特点,利用泥灰岩三轴试验结果,分析了膨胀特性对深井软岩巷道围岩稳定性的影响;利用最新的弹塑性理论研究成果,推导出了膨胀角与围岩变形的直接关系式;采用数值力学的研究方法,分析了软岩巷道周围体积膨胀与扩容现象.数值模拟结果表明:软岩巷道表面变形和巷道周边体积应变随膨胀角的变化均成非线性递增,膨胀角愈大,软岩巷道的围岩条件愈差,巷道周边围压越大,所需要的支护力就越大,这些重要结论为深井条件下软岩巷道工程提供参考.     

膨胀特性对软岩巷道围岩变形规律的影响研究

针对软岩巷道的特点，利用泥灰岩三轴试验结果，分析了膨胀特性对深井软岩巷道围岩稳定性的影响；利用最新的弹塑性理论研究成果。推导出了膨胀角与围岩变形的直接关系式；采用数值力学的研究方法，分析了软岩巷道周围体积膨胀与扩容现象．数值模拟结果表明：软岩巷道表面变形和巷道周边体积应变随膨胀角的变化均成非线性递增，膨胀角愈大，软岩巷道的围岩条件愈差，巷道周边围压越大，所需要的支护力就越大。这些重要结论为深井条件下软岩巷道工程提供参考．     

破碎围岩巷道支护技术研究及工程应用

以平煤六矿新建斜井巷道穿越采空区为工程背景,采用数值计算分析、现场监测等方法研究了采空区覆岩破断及其矿压显现特征。针对斜井穿越采空区段围岩破碎的特点,提出了金属网+全断面U型钢+反底拱连锁梁+浇筑混凝土+壁后注浆的支护方案,其通过"双壳支护"形成的内外承载结构能在很大程度上提高采空区破碎岩体的整体性。现场监测表明:斜井穿越采空区段巷道两帮的移近量为26 mm,顶底板移近量为47 mm,达到了有效控制巷道围岩变形的目的。     

基于PFC-FLUENT联合开展岩体水力劈裂细观机理分析

为研究岩体水力劈裂的致灾过程,揭示水力劈裂细观机理,采用VB编译平台,实现PFC、SURFER、GAMBIT、FLUENT商业软件的调用,并依托FORTRAN编译子程序实现软件间数据信息交换及特定功能,完成岩体水力劈裂三维分析平台的构建。随后,利用该平台建立与文献中相同的岩体水力劈裂圆筒模型,并与试验结果比对,验证了该平台研究岩体水力劈裂的可行性。最终,以某一输水隧洞为例,依托该平台开展输水隧洞裂纹扩展研究,分析高内水压下围岩裂隙萌生、扩张、延伸、贯通的破坏过程。结果表明:该平台能较精细地揭示隧洞衬砌水力劈裂过程并动态获取相应裂隙流场分布特征,针对该隧洞模型,衬砌外围岩压力大于0.6 MPa时方能确保当前高压内水作用下隧洞衬砌安全。     

深部巷道围岩控制原理与应用研究

采用理论分析、数值模拟和现场试验的方法，研究深部巷道围岩稳定问题，认为深部巷道围岩控制的基本方法是提高围岩强度、转移围岩高应力以及采用合理的支护技术．提出了深部巷道围岩控制的基本技术和控制过程：1）应力转移降低巷道浅部围岩应力；2）采用高预紧力、大延伸量的高强度锚杆、锚索支护系统，强化锚固区围岩强度，提高巷道围岩自身稳定性；3）加强巷道两帮、底角支护，提高巷道最薄弱部位（两帮、底角）残余强度、提高巷道围岩的整体稳定性；4）应用高水速凝材料注浆加固破碎区，提高破碎围岩的完整性和力学参数．该研究成果已成功应用于工程实践．