节理岩体爆破开挖过程的动态卸载松动机理研究

提出岩体爆破开挖过程中初始应力场的卸载是一动态过程的观点，并利用波动理论分析了岩块在初始应力场瞬态卸载条件下的运动过程。研究表明，瞬间卸载条件下，岩块除产生弹性回复位移外，还会发生水平向的刚体位移，导致岩体结构面被拉开，岩体产生水平向松动现象。岩体初始应力较高条件下。动态卸载引起的岩块水平刚体位移远大于弹性回复变形值。计算结果同时表明，岩体结构面的张开位移与初始应力的平方近似成正比。岩体初始应力场的动态卸载过程能较好解释节理岩体开挖过程的松动机理。     

开挖卸荷的瞬态特性研究

  针对中、高地应力条件下的岩体爆破开挖,通过岩体开挖荷载释放过程的力学分析及卸荷持续时间的计算,提出并论证岩体开挖荷载的释放为瞬态卸荷的观点,认为在中、高地应力条件下,岩体开挖荷载的释放需要考虑荷载的瞬态特性及其动力效应。同时,对与分段微差爆破对应的分步开挖荷载、瞬态卸荷方式、开挖卸荷诱发围岩振动及节理岩体瞬态卸荷松动机制等关键问题进行讨论。最后,结合二滩和瀑布沟等高地应力地区水电站地下厂房开挖瞬态卸荷诱发围岩振动的实测资料及观察到的动力破坏现象,对所提出的观点进行例证。     

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。     

卸荷岩体的尺寸效应研究

讨论了岩体尺寸效应研究的现状。根据三峡工程永久船闸高边坡岩体的物理仿真卸荷试验,研究了卸荷岩体的尺寸效应问题,即应力-应变关系、抗压强度、抗拉强度、变形模量、泊松比、各向异性等物理特性,得到了几点有意义的结论,并推荐了相应的力学参数。     

深埋洞室岩体开挖卸荷诱导的围岩开裂机制

 针对深埋圆形隧洞爆破开挖,采用双向受压条件下的压剪裂纹扩展模型和应力强度因子计算公式,分析开挖面上岩体应力瞬态释放和邻近的围岩应力瞬态调整对围岩开裂过程的影响。结果表明,与准静态卸载条件相比,开挖面上岩体应力瞬态释放在围岩中产生附加动应力,导致围岩径向卸载和环向加载效应放大,加剧了深埋洞室围岩开裂效应,导致开裂范围增大;开挖卸载速率越快,围岩中产生的附加动应力幅值越大,围岩的开裂效应越显著。     

坝基岩体开挖卸荷与分带研究——以小湾水电站坝基岩体开挖为例

 小湾坝基开挖引起了一系列岩体卸荷变形破坏现象,包括岩体中已有结构面的回弹松动与剪切错动,以及完整岩体的岩爆拱裂、薄板状破裂等新生破裂。开挖中岩体的新生破裂面在空间分布上有如下特点：破裂面产状与开挖面具有较好的一致性;在深度分布上,开挖卸荷破裂面相对集中在开挖面之下4～6 m的深度以上。岩体的卸荷变形破坏导致了岩体完整性的显著降低,但卸荷松动过程的主体部分多在几个月内完结。无论是岩体开挖卸荷还是河流天然切割卸荷都是一个能量释放过程,并且卸荷变形破坏具有显著的空间分布规律,因此采用能量方法研究岩体的卸荷分带是合适的。给出了岩体卸荷分带的应变能方法,小湾水电站的实际应用表明该方法是可行的、有效的。     

考虑岩体开挖卸荷动态变化水电站坝肩高边坡三维稳定性分析

金沙江一双曲拱坝最大坝高277 m,左岸坝肩开挖边坡高约300 m;右岸坝肩开挖边坡高约480 m,由于坝肩槽开挖所形成的边坡属于高陡边坡,其开挖后的稳定状况会极大影响大坝的正常运行。通过对坝址区地质资料的详细分析,建立坝肩边坡三维计算模型,并结合卸荷岩体力学理论,通过弹塑性有限元法研究坝肩边坡在开挖过程中的动态稳定性。研究结果表明：该高边坡在开挖过程中及开挖后,除开挖面附近局部区域不稳定外,整体并无失稳趋向;考虑岩体在开挖过程中的动态卸荷过程后,边坡岩体的位移和塑性区面积比不考虑时有所减小;岩体的破坏区随着开挖的进行不断变化,可根据每步开挖后岩体的破坏情况选择合理的加固措施及加固时间。     

卸荷岩体的变形破裂特征

在岩石试件卸荷试验的基础上，结合大型开挖工程，研究了岩体在卸荷状态下的变形破裂特征。研究表明，岩石在卸荷状态下的变形表现为沿卸荷方向的强烈扩容，其破裂以张性破裂为特征，并存有张剪性和剪性破裂；卸荷岩体除具有上述变形破裂特征外，其变形破裂程度及方式受岩体结构的控制，比岩石更易发生变形与破坏，特别是其破裂体系，很大程度上受岩体结构的控制。     

开挖瞬态卸荷引起的节理岩体松动模拟试验

为了研究高地应力条件下节理岩体的卸荷松动效应,设计一套高地应力条件下节理岩体开挖卸荷松动的室内试验模拟系统,利用岩条受压后的快速断裂失稳,有效实现单轴受压节理岩体试件的应力快速卸载,模拟出高地应力瞬态卸荷引起的岩体松动效应,从而更好地论证高地应力条件下岩体开挖荷载瞬态卸荷(ELTU)引起的节理岩体的松动效应,并利用试验模拟的方法研究开挖荷载瞬态条件下节理岩体松动效应与初始地应力的相互关系。试验结果表明,地应力瞬态卸荷产生的节理面张开位移与卸荷初始应力的平方存在一定的正比关系,节理面的数量以及与开挖卸荷部位的距离影响各节理面处的张开位移在开挖卸荷总位移量中所占比例。     

瀑布沟水电站地下厂房开挖过程中岩爆应力状态的数值模拟

瀑布沟水电站地下厂房赋存于复杂的地质环境中,厂房开挖过程中岩爆活动频繁。为分析围岩应力对岩爆活动的影响,研究初始地应力理论和计算方法,对厂房区域的地应力实测值进行线性回归,并在ANSYS中实现初始地应力的加载,得到与实际勘测结果相接近的初始地应力场。在此基础上,对地下厂房的开挖过程进行三维有限元数值模拟,根据岩爆判别准则对岩爆危险区域进行预测,并给出危险等级分类。岩爆模拟结果和现场监测结果基本吻合。研究结果表明,瀑布沟水电站地下厂房围岩区域的构造应力显著,且具有较强的方向性。地下厂房围岩整体上稳定,拱脚、洞室交口处围岩容易发生高等级岩爆。     

开挖动态卸荷对节理岩体渗透特性的影响研究

 利用应力波理论分析高地应力条件下节理岩体边坡开挖过程中的动态卸荷效应，探讨卸荷松动后节理岩体渗透特性的变化规律。研究结果表明，高地应力作用下节理岩体边坡开挖过程中的动态卸荷松动效应显著，其影响必须考虑。开挖荷载幅值、岩体弹性模量和节理分布间距等因素通过影响节理开度而影响岩体的渗透特性；岩体中完整母岩与节理岩体的结合部位往往是开挖松动较大的部位，其渗透系数变化明显。对于等间距平行节理组垂直切割的直立坡岩体，若岩体的弹性模量由坡外向坡内呈线性增大，计算得到的节理岩体渗透系数分布符合幂函数衰减规律(由坡外向坡内)；若节理岩体的弹性模量由坡外向坡内无变化，则开挖动态卸荷松动现象不会发生。     

高边坡碉体开挖卸荷效应流变数值分析

对三峡工程船闸高边坡的典型剖面,在试验确定的边坡岩体开挖卸荷带及其参数的基础上,对边坡进行了施工开挖卸荷效应的流变稳定性分析。     

卸荷条件下岩爆机理的试验研究

岩体卸荷和加荷条件下的力学特性有本质区别，高地应力地区地下工程开挖过程中发生的岩爆是一种典型的开挖卸荷现象。对粉砂岩试样进行了保持轴向变形不变的卸围压试验，在试验结果分析研究的基础上，对卸荷导致的岩爆进行了研究。研究表明。处于三轴应力状态下的岩体，如果某一方向的应力突然降低造成的岩石在较低应力水平下破坏，那么原岩储存的弹性应变能会对外释放，释放的能量将转换为破裂岩块的动能，进而町能引起岩爆。采用提前钻孔释放能量的方法。将工作面前方围岩中的能量提前释放，在即将开挖的围岩四周形成一个低应力的保护壳，能够减缓或降低岩爆的发生。     

深埋隧洞开挖围岩应力演化过程监测及特征研究

 由于TBM掘进不同于钻爆法,其对围岩的损伤程度较轻,不会破坏预埋的空心包体应力计,因此可以在现场预先设计位置埋设空心包体应力计,监测TBM掘进过程中围岩的应力变化。首先利用数值方法计算隧洞开挖后的二次应力分布,分析掌子面效应以及围岩的起裂强度,初步确定围岩的松弛区和损伤区范围,在此基础上确定空心包体应力计的埋设位置和开始监测的时间。然后通过试验洞向TBM掘进隧洞钻孔的方法在松弛区和损伤区分别预埋空心包体应力计,并监测从应力开始变化到最后趋于稳定的整个过程。监测结果证明掌子面效应的存在,应力变化开始于掌子面前大约1倍的开挖洞径,掌子面后0.5倍洞径范围内是应力调整最剧烈的区域,并利用空心包体应力计针对裂纹扩展的敏感性分析围岩损伤区范围,最后根据应力计的监测成果验证此处围岩的起裂强度,监测成果和数值计算结果比较吻合。本文的研究成果可以为现场确定损伤区范围和岩体的起裂强度提供参考,为支护设计和支护时机的选择提供科学依据。     

极高应力条件下岩体开挖面应力测量方法研究

鉴于现有几种应力测量方法在极高应力(岩体应力与强度比 ＞0.5)环境下的局限性,提出基于部分恢复变形的切缝解除法测量极高应力条件下岩体表面应力,并从理论模型上说明其确定极高应力的可行性。应用该方法对锦屏二级水电站科研试验洞开展实测研究,实测得到的最大应力可达80 MPa。该方法在测量过程中既不需获取完整岩芯,又不需要超高压力设备。测试设备轻便、操作简单,测量快速,适合于极高应力条件下表面应力测量,可为洞室岩爆防治、支护以及边坡治理提供实测地应力资料。     

节理岩体卸荷非线性力学特性研究

工程岩体根据其受力特性可以分为加载岩体和卸荷岩体,结合三峡工程永久船闸高边坡岩体,利用自行开发的三轴试验设备进行研究,根据几何和重力相似、材料力学性能相似、岩体结构相似、边界力相似、开挖过程模拟相似,由重晶石粉、铁粉、石膏、水等制作尺寸为250 mm×250 mm×250 mm的试件,试件的几何比尺选择为CL=3,9,27,81;并对几何比尺为27的试件制作含有与船闸轴线相垂直的卸荷方向成8°,36°,52°,82°,90°的结构面。对节理岩体的加卸荷应力–应变关系、卸荷岩体(应力–应变关系、抗拉强度、变形模量)的各向异性、卸荷岩体(抗拉强度、抗压强度、泊松比、变形模量)的尺寸效应、卸荷岩体的流变特性、卸荷岩体的强度准则进行试验研究。研究结果表明,不同结构面方向对岩体的卸荷作用明显;岩体的抗压强度、抗拉强度、变形模量、泊松比以及岩体的各向异性等均随着尺寸的加大而降低;岩石受拉的流变特性与岩石所受的拉应力大小直接有关;得出Hoek-Brown准则所描述的岩体强度关系曲线中的岩体材料常数m,s值。     

高应力取芯卸荷损伤及其对岩石强度的影响

 合理准确地获得深部岩石的强度对岩爆等动力地质灾害的预报和防治具有重要意义。针对高应力条件下钻孔取样过程造成的应力卸载对岩样的损伤问题,通过现场取样、数值模拟和室内试验等方法,比较不同应力水平下钻孔取样的损伤范围及程度。数值模拟和现场所取岩芯的饼化现象证实,所设计的应力解除取样方案切实有效,可有效降低取样区域的应力水平(约30%),可在同一地点取得不同应力水平的岩样;CT扫描结果表明,在锦屏二级水电站1 900 m深条件下常规岩石取样导致的卸荷损伤范围可能超过岩样横截面的50%。低应力取样方案所获得的大直径岩样通过套钻取得中心标准样的平均强度要比常规取样条件提高5%～15%,平均约8%,表明卸荷损伤对岩样强度的影响不容忽视;另外,前者单轴压缩时加载初期的声发射事件数明显少于后者,这表明即便是经过套钻,也不能完全消除取样损伤的影响,与CT扫描的结果相符。     

节理岩体卸荷各向异性力学特性试验研究

 针对节理岩体开挖卸荷所产生的各向异性力学难题,通过制作不同倾角单一预制节理试件,开展节理岩体三轴卸荷试验,研究卸荷条件下节理岩体的应力–应变关系、变形特征、强度特征和破坏模式。得到如下结论：(1) 进入卸荷阶段之后,0°,30°和90°倾角节理试件的应力–应变曲线依次出现屈服、软化和残余变形阶段,而45°和60°倾角节理试件只出现屈服阶段。(2) 节理试件的变形模量随节理倾角呈U型变化,其中,60°倾角节理试件的变形模量最小;随着围压升高,不同倾角节理试件之间的变形特性差异逐渐减小。(3) 0°,30°和90°倾角节理试件的抗压强度降低,而45°和60°倾角节理试件几乎未降低;节理试件的黏聚力随节理倾角呈U型变化,其中,60°倾角节理试件仍为最小;而内摩擦角随节理倾角增大而增大。(4) 0°,30°和90°倾角节理试件的破坏模式均为穿越节理的压剪破坏,且不受节理影响,而45°和60°倾角节理试件的破坏模式均为沿节理面滑动破坏。(5) 揭示节理岩体的卸荷力学特性分为受岩块强度控制和节理面强度控制。