大理岩脆–延–塑转换特性的细观模拟研究

 针对锦屏深埋大理岩峰后变形破坏的脆–延–塑转换特性,采用颗粒流程序(PFC)中的簇单元模型(CPM)对其进行细观模拟研究。经过对室内试验结果的反复模拟校准,获得描述锦屏深埋大理岩力学性质的一组细观物理力学性质参数。模型试验结果表明：试样的一系列宏观力学表现,包括弹性模量、泊松比、单轴与启裂抗压强度、应力–应变曲线、峰值与残余强度包络线、拉压强度比以及破坏形态等均与锦屏深埋大理岩的试验结果具有良好的一致性。对不同围压下裂纹发育规律的研究表明：不同应力状态下细观裂纹发育特征的显著差异是导致大理岩的变形破坏出现脆–延–塑转换特性的主要原因;张性裂纹的大量发育决定介质的脆性破坏模式,而剪切裂纹数目的快速增长则促使介质由脆性破坏模式逐渐向延–塑性破坏模式转换。     

低温及冻融环境下岩体热、水、力特性研究进展与思考

 研究低温及冻融循环条件下岩体热、水、力特性对于寒区工程冻胀机理研究及防寒保温设计具有十分重要的指导意义。综述国内外低温及冻融循环条件下岩石的物理力学特性,温度,渗流特性以及水、热、力耦合特性4个方面的研究现状以及取得的研究成果,并结合寒区隧道的特点,提出以现场监测、大量室内冻融试验和单轴、三轴压缩试验为手段,以研究低温相变条件下的导热系数等热、水、力学参数为基础,以建立含相变低温岩体水热耦合模型和考虑空气温度和湿度影响的隧道风流场湍流模型为前提,以获得通风条件下寒区隧道温度–渗流–应力–损伤耦合模型为目的,用以研究寒区隧道围岩的冻胀破坏机制;同时,开发出兼具轻质、保温、抗冻、抗裂和抗震等功能的泡沫混凝土,用于寒区工程保温层及抗震层使用的基本思路。     

热-力作用下隧道岩爆温度效应的物理模型试验

随着西部大开发战略的深入实施,重大工程建设中遇到越来越多的高地温和高地应力隧道。为了研究这类隧道工程在高地温和高地应力耦合作用下发生岩爆的特性,通过一系列技术研发,在二维地质力学模拟试验加载系统上成功进行热–力作用下隧道岩爆温度效应的物理模型试验。在研制具有岩爆倾向的硬脆性岩爆相似材料基础上,自主开发大型物理模型温度场加载系统和隧道开挖装置,考虑20℃,40℃,60℃,80℃四种温度和侧压力系数为2的高地应力作用,共开展4个模型试验。试验研究结果表明,在20℃~80℃温度范围,温度增大提高了材料的硬脆性,围岩能积聚更高弹性应变能,温度应力引起的洞壁切向应力以及应力差增大,为岩爆创造了更有利的条件。模型温度越高,围岩破坏前变形越小,模型破裂过程中释放的能量越大,破裂源越多;随着温度增高,围岩脆性破坏更强烈且更突然,渐进过程越不明显,岩爆剥落弹射的块径更大。因此,在热力耦合作用下隧道岩爆表现出在一定温度范围内随着温度增大而更加强烈的规律。     

瑞典spAPSE岩柱热弹性耦合特性与数值模拟

瑞典s p硬岩地下实验室开展的APSE试验的主要目的在于分析岩柱在开挖及加热过程中的力学响应及渐进破坏过程,其岩柱热–力耦合特性的数值模拟研究是国际合作研究计划DECOVALEX-2011项目的3大研究课题之一。采用热弹性耦合模型研究了APSE岩柱在开挖及加热过程中的应力、变形及温度变化规律,表明热弹性耦合模型对完整致密岩体的热-力耦合特性具有较好的描述能力,计算结果总体上反映了岩柱在开挖及加热过程中的应力调整和温度变化特征,并可对岩柱壁面的破坏特征及扩展规律进行定性解释。但因缺乏对岩体中多相流运动过程和渐进破坏过程的描述能力,热弹性耦合模型也表现出较大的局限性。研究成果对中国北山预选区核废料硬岩储库围岩的稳定性评价具有一定的参考意义。     

不同初始损伤和卸荷路径下深埋大理岩卸荷力学特性试验研究

 在卸荷速率研究的基础上,较为系统地开展不同初始损伤程度和卸荷路径下深埋大理岩三轴卸围压试验研究。提出新的卸荷力学描述参量：应变围压增量比和统一围压降参数,并结合扩容参数和塑性内变量深入分析初始损伤程度和卸荷路径对深埋大理岩卸荷变形破坏规律的控制作用。通过直观的卸荷破坏概念模型解释卸荷破坏试验中规律的根源和机制。结合深埋隧洞工程,重点探讨初始损伤程度试验规律的重要工程指导意义,为高应力硬岩脆性破坏灾害(如岩爆)的防治提供理论依据。     

核废料贮存库围岩体热响应耦合场研究

岩体在加热状态的物理力学响应是核废料贮存库安全运行评价的主要指标。结合现场试验成果(温度、孔隙压力和变形),应用多孔连续介质力学理论对热诱导引起的岩体温度场、渗流场和应力场进行了有限元数值对比研究。提出了有限元计算过程中通过调整孔隙率和渗透系数来实现热–水–力耦合分析非线性孔隙弹性的研究方法。现场测试和数值模拟表明:在整个加热过程中,饱和岩体温度和有效应力随时间不断增加,而孔隙压力在加热能量变化初期呈上升趋势,在后期呈下降趋势。     

多轴应力对深埋硬岩破裂行为的影响研究

 针对深埋硬岩在多轴应力条件下的破坏特征,在笔者所在课题组工作的基础上,提出能够反映岩石在多轴应力作用下力学参数随塑性内变量的演化关系以及中间主应力和最小主应力对深埋硬岩脆延转换行为影响的岩体局部劣化模型(rock mass local deterioration model,RLDM),该模型考虑真实岩体应力状态对岩体力学行为的控制作用,并嵌入到自行开发的三维弹塑性细胞自动机软件系统中,而基于局部作用原理的细胞自动机方法能够方便地考虑岩石破坏过程中局部力学参数的动态更新。实验室尺度岩样的破坏过程模拟,较好地反映了随着围压的升高,岩石由脆性向延性转化的试验现象;工程尺度的锦屏二级水电站引水隧洞破坏行为模拟,获得的隧洞破裂模式较好地反映现场实际破坏现象,从而验证模型和模拟方法的正确性和合理性。在此基础上,以深埋硬岩为研究对象,分别考虑不同侧压力系数、不同中间主应力大小和方向,分析多轴应力对深埋硬岩破裂行为的影响,解释造成深埋硬岩隧洞复杂破裂模式的原因。结果表明,最小主应力升高使深埋隧洞的稳定性增强;深埋隧洞围岩的稳定性具有中间主应力效应及其区间性的特征。     

深埋硬岩隧洞开挖诱发破坏的防治对策研究

 针对深埋硬岩隧洞围岩脆性破坏分析时传统应力指标的局限性和相应防治措施理论研究不足的特点,在数值分析中应用反映高地应力下硬岩脆性破坏特点的RDM本构模型,结合局部能量释放率评价指标分析硬岩脆性破坏过程中能量释放的强弱,对深埋隧洞开挖过程中防治围岩脆性破坏的设计及施工措施进行综合性研究。首先,通过评价隧洞群洞间距、施工进度等设计方案对围岩能量释放的影响,提出预防岩爆发生的区域性对策。然后,针对能量释放的时空演化规律,本着减压卸能的原则,给出支护时机、支护类型和参数的设计建议。同时,在施工控制措施方面通过分析在掌子面上布置应力释放孔爆破卸压防治岩爆的效果,给出应力释放孔布置方案的优化建议。最后,应用上述方法对锦屏二级水电站辅助洞围岩的脆性破坏提出工程防治措施,实践结果表明,所提出的防治对策完全可行,可供类似工程借鉴。     

变形多孔介质温度–渗流–应力完全耦合模型及有限元分析

根据多孔介质中温度、渗流及应力之间复杂的耦合关系,基于连续介质力学和混合物理论,导出变形多孔介质热–流–固三场耦合模型及其控制方程,探讨有限元法的求解过程,以ABAQUS软件为求解器,在MATLAB语言环境下编制相应的计算程序,并通过典型算例考证程序的正确性。然后研究石油钻井过程中的热–流–固耦合作用过程,详细分析场耦合作用对井壁孔隙压力、温度和应力的影响,计算结果表明,热–流–固耦合作用对井壁稳定有重要的影响,应全面考虑各物理场之间的耦合作用。研究成果为分析岩土介质多场耦合过程提供一条有效的途径,从而为进一步研究温度–渗流–应力–化学(THMC)耦合问题奠定基础。     

高温盐溶液浸泡作用下石膏岩力学特性试验研究

 为研究盐矿水溶开采或盐岩溶腔储库建造过程中,石膏岩夹层在温度与含Cl－盐溶液长时间共同作用下的力学特性,进行主要内容包括石膏岩在40℃,70℃半饱和、饱和盐溶液浸泡作用之后的单轴抗压强度、抗拉强度、抗剪强度试验,通过对比分析揭示石膏岩在这一特殊条件下的力学特性。主要结论如下：随温度升高、盐溶液浓度增大、浸泡时间的延长,石膏岩强度呈降低弱化趋势。浸泡60 d后石膏岩单轴抗压强度弱化系数为0.10～0.73;弹性模量随温度与浓度变化也呈线性规律降低,从40 ℃半饱和溶液中的5.92 GPa降至70 ℃饱和溶液中的0.21 GPa。相同条件下,抗拉强度也从在40 ℃环境下的0.64～0.66 MPa,降至70 ℃环境下的0.27～0.47 MPa。在70 ℃饱和盐溶液中浸泡60 d之后,石膏岩莫尔–库仑剪切强度拟合方程为 °,而相同条件下浸泡30,80 d之后的剪切强度拟合线性方程分别为 °, °。随浸泡时间的延长,石膏岩的黏聚力与内摩擦角均呈降低趋势。为区分石膏岩在不同条件下的破坏方式及其差异,定义岩石变形破坏脆性指标--破坏刚度,将其近似为岩石单轴压缩应力–应变曲线峰后破坏段斜率。实测结果表明,在干燥、40 ℃半饱和到70 ℃饱和溶液几种条件下,石膏岩的破坏刚度分别为704.4,690.1,218.9,255.2,19.5 GPa。相应破坏方式也由脆性向脆延性、延性转变。本研究对深入揭示石膏岩水力学特性及指导层状盐岩矿床储库溶腔控制溶解建造具有重要理论意义与应用价值。     

基于硬脆性岩体剥落性状的初始地应力场评估

处于高地应力环境的硬岩工程,由于开挖扰动导致围岩应力环境变化,进而发生脆性剥落破坏。线性工程沿洞线地应力场分布受到各种因素的影响,判别沿线地应力分布规律对于施工安全和衬砌支护设计具有重要意义。在介绍初始地应力分布统计规律的基础上,对地下洞室轴线与初始地应力场排布不同组合情况下,围岩二次应力场及偏应力分布规律进行了模拟研究。基于硬脆性岩石破坏准则,推导了考虑硬脆性围岩破坏宏观表征的洞轴平面初始应力场求解公式,对所推导的公式进行了工程验证,结果比较吻合。研究结果可为深埋硬岩隧道工程初始地应力场量值判别及工程支护设计提供一定的借鉴和参考。     

单轴压缩下高温盐岩的力学特性研究

 对不同温度下(20 ℃～700 ℃)及高温后(100 ℃后,200 ℃后)喜马拉雅山盐岩进行单轴压缩破坏试验,获得其受高温作用的力学特征和破坏形态,探讨峰值应力、峰值应变和弹性模量的变化规律,并重点分析高温下其应力–应变曲线的特殊性。研究结果如下：当温度低于120 ℃时,盐岩的抗压强度和弹性模量随温度的升高而降低,120 ℃～200 ℃时,随温度的升高而增加;在较高温度下(500 ℃及以上),盐岩的内部结构发生突变,峰值应力大大降低;盐岩的应力–应变曲线在不同温度区间有较大差异,170 ℃是其发生突变的阈值;当温度为170 ℃～400 ℃时,盐岩呈现出明显的应变硬化特性;喜马拉雅山盐岩所能承受的极限温度不超过700 ℃;与同等高温下相比,经历100 ℃和200 ℃高温后的盐岩,其承载能力降低,变形及弹性模量较小,其内部出现较多裂纹,整体性较差。     

陡倾岩层隧道开挖力学特性研究

陡倾岩层隧道由于层状结构的存在,在开挖过程中,围岩的破坏机理与方式、围岩与结构的变形、受力等特征明显不同于其它岩体隧道。本文在陡倾岩层隧道开挖破坏机理探讨的基础上,通过三维数值模拟,对不同陡倾角条件下围岩与结构的变形、受力特征进行了计算,分析了隧道开挖力学特性与倾角的关系,提出了陡倾岩层隧道设计施工建议。计算结果表明:倾角越大,隧道发生顺层滑移破坏的概率越大,地表沉降、拱顶位移、围岩主应力随倾角的增大而增大,但拱脚位移、围岩剪应力、喷射混凝土内力与倾角并非一致性关系。     

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。     

复杂地质条件下大埋深隧洞衬砌与围岩协同作用#br# 物理模型试验研究

围岩-支护协同作用是地下工程支护结构设计的核心问题,关乎着地下工程建设的成败。为揭示深埋隧洞围岩与支护结构协同作用机理,以滇中引水最大埋深约1512m的香炉山隧洞为研究背景工程,首次开展复杂地质条件下深埋隧洞衬砌与围岩协同作用真三维地质力学模型试验,真实再现隧洞开挖与支护的施工全过程。模型试验研究表明：1）不同地质条件下隧洞围岩的应力释放过程不同,硬岩隧洞围岩应力释放速率先慢后快,软岩隧洞应力释放速率先快后慢;2）不同地质条件下隧洞衬砌与围岩接触压力的分布形式不同,硬岩隧洞最大接触压力位于拱肩,软岩隧洞最大接触压力位于拱顶;3）衬砌与围岩协同作用包括两种应力释放机制、3个施工阶段和4种承载状态;4）不同地质条件下隧洞衬砌施作后围岩和衬砌承担的荷载比例不同,硬岩隧洞围岩平均承担约85%的荷载,衬砌约承担15%的荷载,软岩隧洞围岩平均承担约25%的荷载,衬砌承担约75%的荷载。     

Considerations of rock dilation on modeling failure and deformation of hard rocks-a case study of the mine-by test tunnel in Canada

For the compressive stress-induced failure of tunnels at depth, rock fracturing process is often closely associated with the generation of surface parallel fractures in the initial stage, and shear failure is likely to occur in the final process during the formation of shear bands, breakouts or V-shaped notches close to the excavation boundaries. However, the perfectly elastoplastic, strain-softening and elasto-brittle-plastic models cannot reasonably describe the brittle failure of hard rock tunnels under high in-situ stress conditions. These approaches often underestimate the depth of failure and overestimate the lateral extent of failure near the excavation. Based on a practical case of the mine-by test tunnel at an underground research laboratory (URL) in Canada, the influence of rock mass dilation on the depth and extent of failure and deformation is investigated using a calibrated cohesion weakening and frictional strengthening (CWFS) model. It can be found that, when modeling brittle failure of rock masses, the calibrated CWFS model with a constant dilation angle can capture the depth and extent of stress-induced brittle failure in hard rocks at a low confinement if the stress path is correctly represented, as demonstrated by the failure shape observed in the tunnel. However, using a constant dilation angle cannot simulate the nonlinear deformation behavior near the excavation boundary accurately because the dependence of rock mass dilation on confinement and plastic shear strain is not considered. It is illustrated from the numerical simulations that the proposed plastic shear strain and confinement-dependent dilation angle model in combination with the calibrated CWFS model implemented in FLAC can reasonably reveal both rock mass failure and displacement distribution in vicinity of the excavation simultaneously. The simulation results are in good agreement with the field observations and displacement measurement data.     

Analytical solutions for the stresses and deformations of deep tunnels in an elastic-brittle-plastic rock mass considering the damaged zone

The excavation impact (e.g. due to blasting, TBM drilling, etc.) induces an excavation damaged or disturbed zone around a tunnel. In this regard, in drill and blast method, the damage to the rock mass is more significant. In this zone, the stiffness and strength parameters of the surrounding rock mass are different. The real effect of a damage zone developed by an excavation impact around a tunnel, and its influence on the overall response of the tunnel is of interest to be quantified. In this paper, a fully analytical solution is proposed, for stresses and displacements around a tunnel, excavated in an elastic–brittle–plastic rock material compatible with linear Mohr–Coulomb criterion or a nonlinear Hoek–Brown failure criterion considering the effect of the damaged zone induced by the excavation impact. The initial stress state is assumed to be hydrostatic, and the damaged zone is assumed to have a cylindrical shape with varied parameters; thus, the problem is considered axial-symmetric. The proposed solution is used to explain the behavior of tunnels under different damage conditions. Illustrative examples are given to demonstrate the performance of the proposed method, and also to examine the effect of the damaged zone induced by the excavation impact. The results obtained by the proposed solution indicate that, the effects of the alteration of rock mass properties in the damaged zone may be considerable.     

基于现场监测数据的隧道围岩变形特性研究

 隧道变形是衡量隧道结构体系稳定性的重要指标,该指标可以科学、及时、可靠、便捷地反映隧道工程的安全性。在收集、整理我国103座山岭隧道836个拱顶沉降数据、806个水平收敛数据的基础上,系统分析围岩变形量、围岩变形稳定时间与围岩级别、隧道开挖面积等因素之间的关系。研究表明：隧道围岩变形数据主要集中在低值区间,中高值区间数据较少但分布范围较广,随着围岩级别增大,围岩变形值增大,数据集中区间增大,变形分布区间增大;隧道断面面积对隧道围岩变形影响较大,随着隧道断面面积的增大,变形值增大;实测数据表明,隧道围岩变形与隧道埋深并没有明显的联系;隧道围岩变形稳定时间主要集中在中低值区间,高值区间的数据相对较少,随着围岩级别增大,围岩变形稳定时间增大,分布区间增大。根据统计结果,提出不同围岩级别下,隧道变形的建议控制值以及变形稳定时间参考值。     

高地应力下地下工程稳定性分析与优化的局部能量释放率新指标研究

针对地下工程稳定性分析与优化的常规指标在高地应力条件下的局限性及传统的能量释放率岩爆指标把岩体看成不发生脆性破坏线弹性体的不足，提出局部能量释放率新指标。该指标的实现是通过在数值计算中追踪每个单元弹性能量密度变化的全过程，记录单元发生脆性破坏前后的弹性能密度差值，得到单位体积岩体突然释放的弹性能量。该指标可更好地定量预测高地应力下地下工程开挖过程中岩爆发生的强度、破坏位置与范围，由该指标求出的围岩释放能又可作为地下工程开挖方案的优化指标。对太平驿水电站引水隧洞工程不同开挖步长下能量释放率指标的算例进行分析。分析结果表明，该指标具有一定的科学合理性。最后将该指标应用于黄河拉西瓦水电站大型地下厂房的开挖方案优化，用于指导该工程的科学设计与施工。     

高温静水应力状态花岗岩中钻孔围岩的 流变实验研究

 采用自主研制的“20 MN伺服控制高温高压岩体三轴试验机”对f 200 mm×400 mm的内含f 40 mm钻孔的花岗岩体高温三维静水应力状态的流变特性进行了深入的研究。研究结果表明：(1) 花岗岩是由多种晶体胶结而成的脆性坚硬岩石,5 000 m静水应力以内及600 ℃以内的恒温恒压状态下,花岗岩中钻孔围岩主要表现为稳态蠕变;当应力达到5 000 m静水应力,温度为600 ℃时的蠕变为非稳态蠕变。(2) 高温静水应力状态下花岗岩中钻孔围岩蠕变过程存在应力阈值和温度阈值。(3) 热力耦合作用下钻孔围岩内部晶间胶结物及晶粒内部产生的位错及微破裂过程,是高温高压下钻孔围岩蠕变存在温度阈值和应力阈值的主要原因。(4) 高温静水应力状态下,含有钻孔的花岗岩体流变破坏的应力为5 000～6 000 m的静水应力(125～150 MPa),温度为500 ℃～600 ℃,破坏形式为压裂破坏、压剪破坏或两者相结合。同时,获得了600 ℃以内及埋深6 000 m以内静水应力条件下,不同温度不同埋深静水应力状态下花岗岩中钻孔围岩的蠕变率参数,为高温岩体地热开发钻井井壁稳定性研究提供了重要的力学参数依据。