围岩卸载损伤演化及应力场调整有限元分析

隧道、洞室等地下工程的修建过程，是洞室壁面附近围岩不断发生应力卸载的过程。在这一过程中围岩力学性质与加载过程中表现出的力学性质存在一定的差别，本文通过引入服从韦伯分布函数的细观岩石微元体，运用连续介质损伤力学理论，得出了可以反映岩石非均匀性的本构关系式，然后运用岩石破裂与失稳过程RFPA分析系统，对隧道，洞室等地下工程由于洞室开挖引起的围岩卸载过程中，洞室孔壁附近围岩发生的损伤演化和应力场调整全过程进行了有限元分析，得到了洞室壁面附近围岩损伤演化和应力场调整过程图。     

初始应力的回归与三维拟合

初始应力是地下工程围岩稳定与支护结构设计的基本因素之一，本文介绍一种初始应力场的回归拟合方法，该方法考虑了影响初始应力的主要因素。对工程实例地应力场的回归拟合计算表明，该方法回归拟合精度高，可广泛用于工程实践中。     

软岩蠕变理论及其工程应用

地下工程的施工经常遇到软岩。这类岩体抗压强度较低，具有明显的流变特性，蠕变变形量较大，常造成支护的失稳和破坏。在分析地下工程的稳定性或对地下结构设计时，应充分考虑这一特性，按流变力学理论进行分析和设计。通过现场取样，采用自行研制的重力杠杆式岩石蠕变试验机，并配备三轴压力室，对泥岩进行了三轴蠕变试验。试验结果表明，泥岩的蠕变具有非线性。根据试验结果，建立了泥岩的非线性蠕变方程。根据上述非线性蠕变方程，分析了围岩的应力场和位移场，并对不同支护强度和应力状态下的蠕变变形进行了系统的分析。理论研究结果表明，控制围岩过量蠕变变形的根本途径是改善围岩应力状态，适当提高锚杆或锚索的初始预应力，从而为有效控制深部开采时围岩的有害变形提供了理论依据。     

围岩卸载损伤演化及应力场调整有限元分析

隧道、洞室等地下工程的修建过程 ,是洞室壁面附近围岩不断发生应力卸载的过程。在这一过程中围岩力学性质与加载过程中表现出的力学性质存在一定的差别。本文通过引入服从韦伯分布函数的细观岩石微元体 ,运用连续介质损伤力学理论 ,得出了可以反映岩石非均匀性的本构关系式 :然后运用岩石破裂与失稳过程RFPA分析系统 ,对隧道、洞室等地下工程由于洞室开挖引起的围岩卸载过程中 ,洞室孔壁附近围岩发生的损伤演化和应力场调整全过程进行了有限元分析 ,得到了洞室壁面附近围岩损伤演化和应力场调整过程图。     

爆炸载荷诱发地应力瞬态卸荷对深部围岩的损伤特性

地应力瞬态卸荷是造成深部巷道空间变形垮塌的主要诱因。近似认为爆炸荷载与地应力瞬态卸荷的耦合应力场是在一定的地应力条件下,由爆炸荷载激发的动态应力场和地应力瞬态卸荷激发的动态应力场在相应的时域和空间上叠加而成。采用数值模拟的方法研究了爆炸载荷扰动诱发的高地应力瞬态卸荷对巷道围岩的损伤规律。研究表明:爆炸载荷对围岩的扰动先于地应力瞬态卸荷,二次应力分布时程曲线受爆炸应力波的影响显著,耦合应力场对巷道顶板拐角、两帮、顶板、底板中央围岩处的动力扰动仍以爆炸载荷为主,且对顶板的扰动作用更强。巷道两帮的围岩损伤比顶、底板深,质点振动速度峰值随着向围岩远处的传播呈衰减趋势。随着侧压系数的增大,巷道两帮围岩塑性损伤范围减小。     

水电站隧道围岩变形监测及其应用

以某水电站隧道施工过程的工程实践为依据,对常规围岩变形监控量测及围岩变形跟踪监测系统进行了阐述,并对围岩表面二次应力场的现场测试及滞后变化监测作了研究,以期及时获取围岩变形动态信息。     

岩石地下工程数字教学平台建设

文章采用有限差分程序FLAC及科学计算软件Mathematica建立岩石地下工程数字教学平台。通过FLAC数值模拟,形象和直观地展现围岩中二次应力分布及规律,并解释了新奥法初期支护的原理;采用Mathematica对理论解析解进行可视化处理,形象展现围岩力学参数对二次应力分布的影响。该平台对于提高学生学习兴趣、加深理论知识理解和拓展数值分析能力具有重要意义。     

高应力地下厂房顶拱开挖过程围岩力学响应与稳定性分析

水电站地下厂房洞室群地质结构复杂、地应力高，施工期间围岩变形破坏现象频繁发生。针对某水电站高应力地下厂房开挖卸荷诱发顶拱破坏的问题，开展围岩损伤演化过程分析。利用微震监测技术实时记录地下厂房开挖期间围岩微破裂萌生、发育及扩展过程。结合常规监测、现场踏勘，揭示深部围岩损伤与施工动态的响应规律。采用数值模拟重现开挖过程应力场与位移场的渐进演化特征。研究结果表明：微震活动与施工状态、地质条件密切相关，厂房K0–40～K0–60区域微震事件聚集由强卸荷及节理、裂隙共同控制。开挖卸荷形成的高边墙水平应力及顶拱垂直应力加剧了围岩损伤沿开挖轴向扩展演化。震源参数在围岩变形破坏前表现为矩震级增大、视应力下降、累计视体积不变。研究成果可为类似地下工程开挖围岩损伤及稳定性评价提供借鉴。     

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。     

Mine-by试验洞开挖过程中围岩应力路径与破坏模式分析

 地下洞室开挖过程中,围岩经历了复杂的应力路径,正确刻画围岩的应力路径及其影响是岩石地下工程中亟待解决的关键科学问题。基于起裂判据(CIC)、扰动应力比( )和Lode参数等力学表征指标,采用FLAC3D对Mine-by试验洞掌子面掘进过程中围岩的复杂应力路径和破坏模式进行探讨。研究表明：围岩应力场的扰动主要集中在掌子面前后一倍洞径范围内,围岩损伤受掌子面附近高度集中的偏应力和应力主轴旋转支配;随掌子面掘进,围岩顶部和底部偏应力集中程度加大,应力比n逐渐降低,逐步形成V型剥落,而隧洞边墙部位逐渐卸荷,损伤破裂转变为拉应力控制;原位岩体的应力路径涉及应力主轴旋转效应,远比实验室的单调加载路径复杂,Mine-by试验洞开挖过程中,在掌子面的顶部和底部,围岩大主应力方向几乎没有转动,而中主应力和小主应力旋转一定角度(35.2°)后回到初始方向,由于中主应力超过了岩体起裂强度(CIC＞1),其方向的旋转加剧了围岩的损伤程度。相关认识和结论具有一定的理论和工程意义。     

均匀设计原理在地下工程位移反分析中的应用

以小湾水电站为背景，在试验、监测、前期分析结果的基础上，建立地质与施工的概化模型。以围岩基本力学参数和初始应力场为基本变量，按均匀设计方法进行计算方案的组合，采用考虑开挖卸荷效应的三维弹塑性有限元方法完成了地下硐室群开挖模拟，并应用多元线性回归模型进行了围岩基本力学参数和初始应力场的反演分析。应用反演计算所得围岩基本力学参数和初始应力场计算各监测点的开挖扰动位移增量，相应的计算值与实测值较为吻合，表明反演得到的力学参数和地应力场基本合理，均匀设计原理在地下工程位移反分析中具有较高的实用价值。     

类岩材料多裂纹体断裂破坏试验及有限元分析

在伺服控制双轴加载系统下对预制的不同角度多裂纹水泥试件进行了单轴和双轴加重试验,其中的双轴加载采用两种不同的侧压。另外借助有限元计算得出了试件的全场应力,进而计算出试件中裂纹尖端的应力强度因子。试验和计算结果都表明,不同的裂纹角度对试件的断裂破坏强度有明显的影响,并对其原因进行了研究,所得结论可为地下工程中存在多裂纹的情况提供和工程应用依据。     

岩体动力破坏的最小能量原理

根据岩体动力破坏实际释放的能量远大于诱发能量这一事实，在较详细论证岩体非均质、各向异性、应力状态不同，其破坏方式和消耗能量也有差异的基础上，提出了岩体动力破坏的最小能量原理：即岩体动力破坏真正需要消耗的总是单向应力状态的破坏能量。还介绍了此类事件的几个事例，及其对防护工程与地下工程的重要意义。     

基于地应力现场实测与开采扰动能量积聚理论的岩爆预测研究

高地应力诱发的岩爆灾害是目前深部地下工程经常遇到的工程地质问题。现场地应力测量是岩爆预测的重要前提,根据三山岛金矿深部测量和岩体赋存状况的特点,优化应力解除测量技术并在矿区深部进行现场实测。提出采场岩爆发生的2个必要条件,即岩石具备储备高应变能的特性和采场具备高应变能积聚的应力环境。基于地应力实测与岩石力学室内试验结果,采用多准则判据对矿区深部发生岩爆的倾向性做出定性分析与评价。FLAC3D数值模拟分析揭示深部开采引起的采场围岩能量积聚、分布状况及变化规律。首次采用地震学的知识,对三山岛金矿未来深部开采过程中可能诱发岩爆的地点和级别做出预测。研究成果为深部地下工程岩爆的预测、预报提供新的思路和途径。     

新型压缩摩擦组合分散型锚索锚固机制及效应研究

 预应力锚固技术广泛应用于水利水电、交通运输及地下采矿等工程领域。由于常规压力集中型锚索具有前端应力集中、剪应力分布不均匀等现象,研究、设计新型压缩摩擦组合分散型锚索。在介绍该技术要点的基础上,通过室内张拉试验以及数值仿真模拟试验,对该种锚固技术的锚固机制及效应进行系统地研究。结果表明,新型压缩摩擦组合分散型锚索内锚头应力集中量值较小,注浆体轴向压应力及剪应力叠加不明显,应力分布较为均匀,可有效克服现有压力集中型锚索所存在的缺陷,达到改善内锚头应力、提高锚固可靠性要求。在总张拉力确定的情况下,利用所设计的新型压缩摩擦组合分散型锚索技术可实现总张拉力要求,达到锚固岩体的目的。研究结果可为岩土体锚固系统设置提供一定的借鉴及参考。     

田下凝灰岩应力松弛特性及数值模拟研究

岩石应力松弛特性是预测地下工程长期稳定性的重要基础。首先,对峰前、峰值和峰后区域应变水平下田下凝灰岩进行分别加载应力松弛试验,研究松弛过程中应力变化规律,并分析了应力松弛水平随应变水平的变化规律;其次;对田下凝灰岩进行分级加载应力松弛试验,研究分级加载条件下应力的变化规律,试验结果表明,分级加载和分别加载应力松弛具有相同的规律,且峰值处、峰值后的应力松弛特与峰值前的基本相似;最后,利用基于弹簧模型的可变模量本构方程对田下凝灰岩应力松弛试验进行数值模拟,试验结果与计算结果一致性很好,表明该本构方程可以较好的描述田下凝灰岩的应力松弛特性,可以预测工程流变破坏寿命。     

岩体中地下多层圆形结构动力响应分析

在城市地铁隧道结构以及其它地下工程选型方面,常常采用圆形结构。根据地下圆形结构和围岩的特点,建立平面冲击波载荷作用下有岩石中多层圆形结构体系的动力广义泛函,并采用变分原理推导出体系的线性和非线性动力微分方程组。采用该方法对承受平面应力波的有软回填层的岩石中多层圆形结构进行弹塑性动力响应计算,研究地下多层圆形结构的动力特性和回填层厚度对结构体系动力响应的影响。给出软回填层削波减振的最佳厚度和围岩与回填材料的最佳声阻抗比。该研究结果适用于平面应力波荷载或地震荷载下,地下工程结构选型及结构动力学分析。     

裂隙水对节理岩体裂隙扩展影响的CT实时扫描实验研究

采用与CT机配套的加载装置，使用相似材料，对单裂纹含水和不含水的标准试件进行了CT实时监测实验，以观测裂纹扩展的全过程。探讨试件在不同复杂应力状态和原生裂纹处于不同地下水压的情况下，其裂纹的萌生、演化、发展及最终破坏形式。通过在试件中原生裂纹内不注高压水、含有压裂隙水和注水致裂来分别模拟岩体工程中裂隙不受水的影响、受有压水的影响及水压致裂的破坏过程。目的在于探讨3种情况下，岩体的不同破坏形式。从实验结果来看，3种条件下，试件都经历了微裂隙被压密、损伤演化开始、微裂纹扩展贯通、宏观裂纹产生等阶段，但其破坏形式各不相同。说明了在分析岩体结构时要充分考虑地下水的存在状态对工程结构的影响。同时，也为进一步建立岩体结构合理的损伤演化方程、本构关系和研究岩石破坏机理提供了科学依据。     

锚杆锚固质量无损检测技术及应用

锚杆锚固技术作为各类地下工程及边坡护理的主要手段,已在交通和水电站建设等工程施工中得到广泛应用,其锚固质量和运行状况的无损检测已被提到议事日程。利用声频应力波在不同波阻抗面反射的能量和相位的变化原理,采用专门的声波发射和接收装置,可以很好地检测锚杆的锚固质量。新开铺变电站采用了大量的锚杆锚固进行护坡处理,并应用声频应力波进行了锚固质量的检测,说明锚杆的锚固质量无损检测技术是可行且有效的,为锚固工程检测提供了借鉴。