隧道式锚碇在碎裂岩体中成洞及承载特性数值模拟

与重力式锚碇相比,隧道式锚碇更为经济、环保,在峡谷地区悬索桥建设中具有广阔的应用前景。我国西南地区某在建铁路大跨度悬索桥隧道式锚碇在IV—V级工程岩体中承担4.3×10⁵ kN的超大主缆荷载,通过三维数值模拟方法对该隧道式锚碇的成洞特性、主缆荷载及超载作用下的围岩响应特征进行研究。结果表明:按设计支护措施,碎裂岩体在锚洞开挖后处于轻微挤压变形状态。主缆荷载作用下,锚碇周边围岩主要表现为弹性变形,锚塞体的位移增量属毫米级,围岩变形受地层岩性影响显著,锚塞体周边围岩位移梯度较大,主缆荷载的扩散范围有限;超载作用下,锚塞体围岩塑性区由后锚面逐步沿着锚塞体周边围岩向中前部发展,其最终破坏模式为锚岩接触周边围岩的剪切破坏。隧道式锚碇在围级基本质量较差的碎裂岩体中同样具有很强的适应性。     

考虑岩体流变的隧道锚长期稳定性研究

岩体流变是隧道锚长期稳定性研究重点之一。以FLAC3D软件中CVISC流变模型为理论基础,通过单轴压缩流变试验及接触面长期抗剪强度试验获得与岩体流变相关的力学参数,并将CVISC模型和获得的参数融入依托工程数值仿真模型,进行长期稳定性分析。分析结果显示:隧道锚在1倍设计主缆力施加后100a内,锚塞体、围岩及锚塞体与围岩接触面长期变形小,较符合工程设计安全要求。上述研究思路与结果可为类似工程研究提供参考。     

碎裂岩夹层中大跨度悬索桥隧道锚稳定性分析

隧道锚作为悬索桥的重要受力构件,其稳定性是保证悬索桥安全运行的关键。为探究某大跨度铁路悬索桥隧道锚在碎裂岩夹层中的受荷响应规律,建立精细化数值模型,对隧道锚的稳定性进行综合评估,论证隧道锚在碎裂岩夹层中的适用性和安全性。研究表明：碎裂岩夹层对隧道锚的变形影响显著,隧道锚后锚面及围岩的位移分布曲线呈左高右低的“驼峰状”,锚塞体界面摩阻力在碎裂岩夹层区域产生突变。锚-岩联合体的破坏从碎裂岩夹层中锚塞体拱顶区域开始,逐步向拱腰和拱底扩展,直至锚-岩界面塑性区贯通,其破坏模式为锚-岩接触带的剪切破坏。隧道锚的综合承载力以钢束受拉破坏为控制条件,综合极限承载力为2.3倍设计主缆力。隧道锚在碎裂岩夹层中的稳定性和适应性良好。     

普定碾压混凝土拱坝破坏试验研究

在结构模型破坏试验中，采用变温相似模拟大坝坝肩岩体中的Ｊｉ夹层，以反映水库在长期运行中抗剪强度可能降低的全过程；用综合法进行破坏试验，求得综合安全度，借以评价普定的安全性，罗当前一般采用超载法进行破坏试验所得结果，更符合实际。     

猴山水库左岸边坡崩塌变形破坏特征研究

结合猴山水库基本情况,对其左岸崩塌变形破坏特征进行分析,采用DDA数值模拟方法研究该崩塌变形破坏模式。该崩塌发生是由于重力和雨水入渗造成错断式破坏。分析得出,底部软岩长期受挤压向外变形,岩桥位置逐渐产生拉张裂缝。在降雨作用下,岩体质量增加,结构面、岩体强度降低,底部软岩变形速率急剧降低,上部岩体应力集中,直至错断破坏。     

清江水布垭地下厂房洞室模型试验研究

应用地质力学模型实验方法,详细研究了水布垭水电站地下洞室在地应力场作用下,洞室无处理、软岩置换与锚桩锚杆3种方案的开挖稳定情况,比较了3种方案的应力、变形、超载破坏形式及超载安全系数。成果表明：洞室无处理的稳定性最差,其较大拉应力值为1.44 MPa,较大变形值为29.1 mm,超载安全系数为1.75。软岩处理方案超载安全系数为2.5,软岩处理加喷锚支护情况安全系数大于2.6。水布垭地下厂房洞室开挖,在技术上是可行的,软岩处理和洞底锚桩处理及锚杆支护作用效果明显,可确保洞室的安全可靠。     

长江科学院承担的普立特大桥隧道锚抗拉拔模型现场试验完成

由长江科学院岩土重点实验室工程技术学科承担的云南普立特大桥隧道锚抗拉拔模型现场试验已于近日完成,该项试验按照相似原理进行模型制作,对试验过程中产生的变形,尤其是围岩破坏过程和破坏面形态进行跟踪测试,为认识普立特大桥隧道锚变形破坏过程,研究隧道锚力学机理提供了试验依据。该研究项目系云南省交通运输厅科技项目《高山峡谷地区     

金安金沙江悬索桥隧道式锚碇变形破坏机制研究

隧道式锚碇的变形破坏机制涉及到结构与围岩的协同作用问题。以华丽高速公路金安金沙江悬索桥两岸隧道锚变形破坏机制为研究对象,利用工程类比法评价了其稳定性控制要素,设计了超载数值试验。根据塑性区的扩展过程确定了施工安全监测和需要采取预加固的重点部位,确定了隧道锚围岩的破坏模式。根据锚面监测点位移由mm到cm量级突变确定的两岸锚岩系统极限荷载均为6~8倍设计缆力,则锚岩系统的设计承载力取3倍设计缆力下变形安全是有保障的。丽江岸塑性区在10 P下贯通;华坪岸塑性区在14 P下贯通。设计缆力作用下,丽江岸锚碇最大位移1.5 mm、围岩1.2 mm、地表0.5 mm;华坪岸锚碇最大位移1.7 mm、围岩1.5 mm、地表0.7 mm,其响应顺序为后锚面监测点前锚面监测点锚碇中间岩体地表点,可作为后期结构及围岩安全监测布点和预警的参考,也证明当前设计缆力下变形和强度均是安全的。     

考虑断续节理影响的溪洛渡拱坝模型破坏试验研究

金沙江溪洛渡工程大坝为混凝土拱坝,最大坝高278m,拱坝坝肩及坝基岩体内未见大的断层及软弱结构面,坝肩稳定性主要受分布于岩体内的层间和层内错动带以及节理裂隙的控制。本文用超载法对溪洛渡拱坝稳定安全系数相对较低的410m高程平面拱圈及其坝肩岩体进行模型破坏试验,主要研究超载条件下含断续节理岩体的破坏过程、破坏形态和破坏机理。试验表明:由于玄武岩的脆性特点,模型坝肩岩体呈脆性破坏,其破坏机理是裂隙端部的应力集中引起岩桥的断裂撕拉破坏,随着超载倍数的增加,裂缝开度增大,最后呈现阶梯状破坏形态。     

岩溶隧道含水裂缝扩展规律研究

为了探索岩溶隧道在施工过程中经常出现由于裂缝引发突水的灾害机理,利用水压致裂原理重点分析研究拉剪破坏突水和压剪破坏突水的力学过程和裂缝扩展过程中缝内水压分布特征和梯度。研究表明突水临界水压受裂缝的走向、所处位置等因素的影响;含水裂缝发生拉剪破坏所需的临界水压力大于其发生压剪破坏所需的临界水压力;在水力劈裂作用下裂缝的生长呈现间断性特征。研究成果对隧道施工过程中突水灾害的防治具有重要的意义。     

粉砂岩卸荷变形破坏特征试验研究

利用MTS815.04电液压伺服可控制刚性试验机,对标准粉砂岩岩样进行了保持轴向变形恒定的卸围压试验,获得了大量的应力、应变实验数据。研究表明：岩体卸围压试验大致分为3个阶段,即初始阶段、裂纹扩展阶段及破坏阶段;岩体破坏时裂纹主要沿着最大主应力的方向开裂,最终形成近似平行于最大主应力的张拉型破坏面。进一步对岩体卸荷过程中轴压σ₁与围压σ₃的变化曲线进行分析发现：当围压降低到一定程度时,裂纹在拉应力作用下迅速扩展;扩展开的裂纹之间由于没有了摩擦力的作用,相对于加载破坏,岩体更容易发生卸荷破坏;在卸荷过程中岩体弹性模量E,泊松比μ随体积应变ε_v表现出明显的非线性变化趋势。试验结果可为工程提供借鉴。     

基于颗粒流的花岗岩微观破坏机制研究

为研究岩石在单轴压缩条件下的微观破坏机制,利用岩石力学试验机进行花岗岩岩样的室内试验,采用颗粒流分析程序编程建立可靠的数值模型,通过分析试件压缩破坏过程的裂纹演化规律、裂纹数特征和能量耗散规律,讨论其微观破坏机制。结果表明,花岗岩岩样内部拉裂纹分布与宏观破坏面较为吻合,在裂隙发展中起着关键作用;峰值强度前,剪裂纹较拉裂纹发育显著,峰值强度后,拉裂纹数剧烈增加,造成岩样承载力的降低;岩样最终失效形式为沿对角形成宏观剪切面破坏,并有少量张拉襞裂破坏。     

水位上升条件下陡坡破坏离心模型试验研究

基于变形与破坏过程耦合分析的研究思路,针对水位上升条件下黏性土陡坡变形破坏开展了离心模型试验,测定了试验过程中边坡的位移时程及其分布,并进行点对分析确定了边坡破坏过程,揭示了边坡的破坏机理。研究结果表明：水位上升引起的陡坡剪切破坏从坡脚开始,逐渐向上发展与坡顶张拉裂缝共同形成整体滑裂面;水位上升过程导致陡坡产生显著变形并在一定区域内集中,出现了明显的变形局部化,导致该处出现局部破坏,局部破坏逐渐发展并贯通形成滑裂面;滑裂面形成后边坡变形主要出现在滑动体内部,滑动体上不同点的位移特征受到所在位置的影响。     

锦屏二级水电站深埋完整大理岩破坏机制的断裂力学分析

针对锦屏二级水电站深埋完整大理岩拉张型板裂化破坏和剪切型破坏,从断裂力学的角度对其发生机制予以解释。断裂力学理论表明,岩石在足够大轴向力作用下,其内部微裂纹在发生摩擦滑动或剪切滑移和自相似扩展后进一步弯折扩展。隧洞开挖后洞壁围岩径向应力降低,切向应力增大。当径向应力为零时,弯折裂纹继续发展,围岩产生平行于洞壁的破裂面,即产生拉张型板裂化破坏;当洞壁围岩存在一定径向应力时,弯折裂纹停止扩展转化为剪切裂纹扩展,即围岩产生剪切型破坏。对锦屏二级水电站深埋完整大理岩破坏机制的分析,为类似深埋隧道工程围岩失稳破坏机理的解释具有一定借鉴作用。     

考虑剪胀效应的深埋硬岩隧洞岩爆过程的数值模拟

基于摩擦强度在粘聚力发生显著劣化后才起作用的本构模型(CWFS模型),将Russense岩爆判据引入数值模拟过程中,研究了不同剪胀角取值对隧洞围岩岩爆区及最大最小主应力差值在70~80MPa之间单元分布规律的影响,并将计算结果与采用Mohr-Coulomb应变软化本构模型的结果进行了对比分析。结果表明:采用基于Russense岩爆判据的CWFS本构模型模拟出了隧洞围岩发生脆性破坏形成的V型破坏区,且破坏区内的单元均发生了严重岩爆;随着剪胀角的增加,岩爆区的面积显著增大,发生岩爆的单元数明显增多;围岩最大最小主应力差值在70~80 MPa之间的单元在围岩内部均形成了邻近V型岩爆区外轮廓线的V型区域,而采用Mohr-Coulomb应变软化本构模型则没有计算出围岩中的剪切破坏区,仅计算出了拉破坏区,围岩最大最小主应力差值在70~80MPa之间的单元没有形成V型区域。     

孔隙压力对圆形巷道围岩破坏过程中声发射及能量释放的影响

利用FLAC模拟了不同孔隙压力条件下圆形巷道围岩破坏过程中的声发射及能量释放规律。在计算中,采用了应变软化本构关系及"先加载,后挖洞"方式。模拟结果表明:随着时步的增加,在平衡之前,3种破坏单元数(剪切、拉伸破坏单元数和破坏单元总数)及两种释放的能量(剪切和拉伸破坏释放的能量)都具有间歇式上升的特点;当孔隙压力很低时,开挖巷道之后的围岩易于重新达到静力平衡状态;随着孔隙压力的增加,在相同的时步时,上述5种量通常都增加;随着孔隙压力的增加,两种能量释放现象出现的次数越来越多。还比较了声发射率与能量释放率计算结果的差异。     

砂岩直接剪切试验三维离散元分析

为了研究高地应力作用下的深部岩体的剪切力学特性,将半经验半理论胶结接触模型植入离散元软件,模拟了砂岩的直接剪切试验,对砂岩的宏、微观特性进行详细的分析。模拟结果表明：砂岩的直剪数值试验过程可以分为3个阶段,即线性剪切阶段、应力衰减阶段及残余强度阶段;剪切过程中,外界做功主要转化为颗粒摩擦耗能,并始终存在着能量守恒;胶结破坏数目会随着剪应变的增大而增加,胶结拉区破坏数目大于胶结压区破坏数目,胶结破坏形式均由弯破坏形式主导;裂纹首先从剪切面两端产生,拉区裂纹产生于剪切面中间,向剪切面两端以及上、下侧扩展,压区裂纹从剪切面两端向中间扩展,最后拉区裂纹与压区裂纹相互贯通布满整个剪切面,在空间上最终形成一个截面呈椭球状的分布域;本文的直剪数值试验结果与砂岩剪切试验结果基本一致。     

典型结构面分布型式节理岩体室内直剪试验研究

针对节理岩体变形破坏及抗剪强度参数确定问题,开展了5种包含两条节理的典型节理分布型式的节理岩体试样的室内直剪试验研究.试验结果表明节理岩体的破坏主要表现为节理控制的节理与岩桥间渐进搭接破坏;对比分析了试验得到的25条应力应变全过程曲线,提出了应力应变曲线分类方法,包括滑动型、屈服型、剪断型、脆断型、剪断复合型五种类型,...     

现场岩体直剪试验声发射特征及其破坏机制

尽管应用声发射对岩石破裂过程的研究取得了诸多成果,但主要集中于小尺寸（≤10 cm）的岩块,对较大尺度（≥50 cm）岩体破坏机理研究还较少。采用最新的SAMOS声发射系统,对节理岩体现场直剪试验过程进行声发射测试。通过现场岩体直剪破坏过程中声发射特征参数与频谱特性研究,揭示了节理岩体破坏机制,深化了对岩体破坏机理的认识。测试结果表明节理岩体破坏过程中,声发射信号的主频范围为40～120 kHz,其直剪破坏过程可分为4个阶段：①弹性变形阶段,岩体内部没有声发射事件;②起裂阶段,声发射事件很少,岩体内部仅有少量的裂纹产生;③扩展阶段,声发射事件缓慢增加,岩体内部微裂纹不断扩展;④破坏阶段,声发射事件大量增加,微裂纹不断扩展贯通,岩体出现宏观破裂。根据研究结果可知：与传统的破裂从前端开始的观点不同,岩体试件中后端最先出现声发射定位事件,表明微破裂开始发生在岩体试件的中后端;随着剪应力的增加,声发射定位事件逐渐前移,当岩体进入破坏阶段后,微破裂集中于剪切面局部,岩体产生局部破裂化。     

高压水工隧洞BFRP网格增强钢筋混凝土衬砌试验研究

为探究玄武岩纤维增强树脂复合材料网格(简称BFRP网格)对高压水工隧洞钢筋混凝土衬砌结构裂缝控制能力及承载能力的增强作用,进行了高压水工隧洞钢筋混凝土衬砌结构模型对比试验,试验采用真实高压水加载。通过对隧洞模型内壁环向变形监测,以及通过声发射系统对模型在加载全过程中的声发射信息监测,对比分析了BFRP网格对裂缝产生及扩展的影响。研究结果显示,与常规混凝土衬砌结构模型相比较,BFRP网格增强钢筋混凝土衬砌结构模型的极限承载力提高21%、宏观裂缝最大开度减少了68%、宏观裂缝空间分布更为分散;开裂前内壁环向拉应变增大了81%,开裂时的声发射绝对能量占加载过程中声发射总累积绝对能量的33.78%(前者为99.38%),主要破坏模式表现为韧性破坏。可见,BFRP网格可显著提高高压水工隧洞钢筋混凝土衬砌结构的裂缝控制能力和承载能力。