深部软弱地层TBM掘进围岩变形破坏特性室内试验研究

 为了揭示深部软弱地层TBM开挖卸荷围岩变形破坏特性,分析深埋隧道TBM机械开挖卸荷的本质特征为高初始围压下的缓慢准静态卸荷,开展不同卸荷速率下砂质泥岩三轴卸围压试验,研究卸荷速率效应,获取TBM缓慢准静态卸荷围岩变形破坏特性：(1) 缓慢卸荷条件下的峰前应力–应变曲线与常规三轴压缩时较接近,卸荷屈服阶段,岩石产生损伤扩容,侧向变形加速增长,从体积压缩开始转向扩容;(2) 达到峰值强度后,岩石首先沿已贯通的破裂面滑移,发生1～2级规模较小的脆性跌落,随着围压继续缓慢卸除,岩石沿一条斜率较小的近似斜直线发生线性应变软化,且线性应变软化过程中伴随多级微破裂;(3) 岩石变形全过程经历弹性变形、峰前卸荷损伤扩容、峰后脆性跌落、含有多级微破裂的线性应变软化以及残余强度阶段;(4) 缓慢卸荷破坏过程中,岩石发生宏观张剪复合破坏,伴有轴向劈裂裂纹,破裂断面为由许多劈裂裂纹相互贯通形成具有一定宽度的剪切带,剪切带内劈裂的岩片在轴向挤压力和沿剪切面的剪切力共同作用下被挤压和摩擦成许多细颗粒和岩粉。     

基于Hoek-Brown准则的开挖扰动引起围岩变形特性研究

 Hoek-Brown经验准则(2002版)考虑施工扰动对岩体参数劣化效应,并提出扰动系数D,但仅为粗略定性化描述。现应用声波测试法获得的岩体波速降l对扰动系数D进行优化处理,并将优化后的Hoek-Brown经验准则运用于开挖扰动引起岩体弹塑性变形特征方程的求解研究,进而可实现较精确表示围岩塑性圈半径。为验证该理论的合理性,综合运用声波测试法、位移监测法等监测手段及有限元数值模拟法予以对比分析。此外,考虑开挖扰动变形特征场地效应,提出可拟合不同岩性、不同开挖方式的变形与开挖扰动经验公式。工程实例计算结果表明：对Hoek-Brown经验准则(2002版)扰动系数D的优化合理,用其可计算开挖扰动引起的围岩弹塑性变形特征值。并可准确求得塑性圈半径值,同时,拟合得到变形与开挖扰动经验公式可满足不同工程需要,具有一定合理性。所获结果可为Hoek-Brown经验准则(2002版)及地下洞室开挖扰动引起岩体变形特性研究提供一定方法参考。     

开挖扰动区内岩石的压密特性和强度恢复性研究

 利用交替变换荷载速率试验研究压密后岩石试样的强度恢复和荷载速率依存性。首先,分别对田下凝灰岩、来待砂岩、河津凝灰岩和三城目安山岩4种岩石试样在空心圆筒内进行压缩破坏,然后持续轴向加载,压密破坏后的岩石试样。从空心圆筒中推出压密后的试样,进行单轴压缩下的交替变换荷载速率试验,即按一定应变或位移间隔,对同一试样交替施加高低2种不同的荷载速率,得到对应于2种荷载速率的应力–应变曲线。在整个交替变换荷载速率试验过程中,应力随荷载速率的切换而增减。从交替变换荷载速率试验得到的应力–应变曲线上的荷载速率切换点出发,利用3次样条曲线拟合得到2条对应于高低2种荷载速率的应力–应变曲线,并求解强度点处荷载速率依存性参数n。试验结果表明,田下凝灰岩、来待砂岩和河津凝灰岩的强度恢复现象明显,单轴抗压强度随着压密试验中轴向最大荷载的增加而增加,但没有观察到三城目安山岩的强度恢复现象。当压密试验中的最大轴向荷载较大时,压密后的试样的荷载速率依存性与完整试样的基本一致。当压密试验中的最大轴向荷载较小时,从极大和极小2个方面求解荷载速率依存性参数n,得出完整试样的n值介于压密试样的极大值 和极小值 之间,且差值不大。研究结果表明,在进行适当支护之后,随着时间的推移,开挖扰动区内的岩石存在强度恢复的可能性,且今后利用数值模拟考虑开挖扰动区内的岩石强度恢复特性和时间依存性时,在本构方程中可以采用与完整围岩区域一样的参数,从而简化数值模拟程序。     

低频周期扰动荷载与静载联合作用下岩爆过程的真三轴试验研究

 利用自主研发的真三轴岩爆试验系统,以中粗晶粒花岗岩为岩石试样,在实现低频周期扰动荷载与静载联合作用下岩爆过程模拟的前提下,研究不同荷载影响因素对岩爆的影响。研究结果表明：在其他荷载参数固定的条件下,在轴向低频周期动力扰动荷载作用下,轴向静应力、第三主应力和扰动荷载幅值均存在岩爆方面的门槛值,当达到或超过门槛值时,试样发生岩爆的可能性急剧增大,此时这3个影响因素的小幅变化可导致岩爆弹射动能与岩爆碎块破碎程度的显著变化;在其他荷载参数固定的条件下,在0～3 Hz频率范围内,随着扰动荷载频率的增加,岩爆弹射动能呈先增大后减小的变化规律;静载作用下试样积聚足够大的弹性能和扰动荷载持续输入足够大小和合适速率的能量是此类岩爆发生的能量条件;试样弹性应变能小幅度突增且弹性应变能极限存储能力快速下降的“双向背离效应”是此类岩爆发生的能量机制。     

单轴加卸载扰动下石灰岩声发射特性研究

 以取自拟建大连地铁二号线的石灰岩试件为研究对象,用单轴循环加卸载扰动来模拟交通荷载,进行该加载过程的声发射特性研究,并利用RFPA2D模拟岩石加卸载循环下的破坏过程。试验结果证实该种石灰岩存在Kaiser效应,也证实加卸载下的Felicity效应的存在。将加卸载理论应用于岩石的声发射前兆分析中,将加卸载响应比Y值达到(接近)1作为此种岩石失稳破坏前兆特征;石灰岩破裂过程中声发射能量加速释放现象明显。数值模拟结果能看到明显的Kaiser效应以及各步对应的声发射现象,将模拟结果与试验结果进行对比发现,岩石均质度系数m=5时,二者最为接近。所得结果可望为地下工程的施工安全研究提供理论依据。     

不同加载速率下岩爆碎块耗能特征试验研究

利用自主研发的真三轴岩爆试验系统,以红色粗晶花岗岩作为岩石长方体试件,开展了不同加载速率的应变型岩爆室内模拟试验,在提出一种岩爆碎块单位面积表面能测定方法的基础上,结合应力–应变曲线分析,实现了岩爆碎块耗能组成的定量化分析,进而探讨了不同轴向加载速率下岩爆碎块的耗能特征。研究结果表明:1在单面临空真三轴压缩条件下,只有在足够大的轴向加载速率下,岩样集聚一定的弹性应变能并通过岩板劈裂以及潜在岩爆坑等岩爆碎块的形成耗散适当能量,岩爆弹射破坏才可能发生;2在0.5~30 k N/s加载速率范围内,随着加载速率的增大,碎块破碎程度呈降低趋势,碎块耗能呈线性减小趋势;3不同加载速率下的岩爆碎块中,片状粗粒碎块主要来自岩爆坑表面,主要为张拉破坏所致,棱块状的中粒碎块、细粒碎块,粉末状的微粒碎块主要来自岩爆坑内部,主要为剪切破坏所致;4不同加载速率下,岩爆碎块耗能均以剪切耗能为主,剪切耗能的百分比达到97%~99%。     

洞室围岩薄弱区三维数值模拟研究

洞室围岩破坏通常是从局部开始的，首先破坏的部位就是围岩的薄弱部位或关键部位。对薄弱部位及时加固将收到事半功倍的效果。围岩软弱层带和围岩应力集中是形成薄弱区的两种基本原因。围岩的薄弱部位既具有一定的规律性，又可因岩体结构特征、初始地应力场、洞室形态和洞轴线展布方向、开挖方式的不同而有所区别。对泰安抽水蓄能电站地下洞群围岩稳定性进行了三维有限元数值模拟研究，结果表明：围岩最薄弱部位有时可能在距洞端一定距离上：围岩稳定性分析中选择洞室中部垂直洞轴线剖面作为典型剖面进行稳定性分析，由此而获得的计算结果有时可能偏于不安全。对于复杂的大型地下洞室群，应采用三维数值分析方法进行模拟才能找出潜在的围岩薄弱区。     

复杂地应力环境大型地下洞室围岩时效变形机制及力学模拟

提出复杂地应力环境下大型地下洞室开挖围岩时效变形机制及其力学模拟方法。基于变形监测资料和岩体力学分析认为,中高地应力条件下岩体由高围压环境急剧转变为低围压、高应力差环境的力学机制和工程开挖引致围岩扰动破坏的空间效应是复杂地应力环境中洞室围岩时效变形的主要作用机制。采用应力释放有限单元法模拟洞室动态开挖过程,通过引入时间因子,建立开挖荷载释放与空间扰动效应的时间相关函数,提出基于时效变形过程的开挖荷载分时分级释放方法和基于主、次级开挖松动区的围岩变形模量劣化模型。工程实例表明：该方法通过将开挖荷载释放与开挖扰动空间效应耦合计算,能够合理有效地模拟大型地下洞室施工开挖全过程围岩的时效变形力学行为,对于理解和控制复杂地应力环境大型地下洞室高边墙变形破坏行为和时空效应,优化洞室施工开挖支护与监测反馈等具有一定的应用价值和实践意义。     

盐穴储气库围岩扩容损伤的围压卸载速率效应试验研究

盐穴储气库腔体内部压力在快速降低过程中,往往导致围岩的扩容损伤。本文通过恒轴压卸围压试验,研究了初始围压和卸载速率对盐岩卸载扩容损伤特性的影响。试验结果表明：在相同卸载速率下,初始围压越高,卸载段产生的扩容越大,与初始围压6 MPa相比,12,18 MPa时的体积应变均值分别增加7.1%和21.4%;较小的围压卸载速率对盐岩扩容有促进作用,当卸载速率从0.2 MPa/s降低到0.02,0.002,0.000 2 MPa/s时,体积应变均值分别增加60.2%,103.5%,282.1%;卸载过程中扩容越大,内部损伤越严重。围压卸载段变形模量随围压的卸载逐渐减小,且初始围压和卸载速率越大,变形模量减小幅度越大。在相同应力条件下,损伤变量和围压卸载段盐岩吸收的能量随初始围压的增加而线性增加,随卸载速率的增加呈指数型降低;卸载过程中吸收能量越多,内部损伤越严重。     

高地应力条件下卸荷速率对锦屏大理岩力学特性影响规律试验研究

 岩石所处的初始应力状态及开挖等工况诱发的卸荷速率大小对其力学特性具有明显的影响,通过室内三轴卸荷试验和破裂断口的SEM细观扫描分析,研究高应力环境中不同卸荷速率下锦屏一级水电站大理岩的变形破裂及强度特征。卸荷速率vu和初始围压 越大,岩石脆性及张性断裂特征愈明显,快速双向卸荷时甚至可在次卸荷方向产生张拉裂缝。张性破裂断口细观形态随vu和 的增大依次呈现“树枝形张裂状”、“千层饼形撕裂状”和“近光滑平面形弹射状”;卸荷过程中轴向压缩应变增量 随vu和 增大而减小,而侧向膨胀应变增量 却增大;不同的卸荷变形阶段卸荷速率vu对变形模量E的影响规律不同,峰前E随vu的增大而增大,而峰值E随vu增大先逐渐增大再迅速降低;卸荷过程中岩石的泊松比 逐渐增大,并随vu和 增大而显著,特别是从峰值点后;相对于加载试验,卸荷条件下岩体的黏聚力c大大减小,而内摩擦角j却有少量增大,vu越快,c减小得越多,j增大的较少。     

地下洞室开挖松动圈评估方法研究

 采用数值方法分析地下洞室开挖后的岩体塑性开裂区,与实际情况差异较大;主要取决于选择的塑性流动判别准则,因此采用声波测试确定围岩松动圈,界定标准存在一定的模糊性和经验性,实际操作困难也较大。根据围岩松动的主要影响因素,结合实验研究成果,基于施工开挖的声波资料,在统计分析的基础上给出洞室松动圈判别的数学模型。根据监测资料,通过挖掘数据发展的潜在规律,运用监测位移时间和空间上的特性,提出主级松动、松动扩展百分比等新概念。该方法为洞室围岩整体性稳定和围岩松动评判拓展新的思路,并为地下厂房洞室的监测资料分析和开挖质量评估,提供有效方法,同时对其他类似工程也提供一定的借鉴作用。     

隧道开挖的围岩损伤扰动带分析

在给出隧道开挖损伤扰动带的概念、主要影响因素基础上,提出了隧道开挖损伤扰动带的力学、渗流特征及表征方法。在现场实测基础上,利用数值法研究了隧道开挖后的不同开挖方法的变形、渗流场变化规律。结果表明:开挖损伤主要决定于隧道开挖方法;隧道开挖引起的渗流影响边界大于力学影响边界。研究结果有助于合理地建立隧道开挖问题的流固耦合模型。     

爆破循环对围岩松动圈的影响

基于松动圈的现场测试结果,研究声波波速沿孔深的变化规律以及爆破施工对于松动圈的影响。结果表明,波速沿径向逐渐增大,经历一个波峰后又逐渐降低,最后趋于稳定。每一循环进尺,测区中都存在强化和弱化区域,分布比较复杂,与爆破前松动圈的大小以及爆破效果密切相关。而爆破循环的累积影响效应表明,弱化带位于裂隙区,其损伤是纵波和横波共同作用的结果;强化带位于应力集中区,主要得益于爆破的震实效应以及碎胀力的挤压。当测孔离掌子面达到一定距离之后,波速虽有小幅的调整但不影响松动圈的形状,应力集中区不会产生偏移,据此得出松动圈测定的原则和时机。沿着隧洞轴线方向,当测点离掌子面一定距离之后,波速趋于稳定,据此给出爆破施工影响范围的确定方法。爆破循环对于围岩松动圈影响范围的确定,可为软岩隧洞的围岩支护以及硬岩隧洞岩爆的防治提供依据。     

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。     

长梁山隧道水平软弱围岩地段施工效应分析

针对长梁山隧道软弱围岩段的施工难题，采用三维数值模拟于段对施工过程进行了计算分析。根据计算分析的结果，基本掌握了存正台阶、短进尺开挖情况下软弱围岩地段围岩的应力分布特征和变形特性，从而表明对于长梁山隧道的软弱围岩地段采用正台阶、短进尺的施工方案是合理的。     

高地应力条件下隧洞开挖诱发围岩振动特征研究

采用理论分析、动力有限元数值模拟和振动监测数据对比等综合方法,研究高地应力条件下隧洞钻爆开挖诱发围岩振动的特征。发现高地应力条件下深埋隧洞钻爆开挖诱发的围岩振动由爆破振动和岩体初始地应力（开挖荷载）动态卸载诱发振动两部分叠加而成。在低岩体初始应力条件下,隧洞钻爆开挖过程围岩振动主要由爆炸荷载所引起;高地应力条件下,开挖荷载瞬态卸荷诱发振动的幅值可超过爆破振动而成为围岩振动的主要因素。利用四川省瀑布沟水电站引水隧洞进口段（地应力水平10 MPa）和尾水隧洞洞身段（地应力水平20 MPa）钻爆开挖过程的实测围岩振动资料,对理论分析和数值模拟结果进行验证。     

高地应力条件下隧洞开挖诱发围岩振动特征研究

 采用理论分析、动力有限元数值模拟和振动监测数据对比等综合方法，研究高地应力条件下隧洞钻爆开挖诱发围岩振动的特征。发现高地应力条件下深埋隧洞钻爆开挖诱发的围岩振动由爆破振动和岩体初始地应力(开挖荷载)动态卸载诱发振动两部分叠加而成。在低岩体初始应力条件下，隧洞钻爆开挖过程围岩振动主要由爆炸荷载所引起；高地应力条件下，开挖荷载瞬态卸荷诱发振动的幅值可超过爆破振动而成为围岩振动的主要因素。利用四川省瀑布沟水电站引水隧洞进口段(地应力水平10 MPa)和尾水隧洞洞身段(地应力水平20 MPa)钻爆开挖过程的实测围岩振动资料，对理论分析和数值模拟结果进行验证。     

基于开挖面空间效应的围岩–支护相互作用机制

 根据开挖卸荷的概念和开挖面空间效应原理,提出围岩弹塑性变形二次释放的概念,建立基于开挖面空间效应和围岩弹塑性变形二次释放的力学模型,研究围岩–支护之间的相互作用。通过引入围岩与支护在其作用面(接触面)上必须满足的2个协调条件即应力协调和位移协调,实现对围岩–支护相互作用达平衡状态时的求解。建立基于开挖面空间效应及围岩–支护相互协调作用的支护结构设计方法。