深埋引水隧洞塌方孕育过程微震规律研究:以Neelum-Jhelum工程为例

深埋隧洞复杂地质条件和开挖卸荷导致塌方事故频发,严重威胁现场施岩人员生命财产安全。为降低巴基斯坦Neelum-Jhelum岩岩塌方灾害对施岩的影响,构建微震监测系统,研究塌方孕育过岩微震活动的时空演化规律。研究结果表明:(1)掌子面逐渐靠近但未揭露塌方区岩体时,微震事件较少,累积释放能快速上升,累积视体积缓慢增长,能量指数突增后基本稳定;塌方区岩体开挖揭露后,微震事件较多,累积释放能缓慢增长,累积视体积突增,能量指数突减;(2)塌方区局部微震事件丛集,丛集位置岩钙质岩性交界面发育有关,多数微震事件发生于离洞壁3倍隧洞半径范围内;(3)塌方区围岩破裂机制演化规律有"先剪切,后张拉"的特征;(4)塌方的孕育有明显的阶段特征:钙质充填岩性交界面剪切滑动→围岩揭露后产生平行张拉裂纹→悬臂梁岩块受压拉裂→裂纹贯通,岩块受重岩塌落。研究结果为深部塌方灾害的预警和防治提供参考。     

猴子岩水电站洞群硬脆性围岩变形破坏特征的3DEC分析

猴子岩水电站地下厂区最大主应力量值高达36 MPa、小断层与层间挤压带发育,施工期主体洞室围岩变形量值较大、混凝土喷层出现较为严重的起鼓、开裂等破坏现象。为探讨围岩与喷层变形破坏现象的发生机制,采用3DEC建立开挖模拟分析模型,以修正的应变软化模型对硬脆性围岩在高应力条件下的卸荷力学响应进行模拟,并在建模上对假想为圆盘状的结构面做了特别处理。通过分析围岩应力集中区、主拉应变随开挖过程的演化以及计算位移与锚索轴力分布,研究认为:主体洞室开挖初期因开挖断面小、岩体相对完整,主要以应力控制型破坏为主,随着开挖断面增大,小断层及挤压带影响增强,加之洞群效应显现,应力控制型破坏减弱而结构面控制型破坏逐渐占优;厂房下游边墙岩体内陡倾向洞内且走向与洞轴呈小夹角的小断层因卸荷出现张开与滑移,是造成厂房上下游边墙位移显著不对称的主因。     

基于电镜扫描实验的柱状节理隧洞卸荷破坏机制研究

 采用现场调查、室内力学实验、细观实验的方法,对导流洞内柱状节理玄武岩的卸荷破坏机制进行研究。研究结果表明：(1) 柱状节理岩体内节理面主要包括：柱间节理面、柱内竖直隐节理面、柱内水平节理面,柱间节理面表面粗糙不平,为岩浆岩冷却后形成;柱内竖直隐节理面存在羽毛状陡坎,开挖卸荷后易松弛成为显节理;柱内水平节理面表面平整,方向近乎水平。(2) 将现场破坏面与标准破坏模式下的电镜扫描结果对比表明：柱内竖直隐节理面为原生节理面,破坏形式主要为拉破坏;柱间节理面为原生张拉节理,破坏形式包括拉伸与剪切及其混合破坏;水平节理面为构造运动中形成,无明显开挖卸荷破裂特征。(3) 柱状节理塌方机制为：受多组节理切割,柱体易沿节理面从柱体内外共同破裂,呈小柱体垮落,即硐室开挖后,当法向力超过柱间节理面抗拉强度时,柱状节理沿着柱间节理面开裂,并滑移;在滑移过程中,柱间节理面相互摩擦,形成剪破坏特征;当法向力超过柱内竖直隐节理抗拉强度时,柱体内部沿着柱内竖直隐节理破裂;节理面相互切割形成小柱体,从柱体内外共同破裂,并向临空面滑落;由于水平节理面非常发育,小柱体最终会在重力及开挖扰动作用下垮塌脱离母岩,严重时形成塌方。该机制可以很好地解释现场边墙柱体破裂面中三弱面共存的原因。     

深埋隧洞大理岩卸载路径真三轴强度参数研究

 为研究深埋隧洞围岩卸载路径破坏特性,在现场深埋试验平洞内进行大理岩原位高压真三轴卸载试验,获得大尺度(50 cm×50 cm×100 cm)、高应力( =11.2 MPa)、真三轴( ＞ ＞ )、卸 破坏状态下,能反映深埋隧洞围岩实际应力状态和隧洞开挖应力路径的大理岩全过程应力–应变曲线和三轴强度。在高压卸载路径大理岩原位真三轴试验基础上,引入H-B经验强度准则研究大理岩卸载路径真三轴强度参数。研究成果表明：(1) 对于大理岩卸载真三轴原位试验,按H-B经验强度准则评估卸载路径真三轴强度偏低情况较多,评估经验参数s = 0.003 951 7,mb = 3.414,而由试验成果反算s = 0.095 53,mb = 12.208。(2) 在H-B经验强度准则基础上,按M-C强度准则,评估大理岩卸载真三轴试验强度参数：tan? = 1.39,c = 6.61 MPa,评估未扰动大理岩卸载真三轴强度参数：tan? = 1.60,c = 6.73 MPa,前者可代表卸荷损伤岩体。     

白鹤滩水电站巨型地下洞室群关键岩石力学问题与工程对策研究

 白鹤滩水电站地下洞室群规模宏大、围岩地质条件复杂且地应力水平较高,在现阶段的开挖过程中,普遍揭露了脆性岩体的高应力破坏、软弱层间带导致的深层变形、柱状节理玄武岩的破裂松弛三类典型岩石力学问题。基于室内岩石力学试验,定义脆性玄武岩的启裂强度标准,并结合FLAC3D的Hoek-Brown模型对开挖过程中的洞室顶拱和墙角应力集中区进行分析,提出针对岩体高应力破裂风险区域的支护措施;针对层间带出露于洞室顶拱或高边墙引起的剪出口坍塌、顶拱深层变形、边墙错动变形问题,采用3DEC的Coulomb-slip模型与位移监测相结合开展反馈分析,确定加强支护措施及范围;针对柱状节理岩体的各向异性变形松弛特性,应用专门研发的Comba本构模型与声波检测相结合的研究方法,对柱状节理围岩各向异性松弛深度进行分析,为支护参数拟定提供依据。研究表明,巨型地下洞室围岩的稳定问题通常较为复杂,在施工期依据施工地质、数值模拟和监测成果相结合的反馈分析,不仅能够解释围岩变形破坏机制,而且能够为动态优化设计提供依据。     

高地应力下白鹤滩地下洞室群含错动带岩体破坏模式及机制研究

 在建的白鹤滩地下洞室群规模巨大,具有“高边墙、大跨度、高地应力、复杂地质条件”的特点,在高应力开挖卸荷过程中,遭遇到延展性强且力学性质差的多条大型错动带的影响,使得含错动带岩体遭遇到不同程度的变形破坏问题。结合地质、施工、监测、测试及数值分析等资料,首先从错动带产状、成因和自身特点等方面对错动带的工程特性进行详细论述,然后对因错动带导致工程岩体结构变形失效或破坏的实例进行归纳总结,从结构控制因素上将含错动带岩体的破坏模式划分为塑性挤出型拉伸破坏、结构应力型塌方/掉块和剪切滑移型破坏3种类型;其次,研究分析各类含错动带岩体的破坏特征与机制,包括时空演化过程、形态特征、破坏规模等,初步揭示3种破坏模式对应的力学机制;最后,给出典型的含错动带岩体破坏模式分析预测和支护探讨实例,从而为白鹤滩地下厂房施工过程中含错动带岩体不稳定性问题的预测和调控提供借鉴。上述研究成果对于高应力条件下类似的地下洞室群含错动带岩体的稳定性研究具有重要的参考价值和指导意义。     

高围压、高水压条件下岩石卸荷力学性质试验研究

 为探悉某深埋长引水隧洞围岩在高地应力、高水压力条件下的稳定性,对隧洞的主要岩体大理岩、砂岩和板岩进行常规三轴压缩试验、峰前峰后卸围压试验以及高水压力下的卸荷试验,对此过程中的强度和变形特征进行较为系统的对比分析研究。研究结果表明：卸围压对岩石的强度影响很大。卸荷后,岩石的黏聚力和内摩擦角均有较大幅度的降低,特别是有水压时,降低更是明显;卸荷对黏聚力的影响比对内摩擦角的影响大。卸荷后,黏聚力的降低幅度比内摩擦角要大;峰前卸荷对岩石强度的影响比峰后卸荷要大。峰前卸荷,岩石破坏时围压比峰后卸荷高;有水压卸荷对岩石强度的影响比无水压卸荷要大。有水压时卸荷,由于水压的存在,削弱围压对岩石的影响,使岩石在比无水压卸荷时更高的围压下即发生破坏。     

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。     

深部多裂隙岩体开挖变形破坏规律模型试验研究

深部资源开发中地下洞室围岩稳定控制必须面对峰后碎裂岩体的变形和破坏问题,目前深部多裂隙岩体开挖强卸荷引起的围岩变形破坏规律尚不清楚,常导致大体积塌方、大变形等重大工程事故。采用大尺度三维模型相似试验系统,分析具有一定倾角的多组裂隙的岩体在高地应力下开挖变形破坏规律。试验结果表明:隧道上下侧围岩主要呈现大变形现象,左右侧围岩呈现分层破裂现象,破裂区随时间增长由内向外逐渐增多,在拱顶、底板大变形的诱导下发生边墙大体积坍塌;隧道围岩由内向外位移值和应力值呈现波动状分布;裂隙倾角与破坏区分布形态有一定相关性。为保障深部工程的安全兴建与运营提供了试验基础。     

锦屏二级水电站深埋完整大理岩基本破坏方式及其发生机制

 通过对锦屏二级水电站隧洞工程的现场调查,针对深埋完整大理岩,归纳并分析其在隧洞开挖后的4种基本破坏方式及其发生的机制：(1) 拉张型板裂化岩爆：洞壁围岩因开挖卸荷发生拉张型板裂化,同时岩板积聚弹性应变能,当应变能积聚到一定程度时,岩板由于受扰动突然失稳释放应变能形成岩爆。(2) 拉张型板裂化片帮：洞壁围岩发生拉张型板裂化,岩板向洞内发生内鼓弯折,最后岩板失去支撑,在重力作用下垮塌脱离母岩。(3) 剪切型岩爆：洞壁围岩首先形成潜在剪切楔形体,楔形体积聚弹性应变能,当潜在剪切面上的剪应力超过岩体的抗剪强度时楔形体被突然抛出形成岩爆。(4) 剪切型片帮：先形成剪切楔形体,楔形体逐渐与母岩分离,并在重力作用下垮塌脱离母岩。实际工程中,4种基本破坏方式可单独发生也可组合发生,且拉张型破坏的发生频率高于剪切型破坏。锦屏二级水电站深埋完整大理岩基本破坏方式的归纳,对深入认识深埋完整硬岩的力学行为具有重要的工程实际意义。     

深部岩体变形破坏动态本构模型

 根据深部岩体在卸荷条件下能量释放、消耗和转移的过程中,其体积变形经历弹性回弹和扩容以及剪切变形可能经历峰值前(弹性和内摩擦强化阶段)和峰值后(软化及残余破坏阶段)阶段的性状,提出深部岩体变形破坏全过程动态本构模型。该模型的特点可归纳为：(1) 引入Juamann导数,能够计算有限变形;(2) 描述卸荷过程中与时间相关的体变回弹、扩容至破裂的全过程关系;(3) 描述了卸荷过程中,深部岩体强度(长期强度、破坏强度和残余强度)被调动的演化过程,并用同轴的屈服面、破坏面与残余破坏面3个圆锥面加以描述;(4) 运用物理细观力学理论,引入宏观裂纹扩展滞后时间表征岩体不同构造水平在强化中的贡献,给出内摩擦强化阶段流变方程;(5) 运用裂纹运动散布理论,引入破裂时间表征宏观裂纹扩展贯通过程,给出破裂过程中的强度随时间的演化方程,用塑性流动理论给出软化阶段形变本构方程。最后,在LS-DYNA平台下对本构模型进行二次开发,通过深埋地下隧洞开挖变形破坏的算例,初步展示该模型在深部岩体力学理论与工程中的应用前景。     

跨断层隧道围岩渐进性破坏模型试验及数值模拟

 断层及其破碎带是隧道开挖过程中常见的不良地质现象,也是围岩不稳定且容易出现事故的地段。以山区隧道施工中常见的IV级围岩为参照对象,利用地质力学模型试验和数值模拟研究跨断层隧道施工过程中围岩的渐进性破坏过程及其受力变形特性。研究结果表明：(1) 位于拱顶之上的断层下盘岩体在隧道开挖后呈悬挑状态,且在靠近断层部位易出现拉裂缝;(2) 隧道开挖使得上覆荷载向隧洞左、右两侧转移,从而导致拱腰以下的岩体往往率先剪切破坏,尤以断层下盘一侧岩体为甚;(3) 隧道开挖将引起围岩应力重分布,若调整后的围岩应力超出岩体自身强度极限时,洞周岩体就会塌落成拱,且位于塌落范围内的岩体切向应力呈“跌落式”下降,此特征可用于判断岩体塌落范围;(4) 隧道开挖后,由于断层的阻隔作用,岩体应力在跨越断层上、下盘时呈不连续、非线性分布的特征。     

锦屏二级水电站深埋隧洞开挖损伤区特征分析

在高应力条件下,岩体强度和应力之间的尖锐矛盾将导致围岩出现损伤,损伤是不同应力条件下围岩状态的直接体现。利用声波检测和钻孔电视对锦屏二级深埋引水隧洞的一典型断面进行全断面测试,声波测试结果显示,断面上低波速带断面形态呈不对称状,与断面应力分布也并不完全对应。在每个声波钻孔中补充钻孔电视,对破裂发育深度和围岩内部实际构造特征有了更直观的认识。为对损伤区特性进行更加准确的描述,利用FLAC3D计算在洞周不同位置处关键点的应力路径,对关键点的应力状态进行分析。在UDEC泰森多边形离散的基础上增加对于节理的描述,分析节理对损伤区分布的影响,模拟结果表明,节理的存在改变了隧洞开挖后洞周的应力分布,从而导致围岩破损和破坏区域的差异。最后,借助于颗粒流程序PFC对隧洞开挖后围岩的损伤区进行模拟,所揭示出的损伤局部化特征和损伤区、破裂区分布特征与现场实际具有很好的一致性。     

大光包滑坡岩体碎裂特征及其工程地质意义

 “5•12”汶川地震发生六年以来,对地震诱发最大的大光包滑坡开展了工程地质测绘、声波检测、钻孔取芯、电镜扫描等一系列工作,研究表明该滑坡滑带产生于震旦系灯影组三段(Zd3)白云岩的层内错动带。综合研究揭示滑床岩体碎裂化宏观特征如下：滑面以下0～1 m岩体呈砂土状,砂粒含量占到60%以上;1 m以下岩体平均声波波速2 500～3 000 m/s,完整性指数趋于0.15～0.77,岩体损伤程度总体上随滑床深度增加而减小,而滑面下同一深度岩体损伤程度随滑床高程的增加而增大,局部有差异性破碎。另一方面,微观研究揭示滑带岩体压剪晶体沿解理面折扭断裂,穿晶裂纹发育,表现为部分晶体松动架立,晶间连接丧失。研究揭示的工程地质意义：(1) 滑带岩体性质主要受控于层内挤压错动的泥质花斑状白云岩,该层成分复杂,风化程度高,节理发育,完整性差;(2) “5•12”地震使滑带岩体产生强烈的剪切破坏(拉张和压剪破坏)和翼裂纹扩展,岩体的抗剪强度指标及完整性系数剧降,岩体质量劣化,在启动后巨厚滑体的碾压与揉搓作用下,滑带岩体的摩阻力进一步降低。综上,大光包滑坡滑带岩体损伤碎裂化是地震荷载作用下岩体内部缺陷动态演化的累进过程,滑带所在的地层岩性及岩体结构特征为其主要内因,强震荷载是其关键的外在诱因。     

虎跳峡龙蟠右岸斜坡变形的地质力学机制探讨

龙蟠为拟建虎跳峡水电站的比选坝址之一，其右岸斜坡发育大规模的松动变形岩体。结合晟新钻孔、平硐等工程地质勘察和CSAMT法物探资料，在分析区域地质环境效应和剖析斜坡岩体变形特征的基础上，否定了该斜坡为“古滑坡”的定论，并基于其特殊的斜坡地质结构和特殊的地质孕育环境提出了斜坡岩体变形的地质力学机制：断裂活动的构造挤压作用造成了近岸岩体的深层破碎；区域构造应力场的转化使岩体呈先压后拉的受力效应，地壳抬升、河流下切使深部岩体卸荷一拉裂和斜坡后部反倾的软硬相间地层发生了弯曲一蠕变和局部倾倒变形；以坡脚深厚覆盖层压缩和塑性变形为主因，斜坡后期主要表现为岩体的局部错滑、扩容等自适应性结构调整和追踪顺坡向结构面的累进性破坏变形，但尚未形成贯通性剪切变形带。龙蟠斜坡的地质结构和变形模式在虎跳峡工程区具有代表性，因此，该结论不仅为虎跳峡电站龙蟠坝址抉择提供了理论依据，也为分析库区斜坡成因演化和评价其稳定性奠定了基础。     

锦屏一级水电站复杂地质条件下坝肩高陡边坡稳定性分析及其加固设计

 锦屏一级水电站是我国在建的世界最高拱坝,坝肩工程边坡高度达500 m,规模巨大。电站枢纽区地处深山峡谷地区,自然谷坡高陡,地应力水平较高,谷坡岩体卸荷强烈,并发育有断层、层间挤压带、深部裂缝等不良地质现象。在地质条件详细调查基础上,分析左岸缆机平台以上的顺坡向倾倒变形体、左岸1 800 m高程以上的楔形双滑变形拉裂体等坡体结构及其破坏模式,并进行边坡稳定性分区和计算分析。根据坡体结构特点,确定少开挖、弱爆破、强支护、分区分层支护、控制整体、以面覆点的开挖施工和加固设计原则,实施以预应力锚索和抗剪洞为主、辅以锚杆、混凝土框格梁等措施的局部和整体、浅表和深层的全方位、多层次边坡加固控制体系。精细设计并严格控制施工时序、爆破技术和工艺,保证建基面岩体质量,通过动态设计和完善的管理机制确保边坡施工安全。2006年7月～2009年9月边坡监测资料表明：边坡浅表最大横向位移79.5 mm,最大垂直下沉位移52.5 mm,主要受地层岩性和坡体结构控制;深层最大变形量60 mm,最大速率0.1 mm/d,主要受深部裂缝控制;目前位移均趋于收敛,满足安全控制标准。锦屏一级水电站坝肩高边坡工程的成功实施为我国工程建设提供新的经验和借鉴。     

考虑松动效应的高地应力构造破碎带隧道稳定性分析及大变形支护设计优化

隧道穿越高地应力深埋软岩地层时,开挖卸荷扰动会引发围岩产生严重的挤压变形和松动破坏,导致支护结构出现大变形。以玉磨铁路万和隧道穿越高地应力花岗岩构造破碎带为工程依托,首先基于经典Kastner公式和Caquot公式确定考虑松动效应的高地应力构造破碎带围岩特征曲线;然后基于收敛约束理论分析围岩与支护结构的稳定性,明确考虑围岩松动效应和控制支护让压程度的必要性;最后通过多工况比选确定第二层增设钢拱架的支护时机和支护参数。研究结果表明:高地应力环境下,前期作用于支护结构的围岩压力以形变压力为主。随着应力的释放,断面变形达0.8 m时的松动压力占比已超过30%,此时考虑松动效应的围岩对支护结构产生1.094 MPa的围岩压力,不考虑松动效应的围岩压力仅为0.765MPa。因此在进行隧道稳定性分析及支护设计时,不能忽视围岩松动效应的影响;在第一层初期支护让压至一定程度后应及时增设第二层钢拱架抵抗围岩变形。以断面变形达到0.45 m时设置第二层钢拱架作为最优支护时机,以间距为0.6 m的I22b型钢拱架作为最佳支护参数,现场监测数据表明该大变形支护方案取得了良好的控制效果。研究成果能准确反映高地应力构造破碎带隧道大变形灾变过程,对类似工程的支护设计优化有明确的指导意义。     

分形及损伤力学在矿山开采沉陷中的应用研究

 博士学位论文摘要　岩体是经过漫长的地质演化过程而形成的复杂结构体, 由于地质构造运动的影响, 其内部存在大量的断层、节理、层理和地质弱面。这些地质结构面(即损伤) 的存在, 破坏了岩体的整体性, 影响着岩体的变形性质和强度特性, 从而导致岩体开采沉陷更加复杂, 即: 在规律上的非规范性、在程度上的剧烈性和在损害上的严重性。因此, 仅采用常规的开采沉陷理论来分析和解决矿山开采沉陷工程问题已暴露出诸多的缺陷和不足。基于上述问题和认识, 提出了矿山开采沉陷理论研究和实践应用的新思路: 将损伤力学及分形几何等现代非线性科学应用于开采沉陷学科领域, 在现有的开采沉陷理论基础上, 进一步揭示岩体(特别是地质构造复杂的岩体) 开采沉陷的更深层次的机理、特征和规律, 进一步发展矿山开采沉陷学科, 使其在理论上更完备、实践上更符合实际、工程预测上更准确、应用上切实可行。在此研究思路的指导下, 就节理对岩体采动沉陷规律的影响、采动岩体裂隙分形分布及演化规律、采动断层活化的分形界面效应等3 个问题进行了一系列的理论研究和实验研究:(1) 初始节理(初始损伤) 对采动岩体沉陷规律的影响研究①为了研究岩体内初始损伤(初始节理) 对开采沉陷的影响规律, 分别制作无节理和考虑节理倾角单因素的相似材料模型, 进行了系统的实验研究;②为了进一步得到岩体内初始损伤(初始节理) 对开采沉陷的影响的定量规律, 应用损伤力学原理统计研究了初始节理(初始损伤) 在开采沉陷中的控制作用, 建立了开采沉陷量值与损伤量值的数量关系;③应用损伤力学原理定性分析非贯通节理岩体采动沉陷的损伤岩梁弯曲效应, 进一步验证实验研究成果。(2) 采动岩体分形裂隙网络研究①制作一套考虑不同开采宽度的相似材料模型, 在实验观测的基础上统计分析了采动岩体裂隙分布随采宽增加(工作面推进) 的变化规律和分形性质;②制作一套考虑不同岩性的相似材料模型, 分析了岩性对采动岩体裂隙分布的影响和分形性质;③研究初始节理对采动岩体裂隙网络的影响规律, 检验其分形性质。(3) 采动断层活化的分形界面效应研究①进行野外实地勘查、勘测和研究断层面的结构形态与分形性质;②构造了自仿射分形曲线来模拟实际的断层面, 制作一套含有这种分形断层面的相似材料模型, 系统研究分形断层面对断层活化的影响规律;③对采动断层活化的分形界面效应进行数值模拟。通过上述实验和研究工作获得了如下的成果:(1) 岩体内存在的初始节理打破了岩体采动破坏和地表移动的正常规律, 与无节理岩体采动沉陷规律相比较(地表移动稳定后) , 初始节理在岩体采动沉陷过程中起催化作用, 打破了采动岩体裂隙的分布规律和扩展方向, 使覆岩破坏范围和地表移动范围增大, 地表移动量值也随之增加。(2) 通过实验现场观测发现: 不同展布的初始节理, 使岩体表现出不同的破坏机制。水平初始节理使岩体出现层裂、层滑现象, 使岩体在采动过程中出现离层数量增多、离层高度增大、地表移动矢量增大; 倾斜初始节理使采动覆岩中出现沿倾斜节理滑移的现象, 从而导致岩体破坏区域和地表移动曲线出现偏态, 最大下沉点和最大水平移动点均偏向节理的倾斜方向; 高角度初始节理使岩体破坏出现尖角突变现象, 使覆岩破坏更加剧烈。(3) 考虑初始节理倾角单因素的影响, 随着节理倾角的增大, 采动岩体裂隙扩展角随之增大, 覆岩破坏范围和地表移动范围随之增大, 地表下沉值和水平移动值也随之增大, 且地表下沉值的增加幅度较水平移动增加幅度大。　(4) 初始损伤对岩体采动沉陷具有严重的影响,损伤岩体采动沉陷量值较无损伤岩体采动沉陷量值要大。其中的垂直移动量主要以决于损伤岩体中初始孔隙在竖直平面内的总占位,其占位越大,下沉值越大;水平移动量主要取决于损伤岩体中初始孔隙在水平面内的总占位,其占位越大,水平移动值越大。(5) 在给定的研究条件下,地表移动特征值(最大下沉值Wmax 、下沉系数q、背离节理倾斜方向的最大水平移动值U+max和水平移动系数b + 、顺着节理倾斜方向的最大水平移动值U2max和水平移动系数b2) 与岩体损伤变量Ωy 存在如下明确的定量对应关系:Wmax = - 416. 667Ω2y - 568. 333Ωy + 1 399. 4q = - 0. 115 7Ω2y - 0. 4277 8Ωy + 0. 881U+max = 358. 796 0Ω2y - 176. 389Ωy + 386U-max = - 1 562. 5Ω2y + 771. 677Ωy + 379. 3b + = 0. 694 44Ω2y - 0. 15Ωy + 0. 286b - = - 0. 864 17Ω2y - 586. 333Ωy + 1 399. 4(6) 采动岩体裂隙形成、扩展、分布极其复杂,处于明显的混沌状态,具有分形特征,用分形维数可以综合描述采动岩体裂隙化程度(裂隙条数、迹线长度、张开度等) 。(7) 随着工作面的推进,采宽的逐渐增加(或重复采动) ,使采动岩体裂隙分布越趋复杂:破坏范围增大、破坏程度增大、不规则性增加,导致采动岩体分形裂隙网络出现升维现象,在给定的研究条件下的打动岩体分形裂隙网络的分形维数D 与采宽L 具有很好的定量关系:D = 0. 000 172 432L2 - 0. 010 265 4L + 1. 259 6(8) 岩体特性对采动岩体裂隙的分布规律有一定影响。抗压强度较大的岩体,采动后形成的裂隙空间占位较大,其形成的分形裂隙网络的分形维数值也较大;而地表下沉值则较小,地表下沉值与采动后岩体中形成的裂隙空间占位的分维值成反比关系。(9) 含有规则展布初始节理的岩体采动后形成的裂孙网络具有分形性质,且随着初始节理倾角的增大,采动岩体裂隙网络的分形维数值越趋减小。(10) 在给定的研究条件下,地表最大下沉值Wmax与采动岩体裂隙网络分形维数值D 具有明确的定量关系:Wmax = - 16. 872 7D3 + 64. 117D2 - 81. 060 2D + 75. 370 1(11) 地质断裂面粗糙不平,具有统计自相似分形性质,且表现为各向异性分形特征。(12) 地质断裂面具有多层次性,分形维数反映了它的粗糙起伏程度,很好地反映了断层面的逐级包络的形态特征,分形维数是描述断裂面全貌起伏特征的有效数量指标。(13) 地质断裂面在采动影响下的活化现象严重受控于断裂面的分形几何形态,具有明显的分形界面效应,表现为断层面分形维数越大,断层面两侧岩体互相约束性越大。(14) 通过对含断层面的模型实验发现:含有分形维数较小断层面的模型中,覆岩破坏比较迅速,移动比较充分,弯曲带内的离层最终表现为不发育;而含分形维数较大断层面的模型中,覆岩破坏和移动表现为较前者缓慢和不充分,弯曲带内的离层最终表现为较发育。(15) 分形断层面打破了采动断层的正常活化规律,导致地表移动随着断层面分维的减小而愈加剧烈(下沉速度愈趋增大) 断层两侧的台阶落差值和地表最大下沉值均随着断层面分维的减小而增大。在给定的研究条件下,台阶落差值H、地表最大下沉值Wmax和某一时间段的平均下沉速度V 与断面分形维数D 的经验数量关系为H = 1 528. 5D2 - 4 654. 29D + 3 602. 1Wmax = 1 200D2 - 5 832D + 4 094V = - 15. 00D2 + 30. 9D + 20. 58(16) 采动断层活化分形界面效应的数值模拟,不仅有效地验证了实验成果,而且获得了断层面分形性质对采动岩体内部应力分布的影响规律。断层面的分形性质对X 方向的拉应力影响不大;各模型的X 方向压应力和Y 方向拉应力在分形断层面的下部集中程度大体一致,而靠近断层露头附近则随分形维数的增大,集中程度越来越弱,说明断层活化量越来越小,从而造成断层面活化后其两侧岩体的接触程度越来越弱. Y 方向的压应力随断层面分形维数的变化规律是:随着断层面分形维数的增加,整个采场上覆岩层的压应力值逐渐减小,说明随着断层面分形维数增大,断层两侧岩体互相约束性越趋增大,导致采场上覆岩体向下的移动越趋减小,其中的离层越趋增多。上述研究成果表明,将分形几何和损伤力学等先进的理论应用于矿山开采沉陷学科领域中,有助于深入认识和理解复杂的矿山开采沉陷现象,有助于研究矿山开采沉陷更深层次的机理、特征和规律以及此为出发点的控制开采损害的技术措施,将推动矿山开采沉陷理论的进一步发和工程实用。     

断层破碎带大断面巷道的安全监控与稳定性分析

断层破碎带岩性复杂,巷道压力显现规律多变。对巷道过断层破碎带的监控量测能够及时掌握断层破碎带围岩的变形与支护结构受力信息,评价各种支护所取得的效果及判断施工方案的合理性。淮南矿区顾北煤矿南翼回风大巷穿越断层破碎带,区域地质条件复杂,受构造运动影响,围岩内赋存高水平地应力,巷道处于深部大规模松软围岩内。为研究施工期和运行期巷道围岩的稳定性演化规律,对围岩表面位移、深部位移、锚杆和锚索锚固力及支架压力的变化和分布规律进行监控量测。监测结果显示:(1)由于受F92大断层的水平剪切和挤压作用,与顶拱和两肩相比,巷道两帮的水平位移较大,而锚杆受力较小,锚固作用得不到有效发挥,因此,在F92大断层附近增大了锚索和注浆的支护强度;(2)围岩表面位移和深部位移的监测结果均呈现"底臌变形大于两帮收敛大于拱顶下沉"的分布规律,显示出底板是巷道支护的薄弱环节,因而提出应用底角注浆锚管和帮脚锚杆抵抗底角应力集中区的剪切滑移,底板锚索和底板注浆增强加固底板,提高底板岩体抗剪强度的支护修改方案,底臌量得到有效控制;(3)U型钢支架压力的监测结果显示,围岩作用于U型钢支架上的压力仅为0～0.24MPa,远小于0.4MPa的支架设计承载能力,说明巷道稳定主要是依靠锚注支护来维护,而U型钢支架的作用主要是巷道施工过程中工作面的安全防护。通过对监测结果的分析,为巷道的信息化施工和设计方案的优化调整提供依据。其监测分析成果也可为类似复杂条件下巷道的开挖支护设计和施工提供参考。     

深埋隧道软弱围岩稳定性分析及其锚固控制研究

近年来,随着我国地下基础设施的蓬勃发展,进入大规模地修建地铁项目阶段,城市之间的高铁项目如火如荼地建设中,同时采矿工程不断深入和大型水利工程的修建等。在这些建设过程中,常出现开挖后围岩的失稳破坏而发生塌方,特别是深埋条件下具有强度低、大变形特点的围岩失稳问题尤为突出。因此,开挖后软弱围岩稳定性分析及其加固控制对隧道工程设计和安全施工具有重要的意义。目前,对围岩的力学理论及应用研究取得了一定的成果,但是仍然跟不上现有的隧道工程建设,出现了理论研究明显落后于施工经验的局面,导致频频发生工程事故,究其原因是对开挖隧道后围岩变形特性的认识不足,缺乏及时加固控制的意识。本研究针对这些问题,以开挖隧道后围岩的塑性区力学状态和位移变形为基础,采用理论分析、室内试验和数值模拟等相结合的方式系统研究了开挖隧洞后围岩变形破坏的力学本质,揭示了围岩破坏后塑性区内的力学参数和位移的演化过程,探讨了深埋隧道围岩破坏的渐进性过程及锚杆锚固机制。完成的主要研究工作和成果总结如下:(1)从隧洞开挖后周边围岩的应力状态发生内力重分布为出发点,提出了应变软化模型下围岩的弹塑性有限差分解法,比较不同方法计算结果验证该方法的正确性,参数分析结果表明:剪胀特性对隧道洞壁处围岩的位移和塑性区半径影响较大,需要重点考虑岩体的剪胀性;临界软化系数对围岩的塑性区半径和残余区半径的影响较大;H-B屈服准则中"a"强度参数对判断围岩的稳定性具有重要影响,在计算过程中谨慎取值,建议采用广义H-B屈服准则;基于圆筒理论的弹性应变公式,同样适用于开挖隧道后应变软化围岩的稳定性分析中。(2)针对围岩的剪胀性和应变软化随围压变化的特性,根据剪胀性和应变软化是否考虑围压变化,建立不同的剪胀模型组合,探究了不同质量岩体的力学参数对塑性区围压变化的依赖性。研究结果表明,根据不同质量岩体塑性区内的力学参数对围压的依赖性不同,由于质量较好岩体的围压依赖性较低,建议采用剪胀角和临界软化系数均为固定的剪胀模型,但是质量较差岩体的围压依赖性较强,建议采用剪胀角和临界软化系数均随围压变化的剪胀模型。(3)基于统一强度理论,考虑中间主应力对应变软化围岩稳定性的影响,揭示了中间主应力对围岩特征曲线、纵向位移曲线和塑性区内非线性剪胀性的影响规律。结果表明,围岩稳定性研究的力学模型对分析结果影响较大,弹塑性模型未考虑围岩材料强度的弱化,计算结果偏小,不建议采用;中间主应力可以有效抑制塑性区半径和隧道洞壁处位移的发展,充分发挥围岩承载潜力,不考虑中间主应力效应的莫尔库伦强度准则,计算结果保守,可适当考虑围岩的承载潜力,而双剪强度准则计算结果偏小,不建议采用;纵向塑性发展上,考虑中间主应力的围岩在隧道掘进方向上的位移收敛速度增加,可以适当推迟支护结构施加的时间;对于塑性区内剪胀角变化的影响,中间主应力系数和临界软化系数分别体现在剪胀峰值和剪胀角的变化率上。(4)通过室内模型试验和FLAC3D数值模拟,再现了开挖隧洞后毛洞,施加短锚杆和长锚杆工况下IV级围岩的渐进性破坏过程和研究了锚杆对围岩的锚固效应。开挖隧洞后围岩的渐进性破坏顺序是边墙处的围岩首先发生剪切破坏,随后拱腰处剪切破坏,最后拱顶塌陷破坏;施加锚杆后的围岩,特别是拱顶部分围岩由于锚杆的加固作用形成了"加强梁"的作用,使得拱顶所能承受的最大沉降及其破坏荷载显著增加;锚杆的长度需要穿过拱顶塑性松动区(塑性残余区),否则,被锚固的围岩与上部未被锚固的围岩之间存在"分层"现象;锚杆可以显著改变围岩内部径向应力,表现在锚杆末端处围岩的径向应力增加。(5)锚杆通过与围岩之间的相互作用,其末端的锚固段将洞壁附近拉拔段的围岩"紧箍"起来使得洞壁处周边围岩变形减小;锚杆两端剪应力较大,特别是锚杆末端,应防止锚杆末端的剪应力较大超过砂浆与锚杆之间剪切强度而发生脱落;锚杆施作时机对锚杆应力分布和围岩变形控制影响较大,需要及时施作锚杆以达到较好的锚固效果,以免无效锚固;锚杆对具有大变形和弹性模量小的软弱围岩锚固效果较好,而对质量较好、弹性模量较大的硬岩锚固效果并不显著。