高地应力下大型地下硐室块体变形特征 及其稳定性分析

 拉西瓦水电站发电厂房是地下大型硐室;硐室位置地应力 = 10～30 MPa,属于高地应力区。硐室上游侧墙A区存在f10,f12,f24断层,由全空间极射赤平投影分析,断层f10,f12,f24可形成关键块体,体积为2 103 m3。在硐室开挖过程,受应力释放和调整的作用,块体在加速变形阶段最大速率达到1.22 mm/d,因此,块体的稳定程度直接关系到该区域锚固措施的制定。用块体理论对其失稳模式和稳定性进行多参数分析,确定块体变形属于围岩开挖卸荷变形,不是块体滑移变形。在块体变形监测和稳定分析的基础上,对块体采用构造性锚固,没有施加额外的特殊功能性锚固,节约支护工程量,加快了施工速度。研究结果表明,高地应力下大型地下硐室块体抗滑稳定达到抗滑稳定要求,若块体变形不影响其他结构安全,可以允许块体释放开挖卸荷变形而无需要因约束块体变形实施特殊的加强支护措施。     

深埋岩石硐室在爆炸应力波荷载作用下的破坏效应

深埋岩石硐室在爆炸应力波荷载作用下的破坏效应对于国防和民防工程及其他抗爆抗震工程的防护设计和效应分析具有重要意义.国内外通过核试验、大型化爆试验、小型模拟实验、材料特性研究、理论解析、数值模拟等方法取得了一些研究成果,但有许多问题解决得不够系统和完备.基于工程观测资料,采用现场试验数据综合分析、小比例化爆模拟实验和岩石脆性破坏模型的三维动力有限元数值模拟的方法,研究了深埋岩石硐室在爆炸应力波荷载作用下随着各种条件的变化而发生的破坏效应.根据爆炸硐室工程破坏现象和相关力学条件,总结了硐室宏观破坏的一般图象、变化特征和影响因素等规律,编制出新的硐室破坏分区表,可供类似条件下的工程概略设计与分析使用.水泥砂浆材料小比例化爆模拟实验表现了完整多孔硬岩中硐室应力波破坏的特征,是对核试验成果的有益补充.水泥砂浆中硐室破坏方式表现为压垮、围岩强烈塑性变形和产生裂隙,硐室稳定性比裂隙硬岩中要好,存在口部加剧效应和多硐相互作用.扫描电镜试验表明,硐室微观损伤破坏变化规律与宏观破坏现象是一致的,可以用水泥砂浆中的砂粒是否明显破坏作为硐室发生宏观严重破坏的微观标志.根据微观损伤特征,可以看出硐室破坏随比例距离、硐室轴向、断面形状和尺寸而变化的趋势.同等条件下,直墙拱顶形硐室比圆形硐室破坏严重,大硐室比小硐室破坏严重,且应力波从侧向作用的硐室比应力波沿轴向作用的硐室、直墙拱形硐室比圆形硐室的尺寸效应强烈.在数值模拟研究中,采用了实测经验应力波规律和能表现材料破坏后性能劣化及脆性破坏非连续各向异性发展的材料模型,建立了适用的硐室工程破坏准则,编制了动力有限元参数化分析的计算程序,计算了大量模型的硐室破坏历程和最终工程状态.工程实例计算表明,数值模拟方法是合理可行的.通过数值模拟研究了荷载特征参数以不同方式变化、硐室大小、形状和轴向不同以及存在围岩松动圈、岩体各向异性弱化时和水饱和岩体中硐室受应力波破坏的效应.数值模拟表明,其他条件相同,硐室破坏程度随比例距离非线性地单调变化,在破坏方式有明显改变时硐室破坏形态会突变.当量、作用时间、硐室轴向、围岩松动圈、各向异性围岩弱化及岩体水饱和因素对硐室破坏的影响与荷载量级有关,当荷载较低时与荷载较高时影响效果不同,有时截然相反.硐室尺寸加大会使破坏形态改变,破坏加剧.在抗水平爆炸应力波作用下,矮墙拱顶形硐室比高墙拱顶形有利.药量立方根几何相似律对岩硐破坏具有较大的局限性.在载荷较高而峰值相同时,当量愈大硐室破坏愈重,载荷作用时间愈长硐室破坏愈厉害.围岩松动圈能使围岩拉应力状态削弱、压剪性破坏增强.围岩定向弱化能明显改变硐室破坏形态,弱化方向的影响非常突出.水饱和岩体中的硐室在应力波较强时比干花岗岩中破坏强烈,但应力波较弱时却相反.化爆模拟实验和数值计算都表明,在一定的载荷量级以下,对本来可能严重破坏的硐室进行全断面钢板衬砌加固是有效的.     

侧爆作用下硐室锚杆受力动态响应数值分析

利用数值分析软件LS-DYNA3D, 研究了在侧爆应力波的作用下硐室锚杆支护受力动态响应。数值分析结果表明:通过对比相同比例距离的试验和数值模拟压应力时程曲线,说明数值模拟结果可信;基于不同位置锚杆中间单元轴向应力时程曲线分析,发现迎爆侧受到应力波的作用明显大于背爆侧;迎爆侧侧墙锚杆既受压又受拉,并且锚杆8受压最大;受拉较强部位主要集中在迎爆侧,锚杆7拉应力峰值最大;从锚头到锚端锚杆拉应力峰值和压应力峰值都是先增加再减小,最大压应力峰值偏向锚端,而最大受拉位置与应力波的幅值和波长有关。     

在高地应力区与一个大型地下电站有关的若干岩石力学问题

本文描述了二滩坝址区出现的饼状岩芯及岩爆现象。然后介绍了在河谷中及平洞里进行的一系列应力测量的结果。最后用有限元方法分析了岩石破裂机制及地下厂房周围的应力分布,并介绍了应力在实验室中用液压伺服刚性压力机对一些试样加压及用声射仪进行监测的试验结果     

高地应力硐室光面爆破孔间应力相互作用与成缝机制

针对高地应力条件硐室光面爆破,首先采用柱腔激发模型计算光爆孔孔间爆炸应力场,并分析地应力与孔间爆炸应力场的叠加规律;然后,采用验证过的RHT数值模型,模拟单孔、双孔、三孔及地应力条件下爆炸环向拉应力场,并研究径向不耦合系数、孔间距和地应力对光面爆破孔间成缝的影响;最后,给出考虑地应力影响的光面爆破参数选择建议,并成功应用于锦屏二级水电站引水隧洞爆破开挖。研究结果表明：爆炸应力波相互叠加导致光爆孔连线中点附近的爆炸环向拉应力峰值增大,呈现峰状凸起特征,而地应力重分布产生的径向压应力与光爆孔孔间爆炸环向拉应力作用方向相反,会抑制光面爆破孔间成缝和贯穿;受地应力影响,爆生裂缝扩展体现出明显的方向性,更倾向于沿最大主应力方向扩展。因此,对于一般光面爆破设计(孔径42 mm、药径32 mm、光爆层厚度0.6 m),地应力由20 MPa增大至40 MPa时,光爆孔孔间距应由0.75 m减小至0.60 m,炮孔宜沿最大主应力方向布置,以确保孔间成缝和硐室开挖成型。     

顶爆作用下地下大跨度硐室抗爆性能研究

钻地武器爆炸荷载下地下工事的稳定是保障军事和物资储备安全的前提。通过物理模型试验和数值模拟相结合的方法,研究了顶爆作用下大跨度地下硐室的抗爆性能。研究结果表明:随着爆心距的增加,压应力峰值和位移峰值均逐渐降低,加速度响应主要发生在前20 ms;8 g TNT当量顶爆荷载作用下,爆点附近围岩破坏严重,硐室拱顶内壁出现轻微纵向裂缝,总体保持稳定;随着爆压峰值的增大,硐室变形逐渐增大,塑性区逐渐由爆腔向硐室扩展,衬砌结构的塑性区破坏范围也同步增大。根据硐室动态响应规律,可以针对硐室上方围岩和拱脚进行锚杆锚索加固,从而提高硐室的抗爆性能。研究结果可以为大跨度地下硐室抗爆设计提供有益借鉴。     

温度作用下岩石力学行为研究的现状

近些年来,国内外学者大量研究了温度对岩石力学行为的影响。论文对温度作用下岩石物理特性、力学特性、损伤以及本构理论的研究现状进行了归纳总结。研究温度对岩石力学行为的影响对核废料存储、深部岩体工程以及地下资源的开发与利用等重大工程具有十分重要的现实意义。     

长应力波作用下深埋硐室围岩-衬砌应力状态解析

在地下爆炸中远区,作用在结构上的地冲击应力波可视作长平面波,利用拟静法对长应力波作用下围岩与衬砌之间的相互作用展开了分析,围岩本构选取弹脆性模型,围岩塑性区判别选用Tresca屈服准则,得到了非均布荷载下围岩-衬砌体系的弹塑性应力状态,并依此建立了围岩自承能力和最小防护层厚度计算方法。     

冲击荷载作用下岩石动态响应预测研究

利用已有大理岩对冲击波的动态响应图,验证在0.1Hz不同加载方式下提出的岩石非线性动态响应预测模型及预测公式的适用性和合理性,提出加载速率波形曲线函数的适用条件。经研究表观弹性模量的拟合系数,提出了冲击压实系数a和冲击初始弹性模量b,以及岩样内部裂隙孔洞的压密效应系数a1和滑移错动效应系数a2,且有a=a1+a2,a10,a20。指出当岩样受到荷载作用时,岩样的压密作用与滑移错动作用是同时存在的,在加载段,|a1||a2|,在卸载段,|a1||a2|,致使加载段a0,卸载段a0。定义了加卸载速率响应比β,表征卸载段平均切线模量与加载段平均切线模量的比值,β值越大岩石的破坏程度越大,不同频率下,砂岩在三角波和正弦波加载方式下均有β≈2。各应变片的应变、变形速率、能量值的实测值与计算值均吻合较好,证明了在低速荷载下提出的岩石非线性动态响应预测模型及预测公式在高速冲击波随时间的毫秒级变化规律情况下具有较好的适用性和合理性,拓宽了该预测公式和模型的应用范围,对位移控制严格的工程设计和施工有现实意义。     

循环应力作用下大理岩砂岩的动态响应

 基于岩石的滞弹性性质导致地震波的衰减, 而采用正弦波对大理岩、砂岩施加单轴压缩应力, 求取应力与应变的相位差, 表明饱油岩石的衰减大于饱水岩石的衰减, 干燥岩石的衰减很小, 频率对衰减的影响很大, 砂岩具有明显的各向异性, 衰减、模量、泊松比随正弦波应力振幅的增加, 其变化趋势也存在较明显的各向异性。     

局部周期性应力波作用下地下结构动力响应

通过一种独特的阵列式消能振子构造,可将爆炸冲击波转换为具有初始升压段的地下局部周期性应力波,以降低爆炸冲击波峰值压力及破坏效应。为考虑消能振子作用,在距地下结构一定距离处施加具有初始升压段的不同波长地下局部周期性应力波,得到稳定振动阶段及非稳定振动阶段地下结构各部位加速度、速度、最大主应力及最小主应力的变化规律,结果表明:若将具有初始升压段的地下局部周期性应力波波长控制在一定范围,则可充分利用衍射效应让应力波绕过结构物继续传播,以降低结构动力响应。计算结果可为阵列式消能振子的参数优化设计提供参考。     

高地应力大型地下洞室的位移和锚杆应力特性

通过大量的原型监测数据 ,研究了大型地下洞室的位移特性、锚杆应力特性以及它们的变化规律 ,并分析了对围岩位移和锚杆应力的影响因素     

复杂硐室交叉口转向挑顶施工力学行为研究

长大隧道的辅助坑道与正洞交叉段施工工序繁多,围岩易受到开挖扰动,进而产生失稳破坏。以伏牛山隧道为工程背景,借助有限元软件PLAXIS3D构建三维数值模型,模拟了辅助坑道进入正洞的施工过程,研究了小导洞转向挑顶施工及正洞反向台阶法开挖的施工力学行为与三维空间效应,分析了施工过程中围岩应力、拱顶沉降、洞周横向收敛位移及围岩塑性区演化规律。结果表明:横向通道交叉口段施工会导致交叉口附近风机房正洞围岩产生应力重分布,在正洞拱顶及右拱腰处形成拉应力,沿风机房纵向影响范围约为1倍洞径; 风机房拱顶最终沉降量为3.7～3.9 mm,在交叉口及其附近,以小导洞爬坡挑顶阶段和风机房正洞反向开挖通过时引起的拱顶沉降量最大,小导洞转向挑顶施工引起的拱顶总沉降量相对较小; 联络通道左侧进洞使得正洞左侧横向位移增加,进而导致正洞左右两侧横向位移呈现不对称分布; 交叉口处联络通道与风机房产生了连续的塑性区,塑性点主要在开挖侧壁,拱腰处最为集中,向上延伸至拱肩,拱脚处向下发展至一定深度; 针对小导洞扩挖施工过程中交叉口、上台阶侧壁、底面出现的少量受拉破坏点,施工中应对这些部位予以重点关注,及时施作初期支护,防止局部掉块。     

地震作用下岩石动态力学参数估算方法探讨

岩体在地震作用下的动态力学参数是对岩石工程准确地进行地震稳定性分析的基础。在探究地震作用下岩石材料合理应变速率基础上,利用动态力学试验与岩体力学参数的经验估算方法,讨论考虑地震作用的岩石动态力学参数估算问题。结果表明:(1)对于依托工程而言,相应的地震代表性应变速率为10~(-2)～5×10~(-2)/s。这一应变速率范围介于准静态和传统上的"中等应变速率"之间。(2)对动力学试验结果进行拟合时发现,强度包络线的形状并不随着应变率的增加而变化,仅有强度包络线截距变化。基于此提出考虑动态应变速率的地震动态强度参数估算经验公式,可在静态参数和应变速率的基础上估算考虑地震作用的动态强度参数。(3)基于HoekDiederichs经验公式,给出地震作用下岩体动态模量的估算方法。(4)最终,结合岩体的地震动态强度参数与模量参数的估算方法,提出考虑地震作用的岩石动态力学参数估算方法。并以白鹤滩水电站岩体为例,对这一方法进行了说明。     

高地应力下岩石的真三轴试验研究

通过真三轴试验模拟高地应力条件下地下工程开挖引起的复杂的应力路径的演化。在设定的加载方式下，针对拉西瓦新鲜花岗岩的试验结果表明：当卸载最小主应力时，岩石发生回弹变形，声发射计数率比卸载前显著增加，增加的幅度随中间主应力的增加而逐渐提高。岩石的应力一应变关系为弹脆性，峰值强度随中间主应力的增加有所提高，峰值强度的提高值与中间主应力的比值随中间主应力的提高逐渐减小。声发射计数率峰值与应力水平有关，峰值的次数与破坏后主裂缝的条数相对应。最后，分析了岩石的破坏机制。     

地下爆炸作用下节理岩体力学响应的离散元法模拟

To verify the capability of DEM in modeling the dynamic response of rock masses to blasting loads, two underground explosion tests are numerically investigated. Results show that rock joints can significantly affect the transmission and the attenuation of shock waves, and can therefore influence the stability of the adjacent underground structures. Rock joints act as a kind of filters through which only low-frequency components of the shock waves are allowed to pass, and the high-frequency components of the shock waves do no harm to far-field tunnels if a predominant joint set exists in between. The spacing of joint set can also remarkably affect the propagation process. It indicates that as a discontinuum-based numerical approach, DEM is good at simulating the propagation and attenuation of blasting wave in jointed rock masses, and in modeling the stability of underground structures subjected to blasting loads.     

饱和岩石对平均应力和动载应力振幅的响应

在单轴循环加载实验中不断改变平均应力和正弦波应力振幅的实验条件下,研究饱和砂岩和大理岩的动态响应.研究结果表明,随平均应力增大,弹性模量增大,泊松比先增大后减小,滞回圈面积减小,衰减量减小.平均应力和动载应力振幅同时改变时,对动态响应影响最大;其次是平均应力不变而只改变正弦波应力振幅时,对应变、弹性模量、泊松比和衰减量的影响都很大,比改变平均应力对饱和岩石的动态响应显著得多.对环境介质的腐蚀作用进行探讨.由于水的应力腐蚀作用,饱水砂岩比饱油砂岩的衰减量增长1倍,动态响应很明显.由于大理岩结构致密,孔隙度仅有1%左右,导致砂岩的应力腐蚀作用明显大于大理岩.该研究成果对地震和地质灾害的防治是很有意义的.     

盾构切刀作用下岩石动态响应机制的数值模拟研究

为了研究盾构切刀作用下岩石的动态响应机制,从岩土细观角度出发,采用颗粒离散元法建立了岩石与切刀的二维数值模型,并对切刀破岩过程的影响因素进行分析。研究表明：切刀切削岩石的过程,是由数个小剪切和一个大剪切所组成的、不断循环的过程,它造成了切削力随着切削行程的不断波动;刀具尖端的破坏作用最为明显;切削力和裂纹数随着切削行程不断增大,裂纹的生成和扩展需要更大的切削力;从切削性能来看,正前角时岩屑更容易排出,切削效率更高;对切削力和裂纹数进行统计分析发现,切深比切削速度对破岩的影响更为显著。     

深埋岩石砸室在爆炸应力波荷载作用下的破坏效应

深埋岩石侗室在爆炸应力波荷载作用下的破坏效应对于国防和民防工程及其他抗爆抗震工程的防护设计和效应分析具有重要意义。国内外通过核试验、大型化爆试验、小型模拟实验、村料特性研究、理论解析、数值模拟等方法取得了一些研究成果,但有许多问题解决得不够系统和完备。基于工程观测资料,采用现场试验数据综合分析、小比例化爆模拟实验和岩石脆性破坏模型的三维动力有限元数值模拟的方法,研究了深埋岩石用室在爆炸应力波荷载作用下随着各种条件的变化而发生的破坏效应。 根据爆炸用室工程破坏现象和相关力学条件,总结了阑室宏观破坏的一般图象、变化特征和影响因素等规律,编制出新的用室破坏分区表,可供类似条件下的工程概略设计与分析使用。 水泥砂浆材料小比例化爆模拟实验表现了完整多孔硬岩中用室应力波破坏的特征,是对核试验成果的有益补充。水泥砂浆中用室破坏方式表现为压垮、围岩强烈塑性变形和产生裂隙,用室稳定性比裂隙硬岩中要好,存在口部加剧效应和多酮相互作用。 扫描电镜试验表明,炯室微观损伤破坏变化规律与宏观破坏现象是一致的,可以用水泥砂浆中的砂粒是否明显破坏作为用室发生宏观严重破坏的微观标志。根据微观损伤特征,可以看出酮室破坏随比例距离、用室轴向、断面形