对轴对称荷载作用圆巷围岩理想弹塑性分析解的讨论

对轴对称荷载作用圆巷围岩理想弹塑性分析解——Kastner解适用于软岩和小变形情况,若用于非软岩和大变形情况,从Kastner方程会导得:不论巷道围岩塑性变形多大,巷道周边切应力恒等于岩体峰值强度;围岩所承受的地应力可以随围岩塑性区半径增大而持续增大,随巷道周边位移增大而持续增大;此外,Kastner解中切应力分布曲线在围岩弹、塑性区交界处有尖峰向上的应力集中.采用符合岩石实际的弹性、非线性硬化和软化光滑连接的应力-应变关系得到的巷道围岩分析解,可以弥补以上三点不足,恰当地反映巷道临界深度和巷道围岩自承地应力极限问题;所绘出的切应力分布曲线在围岩弹、塑性区交界处光滑连接,因而有更广的适用性和精确性,对巷、隧道围岩大变形支护设计有参考作用.     

基于应变非线性软化的圆形硐室围岩弹塑性分析

依据塑性力学全量理论,将岩体单轴压缩的非线性软化本构关系推广,得到复杂应力状态下圆形硐室围岩塑性区的等效应力与等效应变关系;籍以求得应变非线性软化的圆形硐室围岩塑性区半径、弹塑性区应力、应变和位移;进而求得相应情况下的硐室围岩平衡方程、地应力与硐室周边位移关系以及围岩压力方程。首次给出围岩弹性区承载力、塑性区承载力的表达式。     

圆巷开挖围岩偏应力应变能生成的分析解与图解

巷道开挖在围岩中产生偏应力,围岩应力是原岩应力与偏应力的叠加,偏应力或偏应力能控制岩体破坏。在假设静水压力和体积应变等于零条件下,利用文献[1]在弹性、非线性硬化和软化光滑连接的本构模型导得的圆巷围岩弹性、硬化和软化区光滑连接的应力分布表达式,用重积分计算了圆巷围岩弹性、硬化和软化区中的偏应力应变能U d,证明了Ud可以简捷地用地应力关于巷壁位移做一次积分再乘以巷壁周长得到。由此,可通过地应力–巷壁位移关系曲线及其所围面积的几何形式表示围岩偏应力能随巷壁位移变化的情况,此研究结果可以深化由于巷道开挖围岩的力学响应及挖成后巷道围岩工况规律的认识。     

均匀地应力场下圆形隧道静态弹塑性解析方法

针对圆形隧道的弹塑性解析中许多能更好地反映岩石特性的本构模型由于数学求解的困难而得不到广泛应用的问题,进行新的尝试。首先,基于单一曲线和体积不可压缩假设,总结完善一种更为简便的解析方法。其次,运用该解析方法,针对6种不同的本构模型,计算围岩的弹性区和塑性区应力、塑性区半径、围岩平衡方程、围岩自承地应力上下限等,得到精确或近似的解析表达式。针对线性软化本构模型,引入Lambert函数给出塑性区半径R的解析表达式,论证围岩平衡曲线中R的取值范围。针对Nelder非线性软化本构模型,引入幂函数给出拐点横坐标以及拐点处降模量的近似计算式。当峰后为Weibull非线性软化本构模型时,由于whittaker函数无法求反函数和极限,故而提出以Gauss公式拟合整条围岩平衡曲线,再以Gauss反函数的求解得到塑性区半径的新思路。最后,对比分析6种本构模型的解析结果之间的差异后得出,非线弹性情况下得到的围岩自承地应力上限比线弹性情况下高,而应力集中系数低,应力集中位置偏离弹塑区边界位于弹性区内,切向应力再分布曲线上不会出现尖角,这些都与实际更为相符。因此,不论是软岩或是硬岩,使用连续而光滑的本构模型进行弹塑性分析可以得到更为符合实际的结果。     

基于应变非线性软化的衬砌压力隧洞弹塑性解析解

基于岩体应变非线性软化本构模型,考虑中间主应力的影响,对等压荷载作用下的衬砌压力隧洞进行弹塑性分析。将围岩划分为裂缝区、塑性区、弹性区,推导出了围岩裂缝区、塑性区、弹性区及衬砌内任一点的应力和位移解析计算公式,并得到了使衬砌边缘岩体开始产生塑性变形的临界内压力。所得到的解与基于理想弹塑性体的Kaster’s解相比,更接近实际隧洞围岩受力变形情况。     

围压影响的盐岩压缩力学特性及非线性本构模型

为了更准确地描述盐岩的力学特性,对盐岩开展多组单轴、三轴压缩试验。根据试验结果,多组试验数据得到的莫尔包络线具有非线性特征,并且盐岩力学特征对围压有很强的相关性。单轴及低于5 MPa围压时盐岩应力应变关系曲线表现弹性、应变硬化、软化3个过程,而当高于5MPa围压时盐岩延性特征显著,应力应变曲线硬化阶段比例加大,扩容点前移,而软化过程有一定程度的减弱。基于Hoek-Brown准则的软化模型将应力应变曲线峰前阶段改进为弹性非线性弹性模型,得到一种新的非线性本构模型。结果表明这种非线性本构模型可以很好地吻合不同围压作用的盐岩应力应变曲线。     

考虑渗流、应变软化和扩容的巷道围岩三剪应力统一强度理论解

为了研究渗流、应变软化和扩容对巷道围岩稳定性的影响,首先根据三剪应力统一强度理论建立了平面应变状态下的屈服方程,将巷道围岩从外往内依次划分为弹性区、塑性软化区、破碎区,然后综合考虑渗流影响、应变软化、扩容以及塑性软化区和破碎区内弹性应变的2种情况,推导了各个区应力、位移以及塑性软化区和破碎区半径的三剪应力统一强度理论解...     

围岩中原始垂直地应力对圆形隧洞全长注浆 岩石锚杆应力分布模式的影响分析

 通过分析原始垂直地应力对圆形地下洞室塑性区半径、围岩体塑性区和弹性区内岩体的位移变化以及对锚杆应力分布的影响,揭示原始垂直地应力对锚杆锚固效果的影响。研究结果表明,弹性区内任一点的应力大小与垂直地应力有关,而塑性区内任一点的应力与原始垂直地应力无关;随着垂直地应力的增大,巷道塑性区半径也在不断增大,二者之间呈明显的非线性关系;塑性区的径向位移及隧洞壁的最大位移也随之增大。同时,根据围岩与锚杆的相互作用,建立全长注浆岩石锚杆在圆形隧洞围岩中的应力分布解析本构方程。在此解析模型的基础上,对不同垂直地应力作用下锚杆的应力分布模式进行较详细分析,得出随着垂直地应力增大,锚杆的摩阻力和轴向载荷也随之增大,并且锚杆端部的应力集中现象更加明显,当锚杆端部的摩阻力超过围岩的容许抗剪强度时,则锚杆与围岩发生开裂破坏,故在设计与施工中应予以考虑。最后,提出提高和改善由于锚头开裂导致锚固效果降低的方法,对全长注浆岩石锚杆施加垫板,能有效改善锚杆的锚固效果。     

高地应力软岩隧道围岩压力研究和围岩与支护结构相互作用机制分析

岩体开挖后受扰动而产生应力重分布过程极其复杂,尤其是在不良地质环境下更甚。对于地质条件差、地应力为高~极高的软弱围岩,其结构受力大小与受力特征对隧道结构安全尤为重要。针对目前研究中存在的问题,结合工程中出现的问题和实际需求,以高地应力软弱围岩条件下的关角隧道、木寨岭隧道等工程为背景,通过地应力现场实测、理论研究与数值分析,对高地应力软岩隧道围岩压力和围岩与支护结构相互作用机制进行研究。主要进行以下几方面的研究工作:(1)在中国地应力场分布规律统计分析基础上,统计得到我国青藏地区平均水平地应力与垂直地应力的比值随深度变化的分布曲线。(2)采用水压致裂法进行兰渝线天池坪隧道和两水隧道地应力现场实测。在此基础上,分析隧道所处的原始高地应力水平及隧道开挖后的地应力分布规律;采用改进的BP神经网络进行了木寨岭、天池坪等隧道的宏观地应力场拓展分析,获得地应力的宏观分布形态与特点。(3)针对现有本构关系,对高地应力软岩尚不具有广泛代表性和卡斯特耐尔公式无法直接计算出在塑性区范围不同发展过程对应的塑性形变压力的问题,以原岩应力和隧道容许位移(或支护后实际量测位移)为出发点,采用岩体软化"直–曲–直"模型,推导了隧道形变压力计算公式。(4)利用台阶法开挖中存在的空间效应和改进的BP人工神经网络模型预测位移以及多项式拟合预测方法,提出两类在高地应力软弱围岩条件下使用开挖应力释放率模型的方法。通过在关角隧道和木寨岭隧道大战沟斜井高地应力软岩地段的应用,探讨其结构荷载与应力释放规律,其结果得到三维数值分析的验证。(5)为验证卡斯特耐尔扩展公式合理性,基于参数全过程变化的应变软化FLAC3D三维数值模型,模拟木寨岭隧道正洞高地应力软岩地段隧道开挖支护过程。三维数值结果与卡斯特耐尔扩展公式计算结果吻合,进一步证明该公式在高地应力软弱围岩条件下应用的可靠性、适用性。在统计青藏地区地应力分布规律基础上,结合现场实测和拓展分析,准确获得高地应力软岩隧道位置原始地应力,为研究围岩压力和围岩与支护结构相互作用机制提供依据。在原始地应力基础上,结合理论分析和数值仿真,获得高地应力软岩隧道的围岩压力计算方法和围岩与支护结构相互作用机制。主要创新点体现以下4个方面:(1)统计分析得到我国青藏地区平均水平地应力与垂直地应力的比值随深度变化的分布曲线。总结出青藏地区地应力分布规律与特点,为判别该区域地应力测试结果的合理性提供依据。(2)针对高地应力条件下软岩隧道大变形问题,引入岩体软化"直–曲–直"模型,推导出适用于高地应力软岩隧道基于原岩应力和隧道位移的隧道形变压力计算公式。(3)提出2种在高地应力软弱围岩条件下使用开挖应力释放率模型的方法。(4)为在三维数值分析中反映软弱围岩参数随坑道变形而不断变化的特性,引入参数全过程变化的应变软化模型,利用FLAC3D软件验证卡斯特耐尔扩展公式应用于高地应力软岩隧道的可靠性和适用性。     

深部隧道框架式真三轴物理试验系统研制与应用

为了研究深部隧(巷)道围岩稳定性机理与支护控制技术,以千米埋深为基本条件,考虑三轴六面恒压加载和数字照相量测先进技术的应用,研制了一套结构紧凑、特色鲜明的真三轴框架式大型物理模拟试验系统。该系统由模型加载反力框架、以扁油缸与真空回油为特色的液压加载控制系统、自行研制的数字照相变形量测与围岩应力测试系统和开挖支护辅助装置4部分组成,可用于长1000 mm×宽1000 mm×厚1000 mm的深部隧(巷)道大型物理相似模型试验研究。最后给出在深部矿山巷道围岩变形受力观测分析与围岩分区破裂化现象再现试验的应用实例。应用结果表明,本套试验系统对于研究包括矿山巷道、TBM隧道在内的深部隧(巷)道工程开挖与支护过程中围岩变形与应力分布规律及其稳定控制作用机理都具有重要价值。     

某水工隧洞围岩稳定及支护结构分析

隧洞的围岩稳定及支护结构安全是保证隧洞安全、实现隧洞功能的关键因素。由围岩加固圈承担主要的外水压力是优化支护结构设计、保证围岩稳定的一种有效方法。建立肯斯瓦特导流泄洪洞三维有限元模型,并进行非线性有限元分析。分析结果表明,设计的支护措施能明显减少围岩变形、改善应力分布,为类似工程设计提供参考。     

软弱围岩巷道锚注支护机理及其变形分析

锚注支护是将锚喷支护与注浆加固有机结合的一种主动支护方法。根据其机理，将注浆锚杆简化为作用于围岩的一种体积力，并将注浆作用看作对围岩力学性能的改变，以此建立了锚注支护的力学模型。依据围岩流变特性的试验结果，选择了一个适合的流变模型。最后应用粘弹性理论，分析了锚注支护对具有流变特性围岩在维护其稳定性方面的作用，计算结果表明，锚注支护对维护破碎围岩的稳定具有显著效果。     

水电站地下厂房层状围岩现场监测及稳定性研究

对复杂变化地质环境下的主厂房围岩进行各种因素作用下的综合稳定分析,并依据多种测试手段,对开挖后洞群交叉部位的围岩位移、松动范围等进行动态跟踪监测.研究开挖过程中主厂房顶拱围岩的变形规律、围岩松动范围,并利用有限差分法对地下洞群各开挖步序的围岩位移进行计算分析.实时监测数据和理论计算成果对比分析表明:计算结果与监测数据较好吻合.因此研究成果对同类型大型地下洞群层状围岩变形破坏特征、变形规律、力学行为、松动范围的研究具有重要的参考价值,并对一些控制性指标的界定具有理论指导意义,同时对大型地下洞群的设计和施工具有一定的指导作用.     

围岩变形的时效特征与预测的研究

在假设围岩地层的性态服从三元件粘弹性模型的基础上,结合对宜兴抽水蓄能电站地下厂房试验洞位移量测数据的分析,提出一种确定地层时效特征参数和预报地层变形的方法。内容包括在考虑试验洞开挖面空间效应影响的前提下对现埋孔的位移量进行修正。根据位移–时间关系曲线的回归方程建立任意时刻围岩地层等效弹性模量间的关系式,给出确定三元件粘弹性模型参数值及对洞周地层的变形进行预报的方法。研究表明:位移量的预报值与回归值可较好吻合,表明这一方法可供同类工程采用。     

层状岩体中洞室围岩层裂及破坏的数值模拟研究

非均质性是岩石类材料的基本特性,均质度的不同使得岩石表现出不同的力学特性和失效特征。基于RFPA?8程序,对层状岩体中洞室围岩的层裂及破坏进行了数值模拟,得到了层裂结构的层裂板厚度。同时,研究结果表明,对于岩石材料,其均质度对受压岩体内裂纹的演化具有重要意义。对于不同均质度范围,洞室围岩将表现出较高均质度的层裂破坏或较低均质度的局部弱化失效两种特点。     

南水北调西线工程隧洞围岩分类和变形分析

根据工程地质性质和砂岩、板岩比例对隧洞区工程地质岩组进行了划分，并对结构面和岩体结构进行分级和分类，在此基础上用T系统和RMR系统对隧洞围岩进行分类；变形计算中，根据围岩分类，采用基于GSI的Hoek-Brown经验方法对围岩岩体变形进行分析计算，并根据围岩分类和变形计算，对TBM在西线的适用性进行了探讨。     

煤矿深部岩巷围岩稳定与支护对策

在淮南矿区深部岩石巷道地应力场和支护研究的基础上,提出了煤矿深部岩巷围岩稳定受高地应力、高渗透压力和温度梯度影响的支护对策。试验和理论分析表明,采用与围岩内部潜在滑移面呈±22.5°布锚方法,运用具高初锚力的超高强锚杆支护,辅助以注浆固结、能量释放等措施可有效控制围岩稳定。     

深部围岩分区破裂化理论和实践的讨论

 由中国岩石力学与工程学会于2008年6月组织的中国科协第21期新观点、新学说学术沙龙,集中对围岩分区破裂现象以及相关的理论问题进行了讨论,内容涉及近期有关围岩分区破裂的研究成果,包括现场实测和实验室试验工作及分析,围岩分区破裂的形成机制、分区破裂各种现象的解析与数值分析方法,会议还讨论了论题的意义及其研究方法等方面的热点问题。对围岩分区破裂的研究具有探索性,目前的认识尚存在许多争论。对这一工作的讨论,不仅可以促进课题成果及其科学性,而且对整个科研工作的认识和处理方法也有启发性的影响。     

西山坪隧道穿煤及采空区围岩变形特性与数值模拟研究

结合渝（重庆）合（合川）高速公路西山坪隧道新奥法施工监测实施，分析了初期支护条件下隧道左线穿煤及采空区（LK35＋360～LK35 560)围岩的变形特征，并对穿煤及采空区围岩的位移和应力特性进行了施工动态有限元数值模拟研究，验证了位移监测资料的正确性。为制定采空区处理措施和优化后期支护方案提供了信息。